PLC控制系統(tǒng)的可靠性探討

李增男

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

可編程序控制器(PLC)是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的一種控制系統(tǒng)，隨著電子元器件制造業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)也處在不斷的進(jìn)步當(dāng)中.但是，隨著其應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，PLC系統(tǒng)在較為復(fù)雜的環(huán)境中的可靠性明顯降低.而PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此，提高PLC系統(tǒng)抗外界環(huán)境干擾的能力是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵.

1 PLC 控制系統(tǒng)的組成及其故障分布

PLC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由輸入與輸出部件、中央處理單元、電源和編程器這四部分組成.輸入與輸出部件是將PLC控制系統(tǒng)與被控制機(jī)械連接起來(lái)的部件，輸入部件能夠接收到來(lái)自開(kāi)關(guān)、按鈕以及傳感器等結(jié)構(gòu)所發(fā)送的指令，傳遞到中央處理單元，中央處理單元在對(duì)其進(jìn)行分析處理后，通過(guò)輸出部件傳遞給受控制的機(jī)械或是其他設(shè)備.電源則起到穩(wěn)定電壓和提供電力的作用.編程器則可便于用戶(hù)對(duì)PLC系統(tǒng)的執(zhí)行程序進(jìn)行修改，用來(lái)使其功能專(zhuān)門(mén)化或是用來(lái)檢測(cè)PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài).在PLC控制系統(tǒng)的使用過(guò)程中，這些結(jié)構(gòu)是缺一不可的，一旦某一個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了故障，就會(huì)影響到PLC控制系統(tǒng)的可靠性.

實(shí)際上，PLC系統(tǒng)本身的可靠性是非常高的.有數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，一般的PLC控制系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)三十萬(wàn)個(gè)小時(shí).而且，PLC控制系統(tǒng)故障多是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生的故障，PLC本身故障只占故障的一小部分.下圖是PLC控制系統(tǒng)故障發(fā)生的主要類(lèi)型與概率.

圖1 PLC控制系統(tǒng)的故障分布情況

據(jù)可靠性理論，系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)失效或出現(xiàn)故障的次數(shù)稱(chēng)為失效率或故障率，用λ 表示，其倒數(shù)1／λ 稱(chēng)為系統(tǒng)的可靠性.通過(guò)使用發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)的可靠性與時(shí)間有關(guān).圖2給出了系統(tǒng)故障率λ 的曲線(xiàn)，由圖可知故障率分為三個(gè)階段.

圖2 系統(tǒng)故障率曲線(xiàn)

1.1 早期故障期

早期故障是指在PLC系統(tǒng)運(yùn)行初期發(fā)生的故障，它是指從系統(tǒng)投入應(yīng)用開(kāi)始，直至故障率逐漸降低并趨于穩(wěn)定的一個(gè)階段.一般來(lái)說(shuō)，早期故障多是由于系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)存在缺陷，元器件質(zhì)量有問(wèn)題或是制作工藝不夠精良等原因而產(chǎn)生的.這一階段的故障發(fā)生率與持續(xù)時(shí)間主要受到制造方的制造工藝與技術(shù)影響，通常可以通過(guò)選用有較高客戶(hù)滿(mǎn)意度的廠(chǎng)家生產(chǎn)的產(chǎn)品來(lái)降低故障的發(fā)生率.并應(yīng)該在投入使用時(shí)盡早找出系統(tǒng)缺陷，及時(shí)對(duì)其處理.

1.2 隨機(jī)故障期

隨機(jī)故障期是指在PLC系統(tǒng)經(jīng)過(guò)早期故障期，運(yùn)行逐漸穩(wěn)定后發(fā)生的故障，這一時(shí)期故障率較小，且故障發(fā)生的時(shí)間與部位都具有一定的隨機(jī)性.隨機(jī)故障的產(chǎn)生多是由于系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，由于環(huán)境中某些因素的影響而使得PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部的某些元器件遭到損壞，而影響到PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行.在這一階段，我們主要可以通過(guò)控制PLC系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，注意系統(tǒng)平時(shí)的保養(yǎng)和維護(hù)工作，及時(shí)更換易損耗零部件，合理規(guī)范的使用PLC控制系統(tǒng)等方式來(lái)降低故障發(fā)生率.

1.3 耗損故障期

耗損故障期是指當(dāng)PLC系統(tǒng)已經(jīng)工作了一定的年限，直至系統(tǒng)無(wú)法正常工作的一段時(shí)期.耗損故障期故障的發(fā)生多是由于系統(tǒng)內(nèi)部的某些零部件由于使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其磨損或是老化較為嚴(yán)重，因此不能繼續(xù)正常工作.我們主要可以通過(guò)提前更換老化或是磨損的零部件，經(jīng)常性的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢修等方式來(lái)延緩耗損故障期的發(fā)生時(shí)間.

2 PLC 控制系統(tǒng)可靠性的影響因素

PLC系統(tǒng)各部件之間的信號(hào)傳導(dǎo)主要通過(guò)電磁信號(hào)完成，因此其正常運(yùn)行容易受到外界電磁波的干擾，而頻繁變化的電壓或是電流可以產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng)，因此影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源大多是能產(chǎn)生頻繁變化的電壓或電流的物體.

2.1 來(lái)自外部空間的輻射干擾

這種干擾對(duì)于PLC系統(tǒng)的影響主要有兩種：一種是由于輻射對(duì)于PLC內(nèi)部信號(hào)的傳遞造成干擾，使其運(yùn)行出現(xiàn)問(wèn)題；一種是輻射直接干擾到PLC內(nèi)部系統(tǒng)，影響到其中央處理系統(tǒng)的信息接收、處理、傳遞等工作.

2.2 來(lái)自電源的干擾

PLC系統(tǒng)需要接到外接電路上才能工作，由于電網(wǎng)一般覆蓋范圍較廣，電力供應(yīng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，在電網(wǎng)切換供電的情況下就會(huì)由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生一定的電磁干擾，影響PLC系統(tǒng)的運(yùn)行.

2.3 信號(hào)線(xiàn)引入的干擾

與PLC控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線(xiàn)除了傳輸各類(lèi)有效的信息外，還會(huì)由于外界信號(hào)的侵入影響到信號(hào)傳輸線(xiàn)內(nèi)信號(hào)的強(qiáng)度和真實(shí)度，而傳遞某些無(wú)效或是錯(cuò)誤的信息.這種干擾極易引起PLC系統(tǒng)輸入或是輸出信號(hào)異常，降低測(cè)量的精確度，使PLC系統(tǒng)的可靠性降低.

2.4 來(lái)自接地系統(tǒng)混亂的干擾

對(duì)PLC控制系統(tǒng)采取接地措施可以有效的減少電磁干擾的影響，并且還可以避免設(shè)備向外界發(fā)出一定的干擾信息.但是，若是不小心采取了錯(cuò)誤的接地方式，則會(huì)產(chǎn)生適得其反的效果，甚至還會(huì)使信號(hào)干擾更加嚴(yán)重.

2.5 來(lái)自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

PLC系統(tǒng)內(nèi)部有著各種各樣的元器件，這些元器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大小不同的電磁輻射，而若是在PLC系統(tǒng)內(nèi)部并沒(méi)有進(jìn)行很好的屏蔽，那么這些元器件就會(huì)在工作時(shí)互相影響，降低PLC系統(tǒng)的可靠性.

3 提高PLC 控制系統(tǒng)可靠性的措施

提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性需要從源頭開(kāi)始，首先要分析降低PLC系統(tǒng)可靠性的因素，針對(duì)這些干擾因素制定相應(yīng)的措施.而形成干擾至少需要三個(gè)條件，一是能產(chǎn)生干擾信號(hào)的干擾源，二是能夠傳遞干擾的途徑，三是能夠感受到干擾的受體.因此，降低PLC系統(tǒng)受干擾的程度，提高PLC系統(tǒng)的可靠性就應(yīng)該從這三個(gè)方面著手.

3.1 電源的選擇

對(duì)于給PLC系統(tǒng)供電的電源，應(yīng)該盡量選用隔離效果較好的變壓器，或是在電源接入PLC系統(tǒng)之前增加一個(gè)隔離變壓器，以消除線(xiàn)圈間的耦合作用.在條件允許的情況下，可以把PLC系統(tǒng)中的控制器、中央處理器、輸入輸出等設(shè)備分別用不同的隔離變壓器與電源連接起來(lái)，降低電源對(duì)于PLC系統(tǒng)的干擾.

3.2 輸入輸出設(shè)備的抗干擾措施

輸入輸出設(shè)備的保護(hù)可以選用以下幾種方法：

（1）采用數(shù)字傳感器.模擬信號(hào)由于本身具有不穩(wěn)定性，較易受到外界環(huán)境干擾.而數(shù)字信號(hào)具有高保真的特性和優(yōu)秀的精確度，有著較強(qiáng)的抗干擾能力，因此被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中.PCL控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備也可以使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信息傳遞，對(duì)于提高PLC系統(tǒng)的抗干擾能力有著很大的幫助.

（2）對(duì)輸入輸出通道進(jìn)行隔離.為了避免輸入輸出設(shè)備受到外界信號(hào)干擾，可以對(duì)PLC系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備采取一定的隔離措施.如使用隔離變壓器，扼流圈等設(shè)備，降低外界信號(hào)對(duì)于PLC系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳輸?shù)母蓴_.

（3）在PLC系統(tǒng)內(nèi)部程序設(shè)計(jì)時(shí)，增加數(shù)字濾波程序，使系統(tǒng)可以有選擇的采用輸入設(shè)備傳遞至中央處理器處的信號(hào)，并在應(yīng)用端可以有選擇的接受控制信號(hào)，提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性.

3.3 完善接地系統(tǒng)

完善PLC的接地系統(tǒng)是一個(gè)有效的防止干擾的方法，在進(jìn)行接地時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn).

（1）地線(xiàn)系統(tǒng)合理布置.PLC系統(tǒng)接地線(xiàn)種類(lèi)繁多，包括數(shù)字電路地線(xiàn)、模擬電路地線(xiàn)、電動(dòng)機(jī)地線(xiàn)和機(jī)器外殼的地線(xiàn)等.而在安裝這些設(shè)備的地線(xiàn)時(shí)，應(yīng)該注意地線(xiàn)應(yīng)該分開(kāi)布置，不能混成一團(tuán)，以避免地線(xiàn)之間的互相干擾.

（2）PLC系統(tǒng)的接地線(xiàn)應(yīng)該盡量加粗，以減小接地阻抗，增強(qiáng)接地的抗干擾效果.

3.4 盡量使用成熟技術(shù)和高質(zhì)量元器件

在經(jīng)過(guò)早期故障期之后，PLC系統(tǒng)的程序故障已經(jīng)基本解決，此后大多數(shù)是由于元器件損壞而引起的故障.因此為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)該盡量選擇質(zhì)量較好、性能較優(yōu)的元器件.這樣既可以提高PLC系統(tǒng)的可靠性，還可以有效的延長(zhǎng)PLC系統(tǒng)的工作時(shí)間.

3.5 設(shè)計(jì)故障檢測(cè)程序，提高系統(tǒng)工作可靠性

時(shí)間故障檢測(cè)法：時(shí)間故障檢測(cè)法是以時(shí)間為參數(shù)，監(jiān)測(cè)部件在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài).在監(jiān)測(cè)開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)已經(jīng)設(shè)置好的定時(shí)器，定時(shí)器設(shè)置的時(shí)間應(yīng)稍大于該部件完成某項(xiàng)工作所需的正常時(shí)間.若是該部件在時(shí)限內(nèi)完成工作，則表示該部件沒(méi)有故障；若是該部件沒(méi)有在時(shí)限內(nèi)完成工作，則表示該部件存在故障.

邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)法：PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分是相互聯(lián)系的，它們通過(guò)中央處理器以及輸入輸出設(shè)備完成各個(gè)部件之間的協(xié)調(diào)工作.當(dāng)PLC系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有故障，可以正常工作時(shí)，其各個(gè)部件之間的邏輯關(guān)系也是正常的，若是系統(tǒng)內(nèi)部存在故障，那么PLC系統(tǒng)各個(gè)部件之間的邏輯關(guān)系也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤.因此可以設(shè)計(jì)具有檢測(cè)邏輯關(guān)系功能的程序，預(yù)先加裝在用戶(hù)端，當(dāng)通過(guò)邏輯檢測(cè)程序?qū)LC系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，其邏輯關(guān)系顯示錯(cuò)誤時(shí)，則表示PLC系統(tǒng)內(nèi)部存在故障.

4 結(jié)束語(yǔ)

PLC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和利用給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的便利，而在對(duì)其進(jìn)行利用的同時(shí)，我們應(yīng)該更多的考慮到如何提高PLC系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.本文從分析影響PLC系統(tǒng)可靠性的各種干擾因素著手，探討減弱干擾因素影響的措施.在平時(shí)的工作中，我們也應(yīng)該細(xì)致觀察，在實(shí)踐中不斷思考，不斷摸索，不斷提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性.

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