提高PLC控制系統可靠性的設計因素

夏朝陽

摘 要：筆者根據從業多年總結的經驗，分析了影響PLC控制系統可靠性的主要因素，給出了衡量PLC控制系統可靠性的措施，并就提高PLC控制系統可靠性的措施及設計方法進行分析。

關鍵詞：PLC控制系統 可靠性 干擾 設計

一、可編程邏輯控制器（PLC）的定義及重要性

可編程邏輯控制器英文全稱：Programmable Logic Controller，簡稱PLC。隨著科學技術的發展，為適應多品種，小批量生產的需求而產生發展起來的一種新型的工業控制裝置。PLC的產生實現了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍，其功能也由簡單到強大，推進了邏輯控制到數字控制的前進步伐，應用領域也越來越寬泛，實現了單體設備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅提高，成為工業控制領域的主流控制設備，在各行各業發揮著越來越大的作用。

二、影響PLC控制系統的可靠性因素

在工程實踐中，PLC（可編程控制器）常用來組成生產過程控制系統。，PLC控制系通常由，PLC和生產現場設備組成。PLC包括中央處理器、主機箱、擴展機箱及相關的網絡與外部設備；生產現場設備包括繼電器、接觸器、各種開關、極限位置、安全保護、傳感器、儀表、接線盒、接線端子、電動機、電源線、地線、信號線等。它們當中任何一個出現故障都會影響系統正常工作。因此，分析其對系統可靠性影響的程度，是進行可靠性設計、提高控制系統工作可靠性的重要依據。就PLC本身而言，其工作可靠性是非常高的。有資料表明，在PLC控制系統故障中，PLC的故障僅占系統故障的5%。PLC控制系統的故障主要發生在生產現場設備中，通常占系統故障的95%；與PLC相接的輸入、輸出設備的可靠性是影響PLC控制系統可靠性的主要因素。

三、提高PLC控制系統可靠性的措施

1、重視安裝

提高控制系統可靠性是一項長期、持久的工作。首先，施工和安裝是非常重要的環節，必須嚴格把關，這樣可減少投產故障率。其次，要保證檢修質量，特別是技改線路改動和系統改造，是目前的當務之急。否則，幾年的系統改造后，大量線路的更換，線號丟失及程序變更，該記錄備份的沒有做記錄等。致使維護工作量加大，可靠性得不到保證。這一項是人們極易疏忽的，必需引起高度重視。

2、老化篩選法

通常我們用“老化篩選”的方法，就是結束“早期”，延長“偶然期”，“損耗期”及時更換來提高PLC系統的可靠性。該方法主要用于不可修復元件。PLC控制系統的失效率是與時間有關。我們將設備元件的故障率y（t）隨時間變化劃分為三個時期進行分析，這種變化曲線通常稱故障率曲線也稱為浴盆曲線。

（1）早期故障較高（O～t0期間）。主要是由于系統內在設計錯誤、元器件質量、安裝和工藝缺陷等不合理原因引起，但隨時間的增加故障率迅速降低。這一時期的主要任務是盡早找出不可靠的因素使系統盡快穩定下來。

（2）偶然期故障期（t0～t1期間）比較穩定，也可稱為隨機故障期。此時期故障是隨機發生的，系統的故障率最低而且穩定，可視為常數。這一時期是系統的最佳狀態期，在運行中應以加強維護延長這段時期的時間，應做好定期檢修和維護工作。

（3）損耗期（t1之后）故障率上升，這是因為常時間以來構成系統的某些零件已經老化耗損，壽命衰竭機械和磨損以及絕緣的老化所引起。在這段時期中大部分元件要開始失效。如能事先知道損耗開始的時間，事先更換元器件，延長系統的有效壽命。推遲耗損故障期的到來。

3、電源的選擇

電網于擾串入PLC系統主要通過供電電源（如CPU電源、I/0電源等）、變送器供電電源和與PLC系統具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合而來。

對于PLC系統供電的電源，一般都采用隔離性能較好的隔離變壓器；對于變送器和共用信號儀表供電應選擇分布電容小、抑制帶大（如采用多次隔離和屏蔽 及漏感技術）的配電器，以減少干擾。

4、輸入輸出的保護

輸入通道中的檢測信號一般較弱，傳輸距離可能較長。檢測現場干擾嚴重和電路構成往往模數混雜等因素使輸入通道成為PLC系統中最主要的干擾進入通道。在輸出通道中，功率驅動部分和驅動對象也可能產生較嚴重的電氣嗓聲，并通過輸出通道藕合作用進入系統。

（1）采用數字傳感器。采用頻率敏感器件或由敏感參量R、L、c構成的振蕩器等方法使傳統的模擬傳感器數字化，多數情況下其輸出為TTL電瓶的脈掉量，而脈沖量抗干擾能力強。

（2）對輸入輸出通道進行電氣隔離。用于隔離的主要器件有隔離放大器、隔離變壓器、縱向扼流圈和光電耦合器等，其中應用最多的是光電耦合器。利用光耦合兩個電路的地環隔開，兩電路即擁有各自的地電位基準，它們相互獨立而不會造成干擾。

（3）模擬量的輸入輸出可采用V/F、F/V轉換器。V/F（電壓/頻率）轉換過程是對輸入信號的時間積分，因而能對噪聲或變化的輸入信號進行平滑，所以抗于擾能力強。

四、PLC控制系統可靠性的管理

1、設計的管理

對于整個電控系統來分析，要想順利完成可靠性的設備及工作，就要先對系統可能出現的各種故障進行預防以及預測，明確系統的薄弱環節以及潛在隱患，在完成整個設計預測以及設計改進工作之后，從而保證系統滿足可靠性的具體要求，可靠性設計的方法主要包括對各種可靠性的設計準則進行貫徹與制定，科學合理的選擇以及使用零部件和元器件，從根本上完成降額設計、冗余設計、耐環境設計、電磁兼容設計以及動態設計等工作。PLC作為一種可靠性較高的控制裝置，輸出執行元件的可靠性以及輸入信號元件的可靠性是保證各種控制系統可靠性的主要的元器件。

2、人的管理

隨著科技的發展，的科學含量不斷的提高。這將對工作人員的素質提出更高的要求。工作人員不但要熟悉設備情況、檢修、規劃和設計等；而且還要懂得計算機以及具有一定技術水平。因此，必須從人員的培訓力度、培訓方式和培訓內容等著手。不斷提高工作人員的業務素質和思想素質，才能勝任其工作崗位。

3、維護管理

PLC控制系統的可靠性，其主要因素還是要做好后期的維護管理工作，維護設備主要部位：供電，外部環境、安裝狀態、電源（PS）、中央處理單元（CPU）、信號模板（SM）及壽命元件輸人、輸出中間等外圍設備等。

結束語：PLC控制系統可靠性不僅取決于PLC硬件本身的質量好壞，而且與周邊設備的質量、硬件的安裝方式、軟件的編制等有很大關系。如何在硬件配置上提高系統對外界環境的抗干擾能力，是提高系統可靠性的重要手段。深入理解影響PLC可靠性的因素，針對各種因素進行設計，可有效提高PLC系統的可靠性。

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