PLC控制系统的可靠性分析及设计
国增海
摘要:：分析了影响PLC控制系统可靠性的主要因素，给出了衡量PLC控制系
统可靠性的参数及计算公式，并就提高PLC控制系统可靠性的硬件措施及设计方法进行分析。

关键字：PLC控制系统可靠性干扰设计
正文
一、引言
多年来可编程控制器(以下简称PLC)从其产生到现在，实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃；其功能从弱到强，实现了逻辑控制到数字控制的进步；其应用领域从小到大，实现了单体设备简单控制到胜任运动控制、过程控制及集散控制等各种任务的跨越。

今天的PLC在处理模拟量、数字运算、人机接口和网络的各方面能力都已大幅提高，成为工业控制领域的主流控制设备，在各行各业发挥着越来越大的作用。

二、影响PLC控制系统的可靠性因素
在工程实践中，PLC(可编程控制器)常用来组成生产过程控制系统。

,PLC控制系通常由,PLC和生产现场设备组成。

PLC包括中央处理器、主机箱、扩展机箱及相关的网络与外部设备；生产现场设备包括继电器、接触器、各种开关、极限位置、安全保护、传感器、仪表、接线盒、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。

它们当中任何一个出现故障都会影响系统正常工作。

因此，分析其对系统可靠性影响的程度，是进行可靠性设计、提高控制系统工作可靠性的重要依据。

就PLC本身而言，其工作可靠性是非常高的。

有资料表明，在PLC控制系统故障中，PLC的故障仅占系统故障的5%，如图1示。

由图可见，PLC控制系统的故障主要发生在生产现场设备中，通常占系统故障的95%；与PLC相接的输入、输出设备的可靠性是影响PLC控制系统可靠性的主要因素。

三、提高PLC控制系统可靠性的硬件措施
干扰的形成需要同时具备3要素，即干扰源、藕合通道和对干扰敏感的受扰体。

因此抗干扰的原则是抑制干扰源、破坏干扰通道和提高受扰体的抗干扰能力。

硬件抗于扰技术是系统设计时的首选措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。

1、电源的选择
电网于扰串入PLC系统主要通过供电电源(如CPU电源、I／0电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合而来。

对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的隔离变压器；对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少干扰。

2、输入输出的保护
输入通道中的检测信号一般较弱，传输距离可能较长。

检测现场干扰严重和电路构成往往模数混杂等因素使输入通道成为PLC系统中最主要的干扰进入通道。

在输出通道中，功率驱动部分和驱动对象也可能产生较严重的电气嗓声，并通过输出通道藕合作用进入系统。

①采用数字传感器。

采用频率敏感器件或由敏感参量R、L、c构成的振荡器等方法使传统的模拟传感器数字化，多数情况下其输出为TTL电瓶的脉掉量，而脉冲量抗干扰能力强。

②对输入输出通道进行电气隔离。

用于隔离的主要器件有隔离放大器、隔离变压器、纵向扼流圈和光电耦合器等，其中应用最多的是光电耦合器。

利用光耦合两个电路的地环隔开，两电路即拥有各自的地电位基准，它们相互独立而不会造成干扰。

③模拟量的输入输出可采用V/F、F/V转换器。

V/F(电压/频率)转换过程是对输入信号的时间积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑，所以抗于扰能力强。

四、PLC控制系统的可靠性设计
对于一个电控系统来说，可靠性设计的主要任务是预测和预防系统所有可能发生的故障，确定系统潜在的隐患和薄弱环节，通过设计预防和设计改进，有效地消除隐患和薄弱环节，使系统达到规定的可靠性要求。

可靠性设计的方法通常包括：制定和贯彻可靠性设计准则，元器件、零部件的正确选择与使用，降额设计，冗余设计，耐环境设计，热设计，电磁兼容设计，动态设计（健壮设计）等内容。

如前述，PLC作为一种高可靠性的控制装置，在其所组成的控制系统中，系统的可靠性主要取决于与它的输入、输出端相连接，处于生产现场的输入信号元件、输出执行元件的可靠性。

因此，采用高质量的元器件，对故障率较高的元器件进行状态监控和故障诊断，充分利用PLC内部丰富的软元件代替某些元器件或者屏蔽输入的误信号，对关键部位采用冗余设计以确保工作可靠等，都是提高PLC 控制系统可靠性的有效措施。

1、尽量使用成熟技术和高质量元器件，防范和化解故障风险
所谓“成熟技术”，是指所选用的PLC和类似的系统设计，经历过一定的生产实践考验，设计人员对需使用的技术有经验或有掌握它的能力。

一般来说，设计一个PLC控制系统，使用的成熟技术要占75%以上。

因为控制系统一旦投入运行，就很难有机会反复修改。

同样，只有选择高质量的元器件，才能使系统达到高的可靠性要求。

从美国罗姆航空发展中心提供的1967-1977年集成电路的失效数据知，由于电过应力损伤造成的失效占总失效的56.8%。

因此，必须重视正确选择和使用元器件，优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件。

2、设计故障检测程序，提高系统工作可靠性。

①时间故障检测法。

控制系统工作循环各工步的运行一般都有严格的时间规定，以这些时间为参数，在要检测的工步动作开始的同时，起动一个定时器，监测其工作状态。

定时器的设定值，为该工步动作所需要的最大可能时间。

若动作在规定时间内完成，发出一个完成信号，使定时器清零，表明监控对象工作正常；否则，发出报警信号，停止正常工作循环程序。

②逻辑错误检测法。

在PLC控制系统工作正常时，各输入、输出信号和中间记忆装置之间存在确定的逻辑关系，一旦出现异常逻辑关系，必定是控制系统出现故障。

因此，可以预先编写一些常见故障的异常逻辑程序加到用户程序中。

当这种逻辑关系实现状态为“1”时，必然是出现了相应的设备故障，即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，实现报警、停机等控制。

3、利用PLC内部定时器，屏蔽输入的误信号。

PLC经常用于控制生产机械的运动。

有些机械的运动速度均匀，运动行程与时间关系确切。

以自动循环控制中某行程开关为例，在每一个循环中，它总是在同一时刻动作，发出信号。

由于现场工作条件恶劣，实际操作中可能因为振动等原因产生误信号，使系统误动作。

如果编程时，用两个内部定时器，限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样，屏蔽掉其他时间内可能发出的误信号，就可提高PLC输入信号的可靠性。

4、合理配置PLC及其硬件和软件资源冗余。

在设计中、大型PLC控制系统时，可能要采取多种方式的冗余，以确保系统运行可靠。

双系统冗余即中央处理器和全部输入9 输出、组网通信完全冗余，有时也是必不可少的。

对于设计的新系统，硬件和软件资源不能占用耗尽，硬件上至少保留15%左右的冗余。

五、结论
PLC控制系统可靠性不仅取决于PLC硬件本身的质量好坏，而且与周边设备的质量、硬件的安装方式、软件的编制等有很大关系。

如何在硬件配置上提高系统对外界环境的抗干扰能力，是提高系统可靠性的重要手段。

深入理解影响PLC可靠性的因素，针对各种因素进行设计，可有效提高PLC系统的可靠性。

参考文献
1皮状行．可编程序控制器的系统设计与应用实例．机械工业出版
社，2001
2王卫兵．可编程序控制器原理及应用．机械工业出版社，2002
3黄云龙．可编程控制器教程．科学出版社，2003
4王兆义．小型可编程控制器实用技术．机械工业出版社，2000。