- 艾寶物聯(lián)IOBOV? ─ 工業(yè)無線測控專家
詳述了影響可編程序控制器控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，并就可編程序控制器的工作環(huán)境、電源的要求、接地和連接線的方式、冗余設(shè)計(jì)和降級操作設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)的輸入電路和輸出電路與可編程序控制器的軟件程序編制等多個(gè)方面，提出了一些可行的方法和措施。通過對可編程序控制器的控制系統(tǒng)實(shí)際測試和多次試驗(yàn)，得出了幾個(gè)適合生產(chǎn)環(huán)境、能符合控制系統(tǒng)要求的改進(jìn)線路，從而使可編程序控制器控制系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步的提高。
0、引言
可編程序控制器（以下簡稱PLC）是在程序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。從廣義上講，PLC是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過程相連接的輸入輸出接口，并已成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本裝置。PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中，已基本取代了傳統(tǒng)的繼電器和接觸器的邏輯控制。用PLC來控制系統(tǒng)設(shè)備，其工作的可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC本身而言，平均無故障時(shí)間一般已可達(dá)3~5萬小時(shí)；而三菱的F系列，據(jù)稱其平均無故障時(shí)間已達(dá)30萬小時(shí)。所以，整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的可靠性，主要取決于PLC的外圍設(shè)備，比如輸入器件中的行程開關(guān)、按鈕、接近開關(guān)，輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個(gè)帶有監(jiān)控的程序，對提高系統(tǒng)的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行一些探討。
1、從PLC的外圍設(shè)備來考慮提高PLC的可靠性
PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備。當(dāng)工作環(huán)境較為惡劣，如電磁干擾較強(qiáng)、濕度高、電源、輸入和輸出電路等易受到干擾時(shí)，會使控制系統(tǒng)的可靠性受到影響。
1.1 工作環(huán)境的要求
除了為特殊工作環(huán)境而設(shè)計(jì)的PLC外，一般PLC工作的環(huán)境溫度應(yīng)在0~55℃的范圍，并要避免太陽光直接照射；安裝時(shí)要遠(yuǎn)離大的熱源，保證足夠大的散熱空間和通風(fēng)條件；空氣的相對濕度應(yīng)小于85%，不結(jié)露，以保證PLC的絕緣良好。PLC應(yīng)避免安裝在有振動(dòng)的場所；對振動(dòng)源允許的條件則應(yīng)按照產(chǎn)品說明書的要求，安裝減振橡膠墊或采取其他防振措施?？諝庵杏蟹蹓m和有害氣體時(shí)，應(yīng)將PLC封閉安裝。
1.2 電源的要求
不同的PLC產(chǎn)品，對電源的要求也不同，這里包括電源的電壓等級、頻率、交流紋波系數(shù)和輸入輸出的供電方式等。
對電磁干擾較強(qiáng)、而對PLC可靠性要求又較高的場合，PLC的供電應(yīng)與動(dòng)力供電和控制電路供電分開；必要時(shí)，可采用帶屏蔽的隔離變壓器供電、串聯(lián)LC濾波電路等。在設(shè)計(jì)時(shí)，外接的直流電源應(yīng)采用穩(wěn)壓電源，供電功率應(yīng)留有20%~30%的余量。對由控制器本身提供的直流電源，應(yīng)了解它所能提供的最大電流，防止過電流造成設(shè)備的損壞。
1.3 接地和接線
1) PLC的良好接地是正常運(yùn)行的前提。在設(shè)計(jì)時(shí)，PLC的接地應(yīng)與動(dòng)力設(shè)備的接地分開，采用專用接地；如不能分開接地時(shí)，應(yīng)采用共用接地；絕對禁止采用共通接地方法。如圖1所示，接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC，接地線的線徑應(yīng)大于4mm2，接地電阻一般應(yīng)小于10Ω。
圖1
接地方法
2) PLC的接線包括輸入接線和輸出接線。輸入接線的長度不宜過長，一般不大于30m；在線路距離較長時(shí)，可采用中間繼電器進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應(yīng)分開設(shè)置。必要時(shí)，可在現(xiàn)場分別設(shè)置接線箱。集成電路或晶體管設(shè)備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜；屏蔽層的接地端應(yīng)為一點(diǎn)接地，接地點(diǎn)宜在控制器側(cè)。
1.4 冗余設(shè)計(jì)和降級操作設(shè)計(jì)
1) 對可靠性要求較高的應(yīng)用場合，冗余設(shè)計(jì)和降級操作是必要的。冗余設(shè)計(jì)可采用熱后備或冷后備方式。熱后備方式操作時(shí)，冗余的后備系統(tǒng)也同時(shí)運(yùn)行，兩者輸出的結(jié)果一致時(shí)，表示系統(tǒng)是正常運(yùn)行的；一旦結(jié)果不一致，則發(fā)出警報(bào)信號，同時(shí)，根據(jù)自診斷的結(jié)果，切換到正常的系統(tǒng)去。冷后備方式操作時(shí)，冷后備系統(tǒng)不運(yùn)行，它在自診斷檢測出運(yùn)行系統(tǒng)故障后才切入后備系統(tǒng)。對PLC來說，冗余系統(tǒng)的范圍主要是CPU、存儲單元、電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，只有在可靠性要求很高時(shí)，才會包括輸入輸出單元的冗余等。
2) 降級操作是指在設(shè)計(jì)時(shí)，將手動(dòng)操作包括在內(nèi)的設(shè)計(jì)。例如，緊急停車的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵設(shè)備的開停和再啟動(dòng)功能的設(shè)計(jì)等。這樣，一旦發(fā)生故障，可采用降級的操作，即對部分或全部設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)的開停操作，以避免設(shè)備的損壞或?qū)θ藛T的傷害。此外，在設(shè)計(jì)中也可考慮從全自動(dòng)到半自動(dòng)、直至手動(dòng)的操作等。
1.5 PLC的I/O電路
1) 由于PLC是通過輸入電路接受開關(guān)量、模擬量等輸入信號，因此輸入電路的元器件質(zhì)量的好壞和連接方式直接影響著控制系統(tǒng)的可靠性。比如：按鈕、行程開關(guān)等輸入開關(guān)量的觸點(diǎn)接觸是否良好、接線是否牢固等。設(shè)備上的機(jī)械限位開關(guān)是比較容易產(chǎn)生故障的元件。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用可靠性高的接近開關(guān)代替機(jī)械限位開關(guān)。此外，按鈕的常開和常閉觸點(diǎn)的選擇也會影響到系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)以一個(gè)簡單的起動(dòng)、停止控制線路為例，如圖2和圖3所示的是兩個(gè)控制線路和它們的對應(yīng)梯形圖。這兩個(gè)控制線路的控制功能完全一樣，按下起動(dòng)按鈕，輸出動(dòng)作；按下停止按鈕，輸出斷開；但它們的可靠性不一樣。我們假設(shè)輸出斷開為安全狀態(tài)，那么圖3的可靠性要比圖2的高。這是因?yàn)?/span>SB1、SB2都有發(fā)生故障的可能，而最常見的現(xiàn)象是輸入電路開路。當(dāng)采用圖3電路時(shí)，不論SB1、SB2開關(guān)本身開路還是接線開路，輸出都為安全狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的安全和可靠。
圖2
起、停控制線路
圖3
起、?？刂凭€路
2) 在輸入端有感性負(fù)荷時(shí)，為了防止反沖感應(yīng)電勢損壞模塊，在負(fù)荷兩端并接電容C和電阻R（交流輸入信號），或并接續(xù)流二極管D（直流輸入信號）。如圖4所示：交流輸入方式時(shí)，CR的選擇要適當(dāng)才能起到較好的效果。通過實(shí)驗(yàn)裝置的測試，當(dāng)負(fù)荷容量在10VA以下，一般選0.1μF+120Ω；負(fù)荷容量在10VA以上時(shí)，一般選0.47μF+47Ω較適宜。直流輸入方式時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)得二極管的額定電流應(yīng)選為1A，額定電壓要大于電源電壓的3倍。
(a)
交流輸入方式
(b)
直流輸入方式
圖4
輸入端有感性負(fù)荷時(shí)的方式
3) 在輸出端有感性負(fù)載時(shí)，通過試驗(yàn)得出：若是交流負(fù)載場合，應(yīng)在負(fù)載的兩端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V電壓而功率為400VA左右時(shí)，CR浪涌吸收器為0.47μF+47Ω，如圖5所示。CR愈靠近負(fù)載，其抗干擾效果愈好；若是直流負(fù)載場合，則在負(fù)載的兩端并接續(xù)流二極管D，如圖6所示。二極管也要靠近負(fù)載。二極管的反向耐壓應(yīng)是負(fù)載電壓的4倍。
圖5
輸出端交流感性負(fù)載
圖6
輸出端直流感性負(fù)載
2、從PLC的軟件程序來考慮提高控制系統(tǒng)的可靠性
為了提高PLC控制系統(tǒng)工作的可靠性，可以專門設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，作為監(jiān)控程序部分，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測。若程序運(yùn)行能正常結(jié)束，則該定時(shí)器就立即被清零；若程序運(yùn)行發(fā)生故障，如出現(xiàn)死循環(huán)等，該定時(shí)器在設(shè)定的時(shí)間到就無法清零，此時(shí)PLC發(fā)出報(bào)警信號。在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)，使用這種方法來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各部分運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。如果用PLC來控制某一對象時(shí)，編制程序時(shí)可定義一個(gè)定時(shí)器來對這一對象的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視：該定時(shí)器的設(shè)定時(shí)間即為這一對象工作所需的最大時(shí)間；當(dāng)啟動(dòng)該對象運(yùn)行時(shí)，同時(shí)也啟動(dòng)該定時(shí)器。若該對象的運(yùn)行程序在規(guī)定的時(shí)間結(jié)束工作，發(fā)出一個(gè)工作完成信號，使該定時(shí)器清零，說明這一對象的運(yùn)行程序正常；否則，屬運(yùn)行不正常，發(fā)出報(bào)警信號或停機(jī)信號。監(jiān)控程序的梯形圖如圖7所示。圖7中定時(shí)器T1為檢測元件，X001為控制對象動(dòng)作信號，X002為動(dòng)作完成信號，M2為報(bào)警或停機(jī)信號。假設(shè)被控對象的運(yùn)行程序完成一次循環(huán)需要50s，則定時(shí)器K值可取510（T1為100ms定時(shí)器）。當(dāng)X001=1時(shí)，被控對象運(yùn)行開始，T1開始計(jì)時(shí)；如在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)被控對象的運(yùn)行程序能正常結(jié)束，則X002動(dòng)作，M1復(fù)位，定時(shí)器T1被清零，等待下一次循環(huán)的開始；若在規(guī)定時(shí)間沒有發(fā)出被控對象運(yùn)行完成的動(dòng)作信號，則判斷為故障，T1的觸點(diǎn)閉合，接通M2發(fā)出報(bào)警信號或停機(jī)信號。
圖7
檢測程序
3、結(jié)語
PLC控制系統(tǒng)的工作可靠性與多種因素有關(guān)，有些客觀因素也干擾著控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)計(jì)正確的硬件線路，選擇質(zhì)量高的元器件，改善工作環(huán)境，編制監(jiān)控程序等措施，可以使PLC控制系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性得到很大的提高。
參考文獻(xiàn)