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1、Oct. 2006, Volume 3, No.10 (Serial No.23) 通讯和计算机 Journal of Communication and Computer, ISSN1548- 7709, USA 14 浅议提高 PLC 控制系统的可靠性措施* 苏 磊，冯 达，马健伟 （徐州空军学院研究生管理大队，徐州 221000） 摘 要：PLC 控制系统的可靠性往往是从软件和硬件两方面来共同衡量的。本文从硬件和软件两方面 探讨了提高 PLC 系统可靠性的方法，提供了解决方案，具有一定的实用价值。 关键词：PLC；控制系统；可靠性 * 本文系作者在导师安红副教授的指导下完成。 【作者简介
2、】 苏磊（1980- ），男，河北沧州人，硕士研究生；研究方向：后方专业勤务。 冯达（1980- ），男，河北沧州人，硕士研究生；研究方向：后方专业勤务。 马健伟（1980- ），男，河北迁安人，硕士研究生；研究方向：后方专业勤务。 1. 引 言 可编程控制器（PLC）是以微处理器技术为基 础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一 种新型工业控制器， 因其具有通用性好、 实用性强、 硬件配套齐全、编程方法简单易学等优点而被广泛 应用于工业领域。 对一个 PLC 系统而言， 可靠性通 常从硬件和软件两方面综合起来衡量，因此在提高 PLC 系统可靠性上也需要从这两个方面着手。由于 PLC 是专
3、门为工业生产环境设计的控制装置，一般 不需要采取什么特殊措施，就可以直接在工业环境 中使用。 但如果环境过于恶劣， 电磁干扰特别强烈， 或安装使用不当，都不能保证 PLC 正常、安全、可 靠地运行。 因此， 探讨提高 PLC 控制系统可靠性的 硬软件措施具有十分重要的现实意义1。 2. PLC 的硬件解决方案 控制系统的可靠性在很大程度上依赖于硬件 电路的设计， 其中包括 PLC 的安装环境、 电源与接 地、输入输出电路与信号等。 2.1 PLC 的安装环境 PLC 是专为工业控制设计的，在设计和制造过 程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的工业环境中与强电一起工作，运行的稳定性、
4、可靠性较高， 目前 PLC 的整机平均无故障工作时间 一般可达 510 万小时2。 温度：PLC 要求环境温度为 0- 55，最高为 60。在高温环境下，安装时要把发热体（电阻器 或交流接触器等）远离控制器，或者把控制器安装 在发热体的下面；在低温环境下，设置有温度传感 器控制的加热器；在温度有急剧变化的场合，不要 打开盘柜的门，以防冷空气进入。 湿度： 为了保证 PLC 的绝缘性能， 空气相对湿 度为 585（无凝结）。温度环境下最好把盘 柜设计成封闭型，并放置吸湿剂；也可以把外部干 燥的空气引入盘柜中。 空气：如果空气中有较浓的粉尘或腐蚀性气体 和烟雾，在温度允许时可以将 PLC 封闭，或
5、者将 PLC 安装在密闭性较好的控制室内，并安装空气净 化装置。 2.2 电源与接地 电源是干扰进入 PLC 的主要途径之一3。在干 扰较强或可靠性要求很高的场合，可以加接屏蔽层 的隔离变压器， 还可以串接 PLC 滤波电路。 使用在 线式 UPS 供电， 可以避免电网波动、 电源品质下降 及瞬间失电对 PLC 工作的影响。 良好的接地是保证 PLC 安全可靠运行的重要浅议提高 PLC 控制系统的可靠性措施 15 条件，PLC 系统接地的基本原则是单点接地，即将 整个装配表面接到低阻抗地的参考点，这个连接应 具有极低的直流电阻（小于 100 ）和高频阻抗。 为了抑制附加在电源及输入线、输出线上
6、的干扰， 应给 PLC 接专用地线， 并且接地点要与其他设备分 开，如图 1(a)所示。 现场安装时如达不到这种条件要求，也可采用 公共接地方式，如图 1(b)所示，但是禁止采用如图 1(c)所示的串联接地方式，因为它会使各设备间产 生电位差而引入干扰。此外，接地线要足够粗，接 地电阻要小，接地点应尽可能靠近 PLC。 图 1 PLC 的接地 2.3 输入/输出电路的保护 输入电路是 PLC 接收开关量、 模拟量等输入信 号的端口，其他元器件质量的好坏、接线方式也是 影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为 例， 按钮、 行程开关的触点接触要保持在良好状态， 接线要牢固。当输入/输出端接有
7、感性元件时，易产生噪声干扰。这时对于直流感性元件两端应并联续 流二极管，对交流感性元件两端应并联阻容吸收电 路，这样做，是为了防止在电感性输入或输出电路 断开时， 产生很高的感应电势或浪涌电流对 PLC 输 入/输出端点及内部电源形成冲击，接线如图 2(a)、 (b)所示。 （a） （b） 图 2 输入/输出电路的保护 2.4 输入输出信号防错 当输入信号源为晶体管或是光电开关输入类 型时，当输出元件为 V T H （双向晶闸管）或是晶体 管输出，而外部负载又很小时，在关断时会有较大 的漏电流。而 P L C的输入继电器灵敏度较高，漏电 流干扰超过一定值，就形成了误信号或在输出时引 起微小电流
8、负载的误动，导致输入与输出信号的错 误。防错措施有二种：一种是在这类输入输出端 并联旁路电路， 以减小 P L C输入电流和外部负载上 的电流；第二种方法是在 P L C输入端加 R C滤波环 节，利用 R C的延迟作用来抑制窜入脉冲所引起的 干扰，在晶闸管输出的负载两端并联 R C浪涌电流 抑制器，减小漏电流的干扰。 3. PLC 的软件解决方案 对 PLC 系统的软件部分而言， 它的可靠性主要 是指软件对错误信号的抵抗力、对设备故障的判断 力及对不同工况的适应能力等4。因此，可以从以 下几个方面来提高软件的可靠性。 3.1 利用计时器，过滤伪输入信号 PLC 系统对现场信号的响应速度大多以
9、毫秒 为单位， 外界设备的微小变化， 都会在 PLC 控制程 序中得到迅速的响应。而从现场输入的信号看，由 于外界的干扰可能会产生瞬间的电平变化，当超过 一定的阈值时就可能让 PLC 得到错误的信号输入， 对 PLC 系统的正常工作产生影响。为解决上述问PLC 其他设备 PLC 其他设备 PLC 其他设备 (a) (b) (c) 浅议提高 PLC 控制系统的可靠性措施 16 题， 可以在 PLC 程序中增加计时器滤掉这种瞬间产 生的错误信号。具体做法是在梯形图中增加计时 器，当该信号产生一段时间后，通过计时器的完成 位再触发控制程序动作。 3.2 增加锁定逻辑，提高系统对设备故障的判 断能力
10、在 PLC 系统中， 有一些传感器主要是用来保护 一些关键设备的，当某些工艺参数达到这些传感器 的设定阈值之后， 这些传感器向 PLC 传递一个报警 信号， 使 PLC 控制程序发出相应的控制命令， 但存 在这样一个现象：当设备做出相应的动作后，工艺 参数随之恢复正常，传感器不再发出报警信号。这 样就导致这些报警信号持续时间非常短，远小于上 位机的采集时间，从而使上位机无法采集到这个变 化，因此也就没有相应的报警显示。在上位机就表 现为设备运行状态发生变化，但不知道原因。为防 止这种情况出现可以在 PLC 程序中增加锁定逻辑， 当出现异常情况时，对异常情况进行锁定，这就避 免了当上述的现象发生
11、时，无法得知具体的故障部 位和故障原因，为判断设备故障提供了一定的依 据。 3.3 跟踪现场设备的动作时间，保护设备安全 当 PLC 控制程序向现场设备发出动作命令后 触发计时器动作（计时器的时长为设备正常执行完 命令所需时间），当设备在正常时间内完成规定动 作后，复位计时器，否则给出报警提示。提示设备 可能发生故障，并停止该设备及关联设备的动作， 防止对设备造成损坏。 3.4 增加互锁逻辑，防止误操作 在控制程序中增加逻辑上相互关联的互锁逻 辑，可以防止由于误动作等原因对设备产生的危 害。具体方法是：在程序中增加判断语句，只有当 相关条件满足时，才能对该设备发出操作命令。这 就从避免了由于误
12、操作对生产造成的损害。另外在 控制程序中还可以增加保护逻辑，当与该设备相关 联的设备不在正常工作状态时，停止该设备的运 行，并给出相应的报警提示。 3.5 设置停电记忆功能，保护数据安全 有些设备在意外停机后再开机时，必须按照停机前的工艺，这就要求在程序设计中使用停电记忆 功能，PLC 可对内部的输出继电器，辅助继电器， 计数器等进行停电记忆设置，可在一定程度上满足 要求。这个方法也有一定的缺点，对外界干扰引起 的 PLC 停机、 死机时记忆的状态可能出现错误。 解 决问题的方法是在程序运行中定时（5s 或者 5min 等）向寄存器写入各状态值，并且保留最新的 N 个 （如 5 个）数据块，当
13、再次开机后，PLC 可对 N 个 数据块中的定时器或者计数器的经过值进行比较， 判断最新的数据是否有错误，如没有，则释放到程 序中继续运行，如有误，再判断下一级数据块。 4. 结束语 PLC 系统可靠性往往不仅仅取决于 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，软件的设计有很大关系。良好的硬件设 计和软件设计能够保证控制系统可靠地运行，系统 的硬件一般来说相对是比较固定的，但系统的软件 则是可以不断升级的。一个好的软件设计能够保证 系统可靠地运行，也能够在一定程度上补偿硬件设 计的不足，但系统运行的可靠性终究要由良好的硬 件设计来保证。上述各种改进方式，有些是在系统
14、 安装、调试时采用的，有些是在以后的使用过程中 根据实际情况做出的改进，对提高系统的可靠性能 起到一定的作用。 参考文献： 1 胡文金等. 计算机测控应用技术M. 重庆大学出版 社，2003. 2 王大海. 自动控制系统中 PLC 的设计J. 电子质量， 2003(9)：21- 22. 3 段苏振. 提高 PLC 控制系统可靠性的设计因素J. 电 气传动. 2003(5)：45- 49. 4 梁剑雄，邓水先. 高可靠性的 PLC 控制系统的设计J. 电气应用. 2005，24(9)：46- 48. Oct. 2006, Volume 3, No.10 (Serial No.23) 通讯和计算机
15、 Journal of Communication and Computer, ISSN1548- 7709, USA 14 Implementing Ways of Improving the Reliability of PLC Control System SU Lei, FENG Da, MA Jian- wei (Graduate Administerial Brigade, Xuzhou Air Force College, Xuzhou 221000, China) Abstract: The reliability of PLC control system is considered from the aspects of hardware and software. Several resolving measures and implementing ways of improving the reliability of PLC Control System are discussed from the hardware and software, which is valuable to use. Key words: PLC; control system; reliability （责任编辑：Julia, Francis, Ivan）
