PLC控制系统的可靠性探讨

李增男

（东北石油大学，黑龙江 大庆 163318）

可编程序控制器(PLC)是专门为工业控制设计的一种控制系统，随着电子元器件制造业和计算机技术的发展，PLC控制系统也处在不断的进步当中.但是，随着其应用范围越来越广泛，PLC系统在较为复杂的环境中的可靠性明显降低.而PLC控制系统的可靠性直接关系到整个系统的正常运行，因此，提高PLC系统抗外界环境干扰的能力是提高系统可靠性的关键.

1 PLC 控制系统的组成及其故障分布

PLC控制系统的基本结构由输入与输出部件、中央处理单元、电源和编程器这四部分组成.输入与输出部件是将PLC控制系统与被控制机械连接起来的部件，输入部件能够接收到来自开关、按钮以及传感器等结构所发送的指令，传递到中央处理单元，中央处理单元在对其进行分析处理后，通过输出部件传递给受控制的机械或是其他设备.电源则起到稳定电压和提供电力的作用.编程器则可便于用户对PLC系统的执行程序进行修改，用来使其功能专门化或是用来检测PLC控制系统的运行状态.在PLC控制系统的使用过程中，这些结构是缺一不可的，一旦某一个结构产生了故障，就会影响到PLC控制系统的可靠性.

实际上，PLC系统本身的可靠性是非常高的.有数据调查显示，一般的PLC控制系统平均无故障工作时间可以长达三十万个小时.而且，PLC控制系统故障多是生产现场设备发生的故障，PLC本身故障只占故障的一小部分.下图是PLC控制系统故障发生的主要类型与概率.

图1 PLC控制系统的故障分布情况

据可靠性理论，系统在单位时间内失效或出现故障的次数称为失效率或故障率，用λ 表示，其倒数1／λ 称为系统的可靠性.通过使用发现，PLC控制系统的可靠性与时间有关.图2给出了系统故障率λ 的曲线，由图可知故障率分为三个阶段.

图2 系统故障率曲线

1.1 早期故障期

早期故障是指在PLC系统运行初期发生的故障，它是指从系统投入应用开始，直至故障率逐渐降低并趋于稳定的一个阶段.一般来说，早期故障多是由于系统内部设计存在缺陷，元器件质量有问题或是制作工艺不够精良等原因而产生的.这一阶段的故障发生率与持续时间主要受到制造方的制造工艺与技术影响，通常可以通过选用有较高客户满意度的厂家生产的产品来降低故障的发生率.并应该在投入使用时尽早找出系统缺陷，及时对其处理.

1.2 随机故障期

随机故障期是指在PLC系统经过早期故障期，运行逐渐稳定后发生的故障，这一时期故障率较小，且故障发生的时间与部位都具有一定的随机性.随机故障的产生多是由于系统在运行过程中，由于环境中某些因素的影响而使得PLC控制系统内部的某些元器件遭到损坏，而影响到PLC控制系统的运行.在这一阶段，我们主要可以通过控制PLC系统的运行环境，注意系统平时的保养和维护工作，及时更换易损耗零部件，合理规范的使用PLC控制系统等方式来降低故障发生率.

1.3 耗损故障期

耗损故障期是指当PLC系统已经工作了一定的年限，直至系统无法正常工作的一段时期.耗损故障期故障的发生多是由于系统内部的某些零部件由于使用时间过长，其磨损或是老化较为严重，因此不能继续正常工作.我们主要可以通过提前更换老化或是磨损的零部件，经常性的对系统进行全面检修等方式来延缓耗损故障期的发生时间.

2 PLC 控制系统可靠性的影响因素

PLC系统各部件之间的信号传导主要通过电磁信号完成，因此其正常运行容易受到外界电磁波的干扰，而频繁变化的电压或是电流可以产生一定强度的电磁场，因此影响PLC控制系统的干扰源大多是能产生频繁变化的电压或电流的物体.

2.1 来自外部空间的辐射干扰

这种干扰对于PLC系统的影响主要有两种：一种是由于辐射对于PLC内部信号的传递造成干扰，使其运行出现问题；一种是辐射直接干扰到PLC内部系统，影响到其中央处理系统的信息接收、处理、传递等工作.

2.2 来自电源的干扰

PLC系统需要接到外接电路上才能工作，由于电网一般覆盖范围较广，电力供应系统较为复杂，在电网切换供电的情况下就会由于电磁感应而产生一定的电磁干扰，影响PLC系统的运行.

2.3 信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线除了传输各类有效的信息外，还会由于外界信号的侵入影响到信号传输线内信号的强度和真实度，而传递某些无效或是错误的信息.这种干扰极易引起PLC系统输入或是输出信号异常，降低测量的精确度，使PLC系统的可靠性降低.

2.4 来自接地系统混乱的干扰

对PLC控制系统采取接地措施可以有效的减少电磁干扰的影响，并且还可以避免设备向外界发出一定的干扰信息.但是，若是不小心采取了错误的接地方式，则会产生适得其反的效果，甚至还会使信号干扰更加严重.

2.5 来自PLC系统内部的干扰

PLC系统内部有着各种各样的元器件，这些元器件在工作时会产生大小不同的电磁辐射，而若是在PLC系统内部并没有进行很好的屏蔽，那么这些元器件就会在工作时互相影响，降低PLC系统的可靠性.

3 提高PLC 控制系统可靠性的措施

提高PLC控制系统的可靠性需要从源头开始，首先要分析降低PLC系统可靠性的因素，针对这些干扰因素制定相应的措施.而形成干扰至少需要三个条件，一是能产生干扰信号的干扰源，二是能够传递干扰的途径，三是能够感受到干扰的受体.因此，降低PLC系统受干扰的程度，提高PLC系统的可靠性就应该从这三个方面着手.

3.1 电源的选择

对于给PLC系统供电的电源，应该尽量选用隔离效果较好的变压器，或是在电源接入PLC系统之前增加一个隔离变压器，以消除线圈间的耦合作用.在条件允许的情况下，可以把PLC系统中的控制器、中央处理器、输入输出等设备分别用不同的隔离变压器与电源连接起来，降低电源对于PLC系统的干扰.

3.2 输入输出设备的抗干扰措施

输入输出设备的保护可以选用以下几种方法：

（1）采用数字传感器.模拟信号由于本身具有不稳定性，较易受到外界环境干扰.而数字信号具有高保真的特性和优秀的精确度，有着较强的抗干扰能力，因此被广泛的应用于数据传输领域中.PCL控制系统的输入输出设备也可以使用数字信号进行信息传递，对于提高PLC系统的抗干扰能力有着很大的帮助.

（2）对输入输出通道进行隔离.为了避免输入输出设备受到外界信号干扰，可以对PLC系统的输入输出设备采取一定的隔离措施.如使用隔离变压器，扼流圈等设备，降低外界信号对于PLC系统内部信号传输的干扰.

（3）在PLC系统内部程序设计时，增加数字滤波程序，使系统可以有选择的采用输入设备传递至中央处理器处的信号，并在应用端可以有选择的接受控制信号，提高PLC控制系统的可靠性.

3.3 完善接地系统

完善PLC的接地系统是一个有效的防止干扰的方法，在进行接地时，应注意以下两点.

（1）地线系统合理布置.PLC系统接地线种类繁多，包括数字电路地线、模拟电路地线、电动机地线和机器外壳的地线等.而在安装这些设备的地线时，应该注意地线应该分开布置，不能混成一团，以避免地线之间的互相干扰.

（2）PLC系统的接地线应该尽量加粗，以减小接地阻抗，增强接地的抗干扰效果.

3.4 尽量使用成熟技术和高质量元器件

在经过早期故障期之后，PLC系统的程序故障已经基本解决，此后大多数是由于元器件损坏而引起的故障.因此为了确保系统运行的稳定性，应该尽量选择质量较好、性能较优的元器件.这样既可以提高PLC系统的可靠性，还可以有效的延长PLC系统的工作时间.

3.5 设计故障检测程序，提高系统工作可靠性

时间故障检测法：时间故障检测法是以时间为参数，监测部件在运行过程中的实时状态.在监测开始时，启动已经设置好的定时器，定时器设置的时间应稍大于该部件完成某项工作所需的正常时间.若是该部件在时限内完成工作，则表示该部件没有故障；若是该部件没有在时限内完成工作，则表示该部件存在故障.

逻辑错误检测法：PLC控制系统内部各部分是相互联系的，它们通过中央处理器以及输入输出设备完成各个部件之间的协调工作.当PLC系统内部没有故障，可以正常工作时，其各个部件之间的逻辑关系也是正常的，若是系统内部存在故障，那么PLC系统各个部件之间的逻辑关系也会出现错误.因此可以设计具有检测逻辑关系功能的程序，预先加装在用户端，当通过逻辑检测程序对PLC系统进行检测，其逻辑关系显示错误时，则表示PLC系统内部存在故障.

4 结束语

PLC系统的开发和利用给工业生产带来了巨大的便利，而在对其进行利用的同时，我们应该更多的考虑到如何提高PLC系统的可靠性和稳定性.本文从分析影响PLC系统可靠性的各种干扰因素着手，探讨减弱干扰因素影响的措施.在平时的工作中，我们也应该细致观察，在实践中不断思考，不断摸索，不断提高PLC控制系统的可靠性.

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〔3〕成兰,胡献民.矿用GEPON 在平煤集团四矿综合信息监控系统中的应用[J].黑龙江科技信息，2010(03).