提高PLC控制系统可靠性的设计因素

夏朝阳

摘 要：笔者根据从业多年总结的经验，分析了影响PLC控制系统可靠性的主要因素，给出了衡量PLC控制系统可靠性的措施，并就提高PLC控制系统可靠性的措施及设计方法进行分析。

关键词：PLC控制系统 可靠性 干扰 设计

一、可编程逻辑控制器（PLC）的定义及重要性

可编程逻辑控制器英文全称：Programmable Logic Controller，简称PLC。随着科学技术的发展，为适应多品种，小批量生产的需求而产生发展起来的一种新型的工业控制装置。PLC的产生实现了接线逻辑到存储逻辑的飞跃，其功能也由简单到强大，推进了逻辑控制到数字控制的前进步伐，应用领域也越来越宽泛，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、影響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%。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控制系统可靠性的措施

1、重视安装

提高控制系统可靠性是一项长期、持久的工作。首先，施工和安装是非常重要的环节，必须严格把关，这样可减少投产故障率。其次，要保证检修质量，特别是技改线路改动和系统改造，是目前的当务之急。否则，几年的系统改造后，大量线路的更换，线号丢失及程序变更，该记录备份的没有做记录等。致使维护工作量加大，可靠性得不到保证。这一项是人们极易疏忽的，必需引起高度重视。

2、老化筛选法

通常我们用“老化筛选”的方法，就是结束“早期”，延长“偶然期”，“损耗期”及时更换来提高PLC系统的可靠性。该方法主要用于不可修复元件。PLC控制系统的失效率是与时间有关。我们将设备元件的故障率y（t）随时间变化划分为三个时期进行分析，这种变化曲线通常称故障率曲线也称为浴盆曲线。

（1）早期故障较高（O～t0期间）。主要是由于系统内在设计错误、元器件质量、安装和工艺缺陷等不合理原因引起，但随时间的增加故障率迅速降低。这一时期的主要任务是尽早找出不可靠的因素使系统尽快稳定下来。

（2）偶然期故障期（t0～t1期间）比较稳定，也可称为随机故障期。此时期故障是随机发生的，系统的故障率最低而且稳定，可视为常数。这一时期是系统的最佳状态期，在运行中应以加强维护延长这段时期的时间，应做好定期检修和维护工作。

（3）损耗期（t1之后）故障率上升，这是因为常时间以来构成系统的某些零件已经老化耗损，寿命衰竭机械和磨损以及绝缘的老化所引起。在这段时期中大部分元件要开始失效。如能事先知道损耗开始的时间，事先更换元器件，延长系统的有效寿命。推迟耗损故障期的到来。

3、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。

4、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控制系统可靠性的管理

1、设计的管理

对于整个电控系统来分析，要想顺利完成可靠性的设备及工作，就要先对系统可能出现的各种故障进行预防以及预测，明确系统的薄弱环节以及潜在隐患，在完成整个设计预测以及设计改进工作之后，从而保证系统满足可靠性的具体要求，可靠性设计的方法主要包括对各种可靠性的设计准则进行贯彻与制定，科学合理的选择以及使用零部件和元器件，从根本上完成降额设计、冗余设计、耐环境设计、电磁兼容设计以及动态设计等工作。PLC作为一种可靠性较高的控制装置，输出执行元件的可靠性以及输入信号元件的可靠性是保证各种控制系统可靠性的主要的元器件。

2、人的管理

随着科技的发展，的科学含量不断的提高。这将对工作人员的素质提出更高的要求。工作人员不但要熟悉设备情况、检修、规划和设计等；而且还要懂得计算机以及具有一定技术水平。因此，必须从人员的培训力度、培训方式和培训内容等着手。不断提高工作人员的业务素质和思想素质，才能胜任其工作岗位。

3、维护管理

PLC控制系统的可靠性，其主要因素还是要做好后期的维护管理工作，维护设备主要部位：供电，外部环境、安装状态、电源（PS）、中央处理单元（CPU）、信号模板（SM）及寿命元件输人、输出中间等外围设备等。

结束语：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。

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