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提高PLC控制系统

的可靠性研究

单位：京博农化科技股份有限公司
作者：许学军
日期：2014年12月4日

： 根据本公司的设备离心机讲解
提高PLC控制系统的可靠性研究
单位：京博农化科技股份有限公司
作者： 许学军

可编程序控制器是在程序控制器和微机控制的基础上发展起来的微机技术跟继电器常规控制概念相结合的产物，并已成为自动化控制系统的基本装置。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、输出器件中的接触、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。
下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。简述了影响可编程序控制器控制系统可靠性的主要因素，并就可编程序控制器的工作环境、电源的要求、接地和连接线的方式、降级操作设计、控制系统的输入电路和输出电路与可编程序控制的软件程序编制等多个方面，提出了一些可行的方法和措施。
关键词：可编程序控制器；外围设备；软件程序；可靠性。

目 录

第1章： 从PLC外围设备来考虑提高PLC的可靠性…………5
1.1 工作环境的要求……………………………………………....5
1.2 电源的要求…………………………………………………...5
1.3 接地和接线…………………………………………………...5
1.4 PLC的I/O电路……………………………………………...6
1.5 离心机I/O点及影响可靠性因素…………………………...6
第二章 从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性……...7
2.1运行状况超时检测………………………………………….7
2.2逻辑错误检测…………………………………………….…8
2.3开机初始化程序…………………………………………….8
2.4降级操作设计……………………………………………….9
第三章 结束语……………………………………………………….9

前 言
可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制的基础上发展起来的微机技术跟继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3万~5万小时：而三菱的F系统，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等离心机上面带的外围元件主要有：按钮、磁力开关、接近开关、继电器和电磁阀；维护保养好这些外围元件是保障设备正常运行的必要条件。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。

第一章 从PLC外围设备来考虑提高PLC的可靠性
PLC是专为工业生产环境而设计的控制设备,当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强，湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。
1．1 工作环境的要求
一般PLC工作的环境温度应在00C-550C的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装.。
1.2 电源的要求
不同的PLC产品,对电源的要求也不同,这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。
对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求以较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开，必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%-30%的余量。对由控制本身提供的真流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3 接地和接线
(1)PLC的良好接地是正常运行的前提,在设计时,PLC的接地应与动力设备的接地分开,采用专用接地;如不能分开接地时,应采用共用接地;绝对禁止采用共通接地方法.如图1所示,接地点应尽可能靠近PLC,接地线的径应大于4mm,接地电阻一般应小于10欧姆
外设备
PLC
外设备
PLC
PLC

外设备

(a)专用接地 （b）共用接地 （c）共通接地
图1 接地方法

（2）PLC的接线包括输入线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆，屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。
1.4 PLC的I/O电路
(1)由于PLC是通过输入电路接受开关量|、模拟量等输入信号的，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性，比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件，在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，图2和图3所示的是两个控制线路和它们对应梯形图，这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样，假设输出断开为安全状态，那么图形3的可靠性要比图2的高，这是因为SBI、SB2都有发生故障的可能，而最常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SBI、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都安全状态，保证了系统的安全和可靠。

X001

X002
X001

X002

图2 起，停控制线路 图3 起，停控制线路

(2)在输入端有感性负荷时,为了防止反冲感应电势损坏模块,在负荷两端并接电容C和电阻R(交流输入信号),或并接续流二极管D(直流输入信号).如图表4所示，在采取交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过试验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般0.1微乏+120欧姆;负荷容量在10VA以上时,一般选0.47微乏+47欧姆较适宜.要采取直流输入方式时,经试验得知,二极管的额定电流应选为IA,额定电压要大于电源电压的3倍。
P
L
C
PLC

(a)交流输入方式 (b)直流输入方式
图4 输入端有感性负荷时的方式

(3)在输出端有感性负载时,通过试验得知,若是交流负载场合,应在负载的两端并接CR浪涌吸收器;如交流是100V、200V、电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47UF+47欧姆,如图5所示.CR愈靠近负载,其抗干效果愈好;若是直流负载场合,则在负载的两端并接续流二极管D,如图6所示.二极管也要靠近负载,其反向耐压应是负载电压的4倍.

P
L
c
P
L
c

图5 输出端交流感性负载 图6 输出端直流感性负载

1.5 离心机I/O点及影响可靠性因素
（1）下图为PLC接线图：

PLC

图7 PLC接线图

X0为升降阀上限位，x1为升降阀下限位，x2为刮料阀前限位，x3为刮料阀后限位，x4为紧急停止，x5油泵旋钮，x6为手自动旋钮，x7为启动按钮，x8为复位按钮，x9为上料按钮，x10为刮料按钮，x11为料位信号，y0为中速，y1为低速，y2为液压电机，y3为刀转阀，y4为刀上下阀，y5为进料阀，y6为刀退阀，y7为料位阀，y8为自动指示，y9为手动指示，y10为复位指示。
工作原理：油泵旋钮旋转x5接通，手自动旋钮旋转x6接通，启动按钮按下x7接通，程序在自动运行状态。按下上料按钮X9接通，设备中速运行，转速稳定后开始进料，料满后关闭进料阀，开始脱液。按下刮料按钮x10接通，设备转为低速运行，转速稳定后，刮刀旋进并下降开始刮料，刮刀下降到底完成一个循环，按下复位按钮x8接通，刮刀返回原位设备停止转动。
（2）影响可靠性因素：因环境原因，刮刀上下限位传感器与前后限位传感器经常坏，造成卸料不能运行。料位传感器经常坏，进料阀不能关闭跑料。从以上因素来看维护保养是保证设备正常运行的必要条件。
第二 章 :从PLC的软件程序来虑提高控制系统的可靠性
2.1运行状况超时检测
为了提高PLC控制系统工作的可靠性,可以专门设置一个定时器,作为监控程序部分,对系统的运行状态进行检测.若程序运行能正常结束,则该定时器就即被清零,若程序运行发生故障,如出现死循环等,该定时器在设定的时间内就无法清零,此时PLC发出报警信号.在设计应用程序时,使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控.如果用PLC来控制某一对象时,编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视,该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的最大时间，当启动该对象运行时，同时也启动该定时器，若该对象的运行程序在程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常，否则属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形如图8所示，图中定时器T1为检测元件X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。假设被控对象运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K,值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时，如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。

图8 动作超时检测程序
2.2逻辑错误检测
在系统正常运行时，可编程序控制器的输入、输出信号和内部信号（如辅助继电器的状态）相互之间存在着确定的关系，如出现异常的逻辑信号，则说明出现了故障。因此，可以编写一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常逻辑关系为NO状态，就应该按故障处理。例如某机械运动过程中先后有两个限位开关对应的PLC输入地址分别为X001，X002，在两个信号不会同时为NO状态，如果他们同时为NO状态，就说明至少有一个限位开关被卡死，应该停机处理。如图9梯形图中，这两个限位开关对应的输入继电器的常开触点X001，X002串联，来驱动一个表示限位开关故障的辅助继电器M0，当M0为NO状态时就发出报警信号或停机信号

图9逻辑错误检测程序
2.3开机初始化程序与特殊辅助几点起的作用
（1）： 利用另一款离心机程序截图介绍开机初始化程序，如图10：

图10 开机初始化程序
PLC上电后，初始化脉冲辅助继电器常开触点闭合，区间复位动作，使y000-y013(包括y000与y013)输出全部断开。区间复位动作，使m400-m499（包括m400与m499）辅助继电器全部断开。使数据传送块MOV动作，将常数1传送给D150。使计数器C1复位，使状态继电器复位，使计数器C15复位，使设备达到初始化状态。
运行监控辅助继电器常开触点闭合，使运算块SUB动作，数据存储器D220内数据减去常数1存入D222。使数据传送块MOV动作，将常数-1传送给D1。使数据传送块MOV动作，将常数-1传送给D2。比较块动作，当D8030内数据大于常数100时M200动作。
紧急停止按钮x005,油泵热机故障出点x006，变频器故障触点x007,时间继电器t40常开触点，任何一个闭合m112动作，数据传输块MOV动作将常数7传送给D150，设备停机；复位按钮x015，时间继电器t40常开触点，任何一个闭合m215动作，设备停机；M215常开触点闭合，m109复位，C1复位，区间复位块动作，状态继电器s0-s50复位，C15复位；手动旋钮x12闭合，y016动作，手动指示灯亮；x12常开触点闭合，常闭触点断开，y015不动作，自动指示灯灭；刮刀上限位x000闭合，刮刀前限位闭合或m200不动作，y017动作，复位指示灯亮。
（2）特殊辅助继电器的功能：m8000运行监控，运行时常开；m8001运行监控，运行时常闭；m8002初始化脉冲，运行后输出一个扫描周期的开；m8003初始化脉冲，运行后输出一个扫描周期的关；m8004出错发生；m8011 10ms时钟；m8012 100ms时钟；m8013 1s时钟；m8014 1min时钟；m8015计时停止和预置；m8016停止显示时间；m8018RTC检出；m8019RTC出错‘m8034全输出禁止；m8035强制运行模式；m8036强制运行指令；m8037强制停止指令；m8038参数设定。

2.4. 降级操作设计
降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计，例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对 人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。
第三章：结束语
PLC控制系统的工作可靠性与多种因素有关,有此客观因素也影响着控制系统的稳定性.通过采取设计正确的硬件线路、选择质量高的元器件、改善工作环境、编制监控程序等措施，可以使PLC控制系统的工作可靠性和稳定性得到很大的提高。

参考文献
（1） 三菱公司 . FX2系列可编程序控制器使用手册.
（2）周丽芳等主编 三菱系列PLC快速入门与实践 人民邮电出版社