论文部分内容阅读
摘要：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。文章分析其系统故障特性，探讨其排除故障措施以及提高可靠性措施。
关键词：PLC控制系统；故障特性；可靠性
中图分类号：TK414文献标识码： A
引言
PLC是适用于工业领域的一种可编存储器,在其内部可执行顺序控制、逻辑运算、定时、计数等操作,通过模拟式或数字式的输入与输出,对各种机械设备或生产流程进行控制。
一、PLC 控制系统故障特性
PLC 控制系统的故障特性分为早期故障期、偶发故障期和损耗故障期3个阶段，具有“浴盆特性”，即在系统投运早期故障最多且不断减少，在系统运行的绝大部分时间内故障基本上是偶然发生的，数量有限，而在系统的损耗故障期则故障又出现上升趋势。
在早期故障期，故障率从一个很高的指标迅速下降，可理解为系统设计、安装、调试后，存在一些设计缺陷、部分器件质量不稳定等问题，系统投入使用的初期，这些缺陷或不稳定就很快显露出来。 随着时间的增加、缺陷的不断改进完善，这些故障越来越少，出现故障率迅速下降的趋势。
在偶发故障期，故障发生是随机的，故障率最低，而且稳定，这是系统的正常工作期或最佳状态期。 在此间发生的故障多是使用不当及维修不力造成的，可以通过改进管理和维护保养等方面使故障率降到最低。在损耗故障期，由于系统中的器件经过长时间的工作，趋于老化，慢慢接近寿命终点，随着时间的增加，达到寿命终点的器件越来越多，故障率随之上升。
二、PLC控制系统受到干扰的因素
（一）空間辐射
在空间中存在的辐射有着十分复杂的电磁场分布,主要由雷达、无线电广播、以及电视等设备产生,也被称为辐射干扰。一般以两种方式干扰PLC控制系统:一种是直接辐射PLC内部,因为电路产生感应而干扰,另一种是辐射PLC通信网络,由让信线路的感应造成干扰。
（二）电源
因电源对PLC控制系统造成干扰的情况经常出现,若要解决这一现象,那么就要把电源换成隔离性更好的PLC电源。供电的电网覆盖范围广,PLC控制系统能够轻易地感到输电线路上因为空间电磁干扰而产生的感应电流和电压,从而对系统的运作产生一定的干扰。
（三）信号线引入的干扰
系统的信号传输线不仅能够传输相关的信息,还很有机会受到外部干扰信号的干扰。一般来说,最容易被人们所忽略的是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,而干扰情况所造成的结果影响最严重的就是控制系统的信号线被空间电磁辐射所干扰,是信号线的外部干扰。而这种干扰情况一旦出现,就会令控制系统的工作出现异常,降低测量的精确度,甚至还会引起元件的损伤。
（四）接地系统混乱
PLC控制系统与大地连接的主要目的是减轻电磁对PLC控制系统的干扰情况,而错误的接地方式和方法不但不能够解决问题,还会造成更严重的问题出现。一般地, PLC控制系统的地线有很多,其中包括保护地、屏蔽地、系统地和交流地等。所以在接地方式的选择上,要以控制系统类型和实际情况为选择的基准,才能减少受到干扰的情况。
（五）PLC系统内部的干扰
这种干扰情况的出现主要原因是PLC控制系统的内部的电路间和元器件的相互电磁辐射而生成,例如PLC控制系统内部的元件之间的不匹配等。
三、PLC控制系统的相关设计方案
针对电控系统而言，可靠性设计的主要任务，在于针对系统的相关故障、可能发生的问题等，进行有效并且准确的预测和分析，同时进行相关的防范，确定消除存在于系统当中的一些较为薄弱的环节，同时保证系统的工作能够达到规定的需求，保证其运行之时的可靠性。其中的相关设计方案，包含有制定并且贯彻执行可靠性的设计基本准则，针对系统的耐热设计、电磁兼容性的设计、动态设计等，进行全面的分析，进一步的保证所有工作正常稳定进行。
（一）使用技术成熟的技术以及质量较高的元件
所谓技术的成熟，指的是在相关系统的设计当中，所选择的PLC和类似的系统设计，经历了一系列生产以及实践应用的考验，并且相关的设计人员，对于技术的使用和操作等，也有着较好的掌控能力。一般的来讲，设计出一个PLC系统，所使用的成熟技术应该占到系统设计的75%以上，因为要保证系统在投入使用之后，要想达到基本的工作效果，就需要全面的掌握技术的关键，另外一个方面，由于系统的检修机会较少，所以，针对一些成熟技术的运用，是相关系统设计当中的关键内容。
（二）设计相关的故障检测程序
在设计故障的检测程序当中，主要有两种类型的检测方法。第一种，是时间故障检测法，主要是针对系统控制当中的相关工作循环的时间规定，来作为基本的参数，在检测工作同步进行之时，设定一个相关的定时装置，检测机械设备的主要工作状态；第二种，是逻辑错误检测方法，针对PLC控制系统在进行相关工作之时，各种类型的输入信号以及输出信号，对于其中存有的一定的逻辑关系，确定各个装置设备之间的联系，进而保证各个设备装置之间能够正常稳定的运行，对其工作进行保障。
（三）合理的配置PLC以及硬软件的资源
在相关的设计程序当中，针对大型和中型的PLC控制系统装置，可能需要采用多种多样的冗余方式，来进一步的确保系统运行的可靠性。例如在核电站以及有毒的化工生产制造环境当中，一些中央处理器的双机热备、冷备的冗余，则是较为常见的一种设计的方式。另外一个方面，双系统当中的冗余，即中央处理器以及全部的输入装置和输出装置，完全冗余，在一些时候也是必不可少的。对于设计出来的新系统，硬件以及软件资源，不能够占用耗尽，并且在硬件设计之上，至少需要保留出15%左右的冗余。在软件的编制过程当中，也需要注意对于用户相关计算机资源的需要量和实际用量。尤其是一些中间的继电装置、中间数据以及计数器、定时器等，要设置出一定的余地，因为其在程序的调试以及试运行之后，难免的会对相关设计方案进行修改和补充，有时候还需要重新的编写，所以设置出一定的余地有着较为重要的作用和意义。
四、控制系统利用PLC排除故障
（一）排除输出电路故障
观察PLC输出继电器的LED灯的情况，判断PLC是否有输出信号，如果有而外部电路没有执行，则需要根据电气图检查输出强电部分故障，如果PLC没发出输出信号，则检查是否是PLC程序问题。
（二）排除PLC输入电路故障
观察PLC输入继电器指示灯是否亮是直观而简单的排故障手段，如果指示灯没亮，则要检查各输入电路的开关等接线问题或输入电路的电源供给问题。
（三）利用好上位机检查故障
利用上位机检查PLC的程序运行情况，如果发现是PLC的输入或输出端子出现问题，可以利用多余端子，并要将程序进行相应修改，即可正常工作。
（四）利用PLC的故障自检功能
现在的PLC控制系统在设计时已经考虑了系统运行过程中容易出现的问题，因此编写了故障诊断程序。PLC根据自己的I/O的状况，并结合设备的工作原理，判断出故障的位置并发出报警，维修人员要相信PLC的故障提示。如果我们可以断定程序有输出但是PLC的物理地址没有动作，可以认为是PLC硬件问题，要更换模块或接口。
五、提高 PLC 控制系统的可靠性
（一）工作环境的要求。一般 PLC工作的环境温度应在0°C－55°C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。
（二）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直流电源，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。
（三）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，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的直径应大于4mm，接地电阻一般应小于10欧姆。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30米；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。
（四）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。
结语:
综上所述，接触器和PLC 相结合的电气控制方式有效地解决了传统继电器控制系统的故障率高、抗干扰能力差的问题，同时也增加了本系统的自动化程度。
参考文献：
[1]容臻芹,王宝.浅谈韶钢高线PLC控制系统的维护[J].机电信息,2014,06:63+65.
[2]范狄庆.基于分布式架构的矿井提升机PLC过程控制系统设计[J].煤矿机电,2014,01:5-8.
[3]刘普.基于PLC和变频器的港口门座起重机控制系统研究[D].南京理工大学,2014.
关键词：PLC控制系统；故障特性；可靠性
中图分类号：TK414文献标识码： A
引言
PLC是适用于工业领域的一种可编存储器,在其内部可执行顺序控制、逻辑运算、定时、计数等操作,通过模拟式或数字式的输入与输出,对各种机械设备或生产流程进行控制。
一、PLC 控制系统故障特性
PLC 控制系统的故障特性分为早期故障期、偶发故障期和损耗故障期3个阶段，具有“浴盆特性”，即在系统投运早期故障最多且不断减少，在系统运行的绝大部分时间内故障基本上是偶然发生的，数量有限，而在系统的损耗故障期则故障又出现上升趋势。
在早期故障期，故障率从一个很高的指标迅速下降，可理解为系统设计、安装、调试后，存在一些设计缺陷、部分器件质量不稳定等问题，系统投入使用的初期，这些缺陷或不稳定就很快显露出来。 随着时间的增加、缺陷的不断改进完善，这些故障越来越少，出现故障率迅速下降的趋势。
在偶发故障期，故障发生是随机的，故障率最低，而且稳定，这是系统的正常工作期或最佳状态期。 在此间发生的故障多是使用不当及维修不力造成的，可以通过改进管理和维护保养等方面使故障率降到最低。在损耗故障期，由于系统中的器件经过长时间的工作，趋于老化，慢慢接近寿命终点，随着时间的增加，达到寿命终点的器件越来越多，故障率随之上升。
二、PLC控制系统受到干扰的因素
（一）空間辐射
在空间中存在的辐射有着十分复杂的电磁场分布,主要由雷达、无线电广播、以及电视等设备产生,也被称为辐射干扰。一般以两种方式干扰PLC控制系统:一种是直接辐射PLC内部,因为电路产生感应而干扰,另一种是辐射PLC通信网络,由让信线路的感应造成干扰。
（二）电源
因电源对PLC控制系统造成干扰的情况经常出现,若要解决这一现象,那么就要把电源换成隔离性更好的PLC电源。供电的电网覆盖范围广,PLC控制系统能够轻易地感到输电线路上因为空间电磁干扰而产生的感应电流和电压,从而对系统的运作产生一定的干扰。
（三）信号线引入的干扰
系统的信号传输线不仅能够传输相关的信息,还很有机会受到外部干扰信号的干扰。一般来说,最容易被人们所忽略的是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,而干扰情况所造成的结果影响最严重的就是控制系统的信号线被空间电磁辐射所干扰,是信号线的外部干扰。而这种干扰情况一旦出现,就会令控制系统的工作出现异常,降低测量的精确度,甚至还会引起元件的损伤。
（四）接地系统混乱
PLC控制系统与大地连接的主要目的是减轻电磁对PLC控制系统的干扰情况,而错误的接地方式和方法不但不能够解决问题,还会造成更严重的问题出现。一般地, PLC控制系统的地线有很多,其中包括保护地、屏蔽地、系统地和交流地等。所以在接地方式的选择上,要以控制系统类型和实际情况为选择的基准,才能减少受到干扰的情况。
（五）PLC系统内部的干扰
这种干扰情况的出现主要原因是PLC控制系统的内部的电路间和元器件的相互电磁辐射而生成,例如PLC控制系统内部的元件之间的不匹配等。
三、PLC控制系统的相关设计方案
针对电控系统而言，可靠性设计的主要任务，在于针对系统的相关故障、可能发生的问题等，进行有效并且准确的预测和分析，同时进行相关的防范，确定消除存在于系统当中的一些较为薄弱的环节，同时保证系统的工作能够达到规定的需求，保证其运行之时的可靠性。其中的相关设计方案，包含有制定并且贯彻执行可靠性的设计基本准则，针对系统的耐热设计、电磁兼容性的设计、动态设计等，进行全面的分析，进一步的保证所有工作正常稳定进行。
（一）使用技术成熟的技术以及质量较高的元件
所谓技术的成熟，指的是在相关系统的设计当中，所选择的PLC和类似的系统设计，经历了一系列生产以及实践应用的考验，并且相关的设计人员，对于技术的使用和操作等，也有着较好的掌控能力。一般的来讲，设计出一个PLC系统，所使用的成熟技术应该占到系统设计的75%以上，因为要保证系统在投入使用之后，要想达到基本的工作效果，就需要全面的掌握技术的关键，另外一个方面，由于系统的检修机会较少，所以，针对一些成熟技术的运用，是相关系统设计当中的关键内容。
（二）设计相关的故障检测程序
在设计故障的检测程序当中，主要有两种类型的检测方法。第一种，是时间故障检测法，主要是针对系统控制当中的相关工作循环的时间规定，来作为基本的参数，在检测工作同步进行之时，设定一个相关的定时装置，检测机械设备的主要工作状态；第二种，是逻辑错误检测方法，针对PLC控制系统在进行相关工作之时，各种类型的输入信号以及输出信号，对于其中存有的一定的逻辑关系，确定各个装置设备之间的联系，进而保证各个设备装置之间能够正常稳定的运行，对其工作进行保障。
（三）合理的配置PLC以及硬软件的资源
在相关的设计程序当中，针对大型和中型的PLC控制系统装置，可能需要采用多种多样的冗余方式，来进一步的确保系统运行的可靠性。例如在核电站以及有毒的化工生产制造环境当中，一些中央处理器的双机热备、冷备的冗余，则是较为常见的一种设计的方式。另外一个方面，双系统当中的冗余，即中央处理器以及全部的输入装置和输出装置，完全冗余，在一些时候也是必不可少的。对于设计出来的新系统，硬件以及软件资源，不能够占用耗尽，并且在硬件设计之上，至少需要保留出15%左右的冗余。在软件的编制过程当中，也需要注意对于用户相关计算机资源的需要量和实际用量。尤其是一些中间的继电装置、中间数据以及计数器、定时器等，要设置出一定的余地，因为其在程序的调试以及试运行之后，难免的会对相关设计方案进行修改和补充，有时候还需要重新的编写，所以设置出一定的余地有着较为重要的作用和意义。
四、控制系统利用PLC排除故障
（一）排除输出电路故障
观察PLC输出继电器的LED灯的情况，判断PLC是否有输出信号，如果有而外部电路没有执行，则需要根据电气图检查输出强电部分故障，如果PLC没发出输出信号，则检查是否是PLC程序问题。
（二）排除PLC输入电路故障
观察PLC输入继电器指示灯是否亮是直观而简单的排故障手段，如果指示灯没亮，则要检查各输入电路的开关等接线问题或输入电路的电源供给问题。
（三）利用好上位机检查故障
利用上位机检查PLC的程序运行情况，如果发现是PLC的输入或输出端子出现问题，可以利用多余端子，并要将程序进行相应修改，即可正常工作。
（四）利用PLC的故障自检功能
现在的PLC控制系统在设计时已经考虑了系统运行过程中容易出现的问题，因此编写了故障诊断程序。PLC根据自己的I/O的状况，并结合设备的工作原理，判断出故障的位置并发出报警，维修人员要相信PLC的故障提示。如果我们可以断定程序有输出但是PLC的物理地址没有动作，可以认为是PLC硬件问题，要更换模块或接口。
五、提高 PLC 控制系统的可靠性
（一）工作环境的要求。一般 PLC工作的环境温度应在0°C－55°C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。
（二）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直流电源，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。
（三）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，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的直径应大于4mm，接地电阻一般应小于10欧姆。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30米；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。
（四）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。
结语:
综上所述，接触器和PLC 相结合的电气控制方式有效地解决了传统继电器控制系统的故障率高、抗干扰能力差的问题，同时也增加了本系统的自动化程度。
参考文献：
[1]容臻芹,王宝.浅谈韶钢高线PLC控制系统的维护[J].机电信息,2014,06:63+65.
[2]范狄庆.基于分布式架构的矿井提升机PLC过程控制系统设计[J].煤矿机电,2014,01:5-8.
[3]刘普.基于PLC和变频器的港口门座起重机控制系统研究[D].南京理工大学,2014.