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  PLC控制系统的可靠性设计_信息与通信_工程科技_专业资料。PLC控制系统

  PLC控制系统的可靠性设计郝久清。等 PLC控制系统的可靠性设计’ The Rel iabi ity Design of PLC Control System 邡名滑 有 互 (辽宁石油化工大学,抚顺113001) 摘要分析了影响PIE控制系统可靠性的主要因素,从硬件安装、配置和软件编程方面提出了提高PLC系统可靠性的有效措施,其 中硬件措施由电源的选择、输入输出的保护、完善的接地系统和PIE自身的改进4部分组成;软件措施包括提高输入输出信号的可靠 性、信息的保护和恢复、互锁功能的设置、故障检测程序的设计、数据和程序的保护以及软件容错。 关键词PIE控制系统可靠性硬件设计软件设计 Ab出∞ct The main factors that influence the reliability of PLC control system are aIe analyzed,and the effective m∞鼠lIes for iIl甲加晡119 the reliability of PIE control system power explained from the hardware installation,configuration,and software pID罢盱毗Ⅱ面ng.The Hm小帕re and improvement of m朗囤脯include selection of supply,protection of input and output,perfect grounding system recovery PIE itself.The software measuILT¥include improving reliabili- ty of if】【put signal and output signal,protection,and and procedures,and software fault-tolerant. of information,establishment of function of interlocks,design of fault diagnostics,protection of data Keywords PIE control system Reliability H{玳1waIe des珈Software design 因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况 O引言 PLC控制系统通常由PLC和生产现场设备组 成[1|。PI£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。 很多,更换隔离性能好的PIE电源才能解决问题。 PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆 盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感 应电压和电路。尤其是电网内部的变化,如开关操作 浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐 波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原 边。PIC电源通常采用隔离电源,但因其结构及制造 工艺使其隔离性并不理想。 1.3信号线J 与PLC控制系统连接的各类信号传输线除了传输 有效的各类信息外,总会有外部干扰信号侵入。此干 扰主要有两种途径:①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,这往往被忽视; ②是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上 l影响PLC控制系统可靠性的因素 影响PLC控制系统的干扰源大多产生在电流或电 压剧烈变化的部分。 1.1来自空间的辐射干扰【21 空间的辐射电磁场(EMI)主要由电力网络、电气 设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频 感应加热设备等产生,通常称为辐射干扰,其分布极为 复杂。 的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会 引起I/0信号工作异常,大大降低测量精度,严重时将 引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,还将导致 信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数 据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入于扰 造成I/O模件损坏相当严重,由此引起系统故障的情 况也很多。 1.4来自接地系统混乱的干扰【“副 PIE控制系统正确接地是为了抑制电磁干扰的影 响,并抑制设备向外发出干扰;而错误的接地反而会引 21 这种干扰影响主要来自两条路径:①直接对PLC 内部的辐射,由电路感应产生干扰;②对PIE通信网络 的辐射,由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现 场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有 关。 1.2来自电源的干扰【31 万 方数据 《自动化仪表》第26卷第ll期2005年11月 入严重的干扰信号,使PIE系统无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、羼蔽她、交流地 和保护地等,会引起各个接地点电位分布不均,不同接 地点闻存在地电位差两引起地环路电流,影B趣系统燕 常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏 蔽层两端A,B都接地,就存在地电位差,有电流流过 屏蔽层,当发生异常情况时地线电流将更大。屏蔽鼷、 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豇已电乎的脉掉量, 而脉冲量抗干扰熊力强。 ②对输入输出通道进行电气隔离。用于麟离的 主要器件有隔离放大器、隔离变援器、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 耦合把两个电路的墟环隔开,两电路鄢拥有各自的地 电位基准,它们相互独立而不会造成干扰。 接地线和大地也有可能构成闭合环路,在变化磁场的 作用下,屏蔽层内会穗现感应电流,通过屏蔽层与芯线 ③模拟量的输入输出可采用wF、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, 因恧麓对噪声或变讫豹输入信号进行平辫,所以抗于 扰能力强。 2.3完善接篷系统 之间的耦合干扰信号网路。若系统地与其它接地处理 混乱,所产生的遣环流就可熊在地线上产生泡谴分帮, 影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工 作的逻辑电糕予挠容限较羝,逻辑戆邀位的分布予扰 容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、 在任何包含有电子线路的设备中,接地是抑制噪 声耪防虫子扰的燕要方法。接地设计的两个原则是: 消除各电路电流流经一个公共地线阻抗所产生的噪声 电压;避免形成地环路。 ①地线系统合理布置。PLC系统中的地线可划 分为数字电路的逻辑地线、模拟电路的模拟地线、继电 器和电动机等大功率电气设备的嗓声地线以及仪器视 壳等的屏蔽地线等几种。这些地线应该分开布置,并 在一点上与电源地摇连。 程序跑飞或延枕。模拟建电位的分布将导致测量精度 下降,引起信号测控失线来自PIE系统内部的予扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射 产生,如逻辑电路相曩辐射及其对模拟电路的影响、模 拟地与逻辑地的相互影响及元器件阔的相互不匹配使 用等。要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 2提高PLC控制系统可靠性的硬件措施 予撬的形成需要露霹具备3要素,郓予撬源、藕合 通道和对干扰敏感的受扰体。因此抗干扰的原则是抑 制于挽滚、破坏于扰避遭秘提高受抗体的抗予撬能力。 硬件抗于扰技术是系统设计时的首选措施,它能有效 抑制予撬源,阻断于携传输涎道。 2.1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PIJ:系 统具蠢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,一般都采用隔离性毹 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、抑麓带大(如采瘸多次隔离纛屏蔽 及漏感技术)的配电器,以减少干扰。 2。2输入输港的保护 输入通道中的检测信号一般较弱,传输距离可能 较长。检测瑷场于挽严重穰魄路构成往往模数混杂等 因素使输入通道成为PI/:系统中最主要的干扰进入通 2.4 ②单点接地与多点接地选择。在低频电路中,信 号频率鬣子1MHz爵它的布线纛元器传阅的电感影嚷 较小,而接地电路形成环流所产生的干扰影响较大,因 磷单元电路闻宣采露一点接逮。当信号工作频率大于 10MHz时,地线阻抗变得很大,宜采用多点接地法。当 工作频率在1~10MHz之阅时,如果用一点接地,其地 线,否则宜采用多点接地法。 ③接地线尽量加粗,减小接地阻抗。 PLC自身的改进 ①PIE线路板的抗干扰措施。选用脉动小,稳定 性好的盍流电源,连接导线用铜辱线,以减小疆降;选 用性能好的芯片,如满足抗冲击、振动、灏度变化等特 骤要求;对不捷爝的集成电路藕子应妥善处瑾,通常接 地或接高电平使其处于某种稳定状态。在设计线路板 对,尽量避免平行走线,在有互感的线路皆阕要鼗一缀 地线,起隔离作用;每块印刷电路板的入口处安装一个 几卡簦F的小体积大容量的钽电容作滤波器。印刷板 的电源地线最好设计成网状结构,以减少芯片所在支 路的地线蹰时于拢;电源正负极的走线应尽量靠近。 ②整机的抗干扰措施。在生产现场安装的PLC 应用金属盒屏蔽安装,并妥善接地。置予操作螽上的 PLC要固定在铜板上,并用绝缘层与操作台隔离,铜板 November 2005 道。在输出邋道中,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 22 P】鼹)(嚣SS AUTOMATION INSTRUMENTATION V01.26 No。11 万 方数据 乳C控制系统的可靠性设计郝久清。等 应可靠接地。 到较完善的保护作用,如图2所示。 3提高PLC控制系统可靠性的软件措施 3.1提高输入输出信号的可靠性 ①开关型传感器信号的“去抖动”措施。当按钮 作为输入信号时,则不可避免会产生抖动;输入信号是 继电器时,有时会产生瞬间跳动,将会引起系统误动。 图1为去抖动的梯型图,定时时间根据触点抖动情况 和系统要求的响应速度而定,以保证触点稳定断开(闭 合)才执行。 器牛 脚一x402 H卜J c 愀丌牛叫—井呻43叫反转 PLC梯形图 x4帅Y430 | 图2电动机正反转的控制图 在图2b中,SBl为电动机正转起动按钮,s赐为反 图1去抖动梯形图 转起动按钮,将控制的X401的常闭触点与正转输出继 电器Y430的线圈串联,将正转起动按钮的X400的常 闭触点与控制反转的Y431的线c中,因为复合按 钮的常闭触点总是先断开,常开触点才闭合,经过一段 延迟,而接触器的辅助触点也是常开触点先断开,然后 常闭触点才闭合,反转接触器线圈才能得电,因而不会 发生瞬间短路故障。 3.4故障检测程序的设计 ②数字滤波。数字滤波是在对模拟信号多次采 样的基础上通过软件算法提取最逼近真值数据的过 程。数字滤波的算法很多,常用的有算术平均值法、比 较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法等。 ③指令冗余。在尽可能短的周期内将数据重复 输出,受干扰影响的设备在还没有来得及响应时正确 的信息又来到了,这样就可以及时防止误动作的产 生。 3.2信息的保护和恢复 偶发性故障条件出现不破坏PLC内部的信息,一 旦故障条件消失就可恢复正常,继续原来的工作。所 以,PIE在检测到故障条件时,立即把现状态存人存储 器,软件配合对存储器进行封闭,禁止对存储器的任何 操作,以防存储器信息被冲掉。这样,一旦检测到外界 环境正常后,便可恢复到故障发生前的状态,继续原来 的程序工作。 3.3设置互锁功能 在系统功能表上,有时并不出现对互锁功能的具 多次的设备检修实践说明,PIE外部的输人、输出 元件的故障率远远超过PLC本身的故障率,且这些元 件出现故障时,PIE不会自动停机。因此,要提高整个 系统的可靠性,除在硬件上采取措施外,还需要在软件 中增加故障检测程序的设计。 ①时间故障检测法。无“看门狗”指令的PIE可 设计“超节拍保护”程序。控制系统工作循环中各工步 的运行有严格的时间规定,以这些时间为参数,在要检 测的工步动作开始的同时启动一个定时器。定时器的 时间设定值比正常情况下该动作要持续的时间长 25%。当某工步动作时间超过规定时间,并达到对应 的定时器预置时问还未转入下一个工步动作时,定时 器发出故障信号,停止正常工作循环程序,启动报警及 显示程序。 体描述,但为了系统的可靠性,在硬件设计和编程中必 须加以考虑,并应互相配合。因为单纯在PIE内部逻 辑上的互锁,往往在外电路发生故障时失去了作用。 例如对电动机正、反转接触器互锁,仅在梯形图中用软 件来实现是不够的。因为大功率电动机有时会出现因 接触器主触点“烧死”而在线圈断电后主电路仍不断开 的故障。这时,PIE输出继电器为断电状态,常闭触点 闭合,如给出反转控制命令则反转接触器就会通电而 造成三相电源短路事故。 解决这一问题的办法是将两个接触器的常闭辅助 触点互相串接在对方的线圈控制回路中,这样就可起 图3超节拍保护程序举例 在图3中,X000为工步动作启动信号,X001为动 作完成信号,Y000为报警或停机信号。当X000=1 23 万 方数据 《自动化仪表》第26卷第11期2005年11月 时,工步动作启动,定时器rID开始计时。如在规定时 间内监控对象未发出动作完成信号,则判断为故障,接 通Y000发出报警信号;若在规定时间内完成动作,则 X001切断MO,将定时器清零,为下一次循环作好准备。 ②逻辑错误检测法。在PIE控制系统正常的情 况下,各输人、输出信号和中间记忆装置之间存在着逻 ②在充分利用信号间的组合逻辑关系构成条件 判断,即使个别信号出现错误时,系统也不会因错误判 断而影响其正常的逻辑功能。 4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,以及提高软件对不同的 工艺、设备情况作出准确、合理判断的能力,是提高系 统可靠性的重要手段。上述所谈到的各种改进方式, 有些是在系统安装、调试时采用的,有些是在以后的使 用过程中根据实际情况作出的改进,都对提高系统的 可靠性起到了作用。 参考文献 1皮状行.可编程序控制器的系统设计与应用实例.机械工业出版 社,2001 2王卫兵.可编程序控制器原理及应用.机械工业出版社,2002 辑关系,一旦出现异常逻辑关系,必定是控制系统出现 了故障。因此,可以事先编好一些常见故障的异常逻 辑程序加进用户程序中。当这种逻辑关系实现状态为 “1”时,就必然出现了相应的设备故障,即可将异常逻 辑关系的状态输出作为故障信号,用来实现报警、停机 等控制。 3.5数据和程序的保护 大部分PLC控制系统都采用锂电池支持的RAM 来存储用户的应用程序。这种电池是不可充电的,寿 命一般为5年左右,用完后应用程序将全部丢失。因 此,较可靠的办法是把调试成功的程序用ROM写入器 固化到EPRO彬E2PROM中去。应用程序的备份,如光 盘或EPROM/E2PROM等必须小心保护。 3.6软件容错 为提高系统运行的可靠性,使PI£在信号出错情 况下能及时发现错误,并能排除错误的影响继续工作, 在程序编制中可采用软件容错技术。 ①在目前现场设备信号不完全可靠的情况下,对 于非严重影响设备运行的故障信号,在程序中采取不 同时间的判断,以防止输入接点的抖动而产生“伪报 警”。若延时后信号仍不消失,再执行相应动作。 3黄云龙.可编程控制器教程.科学出版社,2003 4王兆义.小型可编程控制器实用技术.机械工业出版社,2000 5廖常初.PI_C编程及应用.机械工业出版社,2003 6王永华.现代电气及可编程控制技术.北京航空航天大学出版 社,2002 7路林吉.可编程控制器原理及应用.清华大学出版社,2002 8齐从谦.PLC技术及应用.机械工、世出版社,凯发下载2002 修改稿收到日期:2005—05—27。 第一作者郝久清,男,1958年生,1986年毕业于抚顺石油学院,获学 士学位,工程师;主要从事自动化测控研究。 (上接第加页) 程可借助于计算机进行计算,较易实现,但某些拟合点 数据值精度误差偏大。当然,这3种方法也有其各自 的局限性,这有待于我们在实践中不断改进与完善。 参考文献 1屈敏,冯江.插人式流量计仪表系数K及其影响因素.石油化工 自动化,2002(3) 所以只需针对插入式流量计实际使用中介质的流 动参数计算出相应雷诺数ReD,然后可借助于计算机 求解a系数的值。当然也可以参照图1、图2查询拟合 曲线图很方便地快速找出a系数的近似值。 4 结束语 从上面的讨论不难看出:公式计算法得出的结果 2蔡武昌,孙淮清,纪纲.流量测量方法和仪表的选用.化学工业出 版料.2001 较为精确,但运用时需要很多的参数,计算复杂,求解 困难;快速查表法的求解过程简单易行,能被大家理解—— 与接受,计算结果一般能满足日常使用的要求;曲线程达.流量计结构使用维修和检定.中国石油天然气管道局,1992 4李强,赵伟.M枷.AB数据处理与应用.国防工业出版社,200l 篡霎霪#?,期19篡生-0,6199-1800年毕业于南京大学电子系,获学士 November 20咭 合法得出的拟合曲线直观可信,通过查图可快速找出 a系数的近似值,易被大家掌握,且拟合出的多项式方 学位,现为南京林业大学硕士研究生.主要从事汽车电子控制技术的研 PRoCESS AUT()MATIoN D婚TRI玳Ⅱ孙iTATIoN Vm.26 No.11 万 方数据 PLC控制系统的可靠性设计 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 郝久清, 肖立, Hao Jiuqing, Xiao Li 辽宁石油化工大学,抚顺,113001 自动化仪表 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION 2005,26(11) 14次 参考文献(8条) 1.皮状行 可编程序控制器的系统设计与应用实例 2001 2.王卫兵 可编程序控制器原理及应用 2002 3.黄云龙 可编程控制器教程 2003 4.王兆义 小型可编程控制器实用技术 2000 5.廖常初 PLC编程及应用 2003 6.王永华 现代电气及可编程控制技术 2002 7.路林吉 可编程控制器原理及应用 2002 8.齐从谦 PLC技术及应用 2002 相似文献(10条) 1.期刊论文 马光华.Ma Guanghua 火力发电厂PLC控制系统的可靠性措施 -云南电力技术2007,35(3) 介绍了在现代大型火力发电厂中PLC控制系统的应用及可靠性措施. 2.期刊论文 刘建平.LIU Jian-ping PLC控制系统的设计及提高可靠性的措施 -电气开关2007,45(5) 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