1、20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求 提高 PLC控制系统的可靠性研究山东大勇电力工程 王善勇2014年 10月 14日 山东省临沂市2014 维修电工高级技师参评论文1目 录摘要（3）引言 （4）第一章：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 降级操作设计 (6)1.5 PLC的I/O电. (6)第二章 从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性 . (8)2.1 运行状况超时检测. (8)2.2 逻辑错误检测. . (8)第三章 探讨影响PLC自动控制系统可靠性的因素与建议
2、 （10）3.1 影响PLC 可靠性因素的分析 （10）3.1.1 PLC自动控制系统的干扰分析 （10）3.1.2 探讨如何提高PLC的可靠性 （11）3.2 对PLC的 展望 (14)参考文献（16）致 谢（16）附件一 图纸（17）20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求2提高PLC控制系统的可靠性研究摘 要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
3、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；发展趋势。20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求引 言可编程序控
4、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、
5、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、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。20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求第一章 从PLC外围设备来考虑提高PLC的可靠性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
6、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,
7、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(a)专用接地 （b）共用接地 （c）共通接地（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
8、的接地端应为一点接地，PLC 外设备 PLC 外设备 PLC 外设备2014 维修电工高级技师参评论文2 接地20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求（3）点宜在控制器侧。1.4 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。1.5 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
9、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
10、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。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X001X002X001X0022014 维修电工高级技师参评论文2 +12020011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求欧姆;负荷容量在
11、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。20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求第二章 从PLC的软件程序来考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
12、.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 7 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
13、=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。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
14、址分别为 X001，X002，在两个信号不会同时为 NO 状态，20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求如果他们同时为 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（ 8）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（8）逻辑错误检测程序20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求第3章 探讨影响PLC自动控制系统可靠性的因素与建议3.1 影响PLC可靠性因素的分析随着 PLC 应用场合越来越广、应用环境越来越复杂,所受到的干扰也越
15、来越多 ,这些都可能造成PLC 控制系统可靠性降低,不能正常工作，导致无法挽回的经济损失。因此 ,分析影响 PLC 控制系统可靠性的因素,研究其解决措施,对于提高 PLC 控制系统可靠性具有重要的作用 ,对于 PLC 的进一步推广应用也具有普遍意义。因此从两大方面来考虑：（1）PLC 的外围设备来考虑分析 PLC 的可靠性（2）PLC 的软件程序来考虑分析控制系统的可靠性根据这些因素提出合理的建议，以及尽可能地完善 PLC 的可靠性。3.1.1 PLC自动控制系统的干扰分析PLC 可编程控制器是专为工业控制而设的，在设计和制造过程中，采取了多层次多方面的抗干扰措施，使得系统可以在恶劣的工业环境
16、下与强电设备一起运行工作。运行的稳定性和可靠性很高，PLC 整机平均无故障工作时间高达几万小时。随着计算技术的发展，PLC 的功能也越来越强，使用也越用越方便。但是，整机的可靠性高只是保证系统可靠工作的前提，还必须在设计和安装 PLC系统过程中采取相应的措施，才能保证整个系统完全可靠地工作。如果 PLC 的工作环境过于恶劣，如温度过高、湿度过大、振动和冲击过强，以及电磁干扰严重或安装使用不当等，都会直接影响 PLC 的正常、安全、可靠地运行， 加上外围电路的抗干扰措施不力，而使整个控制系统的可靠性大大降低，甚至出现故障。因此，在系统设计时应予以充分的考虑，在硬件上进行适当配置并辅以相应的软件，
17、以实现系统故障的防范。PLC 控制系统的可靠性的稳不稳定直接影响到企业的安全生产和经济运行， PLC 系统的抗干扰能力是整个系统可靠运行的关键。因此，分析研究 PLC 应用中的可靠性和抗干扰技术是十分必要的。要提高 PLC 控制系统的可靠性，一是在外部的硬件上采取措施 ;二是在软件内部中设计相应的保护程序。（1）现场条件输入给 PLC 信号出错的影响有：1) 造成传输信号线中断，如：短路或断路（可能机械拉扯，线路自身老化，线的质量差易磨损），当传输信号线出故障时，现场工作的信号无法传送给 PLC，也造成输出的控制出错；2) 机械触点抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC 却认为闭合了多次，虽然硬
18、件加2014 维修电工高级技师参评论文2了20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求滤波电路，软件增加微分指令，但由于 PLC 扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，也造成错误的控制；3) 现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。（2）执行机构出错的影响有：1) 控制负载的接触不能可靠动作，虽然 PLC 发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作；2) 控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作；3) 各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机
19、构没能按 PLC 的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。（3）各种干扰源1）元器件布局不合理造成内部信号相互串扰；PLC 控制系统线路中有电源线、输入、输出线和接地线，布线不恰当则会造成电磁感应和静电感应等干扰；2）杂乱的无线电波信号、外界的高频加热器和供电电源电压、电流剧烈波动和高次谐波的干扰等；3）按钮、继电器等工作时触点间产生的电弧，雷击和静电产生的火花放电的干扰；4）各类电磁干扰等。3.1.2 探讨如何提高PLC的可靠性PLC 是为工业而设的控制设备。但影响可靠性的因素也蛮多，如电磁干扰、外围的湿度、电源电压、输入和输出连接线和 I/O 电路、一些执行机构的开关啊，机械
20、触头啊，内部软件系统啊等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。下面针对 PLC 影响可靠性较大的提出一些建议：（1）对 PLC 工作环境的要求： 除了为特殊工作环境而设计的 PLC 外，一般 PLC 工作的环境温度应在 055的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，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。（2）对电源的要求：1）PLC 应直接从低压配电室的主
21、母线上采用专用线供电，以减少电机启停和其他因素给 PLC 带来的直接影响； 2）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2014 维修电工高级技师参评论文2要求20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求又较高的场合，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； 3）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。对由控制器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。（
22、3）对接地和接线的要求：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，接地线的线径应大于 4mm2，接地电阻一般应小于 10。图 3-1 接地方法2）PLC 的接线包括输入接线和输出接线。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
23、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。（4）安装与布线采取一定的抗干扰措施：PLC 电源、I/O 电源一般都采用带屏蔽层的隔离变压器供电, PLC 电源线,I/O 电源线,输入、输出信号线,交、直流线都应尽量分开布线，有的还需要屏蔽线，甚至还要接地。（5） 对 I/O 电路及输入和输出端子信号的防护：1） 要提高现场输入给 PLC 信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良 ； 2） 在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性； 3） 当输入信号源与输出驱动的负载为感性元件时,对于直流
24、电路应在其两端并联续流二极管;对于交流电路,应在其两端并联阻容吸收电路。采用以上措施,可防止在电感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电势或漏电流对 PLC 输入、输出端点及内部电源造成的冲击。20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求4） PLC 是通过输入电路输入信号，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。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，如图 2 和图 3 所示的是两个控
25、制线路和它们的对应梯形图。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。我们假设输出断开为安全状态，那么图 3 的可靠性要比图 2 的高。（7）对执行机构可靠性研究：当现场的信号准确地输入给 PLC 后，PLC 执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样才能确保执行机构没有出错，按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，又怎样才能发现并了解故障呢，对此而应该做出以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是应该了解的。当开启或关闭电动阀门时
26、，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给 PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。还要设计完善的故障报警系统在自动控制系统的设计中我们设计了 3 级故障显示报警系统，1 级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以 1Hz 的频率闪烁。为防止指示灯灯泡损坏不能正确反映设备工作情况，专门设置了故障复位/灯测试按钮，系统运行任何时间持续按该按钮 3s，所有指示灯应全部点亮，如果这时有指示等不亮说明该指示灯已坏，应立即更换，改按钮复位后指示灯仍按原工作
27、状态显示设备工作状态。2 级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3 级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。（8）对 PLC 信号的软件程序的多做探讨：在程序设计时，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，
28、则该定时器就立即被清零；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到就无法清零，此时 PLC 发出报警信号。对于 PLC 系统的可靠性做了一个完全的保障。例如： 图 3-220011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求图 3-2 检测程序图 3-2 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。假设被控对象的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
29、 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。PLC 的干扰问题十分复杂，因此 PLC 控制系统的可靠性设计在系统设计中占有重要地位，在实际设计中只有根据应用系统的具体特点和应用环境的具体条件，理论联系实际，具体问题具体分析，灵活地选择行之有效的可靠性设计技术和抗干扰方法，全面、合理地考虑系统的软件和硬件设计，从总体上提高系统的抗干扰能力和可靠性。3.2 对PLC的展望21 世纪，PLC 会有更大的发展，现代 PLC 的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度
30、更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展，而且 PLC 的可靠性越来越强。无论从技术上、产品的配套性上、市场上网络的发展情况来看，PLC 将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求结论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。20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求参考文献1 廖常初,可编程控制器
31、基础及应用. 北京机械工业出版社,2003.2 三菱公司,FX2系列可编程序控制器使用手册. 2001.3 熊幸明，张文希，PLC控制系统的可靠性设计煤矿机电， 2004（3）4 黄宏格，宋绍民，雷军.提高PLC控制系统干扰性能的措施 .机电电器.20055 阮友德，邓松，张迎辉.电气控制与PLC实训教程.人民邮电出版社 ,2006.106 陈忠华.可编程控制器与工业自动化.机械工业出版社2005致 谢本设计的完成是在我们的导师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了郭老师很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢!导师严谨的治学态度，开拓进取的精神和高度的责任心都将使学生受益终生!20011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求附 件一1PLC程序图 120011 年维修电工技师、高级技师评审论文要求
