PLC自動控制系統可靠性研究

1 引言
可編程控制器由于抗干擾能力強，可靠性高，編程簡單，性能價格比高，在工業控制領域得到越來越廣泛應用。工業控制機作為中央控制單元，配有組態軟件，選用大屏幕實時監視界面，實現各控制點的動態顯示、數據修改、故障診斷、自動報警，還可顯示查詢歷史事件記錄，系統各主要部件累計運行時間，各裝置工藝流程圖，各裝置結構圖等。中央控制單元和下位機PLC之間采用串行通訊方式進行數據交換，通常距離在1000m以內選用485雙絞線通訊方式，較常距離可選用光纖通訊，更長距離也可選用無線通訊方式。下位機選用PLC控制，根據控制對象的多少，控制對象的范圍，可選用一臺或多臺PLC進行控制，PLC之間數據交換是利用內部鏈接寄存器，實現數據交換和共享。
2 控制系統可靠性降低的主要原因
雖然工業控制機和可編程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果輸入給PLC的開關量信號出現錯誤，模擬量信號出現較大偏差，PLC輸出口控制的執行機構沒有按要求動作，這些都可能使控制過程出錯，造成無法挽回的經濟損失。
2．1 影響現場輸入給PLC信號出錯的主要原因有：
2．1．1 造成傳輸信號線短路或斷路（由于機械拉扯，線路自身老化，特別是鼠害），當傳輸信號線出故障時，現場信號無法傳送給PLC，造成控制出錯。
2．1．2 機械觸點 抖動，現場觸點雖然只閉合一次，PLC卻認為閉合了多次，雖然硬件加了濾波電路，軟件增加微分指令，但由于PLC掃描周期太短，仍可能在計數、累加、移位等指令中出錯，出現錯誤控制結果。
2．1．3 現場變送器，機械開關自身出故障，如觸點接觸不良，變送器反映現場非電量偏差較大或不能正常工作等，這些故障同樣會使控制系統不能正常工作。
2．2 影響執行機構出錯的主要原因有：
2．2．1 控制負載的接觸不能可靠動作，雖然PLC發出了動作指令，但執行機構并沒按要求動作。
2．2．2控制變頻器起動，由于變頻器自身故障，變頻器所帶電機并沒按要求工作。
2．2．3各種電動閥、電磁閥該開的沒能打開，該關的沒能關到位，由于執行機構沒能按PLC的控制要求動作，使系統無法正常工作，降低了系統可靠性。
3． 解決方案的實施：要提高整個控制系統的可靠性，必須提高輸入信號的可靠性和執行機構動作的準確性， PLC才能及時發現問題，用聲光等報警辦法提示給操作人員，盡快排除故障，讓系統安全、可靠、正確地工作。
3．1 設計完善的故障報警系統
在自動控制系統的設計中我們設計了3級故障顯示報警系統，第1級設置在控制現場各控制柜面板，用指示燈指示設備正常運行和故障情況，當設備正常運行時對應指示燈亮，當該設備運行有故障時指示燈以1Hz的頻率閃爍。專門設置故障復位燈按鈕，顯示設備工作狀態。第2級故障顯示設置在中心控制室大屏幕監視器上，當設備出現故障時，有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對應的設備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級故障顯示設置在中心控制室信號箱內，當設備出現故障時，信號箱將用聲、光報警方式提示工作人員，及時處理故障。在處理故障時，又將故障進行分類，有些故障是要求系統停止運行的，但有些故障對系統工作影響不大，系統可帶故障運行，故障可在運行中排除，這樣就大大減少整個系統停止運行時間，提高系統可靠性運行水平。

3 ． 2 輸入信號可靠性研究
要提高現場輸入給 PLC 信號的可靠性，首先要選擇可靠性較高的變送器和各種開關，防止各種原因引起傳送信號線短路、斷路或接觸不良。其次在程序設計時增加數字濾波程序，增加輸入信號的可信性。數字信號濾波可采用圖 1 程序設計方法，在現場輸入觸點后加一定時器，定時時間根據觸點抖動情況和系統要的響應速度確定，一般在幾十 ms ，這樣可保證觸點確實穩定閉合后，才有其它響應。模擬信號濾波可采用圖 2 程序設計方法，對現場

圖2

模擬信號連續采樣2次，采樣間隔由A/D轉換速度和該模擬信號變化速率決定。2次采樣數據分別存放在數據寄存器DT0、DT1中，當最后1次采樣結束后利用數據比較、數據交換指令保留值作為本次采樣結果控制R100的通斷。

圖 3

高值監視模塊的使用（原理如圖3所示）
模塊的運算式為當DT 1 >=DT 2 時R100=ON 當 DT1<(DT 2 -－WR10)時 R100＝ＯFF
低值監視模塊的使用（與圖3相反）
模塊的運算式為當DT 1 < DT 2 時R100=ON 當DT1 >= (DT 2 --＋WR10)時　R100＝ＯFF
說明DT 1 為觸點輸入數，DT 2 -為經驗值WR10為滯后寬度．
提高讀入PLC現場信號的可靠性還可利用控制系統自身特點，利用信號之間關系來判斷信號的可信程度。在一定時間里輸入變化范圍，但輸出在允許值內變化自動延長通斷時間，消除了小信號影響、極限開關故障或傳送信號線路故障，同樣通過報警系統通知操作人員處理該故障。由于在程序設計時采用了上述方法，大大提高了輸入信號的可靠。
3．3 執行機構可靠性研究
當現場的信號準確地輸入給PLC后，PLC執行程序，將結果通過執行機構對現場裝置進行調節、控制。怎樣保證執行機構按控制要求工作，當執行機構沒有按要求工作，怎樣發現故障？
我們采取以下措施：當負載由接觸器控制時，啟動或停止這類負載轉為對接觸器線圈控制，啟動時接觸器是否可靠吸合，停止時接觸器是否可靠釋放，這是我們關心的。我們設計了如圖4所示程序來判斷接觸器是否可靠動作。X0為接觸器動作條件，Y0為控制線圈輸出，

圖4

X1為引回到PLC輸入端的接觸器輔助常開觸點，定時器定時時間大于接觸器動作時間。R0為設定的故障位，R0為ON表示有故障，做報警處理；R0為OFF表示無故障。故障具有記憶功能，由故障復位按鈕清除。

圖5

當開啟或關閉電動閥門時，根據閥門開啟、關閉時間不同，設置延時時間，經過延時檢測開到位或關到位信號，如果這些信號不能按時準確返回給PLC，說明閥可能有故障，做閥故障報警處理。程序設計如圖5所示。X2為閥門開啟條件，Y1為控制閥動作輸出，定時器定時時間大于閥開啟到位時間，X3為閥到位返回信號，R1為閥故障位。
六、結論
自動控制系統設計中采用了以上方法，經過近2年的運行證明這些方法的采用對提高系統可靠性運行是行之有效的。

圖1