提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施

雖然PLC具有很高的可靠性，并且有很強的抗干擾能力，但在過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當等情況下，都有可能引起PLC內部信息的破壞而導致控制混亂，甚至造成內部元件損壞。為了提高PLC系統(tǒng)運行的可靠性，使用時應注意以下幾個方面的問題。

一、適合的工作環(huán)境

1．環(huán)境溫度適宜

各生產廠家對PLC的環(huán)境溫度都有一定的規(guī)定。通常PLC允許的環(huán)境溫度約在0~55°C。因此，安裝時不要把發(fā)熱量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足夠的通風散熱空間；不要把PLC安裝在陽光直接照射或離暖氣、加熱器、大功率電源等發(fā)熱器件很近的場所；安裝PLC的控制柜最好有通風的百葉窗，如果控制柜溫度太高，應該在柜內安裝風扇強迫通風。

2．環(huán)境濕度適宜

PLC工作環(huán)境的空氣相對濕度一般要求小于85％，以保證PLC的絕緣性能。濕度太大也會影響模擬量輸入/輸出裝置的精度。因此，不能將PLC安裝在結露、雨淋的場所。

3．注意環(huán)境污染

不宜把PLC安裝在有大量污染物（如灰塵、油煙、鐵粉等）、腐燭性氣體和可燃性氣體的場所，尤其是有腐蝕性氣體的地方，易造成元件及印刷線路板的腐蝕。如果只能安裝在這種場所，在溫度允許的條件下，可以將PLC封閉；或將PLC安裝在密閉性較高的控制室內，并安裝空氣凈化裝置。

4．遠離振動和沖擊源

安裝PLC的控制柜應當遠離有強烈振動和沖擊場所，尤其是連續(xù)、頻繁的振動。必要時可以采取相應措施來減輕振動和沖擊的影響，以免造成接線或插件的松動。

5．遠離強干擾源

PLC應遠離強干擾源，如大功率晶閘管裝置、高頻設備和大型動力設備等，同時PLC還應該遠離強電磁場和強放射源，以及易產生強靜電的地方。

二、合理的安裝與布線

1.注意電源安裝

電源是干擾進入PLC的主要途徑。PLC系統(tǒng)的電源有兩類：外部電源和內部電源。

外部電源是用來驅動PLC輸出設備(負載)和提供輸入信號的，又稱用戶電源，同一臺PLC的外部電源可能有多規(guī)格。外部電源的容量與性能由輸出設備和PLC的輸入電路決定。由于PLC的I／O電路都具有濾波、隔離功能，所以外部電源對PLC性能影響不大。因此，對外部電源的要求不高。

內部電源是PLC的工作電源，即PLC內部電路的工作電源。它的性能好壞直接影響到PLC的可靠性。因此，為了保證PLC的正常工作，對內部電源有較高的要求。一般PLC的內部電源都采用開關式穩(wěn)壓電源或原邊帶低通濾波器的穩(wěn)壓電源。

在干擾較強或可靠性要求較高的場合，應該用帶屏蔽層的隔離變壓器，對PLC系統(tǒng)供電。還可以在隔離變壓器二次側串接LC濾波電路。同時，在安裝時還應注意以下問題：

1)隔離變壓器與PLC和I/O電源之間最好采用雙絞線連接，以控制串模干擾；

2)系統(tǒng)的動力線應足夠粗，以降低大容量設備起動時引起的線路壓降；

3) PLC輸入電路用外接直流電源時，最好采用穩(wěn)壓電源，以保證正確的輸入信號。否則可能使PLC接收到錯誤的信號。

2.遠離高壓

PLC不能在高壓電器和高壓電源線附近安裝，更不能與高壓電器安裝在同一個控制柜內。在柜內PLC應遠離高壓電源線，二者間距離應大于200mm。

3.合理的布線

1) I/O線、動力線及其它控制線應分開走線，盡量不要在同一線槽中布線。

2)交流線與直流線、輸入線與輸出線最好分開走線。

3)開關量與模擬量的Ｉ/Ｏ線最好分開走線，對于傳送模擬量信號的Ｉ/Ｏ線最好用屏蔽線，且屏蔽線的屏敝層應一端接地。

4) PLC的基本單元與擴展單元之間電纜傳送的信號小、頻率高，很容易受干擾，不能與其它的連線敷埋在同一線槽內。

5）PLC的I/O回路配線，必須使用壓接端子或單股線，不宜用多股絞合線直接與PLC的接線端于連接，否則容易出現火花。

6)與PLC安裝在同一控制柜內，雖不是由PLC控制的感性元件，也應并聯(lián)ＲＣ或二極管消弧電路。

三、正確的接地

良好的接地是PLC安全可靠運行的重要條件。為了抑制干擾，PLC一般最好單獨接地，與其它設備分別使用各自的接地裝置，如圖6-37a所示；也可以采用公共接地，如圖6-37b所示；但禁止使用如圖6-37c所示的串聯(lián)接地方式，因為這種接地方式會產生PLC與設備之間的電位差。

圖6-37 PLC的接地

a)分別接地 b)公共按地 c)串聯(lián)接地

PLC的接地線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地電阻要小于100Ω，接地線的截面應大于２mm²。

另外，PLC的CPU單元必須接地，若使用了I/O擴展單元等，則CPU單元應與它們具有共同的接地體，而且從任一單元的保護接地端到地的電阻都不能大于100Ω。

四、必須的安全保護環(huán)節(jié)

１．短路保護

當PLC輸出設備短路時，為了避免PLC內部輸出元件損壞，應該在PLC外部輸出回路中裝上熔斷器，進行短路保護。最好在每個負載的回路中都裝上熔斷器。

2. 互鎖與聯(lián)鎖措施

除在程序中保證電路的互鎖關系，PLC外部接線中還應該采取硬件的互鎖措施，以確保系統(tǒng)安全可靠地運行，如電動機正、反轉控制，要利用接觸器KM1、KM2常閉觸點在PLC外部進行互鎖。在不同電機或電器之間有聯(lián)鎖要求時，最好也在PLC外部進行硬件聯(lián)鎖。采用PLC外部的硬件進行互鎖與聯(lián)鎖，這是PLC控制系統(tǒng)中常用的做法。

3．失壓保護與緊急停車措施

PLC外部負載的供電線路應具有失壓保護措施，當臨時停電再恢復供電時，不按下“啟動”按鈕PLC的外部負載就不能自行啟動。這種接線方法的另一個作用是，當特殊情況下需要緊急停機時，按下“停止”按鈕就可以切斷負載電源，而與PLC毫無關系。

五、必要的軟件措施

有時硬件措施不一定完全消除干擾的影響，采用一定的軟件措施加以配合，對提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性起到很好的作用。

1.消除開關量輸入信號抖動

在實際應用中，有些開關輸入信號接通時，由于外界的干擾而出現時通時斷的“抖動”現象。這種現象在繼電器系統(tǒng)中由于繼電器的電磁慣性一般不會造成什么影響，但在PLC系統(tǒng)中，由于PLC掃描工作的速度快，掃描周期比實際繼電器的動作時間短得多，所以抖動信號就可能被PLC檢測到，從而造成錯誤的結果。因此，必須對某些“抖動”信號進行處理，以保證系統(tǒng)正常工作。

如圖6-38a所示，輸入X0抖動會引起輸出Y0發(fā)生抖動，可采用計數器或定時器，經過適當編程，以消除這種干擾。

如圖6-38b所示為消除輸入信號抖動的梯形圖程序。當抖動干擾X0斷開時間間隔Δｔ＜K×0.1S，計數器C0不會動作，輸出繼電器Y0保持接通，干擾不會影響正常工作；只有當X0抖動斷開時間Δｔ≥K×0.1S時，計數器C0計滿K次動作，C0常閉斷開，輸出繼電器Y0才斷開。K為計數常數，實際調試時可根據干擾情況而定。

圖6-38輸入信號抖動的影響及消除

a)抖動現象的影響 b)消除抖動的方法

2．故障的檢測與診斷

PLC的可靠性很高且本身有很完善的自診斷功能，如果PLC出現故障，借助自診斷程序可以方便地找到故障的原因，排除后就可以恢復正常工作。

大量的工程實踐表明，PLC外部輸入、輸出設備的故障率遠遠高于PLC本身的故障率，而這些設備出現故障后，PLC一般不能覺察出來，可能使故障擴大，直至強電保護裝置動作后才停機，有時甚至會造成設備和人身事故。停機后，查找故障也要花費很多時間。為了及時發(fā)現故障，在沒有釀成事故之前使PLC自動停機和報警，也為了方便查找故障，提高維修效率，可用PLC程序實現故障的自診斷和自處理。

現代的PLC擁有大量的軟件資源，如FX2N系列PLC有幾千點輔助繼電器、幾百點定時器和計數器，有相當大的裕量，可以把這些資源利用起來，用于故障檢測。

（1）超時檢測 機械設備在各工步的動作所需的時間一般是不變的，即使變化也不會太大，因此可以以這些時間為參考，在PLC發(fā)出輸出信號，相應的外部執(zhí)行機構開始動作時啟動一個定時器定時，定時器的設定值比正常情況下該動作的持續(xù)時間長20％左右。例如設某執(zhí)行機構（如電動機）在正常情況下運行50s后，它驅動的部件使限位開關動作，發(fā)出動作結束信號。若該執(zhí)行機構的動作時間超過 60s（即對應定時器的設定時間），PLC還沒有接收到動作結束信號，定時器延時接通的常開觸點發(fā)出故障信號，該信號停止正常的循環(huán)程序，啟動報警和故障顯示程序，使操作人員和維修人員能迅速判別故障的種類，及時采取排除故障的措施。

（2）邏輯錯誤檢測 在系統(tǒng)正常運行時，PLC的輸入、輸出信號和內部的信號（如輔助繼電器的狀態(tài)）相互之間存在著確定的關系，如出現異常的邏輯信號，則說明出現了故障。因此，可以編制一些常見故障的異常邏輯關系，一旦異常邏輯關系為ON狀態(tài)，就應按故障處理。例如某機械運動過程中先后有兩個限位開關動作，這兩個信號不會同時為ON狀態(tài)，若它們同時為ON，說明至少有一個限位開關被卡死，應停機進行處理。

3．消除預知干擾

某些干擾是可以預知的，如PLC的輸出命令使執(zhí)行機構（如大功率電動機、電磁鐵）動作，常常會伴隨產生火花、電弧等干擾信號，它們產生的干擾信號可能使PLC接收錯誤的信息。在容易產生這些干擾的時間內，可用軟件封鎖PLC的某些輸入信號，在干擾易發(fā)期過去后，再取消封鎖。

六、采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)

某些控制系統(tǒng)（如化工、造紙、冶金、核電站等）要求有極高的可靠性，如果控制系統(tǒng)出現故障，由此引起停產或設備損壞將造成極大的經濟損失。因此，僅僅通過提高PLC控制系統(tǒng)的自身可靠性是滿足不了要求。在這種要求極高可靠性的大型系統(tǒng)中，常采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)來有效地解決上述問題。

1．冗余系統(tǒng)

所謂冗余系統(tǒng)是指系統(tǒng)中有多余的部分，沒有它系統(tǒng)照樣工作，但在系統(tǒng)出現故障時，這多余的部分能立即替代故障部分而使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。冗余系統(tǒng)一般是在控制系統(tǒng)中最重要的部分（如CPU模塊）由兩套相同的硬件組成，當某一套出現故障立即由另一套來控制。是否使用兩套相同的I/O模塊，取決于系統(tǒng)對可靠性的要求程度。

如圖6-39a所示，兩套CPU模塊使用相同的程序并行工作，其中一套為主CPU模塊，一塊為備用CPU模塊。在系統(tǒng)正常運行時，備用CPU模塊的輸出被禁止，由主CPU模塊來控制系統(tǒng)的工作。同時，主CPU模塊還不斷通過冗余處理單元（RPU）同步地對備用CPU模塊的I/O映像寄存器和其它寄存器進行刷新。當主CPU模塊發(fā)出故障信息后，RPU在1～3個掃描周期內將控制功能切換到備用CPU。I/O系統(tǒng)的切換也是由RPU來完成。

圖6-39冗余系統(tǒng)與執(zhí)備用系統(tǒng)

a)冗余系統(tǒng) b)熱備用系統(tǒng)

2．熱備用系統(tǒng)

熱備用系統(tǒng)的結構較冗余系統(tǒng)簡單，雖然也有兩個CPU模塊在同時運行一個程序，但沒有冗余處理單元RPU。系統(tǒng)兩個CPU模塊的切換，是由主CPU模塊通過通信口與備用CPU模塊進行通信來完成的。如圖6-39b所示，兩套CPU通過通訊接口連在一起。當系統(tǒng)出現故障時，由主CPU通知備用CPU，并實現切換，其切換過程一般較慢。