PLC控制系统可靠性的分析与研究

齐亚洲

摘要：可编程控制器（PLC）作为新一代的工业控制装置，因其本身具有高可靠性、较强的工业环境适应性以及编程简单、操作方便等特性，而在工业领域得到广泛应用.但随着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.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.

关键词：PLC；可靠性；控制系统

一、可编程控制器的发展概况

可编程控制器最早出现在美国，1968年，美国的通用汽车公司（GM）提出了研制一种新型控制器的要求，并从用户角度提出新一代控制器应具备的十大条件，条件提出后，立即引起了开发热潮。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到20世纪70年代中期以后，特别是进入20世纪80年代以来，PLC已广泛地使用16位甚至32位微處理器作为中央处理器。这时的PLC已不仅仅具有逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能，称之为可编程序控制器更为合适。

综合可编程控制器的特点，自问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工业自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。因此，PLC控制系统的可靠性将直接影响到工业生产的效率与安全，探讨提高PLC控制系统可靠性的方法具有十分重要的意义。

二、影响PLC控制系统可靠性的主要因素

PLC的可靠性问题实际上是一个十分复杂的系统工程问题。它涉及系统的设计、测试检验、分析试验、安装运行等诸多方面的问题。虽然PLC本身具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但是在过于恶劣的环境条件下，或安装使用不当及保护程序有问题，都可能引起PLC内部信息的破坏，从而降低PLC控制系统的可靠性。

影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：

（1）由于机械拉扯，线路自身老化等原因造成传输信号线短路或断路，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错；

（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，虽然硬件加了滤波电路，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，出现错误控制结果；

（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。

影响执行机构出错的主要原因有：

（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）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。

要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性，否则PLC应能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。

三、输入信号可靠性研究

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。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC输入接口电路上，为防止由于触点拌动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力。输入接口电路提高抗干扰能力的方法主要有：（1）利用光耦合器提高抗干扰能力。光耦合器的工作原理是：发光二极管有驱动电流流过时，导通发光，光敏三极管接到光线，由截止变为导通，将输入信号送入PLC内部。光耦合器中的发光二极管是电流驱动元件，要有足够的能量才能驱动。而干扰信号虽然有的电压值很高，但能量较小，不能使发光二极管导通发光，所以不能进入PLC内，这样则实现了电隔离。（2）利用滤波电路提高抗干扰能力。最常用的滤波电路是电阻电容滤波。（3）提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。如进行液位控制，由于储罐的尺寸是已知的，进液或出液的阀门开度和压力是已知的，在一定时间里罐内液体变化高度大约在什么范围是知道的，如果这时液位计送给PLC的数据和估算液位高度相差较大，判断可能是液位计故障，通过故障报警系统通知操作人员检查该液位计。又如各储罐有上下液位极限保护，当开关动作时发出信号给PLC，这个信号是否真实可靠，在程序设计时我们将这信号和该罐液位计信号对比，如果液位计读数也在极限位置，说明该信号是真实的；如果液位计读数不在极限位置，判断可能是液位极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。（4）在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十ms，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。对现场模拟信号连续采样3次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。3次采样数据分别存放在三个数据寄存器中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令、数据段比较指令去掉最大和最小值，保留中间值作

四、输出接口电路

根据驱动负载元件的不同可将输出接口电路分为3种：（1）小型继电器输出形式。这种输出形式既可驱动交流负载，又可驱动直流负载。（2）大功率晶体管或场效管输出形式。这种输出形式只可驱动直流负载。它的优点是可靠性强，执行速度快，寿命长。缺点是过载能力差。适合在直流供电，输出量变化快的场合使用。（3）双向晶闸管输出形式。这种输出形式适合驱动交流负载。由于双向晶闸管和大功率晶体管同属于半导体材料元件，所以优缺点与大功率晶体管或场效管应管输出形式的相似，适合在交流供电、输出量变化快的场合选用。

五、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。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？主要采取以下措施：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，这是我们关心的。当开启或关闭电动阀门时，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。

六、结语

在PLC控制系统中，只有综合考虑影响PLC可靠性的各方面因素，在设计中采取有效的措施，才能使控制系统可靠、高效、稳定地运行。另外，对于不同的PLC控制系统，还要根据具体情况进行具体分析，才能获得最佳效果。

参考文献

[1]田淑珍.可编程控制器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2017.

[2]刘美俊.提高PLC控制系统可靠性的措施[J].电工技术杂志，2017，（1）.

[3]陆秀令.提高PLC控制系统可靠性的措施[J].机电工程技术，2018，（6）.

（作者单位：北京航天益来电子科技有限公司）