可编程逻辑控制器的可靠性分析

刘双玖

[摘    要]在现代工业科学技术领域，可编程逻辑控制器（PLC）已广泛应用于工业自动化，并已成为工业自动化的重要支柱。PLC系统不仅为现场仪表、电气设备及下属控制系统提供有效的集成、控制和数据存储，还为上级管控系统提供稳定的数据采集平台，这对提高企业的生产率和产品的国际竞争力具有重要作用。因此，维护PLC系统并确保其稳定运行非常重要。文章从PLC使用环境改善入手，如硬件配置、软件编制等，分析了影响PLC控制系统正常运行的温度、湿度、电源系统、防雷系统、接地系统、PLC的输入/输出接线、电缆桥架的铺设、控制室内布置等各种外部因素，同时给出了相应的解决方案。并根据实际使用情况和经验，分析了PLC本身的网络配置、模块配置、软件配置、画面配置等内部因素对PLC稳定运行的影响，提出了相应的合理化配置建议。

[关键词]PLC;可靠性;通讯网络;组态;控制系统

[中图分类号]TM921.5;TP273 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–00–03

Reliability Analysis of Programmable Logic Controller

Liu  Shuang-jiu

[Abstract]In the field of modern industrial science and technology， programmable logic controller （PLC） has been widely used in industrial automation and has become an important pillar of industrial automation. PLC system not only provides effective integration， control and data storage for field instruments， electrical equipment and subordinate control systems， but also provides a stable data acquisition platform for superior control systems， It plays an important role in improving the productivity of enterprises and the international competitiveness of products. Therefore， it is very important to maintain the PLC system and ensure its stable operation.This paper starts from improving the use environment of PLC; From the aspects of hardware configuration and software programming， this paper analyzes various external factors affecting the normal operation of PLC control system， such as temperature， humidity， power supply system， lightning protection system， grounding system， input / output wiring of PLC， laying of cable bridge， layout of control room and so on， and gives the corresponding solutions. According to the actual use and experience， the influence of internal factors such as network configuration， module configuration， software configuration and picture configuration of PLC on the stable operation of PLC is analyzed， and the corresponding reasonable configuration suggestions are given.

[Keywords]PLC; reliability; communication network; configuration; control system

可编程逻辑控制器（PLC）是以微型计算机为核心，融合了计算机技术、通信技术、CRT显示技术和自动控制技术，与传统的继电器相比较，控制系统在系统化、多样化、分散化等方面取得了很大进步。由于控制系统的结构理念取代了传统仪器的控制方法，因此，控制系统的可靠性得到了极大提高。PLC高性能的CPU处理能力比传统自动仪表功能强大得多。由于通信技术和CRT显示技术的出现，为控制系统配置资源共享和集中管理以及人机联系等带来了便利。在此基础上，现代控制理论的应用成为可能，极大地促进了自动化技术的发展。

PLC最早是在发达国家出现，如欧美、日本，其应用范围也逐渐广泛，如石油、电力、冶金等领域。

PLC不仅具有控制功能，还能具有网络信息交换功能，尤其是在我国控制技术快速发展背景下，其网络技术也得到了大幅提升，如今我国PLC控制技术传播速度更快，性能更加穩定，能与其他控制系统相互结合，形成运行整体，为管控一体化发展提供数据支撑。

PLC随着受控对象的运行而运行。在大中型企业中，生产车间在正常情况下要求连续运行，PLC也需要安全及可靠的运行，因此保持PLC控制系统的健康运行非常重要。

1 影响PLC稳定性的外部因素及措施

1.1 温度

经过多年的探索和运行，发现PLC在20～28 ℃运行较为稳定。为保证PLC作业的稳定性，工作人员需要根据作业区域大小和散热量安装相应设施（如空调），对温度环境严格控制，将各房间温度控制到合理范围之内，如机柜间、操作员站、配电室等。而在南方阳光直射的区域，工作人员还需要安装其他防护设施，如双层门窗，加厚窗帘门帘等，确保室内环境保持恒定温度，让室内温度控制在23～27℃。

1.2 湿度

PLC在运行过程中不仅会受到温度影响，还会受到空气湿度影响。

只要在室内安装空调和湿度计，湿度问题就很容易解决。空调不仅保证了房间的温度，还保证了干湿度，湿度计将显示房间的湿度。如果湿度计显示湿度低于房间的要求，在房间角落和远离控制设备的地方放置一个加湿装置;如果湿度计显示湿度高于房间要求，则在角落和远离控制设备的地方放置一些干燥剂。其控制标准要求见表1。

2 影响PLC稳定的系统硬件因素及措施

2.1 PLC电源系统

PLC投产后，需要按生产要求连续运行。UPS在正常电源故障时为PLC供电。UPS的额定功率和相应的电池组数量必须根据整个系统PLC的各种元器件的功耗负载总和来确定。UPS最好不要供给其他用电设备，如现场仪表电源、照明电源等。一般情况下，UPS电源应配备单独的电源柜，电源柜内设隔离变压器和稳压器，保证PLC电源的电能质量，这样也可以在一定程度上确保PLC和现场设备的供电相对独立。当现场设备发生故障或雷电产生短时峰值电流或过电压时，不会影响PLC的正常运行。

2.2 PLC防雷系统

瞬时雷电波侵入PLC系统，也称为电涌，是一种超过正常电压的瞬时过电压。从脉冲波形上讲，电涌是以毫秒为单位的剧烈电磁脉冲。当雷击时，建筑物防雷系统不能完全有效地排除雷电波侵入PLC系统，此时，PLC电源前端需要增加浪涌保护器，它能有效吸收突发能量，避免雷电对控制系统的破坏。

浪涌保护器一般配置在电源柜内，并联接到三相电源上，如果电流或电压超过门限值，浪涌保护器导通，将过电流或过电压引入大地，从而避免了控制系统遭到雷电过电压的破坏。

2.3 PLC的输入/输出配置

数字量输入/输出模块的电压等级可根据现场设备与模块之间的距离来选择，当外部线路较长时，可选用AC或DC220V/110V模块，当外部线路较短，且控制设备相对集中时，可选用DC24V/48V模块。数字量输入模块选择时，应考虑其门槛电平的大小，门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输的距离就越远。对于开闭频繁、电感性、低功率因数的负载，宜选用晶闸管元件的输出模块;对于开闭不频繁的电阻性负载，宜选用继电器输出模块。

2.4 电缆敷设

在进行电缆敷设时，电源电缆、动力电缆和信号电缆最好分别从控制室的两个不同路径进线;直流信号线、交流信号线和模拟信号线不要共用一根电缆。当信号电缆和电源电缆平行敷设时，最小应保持300mm的距离;当采用电缆桥架敷设时，宜分别敷设在不同层的桥架中，电源电缆宜敷设在低压动力桥架层中，信号电缆宜敷设在控制桥架层中;如果信号电缆和动力电缆需要在同一层电缆桥架上敷设时，需要用金属隔板将它们隔开，且金属隔板应可靠接地。

高电平电缆和低电平电缆最好不要在同一端子排上转接。必须使用同一端子排时，要进行合理的安排。一般原则是：把备用端子和接地端子放在端子排的中间，两边分别放高电平电缆的端子和低电平电缆的端子。

使用屏蔽电缆时，在屏蔽电缆的两接线端处，屏蔽层要尽可能多地遮盖电缆芯数，因为电缆芯数露在屏蔽层外面的部分越长，感应外界干扰的部位就越大。

2.5 PLC接地系统

PLC系統应有稳定、可靠的接地。PLC系统的保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置，为防止相互干扰，保护性接地和功能性接地的引下线应分别引至不同的接地极，其共用接地电阻不大于1欧姆。

控制电缆的屏蔽层应可靠接地。PLC系统的模拟信号回路控制电缆屏蔽层，不得构成两点或多点接地，应集中一点接地。对于双层屏蔽电缆，内屏蔽应一端接地，外屏蔽应两端接地。两点接地的屏蔽电缆宜采取相关措施，防止在暂态电流作用下屏蔽层被烧坏。

对于低频、低电平模拟信号的电缆，如热电偶用电缆，屏蔽层应在最不平衡端或电路本身接地处一点接地。

3 合理配置硬件提高PLC的可靠性

3.1 PLC网络配置

交换机在网络与网络之间中起到一个重要的连接作用，PC网络配置也是非常重要的一个环节，因此，应该将PC与控制站之间，连接光学终端等相应的设备，还要布置控制室内网线，网线的材质一般是同轴电缆，距离较远的室外采用光纤光缆。合理的网络配置可以减少网络线路数量，避免过多的接头，减少隐患，提高整个系统的稳定性。

而在独立的生产区域可以使用独立控制站进行远程操控，控制站可以将各类网络汇总，将其传输到中控室。这样，整个工厂各个工艺流程相互独立运行，互不干扰，通过控制网络传输信号，将极大减少电缆用量，整个工厂整洁干净，优化控制系统网络，降低中间环节，并为控制系统的检修和运行维护带来方便，同时也提高了控制系统的可靠性。

3.2 PLC模块配置

在处理器配置输入输出模块时需要根据处理器实际情况合理配置，一般情况，模块总的控制点建议不要超过CPU控制点的60%。这样，CPU的运作更加顺畅，不出现“死机”现象。出现这样的情况，模块就可以起到安装作用，在处理器相同的控制柜中进行模块的安装，除此之外，还需要安装信号隔离器等，将这些设备集中安装在一个机柜中或者多个机柜中，如果安装在多个机柜中，应该将机柜与机柜之间并联放置。机柜与机柜之间可以将隔离板取消，这样能够方便机柜之间进电源的连接，为机柜之间接线工作创造便利条件，除了机柜之间需要并联放置以外，电源柜与配电柜之间也需要采用这种方式进行安装，其最主要的工作就是控制好距离，保证其距离大于2m，需要注意，在安装电器MCC柜和变频柜时需要做好位置控制工作，不能将其与PLC放置在同一区域。最好单独设置MCC室，以避免强电设备干扰PLC的正常运行，从而提高控制系统的可靠性。

在调试完成之后，就需要工作人员进行工作的开展，开展区域主要在操作室，因此操作室内需要具有满足开展工作的设施，比如打印机等常用设备，这些设备能够满足工人的日常工作，并且还要有控制系统方便对其进行控制，这就需要用到大屏幕等。由于操作室的重要性，因此建议能够保障工作室的卫生情况，让工作人员有一个良好的操作环境，工作室内经常会配备很多设施，会涉及到布线问题，因此就要在地板上做隔音处理，除此之外为了保证操作室工作环境舒适，需要配备空调，以及干湿度调节设备等。为了方便工作人员监管各个机柜的运行状况，采用玻璃材料将其隔开。

4 提高软件的合理配置提高PLC的可靠性

为了提高软件的合理配置，主要是上位机画面设置合理，根据车间装配线合理配置画面。一般情况下，主画面是PLC控制的整个车间工艺流程图，然后通过按钮切换来获取每个子画面。在子屏幕上使用不同颜色的提示灯显示设备的不同状态。最好使用动画来显示各种设备的运行状态和整个生产过程。

软件配置时，应根据控制点的性质（模拟输入和输出、数字输入和输出）对相同或类似的设备进行分类，或根据生产工艺线进行配置。这样，一旦系统出现报警或参数被修改，操作人员就可以尽快找到软件故障。

工程师站主要由专业技术人员操作，一般仅在调试期间使用。调试后，需要使用密码锁定计算机，避免无关人员进入系统，对其程序产生破坏，操作站主要是用于监控和设备操作，班组人员需要对设备运行过程中各类数据充分收集，如果在监控过程中发现设备出现故障则需要及时制定修改方案并制成报表，为后续工作人员提供数据支撑，让后续工作人员能了解到车间的具体生产情况，让维修人员能对软件运行情况充分掌握。

编程调试人员应根据系统配置情况，编制调试记录和操作手册，并组织车间员工培训等，保证调试人员离开以后，车间工作人员仍可以根据相应的数据对生产过程中故障进行查阅，将其影响范围有效控制，降低故障出现的概率。软件供应商还需要定期升级软件，始终保持软件的先进性和可操作性。

5 结束语

PLC具有较为明显的特性，如调整灵活、保护功能强大等，尤其是在数据处理方面。当然，PLC控制系统运行稳定性是保证各生产活动有序发展的重要基础。本文从使用环境、硬件配置、网络、软件编写等方面进行深入分析，并提出了相应提升措施，期望对今后电气设计人员以及生产企业解决PLC可靠性問题有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 付洪波.PLC系统抗干扰性能探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2011，31（1）：44.

[2] 王功胜.PLC应用中的干扰问题及抑制措施[J].中国设备工程，2009（9）：3.

[3] 徐永春.艾萨炉、锅炉DCS控制系统的可靠性分析[J].中国有色金属，2017（1）：3.

[4] 张驰.DCS控制系统在化工生产中的应用[J].化工设计通讯，2020，46（8）：2.