PLC控制系统的可靠性分析

2022-09-11

PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备, 具有抗干扰能力强, 可靠性高编程简单, 性价比高的特点, 在工业控制领域得到越来越广泛应用。当工作环境较为恶劣, 如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时, 会使硬件可靠性受到影响;当处理复杂逻辑或者精细控制时, 噪音干扰以及越来越复杂的软件设计都会使软件可靠性受到影响。下面将从硬件、软件两个方面探讨如何提高可靠性。

1 硬件系统可靠性

PLC[1]控制系统通常包括中央处理器、主机箱、扩展机箱及相关的网络与外部设备;生产现场设备包括继电器、接触器、各种开关、极限位置、安全保护等。任何一个因素都可能是干扰源, 可分为内部干扰源和外部干扰源。内部干扰源主要包括:由于元器件布局不合理造成内部信号相互串扰;线路中存在的电容性元件引起的寄生振荡。外部干扰源包括供电电源电压波动和高次谐波的干扰;开关通断形成的高、低频干扰;动力强电信号在系统中产生感应电势引起的干扰。

1.1 电源抗干扰

电源是干扰进入的主要途径之一, 对电磁干扰较强, PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开。在进入PLC系统之前加屏蔽隔离变压器, 屏蔽隔离变压器的次级侧至PLC系统间必须采用不小于2mm2的双绞线。

1.2 输入抗干扰

元器件质量的好坏和连接方式直接影响输入电路的可靠性。保证采用高质量的元器件防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。

1.3 接地抗干扰

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。恶劣环境下要注意防静电, 防电流冲击过大等。

1.4 电磁干扰的抗干扰

电磁干扰分为共模干扰和差模干扰, 共模干扰主要由电网串入;差模干扰主要由空间电磁场在信号间耦合感应造成。为了避免或减少内外上述电磁干扰, 必须采取3个方面抑制措施:抑制干扰源;切断或衰减电磁干扰的传播途径;提高装置和系统的抗干扰能力, 通常一般采用隔离和屏蔽的方法来实现。

1.5 冗余设计和降级操作设计

冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式, 冗余的后备系统也同时运行, 两者输出的结果一致时, 表示系统是正常运行的;一旦结果不一致, 则发出警报信号, 同时, 根据自诊断的结果切换到正常的系统。冷后备方式操作时, 它在自诊断检测出运行系统故障后才切入后备系统。

降级操作[2]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。

同时外在的质量也需注意, 简单来说需要满足五防的要求:防水、防尘、防摔、防静电、防干扰。

2 软件系统可靠性

软件的可靠性主要是指软件对错误信号的抵抗力、对设备故障的判断力及对不同工况的适应能力等。

2.1 数字滤波

滤波通过对模拟信号多次采样求均值, 增加数据输入的稳定性和防止重复输入。常用的滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。

2.2 通信数据校验

在PLC与其它设备采用自由协议通信时干扰会造成错码, 如果不纠错很容易引起程序运行错误。传送方面可参照“三次握手”, 编码采用纠错码, 并建立反馈措施和报警控制措施。

2.3 设置断电记忆功能

有些设备在意外停机后再开机时, 必须按照停机前的工艺操作, 这就要求在程序设计中使用停电记忆机前的工艺, 这就要求在程序设计中使用停电记忆功能PLC可对内部的输出继电器, 辅助继电器, 计数器等进行停电记忆设置, 实现断电保护。较可靠的办法是把调试成功的程序用ROM写入器固化到EPROM/E2PROM中去。应用程序的备份, 如光盘或EPROM/E2PROM等必须小心保护。

2.4 设置报警系统

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。若程序运行发生故障, 如出现死循环等, 此时PLC发出报警信号。外部报警系统可结合现在的各种先进技术:语音报警、短信报警、画面报警等。

2.5 软件容错设计

为提高系统运行的可靠性, 使PLC在信号出错情况下能及时发现错误, 并能排除错误的影响继续工作, 在程序编制中可采用软件容错技术。在目前现场设备信号不完全可靠的情况下, 对于非严重影响设备运行的故障信号, 可在程序中采取不同时间的判断, 以防止输入接点的抖动而产生“伪报警”。若延时后信号仍不消失, 再执行相应动作。在充分利用信号间的组合逻辑关系构成条件判断时, 即使个别信号出现错误, 系统也不会因错误判断而影响其正常的逻辑功能。

在具体的编码实现时应注意良好的模块化设计和可移植性、易用性。增加新功能可增强产品的差异性, 但同时要多注意新增功能的必要性和稳定性。