李增男

（東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318）

可編程序控制器(PLC)是專門為工業(yè)控制設(shè)計的一種控制系統(tǒng)，隨著電子元器件制造業(yè)和計算機技術(shù)的發(fā)展，PLC控制系統(tǒng)也處在不斷的進步當中.但是，隨著其應(yīng)用范圍越來越廣泛，PLC系統(tǒng)在較為復(fù)雜的環(huán)境中的可靠性明顯降低.而PLC控制系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運行，因此，提高PLC系統(tǒng)抗外界環(huán)境干擾的能力是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵.

1 PLC 控制系統(tǒng)的組成及其故障分布

PLC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由輸入與輸出部件、中央處理單元、電源和編程器這四部分組成.輸入與輸出部件是將PLC控制系統(tǒng)與被控制機械連接起來的部件，輸入部件能夠接收到來自開關(guān)、按鈕以及傳感器等結(jié)構(gòu)所發(fā)送的指令，傳遞到中央處理單元，中央處理單元在對其進行分析處理后，通過輸出部件傳遞給受控制的機械或是其他設(shè)備.電源則起到穩(wěn)定電壓和提供電力的作用.編程器則可便于用戶對PLC系統(tǒng)的執(zhí)行程序進行修改，用來使其功能專門化或是用來檢測PLC控制系統(tǒng)的運行狀態(tài).在PLC控制系統(tǒng)的使用過程中，這些結(jié)構(gòu)是缺一不可的，一旦某一個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了故障，就會影響到PLC控制系統(tǒng)的可靠性.

實際上，PLC系統(tǒng)本身的可靠性是非常高的.有數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，一般的PLC控制系統(tǒng)平均無故障工作時間可以長達三十萬個小時.而且，PLC控制系統(tǒng)故障多是生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生的故障，PLC本身故障只占故障的一小部分.下圖是PLC控制系統(tǒng)故障發(fā)生的主要類型與概率.

圖1 PLC控制系統(tǒng)的故障分布情況

據(jù)可靠性理論，系統(tǒng)在單位時間內(nèi)失效或出現(xiàn)故障的次數(shù)稱為失效率或故障率，用λ 表示，其倒數(shù)1／λ 稱為系統(tǒng)的可靠性.通過使用發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)的可靠性與時間有關(guān).圖2給出了系統(tǒng)故障率λ 的曲線，由圖可知故障率分為三個階段.

圖2 系統(tǒng)故障率曲線

1.1 早期故障期

早期故障是指在PLC系統(tǒng)運行初期發(fā)生的故障，它是指從系統(tǒng)投入應(yīng)用開始，直至故障率逐漸降低并趨于穩(wěn)定的一個階段.一般來說，早期故障多是由于系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計存在缺陷，元器件質(zhì)量有問題或是制作工藝不夠精良等原因而產(chǎn)生的.這一階段的故障發(fā)生率與持續(xù)時間主要受到制造方的制造工藝與技術(shù)影響，通?？梢酝ㄟ^選用有較高客戶滿意度的廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品來降低故障的發(fā)生率.并應(yīng)該在投入使用時盡早找出系統(tǒng)缺陷，及時對其處理.

1.2 隨機故障期

隨機故障期是指在PLC系統(tǒng)經(jīng)過早期故障期，運行逐漸穩(wěn)定后發(fā)生的故障，這一時期故障率較小，且故障發(fā)生的時間與部位都具有一定的隨機性.隨機故障的產(chǎn)生多是由于系統(tǒng)在運行過程中，由于環(huán)境中某些因素的影響而使得PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部的某些元器件遭到損壞，而影響到PLC控制系統(tǒng)的運行.在這一階段，我們主要可以通過控制PLC系統(tǒng)的運行環(huán)境，注意系統(tǒng)平時的保養(yǎng)和維護工作，及時更換易損耗零部件，合理規(guī)范的使用PLC控制系統(tǒng)等方式來降低故障發(fā)生率.

1.3 耗損故障期

耗損故障期是指當PLC系統(tǒng)已經(jīng)工作了一定的年限，直至系統(tǒng)無法正常工作的一段時期.耗損故障期故障的發(fā)生多是由于系統(tǒng)內(nèi)部的某些零部件由于使用時間過長，其磨損或是老化較為嚴重，因此不能繼續(xù)正常工作.我們主要可以通過提前更換老化或是磨損的零部件，經(jīng)常性的對系統(tǒng)進行全面檢修等方式來延緩耗損故障期的發(fā)生時間.

2 PLC 控制系統(tǒng)可靠性的影響因素

PLC系統(tǒng)各部件之間的信號傳導(dǎo)主要通過電磁信號完成，因此其正常運行容易受到外界電磁波的干擾，而頻繁變化的電壓或是電流可以產(chǎn)生一定強度的電磁場，因此影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源大多是能產(chǎn)生頻繁變化的電壓或電流的物體.

2.1 來自外部空間的輻射干擾

這種干擾對于PLC系統(tǒng)的影響主要有兩種：一種是由于輻射對于PLC內(nèi)部信號的傳遞造成干擾，使其運行出現(xiàn)問題；一種是輻射直接干擾到PLC內(nèi)部系統(tǒng)，影響到其中央處理系統(tǒng)的信息接收、處理、傳遞等工作.

2.2 來自電源的干擾

PLC系統(tǒng)需要接到外接電路上才能工作，由于電網(wǎng)一般覆蓋范圍較廣，電力供應(yīng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，在電網(wǎng)切換供電的情況下就會由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生一定的電磁干擾，影響PLC系統(tǒng)的運行.

2.3 信號線引入的干擾

與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線除了傳輸各類有效的信息外，還會由于外界信號的侵入影響到信號傳輸線內(nèi)信號的強度和真實度，而傳遞某些無效或是錯誤的信息.這種干擾極易引起PLC系統(tǒng)輸入或是輸出信號異常，降低測量的精確度，使PLC系統(tǒng)的可靠性降低.

2.4 來自接地系統(tǒng)混亂的干擾

對PLC控制系統(tǒng)采取接地措施可以有效的減少電磁干擾的影響，并且還可以避免設(shè)備向外界發(fā)出一定的干擾信息.但是，若是不小心采取了錯誤的接地方式，則會產(chǎn)生適得其反的效果，甚至還會使信號干擾更加嚴重.

2.5 來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾

PLC系統(tǒng)內(nèi)部有著各種各樣的元器件，這些元器件在工作時會產(chǎn)生大小不同的電磁輻射，而若是在PLC系統(tǒng)內(nèi)部并沒有進行很好的屏蔽，那么這些元器件就會在工作時互相影響，降低PLC系統(tǒng)的可靠性.

3 提高PLC 控制系統(tǒng)可靠性的措施

提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性需要從源頭開始，首先要分析降低PLC系統(tǒng)可靠性的因素，針對這些干擾因素制定相應(yīng)的措施.而形成干擾至少需要三個條件，一是能產(chǎn)生干擾信號的干擾源，二是能夠傳遞干擾的途徑，三是能夠感受到干擾的受體.因此，降低PLC系統(tǒng)受干擾的程度，提高PLC系統(tǒng)的可靠性就應(yīng)該從這三個方面著手.

3.1 電源的選擇

對于給PLC系統(tǒng)供電的電源，應(yīng)該盡量選用隔離效果較好的變壓器，或是在電源接入PLC系統(tǒng)之前增加一個隔離變壓器，以消除線圈間的耦合作用.在條件允許的情況下，可以把PLC系統(tǒng)中的控制器、中央處理器、輸入輸出等設(shè)備分別用不同的隔離變壓器與電源連接起來，降低電源對于PLC系統(tǒng)的干擾.

3.2 輸入輸出設(shè)備的抗干擾措施

輸入輸出設(shè)備的保護可以選用以下幾種方法：

（1）采用數(shù)字傳感器.模擬信號由于本身具有不穩(wěn)定性，較易受到外界環(huán)境干擾.而數(shù)字信號具有高保真的特性和優(yōu)秀的精確度，有著較強的抗干擾能力，因此被廣泛的應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中.PCL控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備也可以使用數(shù)字信號進行信息傳遞，對于提高PLC系統(tǒng)的抗干擾能力有著很大的幫助.

（2）對輸入輸出通道進行隔離.為了避免輸入輸出設(shè)備受到外界信號干擾，可以對PLC系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備采取一定的隔離措施.如使用隔離變壓器，扼流圈等設(shè)備，降低外界信號對于PLC系統(tǒng)內(nèi)部信號傳輸?shù)母蓴_.

（3）在PLC系統(tǒng)內(nèi)部程序設(shè)計時，增加數(shù)字濾波程序，使系統(tǒng)可以有選擇的采用輸入設(shè)備傳遞至中央處理器處的信號，并在應(yīng)用端可以有選擇的接受控制信號，提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性.

3.3 完善接地系統(tǒng)

完善PLC的接地系統(tǒng)是一個有效的防止干擾的方法，在進行接地時，應(yīng)注意以下兩點.

（1）地線系統(tǒng)合理布置.PLC系統(tǒng)接地線種類繁多，包括數(shù)字電路地線、模擬電路地線、電動機地線和機器外殼的地線等.而在安裝這些設(shè)備的地線時，應(yīng)該注意地線應(yīng)該分開布置，不能混成一團，以避免地線之間的互相干擾.

（2）PLC系統(tǒng)的接地線應(yīng)該盡量加粗，以減小接地阻抗，增強接地的抗干擾效果.

3.4 盡量使用成熟技術(shù)和高質(zhì)量元器件

在經(jīng)過早期故障期之后，PLC系統(tǒng)的程序故障已經(jīng)基本解決，此后大多數(shù)是由于元器件損壞而引起的故障.因此為了確保系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，應(yīng)該盡量選擇質(zhì)量較好、性能較優(yōu)的元器件.這樣既可以提高PLC系統(tǒng)的可靠性，還可以有效的延長PLC系統(tǒng)的工作時間.

3.5 設(shè)計故障檢測程序，提高系統(tǒng)工作可靠性

時間故障檢測法：時間故障檢測法是以時間為參數(shù)，監(jiān)測部件在運行過程中的實時狀態(tài).在監(jiān)測開始時，啟動已經(jīng)設(shè)置好的定時器，定時器設(shè)置的時間應(yīng)稍大于該部件完成某項工作所需的正常時間.若是該部件在時限內(nèi)完成工作，則表示該部件沒有故障；若是該部件沒有在時限內(nèi)完成工作，則表示該部件存在故障.

邏輯錯誤檢測法：PLC控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分是相互聯(lián)系的，它們通過中央處理器以及輸入輸出設(shè)備完成各個部件之間的協(xié)調(diào)工作.當PLC系統(tǒng)內(nèi)部沒有故障，可以正常工作時，其各個部件之間的邏輯關(guān)系也是正常的，若是系統(tǒng)內(nèi)部存在故障，那么PLC系統(tǒng)各個部件之間的邏輯關(guān)系也會出現(xiàn)錯誤.因此可以設(shè)計具有檢測邏輯關(guān)系功能的程序，預(yù)先加裝在用戶端，當通過邏輯檢測程序?qū)LC系統(tǒng)進行檢測，其邏輯關(guān)系顯示錯誤時，則表示PLC系統(tǒng)內(nèi)部存在故障.

4 結(jié)束語

PLC系統(tǒng)的開發(fā)和利用給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的便利，而在對其進行利用的同時，我們應(yīng)該更多的考慮到如何提高PLC系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.本文從分析影響PLC系統(tǒng)可靠性的各種干擾因素著手，探討減弱干擾因素影響的措施.在平時的工作中，我們也應(yīng)該細致觀察，在實踐中不斷思考，不斷摸索，不斷提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性.

〔1〕李長久.PLC 原理及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

〔2〕姚永紅.淺談提高PLC 控制系統(tǒng)的可靠性[J].四川水泥，2010(01).

〔3〕成蘭,胡獻民.礦用GEPON 在平煤集團四礦綜合信息監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2010(03).