PLC控制系统可靠性的软件设计

1、PLC变频器 计算机PLC控制系统可靠性的软件设计王茂凡1,赵中敏2(1.江苏邮通建设监理有限公司,210009;2.淮海工学院工程训练中心,222005摘要:制造商在生产PLC产品时已大量运用可靠性设计,但在应用设计和安装中若不使用一些必要的措施,系统将可能出现故障,尽管PLC控制系统可靠性的关键是硬件,但软件(程序的作用也很重要。文章从输入、输出程序、PLC通信程序的可靠性和PLC异常处理程序几个方面探讨了利用软件设计提高PLC控制系统可靠性的方法。关键词:PLC控制系统;可靠性;软件设计中图分类号:TM571.6+1 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(201006-0021-

2、03D esign of software for the reliability of PLC control syste mWANG M ao-fan1,Z HAO Zhong-m in2(1.C onstr uction Supervision Co.,L td.Jiangsu Post Link,210005;2.Eng i n eeri n g Tra i n i n g Center,H ua i h ai Institute of Technology,222005Ab stract:T he re li ability des i gn is w i dely used by

3、PLC m anu fact urers when produces PLC product,bu t if you don t'app l y the necessary a rtifice to t he app licati on design and insta llati on,the syste m m ay be occur fau lt,a lt hough the hard w are is the key o f reli ab ility o f PLC contro l sy stem,but the soft w are(progra m si s a l s

4、o very i m portance.In t h is artic l e,the m et hod ofi m prov i ng PLC contro l syste m re liab ility by t he so ft w are desi gn was discussed w hich a i m at the i nput and output process,thereliab ili ty o f PLC communicati on process and PLC fault handli ng etc.K ey w ords:PLC con tro l syste

5、m;re liab ili ty;so ft w are desi gn0 引言PLC控制系统可靠性是指PLC与其被控对象结合后组成的系统可靠性。PLC本身可靠不等于PLC 控制系统可靠。控制系统的可靠性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、安装运行等多个方面,总体上可分为硬件和软件两个方面。从硬件部分看,PLC控制系统中常见的干扰有空间辐射、信号通道、电源、数字电路等因素影响系统的可靠性。尽管PLC控制系统可靠性的关键是硬件,但软件(程序的作用也很重要。PLC提供了很多防止及检测故障的指令,在硬件出现故障时,能检测到故障并对故障进行报警,从而避免故障造成的不良后

6、果,甚至出现故障时还在继续工作,即利用PLC软件协助提高硬件可靠性。下面从软件(程序的角度探讨提高PLC控制系统可靠性的几种方法。1 PLC控制系统可靠性软件设计1.1 输入可靠性程序设计输入可靠性程序设计是利用程序来应对可能出现的输入异常、错误。在实际控制系统中大约有90%的错误是由输入错误引起的。输入出错常与输入元器件、接线及信号受干扰有关,如开关或继电器的机械触点接触不良或抖动;变送器不能正常工作或偏差大;传输信号线短路,现场信号无法传送给PLC;现场干扰严重,信号失真等。防止输入出错有很多处理办法,如防抖动、防输入脉冲丢失、数字滤波、防止非法输入、输入冗余与出错检测。1 1 1 防抖动

7、一般来说,PLC的输入信号端都接有滤波,以防触点抖动。滤波时间常数为m s级,通常输入信号作用在8m s以上,才算有了输入。这个值需根据实际情况对PLC进行设定。PLC 变频器 计算机PLC控制系统可靠性的软件设计机床电器2010 6图1是输入端防抖动的梯形图,采用软件延时300m s 去抖。在实际使用时,定时时间的长短可根据 触点抖动情况和系统要求的响应速度而定。图1 输入信号滤波梯形图1 12 防输入脉冲丢失采集脉冲量应避免丢失脉冲,可采取以下办法:a .用高速计数功能采集脉冲量,只要确保高速计数最高工作频率高于脉冲频率,就不会丢失脉冲;b .用定时中断及脉冲采集子程序采集脉冲量,只要确保

8、采集时间间隔小于脉冲频率的倒数,就不会丢失脉冲。1 1 3 数字滤波对于模拟信号可连续采样3次,采样间隔根据A /D 转换时间和该信号的变化频率而定,3个数据先后存放在不同的数据寄存器中,经过比较后取中间值或取平均值作为当前输入值。1 1 4 防止非法输入利用信号之间的关系判断信号是否非法,如左右2个行程开关绝对不可能两者同时处于ON 状态,如出现这种状态即为非法输入,应进行报警并禁止其起作用。1 1 5 输入冗余与出错检测传感器有检测逻辑量与模拟量两种。对传感器监控可采用冗余的办法,采用两个传感器,同时从两者读信号,然后作比较,看其是否一致。如不一致,超过允许时间,即说明其中之一必有错误。1

9、 2 输出可靠性程序设计输出错误也是PLC 控制系统常见的一种错误。虽然PLC 输入信号没有错,模拟量输入偏差也不大,PLC 处理后得出控制输出也正确,但如果PLC 输出控制的执行机构没有按要求动作,这些也会使系统出现错误。输出可靠性程序设计是用相应的程序去避免这些错误,或出现错误时还能确保系统安全。处理输出执行错误硬件的办法有很多,软件的方法有输出监控和避免错误输出。1 2 1 输出监控对执行元件监控有两种方法:一种是用!看门狗(W atching dog,另一种是用动作反应检测。这两种方法本质上是相同的,只是一个在给定的时间内看动作完成了没有,另一个不太考虑延时,只看动作执行了没有。!看门

10、狗的机理是启动一个动作后,如系统工作正常,经一定时间总会有反馈信号或转入下一步动作的信号。!看门狗实质上就是定时器,在启动一个动作的同时将其启动,若定时时间到时仍无反馈信号,即说明出现错误,可以进行报警或记录,并记录出错误的时间及动作,以备诊断。图2是输出监控的梯形图,从图2可知,Q 启动6.00动作的同时,把T I M 0002也启动,这里设定为10s 。若10s 内反馈信号D 到来,则不执行FAL 01指令,否则,执行FAL 指令并记录错误号。图2 输出监控梯形图1 2 2 避免错误输出有时,在特定的情况下,出现某种输出是不允许的。这时,可把这种输出视为误输出,在逻辑上予以禁止。如PLC

11、控制电梯,为防止发生!冲顶或蹲底事故,除了提高施工质量和元器件质量外,厂家利用PLC 中的定时器和继电器,借助PLC 的错误诊断功能,用程序实现保护,弥补接触器触点粘连、触头不能复位、电器元件误动作等不足,从而提高电梯的可靠性。1 3 PLC 通信可靠性程序设计随着通信技术的发展,PLC 与PLC 、个人计算机、可编程序终端、智能装置之间的可靠通信是由硬件保证的。由于通信分布广,易受到各种干扰,通信错误或出错也是难免的,所以通信程序错误也应能检测到以确保通信可靠。1 3 1 通信可靠性为保证通信可靠,可用数据校验或重复通信的方法:a .数据校验。为确保传送的数据准确无误,常在传送过程中进行相应

12、的校验,以便及时发现问题,避免不正确的数据被误用。常用的校验有位校验与帧校验;b .重复通信。重复通信一般为两个过程:写数据要得到!写成功的应答;读数据看是否得到数据及校验码是否正确。如O MRON 公司的H ost L ink 网,计算机床电器2010 6PLC 变频器 计算机 PLC 控制系统可靠性的软件设计机与PLC通信时,PLC总应有应答信号传送到计算机。如应答码为!00,说明PLC已正确执行了计算机指令,否则出错。1 32 通信安全性通信安全性主要指在通信过程中,数据的读写及节点间互操作时要有权限设定,不同的人应有不同的操作权限。如上位计算机对PLC的操作,系统管理员权限最高,可读写

13、PLC数据和操作PLC,工程师只能读写,操作员只能读不能写。1 4 PLC异常处理程序正如用VB、Delphi等编写计算机程序时对异常情况的处理一样,PLC也可采用异常处理程序用以应对PLC的各种异常情况及出错处理。1 4 1 掉电保护系统因掉电或干扰复位均属异常复位,应进行故障诊断并能自动恢复异常复位前的状态。复位或掉电通常有两种情况:一是电源恢复后不能继续工作。要求工作人员对系统初始化,启动后才能重新工作。在程序设计时应注意电源掉电后再恢复时不能使各工作部件工作的情况。实现方法是各个动作加自保持(一旦失电,不启动不能再得电以及做必要的联锁;二是电源恢复后继续依原来顺序工作。在这种情况下,最

14、好在掉电时能记录下掉电前的状态。当电源恢复后,对象仍可自动地按原顺序继续工作。这时就用到掉电保持的器件,如用保持继电器代替内部继电器,用计数器代替定时器,所设计的程序也要考虑到前后衔接。1 42 标志位的使用PLC有很多标志位,指令在不同的情况下执行时,有不同的取值。如P-ER出错标志,程序出错时,此位为ON;再如P-CY进位标志,加运算进位时为ON。还可使用其它标志位,监视指令是否正确执行,并根据监视情况作异常处理。1 4 3 错误报警在有些PLC控制系统中,使用了3级错误报警系统。1级设置在控制现场各控制柜面板上,用指示灯指示设备运行情况,当设备正常运行时对应指示灯亮,当设备运行有错误时指

15、示灯闪烁;2级错误一般显示在中心控制室的监视器上,当设备运行出现错误时,有文字显示错误类型,工艺流程图上对应的设备闪烁,历史事件表中将记录该错误;3级错误显示在中心控制室的信号箱内,当设备运行出现错误时,用声、光报警,提示工作人员及时处理错误。1 4 4 错误控制一旦系统出错,除了报警、记录,首先要考虑对出错或故障性质、严重程度的判断,一旦确认是严重故障,应有应急处理机制或程序能控制故障,以确保设备安全,特别是人身安全。1 4 5 状态记录PLC运行也可有自己的!黑匣子,即PLC的数据区。目前PLC的数据区已相当大。只要编写相应的PLC运行状态数据记录,就可把它存储在这个数据区中。这里所说的状

16、态不仅是故障,还有系统运行负荷情况以及在不同负荷下运行的时间系统的重要性能特征等。一旦PLC控制系统出现故障,可找出并分析这个记录。这对故障判断、定位,都将有很大的帮助。1 4 6 故障预测与预防设备维护的最好办法是故障预测与预防。用传感器不断监测设备的工作状态参数,并记入PLC的数据区。再由PLC实时判断,根据情况对可能的故障进行预测或提示维护或提示停机修理,以作必要的预防。1 4 7 故障或错误诊断故障或错误诊断是对已出现的故障或错误的定位与定性,为排除故障、纠正错误提供依据。可在计算机上建立故障或错误诊断知识库,运行系统监视与诊断程序。PLC在现场监视系统工作,实时监测系统状态,采集与存

17、储有关数据。必要时计算机与PLC联机通信,PLC把采集及存储的有关数据传送给计算机,计算机处理这些数据,并存入数据库。一旦系统出现故障,可根据知识库的规则及推理机制,对故障进行实时诊断。每次诊断后,还可丰富知识库的学习机制,修改知识库的有关规则,使知识库的功能不断增强。1 4 8 冗余配置在重要的使用场合,PLC冗余配置已用得越来越多,甚至还采用容错系统。冗余有电源冗余、CP U冗余、I/O冗余及网络冗余。冗余主要采用硬件处理,在软件上,如O MRON公司的PLC CPU冗余,其所编的程序与非冗余一样,虽然有2个CPU,但运行的程序完全相同。出现故障后系统自动完成CP U间的切换,无需人工干预

18、。2 结束语在工程实践中提高PLC控制系统的可靠性通常是几种方法并用,互相补充完善,才能取得较好的效果。从根本上来说,硬件的可靠性是(下转第27页PLC 变频器 计算机PLC控制系统可靠性的软件设计机床电器2010 6KT2线圈通电。KT2经延时后,KT2常开触点闭合,使KM2线圈通电吸合,KM2的主触点闭合,将电阻R2短接,电动机继续加速,同时K M2线圈的辅助常开触点闭合,使KT3线圈通电,KT3经延时后,其常开触点闭合,使KM3线圈通电吸合并自锁,电阻R3短接。至此,启动电阻全部被短接,于是电动机进入稳定运行状态,同时KM3的辅助常闭触点使KT1断电,依次使KM1、KM2、KT3失电。接

19、触器KM1、KM2、K M3的辅助常闭触点串接在KM线圈电路中,其目的是保证只有当上述接触器全部都在断电状态,即电动机必须在全部电阻接入的情况下,方能进行启动。2 绕线式异步电动机转子串电阻起动线路的PLC改造2 1 PLC选型根据设计要求、控制要求,选定PLC的型号为:EC -08M08R,它是由黄石科威公司生产的E系列PLC (与三菱FX2N系列兼容,拥有8路输入、8路(继电器输出,而本例实际只需要3路输入、6路输出,输出留有约1/3的余量,完全满足要求;拥有8K步的内存容量,而本例用户程序的容量估计在20步左右;并支持内置C ANbus、485、232通信功能,有利于与其它设备进行联网通信。2 2 I/O分配表(表1表1 PLC I/O分配表输入信号名称代号输入点编号过载保护热继电器FR X0停止按钮SB1X1启动按钮SB2X2输出信号名称代号输出点编号电源接触器K M Y0第一级切换接触器K M1Y1第二级切换接触器K