PLC控制系统可靠性设计

1、 课程论文 题 目 PLC控制系统可靠性设计 学 院 自动化与电气工程学院 专 业 自动化 班 级自0901 学 生 薛均荣 学 号 20090321277指导教师 任宏伟二一二年六月八日PLC 控制系统的可靠性设计济南大学 自动化0901 薛均荣 20090321277摘要：分析了PLC 控制系统在可靠性上存在的问题，主要从抗干扰和稳定性方面入手，利用硬件与软件相结合的方法，解决了一些PLC 系统中存在的稳定性问题。关键词：PLC ；抗干扰；可靠性；感性负载引言可编程控制器(PLC是以微处理器为基础，专业为工业而设计的, 操作方便的数字式电子装置。PLC 最初仅仅是为了替代继电器控制系统而存

2、在，随着科学技术的发展，它渐渐综合了计算机、自动控制、网络通信等技术，其功能远远超出了继电器系统的功能，在钢铁、化工、制造等领域得到了越来越广泛的应用，极大地促进了现代工业生产的自动化程度。而PLC 控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行, 而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。因此, 研究PLC 控制系统的工作环境、干扰的来源问题、以及如何确保其可靠性等问题尤其具有现实意义。非常方便。1.PLC 的工作环境简介1.1 温度由于是电子设备, 要求温度在一 , 因此安装时四周应通风, 开关柜上、下部应有通风的百叶窗。或加装电扇于柜门或柜顶。1.2 湿度为了保证的绝缘性

3、能, 空气的相对湿度一般小于。1.3 振动应使远离强烈的振动源。1.4 空气将安装在密闭性较好的控制室内, 并安装空气净化装置。1.5 电源可以加接带屏蔽层的隔离变压器或串接滤波电路。动力部分、控制部分、电源应分别配线, 隔离变压器与和与电源之间应采用双纹线连接, 并保证动力线足够粗。1.6 PLC的接地良好的接地是安全可靠运行的重要条件。应与其他设备分别使用自己的接地装置或采用公用接地方式, 但不能使用申联接地方式。接地线的截面积应大于澎, 接地点应尽量靠近。2. 干扰来源的分析2.1 来自信号线的干扰PLC 系统连接有各种信号线，这种信号线的连接方式根据梯形图的变化而不同，然而无论何种线路

4、，信号线之间的相互干扰以及信号线对于外界空间的电磁辐射感应是不可避免的，这种称之为电磁干扰。这种干扰会导致I/O口工作异常，从而影响工业测量的准确性，还会对仪器造成严重损害。2.2 来自电源的干扰电源是干扰进入可编程控制器的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。2.3 来自感性负载的干扰感性负载具有储能的作用，当控制触点断开时，电路中的感性负载会产生高于电源电压接近数十倍的反电动势，这种情况从外观是不容易觉察到的；触点吸合时，触点会发生抖动，从而产生电弧，电弧危害是一种非常严重的电气危害。2.4 来自接地情况的干扰在工业控制现场，电器设备频

5、繁启停，动力线路与控制线路结构紧密，这种情况存在严重的磁场干扰。这种干扰也是电磁干扰。3. 增强PLC 可靠性的设计方案PLC 的可靠性工程是一个系统的工程，要求在工业设计，安装布线，系统维护中都给予全面全方位的考虑，这样才能保证PLC 控制系统的可靠性。具体到设计可靠性方案时，我们首先应该从系统引线部分进行屏蔽，然后对电源系统的设计路线部分进行改造，分层布置，最后才是对感性负载的处理以及接地方案的准备。3.1 安装与布线的方案PLC 控制系统的布线应远离强干扰源，如大功率晶闸管、变频器和大型动力设备等，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设，以

6、防外界信号干扰。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，且避免并行。输入接线一般不要超过30m 。但是如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当延长。当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线时，可用继电器来隔离输入、输出线上的干扰。当信号线距离超过300m 时，应采用中间继电器来转接信号，或使用PLC 的远程I/O 模块。I/O线与电源线应分开走线，并保持一定距离。如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同电缆，如果I/O 线的长度超过300m 时，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量I/O 线应分开敷设，后者应采

7、用屏蔽线。如果模拟量输入/ 输出信号距离PLC 较远，应采用420mA 或010mA 的电流传输方式，而不是电压传输方式，因为电压传输方式非常容易受到干扰。3.2 电源和感性负载的处理对于电源的处理：在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在可编程序控制器的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应接地。PLC 供电系统一般采用以下几种方案;a.使用隔离变压器供电系统。本方案是传统的抗干扰措施, 对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。它抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗, 而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层

8、又阻隔了原、副边所产生的分布电容, 因此原边绕组只存在对屏蔽层的分布电容, 高频干扰通过这个分布电容而被旁路引入地。b.使用UPS 供电。UPS 是个人PC 上常用的有效保护装置，当输入交流电失电时，UPS 根据不同的容量能继续向PLC 控制器供电1030 分钟。采用UPS 供电不仅能提高PLC 的供电安全可靠性, 也能有较强的抗干扰隔离。c.采用电源滤波器滤除尖峰脉冲干扰。电源滤波器最基本的作用就是抑制传导干扰, 它既能防止PLC 电磁波的外泄, 又能避免受到外来辐射的干扰, 并能有效滤除尖峰脉冲。对感性负载的处理：PLC 控制系统在输入、输出端有感性负载时，对于交流输入、输出信号，应在负载

9、两端并联电容C 和电阻R ，而对于直流输入、输出信号，则要并接续二极管D ，二者的处理方法类似。对于交流输入、输出信号的情况如图1 所示。图1 电路中的C 、R 要选择合适的值，一般负载容量在10VA 以下的，选取C 为0.1uF ，R 为120；负载容量在10VA 以上时，选取C 为0.47uF ，R 为47。当PLC 输出驱动负载为电磁阀或交流接触器线圈时，在输出与负载元件之间增加继电器进行隔离，其抗干扰性则会更好。3.3 接地方案良好的接地是PLC 安全可靠运行的重要条件。常用的接地方式有浮地、直接接地和电容接地三种方式。PLC 控制系统属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号

10、电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，设备之间的信号交换频率一般都比较小，所以PLC 控制系统接地线大多采用并联一点接地方式，部件的中心接地点以单独的接地线引向接地极，由于是并联接地，各个电路的地电位只与自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰，故有效地克服了公共地线阻抗的藕合干扰问题。需要提出的是，在选择地线的时候还是应该选择较粗一点，以减小各点之间的电位差，接地线要采用横截面积大于2mm2 的铜导线，接地极的接地电阻小于100，接地极最好埋在距建筑物1015m 和远处，接地点必须与强电设备接地点相距10m 以上。4. 控制系统中漏电流和冲击电流的处理4.1漏电流的处理1）输入漏电

11、流及处理：当使用双线式传感器，如光电传感器、接近开关或带氖灯的限位开关等作为输入装置与PLC ( 连接时，由于这些元件在关断时有较大的漏电流，会引起输入信号错误接通。漏电流小于1.3mA, 时一般没有问题；如果大于1.3mA ，为防止信号错误接通的发生，可在PLC 的相应输入端并联一个泻放电阻，以降低输入阻抗，减少漏电流的影响。泻放电阻的阻值和功率-可按下式计算：W R w K R 3. 25431. 315. 17-式中：I 设备的漏电流，m A, R 泻放电阻值，K ；W 泻放电阻的功率，W 。2输出漏电流及处理：对晶体管或可控硅输出型PLC ，其输出接上负载后，由于输出漏电流会造成设备的

12、误动作。为了防止这种情况，可在输出负载两端并联旁路电阻，如图2。旁路电阻的电阻值，可由下式确定：I R ONU式中：ON U 负载开启电压，V ； R旁路电阻，K ；I 输出漏电流，m A。一般漏电流I 的大小：晶体管输出（DC 24V为0.1m A；可控硅输出，( AC 100V为2m A,( AC 200V为5m A.4.2冲击电流的处理PLC 内晶体管或双向可控硅8双向晶闸管9输出单元，一般能够承受10倍自身额定电流的浪涌电流。若连接象白炽灯等冲击电流大的负载时，必须考虑输出晶体管和双向可控硅安全性。使用反复通断电动机等冲击电流大的负载时，负载的冲击电流应小于冲击电流耐量值的50%。措施

13、有以下两种：1）串联法：在负载回路中串入限流电阻R 。但这样会降低负载的工作电流。2）并联法：允许平时有少量电流（约额定电流的1/3）经电源及电阻R 流过负载，限制启动电流的冲击幅度。5. 提高PLC 控制系统可靠性的有效措施有时候硬件措施不一定能完全消除干扰的影响，采用一定的软件措施加以配合，对提高PLC 控制系统的抗干扰能力和可靠性有很好的作用。主要从两个方面入手，首先是从故障的检测和诊断方面。考虑，可以用PLC 程序实现故障的自诊断和自处理。另一个方面是消除预知干扰。某些干扰是可以预知的，如PLC 的输出命令使执行机构（如大功率电动机、电磁铁）动作，在容易产生这些干扰的时间内，可以用软件

14、封锁PLC 的某些输入信号，在干扰易发期过去后，再取消封锁。5.1高可靠的硬件系统设计a 尽量使用成熟技术所谓“成熟技术”，是指所选用的PLC 和类似的系统设计，经历过一定的生产实践考验，设计人员对需使用的技术有经验或有掌握它的能力。一般来说，设计一个PLC 控制系统，使用的成熟技术要占到75以上。因为控制系统一旦投入运行，就难于找到机会，反复修改。b 采用高质量元器件输入信号元件、输出执行元件是影响PLC 控制系统可靠性的主要因素。因此，只有选择高质量的元器件，才能使系统达到高的可靠性要求。优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件。c 采取有效抗干扰措施在工

15、业控制现场，存在严重的电场和磁场干扰。为了抑制干扰，系统输入通道中常采用屏蔽线、双绞线。采用远离技术，将弱信号线远离强信号线敷设，尤其是远离动力线路，保持这些导线间的距离大于100mm 的安全距离，也是减小电场耦合干扰的措施之一。克服电场耦合干扰的另一个有效方法是屏蔽，将要屏蔽的导线放置在空心导体或者金属网内，即可不受外电场的影响。抑制磁场耦合干扰的办法是将干扰源屏蔽起来。采用远离技术，避免平行走线，也可减小磁场耦合干扰。5.2安全可靠的软件系统设计软件可靠性设计可归结为四个方面：避错设计、查错设计、改错设计和容错设计。正确地采用各种避错设计方法，可大幅度降低引人错误。由于错误不可能完全避免，

16、因此查错设计(使软件自动纠错 也是必需的。下面是实际设计时用到的一些技巧和方法。1 设计故障检测程序a 时间故障检测法控制系统工作循环各工步的运行一般都有严格的时间规定，以这些时间为参数，在要检测的工步动作开始的同时，起动一个定时器，监测其工作状态。定时器的设定值，为该工步动作所需要的最大可能时间。若动作在规定时间内完成，发出一个完成信号，使定时器清零，表明监控对象工作正常；否则，发出报警信号，停止正常工作循环程序。b. 逻辑错误检测法在PLC 控制系统工作正常时，各输入、输出信号和中间记忆装置之间存在确定的逻辑关系，一旦出现异常逻辑关系，必定是控制系统有故障。因此，可以预先编写一些常见故障的

17、异常逻辑程序，加进用户程序中。当这种逻辑关系实现状态为1时，必然是出现了相应的设备故障，即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，实现报警、停机等控制。2 屏蔽输入的误信号PLC 经常用来控制生产机械的运动，有些机械的运动速度均匀，运动行程与时间关系确切。以自动循环控制中某行程开关为例，在每一个循环中，它总是在同一时刻动作，发出信号。由于现场工作条件恶劣，实济南大学课程论文 际操作中可能因为振动等原因产生误信 号，使系统误动作。如果编程时，用两个内部定时器，限定 PLC 只 在该开关正常发信号的时间内采样，屏蔽掉其它时间内可能发出的误信 号，就可提高 PLC 输入信号的可靠性。 3关键部位应双

18、重保护 为了提高 PLC 控制系统的可靠性，对关键的故障，或者关键的部位 要在硬件和软件上设置双重保护。以某自动焊接机的燃烧供气系统控制 为例，对燃气(乙炔或丙烷的关火顺序(先关燃气，后关氧气不能颠倒， 否则可能回火，引起爆炸。通常氧气延时关断的时间由外接的时间继电 器 KT 来调定。 5.3 合理配置 PLC 及硬件和软件资源的冗余 在设计中、大型 PLC 控制系统时，可能要采取多种方式的冗余，以 确保系统运行可靠。另外双系统冗余，即中央处理器和全部输入输出、 组网通信完全冗余，有时也是必不可少的。对于设计的新系统，硬件和 软件资源不能占用耗尽，硬件上至少保留 15左右的冗余。在编制软件 时，同样要注意估计用户软件对 PLC 和计算机资源的需要与用量，尤其 是中间继电器、中间数据，如计数器、定时器的使用，要留有余地。程 序在调试运行后，难免还会提出修改、补充意见，有时甚至要重新编