提高PLC控制系统可靠性的设计因素

1、 提高PL C 控制系统可靠性的设计因素段苏振陕西宝鸡中铁宝桥股份公司摘要:文章提出了PL C 在电控系统应用中的可靠性问题, 分析了电控系统的传统可靠性设计因素, 针对PL C 的特点, 详细阐述了电磁兼容性设计、软件抗干扰设计、安全性设计、耐环境设计和冗余设计在提高PL C 控制系统可靠性中的应用。关键词:PL C 电控系统可靠性设计The D esign Factors wh ich Exa lt Rel i Abstract :T h is fo r PL C app lied to electric contro l system , and analy 2ses the in th

2、e electric contro l system , and ai m s at the PL C characteristics , compatibility design , softw are anti 2disturbance design , safety design , bear the envi 2ronm and redundancy design in the app licati on w h ich exalt reliability of the PL C contro l system .Keywords :PL C electric contro l sys

3、tem reliability design1前言可编程序控制器(PL C 已被广泛地应用于各种各样的工业控制领域, 它是目前公认的可在工业环境使用的工业控制机。PL C 中采用了高集成度的微电子器件, 其可靠程度是使用机械触点的继电器所不能比拟的。由于PL C 控制系统多工作在工业现场的恶劣环境中, 再加上其自身的一些不同于传统继电器控制的特点, 如果不在PL C 控制系统的设计阶段就进行可靠性设计, 那么用于工业现场的可靠性就会大打折扣。因此, 我们有必要来研究提高PL C 控制系统可靠性的设计因素。提高电控系统可靠性的传统设计方法有以下几种。1 使用质量稳定、可靠性高, 并且有稳定货源的

4、元器件组装电控系统。2 尽量采用集成度高的组件, 以减少整机分散元件的个数、元器件之间的连线和焊点数, 从而大幅度降低整机的失效率。3 认真做好元器件安装使用前的筛选、老化处理, 及时淘汰处于早期失效的不合格产品。4 降额使用元器件。降额使用有利于减轻元器件的负载, 可降低其工作时的温升, 也可避免因瞬时过载造成的过流或过压冲击, 减少偶然失效事故的发生。PL C 控制系统是一种特殊的微机控制系统,它有其不同于传统继电器控制系统的特点, 即采用高灵敏度的微电子器件实现逻辑运算与弱电信号传输。因此, 要提高PL C 控制系统的可靠性, 单凭传统的电控系统可靠性设计方法尤嫌不足, 还要在PL C

5、控制系统的电磁兼容性设计、安全性设计、耐环境设计、冗余设计和软件抗干扰设计等方面进行完善设计, 从而实现PL C 控制系统在工业现场高可靠地安全运行。2电磁兼容性设计PL C 控制系统是一种特殊的微机控制系统,它以数字电子元件为主, 工作灵敏度高, 易于受到各种电磁干扰。微机系统受到干扰后, 轻则丢失存储器数据, 重则电控系统失控, 使系统进入预想不到的危险状态。虽然PL C 在设计、制造中已周密地完善了主机的抗干扰措施, 如滤波、屏蔽、隔离和接地, 使PL C 主机本身具有了足够的抗干扰能力, 但PL C 控制系统在进行外围电路设计及安54电气传动2003年第5期 装、配线工艺时, 仍需充分

6、重视整个PL C 控制系统的抗干扰能力。电磁干扰的形式多种多样, 但都是通过传导和辐射这两种耦合方式进入PL C 控制系统, 产生干扰。因此, 消除或减弱干扰的方法针对干扰形成的3项因素, 即干扰源、干扰途径和敏感电路, 可采取以下两方面的措施。1 消除或降低干扰源的强度。如果PL C 控制系统有变频器、晶闸管变流装置等强干扰源存在时, PL C 的安装应尽量远离它们。现在市场上出售的变频器大多采用不可控整流电源及PWM 脉宽调制技术, 致使变频器输出电流富含各种高次谐波。为了减少谐波污染造成的干扰, 可在变频器的输出回路安装噪声滤波器, 并且在变频器允许的情况下, 降低变频器的载波频率。为了

7、消除或减弱因电磁接触器、火花干扰, 电压抑制电路, 1998试时发现, PL C , 导致限位开关信号失效。改变屏蔽电缆接地点后不奏效, 后将变频器的载波频率由12kH z 降为2kH z , PL C 输入口的电磁干扰消失。在该电控系统3个月的试运行中发现, 变频器的CPU 存在偶然死机故障, 经在靠近变频器的接触器线圈两端并联浪涌电压抑制电路后, 死机故障消除。2 破坏干扰途径, 防止干扰侵入敏感电路。电磁干扰窜入PL C 控制系统的渠道主要有3条, 即空间电磁波辐射干扰; 过程通道干扰, 干扰通过PL C 的I O 回路进入; 供电系统干扰。一般情况下抑制辐射干扰和供电系统干扰的措施,

8、如屏蔽、隔离、接地和滤波等技术手段, PL C 生产厂家已在制造过程中予以解决, 因此PL C 控制系统在设计中应重点防止过程通道的干扰。过程通道是PL C 的I O 接口与其外围设备进行信息传输的路径, 长线传输引入的干扰是主要因素。为了保证长线传输的可靠性和实现对PL C 外部信号的隔离, PL C 装置已经在输入回路用光电耦合器、输出回路用小型继电器或光控晶闸管等器件来实现有效隔离。但为了在强电磁干扰环境中进一步减小过程通道中的干扰, 仍需采用双绞线、屏蔽电缆传输, 光纤通信和其他隔离手段。PL C 、变频器的输入信号线与动力线不论在电控柜内外均应分开走线, 且沿各自的线槽进行配线, 并

9、使二者之间保持尽可能大的距离。PL C 的开关量、模拟量I O 口线应分开敷设, 后者应采用屏蔽电缆传输。如果模拟量I O 信号线较长时, 应尽可能采用不易受干扰的420mA 电流传输方式。PL C 、变频器的弱电输入信号线距离过长而又与强电信号线并行走线当这种情况不可避免时, PL C 、变频器就容易受各种电磁干扰而产生误动作, 这时就需要对弱电信号传输线进行有效的屏蔽。弱电压、电流(05V , 420mA 信号线, 的绞合线, 图13a , 而输入电路接地, 则。图1b 所示为信号源接, 而输入电路浮地, 则屏蔽层在信号源端接地。图1c 所示为信号源和输入电路均接地, 则屏蔽层两端都接地

10、。图1传输线屏蔽体接地方法当PL C 的输入信号线长度超过300m 时, 应采用中间继电器来转换信号, 或使用PL C 的远程I O 单元。因为电磁干扰的大小与传输线的长度成正比, 当传输线过长时, 强电干扰在PL C 的输入口传输线上产生的感应电压和电流足以使其输入单元隔离用的光电耦合器中有“ON ”状态电流流过, 从而使光电耦合器的隔离作用失效。一般光电耦合器的“ON ”状态电流最小仅为4mA , 而小型继电器线圈的吸合电流大多为数十mA , 即使强烈的电磁干扰也不会使小型继电器吸合。3抗干扰的软件措施有时采取硬件抗干扰措施收效甚微时, 就还要用PL C 的软件抗干扰技术来加以配合, 而且

11、它能充分发挥PL C 的存储和高速运算与逻辑判断功能, 在成本增加不多的情况下取得很好的抗干扰效果。通常软件抗干扰技术的实现方法有以下几种。1 对于PL C 的开关量输入信号, 可以采用软件延时20m s , 对同一信号作多次读入, 结果一致才确认输入有效, 这样就可以消除偶发干扰对64电气传动2003年第5期 PL C 控制系统的干扰。2 对PL C 的模拟量输入信号, 为了消除工业现场瞬时干扰对它的影响, 可以采取软件的数字滤波技术。常用的方法有以下几种。算术平均值法。对一点数据连续采样多次, 计算其平均值, 以其平均值作为该点的采样结果。这种方法适用于对一般的具有随机干扰信号的滤波。防脉

12、冲干扰平均值法。这种方法是:先对平均值法的N 个数据进行比较, 去掉其中的最大值和最小值, 然后计算余下的N -2个数据的算术平均值。这样既可以滤除脉冲干扰, 又可以滤去小的随机干扰。中值法。根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况, 对一个采样点连续采集多个信号, 并对这些采样值进行比较, 结果。件完成RC , 用软件方法代替硬件RC 用软件滤波技术消除或减弱干扰信号的影响, 可以在成本增加很小的情况下获得满意的效果, 但必须根据采集信号的类型选用合适的数字滤波方法。4耐环境设计4. 1防振设计关于耐振性因机种而不同, 电控设备设置场所的振动加速度应限制在5m s 2以内。振动超过容许值而加在P

13、L C 电控系统上, 将产生结构件紧固部分的松动、接线材料机械疲劳而引起的折损、PL C 主控印制电路板上焊接元器件的脱焊以及继电器、接触器等有可动部分的控制器件误动作, 往往导致整个PL C 电控系统不能稳定运行。在PL C 电控系统的设置场所振动超过容许值时, 应在振源侧加装隔振器或变更设置场所来减小周围振源对它的影响。具体内容见参考文献1。4. 2防潮、防尘设计PL C 周围环境的相对湿度推荐为35%85%, 环境湿度过高常发生电控装置的电气绝缘劣化和金属部分的腐蚀。如果受设置场所制约,PL C 电控装置不得已放置在高湿、多尘场所, 可采用以下技术措施进行防潮、防尘设计。1 采用化学干燥

14、剂排除电控柜内部的潮湿空气, 通常以硅胶作为干燥剂。硅胶能够吸收周围空气中的水分, 其饱和吸水量为自身重量的40%。使用硅胶时, 要用量充分, 放置均匀, 以保证在电控柜内部保持一个均匀的低湿环境。2 为了防止PL C 、变频器等停止运行时的结露, 可设计专用的空间对流加热器, 利用其热量提高环境温度, 从而使电控柜内空气的相对湿度保持一个较低值。PL C 电控系统运行时, 切断加热器回路。3 电控柜下方要有进气孔, 上方要有排气孔, 进排气孔要装上金属丝网以避免灰尘和异物进入柜内, 防止液体滴入。, (特别是铁 。电控柜上方, , 使。. 3散热设计PL C 使用的环境温度容许值为045,

15、一般的电气室内使用没问题。PL C 属小发热量装置, 单独应用时, 其自然散热不成问题。但工业现场使用的PL C 控制系统大多还有大容量接触器、变压器、变频器或其它大功率变流装置, 这些均属大发热量装置, 如不考虑整个控制系统的散热, 势必造成PL C 及其它对温度敏感变流装置的环境温度超过容许值。不能把PL C 的环境温度限制在其容许值以下时, 要采用下述方法降低环境温度, 使它在容许温度内。1 由工程经验公式可知, 要降低电控柜内的温升, 则需要加大配电柜的尺寸, 或者增加配电柜内的换气风量。加大配电柜尺寸的方法不经济, 故一般情况下采用增加冷却风扇换气量的方法。在电控柜内安装冷却风扇时,

16、 应让大发热量器件尽量靠近冷空气进风口, 提高散热效率, 而且尽量避免将PL C 安装在热源的上方。2 因PL C 控制系统大发热器件导致设置场所的温度异常升高时, 可采用装设通风换气设备, 把电控柜的热量排到室外, 或者设置冷房装置强制降低设置场所的环境温度。5安全性设计1 急停按钮应直接控制执行元件。急停按钮的设置是为了处置重大设备或人身事故而采取的紧急停机措施, 它应直接作用于总电源的控制器件(空气开关的跳阐线圈、总电源接触器等 。如果74电气传动2003年第5期 急停信号通过PL C 程序处理, 不但占用其I O 点数, 而且不利于迅速可靠地处理安全事故。2 重要的开关量信号输入PL

17、C 处理时, 应接入相应器件的常闭触点。一些设计人员在处理诸如工作状态的停止按钮、运动机械的极限行程开关、过流保护用的继电器、电机过载保护用的热继电器等重要的开关量信号时, 由于习惯于梯形图编程, 往往使用它们的常开触点作为PL C 的输入信号。分析可知, 这些重要的开关器件一般不会动作, 若输入线路松脱, 一旦紧急情况发生, 这些保护器件的动作信号就不能送入PL C , 从而导致保护作用失效。所以, 重要的开关量信号均应按其相应器件的常闭接法作为PL C 的输入信号, 一旦线路松脱, PL C 就会立即停止相应的动作, 从而确保在这些保护器件发讯时, PL C 即时作出反映。3 PL C 的

18、输出回路应有短路保护措施PL C , 所以为了确保PL 。4 PL C 输入、输出口的漏电流处理, 可采取如下措施。当使用双线式传感器(光电传感器、接近开关、带L ED 的限位开关等 时, PL C 输入口可能由于它们的漏电流而误置为“ON ”。当它们的漏电流小于1. 3mA 时, 不会有问题; 如果漏电流大于1. 3mA , 则必须如图2所示, 在PL C 的输入端并接一个旁路电阻R , 减小输入单元的输入电阻。对于标准I O 单元, 可按下式计算旁路电阻的阻值和功率R 7. 2(2. 4I -3 (k 8 W 2. 3 R (W 式中:I 为输入元件的漏电流, mA 。图2PL C 输入端

19、并接旁路电阻图3输出负载两端并接旁路电阻双向晶闸管输出单元驱动小电流负载时, 双向晶闸管的漏电流可能会造成负载无法断开的现象。为了避免这种情况发生, 应在输出负载两端并接一个旁路电阻, 如图3所示。5 PL C 输出回路应有负载装置本身的电气互锁。当PL C 控制诸如电机正反转那样的可逆性转换操作时, 虽然PL C 程序处理时可加入软件互锁, 但是如果输出模块的输出元件失控(如继电器触点粘连、晶闸管击穿 或误动作, 将会造成软件互锁失效, 所以有必要在PL C 的输出回路加入负载装置本身的机械触点互锁, 以进一步增加安全性。6 PL C 输出模块浪涌电流限制。PL C 的输出元件继电器、晶体管

20、和晶闸管等能够承受10倍额定电流的浪涌电流, 但当大浪涌电流负载, 如白炽灯和整流电源等容性负载, 它们的浪涌电流超过容许值时, 应按图4所示, 行限流 。图4在负载回路串入电阻保护输出单元的另一种方法是:当输出为O FF 时, 在负载上流过小电流(1 3额定电流 , 以使浪涌电流大幅度减小, 如图 5所示。图5PL C 输出O FF 时, 负载上流过小电流7 PL C 输入、输出单元感性负载浪涌电压抑制。感性负载具有储能的作用, 当控制它的触点断开时, 电路中的感性负载两端会产生高于电源电压数倍的反电势; 当控制它的触点闭合时, 会因触点的跳动产生电弧, 它们均严重影响PL C 控制系统的安

21、全运行。当PL C 的输入、输出口连接有感性负载时, 应在感性负载的两端并联浪涌电压抑制电路。工业现场常用的几种浪涌电压抑制电路的接线原理图、适用范围及其元器件参数计算与选择, 请参阅表1。应当说明, 所有的感性负载浪涌电压抑制电路都会使感性负载断开时变化缓慢。因此当负载是继电器线圈、电磁阀线圈时, 将会使负载继电器、电磁阀的转换时间延长。表1中所列举的4种浪涌电压抑制电路对感性负载的释放转换时间影响从大到小依次是:二极管RC 阻容吸收压敏电阻稳压二极管二极管。8 继电器输出模块的实际负载并非从零到额定负载能力之间, 而是有它的下限负载能力。因为, 如果流过继电器触点的电流太小, 就不足以击穿

22、触点表面的绝缘薄膜, 接触电阻大而不稳定, 反而使可靠性大为降低。例如, OM RON 对C 200H84电气传动2003年第5期 中的继电器输出模块的下限负载能力定义为直流5V 、10mA 。由此可见, 继电器的触点电流并非越小越好。9 PL C 的24V 各类传感器供电, PL 故。PL C 24V 直流电源单独供电。10 用户程序的保护措施。PL C 的用户程序大多存放在用锂电池做后备电源的RAM 中。一般情况下这种存储方式是安全的, 但在强烈干扰环境中使用或者后备电池发生问题时, RAM 中的用户程序也有可能被改写或丢失。对可靠性要求特别高的系统, 可以在用户程序调试好后, 将它通过E

23、PROM 写入器写入无须断电后用电池保护的EPROM 中。EPROM 的优点是一片芯片可以多次使用, 但缺点是无论写入还是擦除均需专用设备, 这对工业现场应用是很不方便的。而E 2PROM 在这方面有很大的优越性。它不仅可以在原系统中像RAM 一样进行读写操作, 重复写入寿命达万次以上, 而且系统断电后, 其储存的信息又可长期保存, 像一块不怕断电的RAM , 使用起来十分方便。因此, 在要求高可靠性的电控系统中, E 2PROM 的应用日益广泛。在PL C 电控系统运行时, 应对E 2PROM 加上写保护, 以防止它被干扰脉冲改写数据。6冗余设计对于那些由于安全和产量的原因要求控制系统具有极

24、高的可靠性和安全性的场合, 如核电站、发电厂、化工生产、高炉控制、航天器等, 仅通过提PL C , , 问题。目前PL C 的冗余系统有两种形式, 一是双机热备系统, 二是表决式系统。双机热备系统是2个完全相同的CPU 同时参与运算的模式。一个CPU 进行控制, 而另一个CPU 虽然参与运算但处于后备状态。如果执行控制功能的CPU 检测到故障并停止工作, 则处于热备状态的CPU 立即自动接管, 并承担起对整个系统的控制功能。出现故障的CPU 模块则可以卸下进行修理或更换, 而不影响系统的运行。这种冗余系统的典型产品有立石公司的C 2000H 、CVM 1D , 三菱公司的Q 4A RCPU 等

25、。表决式冗余系统的原理框图如图6所示。在该系统中, 3个CPU 同时接受外部数据输入, 而对外部输出的控制, 则由2 3表决模块依据3个CPU 的并行输出状态表决决定。这种系统的典型产品为三菱公司的A 3V T S 系统 。图6A 3V T S 冗余系统原理框图7结束语随着计算机技术在电气控制领域的进一步发展, PL C 控制系统的性能也不断提高, 功能日益强大, 同时对于其工作可靠性的要求也越来越高。本(下转第52页94电气传动2003年第5期电气传动2003 年第 5 期 K2 1 K1 1 2 (K 1 K s+ K 3 X 2 + L 1 (v e - v s + 2 L 1 (v e

26、 - v s + S 2 E 2 2L 2S 3 E 3 L K 1 (v e - v s 1 K 1 K2 (v e - v s + 2 (v e - v s 2 6L S 2 E 2 S 1 E 1 2L L X 3 两者之间的变化关系曲线如图 4 所示。 图 4x 变化曲线 为了在 PL C 中实现按图 4 所示的位移补偿 规律进行控制, 同时也为了避免在 PL C 中进行复 杂的逻辑运算, 我们采用分段法, 并在每一段, 把 曲线按近似线性关系处理。 21312速度协调性研究 系统运行时, 由于浮卷轴的直径是不断变化 的, 因而, 电机的供电电源频率不仅与浮卷轴外缘 的线速度有关, 而

27、且还与其直径有关。 速度同步性研究就是要在变直径系统中研究 用 PL C 实现速度同步控制的控制模型, 达到在保 证位移协调的前提下, 动态控制浮卷轴电机的供 电频率, 使其外缘的线速度跟随卷筒外缘牵引绳 速度的变化。 浮卷轴外缘线速度和其转速之间的关系为 v = ( F 60 i n D 参考文献 转速和频率之间的关系为 n = ( 60f P ( 1- s 由上两式可得 df = (f v dv 上式给出了由浮卷轴电机现有频率 f 、 浮卷 ( 上接第 49 页 文通过对传统的电控系统可靠性设计方法和针对 电磁兼容性设 PL C 控制系统提出的耐环境设计、 计、 软件抗干扰设计、 安全性设计、 冗余设计等可 靠性设计方法的研讨, 为 PL C 在电气控制领域高 可 靠、 安 全 地 应 用, 提 供 了 一 些 有 益 的 技 术 更 方案。 1 邓召义, 姚振甫 1 实用电子机械设计技术手册