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摘要：对影响PLC控制系统可靠性原因进行了较深入的研究,详细阐述了设备选型、输入和输出端、安装与布线、电源供电以及在软件设计方面如何提高系统的可靠性，并提出了采用冗余技术来提高系统可靠运行的措施。实践证明这些措施的采用对提高系统的可靠性是行之有效的。
关键词：PLC；控制系统；可靠性；因素；
一、前言
由于可编程控制器PLC本身具有可靠性高、功能强、易于实现过程控制等优点,使得PLC在各种工业过程控制中得到广泛应用和迅猛发展。但是,由PLC组成的控制系统往往在应用中会产生一些可靠性方面的问题,因此,探讨如何提高PLC控制系统的可靠性,便成为当前人们亟待解决的重要课题。
二、影响PLC控制系统的可靠性的主要因素
1.设备选型不合理。抗恶劣环境条件(如强磁场、超高温、潮湿、强腐蚀、超低压等）而引起的干扰能力不强。
2.没有严格按照安装规程进行安装,如电源处理不当,接地系统不好,布线时未考虑强磁场干扰,网络设计不合理等。
3.软件设计不合理。
三、提高PLC控制系统的可靠性的主要措施
（一）在设备选型中应采取的措施
要提高整个控制系统的可靠性,必须先从设备选型设计入手,可归纳以下几个方面：
1、系统设计前的可靠性论证
系统设计前,必须对设计的PLC控制系统进行严格的可行性论证,以避免因对系统可行性、先进性和经济性缺乏科学的考察分析，而给系统设计带来隐患,最终导致系统工作的不可靠。对PLC控制系统的考察应侧重了解设备本身的功能、性能指标和它在应用时有无成熟的技术经验可供借鉴;对系统的技术难度及其投资、先进水平进行预估,以判断整个系统的可行性和价值。系统总设计水平的高低不仅直接关系到系统的成败,也关系到系统的可靠性。
2、系统设备选型设计
PLC多数是在复杂恶劣环境，如高温、潮湿、多尘、强腐蚀、强电磁、高频干扰等中工作,这不仅对PLC本身,而且对现场检测机构、供电设备等外围设备的可靠性，也提出严格的要求。在选择控制系统设备时要注意以下几点:
(1)要选择技术指标先进、质量优、环境适应性强和抗干扰能力强、可靠性好的机型,以保证PLC能在强干扰恶劣环境中长期可靠地运行。
(2)根据实际要求选择具有完善的输入、输出功能的模块,以使系统能灵活处理模拟量、数字量和脉冲量。
(3)具有完善的软件系统,以实现过程检测、执行、控制、报警以及图形画面显示打印等功能。
总之,除PLC应选用指标先进、软硬件系统性能完善、在国内有发展的机型外,为使整个系统可靠性得到提高,还应在总体设计上考虑外围设备。
（二）输入和输出端的可靠性设计措施
PLC内部用光电耦合器、输出模块中的小型继电器和光电可控硅等器件来实现对外部开关量信号的隔离,PLC的模拟量IO模块一般也采取了光电耦合的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之免受从外部窜入PLC的高电压的危害，因此一般没有必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。
如果PLC输入端的光电耦合器不能有效地抵抗干扰,可以用小型继电器来隔离易受的干扰,用长线引入PLC输入端的开关量信号。PLC输出模块内的小型继电器的触点很小,断弧能力很差。断开直流电路要求较大的继电器触点,接通同一直流电路可用较小的触点。选择外接的继电器时,应仔细分析是用PLC来控制接通还是断开外部回路。
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（三）电源的可靠性设计措施
电源是干扰进入PLC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。
如果PLC使用交流电源,在干扰较强或对可靠性要求很高的场合,可以在PLC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,提高高频共模干扰能力,屏蔽层应可靠地接地。
同时在规避电源干扰的前提下，为提高PLC控制系统工作可靠性，一般采用双路隔离的电源进行供电。可靠性要求高的场所，还可采用UPS（不间断电源）进行供电，保证PLC系统稳定运行。
（四）安装与布线的可靠性设计措施
开关量信号（如按钮、限位开关等提供的信号）一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般的电缆,信号传输距离较远时,可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高,有的通信电缆的信号频率很高(如上兆赫),一般应选用PLC生产厂家提供的专用电缆,在要求不高或信号频率较低时,也可以选用带屏蔽的双绞线电缆(如RS485通信线缆、以太网TCP/IP通信线缆等)。
传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。
PLC应远离强干扰源,如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内,在柜内PLC应远离动力线,二者之间的距离应大于200mm。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件,如继电器、接触器的线圈,应并联RC消弧电路。
（五）在软件设计中应采取的措施
PLC控制系统的可靠性除与硬件有关外,还与软件有关。在系统设计时,建立系统控制算法、控制模型是至关重要的。它的好坏,不仅直接关系到控制系统的控制精度,也关系到整个系统工作的稳定性,甚至成败。因此,采用较好的控制模型、算法,可使控制系统稳定性大大提高。我们采用了采样值数字滤波,用于滤除虚假干扰信号；采用不完全微分,防止控制过程产生震荡；采用选择性控制调解模式,驱使接近危险区域的被控量脱离危险界限,排除故障先兆,避免事故发生；采用Smith预估控制,对大滞后系统进行Smith补偿,克服常规PID调节难以适应的超调现象,均收到良好效果。因此,针对不同的控制对象,采用不同的或综合多种控制算法模式,是提高PLC控制系统精度和稳定性的一种有效手段。另外,还可通过设计较强的图形画面显示功能、事故出错诊断、报警功能等软件来提高控制系统的可靠性。
三、采用冗余技术来保证系统的可靠性
对于那些安全和产量等原因要求控制系统具有极高的可靠性和安全性的场合，如地铁、核电站、发电厂、化工生产、机械控制等，仅通过提高控制系统的硬件可靠性来达到设计要求是不可能的。因为PLC本身可靠性的提高具有一定限度，并且硬件可靠性的提高会使控制系统成本急剧增高，而使用冗余功能技术却能有效地解决上述问题。目前PLC的冗余系统一般采用双机热备系统。
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。对于重点检测信号点，在双机热备系统前提下，还可采用I/O接口单元的冗余，保证重要信号采集的可靠性。这种冗余系统的典型产品有AB罗克韦尔的CPU L61、施耐德公司的昆腾系列140CPU67160、西门子公司的S7-400等。
四、结束语
PLC控制系统所处的环境差异很大，其干扰源也各有不同。在实际的开发应用中，只要我们采用适当的措施，就能使安全、可靠地工作。
参考文献：
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[3] 何跃武. PLC控制系统的安全设计[J]. 自动化应用. 2011(02).
论文作者:金如刚
论文发表刊物:《基层建设》2016年8期
论文发表时间:2016/7/11
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