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基于PLC 控制系统的可靠性分析研究

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  摘要: 本文主要论述了克服影响 PLC可靠性因素的措施,重点分析了一种普遍采用的冗余设计方法的可行性和有效性,并提出了一种更有效的冗余设计方案,为工业控制中 PLC可靠性设计提供了一定的依据。本文是个人的一些见解,可供同行参考借鉴。
   关键词: PLC控制系统; 可靠性设计; 冗余设计; 方案;
   前言
   可靠性是系统和产品的主要属性之一,是考虑到时间因素的产品质量,对于提高系统的有效性、降低寿命期费用和防止产品发生故障具有重要意义。影响系统可靠性的因素很多,因此,提高其可靠性的途径也很多。本文在此将从影响 PLC控制系统的外部因素和内部因素二方面进行探讨,给出相应的可靠性设计方案和重要的冗余设计技术。只要在实际工作中,善于观察,善于总结积累经验,就可以充分考虑到对PLC.的各种不利因素,在实际应用中采取适当措施;使控制系统可靠、安全地运行。
   一、 PLC 的可靠性设计分析研究
   外部原因主要包括温度、湿度、电源、空气、振动和冲击等因素。根据其各自特点,采取相对应的调整即能较好避免故障的发生。
   1、温度: PLC 的工作环境温度为 0~ 55℃ ,且不可急剧变化。由于温度的变化将直接影响 PLC元器件的可靠性和寿命,所以必须采取措施取制温度的上下限。当温度超过 55℃ 时,可通过将系统安装于通风好、有空调的控制室内,在柜中设置风扇、冷风机等措施。当温度低于 0℃ 时,可通过在柜中设置加热器,不切断控制电源等来改善。
   2、湿度: PLC 工作相对湿度为 30% ~ 85% ,湿度过大或过小可导致 PLC内部元件性能恶化、短路和静电感应损坏等不良后果。可采用以下对策: 盘柜设计成封闭型,电路板覆盖保护层,尽量避免人体接触感应等。
   3、电源: 多数外界干扰都是通过电源线进入 PLC的,所以电源的设计尤为重要。可以将动力部分、控制部分、PLC和 I/O电源分别配线,并将 PLC的电源用带屏蔽层的隔离变压器隔离。
   4、空气: PLC不可安装在有尘埃、导电粉末、有害气体、水分、有机溶剂、强碱性溶液的环境中,应将盘柜设置成密闭结构,以防止对系统可靠运行有影响的不清洁空气进入。
   5、振动和冲击: PLC 不能经受较大的震动和冲击,所以应该将 PLC设置在远离振源的场所,并安装防振橡皮等。
   二、 PLC 的冗余设计技术分析研究
   内部原因包括系统的偶然性故障和长时间使用后的性能老化,以及经过可靠性增长试验仍未能发现的软件和硬件缺陷等引起的故障。冗余设计技术主要针对系统可能出现的永久性、瞬间性和间歇性故障进行冗余设计。冗余技术即采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态,一旦系统出现故障,能自动切换,保持系统不间断地正常工作。
   1、软件冗余: 采用程序复执的方式,能有效地预防和处理瞬时故障。所谓复执,是指在系统出现瞬时故障时,重复执行故障的那一部分程序,这样系统不必停机,往往可以自动回复到原来正确的动作,这实际上是一种时间冗余方式。
   2、硬件冗余: 在没有冗余的 PLC 系统中,一旦发生故障,就会引起整个生产系统发生故障而不能正常工作。因此,没有冗余的 PLC系统可靠性最低。重要的生产系统必须有冗余,即在 PLC系统中并联若干 PLC系统,以便当其中一个 PLC系统发生故障时,整个生产系统能正常工作。硬件冗余有多种方式,常用的有:
   ①并联冗余: 只有当组成系统的所有单元都失效后,整个系统才会失效,这种系统称为并联系统。这种系统只要有一个单元不失效,整个系统就不会失效,所以是一种工作冗余。
   ②表决冗余: 如果组成系统的 n 个单元中,只要有个 k单元不失效,系统就不会失效,这种系统称 k /n表决系统。
   ③旁联冗余: 这种系统由 n 个单元组成,其中只有一个单元在工作,其余 n-1个处于等待状态,当工作元件失效时,通过失效检测装置及转换装置,使另一单元开始工作,单元逐个顶替工作,直到全部单元失效为止,因此是一种后备冗余。因此,从上面的分析可以得出,这种冗余设计是大幅度提高 PLC可靠性的有效措施。而且它在工业控制的实际应用中已经证明并联冗余设计是可行的、有效的。
   三、改进的冗余设计方案分析研究
   上述冗余设计是将系统的输入输出分别连接多台内容完全相同的 PLC,当一台 PLC出现故障时,可切换到另一台 PLC继续工作,保证了系统的正常运行,提高了系统的可靠性。但是由于冗余设备长期处于空闲状态,使得控制系统的成本大幅度地增加,因此其应用必然受到一定程度的限制。下面介绍一种新的冗余设计方法: 双重并联冗余设计。如:PLC1 和 PLC2同时并联工作,当错误检测器发现某一台输出不正常时,通过诊断逻辑起动停止开关,截断出错 PLC的输出,并由另一台 PLC接替出错 PLC的工作。本系统的优点是在并联通道的后部交叉设置了与门和或门,当两路都正常工作时,可以实现两台 PLC无空闲双重工作; 当有一路发生故障时,另一路通过与门和或门同时支持两路的输出。这一设计完全解决了并联冗余系统必须有一路或多路空闲的缺点,不仅提高了系统的可靠性,而且节约了系统的成本。
   四、 PLC控制系统的安全设计分析研究
   尽管PLC的运行是安全、可靠的,作为一个系统来说,稳定可靠仍然是不可忽视的问题.系统安全设计要充分利用PLC的特点,使PLC的运行能真正达到安全、可靠。一是,硬件保护。主要包括:联锁保护、限位保护和急停保护等。二是,软件保护。主要包括:联锁保护、限位保护、限时保护和自检保护等。PLC是利用存储程序进行控制,用存储的程序进行安装保护,也可以使其只执行正确的操作,而拒绝错误的命令。软件保护主要利用自检信息及时发现隐患,清除故障;也可针对工程的特点,自编诊断程序而排除故障,以确保PLC可靠、稳定、安全运行。
   五、 PLC控制系统可靠性的管理分析研究
   1、人的管理。随着科技的发展,自动化的科学含量不断的提高。这将对工作人员的素质提出更高的要求。工作人员不但要熟悉设备情况、检修、规划和设计等;而且还要懂得计算机以及具有一定技术水平。因此,必须从人员的培训力度、培训方式和培训内容等着手。不断提高工作人员的业务素质和思想素质,才能胜任其工作岗位。
   2、维护管理
   PLC控制系统的可靠性,其主要因素还是要做好后期的维护管理工作,维护设备主要部位:供电电源,外部环境、安装状态、电源(Ps)、中央处理单元(CPU)、信号模板(SM)及寿命元件输人、输出中间继电器等外围设备等。
   六、结束语
   PLC是专为工业生产环境设计的计算机控制设备,具有可靠性高、抗干扰能力强的特点,一般不需要采取特殊的措施,PLC就可直接应用于工业环境中。但工业控制现场条件多很恶劣,干扰强,同时还需考虑PLC自身的故障,因此必须注意诸多因素,以保证 PLC系统长期安全可靠地运行。以上就是个人的一些见解,供同行参考。
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