PLC控制系统的可靠性研究分析

　　引言

　　福建三安钢铁公司的工程自动化系统采用SIEMENS S7—400PLC系统，由PLC做为控制站，工业型计算机做为操作站构成分布式结构，满足原料场、烧结厂、高炉、转炉及连铸等控制需求。如果环境恶劣，干扰强烈或安装使用不当，维护不到位，保护程序考虑不周等，都不能保证PLC正常、可靠、安全地运行。因此。讨论如何提高PLC控制系统可靠性问题十分重要。

　　1 主要技术性能及技术要求

　　(1)西门子S7—400控制系统要求设备工作环境温度20-25℃，防震、防尘、防电磁干扰，相对湿度20%-70%无冷凝;一个基架上模板的安排原则是：能够插入的模板数，受它们从超级背板总线取得的电流值的限制(具体参见各模板的技术要求)。

　　(2)多个机架配置的S7—400模板安排原则。接口模板总是位于3号槽，第1个信号模板的左边。每个机架上不应超过8个槽板，模板总是位于接口模板的左边。能插入的模板数受S7—400背板总线允许提供电流的限制，每1排或每1机架

　　总是电流耗量不能超过1.2 A。

　　(3)CPU工作时可选的电源：200—240 VAC、24 VDC。

　　(4)选用电源模板总电量不能低于或等于输入、输出单元的电流总耗量。

　　(5)CPU模板有后备电池，起防电程序丢失的功能。

　　(6)系统应单独接地，接地电阻R≤4 n。

　　2 影响PLC控制系统可靠性的主要因素

　　PLC控制系统的可靠性直接关系到整个生产效率和安全，不论是硬件、还是软件或者外围设备，只要其中某一环节出问题都将导致停产。因而它是讨论技术要求的首要因素。图1为分析PLC控制系统故障图。

　　由图1可见，只有5%的故障发生在可编程控制器中，这说明可编程控制器本身的可靠性远高于外部设备的可靠性，90%的故障发生在I/O模板中，只有10%的故障发生在控制器中。说明发生在可编程控制器CPU、存储器、系统总线和电源中的故障只占系统总故障的0.5%，而发生在I/O模板中的故障也只占系统全部故障的4.5%。分析可见，通常，在实际应用中往往从以下几方面来考虑。

　　

　(1)要注意外部设备的选择，缩短大量的维修时间。

　　(2)数据和程序的保护。大部分PLC控制系统都采用锂电池支持的RAM来存储用户的应用程序，一般一支电池的寿命为5年左右，用完后应用程序将全部丢失。因此一些重要的地方常采用存储卡来存储用户的应用程序。将程序及技术资料作为存档保存起来。以防后备使用。

　　(3)安装与布线要采取一定的抗干扰措施。一般PLC电源都采用带屏蔽层1：1隔离变压器供电，在有较强干扰源的环境中使用时，应将屏蔽层和PLC浮地端子接地，接地线面积不能小于2mm2。接地线要采取独立的方式，不能用与其它设备串联方式接地。PLC电源线，I/O电源线，输入、输出信号线，交、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应该分开布线，后者应用屏蔽线，并且将屏蔽层可靠接地等等。

　　3 提高PLC控制系统可靠性的方法

　　3.1 重视安装

　　提高PLC控制系统可靠性是一项长期、持久的工作。首先，施工和安装是非常重要的环节，必须严格把关，这样可减少投产故障率。其次，要保证检修质量，特别是技改线路改动和系统改造，是目前的当务之急。否则，几年的系统改造后，大量线路的更换，线号丢失及程序变更，该记录备份的没有做记录等。致使维护工作量加大，可靠性得不到保证。这一项是人们极易疏忽的，必需引起高度重视。

　　3.2 老化筛选法

　　通常我们用“老化筛选”的方法，就是结束“早期”，延长“偶然期”，“损耗期”及时更换来提高PLC系统的可靠性。该方法主要用于不可修复元件。PLC控制系统的失效率是与时间有关。我们将设备元件的故障率y(t)随时间变化划分为三个时期进行分析，如图2所示。这种变化曲线通常称故障率曲线也称为浴盆曲线。

　　

 

　　从图2可以看出：

　　(1)早期故障较高(O～t0期间)。主要是由于系统内在设计错误、元器件质量、安装和工艺缺陷等不合理原因引起，但随时间的增加故障率迅速降低。这一时期的主要任务是尽早找出不可靠的因素使系统尽快稳定下来。

　　(2)偶然期故障期(t0～t1期间)比较稳定，也可称为随机故障期。此时期故障是随机发生的，系统的故障率最低而且稳定，可视为常数。这一时期是系统的最佳状态期，在运行中应以加强维护延长这段时期的时间，应做好定期检修和维护工作。

　　(3)损耗期(t1之后)故障率上升，这是因为常时间以来构成系统的某些零件已经老化耗损，寿命衰竭机械和电气磨损以及绝缘的老化所引起。在这段时期中大部分元件要开始失效。如能事先知道损耗开始的时间，事先更换元器件，延长系统的有效寿命。推迟耗损故障期的到来。

　　4 PLC控制系统的安全设计方法

　　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。

　　(1)硬件保护。主要包括：联锁保护、限位保护和急停保护等。

　　(2)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。

　　5 PLC控制系统可靠性的管理

　　5.1 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。

5.2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。

　　6 结束语

        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。