PLC自動控制系統(tǒng)可靠性研究

1、引言

可編程控制器由于抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，編程簡單，性能價格比高，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛應(yīng)用。

工業(yè)年月機(jī)作為中央控制單元，配有組態(tài)軟件，選用大屏幕實(shí)時監(jiān)視界面，實(shí)現(xiàn)各控制點(diǎn)的動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)修改、故障診斷、自動報警，還可顯示查詢歷史事件記錄，系統(tǒng)各主要部件累計運(yùn)行時間，各裝置工藝流程圖，各裝置結(jié)構(gòu)圖等。中央控制單元和下位機(jī)PLC之間采用串行通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通常距離在1000m以內(nèi)選用485雙絞線通訊方式，較常距離可選用光纖通訊，更長距離也可選用無線通訊方式。下位機(jī)選用PLC控制，根據(jù)控制對象的多少，控制對象的范圍，可選用一臺或多臺PLC進(jìn)行控制，PLC之間數(shù)據(jù)交換是利用內(nèi)部鏈接寄存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。由于PLC對現(xiàn)場進(jìn)實(shí)時監(jiān)控具有很高的可靠性，且編程簡單、靈活，因此越來越受到人們重視。

2、控制系統(tǒng)可靠性降低的主要原因

雖然工業(yè)控制機(jī)和可編程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果輸入給PLC的開關(guān)量信號出現(xiàn)錯誤，模擬量信號出現(xiàn)較大偏差，PLC輸出口控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有按要求動作，這些都可能使控制過程出錯，造成無法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。

影響現(xiàn)場輸入給PLC信號出錯的主要原因有：

1）造成傳輸信號線短路或斷路（由于機(jī)械拉扯，線路自身老化，特別是鼠害），當(dāng)傳輸信號線出故障時，現(xiàn)場信號無法傳送給PLC，造成控制出錯；

2）機(jī)械觸點(diǎn)抖動，現(xiàn)場觸點(diǎn)雖然只閉合一次，PLC卻認(rèn)為閉合了多次，雖然硬件加了濾波電路，軟件增加微分指令，但由于PLC掃描周期太短，仍可能在計數(shù)、累加、移位等指令中出錯，出現(xiàn)錯誤控制結(jié)果；

3）現(xiàn)場變送器，機(jī)械開關(guān)自身出故障，如觸點(diǎn)接觸不良，變送器反映現(xiàn)場非電量偏差較大或不能正常工作等，這些故障同樣會使控制系統(tǒng)不能正常工作。

影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)出錯的主要原因有：

1）控制負(fù)載的接觸不能可靠動作，雖然PLC發(fā)出了動作指令，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)并沒按要求動作；

2）控制變頻器起動，由于變頻器自身故障，變頻器所帶電機(jī)并沒按要求工作；

3）各種電動閥、電磁閥該開的沒能打開，該關(guān)的沒能關(guān)到位，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒能按PLC的控制要求動作，使系統(tǒng)無法正常工作，降低了系統(tǒng)可靠性。要提高整個控制系統(tǒng)的可靠性，必須提高輸入信號的可靠性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的準(zhǔn)確性，否則PLC應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)問題，用聲光等報警辦法提示給操作人員，盡快排除故障，讓系統(tǒng)安全、可靠、正確地工作。

3、設(shè)計完善的故障報警系統(tǒng)

在自動控制系統(tǒng)的設(shè)計中我們設(shè)計了3級故障顯示報警系統(tǒng)，1級設(shè)置在控制現(xiàn)場各控制柜面板，用指示燈指示設(shè)備正常運(yùn)行和故障情況，當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時對應(yīng)指示燈亮，當(dāng)該設(shè)備運(yùn)行有故障時指示燈以1Hz的頻率閃爍。為防止指示燈燈泡損壞不能正確反映設(shè)備工作情況，專門設(shè)置了故障復(fù)位/燈測試按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行任何時間持續(xù)按該按鈕3s，所有指示燈應(yīng)全部點(diǎn)亮，如果這時有指示等不亮說明該指示燈已壞，應(yīng)立即更換，改按鈕復(fù)位后指示燈仍按原工作狀態(tài)顯示設(shè)備工作狀態(tài)。2級故障顯示設(shè)置在中心控制室大屏幕監(jiān)視器上，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，有文字顯示故障類型，工藝流程圖上對應(yīng)的設(shè)備閃爍，歷史事件表中將記錄該故障。3級故障顯示設(shè)置在中心控制室信號箱內(nèi)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，信號箱將用聲、光報警方式提示工作人員，及時處理故障。在處理故障時，又將故障進(jìn)行分類，有些故障是要求系統(tǒng)停止運(yùn)行的，但有些故障對系統(tǒng)工作影響不大，系統(tǒng)可帶故障運(yùn)行，故障可在運(yùn)行中排除，這樣就大大減少整個系統(tǒng)停止運(yùn)行時間，提高系統(tǒng)可靠性運(yùn)行水平。

4、輸入信號可靠性研究

要提高現(xiàn)場輸入給PLC信號的可靠性，首先要選擇可靠性較高的變送器和各種開關(guān)，防止各種原因引起傳送信號線短路、斷路或接觸不良。其次在程序設(shè)計時增加數(shù)字濾波程序，增加輸入信號的可信性。

在現(xiàn)場輸入觸點(diǎn)后加一定時器，定時時間根據(jù)觸點(diǎn)抖動情況和系統(tǒng)要的響應(yīng)速度確定，一般在幾十ms，這樣可保證觸點(diǎn)確實(shí)穩(wěn)定閉合后，才有其它響應(yīng)。模擬信號濾波可采用圖2b 程序設(shè)計方法，對現(xiàn)場模擬信號連續(xù)采樣3次，采樣間隔由A/D轉(zhuǎn)換速度和該模擬信號變化速率決定。3次采樣數(shù)據(jù)分別存放在數(shù)據(jù)寄存器DT10、DT11、DT12中，當(dāng)最后1次采樣結(jié)束后利用數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)交換指令、數(shù)據(jù)段比較指令去掉最大和最小值，保留中間值作為本次采樣結(jié)果存放在數(shù)據(jù)寄存器DT0中。

提高讀入PLC現(xiàn)場信號的可靠性還可利用控制系統(tǒng)自身特點(diǎn)，利用信號之間關(guān)系來判斷信號的可信程度。如進(jìn)行液位控制，由于儲罐的尺寸是已知的，進(jìn)液或出液的閥門開度和壓力是已知的，在一定時間里罐內(nèi)液體變化高度大約在什么范圍是知道的，如果這時液位計送給PLC的數(shù)據(jù)和估算液位高度相差較大，判斷可能是液位計故障，通過故障報警系統(tǒng)通知操作人員檢查該液位計。又如各儲罐有上下液位極限保護(hù)，當(dāng)開關(guān)動作時發(fā)出信號給PLC，這個信號是否真實(shí)可靠，在程序設(shè)計時我們將這信號和該罐液位計信號對比，如果液位計讀數(shù)也在極限位置，說明該信號是真實(shí)的；如果液位計讀數(shù)不在極限位置，判斷可能是液位極限開關(guān)故障或傳送信號線路故障，同樣通過報警系統(tǒng)通知操作人員處理該故障。由于在程序設(shè)計時采用了上述方法，大大提高了輸入信號的可靠。

5、執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性研究

當(dāng)現(xiàn)場的信號準(zhǔn)確地輸入給PLC后，PLC執(zhí)行程序，將結(jié)果通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對現(xiàn)場裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制。怎樣保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制要求工作，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有按要求工作，怎樣發(fā)現(xiàn)故障？我們采取以下措施：當(dāng)負(fù)載由接觸器控制時，啟動或停止這類負(fù)載轉(zhuǎn)為對接觸器線圈控制，啟動時接觸器是否可靠吸合，停止時接觸器是否可靠釋放，這是我們關(guān)心的。

X0為接觸器動作條件，Y0為控制線圈輸出，X1為引回到PLC輸入端的接觸器輔助常開觸點(diǎn)，定時器定時時間大于接觸器動作時間。R0為設(shè)定的故障位，R0為ON表示有故障，做報警處理；R0為OFF表示無故障。故障具有記憶功能，由故障復(fù)位按鈕清除。

當(dāng)開啟或關(guān)閉電動閥門時，根據(jù)閥門開啟、關(guān)閉時間不同，設(shè)置延時時間，經(jīng)過延時檢測開到位或關(guān)到位信號，如果這些信號不能按時準(zhǔn)確返回給PLC，說明閥可能有故障，做閥故障報警處理。程序設(shè)計如圖3b 所示。X2為閥門開啟條件，Y1為控制閥動作輸出，定時器定時時間大于閥開啟到位時間，X3為閥到位返回信號，R1為閥故障位。

6、結(jié)論

我們在勝利油田勝利采油廠勝砣注聚站自動控制系統(tǒng)設(shè)計中采用了以上方法，經(jīng)過近2年的運(yùn)行證明這些方法的采用對提高系統(tǒng)可靠性運(yùn)行是行之有效的。