plc可靠性畢業(yè)論文--plc控制系統的可靠性分析及其關鍵技術研究

1、<p><b>　　電子工程系畢業(yè)設計</b></p><p>　　課題名稱: PLC控制系統的可靠性分析及關鍵技術的研究</p><p>　　專 業(yè)： 數控技術 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　完成日期： </p><p>　　PLC控制系統的可靠性分析及其關鍵技術研究</p><p>　　摘要：分析了PLC控制系統在可靠性上存在的問題，主要從抗干擾和穩(wěn)定性方面入手，

3、利用硬件與軟件相結合的方式，解決了一些PLC系統中存在的問題。提出了一些克服影響PLC可靠性因素的措施，重點分析了一種普遍采用的冗余設計方法的可行性和有效性，并提出了一種更有效的冗余設計方案，為工業(yè)控制中PLC可靠性設計提供了一定的依據。</p><p>　　關鍵詞：PLC，抗干擾，可靠性，冗余技術</p><p>　　PLC control system reliability anal

4、ysis and research of key technique</p><p>　　Abstract：Analysis of the PLC control systemreliability，mainly from the interference and stability-pronged approach to the use of hardware.This paper puts forward s

5、ome measures of the facotr that overcome to affect the reliability of PLC.,the focus of the analysis is the feasility and effectiveness of a redundancy design method .And finally this paper puts forward a kind of more va

6、lid redundancy design project for PLC reliability design which provided some basis in industrial control.</p><p>　　Key words:PLC;interference immunity;reliability;redundancy</p><p><b>　　目

7、錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 研究課題的來源 1</p><p>　　1.2 國內外先進水平1</p><p>　　1.3 本課題所做工作2</p><p>　　1.3.1 本課的應達目的2</p>

8、<p>　　1.3.2 本課題的內容和要求2</p><p>　　2 可編程控制器 3</p><p><b>　　2.1 概述 3</b></p><p>　　2.1.1 可編程控制器的產生和功能特點 3</p><p>　　2.1.2 可編程控制器的應用 4</p><p&

9、gt;　　2.1.3 可編程控制器的基本結構 4</p><p>　　2.1.4 可編程控制器的工作原理 5</p><p>　　2.2 PLC控制的特點 5</p><p>　　2.2.1 PLC與繼電器控制系統比較 5</p><p>　　2.2.2 PLC與微型計算機的比較6</p><p>

10、　　3 PLC控制系統可靠性分析 8</p><p>　　3.1 干擾來源的分析 8</p><p>　　3.2 增強PLC可靠性的方案 9</p><p>　　3.2 1電源的抗干擾措施 9</p><p>　　3.2.2 安裝與布線的方案 9</p><p>　　3.2.3 輸入、輸出端的抗干擾措施

11、10</p><p>　　3.2.4 電源和感性負載的處理 10</p><p>　　3.2.5 接地和接線的抗干擾措施 10</p><p>　　3.2.6 軟件抗干擾措施 11</p><p>　　3.2.7 電磁干擾的抗干擾措施 12</p><p>　　4 PLC系統冗余技術 13</p>

12、;<p>　　4.1 冗余技術的配置 14</p><p>　　4.2 冗余技術的具體分類 13</p><p>　　4.3 冗余設計在PLC控制系統中的應用 14</p><p>　　4.3.1 處理器冗余 14</p><p>　　4.3.2 通信冗余 14</p><p>　　4.3.3

13、I/O冗余 15</p><p>　　4.3.4 電源冗余 15</p><p>　　4.4 改進的冗余設計方案 15</p><p><b>　　致謝 17</b></p><p><b>　　參考文獻 18</b></p><p><b>　　1 緒

14、論</b></p><p>　　1.1 研究課題的來源</p><p>　　近年來，PLC（可編程序控制器）在其發(fā)展過程中，技術功能不斷擴展，增加了數值運算、閉環(huán)調節(jié)等功能?？删幊绦蚩刂破鞯倪\算速度提高，輸入輸出規(guī)模擴大，并開始與網絡和小型機相連，構成以可編程序控制器為重要部件的控制系統。目前的可編程序控制器已加強了模擬量控制功能，可以配備各種控制摸板，具有了PID調節(jié)功能和構

15、成網絡系統、組成分級控制功能，實現了集散控制所完成的功能。</p><p>　　可編程控制器是以微處理器為基礎，專門為工業(yè)而設計的，操作方便的數字式電子裝置。PLC最初僅僅是為了地帶繼電器控制系統而存在，隨著科學技術的發(fā)展，它漸漸綜合了計算機、自動控制、網絡通信等技術，其功能遠遠超出了繼電器系統的功能，在鋼鐵、化工、制造等領域得到了越來越廣泛的應用，極大的促進了現代工業(yè)生產的自動化程度。而PLC控制系統的可靠性直

16、接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產和經濟運行，而系統的抗干擾能力是關系到整個系統可靠運行的關鍵。在現代工業(yè)控制系統中，雖然PLC在設計和制造過程是廠家一采取了多層次的抗干擾措施，具有一定的穩(wěn)定性和可靠性，但由于PLC的應用范圍越來越廣，應用區(qū)域越來越復雜，所以受到的干擾也就越來越多，過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當的情況下，都有可能引起PLC內部信息的破壞。因此，研究PLC控制系統干擾的來源問題，以及如何確保其可靠性等問題尤其具有現實意義。<

17、/p><p>　　1.2 國內外先進水平</p><p>　　PLC在現代工業(yè)控制領域中早已得到了廣泛的應用。比如在工廠污水處理方面，國外在80年代初期、中期，PLC系統也已在工廠污水處理設備中應用。僅以PLC的控制功能而言，PLC是嚴謹、方便、易編程、易安裝、可靠性極高的應用軟件平臺。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級應用指令；PLC即有自身的網絡體系又有開放I/O及通訊接口，而且?guī)缀跻呀洶l(fā)

18、展到了盡善盡美的地步。在工廠污水處理的過程控制方面，在遠程數據通訊和控制方面都具有無可爭</p><p><b>　　議的優(yōu)勢。</b></p><p>　　我國工廠污水處理技術開發(fā)、產品和裝備起步較晚，企業(yè)規(guī)模小，品種單一重復，可控性差，技術水平落后，用于工廠污水處理的儀表和系統更是寥寥無幾。污水處理數據往往采用人工抄寫、人工匯總、人工傳遞的方法。80年代后期，我國

19、利用外資引進了國外成套的污水處理設備，從儀表和控制的可靠性和先進性方面來看，比國產儀表設備具有明顯的優(yōu)勢，但國外儀表價格昂貴，售后服務困難。同時，成套引進的污水處理設備，其儀表和控制系統的技術水平</p><p>　　也僅僅是國外80年代初期、中期傳統的DCS和PLC系統。</p><p>　　隨著微電子技術、通訊技術和控制技術的進步，工業(yè)發(fā)達國家90年代新建的 城市污水處理廠已普遍采用現

20、場總線技術的網絡監(jiān)控裝置及其智能化、數字化現場儀表。</p><p>　　現場總線是用于現場儀表、控制系統和控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互連、多變量、多點、多站的通訊系統。其技術特點是信號傳輸數字化，控制功能分散化，系統開發(fā)與可互操作，符合環(huán)境保護要求，節(jié)能節(jié)材，造價低廉，維護成本低。</p><p>　　據調查，目前即使一些工廠采取了PLC，但絕大部分還都只利用了其傳統

21、的 控制方式，并沒有充分利用PLC的遠傳功能，部具備環(huán)保功能。所以污水處理系統最好具有這方面的功能，本系統中以PLC為主要控制設備并利用了PLC的遠傳功能這樣就節(jié)省了一大筆費用。</p><p>　　1.3 本課題所做工作</p><p>　　1.3.1 本課題應達目的</p><p>　　本課題是PLC控制系統的可靠性分析與關鍵技術研究，查閱相關資料與書籍，了解P

22、LC控制系統的可靠性，進一步掌握PLC控制系統的關鍵技術。通過這次的課題研究，能夠使自身經過設計的全過程體會如何應用所學知識，并進行一定的自學訓練，使其掌握自學方法。為今后的科研工作打下良好基礎。</p><p>　　1.3.2 本課題的內容和要求</p><p>　　PLC控制系統的可靠性分析，要求：1.了解什么是PLC控制系統；2.影響、干擾PLC控制系統可靠性來源；3.針對干擾源分

23、析相應的解決方案。</p><p>　　PLC控制系統的關鍵技術分析，要求：1.了解PLC控制系統的關鍵技術；2.分析PLC關鍵技術在系統中的作用；3.分析了解PLC控制系統關鍵技術的特點。</p><p><b>　　2 可編程控制器</b></p><p><b>　　2.1 概述</b></p><

24、;p>　　2.1.1 可編程控制器的產生和功能特點</p><p>　　可編程控制器是在繼電器控制和計算機控制的基礎上開發(fā)出來的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通訊技術容為一體的新型工業(yè)自動控制裝置。目前以被廣泛的應用于生產機械和生產過程自動控制中。</p><p>　　繼電接觸控制能完成邏輯“與”、“非”等功能，實現弱電對強電的控制，且由于結構簡單，價格

25、便宜，掌握容易等優(yōu)點，因而幾十年來已得到了廣泛的應用，并在工業(yè)控制領域中曾經占據過主導地位。但繼電接觸控制系統存在如下缺點：設備體積大，開關動作慢，功能較少，接線復雜，觸電容易損壞，改接麻煩，靈活性較差等。</p><p>　　隨著社會的發(fā)展，科技的進步，新的控制器件及其控制系統不斷涌現。1968年美國通用汽車公司（GM）公開招標研制功能更強，使用更方便，價格便宜，可靠性更高的新型控制器。1969年，美國數字設備

26、公司（DEC）根據GM公司的招標要求，研制出世界第一臺可編程控制器，型號為PDP-14，并在GM公司汽車生產線上首次應用成功。這就較好的使繼電接觸控制簡單易懂，使用方便，價格低等優(yōu)點與計算機功能完善、靈活性強，通用性好的優(yōu)點結合起來，并將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想逐漸變?yōu)楝F實?？删幊炭刂破鞒霈F以后，名稱很不一致。早期的可編程控制器在功能上只能進行邏輯控制，因此被稱為可編程邏輯控制器（Programmable

27、 Logic Controller），簡稱PLC。它只是用來取代繼電接觸控制，僅有執(zhí)行繼電器邏輯、定時、技術等較少功能。</p><p>　　20世紀70年代中期出現了微處理器和微型計算機，人們把微機技術應用到可編程序控制器中，使得它兼有計算機的一些功能，不但能用邏輯編程去取代硬連線邏輯，還增加了運算、數據傳送與處理及對模擬量進行控制等功能，使之真正成為一種電子計算機工業(yè)控制設備。</p><

28、p>　　1980年美國電器制造協會把這種新的控制設備正式命名為可編程序控制器PC。但為了與個人計算機的專稱PC相區(qū)別，故常常把可編程序控制器簡稱為PLC。1987年，美國電氣制造協會給出的可編程 控制器的定義為：“可編程控制器是一種帶有指令存儲器和數字或模擬I/O接口，以位運算為主，能完成邏輯﹑順序﹑定時﹑計數和算術運算功能，用于控制機器或生產過程的自動控制裝置?！彪S著科學技術的進步和可編程序控制器的不斷發(fā)展，功能不斷增強，其

29、定義也會發(fā)生變化。</p><p>　　可編程控制器的主要優(yōu)點：1、編程簡單，使用簡單；2、可靠性高，抗干擾能力強；3、通用性好；4、功能強；5、使用方便；6、設計、施工和調試周期短；7、體積小、重量輕、功耗低。</p><p>　　從上述PLC的功能特點可見，PLC控制系統比傳統的繼電接觸控制系統具有許多優(yōu)點，在許多方面可以取代繼電接觸控制。</p><p>　　

30、2.1.2 可編程控制器的應用</p><p>　　長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非常可靠的控制應用。但PLC也必須依靠采用其他新技術來應對市場份額逐漸減小所帶來的沖擊，特別是IPC（工控機）所帶來的沖擊。</p><p>　　在全球IPC領域，圍繞開放與再開放過程控制系統，開放式過程控制軟件，開放性數據通信協議，已經發(fā)生巨大變革，幾乎

31、到處都有PLC,但這種趨勢不會發(fā)展下去。隨著Soft PLC（軟PLC）控制組態(tài)軟件技術的誕生與進一步發(fā)展，安裝有Soft PLC組態(tài)軟件和基于IPC和過程控制系統的份額正在逐步得到增長，這些事實傳統PLC的技術發(fā)展與提高方面做出更加開放的姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是PLC控制器的核心，PLC供應商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對于工業(yè)用戶表現的非常積極。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加

32、開放的工業(yè)控制行業(yè)。</p><p>　　PLC及其應用的發(fā)展，與信息化，數字化，智能化的世界潮流相聯系，與微電子技術的發(fā)展密切發(fā)展相關，與控制技術，計算機技術，網絡技術，顯示技術的發(fā)展互為因果，互相補充與促進，互相融合和滲透.</p><p>　　2.1.3 可編程控制器的基本結構</p><p>　　1. 輸入與輸出部件：</p><p>

33、;　　這是PLC與輸入控制系統和被控制設備連接起來的部件，輸入部件接受從開關、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現場控制信號。并將這些信號轉換成中央處理器能接受和處理的數字信號。輸出部件接受經過中央處理器處理過的輸出數字信號，并將它轉換成被控制設備或顯示裝置所能接受的電壓或電流信號，以驅動接觸器、電磁閥、指示器件等。</p><p><b>　　2.中央處理單元：</b></p>

34、<p>　　中央處理單元包括微處理器、系統程序處理器和用戶程序處理器。微處理器是PLC的核心部件，整個PLC的工作過程都是在中央處理器的統一指揮和協調下進行的，它的主要任務是按一定的規(guī)律和要求讀入被控對象的各種工作狀態(tài)，然后根據用戶所編制的應用程序的要求去處理有關數據，最后再向被控對象送出相應的控制（驅動）信號。存儲器是保存系統程序和用戶程序的器件。系統存儲器主要用于存放系統正常工作所必需的程序，如管理、監(jiān)控、指令解釋<

35、;/p><p>　　程序，這些程序與用戶無直接的關系，已由廠家直接固化進EPROM中。用戶存儲器主要用于存放用戶按控制要求所編制的程序，可通過編程器進行必要的修改。</p><p><b>　　3. 電源部件：</b></p><p>　　電源部件是把交流電轉換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需要的高質量直流電源。</p><

36、p><b>　　4. 編程器：</b></p><p>　　編程器是PLC必不可少的重要外圍設備。它主要用于對用戶程序進行輸入、檢查、調試和修改，并用來監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。</p><p>　　圖2-1 PLC基本結構圖</p><p>　　2.1.4 可編程控制器的工作原理</p><p>　　CPU連續(xù)執(zhí)行

37、用戶程序、任務的循環(huán)序列稱為掃描。CPU的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請求、執(zhí)行CPU自診斷測試及寫輸出等內容。</p><p>　　PLC可被看成是在系統軟件支持下的一種掃描設備。他一直周而復始地掃描并執(zhí)行由系統軟件規(guī)定好的任務。用戶程序只是掃描周期的一個組成部分，用戶程序不運行時，PLC也在掃描，只不過在一個周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分內容。</p><p>

38、　　典型的PLC在一個周期中可完成以下5個掃描過程：</p><p>　　1.自診斷測試掃描過程。</p><p>　　2.與網絡進行通信的掃描過程。</p><p>　　3.用戶程序掃描過程。</p><p>　　4.讀輸入、寫輸出掃描過程。</p><p>　　5.信號從輸入端子到輸出端子的傳遞過程。</p&

39、gt;<p>　　2.2 PLC控制的特點</p><p>　　2.2.1 PLC與繼電器控制系統比較</p><p>　　從某種意義上說，PLC是從繼電接觸控制發(fā)展而來的。兩者既有相似性又有不同之處。</p><p>　　1.繼電接觸控制全部用硬器件、硬觸點和“硬”線連接，為全硬件控制；PLC內部大部分采用“軟”電器、“軟”接點和“軟”線連接，為軟件

40、控制。</p><p>　　2.繼電接觸控制系統體積大；PLC控制系統結構緊湊，體積小。</p><p>　　3.繼電接觸控制全為機械式觸點，動作慢；PLC內部全為“軟接點”，動作快。</p><p>　　4.繼電接觸控制功能改變，須拆線、接線乃至更換元器件，比較麻煩；PLC控制功能改變，一般僅需修改程序即可，極其方便。</p><p>　　

41、5.PLC控制系統的設計、施工與調試比繼電接觸控制系統周期短。</p><p>　　6.PLC控制的自檢和監(jiān)控功能比繼電接觸控制的強。</p><p>　　7.PLC的應用范圍比繼電接觸控制的要廣泛。</p><p>　　8.PLC可靠性比繼電接觸控制的高。</p><p>　　此外，可編程序控制器與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不

42、同。可編程序控制器是以反復掃描的方式工作，是循環(huán)地、連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時刻它只能執(zhí)行一條指令，也就是說可編程序控制器是以“串行”方式工作的。而繼電-接觸器是按“并行”方式工作的，或者說是按同時執(zhí)行方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個電器同時動作。繼電-接觸器控制的并行工作方式因觸點動作的延誤易產生競爭和時序失配等問題，這些在串行工作方式的可編程序控制器中不會發(fā)生。</p><p>　　表2-1 可編程序

43、控制器與繼電器柜的區(qū)別</p><p>　　2.2.2 PLC與微型計算機的比較</p><p>　　PLC也是隨著微型計算機的發(fā)展而發(fā)展，PLC實質上就是一臺專為工業(yè)生產控制設計的專用計算機。兩者既有相似處有差別，主要差別表現在以下幾個方面：</p><p>　　1. PLC輸出輸入接口較多，中大型PLC輸出輸入接口更多，便于多路多點控制。</p>

44、<p>　　2. PLC編程簡便，因為PLC是采用易于用戶理解、接收和使用的梯形圖編程語言，指令又不太多，而計算機使用匯編語言或其他高級語言編程，比PLC編程復雜。</p><p>　　3. PLC可靠性高，因為PLC是為工作環(huán)境條件比較惡劣的工業(yè)控制設計的，設計與制造PLC時已采取了多種有效的抗干擾和提高可靠性措施。</p><p>　　4. PLC技術較容易掌握，使用維護方

45、便，對使用者的技術水平要求比使用計算機時低。</p><p>　　5. PLC采用掃描方式進行工作，加之其他一些原因，所以PLC輸入輸出響應比計算機慢。</p><p>　　6. 此外PLC體積較小，調試周期短。</p><p>　　3 PLC控制系統可靠性分析</p><p>　　3.1 干擾來源的分析</p><p&g

46、t;　　PLC 控制系統受到干擾的主要途徑是電源線、輸入、輸出線和空中等部位。電源被干擾后， PLC 控制系統的供電質量變差，引起PLC 控制失靈。輸入、輸出線被干擾后，出現輸入、輸出控制紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應、靜電感應形式使PLC 的CPU 出現誤操作。按鈕、繼電器等工作時觸點間產生的電弧，雷擊和靜電產生的火花放電，接觸器線圈、斷電器線圈、電磁鐵線圈等感應負載斷開時產生的浪涌電壓，外界的高頻加熱器、高頻淬火設備、雜亂的無線電波信

47、號、電源電壓的波動等等，以上這些都是能夠使PLC 出現誤動作的典型干擾源。PLC 系統的干擾源根據其來源分為內部干擾源和外部干擾源。</p><p>　　內部干擾源主要包括：由于元器件布局不合理造成內部信號相互串擾； 線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩；數字地、模擬地和系統地處理不當。具體情況如下：</p><p>　　來自信號線的干擾：PLC系統連接有各種信號線，這種信號線的連接方式根

48、據梯形圖的變化而不同，然而無論何種路線，信號線之間的相互干擾以及信號線對于外界空間的電磁輻射感應式不可避免的，這種稱之為電磁干擾。這種干擾會導致I/O口工作異常，從而影響工業(yè)測量的準確性，還會對儀器造成嚴重損害。</p><p>　　來自電源的干擾：電源是干擾進入可編程控制器的主要途徑之一，電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產生的，各種大功率用設備是主要的干擾源。</p><p>　　來

49、自感性負載的干擾：感性負載具有儲能的作用，當控制觸點斷開時，電路中的感性負載會產生高于電源電壓接近數十倍的反電動勢，這種情況從外觀是不容易覺察到的；觸點吸合時，觸點會發(fā)生抖動，從而產生電弧，電弧危害是一種非常嚴重的電氣危害。</p><p>　　來自接地情況的干擾：在工業(yè)控制現場，電器設備頻繁啟動，動力線路與控制線路結構緊密，這種情況存在嚴重的磁場干擾。這種干擾也是電磁干擾。</p><p&g

50、t;　　外部干擾源包括供電電源電壓波動和高次諧波的干擾；開關通斷形成的高、低頻干擾； 動力強電信號在系統中產生感應電勢引起的干擾；其它設備通過電容耦合串入控制系統而引起的干擾等。</p><p>　　1. 溫度：PLC的工作環(huán)境溫度為0～55℃，且不可急劇變化。由于溫度的變化將直接影響PLC元器件的可靠性和壽命，所以必須采取措施取制溫度的上下限。當超過55℃時，可通過將系統安裝于同風好、有空調的控制室內，在柜中設

51、置風扇、冷風機等措施。當溫度低于℃時，可通過在柜中設置加熱器，不切斷控制電源來改善。</p><p>　　2. 濕度：PLC工作相對濕度為30%～85%，濕度過大或過小可導致PLC內部元件性能惡化、</p><p>　　短路和靜電感應損壞等不良后果?？刹捎靡韵聦Σ撸罕P柜設計成封閉型，電路板覆蓋保護層，盡量避免人體接觸感應等。</p><p>　　3. 空氣：PLC不

52、可安裝在有塵埃、導電粉末、有害氣體、水分、有機溶劑、強堿性溶液的環(huán)境中，應將盤柜設置成密閉結構，以防止對系統可靠運行有影響的不清潔空氣進入。</p><p>　　4. 震動和沖擊：PLC不能經受較大的震動和沖擊，所以應該將PLC設置在遠離震源的場所，并安裝防震橡皮等。</p><p>　　3.2 增強PLC可靠性的設計方案</p><p>　　可編程序控制器簡稱為P

53、LC （Programmable LogicController），它是基于微處理器的通用工業(yè)控制裝置。PLC 能執(zhí)行各種形式和各種級別的復雜控制任務，它的PLC能執(zhí)行各種形式和各種級別的復雜控制任務，它的主要支柱之一，PLC 對用戶友好，不熟悉計算機但熟悉繼電器系統的人能很快學會PLC 來編程和操作。PLC 已經廣泛應用于機械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中，已基本取代了傳統的繼電器和接觸器的邏輯控制。用PLC來控制系統設備，其工作的

54、可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC 本身而言，平均無故障時間一般已可達3~5 萬小時；而個別系列，據稱其平均無故障時間已達20~30 萬小時。所以，整個PLC 控制系統的可靠性，主要取決于PLC的外圍設備，比如輸入器件中的行程開關、按鈕、接近開關， 輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個帶有監(jiān)控的程序，對提高系統的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統的可靠性進行一

55、些探討。</p><p>　　3.2.1 電源的抗干擾措施</p><p>　　不同的PLC 產品，對電源的要求也不同，這里包括電源的電壓等級、頻率、交流紋波系數和輸入輸出的供電方式等。電源是干擾進入的主要途徑之一，對電磁干擾較強、而對PLC 可靠性要求又較高的場合，PLC 的供電應與動力供電和控制電路供電分開。一般在進入PLC 系統之間加屏蔽隔離變壓器，屏蔽隔離變壓器的次級側至PLC 系

56、統間必須采用不小于2mm2 的雙絞線。屏蔽體一般位于一、二次側線圈之間并與大地連接，這樣就可消除線圈間的直接耦合。另外，電源諧波比較嚴重時，可在隔離穩(wěn)壓器前面加濾波器來消除電源的大部分諧波。必要時可在供電的電源線路上接入低通濾波器，以便濾去高頻干擾信號。濾波器應放在隔離變壓器之前， 即先濾波后隔離。分離供電系統，將控制器、I/O通道和其它設備的供電采用各自的隔離變壓器分離開來，也有助于抗電網干擾。</p><p>

57、;　　3.2.2 安裝與布線的方案</p><p>　　PLC控制系統的布線應該遠離強干擾源，如大功率晶閘管、變頻器、大功率硅整流裝置和大動力設備等，不能與高壓電器安裝在同一個開關柜內。輸入與輸出最好分開走線，開關量與</p><p>　　模擬量也要分開敷設，以防外界信號干擾。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，且避免并行。</p><

58、;p>　　輸入接線一般不要超過30m。但是如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時，輸入接線可適當延長。但數字輸入、輸出線不能與動力線分開布線是，可用繼電器來隔離輸入、輸出線上的干擾。當信號距離超過300m時，應采用中間繼電器來轉接信號，或使用PLC的遠程I/O模塊。I/O線與電源線應該分開走線，并保持一定距離如不得已要在同一線槽中布線，應使用屏蔽電纜。交流線與直流線應分別使用不同電纜，如果I/O 線的長度超過 300m 時，輸入線與輸出線

59、應分別使用不同的電纜；數字量、模擬量 I/O 線應分開敷設，后者應采用屏蔽線。如果模擬量輸入/ 輸出信號距離 PLC 較遠，應采用 4～20mA 或0～10mA 的電流傳輸方式，而不是電壓傳輸方 式，因為電壓傳輸方式非常容易受到干擾。</p><p>　　3.2.3 輸入、輸出端的抗干擾措施</p><p>　　由于PLC 是通過輸入電路接受開關量、模擬量等輸入信號， 因此輸入電路的元器件

60、質量的好壞和連接方式直接影響著控制系統的可靠性。比如： 按鈕、行程開關等輸入開關量的觸點接觸是否良好、接線是否牢固等。設備上的機械限位開關是比較容易產生故障的元件。在設計時， 應盡量選用可靠性高的接近開關代替機械限位開關。要提高現場輸入給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， 防止各種原因引起傳送信號線短路、斷路或接觸不良。其次在程序設計時增加數字濾波程序， 增加輸入信號的可信性。</p><

61、;p>　　當輸出驅動的負載為感性元件時，對于直流電路應在它們兩端并聯續(xù)流二極管。對于交流電路，應在它們兩端并聯阻容吸收電路。采取以上措施是為了防止在電感性輸入或輸出電路斷開時產生很高的感應電勢或浪涌電流對PLC 輸入、輸出端點及內部電源的沖擊，當PLC 的驅動元件主要是電磁閥和交流接觸器線圈時， 應在PLC 輸出端與驅動元件之間增加光電隔離的過零型固態(tài)繼電器。</p><p>　　3.2.4 電源和感性負載

62、的處理</p><p>　　對于電源的處理：在干擾較強或對可靠性要求很高的場合，可以在可編程序控制器的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層接地。PLC 供電系統一般采用以下幾種方案：</p><p>　　1. 使用隔離變壓器供電系統。本方案是傳統的抗干擾措施, 對電網尖峰脈沖干擾有很好的效果。它抗干擾

63、的原理是原邊對高頻干擾呈現很高的阻抗,而位于原邊、副邊繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了原、副邊所產生的分布電容,因此原邊繞組只存在對屏蔽層的分布電容,高頻干擾通過這個分布電容而被旁路引入地。</p><p>　　2. 使用UPS 供電。UPS 是個人 PC 上常用的有效保護裝置，當輸入交流電失電時，UPS </p><p>　　根據不同的容量能繼續(xù)向 PLC 控制器供電 10～30 分鐘。采用

64、 UPS 供電不僅能提高 PLC 的供電安全可靠性,也能有較強的抗干擾隔離。</p><p>　　3. 用就是抑制傳導干擾,，它既能防止 PLC 電磁波采用電源濾波器濾除尖峰脈沖干擾。電源濾波器最基本的作用就是抑制傳導干擾, 它既能防止 PLC 電磁波的外泄,又能避免受到外來輻射的干擾,并能有效濾除尖峰脈沖。</p><p>　　3.2.5接地和接線的抗干擾措施</p>&

65、lt;p>　　PLC 的良好接地是正常運行的前提。在設計時，PLC 的接地應與動力設備的接地分開， 采用專用接地；如不能分開接地時， 應采用共用接地； 絕對禁止采用共通接地方法。接地點應盡可能靠近PLC， 接地線的線徑應大于4mm2， 接地電阻一般應小于10Ω。接地方法如圖3-1 所示。</p><p>　　圖3-1 PLC的接地方法</p><p>　　PLC 的接線包括輸入接線和

66、輸出接線。輸入接線的長度不宜過長，一般不大于30m；在線路距離較長時，可采用中間繼電器進行信號的轉換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM 端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應分開設置。必要時，可在現場分別設置接線箱。集成電路或晶體管設備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜；屏蔽層的接地端應為一點接地， 接地點宜在控制器側。</p><p>　　3.2.6 軟件抗干擾措施</p><

67、;p>　　對PLC 系統的軟件部分而言，它的可靠性主要是指軟件對錯誤信號的抵抗力、對設備故障的判斷力及對不同工況的適應能力等。因此，可以從以下幾個方面來提高軟件的可靠性。</p><p>　　1.對輸入信號的處理：對于模擬信號可采用多種軟件濾波方法來提高數據的可靠性。連續(xù)采樣多次，采樣間隔根據A/D 轉換時間和該信號的變化頻率而定。采樣數據先后存放在不同的數據寄存器中，經比較后取中間值或平均值作為當前輸入值

68、。常用的濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、滑動平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術平均值濾波、去極值平均濾波等。</p><p>　　2.議通信時干擾會造成錯碼，如果不對接收到的數據進行判別就會引起程序運行錯誤。PLC 向其它設備發(fā)送數據時，如果能在設備向PLC 發(fā)送回答碼后發(fā)送， 可以使PLC 了解數據是否發(fā)送成功。如果不成功，應再次發(fā)送，同時對不成功進行計數；當連續(xù)若干次不能正確發(fā)通</p>

69、<p>　　信數據校核。在PLC 與其它設備采用自由協送時，PLC 應采取報警等措施。</p><p>　　3.設置停電記憶功能。有些設備在意外停機后再開機時，必須按照停機前的工藝操作， 這就要求在程序設計中使用停電記憶機前的工藝，這就要求在程序設計中使用停電記憶功能， PLC可對內部的輸出繼電器，輔助繼電器，計數器等進行停電記憶設置，可在一定程度上滿足要求。</p><p>　

70、　設計完善的故障報警系統。為了提高PLC 控制系統工作的可靠性，可以專門設置一個定時器，作為監(jiān)控程序部分，對系統的運行狀態(tài)進行檢測。若程序運行能正常結束，則該定時器就立即被清零；若程序運行發(fā)生故障，如出現死循環(huán)等，該定時器在設定的時間到就無法清零，此時PLC 發(fā)出報警信號。在設計應用程序時，使用這種方法來實現對系統各部分運行狀態(tài)的監(jiān)控。如果用PLC 來控制某一對象時，編制程序時可定義一個定時器來對這一對象的運行狀態(tài)進行監(jiān)視， 該定時器的

71、設定時間即為這一對象工作所需的最大時間；當啟動該對象運行時，同時也啟動該定時器。若該對象的運行程序在規(guī)定的時間結束工作，發(fā)出一個工作完成信號，使該定時器清零，說明這一對象的運行程序正常；否則屬于運行不正常， 發(fā)出報警信號或停機信號。</p><p>　　3.2.7電磁干擾的抗干擾措施</p><p>　　根據干擾模式的不同， PLC 控制系統的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾， 共模干擾是信

72、號對地的電位差， 主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)(同方向) 電壓迭加所形成。共模電壓有時較大， 特別是采用隔離性能差的配電器供電時， 變送器輸出信號的共模電壓普遍較高， 有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓， 直接影響測控信號， 造成元器件損壞（這就是一些PLC 系統I/O 模件損壞率較高的主要原因）， 這種共模干擾可為直流， 亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓， 主

73、要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換成共模干擾所形成的電壓， 這種電壓疊加在信號上， 直接影響測量與控制精度。為了保證PLC控制系統在工業(yè)環(huán)境中免受或減少內外上述電磁干擾，必須采取3 個方面抑制措施： 抑制干擾源； 切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑； 提高裝置和系統的抗干擾能力。通常一般采用隔離和屏蔽的方法來實現。</p><p>　　4 PLC系統冗余技術</p><p>　　4

74、.1 冗余技術的配置</p><p>　　冗余系統一般是在控制系統中最重要的部分（如CPU模塊）由兩套相同的硬件組成，當某一套出現故障立即由另一套來控制。如圖4-1所示為冗余CPU系統圖，在系統正常運行時，主CPU模塊來控制系統的工作，備用CPU模塊的輸出被禁止。當主CPU模塊發(fā)出故障信息后，RPU在1~3個掃描周期內將控制功能切換到備用CPU，I/O系統也是由RPU 來完成相應的切換。</p>&

75、lt;p>　　圖4-1 冗余CPU系統圖</p><p>　　4.2 冗余技術的具體分類</p><p>　　冗余技術即采用備用的硬件或軟件參與系統的運行或處于準備狀態(tài)，一旦系統出現故障，能自動切換，保持系統不間斷地正常工作。 在PLC系統中，冗余技術主要針對系統可能出現的永久性、瞬間性和間歇性故障進行冗余技術。冗余控制的方式在工控領域根據不同的情況，采用的方式也不盡相同。</

76、p><p>　　一般情況下，根據冗余控制可分為：處理器冗余、通信冗余、I/O冗余、電源冗余。</p><p>　　按冗余的切換方式來分大致可分為：</p><p>　　1、熱冗余：即硬冗余方式，當主設備故障時，通過特定硬件判別、備份方式無間隙地自動切換到備用的設備上，保持系統的正常運行 。</p><p>　　2、暖冗余：即軟冗余方式，主要

77、通過編程方式來實現冗余。由于軟冗余的實現受多方因素的制約，系統切換的時間較硬冗余稍長，因此部分軟冗余可能會使主設備在發(fā)生切換時有間隙或需要人為簡單干預或預置才得以完善。</p><p>　　3、冷冗余：即一套或部分冗余的設備（如CPU）不通電、不工作，準備待命（人為預置好）。當主設備故障時需要人工恢復系統運行。按照現在的嚴格定義，這種方式不算冗余，只作</p><p>　　備件理解。這種冗

78、余一般用于實時性不強、工藝連續(xù)性要求不高的場合。</p><p>　　I/O冗余、電源冗余大多數屬于硬件冗余范疇，而處理器冗余、通信冗余即可采用硬冗余實現也可以采用軟冗余實現。一般硬冗余與容顏冗余相比。硬冗余投入較大，冗余實現和系統維護相對簡單，系統性能較可靠，系統的切換速度較快，適用于生產工藝要求高、反應速度較快的裝置和生產線。軟冗余投入較小，軟冗余不需要特殊的冗余模塊或軟件支持，但在冗余實現維護方面比較繁瑣并

79、且一般的軟冗余切換速度稍慢，系統性能主要取決于編程者的編程水平和所選硬件的品質，這類冗余方式比較適用于生產工藝要求不太高、反應速度較慢、開停要求不嚴的裝置和生產線。</p><p>　　4.3冗余設計在PLC控制系統中的應用</p><p>　　4.3.1處理器冗余</p><p>　　控制系統中處理器采用一用一備或一用多備的方式，在主處理器發(fā)生故障時，備用處理器自

80、動投入運行（稱故障切換或系統切換），直接接管控制，維持系統正常運行。處理器冗余可采用硬、軟冗余方式實現。硬冗余是指采用兩套處理器和熱備模塊同時工作，但兩套的工作方式不同，一套（豬處理器）處于正常的直接運轉工作狀態(tài)，系統由輸入也有輸出，另一套（從處理器）也通電工作，也同時接受輸入信號，也參與數據的處理和運算，與直接運轉的那套不同的是不輸出信號，兩套之間采用硬件互聯方式進行處理器故障切換，系統除了成雙使用的處理器外，一般還使用一套或是兩套熱

81、備模塊，或者叫雙擊單元。熱備模塊主要負責主/從處理器的同步，檢測處理器的運行狀態(tài)和進行主/從處理器之間的數據高速傳送，一旦發(fā)現豬處理器故障失效，馬上將系統控制權切換至處理器，實現了自動切換工作。從處理器變成主處理器對程序進行同步掃描，切換時從斷點處開始掃描，保持系統正常工作。</p><p><b>　　4.3.2通信冗余</b></p><p>　　最常見的通信冗余

82、是采用雙通道通信電纜。通信冗余也可以采用硬、軟冗余方式實現。通信冗余簡單得分為單模塊雙電纜方式和兩套單模塊單電纜雙工方式通信。兩者均可實現通信冗余，而前者要采用冗余通信模塊實施，屬于硬冗余。后者采用普通通信模塊通過軟件編程實施，屬軟冗余，但硬件量為前者的兩倍，成本略高，較少采用。</p><p>　　硬冗余是兩個通信網絡同時進行數據傳送和數據比較，實際起作用的是其中的一個通信網絡，另一通信網絡作后備。而通信模塊則

83、實時監(jiān)控兩個通信網絡的通信質量，當前網絡的數據發(fā)送包數和接受包數之差達到一定差值或發(fā)送的故障率、接受的故障率達到一定值時，通信模塊會將當前的通信網絡進行切換，由后備網絡接替工作，成為當前的通信網絡。原故障通信網絡會報警提示工作人員處理。這種網絡切換主要由通信模塊處理。</p><p>　　軟冗余實際上是由兩套單網組成，由處理器程序去監(jiān)控兩通信模塊的狀態(tài)和網絡質量，在</p><p>　　處

84、理器中限定當前工作通信模塊和后備通信模塊，從而限定當前工作通信網絡和后備通信網絡。當檢查到切換故障發(fā)生，由處理器中程序改變當前工作通信的模塊和后備通信模塊的限定位（值），是通信網絡發(fā)生切換，同時給出報警信息和描述，通知工作人員處理。</p><p>　　4.3.3 I/O冗余</p><p>　　I/O冗余是指對同一個外設輸入或輸出點采用兩個以上的I/O點與其相對應，它們同時工作（同時輸出

85、、輸入），當其中一個發(fā)生故障時，外設不受任何影響。相對于處理器和通信冗余，通常較少使用I/O的冗余，而I/O的冗余在成本上會增加較多甚至翻倍。</p><p>　　但在一些重要的應用場合，使用I/O冗余的也不少。幾乎所有的DCS控制系統均可實現I/O冗余。在實施上模擬量I/O冗余比較冗余實現，只要在外設接線上作設計即可。也有部分模擬量I/O冗余從成本方面考慮，在PLC側仍然采用單點的模擬量輸入/輸出點，外設部分信

86、號使用配電器，使單個信號分配為多路輸入/輸出到外設，但這不能算作PLCI/O冗余。這樣的應用以電壓信號居多，開關量I/O冗余的實施要在系統組態(tài)和PLC編程方面適當的考慮。一般I/O實現了冗余的系統，處理器往往是硬冗余的，在輸出數據方面要作I/O冗余最常用的為1:1冗余，而其他方式如1:1:1表決系統在一些工藝要求高、停機造成損失大的系統中也有采用，如安全監(jiān)控、火電廠的鍋爐液位保護和汽輪機保護系統，石化行業(yè)的ESD系統都采用這種方式。&l

87、t;/p><p>　　4.3.4 電源冗余</p><p>　　電源冗余是指采用兩塊或是多塊電源模塊給PLC做冗余供電。電源冗余通常有兩種方式</p><p>　　通過專用的電源電纜和冗余電源框架適配器模塊連接到系統底板（框架）上，對系統進行冗余供電，兩個電源模塊同時工作，其中任何一個故障時，另一個電源模塊仍能保持正常供電。電源模塊通過信號線將模塊的當前狀態(tài)信息送到系統

88、進行實時檢測，及時通知相關人員對故障模塊進行維護修理。這種稱為框架外冗余供電方式。</p><p>　　在PLC的框架中插入兩塊或兩塊以上的電源模塊，電源之間通過電源冗余通信電纜相連，相互交換信息，直接對PLC進行冗余供電。這種稱為框架內冗余供電方式。</p><p>　　電源冗余只針對系統中的供電電源模塊作后備處理，成本較低，一般應用在供電質量不穩(wěn)定的場合，兩個電源模塊的來電分別取自兩個

89、不同的供電電源，這樣就避免了由于供電電源故障使系統停電。</p><p>　　4.4 改進的冗余設計方案</p><p>　　上述冗余設計是將系統的輸入輸出分別連接多臺內容完全相同的PLC，當一臺PLC出現故障時，可換到另一臺PLC繼續(xù)工作，保證了系統的正常運行，提高了系統的可靠性。但是由冗余設備長期處于空閑狀態(tài)，使得控制系統的成本大幅增加，因此其應用必然受到一定程度的限制。</p&

90、gt;<p>　　下面介紹一種新的冗余設計方法：雙重并聯冗余設計，系統框圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 雙重并聯系統圖</p><p>　　PLC1和PLC2同時并聯工作，當錯誤檢測器發(fā)現某一臺輸出不正常時，通過診斷邏輯起動停止開關，截斷出錯PLC的輸出，并由另一臺PLC接替出錯的PLC工作。本系統的優(yōu)點是在并聯通道的后部交叉設置了與門和或門，當兩路都正常工

91、作時，可以實現兩臺PLC無空閑雙重工作；當有一路發(fā)生故障時，另一路通過與門和或門同時支持兩路的輸出。這一設計完全解決了并聯冗余系統必須有一路或多路空閑的缺點，不僅提高了系統的可靠性，而且節(jié)約了系統的成本。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　美好的日子總是短暫的，畢業(yè)在即，我們在大學的最后一段時間完成了畢業(yè)設計。</p>&l

92、t;p>　　首先，我要衷心的感謝我的指導老師xx老師。本論文是在xx老師的悉心指導下完成的，從選定畢業(yè)設計的題目開始到課題的研究及設計的完成，xx老師都給予了很大的幫助。當我在課題設計遇到疑問的而停滯不前的時候，是xx老師幫我走出困境，沒有xx老師的幫助，我也無法如此順利的完成我的畢業(yè)設計。其次，我還要感謝和我一起學習的組員們，在設計課題的過程中，我們相互學習，相互鼓勵，在設計期間，我們一起選擇課題、設計課題，在設計課題的時候他們

93、同樣給予了我很多的幫助，在這里我再一次對他們表達我的感謝。</p><p>　　最后，我還要衷心的感謝在三年中教育、關心過我的老師們，還有與我日夜生活在一起、朝夕相處并不斷給我?guī)椭耐瑢W和朋友們！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 宮淑貞.可編程控制器原理及應用[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.&

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