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概述
对可编程序控制器控制的可靠性探讨
0、引言
可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机，比一般计算机具有更强的与工业相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了的继电器和器的逻辑控制。用PLC来控制设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和器控制大大。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3~5万小时；而三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制的可靠性，主要取决于PLC的设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的器、继电器和电磁阀等。另外，从程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对的可靠性也有很大好处。下面就如何PLC控制的可靠性进行一些探讨。
1、从PLC的设备来考虑PLC的可靠性
PLC是专门为工业生产而设计的控制设备。当工作较为恶劣，如电磁较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到时，会使控制的可靠性受到影响。
1.1 工作的要求
除了为特殊工作而设计的PLC外，一般PLC工作的温度应在0~55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。
1.2 电源的要求
不同的PLC产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、、交流纹波系数和输入输出的供电等。
对电磁较强、而对PLC可靠性要求又较高的，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3 接地和接线
1) PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；禁止采用共通接地。如图1所示，接应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm2，接地电阻一般应小于10Ω。
图1 接地
2) PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入和输出的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地，接宜在控制器侧。
1.4 冗余设计和降级操作设计
1) 对可靠性要求较高的应用，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备。热后备操作时，冗余的后备也同时运行，两者输出的结果一致时，表示是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报，同时，根据自诊断的结果，切换到正常的去。冷后备操作时，冷后备不运行，它在自诊断检测出运行故障后才切入后备。对PLC来说，冗余的范围主要是CPU、存储单元、电源和通信，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。
2) 降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。
1.5 PLC的I/O电路
1) 由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入，因此输入电路的元器件的好坏和连接直接影响着控制的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样。我们假设输出断开为安全状态，那么图3的可靠性要比图2的高。这是因为1、2都有发生故障的可能，而常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论1、2开关本身开路还是接线开路，输出都为安全状态，保证了的安全和可靠。
图2 起、停控制线路 图3 起、停控制线路
2) 在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入），或并接续流二极管D（直流输入）。如图4所示：交流输入时，CR的选择要适当才能起到的效果。通过实验装置的，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入时，经试验得二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。
(a) 交流输入 (b) 直流输入
图4 输入端有感性负荷时的
3) 在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图5所示。CR愈靠近负载，其抗效果愈好；若是直流负载，则在负载的两端并接续流二极管D，如图6所示。二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。
图5 输出端交流感性负载 图6 输出端直流感性负载
2、从PLC的程序来考虑控制的可靠性
为了PLC控制工作的可靠性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出。在设计应用程序时，使用这种来实现对各部分运行状态的监控。如果用PLC来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行：该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的大时间；当启动该对象运行时，同时也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则，属运行不正常，发出或停机。监控程序的梯形图如图7所示。图7中定时器T1为检测元件，X001为控制对象，X002为完成，M2为或停机。假设被控对象的运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时；如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出或停机。
图7 检测程序
3、结语
PLC控制的工作可靠性与多种因素有关，有些客观因素也着控制的性。通过设计正确的硬件线路，选择高的元器件，工作，编制监控程序等措施，可以使PLC控制的工作可靠性和性很大的。
参考文献
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S7-200系列PLC乘除法指令应用举例梯形图
S7-200系列PLC乘除法指令应用举例，程序如图1所示。
LD I0.0
MUL AC1 VD100
DIV VW10 VD200图1
注意：因为VD100包含：VW100和VW102两个字，VD200包含：VW200和VW202两个字，所以在语句表指令中不需要使用数据传送指令。
S7-200CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，符合欧洲EN 50170。下表给出了通信口的引脚分配。
表1 S7-200 CPU通信口引脚分配
连接器
针
PROFIBUS名称
端口0/端口1
1
屏蔽
逻辑地
2
24V返回
逻辑地
3
RS-485B
RS-485B
4
发送申请
RTS(TTL)
5
5V返回
逻辑地
6
+5V
+5V，100Ω串联电阻
7
+24V
+24V
8
RS-485A
RS-485A
9
不用
10位协议选择
连接器外壳
屏蔽
屏蔽
PLC控制的
PLC的可靠性很高，但的影响及内部元件的老化等因素，也会造成PLC不能正常工作。如果等到PLC或故障发生后再去检查、修理，归是被动的。如果能经常定期地做好、检修，就可以做到始终工作在佳状态下。因此，定期检修与做好日常是非常重要的。一般情况下检修时间以每6个月至一年1次为宜，当外部条件较差时，可根据具体情况缩短检修间隔时间。
PLC日常检修的一般内容如表所示。
任何PLC都具有自诊断功能，当PLC异常时应该充分利用其自诊断功能以分析故障原因。一般当PLC发生异常时，首先请检查电源电压、PLC及I/O端子的螺丝和接插件是否松动，以及有无其他异常。然后再根据PLC基本单元上设置的各种LED的指示灯状况，以检查PLC自身和外部有无异常。
下面以FX系列PLC为例，来说明根据LED指示灯状况以诊断PLC故障原因的。
1.电源指示（[POWER]LED指示）
当向PLC基本单元供电时，基本单元表面上设置的［POWER］LED指示灯会亮。如果电源合上但［POWER］LED指示灯不亮，请确认电源接线。另外，若同一电源有驱动传感器等时，请确认有无负载短路或过电流。若不是上述原因，则可能是PLC内混入导电性异物或其他异常情况，使基本单元内的丝熔断，此时可通过更换丝来解决。
2.出错指示（［EPROR］LED闪烁）
当程序语法错误（如忘记设定定时器或计数器的常数等），或有异常噪音、导电性异物混入等原因而引起程序内存的内容变化时，［EPROR］LED会闪烁，PLC处于STOP状态，同时输出全部变为OFF。在这种情况下，应检查程序是否有错，检查有无导电性异物混入和度噪音源。
发生错误时，8009、8060~8068其中的值被写入特殊数据寄存器D8004中，假设这个写入D8004中内容是8064，则通过查看D8064的内容便可知道出错代码。与出错代码相对应的实际出错内容参见PLC使用手册的错误代码表。
3.出错指示（［EPROR］LED灯亮）
由于PLC内部混入导电性异物或受外部异常噪音的影响，CPU失控或运算周期过200ms，则WDT出错，［EPROR］LED灯亮，PLC处于STOP，同时输出全部都变为OFF。此时可进行断电复位，若PLC恢复正常，请检查一下有无异常噪音发生源和导电性异物混入的情况。另外，请检查PLC的接地是否符合要求。
检查如果出现［EPROR］LED灯亮→闪烁的变化，请进行程序检查。如果［EPROR］LED依然一直保持灯亮状态时，请确认一下程序运算周期是否过长（D8012可知大扫描时间）。
如果进行了全部的检查之后，［EPROR］LED 的灯亮状态仍不能解除，应考虑PLC内部发生了某种故障，请与厂商联系。
4.输入指示
不管输入单元的LED灯亮还是灭，请检查输入开关是否确实在ON或OFF状态。如果输入开关的额定电流容量过大或由于油侵入等原因，容易产生不良。当输入开关与LED灯亮用电阻并联时，即使输入开关OFF但并联电路仍导通，仍可对PLC进行输入。如果使用光传感器等输入设备，由于发光／受光部位粘有污垢等，引起灵敏度变化，有可能不能完全进入“ON”状态。在比PLC运算周期短的时间内，不能接收到ON和OFF的输入。如果在输入端子上外加不同的电压时，会损坏输入回路。
5.输出指示
不管输出单元的LED灯亮还是灭，如果负载不能进行ON或OFF时，主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等，引起继电器输出接点粘合，或接点面不好不良。
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