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巧用内部寄存器，提高 PLC自控系统的可靠性
华运工控网（www.ic571.com） 发表时间：2010-09-08
巧用内部寄存器，提高 PLC自控系统的可靠性
[摘 要] 文章对PLC自动控制系统可靠性问题进行了较深入研究，提出了提高系统可靠性运行的方法。实践证明这些方法的采用对提高系统的可靠性是行之有效的。
[关键词] 可靠性 PLC 自动控制系统
1 引言
可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。工业控制机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件记录，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。
2 控制系统可靠性降低的主要原因
虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。
2．1 影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：
2．1．1 造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错。
2．1．2 机械触点 抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果。
2．1．3 现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。
2．2 影响执行机构出错的主要原因有：
2．2．1 控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作。
2．2．2控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作。
2．2．3各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。
3． 解决方案的实施：要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性， PLC才能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。
3．1 设计完善的故障报警系统
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，第1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。专门设置故障复位灯按钮，显示设备工作状态。第2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。
图1
3 ． 2 输入信号可靠性研究
要提高现场输入给 PLC 信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。数字信号滤波可采用图 1 程序设计方法，在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十 ms ，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用图 2 程序设计方法，对现场
图2
模拟信号连续采样2次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。2次采样数据分别存放在数据寄存器DT0、DT1中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令保留值作为本次采样结果控制R100的通断。
图 3
高值监视模块的使用（原理如图3所示）
模块的运算式为当DT 1 >=DT 2 时R100=ON 当 DT1<(DT 2 -－WR10)时 R100＝ＯFF
低值监视模块的使用（与图3相反）
模块的运算式为当DT 1 < DT 2 时R100=ON 当DT1 >= (DT 2 －－＋WR10)时 R100＝ＯFF
说明DT 1 为触点输入数，DT 2 -为经验值WR10为滞后宽度．
提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。在一定时间里输入变化范围，但输出在允许值内变化自动延长通断时间，消除了小信号影响、极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。
3．3 执行机构可靠性研究
当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？
我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。我们设计了如图4所示程序来判断接触器是否可靠动作。X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，
图4
X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。
图5
当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如图5所示。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。
六、结论
自动控制系统设计中采用了以上方法，经过近2年的运行证明这些方法的采用对提高系统可靠性运行是行之有效的。
[摘 要] 文章对PLC自动控制系统可靠性问题进行了较深入研究，提出了提高系统可靠性运行的方法。实践证明这些方法的采用对提高系统的可靠性是行之有效的。
[关键词] 可靠性 PLC 自动控制系统
1 引言
可编程控制器由于抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。工业控制机作为中央控制单元，配有组态软件，选用大屏幕实时监视界面，实现各控制点的动态显示、数据修改、故障诊断、自动报警，还可显示查询历史事件记录，系统各主要部件累计运行时间，各装置工艺流程图，各装置结构图等。中央控制单元和下位机PLC之间采用串行通讯方式进行数据交换，通常距离在1000m以内选用485双绞线通讯方式，较常距离可选用光纤通讯，更长距离也可选用无线通讯方式。下位机选用PLC控制，根据控制对象的多少，控制对象的范围，可选用一台或多台PLC进行控制，PLC之间数据交换是利用内部链接寄存器，实现数据交换和共享。
2 控制系统可靠性降低的主要原因
虽然工业控制机和可编程控制器本身都具有很高的可靠性，但如果输入给PLC的开关量信号出现错误，模拟量信号出现较大偏差，PLC输出口控制的执行机构没有按要求动作，这些都可能使控制过程出错，造成无法挽回的经济损失。
2．1 影响现场输入给PLC信号出错的主要原因有：
2．1．1 造成传输信号线短路或断路（由于机械拉扯，线路自身老化，特别是鼠害），当传输信号线出故障时，现场信号无法传送给PLC，造成控制出错。
2．1．2 机械触点 抖动，现场触点虽然只闭合一次，PLC却认为闭合了多次，虽然硬件加了滤波电路，软件增加微分指令，但由于PLC扫描周期太短，仍可能在计数、累加、移位等指令中出错，出现错误控制结果。
2．1．3 现场变送器，机械开关自身出故障，如触点接触不良，变送器反映现场非电量偏差较大或不能正常工作等，这些故障同样会使控制系统不能正常工作。
2．2 影响执行机构出错的主要原因有：
2．2．1 控制负载的接触不能可靠动作，虽然PLC发出了动作指令，但执行机构并没按要求动作。
2．2．2控制变频器起动，由于变频器自身故障，变频器所带电机并没按要求工作。
2．2．3各种电动阀、电磁阀该开的没能打开，该关的没能关到位，由于执行机构没能按PLC的控制要求动作，使系统无法正常工作，降低了系统可靠性。
3． 解决方案的实施：要提高整个控制系统的可靠性，必须提高输入信号的可靠性和执行机构动作的准确性， PLC才能及时发现问题，用声光等报警办法提示给操作人员，尽快排除故障，让系统安全、可靠、正确地工作。
3．1 设计完善的故障报警系统
在自动控制系统的设计中我们设计了3级故障显示报警系统，第1级设置在控制现场各控制柜面板，用指示灯指示设备正常运行和故障情况，当设备正常运行时对应指示灯亮，当该设备运行有故障时指示灯以1Hz的频率闪烁。专门设置故障复位灯按钮，显示设备工作状态。第2级故障显示设置在中心控制室大屏幕监视器上，当设备出现故障时，有文字显示故障类型，工艺流程图上对应的设备闪烁，历史事件表中将记录该故障。3级故障显示设置在中心控制室信号箱内，当设备出现故障时，信号箱将用声、光报警方式提示工作人员，及时处理故障。在处理故障时，又将故障进行分类，有些故障是要求系统停止运行的，但有些故障对系统工作影响不大，系统可带故障运行，故障可在运行中排除，这样就大大减少整个系统停止运行时间，提高系统可靠性运行水平。
图1
3 ． 2 输入信号可靠性研究
要提高现场输入给 PLC 信号的可靠性，首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关，防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序，增加输入信号的可信性。数字信号滤波可采用图 1 程序设计方法，在现场输入触点后加一定时器，定时时间根据触点抖动情况和系统要的响应速度确定，一般在几十 ms ，这样可保证触点确实稳定闭合后，才有其它响应。模拟信号滤波可采用图 2 程序设计方法，对现场
图2
模拟信号连续采样2次，采样间隔由A/D转换速度和该模拟信号变化速率决定。2次采样数据分别存放在数据寄存器DT0、DT1中，当最后1次采样结束后利用数据比较、数据交换指令保留值作为本次采样结果控制R100的通断。
图 3
高值监视模块的使用（原理如图3所示）
模块的运算式为当DT 1 >=DT 2 时R100=ON 当 DT1<(DT 2 -－WR10)时 R100＝ＯFF
低值监视模块的使用（与图3相反）
模块的运算式为当DT 1 < DT 2 时R100=ON 当DT1 >= (DT 2 －－＋WR10)时 R100＝ＯFF
说明DT 1 为触点输入数，DT 2 -为经验值WR10为滞后宽度．
提高读入PLC现场信号的可靠性还可利用控制系统自身特点，利用信号之间关系来判断信号的可信程度。在一定时间里输入变化范围，但输出在允许值内变化自动延长通断时间，消除了小信号影响、极限开关故障或传送信号线路故障，同样通过报警系统通知操作人员处理该故障。由于在程序设计时采用了上述方法，大大提高了输入信号的可靠。
3．3 执行机构可靠性研究
当现场的信号准确地输入给PLC后，PLC执行程序，将结果通过执行机构对现场装置进行调节、控制。怎样保证执行机构按控制要求工作，当执行机构没有按要求工作，怎样发现故障？
我们采取以下措施：当负载由接触器控制时，启动或停止这类负载转为对接触器线圈控制，启动时接触器是否可靠吸合，停止时接触器是否可靠释放，这是我们关心的。我们设计了如图4所示程序来判断接触器是否可靠动作。X0为接触器动作条件，Y0为控制线圈输出，
图4
X1为引回到PLC输入端的接触器辅助常开触点，定时器定时时间大于接触器动作时间。R0为设定的故障位，R0为ON表示有故障，做报警处理；R0为OFF表示无故障。故障具有记忆功能，由故障复位按钮清除。
图5
当开启或关闭电动阀门时，根据阀门开启、关闭时间不同，设置延时时间，经过延时检测开到位或关到位信号，如果这些信号不能按时准确返回给PLC，说明阀可能有故障，做阀故障报警处理。程序设计如图5所示。X2为阀门开启条件，Y1为控制阀动作输出，定时器定时时间大于阀开启到位时间，X3为阀到位返回信号，R1为阀故障位。
六、结论
自动控制系统设计中采用了以上方法，经过近2年的运行证明这些方法的采用对提高系统可靠性运行是行之有效的。
浙公网安备33010502003188号
