提高PLC控制系统的可靠性.pdf

文献标识码B 文章编号1 0 0 3 0 4 9 2 2 0 0 5 0 2 0 0 4 1 0 3 中图分类号T P 2 0 2 ． 1 一 作者杨新泉 提高P L C控制 系统的可靠性 I mp r o v i n g Re l i a b i l i t y o f P LC Co n t r o l S y s t e m 胜 利石油 管 理局总 机 械厂三 采 装备开 发中 心，山 东东营2 5 6 0 6 7 杨新泉，胡 艳 摘要 从硬件电路 、外围器件及软件编程 等方面详细论述 了提 高注聚装 置控制系统可靠性、 稳定性 、 安全性的几种解决措施和实现方法， 对 P L C 控制系统具有推广应用价值。 关键词注聚装置；控制 系统；P L C；硬件；软件；可靠性 Ab s t r a c t T h e p a p e r d e s c rib e s i n d e t a i l 8 o me me 8 8 u l s a nd imp l e me n t in g me t h o d s o f imp r o v ing r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y and s e c u r i t y o f in j e c t i n g p o l y mer u nit c o n tr o l s y s t e m f r o m h a r d wa r e c i r c u i t ,p e r i p h e r y p a r t s an d s o ft wa r e p r o g r a m． Th e s e me t h o d s C a l l b e e x t e n d e d t o P L C c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s I n j e e t i n g p o l y me r u n i t ； C o n t r o l s y s t e m； P L C； Ha r d wa r e ； S o ft wa r e ； Re l i a b i l i t y 1 概 述 三次采油作为老油田稳产、上产、提高采收率的重要 措施、已得到广泛应用。以胜利油田为例，自 1 9 9 7年胜利 采油厂建成投产聚合物驱油先导实验站以来，至今油田已有 几十个注聚站投入生产，为胜利油田的稳产、上产发挥 了重 要作用。胜利石油管理局总机械厂三次采油装备开发中心作 为三采地面装备的专业开发 队伍，承建 了胜利油田聚合物注 聚站的地面装备、控制柜、自控系统、监控系统和混配系统 闭环调节等主要工程项目。根据设计要求和工艺流程需要， 自动控制系统对整个注聚站实行 自动控制和自动运行，并在 值班室配备微机监控，可对电器设备的工作状态、工艺流程 的运行情况实施现场监控、实时报警，自动化程度很高。 由于聚合物注聚站的自动化程度很高，所 以对 自控系 统的稳定性、可靠性 、安全性要求极严，因为自控系统一旦 出现问题，现场值班员往往束手无策，对 出现的问题不能及 时处理，严重时会 出现冒罐、停注等重大事故，对注聚站的 正常生产运行及注聚效果影响很大。故采取各种措施提高 自 控系统的稳定性、可靠性、安全性就显得尤其关键。 聚合物注聚站的自控系统以 P L C 为核心、加以辅助电 器设备组成自控系统的的硬件基础、以 P L C 软件编程组成 控制核心、配备上位计算机组网监控构成整个控制系统。 下面结合几年的实践经验从控制系统的稳定性、可靠 性、安全性几个方面加以探讨。 2 P L C及硬件 电路 收 日 期2 0 0 4 1 2 2 4 作者筒介扬新泉 1 9 6 2 一 ，男，工程师，现从事工业自动化设计及 应用工作． 控制系统的可靠性在很大程度上依赖于硬件 电路的设 计、其中包括 P L C 的使用环境、安装、电源、输入、输 出 电路等。 2 ． 1 P L C的安装环境 P L C 是专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采 用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的工业环境中 与强电一起工作，运行的稳定性、可靠性较高。一般地说， 不需采用什么特殊措施，可直接在工业环境中应用。P L C是 以集成电路为基本元件的电子设备，内部处理不依赖于接 点，元件的寿命几乎不用考虑，目前 P L C 的整机平均无故 障工作时间一般可达 5～l 0万小时。 但工作环境过于恶劣或安装使用不 当时，可靠性也会 降低。P L C使用环境温度通常在 0 ～ 5 5 “ C 范围，应避免太阳 光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件 ，保证足够大 的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于 8 5 ％，以保 证 P L C 有 良 好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的 场合，需将 P L C 封闭安装。避免有过度的振动和冲击，如 果 P L C安装位置有强烈的震动源，应采取相应的减振措施。 2 ． 2 P L C的电源 与接地 P L C本身的抗干扰能力很强。通常只需将 P L C的电源 与动力电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够 强的抑制能力，但是考虑到注聚站为前线生产单位，用电高 峰和低峰时供 电电压相差较大，电压极不稳定，所以采取交 流净化稳压电源供 电方式，一方面可使 电源稳定；同时可减 少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。 如果一个系统中含有扩展单元，则其电源必须与基本 单元共用一个开关控制，也就是说，它们的上电和断电必须 同时进行。 良好的接地是保证 P L C安全可靠运行的重要条件， P L C 系统接地的基本原则是单点接地，即将整个装配表面接到低 阻抗地的参考点，这个连接应具有极低的直流电阻 1 0 0 和高频阻抗。为 了抑制附加在电源及输入线、输出线的干扰， 应给 P L C 接专用地线，并且接地点要与其他设备分开，如 图 l a 所示。 现场安装时如达不到这种条件要求，也可采用公共接 地方式，如图 l b 所示。但是禁止采用如图 l c 所示的串联 接地方式，因为它会使各设备问产生电位差而引入干扰。此 外，接地线要足够粗，接地 电阻要小，接地点应尽可能靠近 维普资讯 PLC。 I 1 ．．L 宁 鬯 b c 图 1 P L C的接地 2 - 3 P L C的输入设备 开关量输入信号，常用的有按钮、选择开关、行程开 关、限位开关、接触器或继电器的常开、常闭触点等，其器 件质量的优劣、接线方式以及是否牢固可靠是影响控制系统 可靠性的重要因素。器件触点接触要保持在 良好状态，接线 要牢固可靠。设计时，应尽量选用可靠性高的元器件。 模拟量输入信号常用的有 4～ 2 0 mA、0～2 0 mA 直流电 流信号；0～5 V、0～1 0 V直流电压信号。电源为直流 2 4 V。 在布线时，P L C 的交流线与直流线应分开走线。开关 量与模拟量的输入／ 输出线也要分开敷设 ，后者最好使用屏 蔽线。此外 P L C 基本单元与扩展单元之间的传送信号易受 干扰，其传送电缆不能与别的线敷设在同一管道内。输入／ 输出线与系统动力线更要分开布线，并保持一定距离。 P L C 的开关量和模拟量输入信号，由于噪声、干扰、 开关的误动作、模拟信号误差等因素的影响，会形成输入信 号的错误，严重时将引起程序判断失误，造成误动作。所以 应选择可靠性高的电路设计并在软件编程时采取措施来抑制 错误信 息，提高系统的可靠性。例 l以一个简单的起、停控 制说明，如图 2 、图 3所示。图 2 a 、 所示的电路及对应 的梯形图程序 图 3 a 、 都可以实现 S B 1启动按钮按下， 输出动作；S B 2停止按钮按下，输出断开的功能。假设输出 断开为安全状态，从可靠性角度分析，图 3 b 的可靠性 比图 3 a 要高。因为 S B1 、S B 2都有发生故障的可能，但是最常 见的现象是输入电路开路，当采用图3 b 电路时，不论 S B1 、 S B 2开关本身、还是接线开路，输出都为安全状态，保证系 统的安全可靠。 X 0 y 0 X1 X 0 y 0 X 1 图 2 P L C输入接线 图 3 梯形图程序 当按钮作为输入信号时，则不可避免产生抖动；输入 信号是接触器或继电器触点时，有时会产生瞬间跳动，容易 引起误动作，影响可靠性。例 2为消除抖动的梯形图程序， 如图 4所示。定时时间可根据实际情况和系统要求来确定， 这样可保证触点可靠闭合或断开后执行输出。X 0为启动信 号，X1为停止信号，Y0为输出信号，T O为定时器，K1为 定时时间。 x 0 I l x 1 I l厂 个 岍 ， J。 。 ⋯ T OI I Y 0 I l 图4 梯形图程序 对于模拟量信号可采取连续多次采样 ，采样时间根据 A ／ D 转化时间和该信号的变化频率而定，多个数据放在不同 的数据区中，经比较后取平均值作为当前信号输入值。这样 可有效的滤除干扰引起的瞬间跳交值，另外必须将屏蔽电缆 的屏蔽层可靠接地，也可起到减少干扰的作用，提高系统可 靠性。 2 ．4 P L C的输出 电路 对于开关量输出来说，P L C 的输出有继电器输出、晶 闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选用那种形式的输出 应根据负载要求来决定。选择不当会降低系统可靠性，严重 时可能导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流 负载，晶体管输出只能用于直流负载。此外，P L C 的输出端 子带负载能力是有限的，如果超过 了规定的最大限值，必须 外接继电器或接触器，才能正常工作。P L C输出电流的额定 值是与负载性质有关的。额定负载电流还与温度有关，当工 作环境温度高时，额定负载电流相应减小。如 P L C 输出驱 动的负载为感性元件 时，对于直流负载，通常是在线圈两端 并联二极管；对于交流负载，是在负载两端并联阻容吸收电 路。采取以上的保护措施是为了防止感性元件在输入或输出 断开时，产生很高的感应电势或浪涌电流对 P L C 端子及 内 部电路的冲击，以保护P L C，提高可靠性。 当输入信号源为晶体管，或是光 电开关输出类型时； 当输出元件为双向晶闸管，或是晶体管输出，而外部负载又 很小时，会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，使 输入电路和外部负载电路不能彻底关断，导致输入和输 出电 路信号的错误。为此，应在这类输入输出端并联旁路电阻， 以减小 P L C 输入电流和外部负载上的电流，保证动作的可 靠性。 为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信 号与直流输入、输出应分别使用各 自的电缆；对于集成 电路 或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽 电缆，屏 蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地，其处理方式 如 图 5所示。 维普资讯 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 w w w . b z f x w . c o m 输 入 ’ ’ 制 辅 出 ． ＼ ／ 器 1 ＼／ 图 5 屏蔽电缆的处理 3 利用软件编程提高系统工作可靠性 P L C 内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅 助继电器等，利用它们来设计一些程序，可有效的提高控制 系统的可靠性、安全性，例如为 了确保 P L C 动作的可靠， 在软件设计时根据需要和可能使用动作优先程序，其基本形 式有下图6 a 、 b 两种． z 0l I z 1 I y o r 1 J～ a y o ． ． z 1 I y o J～ b 图 6 俘止 优 先梯形 图 程序 图6 a 中，停止信号XI I时，无论启动信号状态如何， 输 出Y 0 被停止；当停止信号XI 0 ，启动信号 X 0 I 时，Y 0 有输出， 并实现 自 锁 X 0与xl 同时为 l 时， 停止信号有效， 所 以叫停止优先式。图 6 0 , 9，当启动信号 X0 I时，无论 停止信号状态如何，输出 Y0被启动，XI O时，实现自锁 当启动信号 X 0 0 ，停止信号 XI I时，Y 0被停止输出。X0 与 xl同时为 l时，启动信号有效，所以叫启动优先式。 硬件是基础，软件是核心。P L C功能强大，软件丰富。 P L C程序设计的好坏，直接影响控制系统的性能和可靠性， 完善的程序不但要满足现场工艺流程和系统控制的要求，而 且还要根据需要选用软件编程的方法进行信号相容性检查， 其 中 包括开关信号之间的状态是否矛盾，模拟值的变化范 围是否正常，开关量和模拟量信号是否一致，以及各个信号 的时序是否正确等。采取时间故障检测法、 逻辑错误检测法、 联锁控制等方法，充分利用 P L C 的软、硬件资源精心设计 电路和编写程序，就能极大的提高系统的可靠性。 4 外围电路和执行器件 通过几年的现场经验证明，P L C 本身 的可靠性很高， 故障率极低．而继电器、接触器、电磁阀等执行器件的故障 率相对较高， 这些元件本身发生故障时， P L C不会自动停机， 直到故障造成 了后果时才会被发现，对系统可靠性的影响很 大．所以，一方面必须选用高质量的元器件来提高可靠性， 另一方面，要充分考虑到故障发生的可能性，在电路设计和 软件编程时对故障率较高的外围器件的工作状态进行反馈和 检测，当有故障发生时，根据故障部位的重要性和对控制系 统的影响，及时采取给出报警信患、自动停机等措施，避免 造成严重后果。同时，变频器在近几年中已大量被采用，变 频器对模拟量信号的干扰十分严重，在同一环境 中使用时， 应对变频器单独接地，合理布线，避免或减小干扰的影响， 提高系统控制的可靠性。 5 结 论 影响控制系统可靠性的因素多种多样，因此在实际应 用中，针对 P L C 的技术条件、被控负载的性质和现场环境， 要充分考虑到各种因素的影响，在电路设计和软件编程中采 取相应的技术措施，并在实践中不断改进、不断提高、不断 完善。是确保 P L C 控制系统可以长期、稳定、可靠工作的 一 个重要环节。 参考文献 【 1 】汪晓光， 孙晓瑛， 王艳丹． 可编程控制器原理及应用【 M】 ．机械工业出版 社． 1 9 9 4 ． 【 2 】常斗南， 李金利， 张学武．可编程序控制器原理、应用、实验【 M】 ． 机械 工业出版社． 1 9 9 8 ． 零★零★零★ 科学家 李同保 ★零★零★零★零★★零★零★ 光学、计量专家 Li To ng ba o 李同 保 1 9 4 2一 光 学 、计 量 掌 专 家 。河 南 省 温 县 人 。1 9 6 3 年 毕 业 于 上 海 同 济 大 学 。 现 任 同 济 大 学 教 授 、 研 究 员 ． 中 国 计 量 测 试 学 会 副 理 事 长 ． 中 国 照 明 学 会 理 事 、 光 电 子 及 系 统 学 会 理 事 等 职 。 ■ 任 中 国 测 试 技 术 研 冀 兜 副 院 长、 院 长 等 职 。 长 期 从 事 计 量 测 试 技 术 研 究 ． 是 国 际 上 最 早 从 事 量 子 辐 射 度 掌 研 究 的 科 学 家 之 一 。 主 持 研 制 的 多 项 光 辐 射 测 量 标 准 及 仪 器 填 补 了 国 内 空 白 。 研 制 了 我 国 第 一 台 精 密 数 字 式 照 度 计 ． 达 到 国 际 同 类 仪 器 的 水 平 。 以 量 子 辐 射 度 的 新 方 法 高 准 确 度 地 测 量 了 硅 材 料 在 紫 外 区 的 量 子 产 额． 比 国 际 上 通常 采 用 的 克 旦 斯 坦 森 数 据 精 度 提 高 约5 倍 。 兜 成 的 硅 光 电 二 极 管 自 校 准 技 术 研 究 ． 实 现 了 光 辐 射 绝 对 测 -l I - 技 术 从 热 力 学 测 - l I - 子 物 理 的 变 革 。 分 别 获 l 98 5和l 9 8 9年2项 国 家 科 技 进 步 奖 一 等 奖 ． 省 部 级 奖 多 项 。 1 9 9 4 年 当 选 为 中 国 工 程 院 院 士。 维普资讯