PLC可靠性分析与冗余设计.pdf

第 2期 2 0 0 5年 4月 工 矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Aut o m a t i o n NO ． 2 A p r ． 2 0 05 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 5 0 2 0 0 5 8 0 2 P L C可靠性分析与冗余设计 郑 亮， 蒋 大明， 戴胜 华 北 京交通大学 电子信 息工程学 院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 摘要 P L C广泛应用于社会生产各个行业， 因此讨论其可靠性以及提 出设计方案是非常重要的。文章 分析 了与 P L C可靠运行有关的各个因素， 提 出了克服这些因素影响的可靠性设计方案， 着重分析 了提高可 靠性 非常重要 的一项措施 并联 冗余设 计。考虑到这一 冗余设 计方案存 在使 系统 成本 大幅 增加 的缺 点， 使得 它的应用 受到 限制 ， 最后提 出了一种可 以克服 并联 冗余设计缺 点的新的 冗余设计 方法 。 关键 词 P L C； 可靠性 ； 冗余设 计 中图分类号 T P 3 6 8 ． 1 文献标 识码 B 0 引言 P L C是专为工业生产环境设计的计算机控制 设备 ， 具 有可靠 性 高、 抗 干扰 能 力强 的特 点 ， 一般 不 需要采取特殊 的措施 ， P I C就 可直 接应 用于工 业环 境 中。但工业控制现场 环境条件多很恶 劣 ， 干扰 强 ， 同时还需考虑 P L C 自身 的故 障 ， 因此 必须 注意诸多 因素 ， 以保证 P I C系统长期安全可靠 地运行 。 1 影响可靠性的 因素 及设计 1 温度 P L C的工作环境 温度为 0 ～5 5。 C， 且不 可急剧 变化 。由于温度 的变化 将 直接 影 响 P L C元器 件 的 可靠性 和寿命 ， 所 以必 须采取 措 施 限制 温度 的上 下 限。当温度超 过5 5。 C时 ， 可通 过将 系统安装 于通 风 好 、 有空调 的控制 室 内 ， 在柜 中设 置风 扇 、 冷 风机 等 措施 。当温度 低 于0。 C时 ， 可通 过在 柜 中设置 加 热 器 、 不切断控制器 电源等来改善 。 2 湿度 P L C工作相对湿 度 为 3 O ～8 5 ， 湿 度过 大或 过小可导致 P L C内部元件 性能 恶 化 、 短路 和静 电感 应损坏等不 良后果 。可采用以下对策 盘柜设计成封 闭型， 电路板覆盖保护层 ， 尽量避免人体接触感应等。 3 电源 多数 外界干扰都是通 过电源线进 入 P L C的， 所 收稿 日期 2 0 0 4 1 1 一 l 5 作者 简 介 郑亮 1 9 8 1 一 ， 男 ， 硕 士研 究生 ， 2 0 0 2年 毕 业 于太 原理工 大学 自动 化系 ， 同年 考入北 京交 通 大学 攻 读硕 士 ， 现 主要从 事 铁路 、 工 厂监测 系统 的设计 与研 究 。 以电源的设计尤 为重 要 。可 以将 动 力部 分 、 控制 部 分 、 P L C和 I ／ O 电源分别 配线 ， 并将 P I C的电源用 带 屏蔽层 的隔离变 压器隔离 。 4 空气 P I C不可安装在 有尘 埃 、 导 电粉末 、 有 害气 体 、 水分 、 有机溶 剂 、 强碱性 溶 液 的环境 中， 应将 盘 柜设 置成密闭结构 ， 以防止对 系统 可靠 运 行有 影 响 的不 清洁空气进入 。 5 振 动和冲击 P L C经 受 不 了较 大 震 动 和 冲击 ， 所 以应 该 将 P L C设置在远离振源的场所 ， 并安装防振橡皮等。 6 自身的设计 设计中必须充分考虑设备的可靠性 ， 因而控制 设备冗余设计是一个非常有效的措施 ， 并在工业控 制 中得 到广泛 的应 用 。 2 冗余设计及 其分析 上 述大 部分 因素 ， 以及 在这 些 因素下 提高 可靠 性 的方 法 ， 都 是 立 足 于 P L C 自身运 行 正 常 的情 况 下 。如果 PL C 自身出现故 障 ， 那么整个 系统便 完全 失效 ， 所 以 P L C 自身 的设 计是提高可靠 性最 重要 的 一 环 。下面就运用可靠性 理论 对 系统 的冗余设计做 一 个 分析 。 此处所提 的冗余设 计是指并联冗余 设计 。并联 冗余设 计是指将若干个 单元简单并联 ， 如 图 1所示 ， 如果某 一单元 出现 故 障 ， 其它 并联 单 元仍 可维 持 整 个 系统 的工作通道 。 设 第 i 个单元 的可靠度函数 为 R f ， 则 个 单 元并联 冗余系统 的可靠度 函数 为 维普资讯 2 0 0 5年第 2 期 郑 亮等 P L C可靠性分析与冗余设计 5 9 图 1 并联冗余系统框图 R ￡ 一 1 一 Ⅱ[ 1一R ￡ ] 平均寿命为 MT B F I R 并 ￡ d t 由于 电子产 品和控制设备 的失效 分布大致都服 从指数分布， 而且 P L C的并联冗余设计一般都是采 用两 台完全相 同的 P LC的并联 冗余 ， 即 一2 ， 所 以 单个 P L C的可靠度 为 Rl ￡ 一 R2 t 一 P 一 平均 寿命 为 MT BFl MTB F2一 则两单元并联冗余 系统 的可靠度为 R ￡ 一 1一 1一 e 一 一 2 e - 一 e 一 平均寿命为 M T B F 一 』 2 一 一 e 一 一 1 一 3 系统可靠度 函数图如图 2所示 。 图 2 系统 司靠 度 函 数图 图 2中， 靠上的曲线是并联冗 余系统的可靠度函 数图 ， 靠下 的蓝线 是单 个 P L C可靠 度 函数 图。从 图 中可以很明显地看出， 并联冗余后系统的可靠性指标 明显地上升 。而且 比较单个 P L C系统和 2个 P L C并 联冗余系统， 后者的平均寿命是前者的 1 ． 5 倍 。 从 上面的分析可 以得 出 ， 在理论上 ， 并联冗余设 计是 提高系统可靠性 的非常有 效的措施 。而且 它在 工业 控制中的实际应用 已经证 明并联冗余设计 是可 行 的 ， 有效 的。 3 一种新 的冗余 设计方案 上述冗余设计是将 系统的输入输 出分别连接 2台内容完全相同的 P L C， 当一台 P L C出现故 障 时 ， 可切换 到另一 台 P I C继续 工作 ， 保 证 了系统 的 正常运行， 提高了系统的可靠性。但是由于冗余设 备长期处于空闲状态， 使得控制系统的成本大幅度 地增加 ， 因此 其应用必 然受 到一定程度 的限制 。 以下介绍一种新的冗余设计方法 双重并联冗 余设计 ， 系统框 图如 图 3所 示 。 图 3 双重 并联 冗 余 系统 框 图 P L C 1和 P L C 2同时 并 联 工作 ， 当错误 检测 器 发现某 一 台 P L C输 出不正 常时 ， 通过 诊断逻 辑启 动 停止 开关 ， 截 断出错 P L C 的输 出 ， 并 由另一 台 P L C 接 管出错 PL C的 工作 。本 系统 的优 点 是在 并 联通 道 的后 部交叉设置 了与 门和或 门 ， 当两路 都正 常工 作时， 可以实现两台 P L C无空闲双重工作； 当有一 路 发生故 障时 ， 另一 路 通过与 门和或 门 同时支 持 两 路 的输 出。这 一设计 完全解决 了并联冗余 系统 必须 有一路空 闲的缺 点 ， 不仅提 高 了系统 可靠性 ， 而且节 约 了系统 的成本 。 4 结语 提 出了一些克 服影 响 P L C可 靠 性 的 因素 的措 施 ， 重点分析 了一种 普 遍采 用 的冗余 设 计方 法 的可 行性和有效性 ， 并 提 出 了一 种更 有 效 的冗余设 计 方 案 ， 为工业控制 中 P L C可靠 性设 计提供 了一定 的依 据 。 参 考文 献 [ 1 ] 王兆义． 可编程控制器教程[ M] ． 北京 机械 工业出版 社 ． 1 9 9 3 ． [ 2 ] 陈明． 电测与 自动化装置可靠性[ M] ． 西安 西北工 业大学出版社 ， 1 9 8 9 ． [ 3 3 赵跃华． 可编程序控制器及其应用[ M] ． 成都 电子科 技大学出版社 ， 1 9 9 8 。 [ 4 ] 徐平 ， 李全灿． 电控及 自动化设 备可靠性 工程 技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 7 ． 维普资讯