1、PLC變頻器 計算機PLC控制系統可靠性的軟件設計王茂凡1,趙中敏2(1.江蘇郵通建設監理有限公司,210009;2.淮海工學院工程訓練中心,222005摘要:制造商在生產PLC產品時已大量運用可靠性設計,但在應用設計和安裝中若不使用一些必要的措施,系統將可能出現故障,盡管PLC控制系統可靠性的關鍵是硬件,但軟件(程序的作用也很重要。文章從輸入、輸出程序、PLC通信程序的可靠性和PLC異常處理程序幾個方面探討了利用軟件設計提高PLC控制系統可靠性的方法。關鍵詞:PLC控制系統;可靠性;軟件設計中圖分類號:TM571.6+1 文獻標識碼:B 文章編號:1004-0420(201006-0021-

2、03D esign of software for the reliability of PLC control syste mWANG M ao-fan1,Z HAO Zhong-m in2(1.C onstr uction Supervision Co.,L td.Jiangsu Post Link,210005;2.Eng i n eeri n g Tra i n i n g Center,H ua i h ai Institute of Technology,222005Ab stract:T he re li ability des i gn is w i dely used by

3、PLC m anu fact urers when produces PLC product,bu t if you don t'app l y the necessary a rtifice to t he app licati on design and insta llati on,the syste m m ay be occur fau lt,a lt hough the hard w are is the key o f reli ab ility o f PLC contro l sy stem,but the soft w are(progra m si s a l s

4、o very i m portance.In t h is artic l e,the m et hod ofi m prov i ng PLC contro l syste m re liab ility by t he so ft w are desi gn was discussed w hich a i m at the i nput and output process,thereliab ili ty o f PLC communicati on process and PLC fault handli ng etc.K ey w ords:PLC con tro l syste

5、m;re liab ili ty;so ft w are desi gn0 引言PLC控制系統可靠性是指PLC與其被控對象結合后組成的系統可靠性。PLC本身可靠不等于PLC 控制系統可靠。控制系統的可靠性是一個十分復雜的系統工程問題,它涉及系統的設計、測試檢驗、分析試驗、安裝運行等多個方面,總體上可分為硬件和軟件兩個方面。從硬件部分看,PLC控制系統中常見的干擾有空間輻射、信號通道、電源、數字電路等因素影響系統的可靠性。盡管PLC控制系統可靠性的關鍵是硬件,但軟件(程序的作用也很重要。PLC提供了很多防止及檢測故障的指令,在硬件出現故障時,能檢測到故障并對故障進行報警,從而避免故障造成的不良后

6、果,甚至出現故障時還在繼續工作,即利用PLC軟件協助提高硬件可靠性。下面從軟件(程序的角度探討提高PLC控制系統可靠性的幾種方法。1 PLC控制系統可靠性軟件設計1.1 輸入可靠性程序設計輸入可靠性程序設計是利用程序來應對可能出現的輸入異常、錯誤。在實際控制系統中大約有90%的錯誤是由輸入錯誤引起的。輸入出錯常與輸入元器件、接線及信號受干擾有關,如開關或繼電器的機械觸點接觸不良或抖動;變送器不能正常工作或偏差大;傳輸信號線短路,現場信號無法傳送給PLC;現場干擾嚴重,信號失真等。防止輸入出錯有很多處理辦法,如防抖動、防輸入脈沖丟失、數字濾波、防止非法輸入、輸入冗余與出錯檢測。1 1 1 防抖動

7、一般來說,PLC的輸入信號端都接有濾波,以防觸點抖動。濾波時間常數為m s級,通常輸入信號作用在8m s以上,才算有了輸入。這個值需根據實際情況對PLC進行設定。PLC 變頻器 計算機PLC控制系統可靠性的軟件設計機床電器2010 6圖1是輸入端防抖動的梯形圖,采用軟件延時300m s 去抖。在實際使用時,定時時間的長短可根據 觸點抖動情況和系統要求的響應速度而定。圖1 輸入信號濾波梯形圖1 12 防輸入脈沖丟失采集脈沖量應避免丟失脈沖,可采取以下辦法:a .用高速計數功能采集脈沖量,只要確保高速計數最高工作頻率高于脈沖頻率,就不會丟失脈沖;b .用定時中斷及脈沖采集子程序采集脈沖量,只要確保

8、采集時間間隔小于脈沖頻率的倒數,就不會丟失脈沖。1 1 3 數字濾波對于模擬信號可連續采樣3次,采樣間隔根據A /D 轉換時間和該信號的變化頻率而定,3個數據先后存放在不同的數據寄存器中,經過比較后取中間值或取平均值作為當前輸入值。1 1 4 防止非法輸入利用信號之間的關系判斷信號是否非法,如左右2個行程開關絕對不可能兩者同時處于ON 狀態,如出現這種狀態即為非法輸入,應進行報警并禁止其起作用。1 1 5 輸入冗余與出錯檢測傳感器有檢測邏輯量與模擬量兩種。對傳感器監控可采用冗余的辦法,采用兩個傳感器,同時從兩者讀信號,然后作比較,看其是否一致。如不一致,超過允許時間,即說明其中之一必有錯誤。1

9、 2 輸出可靠性程序設計輸出錯誤也是PLC 控制系統常見的一種錯誤。雖然PLC 輸入信號沒有錯,模擬量輸入偏差也不大,PLC 處理后得出控制輸出也正確,但如果PLC 輸出控制的執行機構沒有按要求動作,這些也會使系統出現錯誤。輸出可靠性程序設計是用相應的程序去避免這些錯誤,或出現錯誤時還能確保系統安全。處理輸出執行錯誤硬件的辦法有很多,軟件的方法有輸出監控和避免錯誤輸出。1 2 1 輸出監控對執行元件監控有兩種方法:一種是用!看門狗(W atching dog,另一種是用動作反應檢測。這兩種方法本質上是相同的,只是一個在給定的時間內看動作完成了沒有,另一個不太考慮延時,只看動作執行了沒有。!看門

10、狗的機理是啟動一個動作后,如系統工作正常,經一定時間總會有反饋信號或轉入下一步動作的信號。!看門狗實質上就是定時器,在啟動一個動作的同時將其啟動,若定時時間到時仍無反饋信號,即說明出現錯誤,可以進行報警或記錄,并記錄出錯誤的時間及動作,以備診斷。圖2是輸出監控的梯形圖,從圖2可知,Q 啟動6.00動作的同時,把T I M 0002也啟動,這里設定為10s 。若10s 內反饋信號D 到來,則不執行FAL 01指令,否則,執行FAL 指令并記錄錯誤號。圖2 輸出監控梯形圖1 2 2 避免錯誤輸出有時,在特定的情況下,出現某種輸出是不允許的。這時,可把這種輸出視為誤輸出,在邏輯上予以禁止。如PLC

11、控制電梯,為防止發生!沖頂或蹲底事故,除了提高施工質量和元器件質量外,廠家利用PLC 中的定時器和繼電器,借助PLC 的錯誤診斷功能,用程序實現保護,彌補接觸器觸點粘連、觸頭不能復位、電器元件誤動作等不足,從而提高電梯的可靠性。1 3 PLC 通信可靠性程序設計隨著通信技術的發展,PLC 與PLC 、個人計算機、可編程序終端、智能裝置之間的可靠通信是由硬件保證的。由于通信分布廣,易受到各種干擾,通信錯誤或出錯也是難免的,所以通信程序錯誤也應能檢測到以確保通信可靠。1 3 1 通信可靠性為保證通信可靠,可用數據校驗或重復通信的方法:a .數據校驗。為確保傳送的數據準確無誤,常在傳送過程中進行相應

12、的校驗,以便及時發現問題,避免不正確的數據被誤用。常用的校驗有位校驗與幀校驗;b .重復通信。重復通信一般為兩個過程:寫數據要得到!寫成功的應答;讀數據看是否得到數據及校驗碼是否正確。如O MRON 公司的H ost L ink 網,計算機床電器2010 6PLC 變頻器 計算機 PLC 控制系統可靠性的軟件設計機與PLC通信時,PLC總應有應答信號傳送到計算機。如應答碼為!00,說明PLC已正確執行了計算機指令,否則出錯。1 32 通信安全性通信安全性主要指在通信過程中,數據的讀寫及節點間互操作時要有權限設定,不同的人應有不同的操作權限。如上位計算機對PLC的操作,系統管理員權限最高,可讀寫

13、PLC數據和操作PLC,工程師只能讀寫,操作員只能讀不能寫。1 4 PLC異常處理程序正如用VB、Delphi等編寫計算機程序時對異常情況的處理一樣,PLC也可采用異常處理程序用以應對PLC的各種異常情況及出錯處理。1 4 1 掉電保護系統因掉電或干擾復位均屬異常復位,應進行故障診斷并能自動恢復異常復位前的狀態。復位或掉電通常有兩種情況:一是電源恢復后不能繼續工作。要求工作人員對系統初始化,啟動后才能重新工作。在程序設計時應注意電源掉電后再恢復時不能使各工作部件工作的情況。實現方法是各個動作加自保持(一旦失電,不啟動不能再得電以及做必要的聯鎖;二是電源恢復后繼續依原來順序工作。在這種情況下,最

14、好在掉電時能記錄下掉電前的狀態。當電源恢復后,對象仍可自動地按原順序繼續工作。這時就用到掉電保持的器件,如用保持繼電器代替內部繼電器,用計數器代替定時器,所設計的程序也要考慮到前后銜接。1 42 標志位的使用PLC有很多標志位,指令在不同的情況下執行時,有不同的取值。如P-ER出錯標志,程序出錯時,此位為ON;再如P-CY進位標志,加運算進位時為ON。還可使用其它標志位,監視指令是否正確執行,并根據監視情況作異常處理。1 4 3 錯誤報警在有些PLC控制系統中,使用了3級錯誤報警系統。1級設置在控制現場各控制柜面板上,用指示燈指示設備運行情況,當設備正常運行時對應指示燈亮,當設備運行有錯誤時指

15、示燈閃爍;2級錯誤一般顯示在中心控制室的監視器上,當設備運行出現錯誤時,有文字顯示錯誤類型,工藝流程圖上對應的設備閃爍,歷史事件表中將記錄該錯誤;3級錯誤顯示在中心控制室的信號箱內,當設備運行出現錯誤時,用聲、光報警,提示工作人員及時處理錯誤。1 4 4 錯誤控制一旦系統出錯,除了報警、記錄,首先要考慮對出錯或故障性質、嚴重程度的判斷,一旦確認是嚴重故障,應有應急處理機制或程序能控制故障,以確保設備安全,特別是人身安全。1 4 5 狀態記錄PLC運行也可有自己的!黑匣子,即PLC的數據區。目前PLC的數據區已相當大。只要編寫相應的PLC運行狀態數據記錄,就可把它存儲在這個數據區中。這里所說的狀

16、態不僅是故障,還有系統運行負荷情況以及在不同負荷下運行的時間系統的重要性能特征等。一旦PLC控制系統出現故障,可找出并分析這個記錄。這對故障判斷、定位,都將有很大的幫助。1 4 6 故障預測與預防設備維護的最好辦法是故障預測與預防。用傳感器不斷監測設備的工作狀態參數,并記入PLC的數據區。再由PLC實時判斷,根據情況對可能的故障進行預測或提示維護或提示停機修理,以作必要的預防。1 4 7 故障或錯誤診斷故障或錯誤診斷是對已出現的故障或錯誤的定位與定性,為排除故障、糾正錯誤提供依據。可在計算機上建立故障或錯誤診斷知識庫,運行系統監視與診斷程序。PLC在現場監視系統工作,實時監測系統狀態,采集與存

17、儲有關數據。必要時計算機與PLC聯機通信,PLC把采集及存儲的有關數據傳送給計算機,計算機處理這些數據,并存入數據庫。一旦系統出現故障,可根據知識庫的規則及推理機制,對故障進行實時診斷。每次診斷后,還可豐富知識庫的學習機制,修改知識庫的有關規則,使知識庫的功能不斷增強。1 4 8 冗余配置在重要的使用場合,PLC冗余配置已用得越來越多,甚至還采用容錯系統。冗余有電源冗余、CP U冗余、I/O冗余及網絡冗余。冗余主要采用硬件處理,在軟件上,如O MRON公司的PLC CPU冗余,其所編的程序與非冗余一樣,雖然有2個CPU,但運行的程序完全相同。出現故障后系統自動完成CP U間的切換,無需人工干預

18、。2 結束語在工程實踐中提高PLC控制系統的可靠性通常是幾種方法并用,互相補充完善,才能取得較好的效果。從根本上來說,硬件的可靠性是(下轉第27頁PLC 變頻器 計算機PLC控制系統可靠性的軟件設計機床電器2010 6KT2線圈通電。KT2經延時后,KT2常開觸點閉合,使KM2線圈通電吸合,KM2的主觸點閉合,將電阻R2短接,電動機繼續加速,同時K M2線圈的輔助常開觸點閉合,使KT3線圈通電,KT3經延時后,其常開觸點閉合,使KM3線圈通電吸合并自鎖,電阻R3短接。至此,啟動電阻全部被短接,于是電動機進入穩定運行狀態,同時KM3的輔助常閉觸點使KT1斷電,依次使KM1、KM2、KT3失電。接

19、觸器KM1、KM2、K M3的輔助常閉觸點串接在KM線圈電路中,其目的是保證只有當上述接觸器全部都在斷電狀態,即電動機必須在全部電阻接入的情況下,方能進行啟動。2 繞線式異步電動機轉子串電阻起動線路的PLC改造2 1 PLC選型根據設計要求、控制要求,選定PLC的型號為:EC -08M08R,它是由黃石科威公司生產的E系列PLC (與三菱FX2N系列兼容,擁有8路輸入、8路(繼電器輸出,而本例實際只需要3路輸入、6路輸出,輸出留有約1/3的余量,完全滿足要求;擁有8K步的內存容量,而本例用戶程序的容量估計在20步左右;并支持內置C ANbus、485、232通信功能,有利于與其它設備進行聯網通信。2 2 I/O分配表(表1表1 PLC I/O分配表輸入信號名稱代號輸入點編號過載保護熱繼電器FR X0停止按鈕SB1X1啟動按鈕SB2X2輸出信號名稱代號輸出點編號電源接觸器K M Y0第一級切換接觸器K M1Y1第二級切換接觸器K