PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計

1、PLC變頻器 計算機PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計王茂凡1,趙中敏2(1.江蘇郵通建設(shè)監(jiān)理有限公司,210009;2.淮海工學(xué)院工程訓(xùn)練中心,222005摘要:制造商在生產(chǎn)PLC產(chǎn)品時已大量運用可靠性設(shè)計,但在應(yīng)用設(shè)計和安裝中若不使用一些必要的措施,系統(tǒng)將可能出現(xiàn)故障,盡管PLC控制系統(tǒng)可靠性的關(guān)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(shè)計提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的方法。關(guān)鍵詞:PLC控制系統(tǒng);可靠性;軟件設(shè)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(tǒng)可靠性是指PLC與其被控對象結(jié)合后組成的系統(tǒng)可靠性。PLC本身可靠不等于PLC 控制系統(tǒng)可靠?？刂葡到y(tǒng)的可靠性是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題,它涉及系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)中常見的干擾有空間輻射、信號通道、電源、數(shù)字電路等因素影響系統(tǒng)的可靠性。盡管PLC控制系統(tǒng)可靠性的關(guān)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(xiàn)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(xiàn)故障時還在繼續(xù)工作,即利用PLC軟件協(xié)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(tǒng)可靠性的幾種方法。1 PLC控制系統(tǒng)可靠性軟件設(shè)計1.1 輸入可靠性程序設(shè)計輸入可靠性程序設(shè)計是利用程序來應(yīng)對可能出現(xiàn)的輸入異常、錯誤。在實際控制系統(tǒng)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(guān),如開關(guān)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(xiàn)場信號無法傳送給PLC;現(xiàn)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(shù)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(shù)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(jù)實際情況對PLC進行設(shè)定。PLC 變頻器 計算機PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)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(jù) 觸點抖動情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)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(yīng)避免丟失脈沖,可采取以下辦法:a .用高速計數(shù)功能采集脈沖量,只要確保高速計數(shù)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(shù),就不會丟失脈沖。1 1 3 數(shù)字濾波對于模擬信號可連續(xù)采樣3次,采樣間隔根據(jù)A /D 轉(zhuǎn)換時間和該信號的變化頻率而定,3個數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中,經(jīng)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(guān)系判斷信號是否非法,如左右2個行程開關(guān)絕對不可能兩者同時處于ON 狀態(tài),如出現(xiàn)這種狀態(tài)即為非法輸入,應(yīng)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(jiān)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(shè)計輸出錯誤也是PLC 控制系統(tǒng)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(zhí)行機構(gòu)沒有按要求動作,這些也會使系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。輸出可靠性程序設(shè)計是用相應(yīng)的程序去避免這些錯誤,或出現(xiàn)錯誤時還能確保系統(tǒng)安全。處理輸出執(zhí)行錯誤硬件的辦法有很多,軟件的方法有輸出監(jiān)控和避免錯誤輸出。1 2 1 輸出監(jiān)控對執(zhí)行元件監(jiān)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(yīng)檢測。這兩種方法本質(zhì)上是相同的,只是一個在給定的時間內(nèi)看動作完成了沒有,另一個不太考慮延時,只看動作執(zhí)行了沒有。!看門

10、狗的機理是啟動一個動作后,如系統(tǒng)工作正常,經(jīng)一定時間總會有反饋信號或轉(zhuǎn)入下一步動作的信號。!看門狗實質(zhì)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(xiàn)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(jiān)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(shè)定為10s 。若10s 內(nèi)反饋信號D 到來,則不執(zhí)行FAL 01指令,否則,執(zhí)行FAL 指令并記錄錯誤號。圖2 輸出監(jiān)控梯形圖1 2 2 避免錯誤輸出有時,在特定的情況下,出現(xiàn)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(fā)生!沖頂或蹲底事故,除了提高施工質(zhì)量和元器件質(zhì)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?qū)崿F(xiàn)保護,彌補接觸器觸點粘連、觸頭不能復(fù)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(shè)計隨著通信技術(shù)的發(fā)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(yīng)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(shù)據(jù)校驗或重復(fù)通信的方法:a .數(shù)據(jù)校驗。為確保傳送的數(shù)據(jù)準確無誤,常在傳送過程中進行相應(yīng)

12、的校驗,以便及時發(fā)現(xiàn)問題,避免不正確的數(shù)據(jù)被誤用。常用的校驗有位校驗與幀校驗;b .重復(fù)通信。重復(fù)通信一般為兩個過程:寫數(shù)據(jù)要得到!寫成功的應(yīng)答;讀數(shù)據(jù)看是否得到數(shù)據(jù)及校驗碼是否正確。如O MRON 公司的H ost L ink 網(wǎng),計算機床電器2010 6PLC 變頻器 計算機 PLC 控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計機與PLC通信時,PLC總應(yīng)有應(yīng)答信號傳送到計算機。如應(yīng)答碼為!00,說明PLC已正確執(zhí)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(shù)據(jù)的讀寫及節(jié)點間互操作時要有權(quán)限設(shè)定,不同的人應(yīng)有不同的操作權(quán)限。如上位計算機對PLC的操作,系統(tǒng)管理員權(quán)限最高,可讀寫

13、PLC數(shù)據(jù)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(yīng)對PLC的各種異常情況及出錯處理。1 4 1 掉電保護系統(tǒng)因掉電或干擾復(fù)位均屬異常復(fù)位,應(yīng)進行故障診斷并能自動恢復(fù)異常復(fù)位前的狀態(tài)。復(fù)位或掉電通常有兩種情況:一是電源恢復(fù)后不能繼續(xù)工作。要求工作人員對系統(tǒng)初始化,啟動后才能重新工作。在程序設(shè)計時應(yīng)注意電源掉電后再恢復(fù)時不能使各工作部件工作的情況。實現(xiàn)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(lián)鎖;二是電源恢復(fù)后繼續(xù)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(tài)。當電源恢復(fù)后,對象仍可自動地按原順序繼續(xù)工作。這時就用到掉電保持的器件,如用保持繼電器代替內(nèi)部繼電器,用計數(shù)器代替定時器,所設(shè)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(zhí)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(jiān)視指令是否正確執(zhí)行,并根據(jù)監(jiān)視情況作異常處理。1 4 3 錯誤報警在有些PLC控制系統(tǒng)中,使用了3級錯誤報警系統(tǒng)。1級設(shè)置在控制現(xiàn)場各控制柜面板上,用指示燈指示設(shè)備運行情況,當設(shè)備正常運行時對應(yīng)指示燈亮,當設(shè)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(jiān)視器上,當設(shè)備運行出現(xiàn)錯誤時,有文字顯示錯誤類型,工藝流程圖上對應(yīng)的設(shè)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(nèi),當設(shè)備運行出現(xiàn)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(tǒng)出錯,除了報警、記錄,首先要考慮對出錯或故障性質(zhì)、嚴重程度的判斷,一旦確認是嚴重故障,應(yīng)有應(yīng)急處理機制或程序能控制故障,以確保設(shè)備安全,特別是人身安全。1 4 5 狀態(tài)記錄PLC運行也可有自己的!黑匣子,即PLC的數(shù)據(jù)區(qū)。目前PLC的數(shù)據(jù)區(qū)已相當大。只要編寫相應(yīng)的PLC運行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄,就可把它存儲在這個數(shù)據(jù)區(qū)中。這里所說的狀

16、態(tài)不僅是故障,還有系統(tǒng)運行負荷情況以及在不同負荷下運行的時間系統(tǒng)的重要性能特征等。一旦PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)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(yù)測與預(yù)防設(shè)備維護的最好辦法是故障預(yù)測與預(yù)防。用傳感器不斷監(jiān)測設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù),并記入PLC的數(shù)據(jù)區(qū)。再由PLC實時判斷,根據(jù)情況對可能的故障進行預(yù)測或提示維護或提示停機修理,以作必要的預(yù)防。1 4 7 故障或錯誤診斷故障或錯誤診斷是對已出現(xiàn)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(jù)?？稍谟嬎銠C上建立故障或錯誤診斷知識庫,運行系統(tǒng)監(jiān)視與診斷程序。PLC在現(xiàn)場監(jiān)視系統(tǒng)工作,實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài),采集與存

17、儲有關(guān)數(shù)據(jù)。必要時計算機與PLC聯(lián)機通信,PLC把采集及存儲的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計算機,計算機處理這些數(shù)據(jù),并存入數(shù)據(jù)庫。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,可根據(jù)知識庫的規(guī)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(xué)習(xí)機制,修改知識庫的有關(guān)規(guī)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(tǒng)。冗余有電源冗余、CP U冗余、I/O冗余及網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)故障后系統(tǒng)自動完成CP U間的切換,無需人工干預(yù)

18、。2 結(jié)束語在工程實踐中提高PLC控制系統(tǒng)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(zhuǎn)第27頁PLC 變頻器 計算機PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計機床電器2010 6KT2線圈通電。KT2經(jīng)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(xù)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(jīng)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(wěn)定運行狀態(tài),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(tài),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(zhuǎn)子串電阻起動線路的PLC改造2 1 PLC選型根據(jù)設(shè)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(chǎn)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(nèi)存容量,而本例用戶程序的容量估計在20步左右;并支持內(nèi)置C ANbus、485、232通信功能,有利于與其它設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)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