PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計(jì)

1、PLC變頻器 計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計(jì)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(shí)已大量運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì),但在應(yīng)用設(shè)計(jì)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(gè)方面探討了利用軟件設(shè)計(jì)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(jì)中圖分類(lèi)號(hào):TM571.6+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):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(duì)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(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題,它涉及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試檢驗(yàn)、分析試驗(yàn)、安裝運(yùn)行等多個(gè)方面,總體上可分為硬件和軟件兩個(gè)方面。從硬件部分看,PLC控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的干擾有空間輻射、信號(hào)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(cè)故障的指令,在硬件出現(xiàn)故障時(shí),能檢測(cè)到故障并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警,從而避免故障造成的不良后

6、果,甚至出現(xiàn)故障時(shí)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(jì)1.1 輸入可靠性程序設(shè)計(jì)輸入可靠性程序設(shè)計(jì)是利用程序來(lái)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的輸入異常、錯(cuò)誤。在實(shí)際控制系統(tǒng)中大約有90%的錯(cuò)誤是由輸入錯(cuò)誤引起的。輸入出錯(cuò)常與輸入元器件、接線及信號(hào)受干擾有關(guān),如開(kāi)關(guān)或繼電器的機(jī)械觸點(diǎn)接觸不良或抖動(dòng);變送器不能正常工作或偏差大;傳輸信號(hào)線短路,現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)無(wú)法傳送給PLC;現(xiàn)場(chǎng)干擾嚴(yán)重,信號(hào)失真等。防止輸入出錯(cuò)有很多處理辦法,如防抖動(dòng)、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(cuò)檢測(cè)。1 1 1 防抖動(dòng)

7、一般來(lái)說(shuō),PLC的輸入信號(hào)端都接有濾波,以防觸點(diǎn)抖動(dòng)。濾波時(shí)間常數(shù)為m s級(jí),通常輸入信號(hào)作用在8m s以上,才算有了輸入。這個(gè)值需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)PLC進(jìn)行設(shè)定。PLC 變頻器 計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計(jì)機(jī)床電器2010 6圖1是輸入端防抖動(dòng)的梯形圖,采用軟件延時(shí)300m s 去抖。在實(shí)際使用時(shí),定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短可根據(jù) 觸點(diǎn)抖動(dòng)情況和系統(tǒng)要求的響應(yīng)速度而定。圖1 輸入信號(hào)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(jì)數(shù)功能采集脈沖量,只要確保高速計(jì)數(shù)最高工作頻率高于脈沖頻率,就不會(huì)丟失脈沖;b .用定時(shí)中斷及脈沖采集子程序采集脈沖量,只要確保

8、采集時(shí)間間隔小于脈沖頻率的倒數(shù),就不會(huì)丟失脈沖。1 1 3 數(shù)字濾波對(duì)于模擬信號(hào)可連續(xù)采樣3次,采樣間隔根據(jù)A /D 轉(zhuǎn)換時(shí)間和該信號(hào)的變化頻率而定,3個(gè)數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中,經(jīng)過(guò)比較后取中間值或取平均值作為當(dāng)前輸入值。1 1 4 防止非法輸入利用信號(hào)之間的關(guān)系判斷信號(hào)是否非法,如左右2個(gè)行程開(kāi)關(guān)絕對(duì)不可能兩者同時(shí)處于ON 狀態(tài),如出現(xiàn)這種狀態(tài)即為非法輸入,應(yīng)進(jìn)行報(bào)警并禁止其起作用。1 1 5 輸入冗余與出錯(cuò)檢測(cè)傳感器有檢測(cè)邏輯量與模擬量?jī)煞N。對(duì)傳感器監(jiān)控可采用冗余的辦法,采用兩個(gè)傳感器,同時(shí)從兩者讀信號(hào),然后作比較,看其是否一致。如不一致,超過(guò)允許時(shí)間,即說(shuō)明其中之一必有錯(cuò)誤。1

9、 2 輸出可靠性程序設(shè)計(jì)輸出錯(cuò)誤也是PLC 控制系統(tǒng)常見(jiàn)的一種錯(cuò)誤。雖然PLC 輸入信號(hào)沒(méi)有錯(cuò),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(jī)構(gòu)沒(méi)有按要求動(dòng)作,這些也會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。輸出可靠性程序設(shè)計(jì)是用相應(yīng)的程序去避免這些錯(cuò)誤,或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)還能確保系統(tǒng)安全。處理輸出執(zhí)行錯(cuò)誤硬件的辦法有很多,軟件的方法有輸出監(jiān)控和避免錯(cuò)誤輸出。1 2 1 輸出監(jiān)控對(duì)執(zhí)行元件監(jiān)控有兩種方法:一種是用!看門(mén)狗(W atching dog,另一種是用動(dòng)作反應(yīng)檢測(cè)。這兩種方法本質(zhì)上是相同的,只是一個(gè)在給定的時(shí)間內(nèi)看動(dòng)作完成了沒(méi)有,另一個(gè)不太考慮延時(shí),只看動(dòng)作執(zhí)行了沒(méi)有。!看門(mén)

10、狗的機(jī)理是啟動(dòng)一個(gè)動(dòng)作后,如系統(tǒng)工作正常,經(jīng)一定時(shí)間總會(huì)有反饋信號(hào)或轉(zhuǎn)入下一步動(dòng)作的信號(hào)。!看門(mén)狗實(shí)質(zhì)上就是定時(shí)器,在啟動(dòng)一個(gè)動(dòng)作的同時(shí)將其啟動(dòng),若定時(shí)時(shí)間到時(shí)仍無(wú)反饋信號(hào),即說(shuō)明出現(xiàn)錯(cuò)誤,可以進(jìn)行報(bào)警或記錄,并記錄出錯(cuò)誤的時(shí)間及動(dòng)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(dòng)6.00動(dòng)作的同時(shí),把T I M 0002也啟動(dòng),這里設(shè)定為10s 。若10s 內(nèi)反饋信號(hào)D 到來(lái),則不執(zhí)行FAL 01指令,否則,執(zhí)行FAL 指令并記錄錯(cuò)誤號(hào)。圖2 輸出監(jiān)控梯形圖1 2 2 避免錯(cuò)誤輸出有時(shí),在特定的情況下,出現(xiàn)某種輸出是不允許的。這時(shí),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(shí)器和繼電器,借助PLC 的錯(cuò)誤診斷功能,用程序?qū)崿F(xiàn)保護(hù),彌補(bǔ)接觸器觸點(diǎn)粘連、觸頭不能復(fù)位、電器元件誤動(dòng)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(jì)隨著通信技術(shù)的發(fā)展,PLC 與PLC 、個(gè)人計(jì)算機(jī)、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(cuò)誤或出錯(cuò)也是難免的,所以通信程序錯(cuò)誤也應(yīng)能檢測(cè)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(yàn)或重復(fù)通信的方法:a .數(shù)據(jù)校驗(yàn)。為確保傳送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤,常在傳送過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)

12、的校驗(yàn),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,避免不正確的數(shù)據(jù)被誤用。常用的校驗(yàn)有位校驗(yàn)與幀校驗(yàn);b .重復(fù)通信。重復(fù)通信一般為兩個(gè)過(guò)程:寫(xiě)數(shù)據(jù)要得到!寫(xiě)成功的應(yīng)答;讀數(shù)據(jù)看是否得到數(shù)據(jù)及校驗(yàn)碼是否正確。如O MRON 公司的H ost L ink 網(wǎng),計(jì)算機(jī)床電器2010 6PLC 變頻器 計(jì)算機(jī) PLC 控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計(jì)機(jī)與PLC通信時(shí),PLC總應(yīng)有應(yīng)答信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)。如應(yīng)答碼為!00,說(shuō)明PLC已正確執(zhí)行了計(jì)算機(jī)指令,否則出錯(cuò)。1 32 通信安全性通信安全性主要指在通信過(guò)程中,數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)及節(jié)點(diǎn)間互操作時(shí)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(jì)算機(jī)對(duì)PLC的操作,系統(tǒng)管理員權(quán)限最高,可讀寫(xiě)

13、PLC數(shù)據(jù)和操作PLC,工程師只能讀寫(xiě),操作員只能讀不能寫(xiě)。1 4 PLC異常處理程序正如用VB、Delphi等編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序時(shí)對(duì)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(duì)PLC的各種異常情況及出錯(cuò)處理。1 4 1 掉電保護(hù)系統(tǒng)因掉電或干擾復(fù)位均屬異常復(fù)位,應(yīng)進(jìn)行故障診斷并能自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)初始化,啟動(dòng)后才能重新工作。在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意電源掉電后再恢復(fù)時(shí)不能使各工作部件工作的情況。實(shí)現(xiàn)方法是各個(gè)動(dòng)作加自保持(一旦失電,不啟動(dòng)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(lái)順序工作。在這種情況下,最

14、好在掉電時(shí)能記錄下掉電前的狀態(tài)。當(dāng)電源恢復(fù)后,對(duì)象仍可自動(dòng)地按原順序繼續(xù)工作。這時(shí)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(jì)數(shù)器代替定時(shí)器,所設(shè)計(jì)的程序也要考慮到前后銜接。1 42 標(biāo)志位的使用PLC有很多標(biāo)志位,指令在不同的情況下執(zhí)行時(shí),有不同的取值。如P-ER出錯(cuò)標(biāo)志,程序出錯(cuò)時(shí),此位為ON;再如P-CY進(jìn)位標(biāo)志,加運(yùn)算進(jìn)位時(shí)為ON。還可使用其它標(biāo)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(cuò)誤報(bào)警在有些PLC控制系統(tǒng)中,使用了3級(jí)錯(cuò)誤報(bào)警系統(tǒng)。1級(jí)設(shè)置在控制現(xiàn)場(chǎng)各控制柜面板上,用指示燈指示設(shè)備運(yùn)行情況,當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈亮,當(dāng)設(shè)備運(yùn)行有錯(cuò)誤時(shí)指

15、示燈閃爍;2級(jí)錯(cuò)誤一般顯示在中心控制室的監(jiān)視器上,當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),有文字顯示錯(cuò)誤類(lèi)型,工藝流程圖上對(duì)應(yīng)的設(shè)備閃爍,歷史事件表中將記錄該錯(cuò)誤;3級(jí)錯(cuò)誤顯示在中心控制室的信號(hào)箱內(nèi),當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí),用聲、光報(bào)警,提示工作人員及時(shí)處理錯(cuò)誤。1 4 4 錯(cuò)誤控制一旦系統(tǒng)出錯(cuò),除了報(bào)警、記錄,首先要考慮對(duì)出錯(cuò)或故障性質(zhì)、嚴(yán)重程度的判斷,一旦確認(rèn)是嚴(yán)重故障,應(yīng)有應(yīng)急處理機(jī)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(yùn)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(dāng)大。只要編寫(xiě)相應(yīng)的PLC運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄,就可把它存儲(chǔ)在這個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)中。這里所說(shuō)的狀

16、態(tài)不僅是故障,還有系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷情況以及在不同負(fù)荷下運(yùn)行的時(shí)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(gè)記錄。這對(duì)故障判斷、定位,都將有很大的幫助。1 4 6 故障預(yù)測(cè)與預(yù)防設(shè)備維護(hù)的最好辦法是故障預(yù)測(cè)與預(yù)防。用傳感器不斷監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)判斷,根據(jù)情況對(duì)可能的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)或提示維護(hù)或提示停機(jī)修理,以作必要的預(yù)防。1 4 7 故障或錯(cuò)誤診斷故障或錯(cuò)誤診斷是對(duì)已出現(xiàn)的故障或錯(cuò)誤的定位與定性,為排除故障、糾正錯(cuò)誤提供依據(jù)。可在計(jì)算機(jī)上建立故障或錯(cuò)誤診斷知識(shí)庫(kù),運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)視與診斷程序。PLC在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)工作,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài),采集與存

17、儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù)。必要時(shí)計(jì)算機(jī)與PLC聯(lián)機(jī)通信,PLC把采集及存儲(chǔ)的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)處理這些數(shù)據(jù),并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,可根據(jù)知識(shí)庫(kù)的規(guī)則及推理機(jī)制,對(duì)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。每次診斷后,還可豐富知識(shí)庫(kù)的學(xué)習(xí)機(jī)制,修改知識(shí)庫(kù)的有關(guān)規(guī)則,使知識(shí)庫(kù)的功能不斷增強(qiáng)。1 4 8 冗余配置在重要的使用場(chǎng)合,PLC冗余配置已用得越來(lái)越多,甚至還采用容錯(cuò)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(gè)CPU,但運(yùn)行的程序完全相同。出現(xiàn)故障后系統(tǒng)自動(dòng)完成CP U間的切換,無(wú)需人工干預(yù)

18、。2 結(jié)束語(yǔ)在工程實(shí)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(bǔ)充完善,才能取得較好的效果。從根本上來(lái)說(shuō),硬件的可靠性是(下轉(zhuǎn)第27頁(yè)P(yáng)LC 變頻器 計(jì)算機(jī)PLC控制系統(tǒng)可靠性的軟件設(shè)計(jì)機(jī)床電器2010 6KT2線圈通電。KT2經(jīng)延時(shí)后,KT2常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,使KM2線圈通電吸合,KM2的主觸點(diǎn)閉合,將電阻R2短接,電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速,同時(shí)K M2線圈的輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,使KT3線圈通電,KT3經(jīng)延時(shí)后,其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,使KM3線圈通電吸合并自鎖,電阻R3短接。至此,啟動(dòng)電阻全部被短接,于是電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)KM3的輔助常閉觸點(diǎn)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(diǎn)串接在KM線圈電路中,其目的是保證只有當(dāng)上述接觸器全部都在斷電狀態(tài),即電動(dòng)機(jī)必須在全部電阻接入的情況下,方能進(jìn)行啟動(dòng)。2 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)線路的PLC改造2 1 PLC選型根據(jù)設(shè)計(jì)要求、控制要求,選定PLC的型號(hào)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(shí)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(jì)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(jìn)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(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸入點(diǎn)編號(hào)過(guò)載保護(hù)熱繼電器FR X0停止按鈕SB1X1啟動(dòng)按鈕SB2X2輸出信號(hào)名稱(chēng)代號(hào)輸出點(diǎn)編號(hào)電源接觸器K M Y0第一級(jí)切換接觸器K M1Y1第二級(jí)切換接觸器K