plc可靠性畢業(yè)論文--plc控制系統(tǒng)的可靠性分析及其關(guān)鍵技術(shù)研究

1、<p><b>　　電子工程系畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課題名稱: PLC控制系統(tǒng)的可靠性分析及關(guān)鍵技術(shù)的研究</p><p>　　專 業(yè)： 數(shù)控技術(shù) </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)：

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： </p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的可靠性分析及其關(guān)鍵技術(shù)研究</p><p>　　摘要：分析了PLC控制系統(tǒng)在可靠性上存在的問(wèn)題，主要從抗干擾和穩(wěn)定性方面入手，

3、利用硬件與軟件相結(jié)合的方式，解決了一些PLC系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。提出了一些克服影響PLC可靠性因素的措施，重點(diǎn)分析了一種普遍采用的冗余設(shè)計(jì)方法的可行性和有效性，并提出了一種更有效的冗余設(shè)計(jì)方案，為工業(yè)控制中PLC可靠性設(shè)計(jì)提供了一定的依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC，抗干擾，可靠性，冗余技術(shù)</p><p>　　PLC control system reliability anal

4、ysis and research of key technique</p><p>　　Abstract：Analysis of the PLC control systemreliability，mainly from the interference and stability-pronged approach to the use of hardware.This paper puts forward s

5、ome measures of the facotr that overcome to affect the reliability of PLC.,the focus of the analysis is the feasility and effectiveness of a redundancy design method .And finally this paper puts forward a kind of more va

6、lid redundancy design project for PLC reliability design which provided some basis in industrial control.</p><p>　　Key words:PLC;interference immunity;reliability;redundancy</p><p><b>　　目

7、錄</b></p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 研究課題的來(lái)源 1</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平1</p><p>　　1.3 本課題所做工作2</p><p>　　1.3.1 本課的應(yīng)達(dá)目的2</p>

8、<p>　　1.3.2 本課題的內(nèi)容和要求2</p><p>　　2 可編程控制器 3</p><p><b>　　2.1 概述 3</b></p><p>　　2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和功能特點(diǎn) 3</p><p>　　2.1.2 可編程控制器的應(yīng)用 4</p><p&

9、gt;　　2.1.3 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu) 4</p><p>　　2.1.4 可編程控制器的工作原理 5</p><p>　　2.2 PLC控制的特點(diǎn) 5</p><p>　　2.2.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)比較 5</p><p>　　2.2.2 PLC與微型計(jì)算機(jī)的比較6</p><p>

10、　　3 PLC控制系統(tǒng)可靠性分析 8</p><p>　　3.1 干擾來(lái)源的分析 8</p><p>　　3.2 增強(qiáng)PLC可靠性的方案 9</p><p>　　3.2 1電源的抗干擾措施 9</p><p>　　3.2.2 安裝與布線的方案 9</p><p>　　3.2.3 輸入、輸出端的抗干擾措施

11、10</p><p>　　3.2.4 電源和感性負(fù)載的處理 10</p><p>　　3.2.5 接地和接線的抗干擾措施 10</p><p>　　3.2.6 軟件抗干擾措施 11</p><p>　　3.2.7 電磁干擾的抗干擾措施 12</p><p>　　4 PLC系統(tǒng)冗余技術(shù) 13</p>

12、;<p>　　4.1 冗余技術(shù)的配置 14</p><p>　　4.2 冗余技術(shù)的具體分類 13</p><p>　　4.3 冗余設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 14</p><p>　　4.3.1 處理器冗余 14</p><p>　　4.3.2 通信冗余 14</p><p>　　4.3.3

13、I/O冗余 15</p><p>　　4.3.4 電源冗余 15</p><p>　　4.4 改進(jìn)的冗余設(shè)計(jì)方案 15</p><p><b>　　致謝 17</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn) 18</b></p><p><b>　　1 緒

14、論</b></p><p>　　1.1 研究課題的來(lái)源</p><p>　　近年來(lái)，PLC（可編程序控制器）在其發(fā)展過(guò)程中，技術(shù)功能不斷擴(kuò)展，增加了數(shù)值運(yùn)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能?？删幊绦蚩刂破鞯倪\(yùn)算速度提高，輸入輸出規(guī)模擴(kuò)大，并開始與網(wǎng)絡(luò)和小型機(jī)相連，構(gòu)成以可編程序控制器為重要部件的控制系統(tǒng)。目前的可編程序控制器已加強(qiáng)了模擬量控制功能，可以配備各種控制摸板，具有了PID調(diào)節(jié)功能和構(gòu)

15、成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、組成分級(jí)控制功能，實(shí)現(xiàn)了集散控制所完成的功能。</p><p>　　可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，專門為工業(yè)而設(shè)計(jì)的，操作方便的數(shù)字式電子裝置。PLC最初僅僅是為了地帶繼電器控制系統(tǒng)而存在，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它漸漸綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了繼電器系統(tǒng)的功能，在鋼鐵、化工、制造等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，極大的促進(jìn)了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而PLC控制系統(tǒng)的可靠性直

16、接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，而系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，雖然PLC在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程是廠家一采取了多層次的抗干擾措施，具有一定的穩(wěn)定性和可靠性，但由于PLC的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，應(yīng)用區(qū)域越來(lái)越復(fù)雜，所以受到的干擾也就越來(lái)越多，過(guò)于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當(dāng)?shù)那闆r下，都有可能引起PLC內(nèi)部信息的破壞。因此，研究PLC控制系統(tǒng)干擾的來(lái)源問(wèn)題，以及如何確保其可靠性等問(wèn)題尤其具有現(xiàn)實(shí)意義。<

17、/p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平</p><p>　　PLC在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中早已得到了廣泛的應(yīng)用。比如在工廠污水處理方面，國(guó)外在80年代初期、中期，PLC系統(tǒng)也已在工廠污水處理設(shè)備中應(yīng)用。僅以PLC的控制功能而言，PLC是嚴(yán)謹(jǐn)、方便、易編程、易安裝、可靠性極高的應(yīng)用軟件平臺(tái)。PLC具有豐富的邏輯控制指令和高級(jí)應(yīng)用指令；PLC即有自身的網(wǎng)絡(luò)體系又有開放I/O及通訊接口，而且?guī)缀跻呀?jīng)發(fā)

18、展到了盡善盡美的地步。在工廠污水處理的過(guò)程控制方面，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和控制方面都具有無(wú)可爭(zhēng)</p><p><b>　　議的優(yōu)勢(shì)。</b></p><p>　　我國(guó)工廠污水處理技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品和裝備起步較晚，企業(yè)規(guī)模小，品種單一重復(fù)，可控性差，技術(shù)水平落后，用于工廠污水處理的儀表和系統(tǒng)更是寥寥無(wú)幾。污水處理數(shù)據(jù)往往采用人工抄寫、人工匯總、人工傳遞的方法。80年代后期，我國(guó)

19、利用外資引進(jìn)了國(guó)外成套的污水處理設(shè)備，從儀表和控制的可靠性和先進(jìn)性方面來(lái)看，比國(guó)產(chǎn)儀表設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但國(guó)外儀表價(jià)格昂貴，售后服務(wù)困難。同時(shí)，成套引進(jìn)的污水處理設(shè)備，其儀表和控制系統(tǒng)的技術(shù)水平</p><p>　　也僅僅是國(guó)外80年代初期、中期傳統(tǒng)的DCS和PLC系統(tǒng)。</p><p>　　隨著微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家90年代新建的 城市污水處理廠已普遍采用現(xiàn)

20、場(chǎng)總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置及其智能化、數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)儀表。</p><p>　　現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多點(diǎn)、多站的通訊系統(tǒng)。其技術(shù)特點(diǎn)是信號(hào)傳輸數(shù)字化，控制功能分散化，系統(tǒng)開發(fā)與可互操作，符合環(huán)境保護(hù)要求，節(jié)能節(jié)材，造價(jià)低廉，維護(hù)成本低。</p><p>　　據(jù)調(diào)查，目前即使一些工廠采取了PLC，但絕大部分還都只利用了其傳統(tǒng)

21、的 控制方式，并沒(méi)有充分利用PLC的遠(yuǎn)傳功能，部具備環(huán)保功能。所以污水處理系統(tǒng)最好具有這方面的功能，本系統(tǒng)中以PLC為主要控制設(shè)備并利用了PLC的遠(yuǎn)傳功能這樣就節(jié)省了一大筆費(fèi)用。</p><p>　　1.3 本課題所做工作</p><p>　　1.3.1 本課題應(yīng)達(dá)目的</p><p>　　本課題是PLC控制系統(tǒng)的可靠性分析與關(guān)鍵技術(shù)研究，查閱相關(guān)資料與書籍，了解P

22、LC控制系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)一步掌握PLC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)這次的課題研究，能夠使自身經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的全過(guò)程體會(huì)如何應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，并進(jìn)行一定的自學(xué)訓(xùn)練，使其掌握自學(xué)方法。為今后的科研工作打下良好基礎(chǔ)。</p><p>　　1.3.2 本課題的內(nèi)容和要求</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的可靠性分析，要求：1.了解什么是PLC控制系統(tǒng)；2.影響、干擾PLC控制系統(tǒng)可靠性來(lái)源；3.針對(duì)干擾源分

23、析相應(yīng)的解決方案。</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)分析，要求：1.了解PLC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；2.分析PLC關(guān)鍵技術(shù)在系統(tǒng)中的作用；3.分析了解PLC控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)。</p><p><b>　　2 可編程控制器</b></p><p><b>　　2.1 概述</b></p><

24、;p>　　2.1.1 可編程控制器的產(chǎn)生和功能特點(diǎn)</p><p>　　可編程控制器是在繼電器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)容為一體的新型工業(yè)自動(dòng)控制裝置。目前以被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制中。</p><p>　　繼電接觸控制能完成邏輯“與”、“非”等功能，實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，且由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格

25、便宜，掌握容易等優(yōu)點(diǎn)，因而幾十年來(lái)已得到了廣泛的應(yīng)用，并在工業(yè)控制領(lǐng)域中曾經(jīng)占據(jù)過(guò)主導(dǎo)地位。但繼電接觸控制系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn)：設(shè)備體積大，開關(guān)動(dòng)作慢，功能較少，接線復(fù)雜，觸電容易損壞，改接麻煩，靈活性較差等。</p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，新的控制器件及其控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。1968年美國(guó)通用汽車公司（GM）公開招標(biāo)研制功能更強(qiáng)，使用更方便，價(jià)格便宜，可靠性更高的新型控制器。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備

26、公司（DEC）根據(jù)GM公司的招標(biāo)要求，研制出世界第一臺(tái)可編程控制器，型號(hào)為PDP-14，并在GM公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用成功。這就較好的使繼電接觸控制簡(jiǎn)單易懂，使用方便，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)功能完善、靈活性強(qiáng)，通用性好的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，并將繼電接觸控制的硬連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。可編程控制器出現(xiàn)以后，名稱很不一致。早期的可編程控制器在功能上只能進(jìn)行邏輯控制，因此被稱為可編程邏輯控制器（Programmable

27、 Logic Controller），簡(jiǎn)稱PLC。它只是用來(lái)取代繼電接觸控制，僅有執(zhí)行繼電器邏輯、定時(shí)、技術(shù)等較少功能。</p><p>　　20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計(jì)算機(jī)，人們把微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到可編程序控制器中，使得它兼有計(jì)算機(jī)的一些功能，不但能用邏輯編程去取代硬連線邏輯，還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送與處理及對(duì)模擬量進(jìn)行控制等功能，使之真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。</p><

28、p>　　1980年美國(guó)電器制造協(xié)會(huì)把這種新的控制設(shè)備正式命名為可編程序控制器PC。但為了與個(gè)人計(jì)算機(jī)的專稱PC相區(qū)別，故常常把可編程序控制器簡(jiǎn)稱為PLC。1987年，美國(guó)電氣制造協(xié)會(huì)給出的可編程 控制器的定義為：“可編程控制器是一種帶有指令存儲(chǔ)器和數(shù)字或模擬I/O接口，以位運(yùn)算為主，能完成邏輯﹑順序﹑定時(shí)﹑計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算功能，用于控制機(jī)器或生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制裝置?！彪S著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和可編程序控制器的不斷發(fā)展，功能不斷增強(qiáng)，其

29、定義也會(huì)發(fā)生變化。</p><p>　　可編程控制器的主要優(yōu)點(diǎn)：1、編程簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)單；2、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；3、通用性好；4、功能強(qiáng)；5、使用方便；6、設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試周期短；7、體積小、重量輕、功耗低。</p><p>　　從上述PLC的功能特點(diǎn)可見(jiàn)，PLC控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，在許多方面可以取代繼電接觸控制。</p><p>　　

30、2.1.2 可編程控制器的應(yīng)用</p><p>　　長(zhǎng)期以來(lái)，PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場(chǎng)，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非?？煽康目刂茟?yīng)用。但PLC也必須依靠采用其他新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)市場(chǎng)份額逐漸減小所帶來(lái)的沖擊，特別是IPC（工控機(jī)）所帶來(lái)的沖擊。</p><p>　　在全球IPC領(lǐng)域，圍繞開放與再開放過(guò)程控制系統(tǒng)，開放式過(guò)程控制軟件，開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎

31、到處都有PLC,但這種趨勢(shì)不會(huì)發(fā)展下去。隨著Soft PLC（軟PLC）控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)一步發(fā)展，安裝有Soft PLC組態(tài)軟件和基于IPC和過(guò)程控制系統(tǒng)的份額正在逐步得到增長(zhǎng)，這些事實(shí)傳統(tǒng)PLC的技術(shù)發(fā)展與提高方面做出更加開放的姿態(tài)。對(duì)于控制軟件來(lái)講，這是PLC控制器的核心，PLC供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對(duì)于工業(yè)用戶表現(xiàn)的非常積極。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將PLC融入更加

32、開放的工業(yè)控制行業(yè)。</p><p>　　PLC及其應(yīng)用的發(fā)展，與信息化，數(shù)字化，智能化的世界潮流相聯(lián)系，與微電子技術(shù)的發(fā)展密切發(fā)展相關(guān)，與控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，顯示技術(shù)的發(fā)展互為因果，互相補(bǔ)充與促進(jìn)，互相融合和滲透.</p><p>　　2.1.3 可編程控制器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　1. 輸入與輸出部件：</p><p>

33、;　　這是PLC與輸入控制系統(tǒng)和被控制設(shè)備連接起來(lái)的部件，輸入部件接受從開關(guān)、按鈕、繼電器觸點(diǎn)和傳感器等輸入的現(xiàn)場(chǎng)控制信號(hào)。并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理器能接受和處理的數(shù)字信號(hào)。輸出部件接受經(jīng)過(guò)中央處理器處理過(guò)的輸出數(shù)字信號(hào)，并將它轉(zhuǎn)換成被控制設(shè)備或顯示裝置所能接受的電壓或電流信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)接觸器、電磁閥、指示器件等。</p><p><b>　　2.中央處理單元：</b></p>

34、<p>　　中央處理單元包括微處理器、系統(tǒng)程序處理器和用戶程序處理器。微處理器是PLC的核心部件，整個(gè)PLC的工作過(guò)程都是在中央處理器的統(tǒng)一指揮和協(xié)調(diào)下進(jìn)行的，它的主要任務(wù)是按一定的規(guī)律和要求讀入被控對(duì)象的各種工作狀態(tài)，然后根據(jù)用戶所編制的應(yīng)用程序的要求去處理有關(guān)數(shù)據(jù)，最后再向被控對(duì)象送出相應(yīng)的控制（驅(qū)動(dòng)）信號(hào)。存儲(chǔ)器是保存系統(tǒng)程序和用戶程序的器件。系統(tǒng)存儲(chǔ)器主要用于存放系統(tǒng)正常工作所必需的程序，如管理、監(jiān)控、指令解釋<

35、;/p><p>　　程序，這些程序與用戶無(wú)直接的關(guān)系，已由廠家直接固化進(jìn)EPROM中。用戶存儲(chǔ)器主要用于存放用戶按控制要求所編制的程序，可通過(guò)編程器進(jìn)行必要的修改。</p><p><b>　　3. 電源部件：</b></p><p>　　電源部件是把交流電轉(zhuǎn)換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需要的高質(zhì)量直流電源。</p><

36、p><b>　　4. 編程器：</b></p><p>　　編程器是PLC必不可少的重要外圍設(shè)備。它主要用于對(duì)用戶程序進(jìn)行輸入、檢查、調(diào)試和修改，并用來(lái)監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)。</p><p>　　圖2-1 PLC基本結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　2.1.4 可編程控制器的工作原理</p><p>　　CPU連續(xù)執(zhí)行

37、用戶程序、任務(wù)的循環(huán)序列稱為掃描。CPU的掃描周期包括讀輸入、執(zhí)行程序、處理通信請(qǐng)求、執(zhí)行CPU自診斷測(cè)試及寫輸出等內(nèi)容。</p><p>　　PLC可被看成是在系統(tǒng)軟件支持下的一種掃描設(shè)備。他一直周而復(fù)始地掃描并執(zhí)行由系統(tǒng)軟件規(guī)定好的任務(wù)。用戶程序只是掃描周期的一個(gè)組成部分，用戶程序不運(yùn)行時(shí)，PLC也在掃描，只不過(guò)在一個(gè)周期中去除了用戶程序和讀輸入、寫輸出這幾部分內(nèi)容。</p><p>

38、　　典型的PLC在一個(gè)周期中可完成以下5個(gè)掃描過(guò)程：</p><p>　　1.自診斷測(cè)試掃描過(guò)程。</p><p>　　2.與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的掃描過(guò)程。</p><p>　　3.用戶程序掃描過(guò)程。</p><p>　　4.讀輸入、寫輸出掃描過(guò)程。</p><p>　　5.信號(hào)從輸入端子到輸出端子的傳遞過(guò)程。</p&

39、gt;<p>　　2.2 PLC控制的特點(diǎn)</p><p>　　2.2.1 PLC與繼電器控制系統(tǒng)比較</p><p>　　從某種意義上說(shuō)，PLC是從繼電接觸控制發(fā)展而來(lái)的。兩者既有相似性又有不同之處。</p><p>　　1.繼電接觸控制全部用硬器件、硬觸點(diǎn)和“硬”線連接，為全硬件控制；PLC內(nèi)部大部分采用“軟”電器、“軟”接點(diǎn)和“軟”線連接，為軟件

40、控制。</p><p>　　2.繼電接觸控制系統(tǒng)體積大；PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。</p><p>　　3.繼電接觸控制全為機(jī)械式觸點(diǎn)，動(dòng)作慢；PLC內(nèi)部全為“軟接點(diǎn)”，動(dòng)作快。</p><p>　　4.繼電接觸控制功能改變，須拆線、接線乃至更換元器件，比較麻煩；PLC控制功能改變，一般僅需修改程序即可，極其方便。</p><p>　　

41、5.PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工與調(diào)試比繼電接觸控制系統(tǒng)周期短。</p><p>　　6.PLC控制的自檢和監(jiān)控功能比繼電接觸控制的強(qiáng)。</p><p>　　7.PLC的應(yīng)用范圍比繼電接觸控制的要廣泛。</p><p>　　8.PLC可靠性比繼電接觸控制的高。</p><p>　　此外，可編程序控制器與繼電接觸器控制的重要區(qū)別之一就是工作方式不

42、同?？删幊绦蚩刂破魇且苑磸?fù)掃描的方式工作，是循環(huán)地、連續(xù)逐條執(zhí)行程序，任一時(shí)刻它只能執(zhí)行一條指令，也就是說(shuō)可編程序控制器是以“串行”方式工作的。而繼電-接觸器是按“并行”方式工作的，或者說(shuō)是按同時(shí)執(zhí)行方式工作的，只要形成電流通路，就可能有幾個(gè)電器同時(shí)動(dòng)作。繼電-接觸器控制的并行工作方式因觸點(diǎn)動(dòng)作的延誤易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)序失配等問(wèn)題，這些在串行工作方式的可編程序控制器中不會(huì)發(fā)生。</p><p>　　表2-1 可編程序

43、控制器與繼電器柜的區(qū)別</p><p>　　2.2.2 PLC與微型計(jì)算機(jī)的比較</p><p>　　PLC也是隨著微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展，PLC實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)專為工業(yè)生產(chǎn)控制設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)。兩者既有相似處有差別，主要差別表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1. PLC輸出輸入接口較多，中大型PLC輸出輸入接口更多，便于多路多點(diǎn)控制。</p>

44、<p>　　2. PLC編程簡(jiǎn)便，因?yàn)镻LC是采用易于用戶理解、接收和使用的梯形圖編程語(yǔ)言，指令又不太多，而計(jì)算機(jī)使用匯編語(yǔ)言或其他高級(jí)語(yǔ)言編程，比PLC編程復(fù)雜。</p><p>　　3. PLC可靠性高，因?yàn)镻LC是為工作環(huán)境條件比較惡劣的工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)與制造PLC時(shí)已采取了多種有效的抗干擾和提高可靠性措施。</p><p>　　4. PLC技術(shù)較容易掌握，使用維護(hù)方

45、便，對(duì)使用者的技術(shù)水平要求比使用計(jì)算機(jī)時(shí)低。</p><p>　　5. PLC采用掃描方式進(jìn)行工作，加之其他一些原因，所以PLC輸入輸出響應(yīng)比計(jì)算機(jī)慢。</p><p>　　6. 此外PLC體積較小，調(diào)試周期短。</p><p>　　3 PLC控制系統(tǒng)可靠性分析</p><p>　　3.1 干擾來(lái)源的分析</p><p&g

46、t;　　PLC 控制系統(tǒng)受到干擾的主要途徑是電源線、輸入、輸出線和空中等部位。電源被干擾后， PLC 控制系統(tǒng)的供電質(zhì)量變差，引起PLC 控制失靈。輸入、輸出線被干擾后，出現(xiàn)輸入、輸出控制紊亂?？罩懈蓴_主要以電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)形式使PLC 的CPU 出現(xiàn)誤操作。按鈕、繼電器等工作時(shí)觸點(diǎn)間產(chǎn)生的電弧，雷擊和靜電產(chǎn)生的火花放電，接觸器線圈、斷電器線圈、電磁鐵線圈等感應(yīng)負(fù)載斷開時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓，外界的高頻加熱器、高頻淬火設(shè)備、雜亂的無(wú)線電波信

47、號(hào)、電源電壓的波動(dòng)等等，以上這些都是能夠使PLC 出現(xiàn)誤動(dòng)作的典型干擾源。PLC 系統(tǒng)的干擾源根據(jù)其來(lái)源分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源。</p><p>　　內(nèi)部干擾源主要包括：由于元器件布局不合理造成內(nèi)部信號(hào)相互串?dāng)_； 線路中存在的電容性元件引起的寄生振蕩；數(shù)字地、模擬地和系統(tǒng)地處理不當(dāng)。具體情況如下：</p><p>　　來(lái)自信號(hào)線的干擾：PLC系統(tǒng)連接有各種信號(hào)線，這種信號(hào)線的連接方式根

48、據(jù)梯形圖的變化而不同，然而無(wú)論何種路線，信號(hào)線之間的相互干擾以及信號(hào)線對(duì)于外界空間的電磁輻射感應(yīng)式不可避免的，這種稱之為電磁干擾。這種干擾會(huì)導(dǎo)致I/O口工作異常，從而影響工業(yè)測(cè)量的準(zhǔn)確性，還會(huì)對(duì)儀器造成嚴(yán)重?fù)p害。</p><p>　　來(lái)自電源的干擾：電源是干擾進(jìn)入可編程控制器的主要途徑之一，電源干擾主要是通過(guò)供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率用設(shè)備是主要的干擾源。</p><p>　　來(lái)

49、自感性負(fù)載的干擾：感性負(fù)載具有儲(chǔ)能的作用，當(dāng)控制觸點(diǎn)斷開時(shí)，電路中的感性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生高于電源電壓接近數(shù)十倍的反電動(dòng)勢(shì)，這種情況從外觀是不容易覺(jué)察到的；觸點(diǎn)吸合時(shí)，觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，從而產(chǎn)生電弧，電弧危害是一種非常嚴(yán)重的電氣危害。</p><p>　　來(lái)自接地情況的干擾：在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)，電器設(shè)備頻繁啟動(dòng)，動(dòng)力線路與控制線路結(jié)構(gòu)緊密，這種情況存在嚴(yán)重的磁場(chǎng)干擾。這種干擾也是電磁干擾。</p><p&g

50、t;　　外部干擾源包括供電電源電壓波動(dòng)和高次諧波的干擾；開關(guān)通斷形成的高、低頻干擾； 動(dòng)力強(qiáng)電信號(hào)在系統(tǒng)中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)引起的干擾；其它設(shè)備通過(guò)電容耦合串入控制系統(tǒng)而引起的干擾等。</p><p>　　1. 溫度：PLC的工作環(huán)境溫度為0～55℃，且不可急劇變化。由于溫度的變化將直接影響PLC元器件的可靠性和壽命，所以必須采取措施取制溫度的上下限。當(dāng)超過(guò)55℃時(shí)，可通過(guò)將系統(tǒng)安裝于同風(fēng)好、有空調(diào)的控制室內(nèi)，在柜中設(shè)

51、置風(fēng)扇、冷風(fēng)機(jī)等措施。當(dāng)溫度低于℃時(shí)，可通過(guò)在柜中設(shè)置加熱器，不切斷控制電源來(lái)改善。</p><p>　　2. 濕度：PLC工作相對(duì)濕度為30%～85%，濕度過(guò)大或過(guò)小可導(dǎo)致PLC內(nèi)部元件性能惡化、</p><p>　　短路和靜電感應(yīng)損壞等不良后果?？刹捎靡韵聦?duì)策：盤柜設(shè)計(jì)成封閉型，電路板覆蓋保護(hù)層，盡量避免人體接觸感應(yīng)等。</p><p>　　3. 空氣：PLC不

52、可安裝在有塵埃、導(dǎo)電粉末、有害氣體、水分、有機(jī)溶劑、強(qiáng)堿性溶液的環(huán)境中，應(yīng)將盤柜設(shè)置成密閉結(jié)構(gòu)，以防止對(duì)系統(tǒng)可靠運(yùn)行有影響的不清潔空氣進(jìn)入。</p><p>　　4. 震動(dòng)和沖擊：PLC不能經(jīng)受較大的震動(dòng)和沖擊，所以應(yīng)該將PLC設(shè)置在遠(yuǎn)離震源的場(chǎng)所，并安裝防震橡皮等。</p><p>　　3.2 增強(qiáng)PLC可靠性的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　可編程序控制器簡(jiǎn)稱為P

53、LC （Programmable LogicController），它是基于微處理器的通用工業(yè)控制裝置。PLC 能執(zhí)行各種形式和各種級(jí)別的復(fù)雜控制任務(wù)，它的PLC能執(zhí)行各種形式和各種級(jí)別的復(fù)雜控制任務(wù)，它的主要支柱之一，PLC 對(duì)用戶友好，不熟悉計(jì)算機(jī)但熟悉繼電器系統(tǒng)的人能很快學(xué)會(huì)PLC 來(lái)編程和操作。PLC 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中，已基本取代了傳統(tǒng)的繼電器和接觸器的邏輯控制。用PLC來(lái)控制系統(tǒng)設(shè)備，其工作的

54、可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC 本身而言，平均無(wú)故障時(shí)間一般已可達(dá)3~5 萬(wàn)小時(shí)；而個(gè)別系列，據(jù)稱其平均無(wú)故障時(shí)間已達(dá)20~30 萬(wàn)小時(shí)。所以，整個(gè)PLC 控制系統(tǒng)的可靠性，主要取決于PLC的外圍設(shè)備，比如輸入器件中的行程開關(guān)、按鈕、接近開關(guān)， 輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來(lái)考慮，如果能編制出一個(gè)帶有監(jiān)控的程序，對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行一

55、些探討。</p><p>　　3.2.1 電源的抗干擾措施</p><p>　　不同的PLC 產(chǎn)品，對(duì)電源的要求也不同，這里包括電源的電壓等級(jí)、頻率、交流紋波系數(shù)和輸入輸出的供電方式等。電源是干擾進(jìn)入的主要途徑之一，對(duì)電磁干擾較強(qiáng)、而對(duì)PLC 可靠性要求又較高的場(chǎng)合，PLC 的供電應(yīng)與動(dòng)力供電和控制電路供電分開。一般在進(jìn)入PLC 系統(tǒng)之間加屏蔽隔離變壓器，屏蔽隔離變壓器的次級(jí)側(cè)至PLC 系

56、統(tǒng)間必須采用不小于2mm2 的雙絞線。屏蔽體一般位于一、二次側(cè)線圈之間并與大地連接，這樣就可消除線圈間的直接耦合。另外，電源諧波比較嚴(yán)重時(shí)，可在隔離穩(wěn)壓器前面加濾波器來(lái)消除電源的大部分諧波。必要時(shí)可在供電的電源線路上接入低通濾波器，以便濾去高頻干擾信號(hào)。濾波器應(yīng)放在隔離變壓器之前， 即先濾波后隔離。分離供電系統(tǒng)，將控制器、I/O通道和其它設(shè)備的供電采用各自的隔離變壓器分離開來(lái)，也有助于抗電網(wǎng)干擾。</p><p>

57、;　　3.2.2 安裝與布線的方案</p><p>　　PLC控制系統(tǒng)的布線應(yīng)該遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，如大功率晶閘管、變頻器、大功率硅整流裝置和大動(dòng)力設(shè)備等，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)。輸入與輸出最好分開走線，開關(guān)量與</p><p>　　模擬量也要分開敷設(shè)，以防外界信號(hào)干擾。交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高壓線和動(dòng)力線，且避免并行。</p><

58、;p>　　輸入接線一般不要超過(guò)30m。但是如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)延長(zhǎng)。但數(shù)字輸入、輸出線不能與動(dòng)力線分開布線是，可用繼電器來(lái)隔離輸入、輸出線上的干擾。當(dāng)信號(hào)距離超過(guò)300m時(shí)，應(yīng)采用中間繼電器來(lái)轉(zhuǎn)接信號(hào)，或使用PLC的遠(yuǎn)程I/O模塊。I/O線與電源線應(yīng)該分開走線，并保持一定距離如不得已要在同一線槽中布線，應(yīng)使用屏蔽電纜。交流線與直流線應(yīng)分別使用不同電纜，如果I/O 線的長(zhǎng)度超過(guò) 300m 時(shí)，輸入線與輸出線

59、應(yīng)分別使用不同的電纜；數(shù)字量、模擬量 I/O 線應(yīng)分開敷設(shè)，后者應(yīng)采用屏蔽線。如果模擬量輸入/ 輸出信號(hào)距離 PLC 較遠(yuǎn)，應(yīng)采用 4～20mA 或0～10mA 的電流傳輸方式，而不是電壓傳輸方 式，因?yàn)殡妷簜鬏敺绞椒浅Ｈ菀资艿礁蓴_。</p><p>　　3.2.3 輸入、輸出端的抗干擾措施</p><p>　　由于PLC 是通過(guò)輸入電路接受開關(guān)量、模擬量等輸入信號(hào)， 因此輸入電路的元器件

60、質(zhì)量的好壞和連接方式直接影響著控制系統(tǒng)的可靠性。比如： 按鈕、行程開關(guān)等輸入開關(guān)量的觸點(diǎn)接觸是否良好、接線是否牢固等。設(shè)備上的機(jī)械限位開關(guān)是比較容易產(chǎn)生故障的元件。在設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)盡量選用可靠性高的接近開關(guān)代替機(jī)械限位開關(guān)。要提高現(xiàn)場(chǎng)輸入給PLC 信號(hào)的可靠性， 首先要選擇可靠性較高的變送器和各種開關(guān)， 防止各種原因引起傳送信號(hào)線短路、斷路或接觸不良。其次在程序設(shè)計(jì)時(shí)增加數(shù)字濾波程序， 增加輸入信號(hào)的可信性。</p><

61、;p>　　當(dāng)輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為感性元件時(shí)，對(duì)于直流電路應(yīng)在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。對(duì)于交流電路，應(yīng)在它們兩端并聯(lián)阻容吸收電路。采取以上措施是為了防止在電感性輸入或輸出電路斷開時(shí)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)或浪涌電流對(duì)PLC 輸入、輸出端點(diǎn)及內(nèi)部電源的沖擊，當(dāng)PLC 的驅(qū)動(dòng)元件主要是電磁閥和交流接觸器線圈時(shí)， 應(yīng)在PLC 輸出端與驅(qū)動(dòng)元件之間增加光電隔離的過(guò)零型固態(tài)繼電器。</p><p>　　3.2.4 電源和感性負(fù)載

62、的處理</p><p>　　對(duì)于電源的處理：在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸蠛芨叩膱?chǎng)合，可以在可編程序控制器的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來(lái)干擾，提高抗高頻共模干擾能力，屏蔽層接地。PLC 供電系統(tǒng)一般采用以下幾種方案：</p><p>　　1. 使用隔離變壓器供電系統(tǒng)。本方案是傳統(tǒng)的抗干擾措施, 對(duì)電網(wǎng)尖峰脈沖干擾有很好的效果。它抗干擾

63、的原理是原邊對(duì)高頻干擾呈現(xiàn)很高的阻抗,而位于原邊、副邊繞組之間的金屬屏蔽層又阻隔了原、副邊所產(chǎn)生的分布電容,因此原邊繞組只存在對(duì)屏蔽層的分布電容,高頻干擾通過(guò)這個(gè)分布電容而被旁路引入地。</p><p>　　2. 使用UPS 供電。UPS 是個(gè)人 PC 上常用的有效保護(hù)裝置，當(dāng)輸入交流電失電時(shí)，UPS </p><p>　　根據(jù)不同的容量能繼續(xù)向 PLC 控制器供電 10～30 分鐘。采用

64、 UPS 供電不僅能提高 PLC 的供電安全可靠性,也能有較強(qiáng)的抗干擾隔離。</p><p>　　3. 用就是抑制傳導(dǎo)干擾,，它既能防止 PLC 電磁波采用電源濾波器濾除尖峰脈沖干擾。電源濾波器最基本的作用就是抑制傳導(dǎo)干擾, 它既能防止 PLC 電磁波的外泄,又能避免受到外來(lái)輻射的干擾,并能有效濾除尖峰脈沖。</p><p>　　3.2.5接地和接線的抗干擾措施</p>&

65、lt;p>　　PLC 的良好接地是正常運(yùn)行的前提。在設(shè)計(jì)時(shí)，PLC 的接地應(yīng)與動(dòng)力設(shè)備的接地分開， 采用專用接地；如不能分開接地時(shí)， 應(yīng)采用共用接地； 絕對(duì)禁止采用共通接地方法。接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC， 接地線的線徑應(yīng)大于4mm2， 接地電阻一般應(yīng)小于10Ω。接地方法如圖3-1 所示。</p><p>　　圖3-1 PLC的接地方法</p><p>　　PLC 的接線包括輸入接線和

66、輸出接線。輸入接線的長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，一般不大于30m；在線路距離較長(zhǎng)時(shí)，可采用中間繼電器進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM 端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應(yīng)分開設(shè)置。必要時(shí)，可在現(xiàn)場(chǎng)分別設(shè)置接線箱。集成電路或晶體管設(shè)備的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的接線必須采用屏蔽電纜；屏蔽層的接地端應(yīng)為一點(diǎn)接地， 接地點(diǎn)宜在控制器側(cè)。</p><p>　　3.2.6 軟件抗干擾措施</p><

67、;p>　　對(duì)PLC 系統(tǒng)的軟件部分而言，它的可靠性主要是指軟件對(duì)錯(cuò)誤信號(hào)的抵抗力、對(duì)設(shè)備故障的判斷力及對(duì)不同工況的適應(yīng)能力等。因此，可以從以下幾個(gè)方面來(lái)提高軟件的可靠性。</p><p>　　1.對(duì)輸入信號(hào)的處理：對(duì)于模擬信號(hào)可采用多種軟件濾波方法來(lái)提高數(shù)據(jù)的可靠性。連續(xù)采樣多次，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。采樣數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當(dāng)前輸入值

68、。常用的濾波方法有程序判斷濾波、中值濾波、滑動(dòng)平均值濾波、防脈沖干擾平均值濾波、算術(shù)平均值濾波、去極值平均濾波等。</p><p>　　2.議通信時(shí)干擾會(huì)造成錯(cuò)碼，如果不對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別就會(huì)引起程序運(yùn)行錯(cuò)誤。PLC 向其它設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果能在設(shè)備向PLC 發(fā)送回答碼后發(fā)送， 可以使PLC 了解數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。如果不成功，應(yīng)再次發(fā)送，同時(shí)對(duì)不成功進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)連續(xù)若干次不能正確發(fā)通</p>

69、<p>　　信數(shù)據(jù)校核。在PLC 與其它設(shè)備采用自由協(xié)送時(shí)，PLC 應(yīng)采取報(bào)警等措施。</p><p>　　3.設(shè)置停電記憶功能。有些設(shè)備在意外停機(jī)后再開機(jī)時(shí)，必須按照停機(jī)前的工藝操作， 這就要求在程序設(shè)計(jì)中使用停電記憶機(jī)前的工藝，這就要求在程序設(shè)計(jì)中使用停電記憶功能， PLC可對(duì)內(nèi)部的輸出繼電器，輔助繼電器，計(jì)數(shù)器等進(jìn)行停電記憶設(shè)置，可在一定程度上滿足要求。</p><p>　

70、　設(shè)計(jì)完善的故障報(bào)警系統(tǒng)。為了提高PLC 控制系統(tǒng)工作的可靠性，可以專門設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，作為監(jiān)控程序部分，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。若程序運(yùn)行能正常結(jié)束，則該定時(shí)器就立即被清零；若程序運(yùn)行發(fā)生故障，如出現(xiàn)死循環(huán)等，該定時(shí)器在設(shè)定的時(shí)間到就無(wú)法清零，此時(shí)PLC 發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序時(shí)，使用這種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各部分運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。如果用PLC 來(lái)控制某一對(duì)象時(shí)，編制程序時(shí)可定義一個(gè)定時(shí)器來(lái)對(duì)這一對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視， 該定時(shí)器的

71、設(shè)定時(shí)間即為這一對(duì)象工作所需的最大時(shí)間；當(dāng)啟動(dòng)該對(duì)象運(yùn)行時(shí)，同時(shí)也啟動(dòng)該定時(shí)器。若該對(duì)象的運(yùn)行程序在規(guī)定的時(shí)間結(jié)束工作，發(fā)出一個(gè)工作完成信號(hào)，使該定時(shí)器清零，說(shuō)明這一對(duì)象的運(yùn)行程序正常；否則屬于運(yùn)行不正常， 發(fā)出報(bào)警信號(hào)或停機(jī)信號(hào)。</p><p>　　3.2.7電磁干擾的抗干擾措施</p><p>　　根據(jù)干擾模式的不同， PLC 控制系統(tǒng)的電磁干擾分為共模干擾和差模干擾， 共模干擾是信

72、號(hào)對(duì)地的電位差， 主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向) 電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大， 特別是采用隔離性能差的配電器供電時(shí)， 變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高， 有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓， 直接影響測(cè)控信號(hào)， 造成元器件損壞（這就是一些PLC 系統(tǒng)I/O 模件損壞率較高的主要原因）， 這種共模干擾可為直流， 亦可為交流。差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓， 主

73、要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換成共模干擾所形成的電壓， 這種電壓疊加在信號(hào)上， 直接影響測(cè)量與控制精度。為了保證PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中免受或減少內(nèi)外上述電磁干擾，必須采取3 個(gè)方面抑制措施： 抑制干擾源； 切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑； 提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。通常一般采用隔離和屏蔽的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4 PLC系統(tǒng)冗余技術(shù)</p><p>　　4

74、.1 冗余技術(shù)的配置</p><p>　　冗余系統(tǒng)一般是在控制系統(tǒng)中最重要的部分（如CPU模塊）由兩套相同的硬件組成，當(dāng)某一套出現(xiàn)故障立即由另一套來(lái)控制。如圖4-1所示為冗余CPU系統(tǒng)圖，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主CPU模塊來(lái)控制系統(tǒng)的工作，備用CPU模塊的輸出被禁止。當(dāng)主CPU模塊發(fā)出故障信息后，RPU在1~3個(gè)掃描周期內(nèi)將控制功能切換到備用CPU，I/O系統(tǒng)也是由RPU 來(lái)完成相應(yīng)的切換。</p>&

75、lt;p>　　圖4-1 冗余CPU系統(tǒng)圖</p><p>　　4.2 冗余技術(shù)的具體分類</p><p>　　冗余技術(shù)即采用備用的硬件或軟件參與系統(tǒng)的運(yùn)行或處于準(zhǔn)備狀態(tài)，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，能自動(dòng)切換，保持系統(tǒng)不間斷地正常工作。 在PLC系統(tǒng)中，冗余技術(shù)主要針對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的永久性、瞬間性和間歇性故障進(jìn)行冗余技術(shù)。冗余控制的方式在工控領(lǐng)域根據(jù)不同的情況，采用的方式也不盡相同。</

76、p><p>　　一般情況下，根據(jù)冗余控制可分為：處理器冗余、通信冗余、I/O冗余、電源冗余。</p><p>　　按冗余的切換方式來(lái)分大致可分為：</p><p>　　1、熱冗余：即硬冗余方式，當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)，通過(guò)特定硬件判別、備份方式無(wú)間隙地自動(dòng)切換到備用的設(shè)備上，保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行 。</p><p>　　2、暖冗余：即軟冗余方式，主要

77、通過(guò)編程方式來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。由于軟冗余的實(shí)現(xiàn)受多方因素的制約，系統(tǒng)切換的時(shí)間較硬冗余稍長(zhǎng)，因此部分軟冗余可能會(huì)使主設(shè)備在發(fā)生切換時(shí)有間隙或需要人為簡(jiǎn)單干預(yù)或預(yù)置才得以完善。</p><p>　　3、冷冗余：即一套或部分冗余的設(shè)備（如CPU）不通電、不工作，準(zhǔn)備待命（人為預(yù)置好）。當(dāng)主設(shè)備故障時(shí)需要人工恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。按照現(xiàn)在的嚴(yán)格定義，這種方式不算冗余，只作</p><p>　　備件理解。這種冗

78、余一般用于實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、工藝連續(xù)性要求不高的場(chǎng)合。</p><p>　　I/O冗余、電源冗余大多數(shù)屬于硬件冗余范疇，而處理器冗余、通信冗余即可采用硬冗余實(shí)現(xiàn)也可以采用軟冗余實(shí)現(xiàn)。一般硬冗余與容顏冗余相比。硬冗余投入較大，冗余實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)性能較可靠，系統(tǒng)的切換速度較快，適用于生產(chǎn)工藝要求高、反應(yīng)速度較快的裝置和生產(chǎn)線。軟冗余投入較小，軟冗余不需要特殊的冗余模塊或軟件支持，但在冗余實(shí)現(xiàn)維護(hù)方面比較繁瑣并

79、且一般的軟冗余切換速度稍慢，系統(tǒng)性能主要取決于編程者的編程水平和所選硬件的品質(zhì)，這類冗余方式比較適用于生產(chǎn)工藝要求不太高、反應(yīng)速度較慢、開停要求不嚴(yán)的裝置和生產(chǎn)線。</p><p>　　4.3冗余設(shè)計(jì)在PLC控制系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　4.3.1處理器冗余</p><p>　　控制系統(tǒng)中處理器采用一用一備或一用多備的方式，在主處理器發(fā)生故障時(shí)，備用處理器自

80、動(dòng)投入運(yùn)行（稱故障切換或系統(tǒng)切換），直接接管控制，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。處理器冗余可采用硬、軟冗余方式實(shí)現(xiàn)。硬冗余是指采用兩套處理器和熱備模塊同時(shí)工作，但兩套的工作方式不同，一套（豬處理器）處于正常的直接運(yùn)轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，系統(tǒng)由輸入也有輸出，另一套（從處理器）也通電工作，也同時(shí)接受輸入信號(hào)，也參與數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算，與直接運(yùn)轉(zhuǎn)的那套不同的是不輸出信號(hào)，兩套之間采用硬件互聯(lián)方式進(jìn)行處理器故障切換，系統(tǒng)除了成雙使用的處理器外，一般還使用一套或是兩套熱

81、備模塊，或者叫雙擊單元。熱備模塊主要負(fù)責(zé)主/從處理器的同步，檢測(cè)處理器的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行主/從處理器之間的數(shù)據(jù)高速傳送，一旦發(fā)現(xiàn)豬處理器故障失效，馬上將系統(tǒng)控制權(quán)切換至處理器，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)切換工作。從處理器變成主處理器對(duì)程序進(jìn)行同步掃描，切換時(shí)從斷點(diǎn)處開始掃描，保持系統(tǒng)正常工作。</p><p><b>　　4.3.2通信冗余</b></p><p>　　最常見(jiàn)的通信冗余

82、是采用雙通道通信電纜。通信冗余也可以采用硬、軟冗余方式實(shí)現(xiàn)。通信冗余簡(jiǎn)單得分為單模塊雙電纜方式和兩套單模塊單電纜雙工方式通信。兩者均可實(shí)現(xiàn)通信冗余，而前者要采用冗余通信模塊實(shí)施，屬于硬冗余。后者采用普通通信模塊通過(guò)軟件編程實(shí)施，屬軟冗余，但硬件量為前者的兩倍，成本略高，較少采用。</p><p>　　硬冗余是兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)比較，實(shí)際起作用的是其中的一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，另一通信網(wǎng)絡(luò)作后備。而通信模塊則

83、實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)發(fā)送包數(shù)和接受包數(shù)之差達(dá)到一定差值或發(fā)送的故障率、接受的故障率達(dá)到一定值時(shí)，通信模塊會(huì)將當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換，由后備網(wǎng)絡(luò)接替工作，成為當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)。原故障通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)報(bào)警提示工作人員處理。這種網(wǎng)絡(luò)切換主要由通信模塊處理。</p><p>　　軟冗余實(shí)際上是由兩套單網(wǎng)組成，由處理器程序去監(jiān)控兩通信模塊的狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，在</p><p>　　處

84、理器中限定當(dāng)前工作通信模塊和后備通信模塊，從而限定當(dāng)前工作通信網(wǎng)絡(luò)和后備通信網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)檢查到切換故障發(fā)生，由處理器中程序改變當(dāng)前工作通信的模塊和后備通信模塊的限定位（值），是通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生切換，同時(shí)給出報(bào)警信息和描述，通知工作人員處理。</p><p>　　4.3.3 I/O冗余</p><p>　　I/O冗余是指對(duì)同一個(gè)外設(shè)輸入或輸出點(diǎn)采用兩個(gè)以上的I/O點(diǎn)與其相對(duì)應(yīng)，它們同時(shí)工作（同時(shí)輸出

85、、輸入），當(dāng)其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，外設(shè)不受任何影響。相對(duì)于處理器和通信冗余，通常較少使用I/O的冗余，而I/O的冗余在成本上會(huì)增加較多甚至翻倍。</p><p>　　但在一些重要的應(yīng)用場(chǎng)合，使用I/O冗余的也不少。幾乎所有的DCS控制系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)I/O冗余。在實(shí)施上模擬量I/O冗余比較冗余實(shí)現(xiàn)，只要在外設(shè)接線上作設(shè)計(jì)即可。也有部分模擬量I/O冗余從成本方面考慮，在PLC側(cè)仍然采用單點(diǎn)的模擬量輸入/輸出點(diǎn)，外設(shè)部分信

86、號(hào)使用配電器，使單個(gè)信號(hào)分配為多路輸入/輸出到外設(shè)，但這不能算作PLCI/O冗余。這樣的應(yīng)用以電壓信號(hào)居多，開關(guān)量I/O冗余的實(shí)施要在系統(tǒng)組態(tài)和PLC編程方面適當(dāng)?shù)目紤]。一般I/O實(shí)現(xiàn)了冗余的系統(tǒng)，處理器往往是硬冗余的，在輸出數(shù)據(jù)方面要作I/O冗余最常用的為1:1冗余，而其他方式如1:1:1表決系統(tǒng)在一些工藝要求高、停機(jī)造成損失大的系統(tǒng)中也有采用，如安全監(jiān)控、火電廠的鍋爐液位保護(hù)和汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，石化行業(yè)的ESD系統(tǒng)都采用這種方式。&l

87、t;/p><p>　　4.3.4 電源冗余</p><p>　　電源冗余是指采用兩塊或是多塊電源模塊給PLC做冗余供電。電源冗余通常有兩種方式</p><p>　　通過(guò)專用的電源電纜和冗余電源框架適配器模塊連接到系統(tǒng)底板（框架）上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行冗余供電，兩個(gè)電源模塊同時(shí)工作，其中任何一個(gè)故障時(shí)，另一個(gè)電源模塊仍能保持正常供電。電源模塊通過(guò)信號(hào)線將模塊的當(dāng)前狀態(tài)信息送到系統(tǒng)

88、進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)通知相關(guān)人員對(duì)故障模塊進(jìn)行維護(hù)修理。這種稱為框架外冗余供電方式。</p><p>　　在PLC的框架中插入兩塊或兩塊以上的電源模塊，電源之間通過(guò)電源冗余通信電纜相連，相互交換信息，直接對(duì)PLC進(jìn)行冗余供電。這種稱為框架內(nèi)冗余供電方式。</p><p>　　電源冗余只針對(duì)系統(tǒng)中的供電電源模塊作后備處理，成本較低，一般應(yīng)用在供電質(zhì)量不穩(wěn)定的場(chǎng)合，兩個(gè)電源模塊的來(lái)電分別取自兩個(gè)

89、不同的供電電源，這樣就避免了由于供電電源故障使系統(tǒng)停電。</p><p>　　4.4 改進(jìn)的冗余設(shè)計(jì)方案</p><p>　　上述冗余設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)的輸入輸出分別連接多臺(tái)內(nèi)容完全相同的PLC，當(dāng)一臺(tái)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，可換到另一臺(tái)PLC繼續(xù)工作，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的可靠性。但是由冗余設(shè)備長(zhǎng)期處于空閑狀態(tài)，使得控制系統(tǒng)的成本大幅增加，因此其應(yīng)用必然受到一定程度的限制。</p&

90、gt;<p>　　下面介紹一種新的冗余設(shè)計(jì)方法：雙重并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 雙重并聯(lián)系統(tǒng)圖</p><p>　　PLC1和PLC2同時(shí)并聯(lián)工作，當(dāng)錯(cuò)誤檢測(cè)器發(fā)現(xiàn)某一臺(tái)輸出不正常時(shí)，通過(guò)診斷邏輯起動(dòng)停止開關(guān)，截?cái)喑鲥e(cuò)PLC的輸出，并由另一臺(tái)PLC接替出錯(cuò)的PLC工作。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是在并聯(lián)通道的后部交叉設(shè)置了與門和或門，當(dāng)兩路都正常工

91、作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)PLC無(wú)空閑雙重工作；當(dāng)有一路發(fā)生故障時(shí)，另一路通過(guò)與門和或門同時(shí)支持兩路的輸出。這一設(shè)計(jì)完全解決了并聯(lián)冗余系統(tǒng)必須有一路或多路空閑的缺點(diǎn)，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，而且節(jié)約了系統(tǒng)的成本。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　美好的日子總是短暫的，畢業(yè)在即，我們?cè)诖髮W(xué)的最后一段時(shí)間完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。</p>&l

92、t;p>　　首先，我要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師xx老師。本論文是在xx老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從選定畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目開始到課題的研究及設(shè)計(jì)的完成，xx老師都給予了很大的幫助。當(dāng)我在課題設(shè)計(jì)遇到疑問(wèn)的而停滯不前的時(shí)候，是xx老師幫我走出困境，沒(méi)有xx老師的幫助，我也無(wú)法如此順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。其次，我還要感謝和我一起學(xué)習(xí)的組員們，在設(shè)計(jì)課題的過(guò)程中，我們相互學(xué)習(xí)，相互鼓勵(lì)，在設(shè)計(jì)期間，我們一起選擇課題、設(shè)計(jì)課題，在設(shè)計(jì)課題的時(shí)候他們

93、同樣給予了我很多的幫助，在這里我再一次對(duì)他們表達(dá)我的感謝。</p><p>　　最后，我還要衷心的感謝在三年中教育、關(guān)心過(guò)我的老師們，還有與我日夜生活在一起、朝夕相處并不斷給我?guī)椭耐瑢W(xué)和朋友們！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 宮淑貞.可編程控制器原理及應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2002.&

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