论文部分内容阅读
[摘 要]为了延长PLC控制系统的寿命，在系统设计和生产使用中要对该系统的设备消耗、元器件、设备故障发生点有较明白的估计，也就是说，要知道整个系统哪些部件最容易出故障，以便采取措施和实行超前维护，减少故障率。现以我矿提升系统的PLC过程控制系统为例，对PLC过程控制系统故障分布规律进行分析，希望能对PLC过程控制系统的系统设计和日常维护有所帮助。
[关键词]PLC 故障率 I/O 故障点
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-184-01
一、系统故障的概念
系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I/O端口和现场控制检测设备，如继电器、传感器、开关，接触器、阀门、电动机等。
（一）提升機的PLC控制系统简介
该系统改造时采用西门子公司的S5系列PLC 为核心组成的PLC过程控制系统。该系统有2个集中控制室：主井车房和卸载站，其中车房为主站；1个现场工作站：装载、卸载和称重工作站；现场工作是独立的PLC自动控制系统，它与主站进行模拟量和开关量的通讯和开关量的联锁。主站与从站间采总线通讯方式。
（二）系统故障数据的统计
经统计，系统故障共计504次，其中PLC的故障比例约为5.4%，现场部分故障比例约为94.6%，对照其他PLC过程控制系统的故障数据，并考虑该系统运行时间较长，该比例高于一般PLC过程控制系统的故障分布规律，有一定的普遍性。一般来讲PIC部分的故障比例约为5%，现场控制设备的故障比例约为95%。
二、系统故障分析及处理
（一）PLC 主机系统
PLC主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统和通讯网络系统，电源在连续工作和散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。通讯及网络受外部干扰的可能性大，外部环境是造成通讯外部设备故障的最大因素之一。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、元器件、印刷线路的老化、接触点的氧化、灰尘等都是系统总线信号损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。
（二）PLC的I/O端口
PLC最大的薄弱环节在I/O端口。PLC的技术优势在于其I/O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I/O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。
（三）现场控制设备
在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，以下列出了现场中最容易出故障的几个方面。
1. 第一类故障点在继电器、接触器。如该生产线PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量较大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身质量外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。在该生产线上所有控制柜都是选用密闭性较好的盘柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内 元器件的使用寿命明显要长。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。
2. 第二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸板的位置转换，或者利用气动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。我工区对此类设备建立了严格的巡检制度，经常检查闸门是否变形，执行机构是否灵活可靠，很好地保证了整个控制系统的安全运行。
3. 第三类故障点可能发生在开关、极限位置、安全保护和现场操作上的一些元件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该系统的装载站的定量仓和分配门的闸板来回移动频繁，而且现场粉尘较大，空气潮湿，条件恶劣，所以接近开关出现变形、错位等从而导致开关动作不灵敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程中加入多重的保护措施。
4. 第四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。所以在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。
5. 第五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PLC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常的巡检有关，发现问题应及时处理。
6. 第六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声干扰，问题的解决或改善主要在于工程安装设计时的经验和日常维护中的观察分析。
要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和安全操作规程，在日常的工作中要遵守工艺要求和安全操作规程，严格执行相关的规定，如保持集中控制室的环境等等，同时在生产中也要加强这些方面的管理。
三、结束语
过程控制系统本身是一个完整的系统，所以在分析故障或处理故障时也要注意系统性，单独的对某一部分的优化有时并不能提高系统的整体性能。如过分追求元器件的精度而不考虑实际的需要以及和相关设备精度的匹配，将徒然增加系统成本。在日常维护中也有过把系统越改越复杂的现象，如采用复杂的控制方式和设备来实现本可以用简单装置来实现的控制，违背了经济、简单、实用的原则，并可能会增加故障率，这也是要注意的地方。
参考文献：
[1] 杨公源 可编程控制器（PLC）原理与应用 出版社：电子工业出版社 2004年。
[2] 张万忠、刘明芹 电器与PLC控制技术 出版社：化学工业出版社 2006年
[3] 张万忠、孙远强 PLC应用及维修技术 2006年
[关键词]PLC 故障率 I/O 故障点
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-184-01
一、系统故障的概念
系统故障一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括中央处理器、主机箱、扩展机箱、I/O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括I/O端口和现场控制检测设备，如继电器、传感器、开关，接触器、阀门、电动机等。
（一）提升機的PLC控制系统简介
该系统改造时采用西门子公司的S5系列PLC 为核心组成的PLC过程控制系统。该系统有2个集中控制室：主井车房和卸载站，其中车房为主站；1个现场工作站：装载、卸载和称重工作站；现场工作是独立的PLC自动控制系统，它与主站进行模拟量和开关量的通讯和开关量的联锁。主站与从站间采总线通讯方式。
（二）系统故障数据的统计
经统计，系统故障共计504次，其中PLC的故障比例约为5.4%，现场部分故障比例约为94.6%，对照其他PLC过程控制系统的故障数据，并考虑该系统运行时间较长，该比例高于一般PLC过程控制系统的故障分布规律，有一定的普遍性。一般来讲PIC部分的故障比例约为5%，现场控制设备的故障比例约为95%。
二、系统故障分析及处理
（一）PLC 主机系统
PLC主机系统最容易发生故障的地方一般在电源系统和通讯网络系统，电源在连续工作和散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。通讯及网络受外部干扰的可能性大，外部环境是造成通讯外部设备故障的最大因素之一。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印刷板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、元器件、印刷线路的老化、接触点的氧化、灰尘等都是系统总线信号损耗的原因。所以在系统设计和处理系统故障的时候要考虑到空气、尘埃、紫外线等因素对设备的破坏。目前PLC的主存储器大多采用可擦写ROM，其使用寿命除了主要与制作工艺相关外，还和底板的供电、CPU模块工艺水平有关。而PLC的中央处理器目前都采用高性能的处理芯片，故障率已经大大下降。对于PLC主机系统的故障的预防及处理主要是提高集中控制室的管理水平，加装降温措施，定期除尘，使PLC的外部环境符合其安装运行要求；同时在系统维修时，严格按照操作规程进行操作，谨防人为的对主机系统造成损害。
（二）PLC的I/O端口
PLC最大的薄弱环节在I/O端口。PLC的技术优势在于其I/O端口，在主机系统的技术水平相差无几的情况下，I/O模块是体现PLC性能的关键部件，因此它也是PLC损坏中的突出环节。要减少I/O模块的故障就要减少外部各种干扰对其影响，首先要按照其使用的要求进行使用，不可随意减少其外部保护设备，其次分析主要的干扰因素，对主要干扰源要进行隔离或处理。
（三）现场控制设备
在整个过程控制系统中最容易发生故障地点在现场，以下列出了现场中最容易出故障的几个方面。
1. 第一类故障点在继电器、接触器。如该生产线PLC控制系统的日常维护中，电气备件消耗量较大的为各类继电器或空气开关。主要原因除产品本身质量外，就是现场环境比较恶劣，接触器触点易打火或氧化，然后发热变形直至不能使用。在该生产线上所有控制柜都是选用密闭性较好的盘柜，其内部元器件较其他采用敞开式盘柜内 元器件的使用寿命明显要长。所以减少此类故障应尽量选用高性能继电器，改善元器件使用环境，减少更换的频率，以减少其对系统运行的影响。
2. 第二类故障多发点在阀门或闸板这一类的设备上，因为这类设备的关键执行部位，相对的位移一般较大，或者要经过电气转换等几个步骤才能完成阀门或闸板的位置转换，或者利用气动执行机构推拉阀门或闸板的位置转换，机械、电气、液压等各环节稍有不到位就会产生误差或故障。长期使用缺乏维护，机械、电气失灵是故障产生的主要原因，因此在系统运行时要加强对此类设备的巡检，发现问题及时处理。我工区对此类设备建立了严格的巡检制度，经常检查闸门是否变形，执行机构是否灵活可靠，很好地保证了整个控制系统的安全运行。
3. 第三类故障点可能发生在开关、极限位置、安全保护和现场操作上的一些元件或设备上，其原因可能是因为长期磨损，也可能是长期不用而锈蚀老化。如该系统的装载站的定量仓和分配门的闸板来回移动频繁，而且现场粉尘较大，空气潮湿，条件恶劣，所以接近开关出现变形、错位等从而导致开关动作不灵敏。对于这类设备故障的处理主要体现在定期维护，使设备时刻处于完好状态。对于限位开关尤其是重型设备上的限位开关除了定期检修外，还要在设计的过程中加入多重的保护措施。
4. 第四类故障点可能发生在PLC系统中的子设备，如接线盒、线端子、螺栓螺母等处。这类故障产生的原因除了设备本身的制作工艺原因外还和安装工艺有关，如有人认为电线和螺钉连接是压的越紧越好，但在二次维修时很容易导致拆卸困难，大力拆卸时容易造成连接件及其附近部件的损害。长期的打火、锈蚀等也是造成故障的原因。根据工程经验，这类故障一般是很难发现和维修的。所以在设备的安装和维修中一定要按照安装要求的安装工艺进行，不留设备隐患。
5. 第五类故障点是传感器和仪表，这类故障在控制系统中一般反映在信号的不正常。这类设备安装时信号线的屏蔽层应单端可靠接地，并尽量与动力电缆分开敷设，特别是高干扰的变频器输出电缆，而且要在PLC内部进行软件滤波。这类故障的发现及处理也和日常的巡检有关，发现问题应及时处理。
6. 第六类故障主要是电源、地线和信号线的噪声干扰，问题的解决或改善主要在于工程安装设计时的经验和日常维护中的观察分析。
要减小故障率，很重要的一点是要重视工厂工艺和安全操作规程，在日常的工作中要遵守工艺要求和安全操作规程，严格执行相关的规定，如保持集中控制室的环境等等，同时在生产中也要加强这些方面的管理。
三、结束语
过程控制系统本身是一个完整的系统，所以在分析故障或处理故障时也要注意系统性，单独的对某一部分的优化有时并不能提高系统的整体性能。如过分追求元器件的精度而不考虑实际的需要以及和相关设备精度的匹配，将徒然增加系统成本。在日常维护中也有过把系统越改越复杂的现象，如采用复杂的控制方式和设备来实现本可以用简单装置来实现的控制，违背了经济、简单、实用的原则，并可能会增加故障率，这也是要注意的地方。
参考文献：
[1] 杨公源 可编程控制器（PLC）原理与应用 出版社：电子工业出版社 2004年。
[2] 张万忠、刘明芹 电器与PLC控制技术 出版社：化学工业出版社 2006年
[3] 张万忠、孙远强 PLC应用及维修技术 2006年