数控技术毕业论文

上海建峰职业技术学院SHANGHAI JIANFENG VOCATIONAL COLLEGE电子工程系毕业设计电子工程系毕业设计 课题名称课题名称: PLCPLC 控制系统的可靠性分析及关键控制系统的可靠性分析及关键技术的研究技术的研究专专 业业： 数控技术数控技术 学学 号号： 0829021408290214 完成日期：完成日期： 上海建峰职业技术学院 摘要装订线PLCPLC 控制系统的可靠性分析及其关键技术研究控制系统的可靠性分析及其关键技术研究摘要摘要：分析了 PLC 控制系统在可靠性上存在的问题，主要从抗干扰和稳定性方面入手，利用硬件与软件相结合的方式，解决了一些 PLC 系统中存在的问题。提出了一些克服影响 PLC 可靠性因素的措施，重点分析了一种普遍采用的冗余设计方法的可行性和有效性，并提出了一种更有效的冗余设计方案，为工业控制中 PLC 可靠性设计提供了一定的依据。关键词关键词：PLCPLC，抗干扰，可靠性，冗余技术，抗干扰，可靠性，冗余技术上海建峰职业技术学院 摘要装订线 PLC control system reliability analysis and research of key techniqueAbstract：Analysis of the PLC control systemreliability，mainly from the interference and stability-pronged approach to the use of hardware.This paper puts forward some 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 valid redundancy design project for PLC reliability design which provided some basis in industrial control.Key words: :PLC;interference immunity;reliability;redundancy上海建峰职业技术学院 目录装订线目目 录录1 1 绪绪 论论.11.11.1 研究课题的来源研究课题的来源 .11.21.2 国内外先进水平国内外先进水平.11.1.3 3 本课题所做工作本课题所做工作.2 1.1.3.13.1 本课的应达目的本课的应达目的 .2 1.1.3.23.2 本课题的内容和要求本课题的内容和要求 .22 2 可编程控制器可编程控制器 .32 2.1.1 概述概述 .3 2.1.12.1.1 可编程控制器的产生和功能特点可编程控制器的产生和功能特点 .3 2.1.22.1.2 可编程控制器的应用可编程控制器的应用 .4 2.1.32.1.3 可编程控制器的基本结构可编程控制器的基本结构 .4 2.1.42.1.4 可编程控制器的工作原理可编程控制器的工作原理 .52 2. .2 2 PLCPLC 控制的特点控制的特点 .5 2.2.12.2.1 PLCPLC 与继电器控制系统比较与继电器控制系统比较 .5 2.2.22.2.2 PLCPLC 与微型计算机的比较与微型计算机的比较.63 PLC 控制系统可靠性分析 .83 3.1.1 干扰来源的分析干扰来源的分析 .83.23.2 增强增强 PLCPLC 可靠性的方案可靠性的方案 .9 3.23.2 1 1 电源的抗干扰措施电源的抗干扰措施 .9 3.2.23.2.2 安装与布线的方案安装与布线的方案 .9 3.2.33.2.3 输入、输出端的抗干扰措施输入、输出端的抗干扰措施 .10 3.2.43.2.4 电源和感性负载的处理电源和感性负载的处理 .10 3.2.53.2.5 接地和接线的抗干扰措施接地和接线的抗干扰措施 .10 3.2.63.2.6 软件抗干扰措施软件抗干扰措施 .11 3.2.73.2.7 电磁干扰的抗干扰措施电磁干扰的抗干扰措施 .124 PLC系统冗余技术 .134.14.1 冗余技术的配置冗余技术的配置 .144.24.2 冗余技术的具体分类冗余技术的具体分类 .134.34.3 冗余设计在冗余设计在 PLCPLC 控制系统中的应用控制系统中的应用 .14上海建峰职业技术学院 目录装订线 4.3.14.3.1 处理器冗余处理器冗余 .14 4.3.24.3.2 通信冗余通信冗余 .14 4.3.34.3.3 I/OI/O 冗余冗余 .15 4.3.44.3.4 电源冗余电源冗余 .154.44.4 改进的冗余设计方案改进的冗余设计方案 .15致谢致谢 .17参考文献参考文献 .18上海建峰职业技术学院 目录装订线上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 1 -装订线1 绪 论1.1 研究课题的来源 近年来，PLC（可编程序控制器）在其发展过程中，技术功能不断扩展，增加了数值运算、闭环调节等功能。可编程序控制器的运算速度提高，输入输出规模扩大，并开始与网络和小型机相连，构成以可编程序控制器为重要部件的控制系统。目前的可编程序控制器已加强了模拟量控制功能，可以配备各种控制摸板，具有了 PID 调节功能和构成网络系统、组成分级控制功能，实现了集散控制所完成的功能。 可编程控制器是以微处理器为基础，专门为工业而设计的，操作方便的数字式电子装置。PLC 最初仅仅是为了地带继电器控制系统而存在，随着科学技术的发展，它渐渐综合了计算机、自动控制、网络通信等技术，其功能远远超出了继电器系统的功能，在钢铁、化工、制造等领域得到了越来越广泛的应用，极大的促进了现代工业生产的自动化程度。而 PLC 控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。在现代工业控制系统中，虽然 PLC 在设计和制造过程是厂家一采取了多层次的抗干扰措施，具有一定的稳定性和可靠性，但由于 PLC 的应用范围越来越广，应用区域越来越复杂，所以受到的干扰也就越来越多，过于恶劣的环境或安装使用不当的情况下，都有可能引起 PLC 内部信息的破坏。因此，研究 PLC 控制系统干扰的来源问题，以及如何确保其可靠性等问题尤其具有现实意义。1.2 国内外先进水平PLC 在现代工业控制领域中早已得到了广泛的应用。比如在工厂污水处理方面，国外在 80 年代初期、中期，PLC 系统也已在工厂污水处理设备中应用。仅以 PLC 的控制功能而言，PLC 是严谨、方便、易编程、易安装、可靠性极高的应用软件平台。PLC 具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令；PLC 即有自身的网络体系又有开放 I/O 及通讯接口，而且几乎已经发展到了尽善尽美的地步。在工厂污水处理的过程控制方面，在远程数据通讯和控制方面都具有无可争议的优势。我国工厂污水处理技术开发、产品和装备起步较晚，企业规模小，品种单一重复，可控性差，技术水平落后，用于工厂污水处理的仪表和系统更是寥寥无几。污水处理数据往往采用人工抄写、人工汇总、人工传递的方法。80 年代后期，我国利用外资引进了国外成套的污水处理设备，从仪表和控制的可靠性和先进性方面来看，比国产仪表设备具有明显的优势，但国外仪表价格昂贵，售后服务困难。同时，成套引进的污水处理设备，其仪表和控制系统的技术水平上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 2 -装订线也仅仅是国外 80 年代初期、中期传统的 DCS 和 PLC 系统。随着微电子技术、通讯技术和控制技术的进步，工业发达国家 90 年代新建的 城市污水处理厂已普遍采用现场总线技术的网络监控装置及其智能化、数字化现场仪表。现场总线是用于现场仪表、控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多点、多站的通讯系统。其技术特点是信号传输数字化，控制功能分散化，系统开发与可互操作，符合环境保护要求，节能节材，造价低廉，维护成本低。据调查，目前即使一些工厂采取了 PLC，但绝大部分还都只利用了其传统的 控制方式，并没有充分利用 PLC 的远传功能，部具备环保功能。所以污水处理系统最好具有这方面的功能，本系统中以 PLC 为主要控制设备并利用了 PLC 的远传功能这样就节省了一大笔费用。1.3 本课题所做工作 1.3.1 本课题应达目的 本课题是 PLC 控制系统的可靠性分析与关键技术研究，查阅相关资料与书籍，了解 PLC 控制系统的可靠性，进一步掌握 PLC 控制系统的关键技术。通过这次的课题研究，能够使自身经过设计的全过程体会如何应用所学知识，并进行一定的自学训练，使其掌握自学方法。为今后的科研工作打下良好基础。 1.3.2 本课题的内容和要求 PLC 控制系统的可靠性分析，要求：1.了解什么是 PLC 控制系统；2.影响、干扰 PLC 控制系统可靠性来源；3.针对干扰源分析相应的解决方案。PLC 控制系统的关键技术分析，要求：1.了解 PLC 控制系统的关键技术；2.分析 PLC 关键技术在系统中的作用；3.分析了解 PLC 控制系统关键技术的特点。上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 3 -装订线2 可编程控制器2.1 概述 2.1.1 可编程控制器的产生和功能特点可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术容为一体的新型工业自动控制装置。目前以被广泛的应用于生产机械和生产过程自动控制中。继电接触控制能完成逻辑“与” 、 “非”等功能，实现弱电对强电的控制，且由于结构简单，价格便宜，掌握容易等优点，因而几十年来已得到了广泛的应用，并在工业控制领域中曾经占据过主导地位。但继电接触控制系统存在如下缺点：设备体积大，开关动作慢，功能较少，接线复杂，触电容易损坏，改接麻烦，灵活性较差等。随着社会的发展，科技的进步，新的控制器件及其控制系统不断涌现。1968 年美国通用汽车公司（GM）公开招标研制功能更强，使用更方便，价格便宜，可靠性更高的新型控制器。1969年，美国数字设备公司（DEC）根据 GM 公司的招标要求，研制出世界第一台可编程控制器，型号为 PDP-14，并在 GM 公司汽车生产线上首次应用成功。这就较好的使继电接触控制简单易懂，使用方便，价格低等优点与计算机功能完善、灵活性强，通用性好的优点结合起来，并将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想逐渐变为现实。可编程控制器出现以后，名称很不一致。早期的可编程控制器在功能上只能进行逻辑控制，因此被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ，简称 PLC。它只是用来取代继电接触控制，仅有执行继电器逻辑、定时、技术等较少功能。20 世纪 70 年代中期出现了微处理器和微型计算机，人们把微机技术应用到可编程序控制器中，使得它兼有计算机的一些功能，不但能用逻辑编程去取代硬连线逻辑，还增加了运算、数据传送与处理及对模拟量进行控制等功能，使之真正成为一种电子计算机工业控制设备。1980 年美国电器制造协会把这种新的控制设备正式命名为可编程序控制器 PC。但为了与个人计算机的专称 PC 相区别，故常常把可编程序控制器简称为 PLC。1987 年，美国电气制造协会给出的可编程 控制器的定义为：“可编程控制器是一种带有指令存储器和数字或模拟 I/O 接口，以位运算为主，能完成逻辑顺序定时计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。 ”随着科学技术的进步和可编程序控制器的不断发展，功能不断增强，其定义也会发生变化。上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 4 -装订线可编程控制器的主要优点：1、编程简单，使用简单；2、可靠性高，抗干扰能力强；3、通用性好；4、功能强；5、使用方便；6、设计、施工和调试周期短；7、体积小、重量轻、功耗低。从上述 PLC 的功能特点可见，PLC 控制系统比传统的继电接触控制系统具有许多优点，在许多方面可以取代继电接触控制。 2.1.2 可编程控制器的应用长期以来，PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。但 PLC 也必须依靠采用其他新技术来应对市场份额逐渐减小所带来的冲击，特别是 IPC（工控机）所带来的冲击。 在全球 IPC 领域，围绕开放与再开放过程控制系统，开放式过程控制软件，开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有 PLC,但这种趋势不会发展下去。随着 Soft PLC（软PLC）控制组态软件技术的诞生与进一步发展，安装有 Soft PLC 组态软件和基于 IPC 和过程控制系统的份额正在逐步得到增长，这些事实传统 PLC 的技术发展与提高方面做出更加开放的姿态。对于控制软件来讲，这是 PLC 控制器的核心，PLC 供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现的非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将PLC 融入更加开放的工业控制行业。 PLC 及其应用的发展，与信息化，数字化，智能化的世界潮流相联系，与微电子技术的发展密切发展相关，与控制技术，计算机技术，网络技术，显示技术的发展互为因果，互相补充与促进，互相融合和渗透. 2.1.3 可编程控制器的基本结构 1. 输入与输出部件：这是 PLC 与输入控制系统和被控制设备连接起来的部件，输入部件接受从开关、按钮、继电器触点和传感器等输入的现场控制信号。并将这些信号转换成中央处理器能接受和处理的数字信号。输出部件接受经过中央处理器处理过的输出数字信号，并将它转换成被控制设备或显示装置所能接受的电压或电流信号，以驱动接触器、电磁阀、指示器件等。 2.中央处理单元：中央处理单元包括微处理器、系统程序处理器和用户程序处理器。微处理器是 PLC 的核心部件，整个 PLC 的工作过程都是在中央处理器的统一指挥和协调下进行的，它的主要任务是按一定的规律和要求读入被控对象的各种工作状态，然后根据用户所编制的应用程序的要求去处理有关数据，最后再向被控对象送出相应的控制（驱动）信号。存储器是保存系统程序和用户程序的器件。系统存储器主要用于存放系统正常工作所必需的程序，如管理、监控、指令解释上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 5 -装订线程序，这些程序与用户无直接的关系，已由厂家直接固化进 EPROM 中。用户存储器主要用于存放用户按控制要求所编制的程序，可通过编程器进行必要的修改。 3. 电源部件：电源部件是把交流电转换成直流电源的装置，它向 PLC 提供所需要的高质量直流电源。 4. 编程器：编程器是 PLC 必不可少的重要外围设备。它主要用于对用户程序进行输入、检查、调试和修改，并用来监视 PLC 的工作状态。图 2-1 PLC 基本结构图 2.1.4 可编程控制器的工作原理 CPU 连续执行用户程序、任务的循环序列称为扫描。CPU 的扫描周期包括读输入、执行程序、处理通信请求、执行 CPU 自诊断测试及写输出等内容。PLC 可被看成是在系统软件支持下的一种扫描设备。他一直周而复始地扫描并执行由系统软件规定好的任务。用户程序只是扫描周期的一个组成部分，用户程序不运行时，PLC 也在扫描，只不过在一个周期中去除了用户程序和读输入、写输出这几部分内容。典型的 PLC 在一个周期中可完成以下 5 个扫描过程：1.自诊断测试扫描过程。2.与网络进行通信的扫描过程。3.用户程序扫描过程。4.读输入、写输出扫描过程。5.信号从输入端子到输出端子的传递过程。中央处理器单元（CPU)编辑器输出电路输入电路系统程序存储器系统程序存储器电源上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 6 -装订线2.2 PLC 控制的特点 2.2.1 PLC 与继电器控制系统比较从某种意义上说，PLC 是从继电接触控制发展而来的。两者既有相似性又有不同之处。1.继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC 内部大部分采用“软”电器、 “软”接点和“软”线连接，为软件控制。2.继电接触控制系统体积大；PLC 控制系统结构紧凑，体积小。3.继电接触控制全为机械式触点，动作慢；PLC 内部全为“软接点” ，动作快。 4.继电接触控制功能改变，须拆线、接线乃至更换元器件，比较麻烦；PLC 控制功能改变，一般仅需修改程序即可，极其方便。5.PLC 控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短。6.PLC 控制的自检和监控功能比继电接触控制的强。7.PLC 的应用范围比继电接触控制的要广泛。8.PLC 可靠性比继电接触控制的高。 此外，可编程序控制器与继电接触器控制的重要区别之一就是工作方式不同。可编程序控制器是以反复扫描的方式工作，是循环地、连续逐条执行程序，任一时刻它只能执行一条指令，也就是说可编程序控制器是以“串行”方式工作的。而继电-接触器是按“并行”方式工作的，或者说是按同时执行方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个电器同时动作。继电-接触器控制的并行工作方式因触点动作的延误易产生竞争和时序失配等问题，这些在串行工作方式的可编程序控制器中不会发生。表 2-1 可编程序控制器与继电器柜的区别可编程序控制器继电器柜控制方式程序（软件）继电器配线（硬件）控制功能 指令定时计数程序寄存等以软件实现大规模高兴能控制 器件接触器中间继电器时间继电器等功能有限，随规模加大而大型化控制要素无触点（也有有触电的） ，高可靠性，寿命长，高有触点，寿命有限，低速控制上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 7 -装订线速控制。变更控制更改程序可适应各种控制对象更改器件之间连接，更改困难 2.2.2 PLC 与微型计算机的比较PLC 也是随着微型计算机的发展而发展，PLC 实质上就是一台专为工业生产控制设计的专用计算机。两者既有相似处有差别，主要差别表现在以下几个方面： 1. PLC 输出输入接口较多，中大型 PLC 输出输入接口更多，便于多路多点控制。 2. PLC 编程简便，因为 PLC 是采用易于用户理解、接收和使用的梯形图编程语言，指令又不太多，而计算机使用汇编语言或其他高级语言编程，比 PLC 编程复杂。 3. PLC 可靠性高，因为 PLC 是为工作环境条件比较恶劣的工业控制设计的，设计与制造 PLC 时已采取了多种有效的抗干扰和提高可靠性措施。 4. PLC 技术较容易掌握，使用维护方便，对使用者的技术水平要求比使用计算机时低。 5. PLC 采用扫描方式进行工作，加之其他一些原因，所以 PLC 输入输出响应比计算机慢。 6. 此外 PLC 体积较小，调试周期短。上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 8 -装订线3 PLC 控制系统可靠性分析3.1 干扰来源的分析 PLC 控制系统受到干扰的主要途径是电源线、输入、输出线和空中等部位。电源被干扰后， PLC 控制系统的供电质量变差，引起 PLC 控制失灵。输入、输出线被干扰后，出现输入、输出控制紊乱。空中干扰主要以电磁感应、静电感应形式使 PLC 的 CPU 出现误操作。按钮、继电器等工作时触点间产生的电弧，雷击和静电产生的火花放电，接触器线圈、断电器线圈、电磁铁线圈等感应负载断开时产生的浪涌电压，外界的高频加热器、高频淬火设备、杂乱的无线电波信号、电源电压的波动等等，以上这些都是能够使 PLC 出现误动作的典型干扰源。PLC 系统的干扰源根据其来源分为内部干扰源和外部干扰源。 内部干扰源主要包括：由于元器件布局不合理造成内部信号相互串扰； 线路中存在的电容性元件引起的寄生振荡；数字地、模拟地和系统地处理不当。具体情况如下：1.来自信号线的干扰：PLC 系统连接有各种信号线，这种信号线的连接方式根据梯形图的变化而不同，然而无论何种路线，信号线之间的相互干扰以及信号线对于外界空间的电磁辐射感应式不可避免的，这种称之为电磁干扰。这种干扰会导致 I/O 口工作异常，从而影响工业测量的准确性，还会对仪器造成严重损害。2.来自电源的干扰：电源是干扰进入可编程控制器的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用设备是主要的干扰源。3.来自感性负载的干扰：感性负载具有储能的作用，当控制触点断开时，电路中的感性负载会产生高于电源电压接近数十倍的反电动势，这种情况从外观是不容易觉察到的；触点吸合时，触点会发生抖动，从而产生电弧，电弧危害是一种非常严重的电气危害。4.来自接地情况的干扰：在工业控制现场，电器设备频繁启动，动力线路与控制线路结构紧密，这种情况存在严重的磁场干扰。这种干扰也是电磁干扰。 外部干扰源包括供电电源电压波动和高次谐波的干扰；开关通断形成的高、低频干扰； 动力强电信号在系统中产生感应电势引起的干扰；其它设备通过电容耦合串入控制系统而引起的干扰等。1. 温度：PLC 的工作环境温度为 055，且不可急剧变化。由于温度的变化将直接影响PLC 元器件的可靠性和寿命，所以必须采取措施取制温度的上下限。当超过 55时，可通过将系统安装于同风好、有空调的控制室内，在柜中设置风扇、冷风机等措施。当温度低于时，可通过在柜中设置加热器，不切断控制电源来改善。2. 湿度：PLC 工作相对湿度为 30%85%，湿度过大或过小可导致 PLC 内部元件性能恶化、上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 9 -装订线短路和静电感应损坏等不良后果。可采用以下对策：盘柜设计成封闭型，电路板覆盖保护层，尽量避免人体接触感应等。3. 空气：PLC 不可安装在有尘埃、导电粉末、有害气体、水分、有机溶剂、强碱性溶液的环境中，应将盘柜设置成密闭结构，以防止对系统可靠运行有影响的不清洁空气进入。4. 震动和冲击：PLC 不能经受较大的震动和冲击，所以应该将 PLC 设置在远离震源的场所，并安装防震橡皮等。 3.2 增强 PLC 可靠性的设计方案 可编程序控制器简称为 PLC （Programmable LogicController） ，它是基于微处理器的通用工业控制装置。PLC 能执行各种形式和各种级别的复杂控制任务，它的 PLC 能执行各种形式和各种级别的复杂控制任务，它的主要支柱之一，PLC 对用户友好，不熟悉计算机但熟悉继电器系统的人能很快学会 PLC 来编程和操作。PLC 已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触器的逻辑控制。用 PLC 来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就 PLC 本身而言，平均无故障时间一般已可达 35 万小时；而个别系列，据称其平均无故障时间已达 2030 万小时。所以，整个 PLC 控制系统的可靠性，主要取决于 PLC 的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关， 输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高 PLC 控制系统的可靠性进行一些探讨。 3.2.1 电源的抗干扰措施不同的 PLC 产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。电源是干扰进入的主要途径之一，对电磁干扰较强、而对 PLC 可靠性要求又较高的场合，PLC 的供电应与动力供电和控制电路供电分开。一般在进入 PLC 系统之间加屏蔽隔离变压器，屏蔽隔离变压器的次级侧至 PLC 系统间必须采用不小于 2mm2 的双绞线。屏蔽体一般位于一、二次侧线圈之间并与大地连接，这样就可消除线圈间的直接耦合。另外，电源谐波比较严重时，可在隔离稳压器前面加滤波器来消除电源的大部分谐波。必要时可在供电的电源线路上接入低通滤波器，以便滤去高频干扰信号。滤波器应放在隔离变压器之前， 即先滤波后隔离。分离供电系统，将控制器、I/O 通道和其它设备的供电采用各自的隔离变压器分离开来，也有助于抗电网干扰。 3.2.2 安装与布线的方案PLC 控制系统的布线应该远离强干扰源，如大功率晶闸管、变频器、大功率硅整流装置和大动力设备等，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。输入与输出最好分开走线，开关量与上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 10 -装订线模拟量也要分开敷设，以防外界信号干扰。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，且避免并行。输入接线一般不要超过 30m。但是如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当延长。但数字输入、输出线不能与动力线分开布线是，可用继电器来隔离输入、输出线上的干扰。当信号距离超过 300m 时，应采用中间继电器来转接信号，或使用 PLC 的远程 I/O 模块。I/O 线与电源线应该分开走线，并保持一定距离如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同电缆，如果 I/O 线的长度超过 300m 时，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量 I/O 线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入/ 输出信号距离 PLC 较远，应采用 420mA 或 010mA 的电流传输方式，而不是电压传输方 式，因为电压传输方式非常容易受到干扰。 3.2.3 输入、输出端的抗干扰措施 由于 PLC 是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号， 因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如： 按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时， 应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。要提高现场输入给 PLC 信号的可靠性， 首先要选择可靠性较高的变送器和各种开关， 防止各种原因引起传送信号线短路、断路或接触不良。其次在程序设计时增加数字滤波程序， 增加输入信号的可信性。 当输出驱动的负载为感性元件时，对于直流电路应在它们两端并联续流二极管。对于交流电路，应在它们两端并联阻容吸收电路。采取以上措施是为了防止在电感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电势或浪涌电流对 PLC 输入、输出端点及内部电源的冲击，当 PLC 的驱动元件主要是电磁阀和交流接触器线圈时， 应在 PLC 输出端与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器。 3.2.4 电源和感性负载的处理 对于电源的处理：在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在可编程序控制器的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层接地。PLC 供电系统一般采用以下几种方案：1. 使用隔离变压器供电系统。本方案是传统的抗干扰措施, 对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。它抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗,而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了原、副边所产生的分布电容,因此原边绕组只存在对屏蔽层的分布电容,高频干扰通过这个分布电容而被旁路引入地。2. 使用 UPS 供电。UPS 是个人 PC 上常用的有效保护装置，当输入交流电失电时，UPS 上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 11 -装订线根据不同的容量能继续向 PLC 控制器供电 1030 分钟。采用 UPS 供电不仅能提高 PLC 的供电安全可靠性,也能有较强的抗干扰隔离。3. 用就是抑制传导干扰,，它既能防止 PLC 电磁波采用电源滤波器滤除尖峰脉冲干扰。电源滤波器最基本的作用就是抑制传导干扰, 它既能防止 PLC 电磁波的外泄,又能避免受到外来辐射的干扰,并能有效滤除尖峰脉冲。 3.2.5 接地和接线的抗干扰措施PLC 的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC 的接地应与动力设备的接地分开， 采用专用接地；如不能分开接地时， 应采用共用接地； 绝对禁止采用共通接地方法。接地点应尽可能靠近 PLC， 接地线的线径应大于 4mm2， 接地电阻一般应小于 10。接地方法如图 3-1 所示。图 3-1 PLC 的接地方法 PLC 的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于 30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的 COM 端与输出接线的 COM 端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地， 接地点宜在控制器侧。 3.2.6 软件抗干扰措施对 PLC 系统的软件部分而言，它的可靠性主要是指软件对错误信号的抵抗力、对设备故障的判断力及对不同工况的适应能力等。因此，可以从以下几个方面来提高软件的可靠性。 1.对输入信号的处理：对于模拟信号可采用多种软件滤波方法来提高数据的可靠性。连续采样多次，采样间隔根据 A/D 转换时间和该信号的变化频率而定。采样数据先后存放在不同的数据寄存器中，经比较后取中间值或平均值作为当前输入值。常用的滤波方法有程序判断滤波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。2.议通信时干扰会造成错码，如果不对接收到的数据进行判别就会引起程序运行错误。PLC 向其它设备发送数据时，如果能在设备向 PLC 发送回答码后发送， 可以使 PLC 了解数据是否发送成功。如果不成功，应再次发送，同时对不成功进行计数；当连续若干次不能正确发通上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 12 -装订线信数据校核。在 PLC 与其它设备采用自由协送时，PLC 应采取报警等措施。 3.设置停电记忆功能。有些设备在意外停机后再开机时，必须按照停机前的工艺操作， 这就要求在程序设计中使用停电记忆机前的工艺，这就要求在程序设计中使用停电记忆功能， PLC可对内部的输出继电器，辅助继电器，计数器等进行停电记忆设置，可在一定程度上满足要求。4.设计完善的故障报警系统。为了提高 PLC 控制系统工作的可靠性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC 发出报警信号。在设计应用程序时，使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控。如果用 PLC 来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视， 该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的最大时间；当启动该对象运行时，同时也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则属于运行不正常， 发出报警信号或停机信号。 3.2.7 电磁干扰的抗干扰措施 根据干扰模式的不同， PLC 控制系统的电磁干扰分为共模干扰和差模干扰， 共模干扰是信号对地的电位差， 主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向) 电压迭加所形成。共模电压有时较大， 特别是采用隔离性能差的配电器供电时， 变送器输出信号的共模电压普遍较高， 有的可高达 130V 以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压， 直接影响测控信号， 造成元器件损坏（这就是一些 PLC 系统 I/O 模件损坏率较高的主要原因） ， 这种共模干扰可为直流， 亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压， 主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换成共模干扰所形成的电压， 这种电压叠加在信号上， 直接影响测量与控制精度。为了保证 PLC 控制系统在工业环境中免受或减少内外上述电磁干扰，必须采取 3 个方面抑制措施： 抑制干扰源； 切断或衰减电磁干扰的传播途径； 提高装置和系统的抗干扰能力。通常一般采用隔离和屏蔽的方法来实现。4 PLC 系统冗余技术上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 13 -装订线4.1 冗余技术的配置 冗余系统一般是在控制系统中最重要的部分（如 CPU 模块）由两套相同的硬件组成，当某一套出现故障立即由另一套来控制。如图 4-1 所示为冗余 CPU 系统图，在系统正常运行时，主CPU 模块来控制系统的工作，备用 CPU 模块的输出被禁止。当主 CPU 模块发出故障信息后，RPU 在 13 个扫描周期内将控制功能切换到备用 CPU，I/O 系统也是由 RPU 来完成相应的切换。图 4-1 冗余 CPU 系统图4.2 冗余技术的具体分类冗余技术即采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态，一旦系统出现故障，能自动切换，保持系统不间断地正常工作。 在 PLC 系统中，冗余技术主要针对系统可能出现的永久性、瞬间性和间歇性故障进行冗余技术。冗余控制的方式在工控领域根据不同的情况，采用的方式也不尽相同。一般情况下，根据冗余控制可分为：处理器冗余、通信冗余、I/O 冗余、电源冗余。按冗余的切换方式来分大致可分为：1、热冗余：即硬冗余方式，当主设备故障时，通过特定硬件判别、备份方式无间隙地自动切换到备用的设备上，保持系统的正常运行 。2、暖冗余：即软冗余方式，主要通过编程方式来实现冗余。由于软冗余的实现受多方因素的制约，系统切换的时间较硬冗余稍长，因此部分软冗余可能会使主设备在发生切换时有间隙或需要人为简单干预或预置才得以完善。3、冷冗余：即一套或部分冗余的设备（如 CPU）不通电、不工作，准备待命（人为预置好） 。当主设备故障时需要人工恢复系统运行。按照现在的严格定义，这种方式不算冗余，只作备件理解。这种冗余一般用于实时性不强、工艺连续性要求不高的场合。上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 14 -装订线I/O 冗余、电源冗余大多数属于硬件冗余范畴，而处理器冗余、通信冗余即可采用硬冗余实现也可以采用软冗余实现。一般硬冗余与容颜冗余相比。硬冗余投入较大，冗余实现和系统维护相对简单，系统性能较可靠，系统的切换速度较快，适用于生产工艺要求高、反应速度较快的装置和生产线。软冗余投入较小，软冗余不需要特殊的冗余模块或软件支持，但在冗余实现维护方面比较繁琐并且一般的软冗余切换速度稍慢，系统性能主要取决于编程者的编程水平和所选硬件的品质，这类冗余方式比较适用于生产工艺要求不太高、反应速度较慢、开停要求不严的装置和生产线。4.3 冗余设计在 PLC 控制系统中的应用 4.3.1 处理器冗余控制系统中处理器采用一用一备或一用多备的方式，在主处理器发生故障时，备用处理器自动投入运行（称故障切换或系统切换） ，直接接管控制，维持系统正常运行。处理器冗余可采用硬、软冗余方式实现。硬冗余是指采用两套处理器和热备模块同时工作，但两套的工作方式不同，一套（猪处理器）处于正常的直接运转工作状态，系统由输入也有输出，另一套（从处理器）也通电工作，也同时接受输入信号，也参与数据的处理和运算，与直接运转的那套不同的是不输出信号，两套之间采用硬件互联方式进行处理器故障切换，系统除了成双使用的处理器外，一般还使用一套或是两套热备模块，或者叫双击单元。热备模块主要负责主/从处理器的同步，检测处理器的运行状态和进行主/从处理器之间的数据高速传送，一旦发现猪处理器故障失效，马上将系统控制权切换至处理器，实现了自动切换工作。从处理器变成主处理器对程序进行同步扫描，切换时从断点处开始扫描，保持系统正常工作。 4.3.2 通信冗余最常见的通信冗余是采用双通道通信电缆。通信冗余也可以采用硬、软冗余方式实现。通信冗余简单得分为单模块双电缆方式和两套单模块单电缆双工方式通信。两者均可实现通信冗余，而前者要采用冗余通信模块实施，属于硬冗余。后者采用普通通信模块通过软件编程实施，属软冗余，但硬件量为前者的两倍，成本略高，较少采用。硬冗余是两个通信网络同时进行数据传送和数据比较，实际起作用的是其中的一个通信网络，另一通信网络作后备。而通信模块则实时监控两个通信网络的通信质量，当前网络的数据发送包数和接受包数之差达到一定差值或发送的故障率、接受的故障率达到一定值时，通信模块会将当前的通信网络进行切换，由后备网络接替工作，成为当前的通信网络。原故障通信网络会报警提示工作人员处理。这种网络切换主要由通信模块处理。软冗余实际上是由两套单网组成，由处理器程序去监控两通信模块的状态和网络质量，在处理器中限定当前工作通信模块和后备通信模块，从而限定当前工作通信网络和后备通信网络。上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 15 -装订线当检查到切换故障发生，由处理器中程序改变当前工作通信的模块和后备通信模块的限定位（值），是通信网络发生切换，同时给出报警信息和描述，通知工作人员处理。 4.3.3 I/O 冗余 I/O 冗余是指对同一个外设输入或输出点采用两个以上的 I/O 点与其相对应，它们同时工作（同时输出、输入） ，当其中一个发生故障时，外设不受任何影响。相对于处理器和通信冗余，通常较少使用 I/O 的冗余，而 I/O 的冗余在成本上会增加较多甚至翻倍。但在一些重要的应用场合，使用 I/O 冗余的也不少。几乎所有的 DCS 控制系统均可实现 I/O冗余。在实施上模拟量 I/O 冗余比较冗余实现，只要在外设接线上作设计即可。也有部分模拟量I/O 冗余从成本方面考虑，在 PLC 侧仍然采用单点的模拟量输入/输出点，外设部分信号使用配电器，使单个信号分配为多路输入/输出到外设，但这不能算作 PLCI/O 冗余。这样的应用以电压信号居多，开关量 I/O 冗余的实施要在系统组态和 PLC 编程方面适当的考虑。一般 I/O 实现了冗余的系统，处理器往往是硬冗余的，在输出数据方面要作 I/O 冗余最常用的为 1:1 冗余，而其他方式如 1:1:1 表决系统在一些工艺要求高、停机造成损失大的系统中也有采用，如安全监控、火电厂的锅炉液位保护和汽轮机保护系统，石化行业的 ESD 系统都采用这种方式。 4.3.4 电源冗余电源冗余是指采用两块或是多块电源模块给 PLC 做冗余供电。电源冗余通常有两种方式1、通过专用的电源电缆和冗余电源框架适配器模块连接到系统底板（框架）上，对系统进行冗余供电，两个电源模块同时工作，其中任何一个故障时，另一个电源模块仍能保持正常供电。电源模块通过信号线将模块的当前状态信息送到系统进行实时检测，及时通知相关人员对故障模块进行维护修理。这种称为框架外冗余供电方式。2、在 PLC 的框架中插入两块或两块以上的电源模块，电源之间通过电源冗余通信电缆相连，相互交换信息，直接对 PLC 进行冗余供电。这种称为框架内冗余供电方式。 电源冗余只针对系统中的供电电源模块作后备处理，成本较低，一般应用在供电质量不稳定的场合，两个电源模块的来电分别取自两个不同的供电电源，这样就避免了由于供电电源故障使系统停电。4.4 改进的冗余设计方案上述冗余设计是将系统的输入输出分别连接多台内容完全相同的 PLC，当一台 PLC 出现故障时，可换到另一台 PLC 继续工作，保证了系统的正常运行，提高了系统的可靠性。但是由冗余设备长期处于空闲状态，使得控制系统的成本大幅增加，因此其应用必然受到一定程度的限制。下面介绍一种新的冗余设计方法：双重并联冗余设计，系统框图如图 4-2 所示。上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 16 -装订线图 4-2 双重并联系统图PLC1和 PLC2同时并联工作，当错误检测器发现某一台输出不正常时，通过诊断逻辑起动停止开关，截断出错 PLC 的输出，并由另一台 PLC 接替出错的 PLC 工作。本系统的优点是在并联通道的后部交叉设置了与门和或门，当两路都正常工作时，可以实现两台 PLC 无空闲双重工作；当有一路发生故障时，另一路通过与门和或门同时支持两路的输出。这一设计完全解决了并联冗余系统必须有一路或多路空闲的缺点，不仅提高了系统的可靠性，而且节约了系统的成本。致 谢上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 17 -装订线美好的日子总是短暂的，毕业在即，我们在大学的最后一段时间完成了毕业设计。首先，我要衷心的感谢我的指导老师任老师。本论文是在任老师的悉心指导下完成的，从选定毕业设计的题目开始到课题的研究及设计的完成，任老师都给予了很大的帮助。当我在课题设计遇到疑问的而停滞不前的时候，是任老师帮我走出困境，没有任老师的帮助，我也无法如此顺利的完成我的毕业设计。其次，我还要感谢和我一起学习的组员们，在设计课题的过程中，我们相互学习，相互鼓励，在设计期间，我们一起选择课题、设计课题，在设计课题的时候他们同样给予了我很多的帮助，在这里我再一次对他们表达我的感谢。最后，我还要衷心的感谢在三年中教育、关心过我的老师们，还有与我日夜生活在一起、朝夕相处并不断给我帮助的同学和朋友们！ 参考文献上海建峰职业技术学院 毕业设计（论文）报告纸- 18 -装订线1 宫淑贞.可编程控制器原理及应用M. 北京：人民邮电出版社，2002.2 王平，刘复玉.PLC自动控制系统可靠性研究M. 北京：中国石油大学，2001.3 李道霖，张仕军.电气控制与PLC原理应用M. 北京：电子工业出版社，2005.4 熊幸明.PLC控制系统接地抗干扰技术的研究J. 低压电器，2005.5 冯宁，吴灏.可编程控制器技术应用M. 北京：人民邮电出版社，2009.6 赵中敏.PLC 控制系统的可靠性分析及其关键技术研究.机床电器，2006.7 赵越华.可编程控制器及其应用M.成都：电子科技大学出版社，1998.8 段苏振.提高 PLC 控制系统可靠性的设计因素J.电气传动，2003.9 宋伯生.PLC 编程实用指南M.北京：机械工业出版社，2007.10 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Satzinger，Systems Analysis and Design in a Changing WorldM，2008，Cengage Learning EMEA，P45P4626 Alan Beaulieu， Learning SQLOReilly SeriesM，2009，OReilly Media, Inc，P35P38致 谢软件设计是一个精细漫长的过程，超市管理系统的设计开发，并不是一个人就可以一蹴而就的，因此在此我要特别感谢从论文的选题到最终的完成，都给予我悉心帮助的 xxx 老师和 xxx 老师，正是因为两位老师的费心指导，不仅帮助我拓宽了知识界面加强了逻辑分析能力，而且还加强了我的技术操作能力，希望借此机会，对 xxx 老师表示由衷的感谢。在整个设计开发过程中，都需要周密的计划和安排，每一步骤，都需要按照软件工程标准来完成。通过对有开发经验的人的咨询，以及在开发过程中同学的帮助，相互沟通，使我的软件设计不断的加以完善，在此我也要感谢无私奉献的同学们。最后还要感谢四年来无论是在生活上、学习上还是精神上，都给予我莫大关怀的老师和同学们，如果没有他们，就没有此次软件的设计和开发，对所有帮助过我关心过我的超市管理系统6