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編輯導語
工控技術人員需要的幹貨來了!!!本篇文章能讓讀者了解PLC控制系統設計的原則和一般流程；了解控制系統可靠性設計方法和調試方法；掌握硬體系統選型的方法。由于内容較多,我們分為三個片斷。
此為片段三，重點講述可靠性、備援、供電系統設計。
1.6 PLC控制系統的可靠性設計
1環境技術條件設計
1. 可程式設計控制器的環境适應性
由于可程式設計控制器是直接用于工業控制的工業控制器，生産廠家都把它設計成能在惡劣的環境條件下可靠地工作。盡管如此，每種控制器都有自己的環境技術條件，使用者在選用時，特别是在設計控制系統時，對環境條件要給予充分的考慮。
一般可程式設計控制器及其外部電路（I/O子產品、輔助電源等）都能在下列環境條件下可靠地工作：
溫度 工作溫度 0-55℃，最高為60℃
儲存溫度 -40℃- +85℃
濕度 相對濕度 5%-95%（無凝結霜）
振動和沖擊 滿足國際電工委員會标準
電源 AC200V允許變化範圍 -15%—+15%,頻率 47-53 Hz 瞬間停電保持 10 ms
環境 周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體
2. 環境條件對可程式設計控制器的影響
（1）溫度的影響
可程式設計控制器及其外部電路都是由半導體內建電路（簡稱IC）、半導體和電阻、電容等元器件構成的，溫度的變化将直接影響這些元器件的可靠性和壽命。
溫度高時容易産生下列問題：IC、半導體等半導體器件性能惡化，故障率增加和壽命降低；電容器件等漏電流增大，故障率增大，壽命降低；模拟回路的漂移變大，精度降低等。如果溫度偏低，除模拟回路精度降低外，回路的安全系數變小，超低溫時可能引起控制系統的動作不正常。特别是溫度的急劇變化（高低溫沖擊）時，由于電子器件熱脹冷縮，更容易引起電子器件的惡化和溫度特性變壞。
（2）濕度的影響
在濕度大的環境中，水分容易通過子產品上IC 的金屬表面缺陷浸入内部，引起内部元件的惡化，印刷闆可能由于高壓或高浪湧電壓而引起短路。
在極幹燥的環境下，絕緣物體上可能帶靜電，特别是MOS內建電路，由于輸入阻抗高，可能由于靜電感應而損壞。
控制器不運作時，由于溫度、濕度的急驟變化可能引起結露。結露後會使絕緣電阻大大降低，由于高壓的洩漏，可使金屬表面生鏽。特别是AC220V、AC110V的輸入/輸出子產品，由于絕緣的惡化可能産生預想不到的事故。
（3）振動和沖擊的影響
一般可程式設計控制器能耐的振動和沖擊頻率為10~55Hz，振幅為0.5mm，加速度為2g，沖擊為10g（g=10m/s2）。超過這個極限時，可能會引起電磁閥或斷路器誤動作，機械結構松動，電氣部件疲勞損壞，以及連接配接器的接觸不良等後果。
（4）周圍空氣的影響
周圍空氣中不能混有塵埃、導電性粉末、腐蝕性氣體、水分、油份、油霧、有機溶劑和鹽分等，否則會引起下列不良反應：塵埃可引起接觸部分的接觸不良，或使濾波器的網眼堵住，使盤内溫度升高；導電性粉末可引起誤動作，絕緣性能變差和短路等，油和油霧可能會引起接觸不良和腐蝕塑膠；腐蝕性氣體和鹽分可能會引起印刷闆的底闆或引線腐蝕，造成繼電器或開關類的可動部件接觸不良。
3. 改善環境設計
由上面的介紹可知，環境條件對可程式設計控制器的控制系統可靠性影響很大，為此必須針對具體應用場合采取相應的改善環境措施。這裡介紹幾種常用、可行的有效措施。
(1) 高溫對策
如果控制系統的周圍環境溫度超過極限溫度（60℃），必須采取下面的有效措施。
1) 盤、櫃内設定風扇或冷風機，通過濾波器把自然風引入盤、櫃内。由于風扇的壽命不那麼長，故必須和濾波器一起定期檢修。注意冷風機不能結露。
2) 把控制系統置于有空調的控制室内，不能直接放在日光下。
3) 控制器的安裝都應考慮通風，控制器的上下都要如圖1-4所示的那樣留有50mm的距離，I/O子產品配線時要使用導線槽，以免妨礙通風。
圖1-4 風路設計
4) 安裝時要把發熱體（如電阻器或電磁接觸器等）遠離控制器，或者把控制器安裝在發熱體的下面。
(2) 低溫對策
1) 盤、櫃内設定加熱器，冬季時這種加熱器特别有效，可使盤、櫃内溫度保持在0℃以上或者10℃左右。設定加熱器時要選擇适當的溫度傳感器，以便能在高溫時自動切斷加熱器電源，低溫時自動接通電源。
2) 停運時，不切斷控制器和I/O子產品電源，靠其本身的發熱量使周圍溫度升高，特别是在夜間低溫時，這種措施是有效的。
3) 在溫度急驟變化的場合，不要打開盤、櫃的門，以防冷空氣進入。
(3) 濕度不宜對策
1) 盤、櫃設計成密封型，并放入吸濕劑。
2) 把外部幹燥的空氣引入盤、櫃内。
3) 印刷闆上再覆寫一層保護層，如噴松香水等。
4) 在濕度低、幹燥的場合進行檢修時，人體盡量不接觸子產品，以防感應電損壞器件。
(4) 防振和防沖擊措施
1） 如果振動源來自盤、櫃之外，可對相應的盤、櫃采用防振橡皮，以達到減振目的。同時亦可把盤櫃設定在遠離振源的地方，或者使盤櫃與振源共振。
2） 如果振動來自盤、櫃内，則要把産生振動和沖擊的裝置從盤、櫃内移走，或單獨設定盤、櫃。
3） 強固控制器或I/O子產品印刷闆、連接配接器等可能産生松動的部分或器件，連接配接線亦要固定緊。
（5）防周圍環境部清潔的措施
如果周圍環境空氣不清潔，可采取下面相應措施：
1） 盤、櫃采用密封型結構。
2） 盤、櫃内打入高壓清潔空氣，使外界不清潔空氣不能進入盤櫃内部。
3） 印刷闆表面塗一層保護層，如松香水等。
所有上述措施都不能保證絕對有效，有時根據需要可采用綜合防護措施。
2控制系統的備援設計
使用可程式設計控制器構成控制系統時，雖說控制器的可靠性或安全性高，然而無論使用什麼樣的硬體，故障總是難免的，特别是控制器，對使用者來說它是一個黑箱子，一旦出現故障，使用者一點辦法都沒有。是以，在控制系統設計時必須充分考慮可靠性和安全性。
1. 環境條件富餘
改善環境條件設計的目的在于使用控制器工作在合适的環境中，且使環境條件有一定富餘量。如溫度，雖然控制器能在60℃高溫下工作，但為了保證可靠性，環境溫度最好控制在40℃以下，即留有三分之一以上的富餘量，其他環境條件也是如此，最好留有三分之一以上的富餘量。
2. 控制器的并行運作
用兩台控制内容完全相同的控制器，輸入/輸出也分别連接配接到兩台控制器，當某一台控制器出現故障時，可切換到另一台控制器繼續運作。
圖1-5所示是具體實作方法。圖示是外部硬接線，所有輸入/輸出都與兩台控制器連接配接，當某一台控制器出現故障時，由主要制器或人為切換到另一台控制器，使其繼續執行控制任務。當1号機的I0.0閉合，1号機執行控制任務，當2号機的I0.0閉合時，由2号機執行控制任務。
圖1-5 控制器并列運作
控制器并列運作方案僅适用于小規模的控制系統，輸入/輸出點數比較少，布線容易。對大規模的控制系統，由于I/O點數多，電纜配線變得複雜，同時控制系統成本相應增加（幾乎是成倍增加），這就限制了它的應用。
3. 雙機雙工熱後備控制系統
雙機雙工熱後備控制系統僅限于控制器的備援，I/O通道僅能做到同軸電纜的備援，不可能把所有I/O點都備援，隻有在那些不惜成本的場合才考慮全部系統備援。
4. 與繼電器控制盤并用
在老系統改造的場合，原有的繼電器控制盤最好不要拆掉，應保留其原來的功能，以便作為控制系統的後備手段使用。對于建立項目，最好不要采用此方案。因為小規模控制系統中的控制器造價可做到和繼電器控制盤相當，是以以采用控制器并列運作方案為好。對于中大規模的控制系統，由于繼電器控制盤比較複雜，較費電纜線和工時，還不如采用控制器可靠，這時采用雙機雙工熱後備控制系統方案為好。
5. 手動運作
如圖1-6所示，将手操開關與輸出信号線連接配接，當控制器出現故障時，由手操開關直接驅動負荷，仍能使系統運作。
圖1-6 手動運作
手操運作不能作為控制系統的主要運作方式，隻能在裝置調試時用，或作為臨時後備用。這是因為手操運作時沒有系統聯鎖信号，不符合系統安全運作規程。
3控制系統供電系統設計
供電系統的設計直接影響控制系統的可靠性，是以在設計供電系統時應考慮下列因素：
(1) 輸入電源電壓允許在一定得範圍内變化。
(2) 當輸入交流電斷電時，應不破壞控制器程式和資料。
(3) 在控制系統部允許斷電的場合，要考慮供電電源的備援。
(4) 當外部裝置電源斷電時，應不影響控制器的供電。
(5) 要考慮電源系統的抗幹擾措施。
為此，本書給出下面幾種實用供電系統設計方案，經實踐證明這幾種方案對提高控制系統的可靠性是有效地。
1. 使用隔離變壓器的供電系統
圖1-7所示是使用隔離變壓器的供電系統，控制器和I/O系統分别由各自的隔離變壓器供電，并與主回路電源分開。這樣當輸入/輸出供電斷電時不會影響控制器的供電。
圖1-7 使用隔離變壓器的供電系統
2. 使用UPS供電系統
不間斷電源UPS（uninterrupted power supply）是用電裝置的保護神，平時處于充電狀态，當輸入交流電（220V）失電時，UPS能自動切換到輸出狀态，繼續向用電裝置供電。
圖1-8所示是使用UPS的供電系統，根據UPS的容量，在交流電失電後可繼續向控制器供電10-30min。是以對于非長時間停電的系統，其效果是顯著的。
圖1-8 使用UPS的供電系統
1.7 PLC控制系統的調試
控制系統的調試可分為模拟調試和現場調試兩個過程。在調試之前首先要仔細檢查系統的接線，這是最基本也是非常重要的一個環節。
1模拟調試
1. 軟體模拟調試
軟體在設計完成之後，可以首先使用PLCSIM進行仿真調試。該軟體操作方法簡單，靈活性高，使用友善。圖1-9為PLCSIM仿真軟體調試的界面圖。
圖1-9 PLCSIM仿真軟體界面圖
2. 硬體模拟調試
用PLC硬體來調試程式時，用接在輸入端的小開關或按鈕來模拟PLC實際的輸入信号，例如用它們發出操作指令，或在适當的時候用它們來模拟實際的回報信号，例如限位開關觸點的接通和斷開。通過輸出子產品上各輸出點對應的發光二極管，觀察輸出信号是否滿足設計的要求。
可用事先編寫好的試驗程式對外部接線做掃描通電檢查來查找接線故障。不過為了安全考慮，最好将主電路斷開，當确認接線無誤後再連接配接主電路，将模拟調試程式下載下傳到PLC進行調試，直到各部分的功能正常，并協調一緻地完成整體的控制功能為止。
2 現場調試
完成上述工作後，将PLC安裝在控制現場進行聯機調試，在調試過程中将暴露出系統中可能存在的傳感器、執行器和硬體接線等方面的問題，以及程式設計中的問題，應對出現的這些問題，要及時加以解決。
現場調試是整個控制系統完成的重要環節。任何的系統設計很難說不經過現場的調試就能正常使用。隻有通過現場調試才能發現控制回路和控制程式中不能滿足系統要求之處；隻有通過現場調試才能發現控制電路和控制程式中存在的問題。
在調試過程中，如果發現問題，應及時與工藝人員溝通，确定其問題所在，及時對相應硬體和軟體部分進行調整。全部調試後，經過一段時間試運作，才能确認程式正确可靠，才能正式投入正常使用。