電路功能與優(yōu)勢

可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）被用于監(jiān)測和控制工業(yè)自動化應(yīng)用中的智能（支持HART）和模擬現(xiàn)場儀器儀表。

圖1所示的電路是一個簡單的DCS系統(tǒng)，由一臺主機(jī)、一個單節(jié)點(diǎn)、兩個4通道隔離模擬輸入板和兩個4通道隔離模擬輸出板組成，這些板由Arduino尺寸基板在本地管控。RS－485收發(fā)器連接至PC或其他主機(jī)，如此，用戶可以使用Modbus協(xié)議與節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。

模擬輸入數(shù)據(jù)從本地讀取，通過使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議的串行接口提供，確保在一系列軟件應(yīng)用和庫中，保證數(shù)據(jù)完整性和可兼容性。同樣地，模擬輸出通過向Modbus寄存器寫入來置位，然后被轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流信號。

每個節(jié)點(diǎn)可以支持4個模擬輸入和輸出板的組合。如圖2所示，最多16個節(jié)點(diǎn)的多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在設(shè)計時，可以使用提供的硬件和軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。該電路支持點(diǎn)對點(diǎn)HART通信，可以擴(kuò)展為多分轉(zhuǎn)站HART網(wǎng)絡(luò)，在同一通道上集成多個HART器件。

每個板（4個一組）的模擬輸入和模擬輸出都實施電氣隔離，模擬輸入支持開路檢測，簡化了故障檢測和診斷過程。在嚴(yán)峻的工業(yè)自動化環(huán)境中使用時，這些功能可以增強(qiáng)可靠性和耐用性。

咱們買東西的時候一般會考慮三個因素，好用、便宜、耐用。對于控制系統(tǒng)來說，很多人在項目設(shè)計階段更多的考慮性能和價格，而忽視了在運(yùn)行階段的穩(wěn)定性和可靠性，也可以理解為是否耐用。其實，在整個系統(tǒng)的總體擁有成（PLC生命周期包括設(shè)備的選型、采購、設(shè)計、安裝調(diào)試、維護(hù)維修、服務(wù)等環(huán)節(jié)，總體擁有成本TCO）里面，后期維護(hù)所占的比重還是非常大的。

PLC控制可靠性是指PLC與其被控對象結(jié)合，組成系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的目的也是在規(guī)定的條件下與規(guī)定的時間內(nèi)，所能完成的規(guī)定功能。本文簡要介紹了PLC自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，分析了PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計方法，并探討了提高PLC自動控制系統(tǒng)可靠性的有效途徑。

可見的維護(hù)成本只是冰山一角

從20世紀(jì)30年代開始，機(jī)械加工企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，采用機(jī)械化流水作業(yè)的生產(chǎn)方式，對不同類型的零件分別組成自動生產(chǎn)線。隨著產(chǎn)品機(jī)型的更新?lián)Q代，生產(chǎn)線承擔(dān)的加工對象也隨之改變，這就需要改變控制程序，使生產(chǎn)線的機(jī)械設(shè)備按新的工藝過程運(yùn)行，而繼電器一接觸器控制系統(tǒng)是采用固定接線的，很難適應(yīng)這個要求。

1、PLC在自動控制系統(tǒng)中的發(fā)展

1968年美國最大的汽車制造商―通用汽車（GM）公司，為適應(yīng)汽車型號不斷更新，提出把計算機(jī)的完備功能以及靈活性、通用性好等優(yōu)點(diǎn)和繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的簡單易懂、操作方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，做成一種能適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置，并把編程方法和程序輸入方式加以簡化，使不熟悉計算機(jī)的人員也能很快掌握它的使用技術(shù)。根據(jù)這一設(shè)想，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）于1969年率先研制出第一臺可編程序控制器（簡稱PLC），在通用汽車公司的自動裝配線上試用獲得成功。從此以后，許多國家的著名廠商競相研制，各自形成系列，而且品種更新很快，功能不斷增強(qiáng)，從最初的邏輯控制為主發(fā)展到能進(jìn)行模擬量控制，具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和通信聯(lián)網(wǎng)等多種功能。PLC另一個突出優(yōu)點(diǎn)是可靠性很高，平均無故障運(yùn)行時間可達(dá)10萬小時以上，可以大大減少設(shè)備維修費(fèi)用和停產(chǎn)造成的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前PLC已經(jīng)成為電氣自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心裝置。

2、PLC自動控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計

在生產(chǎn)設(shè)計過程中。為賦予產(chǎn)品可靠性而進(jìn)行的工作稱為可靠性設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，把可靠性問題考慮進(jìn)去，比產(chǎn)品投入生產(chǎn)以后發(fā)現(xiàn)不可靠因素進(jìn)行改進(jìn)要好的多。因為后者往往要在改變工夾模具、材料、工藝等方面付出很大的代價。

可靠性設(shè)計的主要內(nèi)容包括制訂可靠性指標(biāo)，可靠性預(yù)測，可靠性分配以及與提高可靠性有關(guān)的具體設(shè)計工作和可靠性審查。

對可靠性特征量的要求稱為可靠性指標(biāo)。制訂可靠性指標(biāo)的工作包括確定指標(biāo)項目和指標(biāo)數(shù)值。一種產(chǎn)品的可靠性要求常常需要用幾項指標(biāo)來反映。指數(shù)分布失效的可靠性指標(biāo)可用失效率或MTBF來表示；對于早期失效和耗損失效宜用可靠度和可靠壽命來表示；對于控制裝置等可修復(fù)產(chǎn)品常用的還有有效度，即產(chǎn)品能工作的時間與能工作時間加不能工作時間之和的比值來表示。同一產(chǎn)品的可靠性特征量因條件、時間、功能而不同，因此在規(guī)定可靠性指標(biāo)時必須明確是對應(yīng)于什么條件、時間、功能的指標(biāo)。例如對于接觸可靠性指標(biāo)必須規(guī)定負(fù)載電壓、電流；規(guī)定偶然故障失效率必須同時規(guī)定偶然失效期延續(xù)時間即有效壽命。

3、自動控制系統(tǒng)可靠性的提高途徑

1）自動控制系統(tǒng)方案的選擇

在選擇方案時，應(yīng)考慮盡量減少控制元件數(shù)、接點(diǎn)數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)，以降低系統(tǒng)的失效率。采用可編程控制器（PC）來代替由繼電器等組成的控制柜可以提高系統(tǒng)的可靠性。在比較可編程序控制器和繼電器控制柜兩種方案時，除了購置價格以外，還應(yīng)充分估計前者在提高可靠性、縮短開發(fā)周期和減小工作量以及節(jié)省維修時間等有利因素。

2）控制元件的選用

正確選用控制元件的品種、規(guī)格是提高元件使用可靠性的關(guān)鍵。為此必須深入確切地了解和分析機(jī)床對電氣控制系統(tǒng)的要求和系統(tǒng)對控制元件的要求。并且收集和消化控制元件制造廠提供的技術(shù)材料，如果這些資料不能滿足選用的要求時，機(jī)床制造廠可按實際使用的條件對控制元件進(jìn)行試驗以確定是否合用。由于選用不當(dāng)影響可靠性的例子有：忽視輸入或輸出的機(jī)械參數(shù)，例如選電磁鐵時未考慮所拖負(fù)載的力――行程特性，選限位開關(guān)時未考慮撞塊速度；選接觸器時未考慮點(diǎn)動、反接制動的工作方式；選繼電器時未考慮能做到可靠接觸的額定最低工作電壓和額定最小工作電流；選短路保護(hù)電器（包括熔斷器）時未考慮對接觸器等觸頭的保護(hù)；選控制變壓器時未考慮漏阻抗在電磁系統(tǒng)起動電流情況下的壓降等。

3）控制元件的工作環(huán)境

工作環(huán)境對可靠性有很大的影響。塵埃不但會引起電接觸故障，而且可以降低絕緣性能、增加交流磁系統(tǒng)極面粘住的危險，因此必須采用必要的防塵措施。對于對可靠性要求較高的系統(tǒng)，控制元件應(yīng)裝入塵埃不能侵人的罩殼或電柜內(nèi)。機(jī)床上的控制元件常工作在有潤滑油或切削油的地方，這時必須選用防油型電器或采取防油措施。

4）篩選和預(yù)防性更換

為了減少系統(tǒng)的早期失效，機(jī)床制造廠可以對控制元件進(jìn)行篩選，即使每臺元件在實際使用條件下連續(xù)工作一定次數(shù)，把失效產(chǎn)品排除，以減少裝到系統(tǒng)中的元件早期失效。元件進(jìn)入耗損失效期以后，失效率將明顯上升。為了防止這種情況影響系統(tǒng)的可靠性，可以在有效壽命（或偶然故障期）將結(jié)束時，不管元件是否損壞，也進(jìn)行更換。采用篩選和預(yù)防性更換，可以保證系統(tǒng)中的元件工作在偶然失效期內(nèi)，在這個前提下才可以用元件的偶然失效率來計算系統(tǒng)的失效率。

5）現(xiàn)場失效調(diào)查

提高可靠性的辦法，從根本上來說，應(yīng)以現(xiàn)場失效調(diào)查和分析著手。和一般的產(chǎn)品設(shè)計和計算工作不同，可靠性設(shè)計不可能只通過理論和計算取得需要的結(jié)果，保證可靠性的程度取決于對使用現(xiàn)場實際發(fā)生的失效的了解（包括其深度和廣度）。實驗室試驗也是取得失效數(shù)據(jù)的一個方法，但由于試驗的內(nèi)容、方法和條件限制，故只能是對現(xiàn)場使用情況的一個近似的模擬，它不可能代替使用現(xiàn)場失效情況的調(diào)查分析。脫離了現(xiàn)場條件的可靠性試驗是沒有實際意義的。

PLC可靠不等于PLC控制系統(tǒng)可靠。PLC控制系統(tǒng)比單獨(dú)的PLC復(fù)雜。系統(tǒng)復(fù)雜，出現(xiàn)故障的可能性就大，可靠性將降低。PLC控制系統(tǒng)不是PLC及其被控對象簡單地相加，而是兩者有機(jī)的結(jié)合。結(jié)合得好，才可靠。PLC控制系統(tǒng)也不等于PLC及其被控對象全面結(jié)合，只是與實施控制有關(guān)的才需要結(jié)合。