工业自动控制系统可靠性分析

工业自动控制系统可靠性分析

作者：靳永全

来源：《中国科技博览》2012年第32期

[摘要]：分析了影响工业自动控制系统可靠性的因素，从硬件、软件及编程组态方面，提出了提高可靠性的措施；硬件方面从一次元件及接地方面进行了论述；软件方面包括：I/O信号的处理、程序设计及监视报警等。

中图分类号：TG453+.9 文献标识码：TG 文章编号：1009-914X（2012）32- 0389 -01

1、引言

自动控制系统现在广泛应用于工业生产中，其本身主要由四部分组成：控制器、被控对象、执行机构和变送器，其中任何一个环节的任何一个部件出现故障，都会影响到系统的正常工作。因此针对这些环节进行分析，采取相应的措施可有效提高自动控制系统的可靠性。

2、影响自动控制系统可靠性的因素

自动控制系统本身具有较高的可靠性，其影响因素主要来至于外部，一方面来自于输入输出信号，另一方面来至于就地一次元件；另外逻辑组态的缺陷同样会影响控制系统的可靠性。

2.1 输入输出信号对系统可靠性的影响

控制系统输入输出信号的正确性直接影响到系统的可靠性，如果输入到控制系统的信号不正确，系统将无法确定当前系统及设备状况，甚至给监控人员错误的信息，从而做出不正确的决策，造成故障，影响系统的可靠性。而造成输入输出信号的错误主要有以下几方面的因素：

2.1.1辐射的干扰

控制系统输入信号的辐射干扰主要由电力网络、雷电、无线电广播、高频设备等产生的。辐射干扰对控制系统的影响主要有两个方面，一方面是对控制系统内部的辐射，由控制系统内部电路感应而产生干扰；另一个方面是对控制系统通信网络的辐射，由通迅及信号线路引入到控制系统而产生干扰。辐射干扰主要与电磁场的强度特别是频率有关，通常采用屏蔽或信号隔离的方法，减小干扰的影响，提高系统的可靠性。

2.1.2来自接地系统的干扰

正确的接地可有效避免信号的干扰，提高信号的正确性。如果接地不当，不仅不能减少干扰，反而会影响信号的精度，甚至引入错误的信号。控制系统的接地主要有系统接地、设备接

地、屏蔽接地及保护接地。不同的接地系统对接地阻值及接地方式有不同的要求。不正确的接地，可能在各接地系统间产生环路电流，影响系统的正常工作。

此外，屏蔽层、接地线及大地间可能构成回路，在磁场的作用下，在屏蔽层内产生感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。

2.2来自就地一次元件的影响

接入到控制系统的信号包括数字量信号及模拟量信号，如果开关量信号的触点接触不良，触点发生抖动，控制系统就会收到错误的信号；同样现场变送器等一次模拟量元件出现故障，接线松动，变送器本身控制单元出现问题都会使送入控制系统的模拟量信号偏离实际值，使控制系统产生错误的判断而发出错误的指令，影响系统的稳定性。

2.3执行机构误动或拒动的影响

控制系统发出指令传递到就地执行机构，由于执行机构本身的缺陷或故障，造成控制器指令并未能得以正确执行，影响系统的可靠性。例如就地电动执行器机械卡涩，电磁阀故障或气动执行器运行不到位，都影响到控制指令的正确执行，甚至给系统带来故障，造成重大损失。

3、提高控制系统可靠性的措施

在现代工业控制系统中，采取了许多提高系统可靠性的措施。这些技术措施一般都基于四种策略：一是使系统本身不易发生故障，即所谓的故障预防；二是在系统发生故障时尽可能的减少故障所造成的影响，即所谓的故障保安或故障弱化；三是在系统发生故障时，能够让系统继续运行，即所谓的故障容错；四是在系统发生故障时，可以在运行情况下进行维修，即所谓的在线维修。

3.1提高控制系统可靠性的硬件措施

3.1.1有效控制干扰信号的影响

对于影响控制系统可靠性的干扰信号，主要应从以下几个方面进行控制：首先对信号电缆要采用带屏蔽层的信号电缆，信号电缆要与动力电缆分层敷设，不要在同一电缆槽盒内敷设，尤其不要与大功率动力电缆同层敷设；其次电缆屏蔽层要单点接地，不要两点或多点接地，避免由于接地点间电位不同产生感应电流，影响测量信号的正确性；第三信号电缆及元器件要尽量避开强磁场区间。

在广州某玻璃厂脱硫系统的调试期间，曾发生过大功率动力电缆与控制电缆同槽敷设，造成PLC控制系统故障的缺陷。最后将动力电缆从控制电缆槽盒内抽出，重新单独敷设后，缺陷得到彻底消除。

3.1.2完善接地系统

对电子电路来说，接地是防止辐射干扰的有效方法。控制系统中的地线分为屏蔽地、保护地、系统地等几种，这些地线应分开布置。对于接地系统是采用单点接地还是多点接地，应按如下原则设置：信号频率低于1MHz时，布线和元器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流影响较大，因而单元回路间宜采用单点接地；信号频率大于10MHz时，宜采用多点接地。

3.1.3提高就地一次元件信号的正确性

一次元件本身运行是否稳定，直接影响到控制系统的可靠性。因此要从几个方面确保就地一次元件的稳定性能：第一，选用质量好的就地一次元件，从根本上减少就地一次元件的故障率；第二，就地变送器、执行器本体要可靠接地；第三，加强对就地一次元件的维护，如对取样装置要定期进行清理，保持采样管路的畅通；对执行机构，要定期加油润滑，保证执行机构动作灵活、无卡涩；第四，对就地一次元件还应做好防雨措施，避免雨水侵蚀而引起一次元件的故障。

对于一些重要的信号，可采用多个测量元件，对同一测量点同时进行监测，减小信号的误差。如锅炉炉膛负压等就利用这种方式，提高信号的可靠性。这也体现了在线维修的控制策略，若其中一个测量元件出现故障，其它几个元件仍能确保系统正常运行的需要，同时可对故障元件进行维修。

3.2提高控制系统可靠性的软件措施

控制系统软件的可靠性同样非常重要，如果软件的可靠性不高，不仅会影响系统的正常工作，甚至会导致系统瘫痪。近年来，随着自动化程度的提高，软件的可靠性越来越多的引起人们的重视。

3.2.1采用软件自身的某些功能，提高输入信号的可靠性

对于输入信号，利用组态软件的滤波功能，对输入信号进行滤波处理，以消除输入信号偶发性的波动；对于信号开路或短路的故障，利用软件自身的质量判断功能，判断输入信号质量的好坏，对系统认为是坏点的信号，进行合理组态，减少系统误动的可能性。

对输入信号及就地一次元件应根据具体情况设计多级报警系统，根据报警级别的不同，做出不同的处理。如对引风机轴承温度，我们一般设置两级报警，当轴承温度达到高1值时，系统就会发出声光报警，提醒操作人员注意，以便及时采取措施；而当轴承温度达到高2值时，控制系统就会按照预定的控制逻辑，停运风机，以免造成设备的损坏。

3.2.3提高软件的容错性