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可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。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3~5万小时；而三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。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。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。
1、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的可靠性
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。
1.1 工作环境的要求
除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0~55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。
1.2 电源的要求
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。
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；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3 接地和接线
1)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；禁止采用共通接地方法。如图1所示，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10Ω。
图1 接地方法
2)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。
1.4 冗余设计和降级操作设计
1)对可靠性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也运行，两者输出的结果一致时，表示系统是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报信号，根据自诊断的结果，切换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断检测出运行系统故障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通信系统，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。
2)降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。
1.5 PLC的I/O电路
1)由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，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。按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样。我们假设输出断开为安全状态，那么图3的可靠性要比图2的高。这是因为SB1、SB2都有发生故障的可能，而常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SB1、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都为安全状态，保证了系统的安全和可靠。
图2起、停控制线路 图3 起、停控制线路
2)在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二极管D（直流输入信号）。如图4所示：交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过实验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入方式时，经试验得二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。
(a)交流输入方式 (b) 直流输入方式
图4 输入端有感性负荷时的方式
3)在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载场合，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图5所示。CR愈靠近负载，其抗干扰效果愈好；若是直流负载场合，则在负载的两端并接续流二极管D，如图6所示。二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。
图5输出端交流感性负载 图6 输出端直流感性负载
2、从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性
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大时间；当启动该对象运行时，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，属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形图如图7所示。图7中定时器T1为检测元件，X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。假设被控对象的运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时；如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。
图7 检测程序
3、结语
PLC控制系统的工作可靠性与多种因素有关，有些客观因素也干扰着控制系统的稳定性。通过设计正确的硬件线路，选择质量高的元器件，改善工作环境，编制监控程序等措施，可以使PLC控制系统的工作可靠性和稳定性得到很大的提高
1 引言
等离子自动高低调节器是切割机中必不可少的配套设备，广泛应用于大型装备制造、造船和切割等领域，其主要功能是保证切割割炬与被切割工件保持佳切割距离，消除由被切割工件的不平度变化引起的加工精度误差。切割机在工作过程中不能准确获取切割割炬与钢板的距离，这就必然影响钢板的切割质量。切割的弧电流强光会给操作人员造成视觉疲劳。给出了一种基于霍尔传感器的设计方案，保证切割过程中割缝宽度均匀，切割精度提高。
2 系统设计
该设计方案利用霍尔效应原理产生随磁场变化而产生变化的电压，把变化的电压送到自动高低调节器，控制割炬的上升与下降，形成一个闭环的自动高低调节系统，如图1所示。该闭环自动控制系统由霍尔传感器、自检器、高频滤波器、运算放大器、比较器、断弧提升器、模拟开关手动自动转换器、光电耦合器、三态门互锁器、电机驱动器以及机械丝杆传递定位系统组成。图2所示是系统控制电路图，从而能在切割过程中实时控制割炬与钢板的距离，有效保证钢板的切割质量。
2．1 霍尔传感器
将一块导体板置于磁场，使磁场的磁感应强度B的方向与板垂直，当导体板中流经一定电流时，垂直于磁场和电流方向的导体板的横向两侧会产生一定的电势差，这一现象称为霍尔效应。霍尔传感器是根据该原理制成的。图3是一个霍尔传感器，它共有4个接线端，分别为接地、+5 V，-5 V和电压输出，水电缆通过中间空心圆。
等离子发生器起弧后，霍尔传感器采集割炬与钢板之间的电流，水电缆中的电流穿过霍尔传感器，在其周围产生恒定磁场。向霍尔传感器预先施加一恒压，产生一恒定电流，霍尔传感器则输出霍尔电压。如果切割电流有微小变化，则产生变化的磁场，而输出的霍尔电压也是变化的，这样就把切割中的变化电流转化为变化电压，输出的霍尔电压包含有干扰信号，其高频信号的范围较宽，这就需对信号电压进行高频滤波，从而获取有用信号，再将其信号送至等离子自动高低调节器。以运算放大器C1的引脚1的输出电压作为自检电压，并通过调节VR1改变其输出电压，也可以模拟霍尔传感器输出电压。
2．2 高频滤波电路
高频滤波电路由C1，L1，R1组成。由于高频信号经LM324运算放大器后，还有部分杂散的高频信号没有滤除，电容C1用于滤除高频信号，而电感L1阻碍高频信号，只允许被检波的低频解调信号通过，这样在负载R1上就建立了微弱的电压信号。
2．3 差分运算放大器
运算差分放大器采用LM324。R1上的电压输入B1的引脚3，引脚3缓冲输出，用于隔离信号源，提高负载驱动能力。D2和D3二极管具有箝位作用，正向导通，信号电压被耦合至R2，R2上的电压随R1变化，具有电压跟随器的作用，R2的电压输入至后续B2的12引脚，14引脚和8引脚分别输出电压V14和V8。采用双端输入、单端输出放大信号，将B3的8引脚和B2的14引脚的输出信号输入至差分放大器B4的5引脚和6引脚，由B4的7引脚输出放大后的信号。
2．4 比较器
控制系统中的比较器将差分运算放大器B4输出的电压施加至LM339比较器的E3和E4的5引脚和6引脚，而4引脚和7引脚被二极管D5箝位于0．3 V。当差分运算放大器输出的电压落在5引脚和6引脚中，即输出电压比E3的4引脚电压低，而高于E4的7引脚，比较放大器的E3的2引脚和E4的1引脚无电压输出。这时割炬与钢板的距离保持静止，发光二极管D19和D20不亮。当电压高于E3的4引脚电压，比较器E3的2引脚输出高电平，D19点亮；当电压低于E4的7引脚，比较器1引脚输出高电平，D20点亮，从而指示割炬的升高或降低。调节VR3电位器中点电压，改变E4的4引脚和7引脚电压，使其始终箝位于0．3 V，实际上就是改变割炬离钢板的实际距离。由图2看出，当割炬离钢板时，霍尔传感器和B4都输出低电压，甚至低于E2的8引脚电压。使E2的14引脚输出低电平，从而控制M1模拟开关的12引脚和6引脚，M1变为开路状态。比较器信号无法通过，割炬保持静止。
2．5 断弧提升器
起弧后，霍尔传感器产生的电压通过D1送至E1的11引脚，由于E1的10引脚的发光二极管被箝位于2 V，当霍尔传感器起弧后输出电压低于2 V时就为断弧，处于断弧状态时E1的11引脚电压比10引脚电压低，13引脚输出低电平，该下降的低电平通过微分电路C2和R17产生下降的负向微分信号来触发NE555单稳态2引脚。NE555在电源打开瞬间产生一个控制模拟开关的输出电压，选通模拟开关，这样M1的脉冲能够顺利通过引脚，使割矩产生提升动作，从而为自动定位作好准备。在数控机切割爬坡过程中，突然断弧。割炬也会顺速提升，割炬避免与钢板碰撞，从而保护割炬。
2．6 模拟开关手动自动转换器
模拟开关是由两片CD4066集成电路组成，用于控制手动和自动调节割矩高低。自动状态下，K3处于自动档位，控制M2的6引脚和12引脚来选通M2，使上升信号和下降信号顺利通过M2模拟开关，发光二极管D21可指示自动和手动状态，D21点亮时表示自动状态，为手动状态。也可通过手动调节SBl和SB2，以实现割矩高低调节。
2．7 定位起弧电路
自动定位时，K3处于自动状态，按下SB3按钮，触发单稳态556器件C1的6引脚，其5引脚输出的高电平通过D28加到M1的5引脚，选通模拟开关M1的3引脚和4引脚，这时F1器件的9引脚输出振荡方波加到M1的3引脚。由于K3处于自动状态，M2的6引脚和12引脚处于高电平，振荡方波通过M2传输给光电耦合驱动电机电路，从而驱动直流电机正转。通过丝杠带动割炬向下运动，割炬碰到钢板，钢板顶起割炬，直到割炬触头碰到微动开关L1。L1微动开关闭合，触发单稳态延时电路G2的8引脚，9引脚输出阶跃上升信号，可迅速输入到G1的2引脚复位端，使5引脚停止输出高电平，以终止割炬继续下降。该信号通过D29加到模拟开关M1的13引脚，以选通M1的1引脚和2引脚，这时G2的9引脚输m的振荡方波加到M1的1引脚，由于K3处于自动状态，M2的11引脚和10引脚处于选通状态，振荡方波通过M2的11引脚和10引脚，传输到光电耦合驱动电机电路，从而驱动直流电机反转，G2的9引脚延时单稳时间或割炬上升定位时间，或直流电动机反转提升割炬时间。定位后，G2触发单稳态电路H器件555的2引脚，H通过R31和C13时间常数的积分延时，3引脚输出一个脉冲方波，通过D29和光耦，使继电器上电，常开触点闭合，启动起弧开关，传送至等离子发生器，使得强大的电流击穿钢板，起弧成功。霍尔传感器采样起弧信号，输出电压，传送至B1的3引脚，使B1的1引脚输出变化的电压，从而实现调节。
2．8 可变占空比产生器
手动和自动振荡器组成可变占空比发生器，其原理是由F1与R40、R41、VR5、D32、D33、C16组成无稳态多谐振荡器。D32、D33分别是充电和放电回路的导通管。
调节VR5不会影响振荡周期T，但可改变占空系数，即改变脉冲宽度，也就是改变电机的旋转速度和割炬的上升速度和下降速度。
2．9 光电耦合与电机驱动电路
比较电路的高低调节信号通过光耦VLC1和VLC3传送至功率驱动电路，使得电机驱动电路与模拟开关电路光电隔离，这样可减少模拟开关电路的干扰。光电耦合与电机驱动电路如图4。
当上升信号通过VLC1时。D36的发光二极管导通发亮，并在R45上建立电压。该电压加在三态门S1的2引脚和三态门S4的12引脚端，由于VLC3无信号，D37截止，在R47上无电压，该低电平信号通过S2，输出给S1控制端，S1 三态门选通。S1导通的选通的S4输出信号加到S3三态门控制端，封锁S3 三态门导通。
当下降信号通过VLC3时，D37导通，并在R47上建立电压，该电压加到S3的9引脚和S2的5引脚。由于VLC1无信号，D36截止，R45上无电压，该低电平信号通过S4，输出给S3的控制端，S3三态门选通；在S2导通的选通的S2输出信号加到S1的三态门控制端，封锁S1。
当S1、S2、S4选通时，V1、V5、V6、V4、V10导通；V2、V7、V3、V8、V9截止。由于V6和V10导通，整流的直流110 V电压直接加在电机两端，电机正转，电容探头提升；当S2、S3、S4选通时，V2、V7、V3、V8、V9导通；V1、V5、V6、V4、V10截止，由于V9和V7导通，整流的直流110 V电压直接加在电机两端，电机反转，电容探头下降。
该电路受外界电磁干扰或者误操作，按动“上升”和“下降”按钮，可能导致VLC1和VLC2选通，但由于74LS125三态门具有保护作用，只允许上升或下降信号通过，电路具有互锁性，可避免烧坏后续驱动管。当电机电流超过V6、V7、或V9、V10驱动管额定电流时，驱动管可能被烧坏。采用74LS125三态门互锁，并在V7和V10发射极增加采样电阻。当采样电压超过光耦导通电压，光耦输出将调高的信号电压短路，使信号电压不能通过VLC1或VLC2，这样就保护了驱动管。
3 割炬定位结构系统图
割炬定位机械结构是由霍尔传感器、水电缆、微动开关、触头、上夹紧盘、割炬夹、压缩弹簧、下夹紧盘、信号线、丝杆、直流电机组成。上夹紧盘、下夹紧盘和压缩弹簧夹紧割炬，割炬穿过割炬夹圆孔。割炬夹圆孔直径比割炬直径稍大一些，这样可在夹圆孔中上下活动。由于弹簧和重力的作用，割炬平稳垂直地放在割炬夹圆盘上，水电缆穿过霍尔传感器，霍尔传感器采集切割变化的电流，如图5所示。割炬定位时向下运动，割炬碰到钢板后，钢板顶起割炬，这时割炬与割炬夹产生相对运动，弹簧被压缩，直到割炬触头碰到微动开关L1。L1闭合产生的触发信号通过信号线传给自动高低调节器，通过触发单稳延时电路，产生割炬上升定位时间，也是直流电动机反转提升割炬时间。由于割炬的提升，压缩弹簧逐渐恢复，如果事先通过自动高低调节器设定割炬提升时间常数，从而确定割炬提升后割炬与钢板的距离，获到割炬与钢板的佳起弧距离。
4 调试与使用
系统使用前应进行电路自检。打开电源开关，这时电机提升，D36点亮，说明D单稳态3引脚输出高电平；按下SB1和SB2，割炬上升或下降，说明F1和F2振荡器和功率驱动正常：自动／手动开关K3置于自动状态位，按下SB3按钮，D36先点亮，瞬间熄灭后，D37点亮，接着熄灭，说明G1和G2定位系统正常；K1和K2分别打在1和2位置，调节VR1电位器，如果三位半板表有电压变化指示，说明运算放大器C1和B正常；板表测到一个电压值，再左右调节VR3电位器，如果D19和D20交替点亮，说明比较器E正常的。
K1打在1位置，K2打在2位置，K3在手动位置，启动起弧测量。如果板表测量值在3 V和8 V之间，将K2设在3位置，并调节VR3，使电压介于3 V和8 V之间，把K3打在自动位置，就可以测量。
根据实际情况霍尔传感器可选型为：40 A／4V，60 A／4V，80 A／4 V，100A／4 V，120A/4 V，160 A／4 V，200 A／4V，300 A／4 V。霍尔传感器与高低调节器之间连接，应使用屏蔽电缆，屏蔽线接地，以免等离子起弧时，空间的强大电磁干扰把霍尔传感器里面的电路击穿而损坏。
5 结束语
霍尔传感器应用到数控切割中是等离子切割机一种新的调节方法。这种方法不但切割后工件质量好，精度达到要求，还减轻了操作者的劳动强度。该系统设计不但可用于常规的套料切割，还可以用于水下套料切割，省时、省力、自动化程度高，安全可靠，通过多年的实际应用，使用效果良好。