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1、引言
随着机电一体化技术的发展，对系统的可靠性要求愈来愈高，PLC具有控制可靠、体积小、功能强、速度快、组态灵活和可扩展性的特点而得到了广泛的应用，电气系统的可靠性也大大提高了。此时，影响电气系统可靠性的主要因素是与PLC接口的输入输出部分，我们在卧式锺床改造中采用PLC的软元件，合理设计了控制程序，提高了系统的可靠性。
2、影响PLC电气系统可靠性的主要因素
PLC控制系统可简单划分为三部分：发讯元件(输入部分)、记忆网络(程序部分)和电气执行元件(输出部分)。对于用继电器控制的系统，影响系统可靠性的主要因素是中间继电器组成的记忆网络。对于PLC控制系统，高可靠性的PLC取代了中间继电器组成的记忆网络，克服了机械动作式中间继电器可靠性不高的固有毛病，使系统可靠性大为提高。此时，与PLC自身的安全性与PLC输入、输出连接的"发讯元件"和"电气执行元件"的可靠性，己变成影响整个电气系统可靠性的主要因素。提高"发讯元件"和"电气执行元件"可靠性的也就提高了PLC的安全性，通常有两种方法：一种是选用高质量的元器件；另一种是对这些故障率较高的元器件进行状态检测和故障诊断，但都受硬件条件和经济条件的影响而限制了应用范用。
PLC具有丰富的软元件(如内部计时器、计数器、辅助继电器等)，可以利用它来设计一些程序，屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作。实用的方法有(l)采用软硬件互锁设计，防止误发讯和误动作；(2)在输入输出端提高配线的可靠性，提高PLC的安全性。本文以卧式锥床改造为例，介绍用PLC软元件提高系统可靠性的设计方法。
3、用PLC软元件设计来改造卧式结床，提高系统可靠性
3.1卧式锺床工作原理简介 根据原有的继电器电路图来设计梯形图，这种方法没有改变系统的外部特性，但却克服了机械动作式中间继电器可靠性不高的毛病，对于操作人员来说，除了控制系统的可靠性提高之外，改造前后的系统没有什么区别，他们不用改变长期形成的操作习惯。这种设计方法一般不需要改动控制面版和它上面的器件，可以减少硬件改造的费用和工作量。
图l是卧式锤床继电器控制电路图，图2和图3是实现相同功能的PLC控制系统的外部接线图和梯形图。卧式锺床的主轴电机是双速异步电动机，中间继电器ZC和FC控制主轴电机的起动和停止，接触器ZC和FC控制主轴电机的正反转，接触器lDSC、2DSC和时间继电器SJ控制主轴电机的变速，接触器DC用来短接串在定子回路的制动电阻。lJPK、2JPK和1ZPK、2ZPK是变速操纵盘上的限位开关，IHKK、2HKK是主轴进刀与工作台移动互锁限位开关。
3.2用PLC软硬件互锁设计ET造卧式锺床，提高系统可靠性
在控制主轴电机正反转的继电器电路中，为了防止控制正反转的两个接触器(如图l中ZC与FC)动作造成三相电源短路，设置了联锁电路，即将某二接触器的常闭触点与另一个接触器的线圈相串联。在梯形图中也设置了相应的联锁电路，梯形图中联锁电路只能保证PLC输出模块上两个对应的硬件继电器不动作。如果因主电路电流过大或接触器质量不好，某二接触器的主触头被断开主电路时产生的电弧熔焊，其线国断电后主触头仍然接通，这时如果另一接触器的线国通电，仍将会造成二相电源短路事故。
为了防止出现这种情况，应在PLC外部设置联锁电路(见图1)，假设接触器ZC主触点被电弧熔焊，这时与FC线国串联的ZC辅助常闭触点断开，FC的线国不可能得电。
3.3用PLC辅助继电器简化电路，提高了电气系统的可靠性 图l中ZC、FC、lDSC、2DSC都要受TA、lZPK、lJPK、ZC和FC的触点并联电路的控制，为了简化电路，在梯形图中设置了上述并联电路控制的辅助继电器M202，它类似于继电器电路中的中间继电器。
还是提高PLC控制系统可靠性的方法，如：(l)输入输出端接有感性元件时，应在它们两端并联阻容电路，以控制电路断开时产生的电弧对PLC的影响，电阻可以取51~12OQ，电容可以取0.1~0.47μF，电容的额定电压应大于电源峰值电压。
(2)PLC控制柜设在没有高压大电流强辐射的室内。
(3)采用隔离变压器，由单回路双绞线供电。
4、结论
影响PLC控制系统可靠性的主要因素是与PLC接口的输入、输出部分的可靠性。在安装配线时考虑到对PLC的各种不利因素，在进行梯形图设计时充分利用PLC的软元件（如计时器、辅助继电器、定时器等）合理设计PLC输入、输出元件的状态监测程序，可屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件的误动作，提高PLC控制电气系统的整机可靠性。
用PLC提高系统可靠性的方法具有经济、实用等特点，已经在卧式镗床PLC控制系统中获得了成功应用，实现设备改造与生产过程自动化，提高劳动生产率，改善企业管理，提高了企业经济效益。
转速监控装置是水轮发电机组重要的自动化装置，本文根据小型水电站的特点，提出了在控制机组运行的 PLC上增加部分硬件，实现转速监控功能的方法，该方法既解决了测速装置的可靠性问题，又降低了系统的成本，是一种较为理想的方案。
1 系统硬件构成
系统硬件是利用控制机组运行PLC的8个晶体管输出点和一个高速输入点，增加LED的译码和驱动电路，组成转速监控装置的硬件系统。
系统由转速信号检测单元、PLC（三菱FX2N系列）和LED速度显示电路三部分组成(如图1所示)。其中转速信号检测单元由光电码盘组成，光电码盘将机组转速转换成电脉冲信号，输入到PLC的高速输入端（如：X0），PLC程序按单位时间内脉冲数计算发电机的实际转速，并显示在LED数码显示器上。
2 转速测量的软件设计
2.1 转速计算方法
目前常用的转速计算方法有以下几种：
(1)M法：是在一定时间间隔内，对光电码盘输出脉冲数进行计数，并计算出转速，适用于发电机转速的高速测量。
(2)T法：是通过测量光电码盘的脉冲周期来计算电机转速的一种测量方法。
(3)M/T法：是结合了M法和T 法的优点，在低速及高速段均有较高的分辨能力和测量精度。
(4)E/T法：其原理是从T法出发，只是为了克服T法高速时的精度问题。
结合FX2NPLC和该水电站水轮发电组的测速范围（0～600r/min），以及M法测速对硬件要求简单的特点，本文采用M法进行转速测量与计算。
假设与发电机同轴连接的光电码盘每旋转一周，输出脉冲数为P，电机的转速为n(r/min)，检测时间为T(s)，在T内的计数脉冲数为m，则电机的转速n为：
n = 60m/pt
在检测时间T内其误差大为1个脉冲，则M法转速分辨率Q为：
Q = 60(m + 1）/pt - 60m/pt = 60/pt
可见采用M法测速时，其分辨率与速度的大小无关，要想提高分辩率，除选用每转输出脉冲数多的光电码盘外，只有尽可能的增大检测时间，检测时间过大，转速的反馈延滞作用越严重，将严重影响系统的动、静态性能。
2.2 转速检测的软件设计
2.2.1 转速脉冲检测
将光电码盘的脉冲信号输入到PLC的高速输入端口X0上（X0为高速输入端，其高频率为：2kHz）, 利用PLC的测速功能指令“SPD”将100ms中的脉冲数存入PLC数据单元D0中，并计算出发电机的转速。其梯形图如图2所示。
2.2.2 转速计算
为了简化计算将光电码盘每转一圈的脉冲数设计为60个、检测时间T=1s,则发电机的转速n即为D0中的脉冲数
n = 60D0/pt = 60D0/60 = D0
2.2.3 转速处理和显示
PLC程序对机组转速进行实时检测，特别是转速达到额定转速35%、80%、95%、140%时产生相应的机组控制信号，控制机组进行工况的转变。转速比较判断程序如图3所示。
其中D0为转速数据单元，K210为35%的额定转速值（35%×600）、M0～M2分别为转速小于210r/min,等于210r/min和大于210r/min控制标志位。
测量的转速数据一方面通过RS232通讯接口上传到电站计算机监控系统，另一方面通过PLC的输出端口在LED显示器上就地显示。就地显示的PLC程序梯形图如图4所示。
梯形图中Y0表示PLC的输出以Y0～Y3输出显示数据信号（BCD码）、Y4～Y7输出位选信号的首地址，参数n表示选用数码管组数（4位为1组）。
本系统在鹅项颈水电站转速测量及保护系统中使用后效果良好。表明该系统具有结构简单、成本低、精度较高、运行可靠等优点，可以推广到其他高可靠性的转速信号测量系统中。
PLC编程中，经常要求能够维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号，如图所示。由于不同分辨率的定时器，其计时当前值和状态标志位的刷新变化不同，很容易造成编程的错误，有时调试现场的条件所限，明知是定时器的原因，而又无法做出判断。这样，就需要一个适用于不同分辨率的定时脉冲信号程序，如图所示。
图 定时脉冲标准程序
图所示的程序，非常简单，但它完全适应1ms、10ms、100ms等不同分辨率的定时器，确保M0.0能够在1s的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号，是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。
在往返式传动控制系统中，很多时候都会涉及到多点定位问题。即要求在不同的定位点启动不同的机械动作。但由于机械惯性的作用，常常会给系统带来定点误差。本系统以龙门刨床的机械传动为例，采用PLC作为控制器，通过变频器调节速度，利用光电编码器和PLC高速计数器进行定位控制，从而实现jingque定位。
1 龙门刨床的机械传动控制要求
图1 往返式机械传动示意图
图1所示的龙门刨床的机械传动示意图。传动系统从原点启动，中速行驶到1000mm，开始高速行驶，高速行驶到3000mm，开始低速爬行，低速爬行到终点（3200mm）停车。停顿2s。反向高速行驶，高速行驶到距原点200mm处开始低速爬行。到达原点停车，停顿2s后重新开始往返。在原点和终点低速爬行的目的是为了避免系统惯性带来的定点误差，做到原点和终点的jingque定位停车。
2 龙门刨床机械传动的PLC控制系统硬件设计
2.1 系统对变频器的控制要求
变频器的正反转由继电器K1、K2控制，速度的切换由继电器K3、K4完成。变频器故障报警输出触点（30A、30C触点）用于立即停止高速计数器运行，并由指示灯HR指示。
变频器具有多段速度设定功能，当K3、K4两个继电器触点都断开时，高速行驶（速度）;K3闭合，K4断开时，中速行驶（第二速度）;K3断开，K4闭合时，低速行驶（第三速度）;K3、K4都闭合时，手动调节行驶（第四速度）。
旋钮SF用于手动/自动切换，并用指示灯HG1表示自动状态。手动时，能够通过按钮SA1（电机正转）和SA2（电机反转）手动调节传动系统的位置。
按钮SA用于传动系统在自动状态下的启动/停止控制。采用“一键开关机”方式实现启动/停止控制，用指示灯HG2表示启动状态。
行程开关SQ用于自动启动时，确定传动系统在原点位置，自动停止时，传动系统必须返回原点。行程开关SQ1、SQ2用于传动系统的两端限位，确保传动系统不能脱离设备。
2.2 PLC系统硬件系统的构成及连接
为了实现对龙门刨床机械传动的jingque定位，本系统采用PLC作为控制器，通过变频器进行速度调节，采用光电编码器和PLC高速计数器进行定位控制。根据龙门刨床的机械传动控制要求，系统中有开关量输入点8个，开关量输出点7个，光电编码器A相输入一个，选用SIEMENS的CPU224作为控制器，其I/O点的分配及系统接线如图2所示。
图2 龙门刨床机械传动PLC控制系统接线图
3 PLC梯形图程序的设计
PLC的梯形图程序设计包含主程序（用于实时调用手动子程序SBR_0和自动子程序SBR_1）、子程序SBR_0（用于实现对系统的手动控制）和SBR_1（用于实现对系统的自动控制）和中断处理程序INT_0程序（用于处理高速计数器计数当前值到达不同预置值的处理）。由于篇幅所限，以下将以中断处理程序INT_0程序为例，说明变频器对速度的控制和调节。其梯形图如下。
4 梯形图设计过程中要注意的几个关键问题
4.1通过多次更改高速计数器的中断和预置值实现多点定位
实现多点定位控制的关键包括两点，点是设置高速计数器中断事件12（计数器当前值=计数器预置值），另一点就是在中断处理程序中更改高速计数器预置值。
定位控制需要测量定位点与原点的距离，将单位距离（mm）转换成脉冲量，通过光电编码器和PLC高速计数器记录脉冲量的变化。本系统中，光电编码器的机械轴和电动机同轴。传动比=10，用于驱动设备的传动辊直径=100mm，光电编码器每转脉冲数=600个/转。可以计算出每毫米距离的脉冲数为：
每毫米距离的脉冲数=600÷（10×100×3.14）≈0.19108脉冲/mm
定点位和预置值比较，必须采用高速计数器中断方式，而不能采用一般的比较指令。因为一般的比较指令无法捕捉高速变化的事件。
必须通过ATCH和ENI指令将高速计数器中断事件号12（（计数器当前值=计数器预置值）与中断处理程序INT_0连接。在中断处理程序INT_0中，到达预置值时，重新装载下一次的预置值，并执行工艺要求的继电器输出，处理变频器的运行速度。
在自动子程序SBR_1中，将高速计数器HC0设置为单相计数输入，没有外部控制功能。在原点和终点通过更改计数方向，便于中断处理程序INT_0判断变频器的运行方向。
4.2 在中断处理程序INT_0中不能使用等于比较指令
由于在一个中断处理程序INT_0中判断处理多个预置值。需要比较指令和计数方向来判断目前高速计数器计数当前值在哪个阶段，根据判断来决定执行那一段指令。判断不能使用等于比较指令，应该使用大于或小于指令判断。
中断事件（计数器当前值=计数器预置值）发生时，PLC立即中断当前主程序、子程序，执行中断处理程序INT_0中的指令。在中断处理程序INT_0中，PLC仍然是按照逐条逐行的扫描机制执行。而高速变化的计数值不可能和中断处理程序执行同步，如果采用等于比较指令，PLC在执行中断处理程序时，可能会错过等于值，使PLC在中断处理程序中无法判断设备运行到哪个阶段。
4.3 在自动运行时，高速计数器的初始值寄存器写入必须禁止
由于多点定位需要多次装载预置值，写入预置值必须执行HSC指令。
执行HSC写入指令，不单单是写入预置值，如果在控制字节中不加以限制，初始值寄存器SMD38中的值同样写入。而SMD38=0，这样，就会使高速计数器计数当前值置0。在自动运行时，必须设置控制字节SMB37的第七位SM37.6为0，在装载预置值时，禁止写入初始值。
在高速计数器初始设置和返回原点重新开始运行时，又必须写入初始值，使初始值置0，避免机械原因带来的误差。控制字节必须多次修改。遵循的原则是：允许写入初始值、执行HSC指令后，必须马上修改控制字节，禁止初始值写入，并执行HSC指令，中间不能有其它指令存在。
4.4 多点定位的输出线圈尽量采用立即指令
采用高速计数器进行多点定位，主要为了jingque定位。定位精度既决定于高速计数器的测量，也决定于执行机构的执行快速性。
如果采用普通输出指令，在一个扫描周期的程序执行阶段，改变的仅仅是输出映像存储器，PLC的输出点不会立即刷新，只有在程序执行完毕后，PLC的输出映像存储器才能对输出点刷新，执行输出。
为了增加定位精度，尽量采用立即输出指令。立即输出指令不受PLC扫描周期阶段的限制，在改变输出映像存储器的立即刷新PLC输出点。
4.5自动/手动程序采用For-Next循环指令和子程序指令实现
本系统中的自动/手动功能通过采用For-Next指令和子程序指令实现。自动程序和手动程序实际上就是两个循环指令的循环体。而循环指令仅执行一次循环扫描刷新。
手动子程序SBR_0和自动子程序SBR_1用于整个程序的分段，便于程序的理解，增加程序的可读性。For-Next循环指令的作用是使输出线圈能够重复使用，简化程序。
中断处理程序：INT_0
当变频器正向运行（由SM36.5判断，增计数为正向运行，SM36.5=1），高速计数器当前值等于19108（1000mm）时，继电器K3（Q0.2）、K4（Q0.3）断开，变频器速度设定为高速正向行驶（速度）。将高速计数器预置值更改为57325（3000mm）。
当变频器正向运行，高速计数器当前值等于59325（3000mm）时，继电器K3（Q0.2）断开、K4（Q0.3）接通，变频器速度设定为低速正向爬行行驶（第三速度）。将高速计数器预置值更改为61146（3200mm）。
当变频器正向运行，高速计数器当前值等于61146（3200mm）时，表明达到终点，继电器K1（Q0.0）、K2（Q0.1）、K3（Q0.2）、K4（Q0.3）全部复位断开，变频器立即停止运行。发出终点到达信号M0.1，让子程序SBR_1处理停顿2s时间，并由SBR_1处理反向运行设置。
当变频器反向运行（由SM36.5判断，减计数为反向运行，SM36.5=0），高速计数器当前值等于3822（200mm）时，继电器K3（Q0.2）断开、K4（Q0.3）接通，变频器速度设定为低速反向爬行行驶（第三速度）。将高速计数器预置值更改为0。
当变频器反向运行（由SM36.5判断，减计数为反向运行，SM36.5=0），高速计数器当前值等于0时，表明变频器返回到达原点。继电器K1（Q0.0）、K2（Q0.1）、K3（Q0.2）、K4（Q0.3）全部复位断开，变频器立即停止运行。发出原点到达信号M0.0，让子程序SBR_1处理停顿2s时间，并由SBR_1处理正向重新运行设置。
本文创新点：
往返式传动控制系统的多点定位是一个较难解决的问题，本系统采用PLC作为控制器，通过变频调速，利用光电编码器和PLC高速计数器进行定位控制，克服了往返式传动控制系统中由于机械惯性的作用给系统带来的定点误差，从而实现了jingque定位