基于PLC的工业电气控制系统设计与可靠性提升研究

引言

在工业生产智能化转型的浪潮中，电气控制系统的稳定性如同生产线的“神经中枢”，决定着从精密加工到批量生产的每一个环节。基于PLC 的控制系统凭借灵活性与高效性成为主流选择，但在高温、强电磁等复杂工况下，故障停机仍困扰着企业的产能提升。如何通过设计革新让 PLC 控制系统既保持控制精度，又能抵御环境干扰、快速响应故障？这一问题的破解，不仅关乎单条生产线的效率，更是推动工业自动化向高可靠、低成本迈进的关键。本文由此切入，探索系统设计与可靠性提升的深度融合路径。

一、基于 PLC 的工业电气控制系统现存问题分析

（一）硬件配置与工业环境的适配性不足

硬件选型缺乏针对性易引发系统隐患，在高电磁干扰环境使用常规屏蔽等级的 PLC 模块，会使信号传输受高频噪声干扰，导致输入输出点误动作。电源模块功率裕量设计不够，多设备联动启动时易引发电压波动，造成 PLC 程序执行中断【1】。接线端子排未采用防振动结构，长期运行后可能出现触点氧化或松动，致使外设与 PLC 通讯链路中断，增加非计划停机概率。

（二）软件架构与故障应对机制的缺陷

软件编程缺乏模块化设计会降低系统容错能力，传统线性编程中单个逻辑错误可能导致整体控制流程瘫痪，且故障定位需逐行排查代码，延长修复时间。程序未嵌入动态监测模块，无法实时采集相关参数，难以预判潜在故障。不同厂商 PLC 编程语言兼容性差，系统扩容或升级时易出现新旧程序逻辑冲突，影响控制精度。

（三）可靠性保障体系的不完善

冗余设计缺失会放大单点故障影响，多数中小型企业控制系统未设置 PLC 主从切换模块，核心控制器故障会导致整条生产线停机。抗干扰措施不到位，接地系统未结合独立接地与等电位联结，电网谐波会通过地线传导至 PLC，造成数据存储错误。预防性维护策略缺乏数据支撑，依赖人工经验制定检修周期，难以避免突发性故障，导致系统平均无故障工作时间低于行业标准。

二、基于 PLC 的工业电气控制系统设计优化策略

（一）硬件配置的适配性优化

硬件选型需建立多维度匹配模型，结合工业环境参数确定 PLC 核心模块的防护等级与性能参数。针对高温环境，优先选用宽温型处理器与固态继电器，减少温度变化对元件参数的影响；在强电磁场合，配置带光电隔离的输入输出模块，通过光信号转换阻断电磁噪声传导路径。电源系统采用分布式供电架构，将 PLC 控制回路与动力回路的供电网络分离，避免大功率设备启停造成的电压冲击【2】。接线端子选用带自锁功能的弹簧式结构，配合镀镍触点设计，提升连接可靠性与抗腐蚀能力。

（二）软件架构的模块化重构

采用结构化编程思想构建多层软件框架，将控制逻辑划分为输入处理、核心算法、输出执行及故障反馈等独立模块，各模块通过标准化接口实现数据交互，单个模块的修改不影响整体程序运行。在程序设计中嵌入动态监测子模块，实时采集 PLC 内部定时器、计数器及数据寄存器的状态参数，通过逻辑判断识别异常数据，触发预报警机制。针对多厂商 PLC 兼容性问题，建立标准化程序库，采用 IEC 61131-3 标准编程语言进行开发，确保不同品牌设备间的程序移植性，为系统扩容与升级提供灵活空间。

（三）抗干扰与冗余设计的强化

抗干扰设计需构建多层次防护体系，在 PLC 输入回路串联浪涌抑制器，吸收电网中的瞬时过电压；输出回路采用继电器隔离或固态继电器切换方式，避免外设负载变化对控制回路的影响。接地系统采用混合接地方式，将信号地、功率地与保护地通过接地汇流排连接，降低地电位差造成的干扰。冗余架构设计方面，采用双 PLC 热备模式，主从控制器通过高速同步总线实现数据实时同步，当主控制器发生故障时，从控制器可在毫秒级时间内接管控制权限，保证系统无间断运行。

三、基于 PLC 的工业电气控制系统可靠性提升路径

（一）构建智能化故障诊断模型

依托 PLC 的数据采集能力，搭建包含传感器实时数据、历史故障记录的数据库，通过机器学习算法挖掘故障特征与运行参数的关联规律，建立故障预警模型。利用 PLC 的高速运算功能，对关键参数进行在线监测与阈值判断，当检测到异常波动时，自动触发故障定位子程序，通过逻辑追溯确定故障发生的模块或节点，并生成可视化故障报告，为维修提供精准指引，减少故障排查时间。

（二）制定全生命周期维护策略

结合元件寿命曲线与运行环境参数，构建预防性维护周期计算模型，通过 PLC 记录各组件的累计运行时间、启停次数等数据，自动生成维护提示。针对易损部件，建立备件管理数据库，实现库存与维护需求的动态匹配【3】。在系统停机维护阶段，利用 PLC 的程序备份与恢复功能，对控制程序进行完整性校验与优化，同时开展模块功能测试，及时更换性能衰减的元件，从源头降低故障发生概率。

（三）开展可靠性验证与持续优化

通过模拟工业现场的极端工况，进行高低温循环、电磁兼容等可靠性试验，采集 PLC 控制系统的各项性能指标，验证设计优化方案的有效性。基于试验数据与实际运行反馈，建立可靠性评估指标体系，量化分析系统平均无故障时间、故障修复率等参数的改进空间。根据评估结果，对硬件配置、软件算法及维护策略进行迭代优化，形成 “设计 - 验证 - 改进” 的闭环机制，持续提升系统在复杂环境下的适应能力。

结语

基于 PLC 的工业电气控制系统设计与可靠性提升研究，针对系统现存问题，通过设计优化与可靠性提升路径，有效解决了诸多难题。优化后的系统在复杂工业环境稳定性大增，延长了平均无故障时间，提升了故障修复效率。这不仅为企业提高生产效率、保障生产安全提供助力，也为工业自动化升级奠定基础，对推动智能制造发展具有重要实践意义，为相关领域进一步研究提供了有价值的参考。

参考文献

[1]王鸿科.基于 PLC 控制的工业电气设备自动化系统设计[J].自动化应用,2025,66(11):19-21.

[2]王矛.工业电气自动化 PLC 技术中人工智能的应用[J].中国信息界,2025,(05):14-16.

[3]林国梁.PLC 技术在电气工程及其自动化控制中的应用分析[J].广西电业,2025,(Z1):32-35.