中科百科：气候环境试验设备PLC控制系统可靠性降低的主要原因及分析

作者：北京中科富祺科技有限公司 技术研发部

摘要

PLC（可编程逻辑控制器）作为模拟气候环境试验设备的核心控制单元，承担着温湿度调节、试验流程管控、参数采集与报警等关键任务，其可靠性直接决定试验设备的运行稳定性、试验数据精准度及使用寿命。北京中科富祺科技有限公司（以下简称“中科富祺"）深耕环境试验设备研发生产十余载，其高低温试验箱、湿热试验箱、药品稳定性试验箱等产品均广泛采用PLC控制系统，适配制药、生物、电子等多领域高要求试验场景。结合多年产品研发、生产及用户服务经验，本文针对模拟气候环境试验设备的特殊工况，系统分析PLC控制系统可靠性降低的主要原因，从环境干扰、硬件损耗、软件缺陷、安装运维及工况适配五大维度展开深入论证，结合中科富祺产品应用实例补充数据支撑，为行业内PLC控制系统的可靠性提升、故障防控提供技术参考，助力提升气候环境试验设备的整体运行质量与合规性。

关键词

PLC控制系统；气候环境试验设备；可靠性；故障原因；中科富祺

引言

随着制药、生物、电子等行业的快速发展，气候环境试验设备的应用日益广泛，对设备运行的稳定性、试验数据的精准度及合规性要求不断提升。PLC控制系统凭借编程灵活、抗干扰能力较强、操作便捷、适配工业场景等优势，已成为气候环境试验设备的核心控制核心，负责统筹设备的加热、制冷、加湿、除湿、真空控制等多个模块，实现试验流程的自动化、精准化管控。

中科富祺作为专业的环境试验设备供应商，其系列气候环境试验设备均采用高性能PLC控制系统（以西门子、三菱等主流品牌PLC为核心，搭配自主研发的控制软件），严格遵循GMP、ICH等行业标准，可实现试验参数的实时采集、记录与追溯。但在长期的产品应用与售后运维中发现，受模拟气候环境试验设备特殊运行工况（如温湿度、频繁工况切换、长期连续运行）及用户操作、维护等因素影响，PLC控制系统的可靠性易出现下降，表现为参数波动、程序误执行、通信中断、模块故障等问题，不仅影响试验进度与数据精度，还可能导致设备损坏、试验失败，甚至引发安全隐患。

基于此，本文结合中科富祺气候环境试验设备的产品特性与实际应用案例，系统梳理PLC控制系统可靠性降低的主要原因，深入分析各因素的影响机制，为后续PLC控制系统的优化设计、规范运维提供理论与实践支撑，进一步提升气候环境试验设备的运行稳定性与使用寿命。

1 气候环境试验设备PLC控制系统的应用特点

气候环境试验设备的PLC控制系统，与普通工业场景的PLC控制系统相比，因适配温湿度、频繁工况切换等特殊需求，具有以下鲜明应用特点，也决定了其可靠性受多种因素影响：

一是工况适配性要求高：需长期在温湿度环境（如-70℃～150℃高温、20%RH～95%RH高湿）下运行，且需频繁切换加热、制冷、加湿、除湿等工况，对PLC的抗温湿度干扰能力、模块稳定性提出更高要求；

二是控制精度要求高：需精准控制温湿度、光照、真空度等试验参数（如药品稳定性试验要求温湿度精度±0.5℃、±3%RH），PLC需实现与传感器、执行器的精准联动，参数采集与指令传输的误差需控制在极小范围；

三是连续运行负荷大：气候环境试验周期通常较长（从数小时到数十天不等），PLC控制系统需24小时连续运行，对CPU、电源模块、I/O模块等核心部件的耐久性提出严格要求；

四是合规性要求高：制药、生物等行业的试验设备，需实现试验参数、操作记录的全程可追溯，PLC控制系统需具备参数记录、审计追踪、权限管理等功能，软件与硬件的稳定性直接影响设备的合规性。

中科富祺针对上述应用特点，在PLC控制系统选型与设计中，优先选用耐高温、抗干扰型PLC模块，优化控制程序逻辑，强化密封与散热设计，但在实际应用中，仍存在多种因素导致其可靠性降低。

2 PLC控制系统可靠性降低的主要原因

2.1 环境干扰因素（试验设备场景高发）

气候环境试验设备的运行环境复杂，环境干扰是导致PLC控制系统可靠性降低的首要因素，也是中科富祺售后运维中见的故障诱因，主要包括以下三类干扰：

2.1.1 温湿度干扰

PLC控制系统的核心部件（CPU、电源模块、I/O模块）均由电子元件组成，其性能对温湿度变化极为敏感。模拟气候环境试验设备运行时，PLC控制柜虽做了密封、保温处理，但仍会受到设备内胆温湿度的传导影响，尤其是高湿环境下，水汽易侵入PLC控制柜，导致内部线路绝缘性能下降、电路板受潮氧化，出现短路、触点接触不良等问题；高温会加速电子元件老化，导致电容鼓包、芯片性能衰减，触发PLC程序误执行、参数采集失真；低温则会导致PLC内部线路电阻增大，指令传输延迟，甚至出现模块无法启动的情况。

结合中科富祺售后数据统计，在高湿、高温试验场景中，因温湿度干扰导致PLC控制系统故障的占比达35%以上，主要表现为温湿度参数波动过大、I/O模块失灵。

2.1.2 电磁干扰

气候环境试验设备的压缩机、变频器、加热管、风机等大功率执行部件，在启动与运行过程中会产生强电磁辐射，形成电磁干扰场，对PLC控制系统的电源回路、信号回路造成严重干扰。电磁干扰会导致PLC的电源电压波动，影响CPU的正常运行；同时会干扰PLC与传感器、执行器之间的信号传输，导致数据失真、指令无法正常下达，表现为PLC控制的温湿度与实际值偏差过大、执行器（如加热管、加湿器）无法正常启停。

此外，PLC控制柜的接线未做好屏蔽处理、信号线与动力线未分开布置，会进一步加剧电磁干扰的影响。中科富祺在产品研发中虽采用屏蔽线缆、优化布线设计，但部分用户在设备安装时未遵循规范，仍会出现电磁干扰导致的PLC故障。

2.1.3 粉尘与腐蚀干扰

在化工、电子等试验场景中，试验样品可能会挥发腐蚀性气体，或试验环境中存在大量粉尘，此类物质会侵入PLC控制柜，附着在电路板、接线端子等部件表面。粉尘堆积会影响PLC的散热性能，导致核心部件过热损坏；腐蚀性气体会导致线路、触点氧化腐蚀，出现接触不良、线路断裂等问题，进而影响PLC控制系统的信号传输与指令执行，降低系统可靠性。

2.2 硬件自身损耗与选型不当

PLC控制系统的可靠性，直接依赖于CPU、电源模块、I/O模块、继电器等核心硬件部件的性能与稳定性，硬件自身损耗、选型不当，会直接导致系统可靠性下降，主要表现为以下三个方面：

2.2.1 硬件自然老化与损耗

气候环境试验设备的PLC控制系统，需长期连续运行，核心硬件部件会出现自然老化与损耗：CPU长期高负荷运行，会出现运算速度下降、程序卡顿等问题；电源模块长期承受电压波动，会导致输出电压不稳定，影响各模块供电；I/O模块的触点长期频繁切换，会出现磨损、氧化，导致信号传输不良；继电器、电容等易损部件，在长期运行中会出现性能衰减、损坏，触发PLC故障。

结合中科富祺产品运维经验，PLC核心硬件的正常使用寿命为5-8年，若设备长期连续运行、工况切换频繁，使用寿命会缩短至3-5年，若未及时更换老化部件，会导致系统可靠性大幅降低。

2.2.2 选型不合理

PLC选型未匹配气候环境试验设备的工况需求，是导致系统可靠性下降的重要先天因素。部分用户在设备选型时，盲目追求低价，选用性能不足、抗干扰能力差的PLC产品，或未根据试验设备的功率、控制精度需求选择合适的模块，导致PLC长期处于过载状态；此外，若选用的PLC模块未具备耐高温、抗高湿特性，或负载超出模块额定容量，会进一步加剧硬件损耗，降低系统可靠性。

中科富祺在产品设计中，均选用适配工况的中PLC（如西门子S7-1200/1500系列），并根据设备功率、控制需求合理配置模块，从源头规避选型不合理导致的可靠性问题，但部分非标定制设备中，因用户需求限制选用的PLC模块适配性不足，仍会出现此类故障。

2.2.3 接线与配件故障

PLC控制系统的接线质量、配件品质，直接影响信号传输的稳定性。若接线松动、接触不良，或接线错误，会导致PLC与传感器、执行器之间的信号丢失、指令无法正常传输，表现为PLC控制异常；若选用劣质接线端子、电源适配器、屏蔽线缆等配件，会出现接触不良、绝缘性能差、抗干扰能力弱等问题，加剧PLC控制系统的故障概率。

此外，气候环境试验设备运行过程中，设备振动会导致接线端子松动，进一步影响接线稳定性，降低系统可靠性。

2.3 软件设计与操作缺陷

PLC控制系统的软件（控制程序、固件）是实现控制功能的核心，软件设计存在漏洞、用户操作不规范，会导致系统运行异常，可靠性降低，主要包括以下三个方面：

2.3.1 控制程序设计漏洞

PLC控制程序的逻辑严谨性、合理性，直接影响系统的运行稳定性。若程序设计存在漏洞，如未设置互锁、超时保护、异常报警等功能，会导致工况切换时出现执行器冲突、程序卡顿、误触发等问题；若程序冗余过大、逻辑混乱，会导致PLC运算负荷增加，运行速度下降，甚至出现程序死机；针对气候环境试验设备的温湿度联动、定时控制等功能，若程序未适配设备运行特性，未优化参数调节算法，会导致温湿度参数波动过大，影响试验精度，间接反映PLC控制系统的可靠性不足。

中科富祺在控制程序研发中，均经过多轮调试与验证，优化程序逻辑，增加异常保护功能，但部分非标定制设备的程序，因用户试验需求特殊，调试不充分，仍可能存在少量设计漏洞，导致系统可靠性下降。

2.3.2 软件兼容性与固件问题

PLC固件版本与控制软件不兼容，或与试验设备的其他控制模块（如温湿度传感器、真空系统控制器、触摸屏）通信协议不匹配，会导致通信中断、数据错乱、指令无法正常传输等问题，表现为PLC控制系统可靠性下降；若PLC固件未及时更新，会存在系统漏洞，影响模块兼容性与运行稳定性；此外，控制软件的稳定性不足，会导致参数记录异常、程序无法正常下载与备份，影响设备的合规性与运行可靠性。

2.3.3 用户操作与参数设置不当

用户操作不规范、参数设置不当，是导致PLC控制系统可靠性下降的常见人为因素。部分用户未经过专业培训，误修改PLC内部参数、控制程序，或未按规范进行程序下载、备份，会导致程序错乱、参数丢失；气候环境试验设备运行中，用户频繁切换工作模式、修改控制参数，会增加PLC的运行负荷，导致系统运行不稳定；此外，试验结束后未按规范停机，强行切断PLC电源，会导致程序损坏、模块故障，长期如此会大幅降低系统可靠性。

2.4 安装与运维不规范

PLC控制系统的安装质量、定期运维，直接影响其使用寿命与可靠性，安装不规范、运维不及时，会导致小故障积累，最终引发系统大面积故障，主要包括以下两个方面：

2.4.1 安装不规范

PLC控制柜的安装位置、布线方式，直接影响系统的抗干扰能力与运行稳定性。若PLC控制柜安装位置未远离试验设备的热源、电磁源（如压缩机、加热管），或安装不牢固、通风不良，会导致设备散热不畅、振动损坏；布线时未做好屏蔽处理，信号线与动力线未分开布置，会加剧电磁干扰；若PLC控制柜密封不严，会导致水汽、粉尘、腐蚀性气体侵入，损坏内部部件。

中科富祺在设备安装时，均安排专业技术人员，严格遵循安装规范，但部分用户自行迁移、改装设备，导致PLC安装不规范，影响系统可靠性。

2.4.2 运维不及时、不规范

PLC控制系统的长期稳定运行，离不开定期维护与保养。若用户未建立完善的运维机制，未定期对PLC进行清洁、除尘、检查，会导致粉尘堆积、部件老化加速；未及时更换老化的密封件、接线端子、易损模块，会导致小故障积累，最终引发系统故障；未定期备份PLC程序、校准参数，会导致程序丢失、参数偏差，影响系统运行稳定性；针对模拟气候环境试验设备的特殊工况，未定期检查PLC控制柜的密封、绝缘性能，会加剧环境干扰对系统的影响。

结合中科富祺售后数据，约25%的PLC控制系统故障，均源于运维不及时、不规范。

2.5 工况适配性不足

气候环境试验设备的运行工况复杂，若PLC控制系统的设计未充分适配设备的特殊工况，会导致系统可靠性下降。例如，试验设备需长期连续运行，若PLC未设计冗余备份功能，一旦核心模块出现故障，会导致整个系统瘫痪；若PLC的抗疲劳性能不足，无法适应频繁的工况切换，会导致模块损耗加快，故障概率增加；针对温湿度试验场景，若PLC控制柜的散热、密封设计不足，会导致内部温湿度超标，影响核心部件性能。

3 案例分析（基于中科富祺产品应用）

某制药企业使用中科富祺药品稳定性试验箱（采用西门子S7-1200 PLC控制系统）开展药品稳定性试验，设备运行3年后，出现温湿度参数波动过大、程序偶尔误执行的问题，经中科富祺技术人员排查，确定PLC控制系统可靠性降低的主要原因如下：

1.  环境干扰：试验箱长期在25℃±2℃、60%RH±5%RH的高湿环境下连续运行，水汽侵入PLC控制柜，导致I/O模块触点氧化，信号传输不良；

2.  硬件损耗：PLC电源模块、I/O模块已运行3年，出现自然老化，电源输出电压波动，I/O模块响应速度下降；

3.  运维不规范：用户未按要求定期对PLC控制柜进行清洁、除尘，也未定期校准参数、更换易损部件，导致粉尘堆积、参数偏差；

4.  程序设计：控制程序中温湿度调节算法未及时优化，适配性不足，导致参数波动过大。

针对上述原因，中科富祺技术人员采取了更换老化模块、清洁PLC控制柜、优化控制程序、校准参数等措施，设备恢复正常运行，PLC控制系统的可靠性显著提升。该案例充分说明，环境干扰、硬件损耗、运维不规范等因素，均会导致PLC控制系统可靠性下降，需针对性采取防控措施。

4 结论与展望

4.1 结论

本文结合中科富祺模拟气候环境试验设备的产品特性与实际应用案例，系统分析了PLC控制系统可靠性降低的主要原因，研究表明：环境干扰（温湿度、电磁、粉尘腐蚀）、硬件自身损耗与选型不当、软件设计与操作缺陷、安装与运维不规范、工况适配性不足，是导致PLC控制系统可靠性下降的五大核心因素，其中环境干扰与运维不规范是见的诱因，两者导致的故障占比达60%以上。

这些因素并非孤立存在，而是相互影响、相互作用：环境干扰会加速硬件损耗，硬件损耗会加剧软件运行异常，安装与运维不规范会进一步放大环境干扰与硬件损耗的影响，最终导致PLC控制系统可靠性大幅下降，影响模拟气候环境试验设备的运行稳定性与试验数据精度。

4.2 展望

随着气候环境试验设备的智能化、合规化水平不断提升，PLC控制系统的可靠性要求也将进一步提高。未来，中科富祺将针对上述原因，从产品研发、生产、运维三个维度进行优化：

1.  研发优化：选用更高性能、抗干扰能力更强的PLC模块，优化PLC控制柜的密封、散热设计，强化控制程序逻辑，增加冗余备份、异常保护功能，提升系统的工况适配性；

2.  生产管控：严格把控硬件选型与接线质量，加强产品调试与检测，确保PLC控制系统的安装与调试符合规范；

3.  运维升级：完善用户运维培训体系，提供定期检修、校准服务，指导用户建立规范的运维机制，及时排查与处理PLC控制系统的潜在故障。

同时，中科富祺将持续关注PLC技术的发展趋势，推动PLC控制系统的智能化升级，实现故障的提前预警、自动排查，进一步提升模拟气候环境试验设备的运行稳定性与可靠性，为制药、生物、电子等行业的高质量发展提供支撑。

参考文献

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