简述PLC应用及使用中应注意的问题

摘要:本文介绍可编程控制器在工业控制领域的应用以及为保证正常运行应注意的一系列问题。

关键词:PLC;工业控制;抗干扰;接地

中图分类号:TB47 文献标识码:A文章编号:1672-8122(2010)10-0173-02

可编程控制器(ProgrammableController简称PLC)是随着现代社会生产的发展和技术进步,现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展而诞生的。在继电器控制的基础上,产生的一种采用微电脑技术制造的自动控制设备,它以顺序控制为主,回路调节为辅,能完成逻辑判断、定时、记忆和算术运算等功能。

随着PLC的发展,功能不断增强,集成度越来越高,网络功能越来越强,它在处理模拟量、人机接口和网络的各方面能力都已提高,具有良好的控制精度和高可靠性,使得PLC成为现代工业自动化的支柱。

一、PLC的应用领域

可编程控制器作为一种通用的工业控制器,它可用于所有的工业领域。当前国内外已广泛地将可编程控制器成功的应用到机械、钢铁、电力建材、汽车、石油、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业,并且取得相当可观的经济效益。PLC的使用情况主要分为如下几类:

(一)顺序逻辑控制

取代继电器控制系统,实现逻辑控制和顺序控制。它既可用单机控制,也可用多机群控,也有可用于自动化流水线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其它现场给出的指令信号和传感器信号,控制机械运动,进行相应的操作。如:数控机床、包装生产线、注塑机程序控制等。

(二)过程控制

过程控制是指对温度、压力、液位和速度等连续变化的模拟量,PLC采用相应的A/D、D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量,完成闭环控制。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

(三)运动控制

目前,大多数的PLC制造商都提供拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴未知控制模块,广泛应用于各种机械、金属切削机床、机器人、电梯等场合。

(四)数据处理

大部分PLC都具有不同程序的数据处理功能,能完成数据的采集、分析和处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

(五)通信及联网

现在,大多数PLC都具备通信能力,能实现PLC与计算机、PLC与PLC之间的通信。通过这些通信技术,更容易建立工程和工厂自动化系统,并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统,满足工厂自动化系统发展的需要。

二、PLC的特点

(一)可靠性高,抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能,因此PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。硬件方面,在微处理器与I/O电路之间,采用光电隔离措施,可有效的抑制外部干扰源对PLC的影响,同时还可以防止高电压进入CPU模块。滤波是抗干扰的又一主要措施,可消除或抑制高频干扰。用良好的导电、导磁材料,屏蔽CPU等主要部件,可减弱空间电磁干扰。此外,多数模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。在软件方面,设置故障检测与诊断程序。

(二)设计、安装容易,维护工作量少

PLC用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时日常维护也变得容易起来,更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。

(三)编程简单,使用方便

PLC是面向工矿企业中的一般电气工程技术人员,它接口容易,编程语言易于工程技术人员理解和掌握,梯形图语言对于熟悉继电器控制的电气控制线路图的电气工程技术人员来说感到非常亲切,也更形象、直观、简单、易学。PLC的种类繁多,由于其产品的系列化和模块化,并且配有品种齐全的各种软件,用户可以灵活组合成各种规模和要求不同的控制系统,用户在硬件设计方面,只是确定PLC的硬件配置和I/O通道的外部接线即可。

三、PLC应用中需要注意的问题

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备,一般不需要什么措施,就可以直接在工业环境中使用。然而,尽管有如上所述的高可靠性、抗干扰能力,但当生产环境过于恶劣,电磁干扰强烈,就可造成程序错误,造成设备失控,而不能保证PLC的正常运行。要提高PLC的控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备抗干扰能力,另一方面,要求在设计、安装和使用维护中要多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能,因此,在使用中应该注意以下问题:

(一)工作环境

1.温度要求:环境温度在0℃～50℃,安装时不能把发热量大的元件放在PLC下面,四周通风散热空间应足够大。2.湿度:为了保证PLC的绝缘性能,空气的相对湿度一般不小于85%(无凝露)。3.振动:应使PLC远离强烈的振动源,可以用减振橡胶来减轻柜内和柜外产生的振动影响。4.空气:如果空气中有腐蚀和易燃气体,较多粉尘,可将PLC安装在封闭性较好的控制室内,并安装空气净化装置。5.电源:电源是干扰进入PLC的主要途径之一。在干扰较强或可靠性要求较高的场合,可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰。当输入使用外接电源时,应选用直流稳压电源,因为普通的整流滤波电源,由于纹波的影响,容易使PLC接收错误信息。

(二)控制系统中干扰及其来源

1.干扰源一般分类。现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见的干扰因素之一。所谓治标先治本,找出问题所在,才能提出解决问题的办法,因此必须弄清干扰的源头。通常,电磁干扰按干扰模不同,分为共模干扰和差模干扰。共模干扰是信号对地的电位差主要由电网串入地电位差及空间电磁辐射在信号上感应的同方向电压叠加所形成。共模电压通过不对称电路转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏。这种共模干扰,可分为交和直干扰。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合及不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种干扰叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。

2.PLC系统中干扰的主要来源及途径。(1)强电干扰。电网内部的变化,刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到PLC的电源。(2)柜内干扰。柜内的高压电器、大型感性负载、混乱布线都容易产生干扰。(3)来自信号线引入干扰。主要有两种途径:通过变压器提供电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;信号线受空间电磁辐射感应干扰。(4)来自接地系统混乱时的干扰。(5)PLC内部干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生。(6)变频器干扰。首先,变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰,引起电网电压畸变,影响供电质量。其次,变频器的输出产生较强的电磁辐射干扰。

3.主要抗干扰措施。(1)供电系统的保护措施。一般采用隔离变压器、交流稳压器、晶体管开关电源等措施。(2)正确选择接地点,完善接地系统。在实际控制系统中,接地是抑制干扰的主要方法,可以消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响,使其不形成地环路,所以,如果接地线不佳或接地点选择不当都会影响接地质量。

接地一般要求如下:第一,接地电阻在要求范围内,PLC系统接地电阻应小于4Ω;第二,足够的机械强度;第三,具有耐腐蚀的能力并做防腐处理;第四,在整个工厂中,PLC组成的控制系统要单独设计接地。

PLC控制系统的地线包括以下几种:第一,数字地(逻辑地):各种开关量信号的零电位。第二,模拟地:各种模拟量信号的零电位。第三,信号地:传感器的地。第四,交流地:电源的地线。第五,直流地:直流供电电源的地。第六,屏蔽地:防止静电感应而设。

根据PLC现场环境不同,接地线可做不同处理:

第一,一点接地和多点接地。一般情况下,高频电路应采用多点接地,低频电路应采用一点接地。频率在1MHZ,可采用一点接地,高于10MHZ时,采用多点接地。在(1～10)MHZ之间,可用一点接地,也可采用多点接地。

第二,交流地与信号地不能共用。由于一般电源地线的两点间会有数毫伏,甚至几伏,对低电频电路来说,这是一个非常严重的干扰,因此必须加以隔离。

第三,模拟地。模拟地的接法十分重要,为了提高共模干扰能力,对于模拟信号采用屏蔽浮地技术。

第四,屏蔽地。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接地也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰,利用低阻高导流金属材料制成,可接大地。磁屏蔽以防磁铁、电机、变压器等磁感应、磁耦合,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。

(3)对变频器干扰的抑制,有下面几种方式:

第一,加隔离变压器,主要是针对来自电源的传导干扰,可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。

第二,使用滤波器,它有较强抗干扰能力,还具有防止将设备本身的干扰传导给电源,有些还兼有尖峰电压吸收功能。

第三,使用输出电抗器,在变频器到电动机之间增加交流电抗器,主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射,影响其他设备正常工作。

第四,合理安装及布线,一般来说,环境如果比较恶劣,为保证系统安全可靠运行,合理安装及布线尤为重要。

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题,因此,在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制干扰,才能够使PLC控制系统正常工作。随着PLC应用领域的不断发展,如何高效可靠的使用PLC也成为其发展的重要因素。21世纪,PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业控制领域发挥越来越大的作用。

参考文献:

[1]中国机械工业教育协会组编.可编程控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]胡雪林.可编程控制器教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

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