摘要:介紹可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用以及PLC在應用過程中,要保證正常運行應該注意的一系列問題,并給出一些合理的建議。
關(guān)鍵詞:PLC工業(yè)控制抗干擾布線接地建議
一、簡述
多年來,可編程控制器(以下簡稱PLC)從其產(chǎn)生到現(xiàn)在,實現(xiàn)了接線邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強,實現(xiàn)了邏輯控制到數(shù)字控制的進步；其應用領(lǐng)域從小到大,實現(xiàn)了單體設(shè)備簡單控制到勝任運動控制、過程控制及集散控制等各種任務的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數(shù)字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò)的各方面能力都已大幅提高,成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備,在各行各業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。
二、PLC的應用領(lǐng)域
目前,PLC在國內(nèi)外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè),使用情況主要分為如下幾類:
1.開關(guān)量邏輯控制
取代傳統(tǒng)的繼電器電路,實現(xiàn)邏輯控制、順序控制,既可用于單臺設(shè)備的控制,也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。
2.工業(yè)過程控制
在工業(yè)生產(chǎn)過程當中,存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的量(即模擬量),PLC采用相應的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊及各種各樣的控制算法程序來處理模擬量,完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的一種調(diào)節(jié)方法。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
3.運動控制
PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模塊,如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊,廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
4.數(shù)據(jù)處理
PLC具有數(shù)學運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能,可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。
5.通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,現(xiàn)在的PLC都具有通信接口,通信非常方便。
三、PLC的應用特點
1.可靠性高,抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造,內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù),具有很高的可靠性。使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng),和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比,電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC帶有硬件故障自我檢測功能,出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中,應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序,使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣,整個系統(tǒng)將極高的可靠性。
2.配套齊全,功能完善,適用性強
PLC發(fā)展到今天,已經(jīng)形成了各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品,可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外,PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力,可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。多種多樣的功能單元大量涌現(xiàn),使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展,使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。
3.易學易用,深受工程技術(shù)人員歡迎
PLC是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易,編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近,為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人從事工業(yè)控制打開了方便之門。
4.系統(tǒng)的設(shè)計,工作量小,維護方便,容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制設(shè)備外部的接線,使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短,同時日常維護也變得容易起來,更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序而改變生產(chǎn)過程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。
(2)安裝與布線
●動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分別配線,隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙膠線連接。將PLC的IO線和大功率線分開走線,如必須在同一線槽內(nèi),分開捆扎交流線、直流線,若條件允許,分槽走線最好,這不僅能使其有盡可能大的空間距離,并能將干擾降到最低限度。
●PLC應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動力設(shè)備,不能與高壓電器安裝在同一個開關(guān)柜內(nèi)。在柜內(nèi)PLC應遠離動力線(二者之間距離應大于200mm)。與PLC裝在同一個柜子內(nèi)的電感性負載,如功率較大的繼電器、接觸器的線圈,應并聯(lián)RC消弧電路。
●PLC的輸入與輸出最好分開走線,開關(guān)量與模擬量也要分開敷設(shè)。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線,屏蔽層應一端或兩端接地,接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10.
●交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜,輸出線應盡量遠離高壓線和動力線,避免并行。
(3)I/O端的接線
輸入接線
●輸入接線一般不要太長。但如果環(huán)境干擾較小,電壓降不大時,輸入接線可適當長些。
●輸入/輸出線不能用同一根電纜,輸入/輸出線要分開。
●盡可能采用常開觸點形式連接到輸入端,使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致,便于閱讀。
輸出連接
●輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中,可采用不同類型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類型、同一電壓等級的電源。
●由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上,并且連接至端子板,若將連接輸出元件的負載短路,將燒毀印制電路板。
●采用繼電器輸出時,所承受的電感性負載的大小,會影響到繼電器的使用壽命,因此,使用電感性負載時應合理選擇,或加隔離繼電器。
●PLC的輸出負載可能產(chǎn)生干擾,因此要采取措施加以控制,如直流輸出的續(xù)流管保護,交流輸出的阻容吸收電路,晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護。
四、PLC應用中需要注意的問題
PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動化控制的設(shè)備,一般不需要采取什么措施,就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而,盡管有如上所述的可靠性較高,抗干擾能力較強,但當生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣,電磁干擾特別強烈,或安裝使用不當,就可能造成程序錯誤或運算錯誤,從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出,這將會造成設(shè)備的失控和誤動作,從而不能保證PLC的正常運行,要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性,一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面,要求設(shè)計、安裝和使用維護中引起高度重視,多方配合才能完善解決問題,有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應注意以下問題:
1.工作環(huán)境
(1)溫度
PLC要求環(huán)境溫度在0~55oC,安裝時不能放在發(fā)熱量大的元件下面,四周通風散熱的空間應足夠大。
(2)濕度
為了保證PLC的絕緣性能,空氣的相對濕度應小于85%(無凝露)。
(3)震動
應使PLC遠離強烈的震動源,防止振動頻率為10~55Hz的頻繁或連續(xù)振動。當使用環(huán)境不可避免震動時,必須采取減震措施,如采用減震膠等。
(4)空氣
避免有腐蝕和易燃的氣體,例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境,可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。
(5)電源
PLC對于電源線帶來的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴重的環(huán)境中,可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器,以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端,當輸入端使用外接直流電源時,應選用直流穩(wěn)壓電源。因為普通的整流濾波電源,由于紋波的影響,容易使PLC接收到錯誤信息。
2.控制系統(tǒng)中干擾及其來源
現(xiàn)場電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一,所謂治標先治本,找出問題所在,才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場干擾的源頭。
(1)干擾源及一般分類
影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源,大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位,其原因是電流改變產(chǎn)生磁場,對設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；磁場改變產(chǎn)生電流,電磁高速產(chǎn)生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是信號對地的電位差,主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(tài)(同方向)電壓疊加所形成。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓,直接影響測控信號,造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的主要原因),這種共模干擾可為直流,亦可為交流。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓,這種干擾疊加在信號上,直接影響測量與控制精度。
(2)PLC系統(tǒng)中干擾的主要來源及途徑
強電干擾
PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣,它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,刀開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都通過輸電線路傳到電源原邊。
柜內(nèi)干擾
控制柜內(nèi)的高壓電器,大的電感性負載,混亂的布線都容易對PLC造成一定程度的干擾。
來自信號線引入的干擾
與PLC控制系統(tǒng)連接的各類信號傳輸線,除了傳輸有效的各類信息之外,總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑:一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾,這往往被忽視；二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾,即信號線上的外部感應干擾,這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低,嚴重時將引起元器件損傷。
來自接地系統(tǒng)混亂時的干擾
接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地,反而會引入嚴重的干擾信號,使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。
來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾
主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生,如邏輯電路相互輻射及其對模擬電路的影響,模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。
變頻器干擾
一是變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導干擾,引起電網(wǎng)電壓畸變,影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾,影響周邊設(shè)備的正常工作。
3.主要抗干擾措施
(1)電源的合理處理,抑制電網(wǎng)引入的干擾
對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器,以減少設(shè)備與地之間的干擾,還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。
(4)正確選擇接地點,完善接地系統(tǒng)
良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件,可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。接地的目的通常有兩個,其一為了安全,其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。
PLC控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環(huán)路電流,影響系統(tǒng)正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點接地,如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地,就存在地電位差,有電流流過屏蔽層,當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時,地線電流將更大。
此外,屏蔽層、接地線和大地有可能構(gòu)成閉合環(huán)路,在變化磁場的作用下,屏蔽層內(nèi)又會出現(xiàn)感應電流,通過屏蔽層與芯線之間的耦合,干擾信號回路。若系統(tǒng)地與其它接地處理混亂,所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線上產(chǎn)生不等電位分布,影響PLC內(nèi)邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低,邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數(shù)據(jù)存貯,造成數(shù)據(jù)混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降,引起對信號測控的嚴重失真和誤動作。
●安全地或電源接地
將電源線接地端和柜體連線接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電,可從安全接地導入地下,不會對人造成傷害。
●系統(tǒng)接地
PLC控制器為了與所控的各個設(shè)備同電位而接地,叫系統(tǒng)接地。接地電阻值不得大于4Ω,一般需將PLC設(shè)備系統(tǒng)地和控制柜內(nèi)開關(guān)電源負端接在一起,作為控制系統(tǒng)地。
●信號與屏蔽接地
一般要求信號線必須要有唯一的參考地,屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導干擾的場合,也要在就地或者控制室唯一接地,防止形成“地環(huán)路”。信號源接地時,屏蔽層應在信號側(cè)接地；不接地時,應在PLC側(cè)接地；信號線中間有接頭時,屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理,一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏蔽電纜連接時,各屏蔽層應相互連接好,并經(jīng)絕緣處理,選擇適當?shù)慕拥靥巻吸c接點。
5)對變頻器干擾的抑制
變頻器的干擾處理一般有下面幾種方式:
加隔離變壓器,主要是針對來自電源的傳導干擾,可以將絕大部分的傳導干擾阻隔在隔離變壓器之前。
使用濾波器,濾波器具有較強的抗干擾能力,還具有防止將設(shè)備本身的干擾傳導給電源,有些還兼有尖峰電壓吸收功能。
使用輸出電抗器,在變頻器到電動機之間增加交流電抗器主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過程中線路產(chǎn)生電磁輻射,影響其它設(shè)備正常工作。
五、結(jié)束語
PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個十分復雜的問題,因此在抗干擾設(shè)計中應綜合考慮各方面的因素,合理有效地抑制抗干擾,才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。隨著PLC應用領(lǐng)域的不斷拓寬,如何高效可靠的使用PLC也成為其發(fā)展的重要因素。21世紀,PLC會有更大的發(fā)展,產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全,通過完美的人機界面、完備的通信設(shè)備會更好地適應各種工業(yè)控制場合的需求,PLC作為自動化控制網(wǎng)絡(luò)和國際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,將在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。
