浅谈PLC应用中应注意的问题.pdf

总 第 1 3 0期 浅谈 P L C应 用中应注意的问题 许飞阳 ， 徐海娟 ， 苟云用 1 ． 潞安矿业集 团公司 五 阳热 电厂 ， 山西 长治0 4 6 2 0 5 ； 2 ． 潞安煤基合成油公 司，山西 长治0 4 6 1 0 3 ； 3 ． 潞 安环 能股份 公司 漳村煤 矿， 山西 长 治046 0 3 2 摘要 介绍可编程控制器在工业控制领域的应用以及 P L C在应用过程中， 要保证正常运行应该注意的一 系列问题， 并给出一些合理的建议。 关键词 P L C； 工业控制 ； 抗 干扰 中图分类号 T P 3 1 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 ． 2 7 9 8 2 0 1 0 S 1 0 1 1 5 04 可编程控制器 以下简称 P L C 从其产 生到现 在 ， 实现了接线逻辑到存储逻辑 的飞跃 ； 其功能从弱 到强 ， 实现 了逻辑控制到数字控制的进步 ； 其应用领 域从小到大， 实现了单体设备简单控制到胜任运动 控制 、 过程控制及集散控制等各种任务的跨越 。今 天的 P L C在处理模拟量 、 数字运算 、 人机接 口和 网 络的各方面能力都 已大幅提高， 成为工业控制领域 的主流控制设备 ， 在各行各业发挥着越来越大 的作 用 。 1 P L C的应用 目前 ， P L C在 国内外 已广泛应用于钢铁 、 石油 、 化工 、 电力 、 建材 、 机械制造 、 汽车 、 轻纺 、 交通运输、 环保及文化娱乐等各个行业 ， 使用情况主要分为如 下几类 1 开关量逻辑控制 。取代传统 的继 电器 电 路 ， 实现逻辑控制 、 顺序控制 ， 既可用于单台设备 的 控制 ， 也可用于多机群控及 自动化 流水线。如 注塑 机 、 印刷机 、 订书机械 、 组合机床 、 磨床 、 包装生产线 、 工厂输煤线 、 电镀流水线等 。 2 工业过程控制 。在工业生产过程 当中， 存 在一些如温度、 压力 、 流量 、 液位和速度等连续 变化 的量 即模拟量 ， P L C采用相应 的 A ／ D和 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。P I D调节是一般闭环控制系统 中用 得较多的一种调节方法。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。 3 运动控 制。P L C可 以用于 圆周运动 或直 线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块 ， 如 可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制 模块， 广泛用于各种机械、 机床、 机器人、 电梯等场 l l 5 合。 4 数据处理。P L C具有数学运算 含矩阵运 算 、 函数运算 、 逻辑运算 、 数据传送 、 数据转换 、 排 序 、 查表 、 位操作等功能 ， 可以完成数据的采集 、 分析 及处理。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 。 5 通信及联 网。P L C通信含 P L C问 的通信 及 P L C与其它智能设备 间的通信 。随着工厂 自动 化网络的发展， 现在的 P L C都具有通信接 口， 通信 非常方便 。 2 P L C的应用特点 2 ． 1 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 。P L C由 于采用现代大规模 集成 电路技术 ， 采用严格 的生产 工艺制造 ， 内部电路采取了先进 的抗干扰技术 ， 具有 很高的可靠性。使用 P L C构成控制系统 ， 和同等规 模的继电接触器系统相比， 电气接线及开关接点已 减少到数百甚至数千分之 一 ， 故 障也 就大大降低。 此外 ， P L C带有硬件故障 自我检测功能， 出现故障时 可及时发出警报信息 。在应用软件 中， 应用者还可 以编入外 围器 件 的故 障 自诊 断程 序 ， 使 系统 中除 P L C以外的电路及设备也获得故障 自诊断保护 。这 样 ， 整个系统将极高 的可靠性 。 2 ． 2 配套齐全 ， 功能完善 ， 适用性强 P L C发展到今天 ， 已经形成 了各种规模的系列 化产品， 可以用于各种规模 的工业控制场合 。除 了 逻辑处理功能以外， P L C大多具有完善的数据运算 能力 ， 可用于各种数字控制领域。多种多样 的功能 单元大量涌现 ， 使 P L C渗透到 了位 置控 制、 温度控 制、 C N C等各种工业控制中。加上 P L C通信能力的 收稿 日期 2 0 0 9 ．0 6 1 0 作者简介 许飞阳 1 9 8 1 一 ， 男 ， 陕西富平人， 助理工程师， 从事生产与技术管理工作。 2 0 1 0年7月 许飞阳等 浅谈 P L C应用中应注意的问题 第1 9卷增刊 1 增强及人机界面技术的发展 ， 使用 P L C组成各种控 制系统变得非常容易。 2 ． 3 易学易用。 深受工程技术人员欢迎 P L C是面向工矿企业的工控设备。它接 口容 易 ， 编程语言易于为工程技术人员接受。梯形 图语 言的图形符 号与表达方式 和继 电器 电路 图相 当接 近 ， 为不熟悉 电子电路 、 不懂计算机原理和汇编语言 的人从事工业控制打开了方便之门。 2 ． 4 系统的设计 。 工作量小 ， 维护方便 ， 容易改造 P L C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 。这特别适合多品种 、 小批量的生产场合。 1 安装与布线。动力线 、 控制线 以及 P L C的 电源线和 I ／ O线应分别配线 ， 隔离变压器 与 P L C和 I ／ O之间应采用双胶线连接。将 P L C的 I O线和大 功率线分开走线 ， 如必须在 同一线槽 内， 分开捆扎交 流线 、 直流线 ， 若条件允许 ， 分槽走线最好 ， 这不仅能 使其有尽可能大的空 间距离 ， 并能将干扰降到最低 限度。 P L C应远离强干扰 源如 电焊机 、 大功率硅整流 装置和大型动力设备， 不能与高压电器安装在同一 个开关柜 内。在柜内 P L C应远离动力线 二者之间 距离应大于 2 0 0 mm 。与 P L C装在 同一个 柜子 内 的电感性负载， 如功率较大的继电器、 接触器的线 圈 ， 应并联 R C消弧电路。 P L C的输入与输出最好 分开走线 ， 开关量与模 拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽 线 ， 屏蔽层应一端或两端接地 ， 接地 电阻应小于屏蔽 层电阻的 1 ／ 1 0 。 交流输出线和直流输 出线不要用 同一根 电缆 ， 输出线应尽量远离高压线和动力线 ， 避免并行。 2 I ／ O端 的接线。①输入接线 输入接线一 般不要太长。但如果环境干扰较小 ， 电压降不大时 ， 输入接线可适 当长些。输入／ 输 出线不能用 同一根 电缆 ， 输人／ 输 出线要分开 。尽可能采用常开触点形 式连接到输入端 ， 使编制 的梯形图与继 电器原理 图 一 致， 便于阅读。② 输出连接 输出端接线分为独 立输 出和公共输 出。在不 同组 中， 可采用不 同类型 和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能 用同一类型、 同一电压等级的电源。由于 P L C的输 出元件被封装在印制 电路板上 ， 并且连接至端子板 ， 若将连接输出元件的负载短路 ， 将烧毁印制电路板。 采用继电器输 出时 ， 所承受 的电感性负载的大小 ， 会 影响到继电器的使用寿命 ， 因此 ， 使用电感性负载时 应合理选择 ， 或加隔离继 电器。P L C的输 出负载可 能产生干扰 ， 因此要采取措施加以控制 ， 如直流输 出 的续流管保护 ， 交流输出的阻容吸收电路 ， 晶体管及 双向晶闸管输出的旁路电阻保护。 3 P L C应用中需要注意的问题 P L C是一种用于工业生产 自动化控制的设备， 一 般不需要采取什 么措施 ， 就可 以直接在 工业环境 中使用。然而， 尽管有如上所述的可靠性较高 ， 抗干 扰能力较强 ， 但 当生产环境过于恶劣 ， 电磁干扰特别 强烈， 或安装使用不当， 就可能造成程序错误或运算 错误， 从而产生误输入并引起误输出， 这将会造成设 备的失控和误 动作 ， 从 而不 能保证 P L C的正常运 行， 要提高 P L C控制系统可靠性， 一方面要求 P L C 生产厂家提高设备的抗干扰能力 ； 另一方面 ， 要求设 计、 安装和使用维护中引起高度重视， 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 此在使用中应注意以下问题 3 ． 1 工作环境 1 温度。P L C要求环境温度在 0～ 5 5 c 【 ， 安 装时不能放在发热量大的元件下面 ， 四周通风散热 的空间应足够大。 2 湿度。为了保证 P L C的绝缘性能， 空气的 相对湿度应小于 8 5 ％ 无凝露 。 3 震动。应使 P L C远离强烈的震动源 ， 防止 振动频率为 1 0～ 5 5 Hz 的频繁或连续振动 。当使用 环境不可避免震动时 ， 必须采取减震措施 ， 如采用减 震胶等。 4 空气。避免有腐蚀和易燃的气体， 例如氯 化氢、 硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性 气体的环境， 可将 P L C安装在封闭性较好的控制室 或控制柜 中。 5 电源。P L C对 于电源线带来 的干扰具有 一 定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特 别严重的环境 中， 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。一般 P L C都有 直流 2 4 V输出提供给输入端 ， 当输入端使用外接直 流电源时， 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 P L C接收到错 误信息。 3 ． 2 控制系统中干扰及其来源 现场 电磁 干扰是 P L C控制 系统 中最常见也是 最易影响系统可靠性的因素之一 ， 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 须知道现场干扰的源头 。 1 干扰 源及一般分类 。影响 P L C控制系统 11 6 2 0 1 0耳7月 许飞阳等 浅谈 P L C应用中应注意的问题 第1 9 卷增刊 1 的干扰源， 大都产生在电流或电压剧烈变化的部位， 其原因是电流改变产生磁场， 对设备产生电磁辐射； 磁场改变产生 电流 ， 电磁高速产生 电磁波。通常电 磁干扰按干扰模式不同， 分为共模干扰和差模干扰。 共模干扰是信号对地的电位差， 主要由电网串人、 地 电位差及空间电磁辐射在信号线上感应 的共态 同 方向 电压叠加所形成。共模 电压通过不对称 电路 可转换成差模电压， 直接影响测控信号， 造成元器件 损坏 这就是一些系统 I ／ O模件损坏率较高的主要 原因 ， 这种共模 干扰可为直流 ， 亦可为交流。差模 干扰是指作用于信号两极问的干扰电压， 主要由空 间电磁场在信号间耦合感应及 由不平衡 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 P L C系统 中干扰 的主要来 源及途径 。强 电干扰 P L C系统 的正常供 电电源均 由 电网供 电。 由于电网覆盖范围广 ， 它将受到所有 空间电磁干扰 而在线路上感应电压。尤其 是电网内部的变化 ， 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 传到电源原边 。 柜内干扰 控制柜内的高压电器 ， 大的电感性负 载 ， 混乱 的布线 都容易 对 P L C造 成一定 程度 的干 扰。 来 自信号线引入的干扰 与 P L C控制系统连接 的各类信号传输线， 除了传输有效的各类信息之外， 总会有外部干扰信号侵入 。此干扰主要有 两种途 径 一是通过变送器供电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； 二是信号线 受空间电磁辐射感应 的干扰 ， 即信号线上 的外部感 应干扰 ， 这是很严重的。由信号引入干扰会 引起 I ／ 0信号工作异常和测量精度大大降低 ， 严重时将引 起元器件损伤。 来 自接地系统混乱时 的干扰 接地是 提高电子 设备电磁兼容性 E MC 的有效 手段 之一。正确 的 接地 ， 既能抑制电磁干扰的影响， 又能抑制设备 向外 发出干扰 ； 而错误 的接地 ， 反而会引入严重的干扰信 号， 使 P L C系统将无法正常工作。 来 自P L C系统内部的干扰 主要由系统内部元 器件及电路间的相互电磁辐射产生 ， 如逻辑电路相 互辐射及其对模拟 电路 的影响 ， 模拟地与逻辑地 的 相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。 变频器干扰 一是变频器启 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 响电网的供电质量 ； 二是变频器的输 出会产生较强 的电磁辐射干扰， 影响周边设备的正常工作。 11 7 3 ． 3 主要抗干扰措施 1 电源的合理处理 ， 抑制 电网引入 的干扰。 对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的 变 比为 1 1的隔离变压器 ， 以减少设备与地之间的 干扰 ， 还可以在电源输入端串接 L c滤波电路。 2 正确选择接地点 ， 完善接地系统。良好 的 接地是保证 P L C可靠工作的重要条件 ， 可以避免偶 然发生的电压冲击危害。接地的 目的通常有两个 ， 其一为了安全， 其二是为了抑制干扰。完善的接地 系统是 P L C控制系统抗 电磁干扰的重要措施之一 。 P L C控制系统的地线包括系统地 、 屏蔽地 、 交流 地和保护地等。接地 系统混乱对 P L C系统 的干扰 主要是各个接地点 电位分布不均 ， 不 同接地点问存 在地 电位差 ， 引起地环路 电流， 影 响系统正常工作。 例如电缆屏蔽层必须一点接地 ， 如果 电缆屏蔽层两 端 A、 B都接地 ， 就存在地 电位差 ， 有 电流流过屏蔽 层 ， 当发生异常状态如雷击时， 地线电流将更大。 此外 ， 屏蔽层 、 接地线和大地有可能构成闭合环 路 ， 在变化磁场的作用下 ， 屏蔽层内又会出现感应电 流 ， 通过屏蔽层与芯线之间的耦合 ， 干扰信号 回路 。 若系统地与其它接地处理混乱 ， 所产生 的地环流就 可能在地线上产生不等 电位分布 ， 影响 P L C内逻辑 电路和模拟电路的正常工作。P L C工作的逻辑 电压 干扰容 限较 低 ， 逻辑地 电位 的分布 干扰容 易影 响 P L C的逻辑运算和数据存贮 ， 造成数据混乱 、 程序跑 飞或死机。模拟地 电位 的分 布将导致测量精度 下 降， 引起对信号测控的严重失真和误动作。 安全地或电源接地 将电源线接地端和柜体连 线接地为安全接地。如电源漏电或柜体带电， 可从 安全接地导入地下， 不会对人造成伤害。 系统接地 P L C控制器为了与所控 的各个设备 同电位而接地 ， 叫系统接地。接地 电阻值不得大于 4 Q， 一般需将 P L C设备 系统地 和控制柜 内开关 电 源负端接在一起 ， 作为控制系统地 。 信号与屏蔽接地 一般要求信号线必须要有唯 一 的参考地 ， 屏蔽 电缆遇到有可能产生传导干扰 的 场合 ， 也要在就地或者控制 室唯一接地 ， 防止形成 “ 地环路” 。信号源接地时， 屏蔽层应在信号侧接 地； 不接地时， 应在 P L C侧接地； 信号线中间有接头 时 ， 屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理 ， 一定要避免 多点接地 ； 多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞 总屏蔽电缆连接时 ， 各屏蔽层应相互连接好 ， 并经绝 缘处理， 选择适当的接地处单点接点。 3 对变频器干扰 的抑制。变 频器 的干扰处 理一般有下面几种方式 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 2 0 1 0年7月 许飞阳等 浅谈 P L C应用中应注意的问题 第1 9 卷． ． 刊 1 阻隔在隔离变压器之前 ； 使用滤波器， 滤波器具有较 强的抗干扰能力， 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； 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 ， 影响其它设备正常工作 。 4 结语 P L C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， 合理有效地抑制抗干扰， 才能够使 P L C控制系统正 常工作。随着 P L C应用领域的不断拓宽， 如何高效 可靠的使用 P L C也成为其发展的重要因素。现在 随着 P L C发展 ， 产品的品种会更丰富、 规格更齐全 ， 通过完美的人机界面、 完备的通信设备会更好地适 应各种工业控制场合的需求， P L C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。 [ 责任编辑 魏晋英] 上接 第 8 9页 表2 等效元件的可靠性参数 珞 R 图 6接 线方式 Ⅱ的 G 0模 型 A 。 A 。 1 等 2 2 ． 4 G O运算 按照 G O模 型及相关操作符 的计算公 式 ， 可 以 得到系统的各项指标如表 3所示。其 中 MT T R为系 统平均维修时间。计算公式如下 MT T R 3 表 3 系统可靠性指标 3 结论 1 本文提出了一种基于 G O法的电气主接线 系统可靠性分析计算方法， 通过实例计算了两种不 同电气主接线 系统可靠性的各项指标 ， 接线方式 I 为角形接线， 接线方式 Ⅱ为单母线接线。通过计算 结果可以看出， 接线方式 I的供 电可靠性优于方式 Ⅱ 但是接线方式 I的系统平均维修时间较长 ， 这是 由于接线方式 I的系统元件较多 。 2 通过实例证明了 G O法应用于电气主接线 可靠性分析的可行性。并且 G O图与系统原理图十 分相似 ， 建立 G O模型较简单 。 参考文献 [ 1 ] 郭永基． 电力系统可靠性分析[ M] ． 北京 清华大学出 版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 高逸峰， 张九根 ， 徐靓． 变电所电气主接线可靠性分 析[ J ] ． 建筑电气 ， 2 0 0 7 1 1 91 3 ． [ 3 ] 李晓明， 刘世奇 ， 张翌晖． 基于关联矩阵的变电站电气 主接线可靠性分析[ J ] ． 武汉水利水电大学学报， 2 0 0 0 4 3 53 9 ． [ 4 ] 安玲 ， 齐 ． 基于故障树分析法的热电厂供电系统 可靠悱分析 J ] ． 安全控制技术， 2 0 0 6 3 58 ． [ 5 ] 张蔼蔷． 敝障树分析在电力系统可靠性研究中的应用 [ J ] ． 华尔电力， 2 0 0 5 2 1 41 7 ． [ 6 ] 姚李孝 ， 崔杜武． 基于时序模拟法和 P e 网的电气主 接线可靠性评估[ J ] ． 西安理工大学学报， 2 0 0 5 1 4 2 46． [ 7 ] 李振富， 李锦成 ， 朱 琳． 龙羊峡电站电气主接线可靠度 分析[ J ] ． 中国农村水利水电， 2 0 0 4 5 8 38 5 ． [ 8 ] 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