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简述PLC应用及 使用中应该注意的问题

简述PLC应用及 使用中应该注意的问题
摘要:介绍可 编程控制器在工业控制领域的应用以及PLC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:PLC 工业控制 抗干扰 布线 接地 建议
一、简述
多年来,可编程控制器(以下简称PLC)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PLC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。
二、PLC的应用领域
目前,PLC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、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),PLC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。PID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
PLC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、电梯等场合。
4.数据处理
PLC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
PLC通信含PLC间的通信及PLC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PLC都具有通信接口,通信非常方便。
三、PLC的应用特点
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。PLC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PLC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,PLC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PLC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.配套齐全,功能完善,适用性强
PLC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,PLC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PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能 力的增强及人机界面技术的发展,使用PLC组成各 种控制系统变得非常容易。
3.易学易用,深受工 程技术人员欢迎
PLC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。
4.系统的设计,工作量小,维护方便,容易改造
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。这特别适合多品种、小批量的生产场合。

四、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PLC的正常运行,要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC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:
1.工作环境
(1)温度
PLC要求环境温度在0~55oC,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PLC的绝缘性能,空气的 相对湿度应小于85%(无凝露)。
(3)震动
应使PLC远离强烈的震动源,防止振动频率为10~55Hz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PLC安装在 封闭性较好的控制室或控制柜中。
(5)电源
PLC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PLC都有直流24V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PLC接收到错误信息。
2.控制系 统中干扰及其来源
现场电磁干扰是PLC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PLC控制系统的干扰源,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,主要由电网串入、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间的干扰电压,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)PLC系统中 干扰的主要来源及途径
强电干扰
PLC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PLC造成一定程度的干扰。
来自信 号线引入的干扰
与PLC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/O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(EMC)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PLC系统将无法正常工作。

来自PLC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。
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LC滤波电路。如图1所示


(2)安装与布线
● 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线,隔离变压器与PLC和I/O之间应 采用双胶线连接。将PLC的IO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。
● PLC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PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200mm)。与PLC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RC消弧电路。
● PLC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1/10。
● 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。
(3)I/O端的接线
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,输入/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。
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PLC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。
● PLC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。
(4)正确选择接地点,完善接地系统
良好的接地是保证PLC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PLC控制系 统抗电磁干扰的重要措施之一。
PLC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PLC系统的 干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接 地点间存在地电位差,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PLC内逻辑 电路和模拟电路的正常工作。PLC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PLC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
PLC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4Ω,一般需将PLC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PLC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。
(5)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。
五、结束语
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 效地抑制抗干扰,才能够使PLC控制系统正常工作。随着PLC应用领域的不断拓宽,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会有更大的发展,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,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。 ------ 来源于中华工控网