學習十分鐘,讓你瞭解PLC的相關知識

一、簡述

多年來,可程式設計控制器(以下簡稱PLC)從其產生到現在,實現了接線邏輯到儲存邏輯的飛躍;其功能從弱到強,實現了邏輯控制到數字控制的進步;其應用領域從小到大,實現了單體裝置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、數字運算、人機介面和網路的各方面能力都已大幅提高,成為工業控制領域的主流控制裝置,在各行各業發揮著越來越大的作用。

二、PLC的應用領域

目前,PLC在國內外已廣泛應用於鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械製造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業,使用情況主要分為如下幾類:

1.開關量邏輯控制取代傳統的繼電器電路,實現邏輯控制、順序控制,既可用於單臺裝置的控制,也可用於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、包裝生產線、電鍍流水線等。

2.工業過程控制在工業生產過程當中,存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度等連續變化的量(即模擬量),PLC採用相應的A/D和D/A轉換模組及各種各樣的控制演算法程式來處理模擬量,完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的一種調節方法。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可以用於圓周運動或直線運動的控制。一般使用專用的運動控制模組,如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模組,廣泛用於各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

4.資料處理PLC具有數學運算(含矩陣運算、函式運算、邏輯運算)、資料傳送、資料轉換、排序、查表、位操作等功能,可以完成資料的採集、分析及處理。資料處理一般用於如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。

5.通訊及聯網PLC通訊含PLC間的通訊及PLC與其它智慧裝置間的通訊。隨著工廠自動化網路的發展,現在的PLC都具有通訊介面,通訊非常方便。

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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裝置的關鍵效能。PLC由於採用現代大規模積體電路技術,採用嚴格的生產工藝製造,內部電路採取了先進的抗干擾技術,具有很高的可靠性。使用PLC構成控制系統,和同等規模的繼電接觸器系統相比,電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC帶有硬體故障自我檢測功能,出現故障時可及時發出警報資訊。在應用軟體中,應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程式,使系統中除PLC以外的電路及裝置也獲得故障自診斷保護。這樣,整個系統將極高的可靠性。

2.配套齊全,功能完善,適用性強PLC發展到今天,已經形成了各種規模的系列化產品,可以用於各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外,PLC大多具有完善的資料運算能力,可用於各種數字控制領域。多種多樣的功能單元大量湧現,使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通訊能力的增強及人機介面技術的發展,使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。

3.易學易用,深受工程技術人員歡迎PLC是面向工礦企業的工控裝置。它介面容易,程式語言易於為工程技術人員接受。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、不懂計算機原理和組合語言的人從事工業控制打開了方便之門。

4.系統的設計,工作量小,維護方便,容易改造PLC用儲存邏輯代替接線邏輯,大大減少了控制裝置外部的接線,使控制系統設計及建造的週期大為縮短,同時日常維護也變得容易起來,更重要的是使同一裝置經過改變程式而改變生產過程成為可能。這特別適合多品種、小批次的生產場合。

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四、PLC應用中需要注意的問題

PLC是一種用於工業生產自動化控制的裝置,一般不需要採取什麼措施,就可以直接在工業環境中使用。然而,儘管有如上所述的可靠性較高,抗干擾能力較強,但當生產環境過於惡劣,電磁干擾特別強烈,或安裝使用不當,就可能造成程式錯誤或運算錯誤,從而產生誤輸入並引起誤輸出,這將會造成裝置的失控和誤動作,從而不能保證PLC的正常執行,要提高PLC控制系統可靠性,一方面要求PLC生產廠家提高裝置的抗干擾能力;另一方面,要求設計、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,有效地增強系統的抗干擾性能。

因此在使用中應注意以下問題:

1.工作環境

(1)溫度PLC要求環境溫度在0~55oC,安裝時不能放在發熱量大的元件下面,四周通風散熱的空間應足夠大。

(2)溼度為了保證PLC的絕緣效能,空氣的相對溼度應小於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的頻繁或連續振動。當使用環境不可避免震動時,必須採取減震措施,如採用減震膠等。

(4)空氣避免有腐蝕和易燃的氣體,例如氯化氫、硫化氫等。對於空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環境,可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制櫃中。

(5)電源PLC對於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境中,可以安裝一臺帶遮蔽層的隔離變壓器,以減少裝置與地之間的干擾。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,應選用直流穩壓電源。因為普通的整流濾波電源,由於紋波的影響,容易使PLC接收到錯誤資訊。

2.控制系統中干擾及其來源

現場電磁干擾是PLC控制系統中最常見也是最易影響系統可靠性的因素之一,所謂治標先治本,找出問題所在,才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現場干擾的源頭。

(1)干擾源及一般分類

影響PLC控制系統的干擾源,大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位,其原因是電流改變產生磁場,對裝置產生電磁輻射;磁場改變產生電流,電磁高速產生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同,分為共模干擾和差模干擾。共模干擾是訊號對地的電位差,主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在訊號線上感應的共態(同方向)電壓疊加所形成。

共模電壓透過不對稱電路可轉換成差模電壓,直接影響測控訊號,造成元器件損壞(這就是一些系統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。差模干擾是指作用於訊號兩極間的干擾電壓,主要由空間電磁場在訊號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓,這種干擾疊加在訊號上,直接影響測量與控制精度。

(2)PLC系統中干擾的主要來源及途徑

強電干擾PLC系統的正常供電電源均由電網供電。由於電網覆蓋範圍廣,它將受到所有空間電磁干擾而線上路上感應電壓。尤其是電網內部的變化,刀開關操作浪湧、大型電力裝置起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態衝擊等,都透過輸電線路傳到電源原邊。櫃內干擾控制櫃內的高壓電器,大的電感性負載,混亂的佈線都容易對PLC造成一定程度的干擾。來自訊號線引入的干擾與PLC控制系統連線的各類訊號傳輸線,除了傳輸有效的各類資訊之外,總會有外部干擾訊號侵入。

此干擾主要有兩種途徑:

一是透過變送器供電電源或共用訊號儀表的供電電源串入的電網干擾,這往往被忽視;

二是訊號線受空間電磁輻射感應的干擾,即訊號線上的外部感應干擾,這是很嚴重的。由訊號引入干擾會引起I/O訊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。來自接地系統混亂時的干擾接地是提高電子裝置電磁相容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制裝置向外發出干擾;而錯誤的接地,反而會引入嚴重的干擾訊號,使PLC系統將無法正常工作。來自PLC系統內部的干擾主要由系統內部元器件及電路間的相互電磁輻射產生,如邏輯電路相互輻射及其對類比電路的影響,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

一是變頻器啟動及執行過程中產生諧波對電網產生傳導干擾,引起電網電壓畸變,影響電網的供電質量;

二是變頻器的輸出會產生較強的電磁輻射干擾,影響周邊裝置的正常工作。

3.主要抗干擾措施

(1)電源的合理處理,抑制電網引入的干擾對於電源引入的電網干擾可以安裝一臺帶遮蔽層的變比為1:1的隔離變壓器,以減少裝置與地之間的干擾,還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。

(2)安裝與佈線

● 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之間應採用雙膠線連線。將PLC的IO線和大功率線分開走線,如必須在同一線槽內,分開捆紮交流線、直流線,若條件允許,分槽走線最好,這不僅能使其有儘可能大的空間距離,並能將干擾降到最低限度。

● PLC應遠離強幹擾源如電焊機、大功率矽整流裝置和大型動力裝置,不能與高壓電器安裝在同一個開關櫃內。在櫃內PLC應遠離動力線(二者之間距離應大於200mm)。與PLC裝在同一個櫃子內的電感性負載,如功率較大的繼電器、接觸器的線圈,應並聯RC消弧電路。

● PLC的輸入與輸出最好分開走線,開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量訊號的傳送應採用遮蔽線,遮蔽層應一端或兩端接地,接地電阻應小於遮蔽層電阻的1/10。

● 交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜,輸出線應儘量遠離高壓線和動力線,避免並行。

(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。

● 儘可能採用常開觸點形式連線到輸入端,使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致,便於閱讀。

輸出連線

● 輸出端接線分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中,可採用不同型別和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一型別、同一電壓等級的電源。

● 由於PLC的輸出元件被封裝在印製電路板上,並且連線至端子板,若將連線輸出元件的負載短路,將燒燬印製電路板。

● 採用繼電器輸出時,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的輸出負載可能產生干擾,因此要採取措施加以控制,如直流輸出的續流管保護,交流輸出的阻容吸收電路,電晶體及雙向閘流體輸出的旁路電阻保護。

(4)正確選擇接地點,完善接地系統良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件,可以避免偶然發生的電壓衝擊危害。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。完善的接地系統是PLC控制系統抗電磁干擾的重要措施之一。PLC控制系統的地線包括系統地、遮蔽地、交流地和保護地等。接地系統混亂對PLC系統的干擾主要是各個接地點電位分佈不均,不同接地點間存在地電位差,引起地環路電流,影響系統正常工作。

例如電纜遮蔽層必須一點接地,如果電纜遮蔽層兩端A、B都接地,就存在地電位差,有電流流過遮蔽層,當發生異常狀態如雷擊時,地線電流將更大。此外,遮蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環路,在變化磁場的作用下,遮蔽層內又會出現感應電流,透過遮蔽層與芯線之間的耦合,干擾訊號迴路。若系統地與其它接地處理混亂,所產生的地環流就可能在地線上產生不等電位分佈,影響PLC內邏輯電路和類比電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低,邏輯地電位的分佈干擾容易影響PLC的邏輯運算和資料存貯,造成資料混亂、程式跑飛或宕機。模擬地電位的分佈將導致測量精度下降,引起對訊號測控的嚴重失真和誤動作。

● 安全地或電源接地

將電源線接地端和櫃體連線接地為安全接地。如電源漏電或櫃體帶電,可從安全接地匯入地下,不會對人造成傷害。

● 系統接地

PLC控制器為了與所控的各個裝置同電位而接地,叫系統接地。接地電阻值不得大於4Ω,一般需將PLC裝置系統地和控制櫃內開關電源負端接在一起,作為控制系統地。

● 訊號與遮蔽接地

一般要求訊號線必須要有唯一的參考地,遮蔽電纜遇到有可能產生傳導干擾的場合,也要在就地或者控制室唯一接地,防止形成“地環路”。訊號源接地時,遮蔽層應在訊號側接地;不接地時,應在PLC側接地;訊號線中間有接頭時,遮蔽層應牢固連線並進行絕緣處理,一定要避免多點接地;多個測點訊號的遮蔽雙絞線與多芯對絞總遮蔽電纜連線時,各遮蔽層應相互連線好,並經絕緣處理,選擇適當的接地處單點接點。

(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,還具有防止將裝置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生電磁輻射,影響其它裝置正常工作。

五、結束語

PLC控制系統中的干擾是一個十分複雜的問題,因此在抗干擾設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控制系統正常工作。隨著PLC應用領域的不斷拓寬,如何高效可靠的使用PLC也成為其發展的重要因素。21世紀,PLC會有更大的發展,產品的品種會更豐富、規格更齊全,透過完美的人機介面、完備的通訊裝置會更好地適應各種工業控制場合的需求,PLC作為自動化控制網路和國際通用網路的重要組成部分,將在工業控制領域發揮越來越大的作用。節對有關PLC的硬體組成的熱點疑問作了解答,對今後的實際接線安裝操作有較大幫助。

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一、 問:PLC的硬體結構是怎樣的?

答:PLC的硬體組成與微型計算機相似,其主機由CPU板、儲存器、輸入/輸出(I/O)介面、電源等幾大部分組成;可配備如程式設計器、圖形顯示器、通訊介面等外部裝置(見硬體示意圖)。

二、 問:CPU是什麼?有什麼作用?

答:CPU也稱中央處理器,是由一片或幾片大規模積體電路晶片組成的,相當於人的大腦,是PLC的核心部分;CPU的作用是可透過介面及軟體向系統的各個部分發出各種命令,同時對被測引數進行巡迴檢測、資料處理、控制運算、報警處理及邏輯判斷等,實現對整個PLC的工作過程進行控制;目前大多數小型PLC都用8位或者16位微控制器作CPU。

三、 問:RAM、ROM、EPROM、EEPROM都是儲存器,各自特點是什麼?

答:RAM為隨機儲存器,一般都是CMOS型的,耗電極微,在PLC中通常用鋰電池作後備,失電時也不會丟失程式;ROM為只讀儲存器,系統程式固化在其中,使用者不可更改,失電不受影響;EPROM為可擦除儲存器,其寫入和擦除時都必須要用專用的寫入器和擦除器,使用者很不方便;EEPROM為電可擦除只讀儲存器,其內部的程式可透過程式設計器的寫入和擦除。

四、 問:PLC中的I/0口是什麼?有什麼特點?

答:I/O介面是輸入(IN)/輸出(OUT)介面的簡稱,是PLC主機與被控物件進行資訊交換的紐帶;PLC透過I/O介面與外部裝置進行資料交換,PLC的輸入輸出訊號有開關量、模擬量、數字量三種類型,所有的輸入輸出訊號均經過光電等隔離,大大增強了PLC的抗干擾能力。

五、 問:PLC常見的輸出形式有幾種?有何特點?

答:常見的輸出形式有繼電器輸出、閘流體(SSR)輸出、電晶體輸出。特點是:繼電器輸出型:CPU驅動繼電器線圈,令觸點吸合,使外部電源透過閉合的觸點驅動外部負載,其開路漏電流為零,響應時間慢(約10ms),可帶較大的外部負載;電晶體輸出型:CPU透過光耦合使電晶體通斷,以控制外部直流負載,響應時間快(約0。2ms),可帶外部負載小;可控矽輸出型:CPU透過光耦合使三端雙向可控矽通斷,以控制外部交流負載,開路漏電流大,響應時間較快(約1ms)。

六、 問:什麼是可程式設計控制系統? 由哪些部件組成?

答:可程式設計控制系統指以可程式設計控制器為核心單元的控制系統,一般由控制器(PLC)、程式設計器、訊號輸入部件、輸出執行部件等組成,見PLC控制系統組成圖(以FX2型PLC為例)。可程式設計控制系統可在不改變系統硬體接線的情況下,透過改變PLC的使用者程式來改變被控物件的執行方式,大大地提高了控制系統的靈活性。

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