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    学习自动化知识 ,十秒钟大致懂得PLC

    2020-01-02 倪彬洲
    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。
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    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。
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    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
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    (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。
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    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。
    节对有关PLC的硬件组成的热点疑问作了解答 ,对今后的实际接线安装操作有较大帮助。
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    一、 问:PLC的硬件结构是怎样的?
    答:PLC的硬件组成与微型计算︻机相似 ,其主机由CPU板、存储☉器、输入/输出(I/O)接口、电源等几大部分组成;可配备如编程☉器、图形显示☉器、通信接口等外部设◢备(见硬件示意图)。
    二、 问:CPU是什◆么?有什◆么作用?
    答:CPU也称中央处理☉器 ,是由一片或几片大规模集成电路芯片组成的 ,相当于人的大脑 ,是PLC的核心部分;CPU的作用是可通过接口及软件向系统的各个部分发出各种命令 ,同时对被测参数进行巡回检测、数据处理、控制运算︻、报警处理及逻辑判断等 ,实现对整个PLC的工▲作过程进行控制;目前大多数小型PLC都用8位或者16位单片机作CPU。
    三、 问:RAM、ROM、EPROM、EEPROM都是存储☉器 ,各自特点是什◆么?
    答:RAM为随机存储☉器 ,一般都是CMOS型的 ,耗电极微 ,在PLC中通常用锂电池作后备 ,失电时也不会丢失程序;ROM为只读存储☉器 ,系统程序固化在其中 ,用户不可更改 ,失电不受影响;EPROM为可擦除存储☉器 ,其写入№和擦除时都必须要用专用的写入☉器№和擦除☉器 ,用户很不方便;EEPROM为电可擦除只读存储☉器 ,其内部的程序可通过编程☉器的写入№和擦除。
    四、 问:PLC中的I/0口是什◆么?有什◆么特点?
    答:I/O接口是输入(IN)/输出(OUT)接口的简称 ,是PLC主机与被控对象进行信息交换的纽带;PLC通过I/O接口与外部设◢备进行数据交换 ,PLC的输入输出信号有开关量、模拟量、数字量三种类型 ,所有的输入输出信号均经过光电等隔离 ,大大增强了PLC的抗干扰能〓力。
    五、 问:PLC常见的输出形式有几种?有何特点?
    答:常见的输出形式有继电☉器输出、晶闸管(SSR)输出、晶体管输出。特点是:继电☉器输出型:CPU驱动继电☉器线圈 ,令触点吸合 ,使外部电源通过闭合的触点驱动外部负载 ,其开路漏电流为零 ,响应时间慢(约10ms) ,可带较大的外部负载;晶体管输出型:CPU通过光耦合使晶体管通断 ,以控制外部直流负载 ,响应时间快(约0.2ms) ,可带外部负载小;可控硅输出型:CPU通过光耦合使三端双向可控硅通断 ,以控制外部交流负载,开路漏电流大,响应时间较快(约1ms)。
    六、 问:什◆么是可编程控制系统? 由哪些部件组成
    答:可编程控制系统指以可编程控制☉器为核心单元的控制系统 ,一般由控制☉器(PLC)、编程☉器、信号输入部件、输出执行部件等组成 ,见PLC控制系统组成图(以FX2型PLC为例)。可编程控制系统可在不改变系统硬件接线的情况下 ,通过改变PLC的用户程序来改变被控对象的运行方式 ,大大地提高了控制系统的灵活性。

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