可编程控制器的使用及常见问题.pdf

自 动 化 技术 与 应 用 2 0 1 1 年 第3 0 卷 第8 期 行 业 应 用 与 爻 流 n d us t r ial App l i c a t i o n s a nd Commun i c at i o ns 可编程控制器的使用及常见问题 李金 波 ，陈庆 文 黑龙江省科学院 自动化研究所 ， 黑龙江哈尔滨1 5 0 0 9 0 摘要 P L C是专门为工业生产环境而设计的电气控制装置 ， 一般不需要采取什么特殊措施便可直接在工业环境中使用。但是， 若生 产环境过于恶劣， 电磁干扰特别强烈， 或安装使用不当， 将会影响P L C的正常安全运行。 P L Cfl 安装与接线应按照其使用手册 要求进行， 除了要满足一定的安装环境外， 关TP L C的电源、 P L C的接地以及输入和输出端接线等常见运行中出现的问题 ， 根 据经验可采用以下相应的对策。 关键词 P L C； 安全可靠； 干扰 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 1 0 7 一O l 1 0 0 4 Th e Us i n g a n d Co mmo n Pr o b l e ms o f PL C LI J i n - b o ， CHE N Qi n g we n I n s t i t u t e o f A u t o ma t i o n H e i l o n g j i a n g A c o d e my o f S c i e n c e s ， H a r b i n 1 5 0 0 9 0 C h i n a Abs t r a c t P LC i s t h e e l e c t ric a l c o n t r o l d e v i c e s p e c i fi c a l l y d e s i g n e d f o r t h e i n d us t ria l p r o d u c t i o n e n v i r o n me n t a n d c a n g e n e r a l l y b e d i r e c t l y u s e d i n i n d u s t r i a l s e t t i n gs wi t h o ut t a k i n g a n y s p e c i a l me a s u r e s ．Howe v e r ，t h e p o we r s o u r c e o f t h e P LC，t h e g r o u n d i n g a n d t h e i n p u t a n d o u t pu t wi r i n g s h o u l d b e c o n s i d e r e d p r o p e r l y ． Ke y wo r d s PLC； s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y； i n t e r f e r e n c e 1 引言 随着微 电子技术和微型计算机技术的不断发展 ， 功 能也不断增强。可编程控制器在工业生产过程 中的广 泛应用 ， 其可靠性 、稳定性更加突出， 也是人们对整个 系统要求越来越高。一方面人们希望可编程控制器的 控制系统在安装时布线合理 ， 在安装后能正常运行 ， 另 一 方面又希望在运行过程 中对一些常见问题能快速处 理或用最直接最简便的方法解决 P LC的电源、P LC的 接 地 以及 输入 和 输 出端 接线 等不 合理 问题 。 PLC具有可靠性高 ， 抗干扰能力强、配套齐全， 功 能完善 ， 适用性强、易学易用。深受工程技术人员欢迎、 系统设计、建造工作量小 ， 维护方便 ， 容易改造、体积 小 ， 重量轻 ， 能耗低等特点。广泛应用于钢铁、石油、化 工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输及 环保等各个行业， P L C具有开关量逻辑控制、工业过程 控制、运动控制、数据处理、通信及联网等功能， 并大 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 0 8 量用于工业控制 中， 并在工业电气控制的实践 中逐步得 到了发展【 ， 。 2 P L C实际使用中应注意的问题 P LC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 P LC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[ ， ] 【 5 ] 。 2 ． 1 工作环境要求 2 ． 1 ． 1 温度要求 行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap pl ic a t ion s an d Comm u n i c a t ion s 自动化 技术与应用 2 0 1 1年第 3 0卷第 8期 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 ． 1 ． 2 湿度 要求 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 。 2 ． 1 ． 3 震动要求 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。 2 ． 1 ． 4 空气要求 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。 2 ． 1 ． 5 电源要求 图 1 P L C电源 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 LC接收到错误信息。P LC的电源应与系统的动力 设备分开配线。P L C供电电源为 5 0 Hz 、2 2 0 1l 0 ％ v 的交流电， 对于电源线来的干扰， P L C本身具有足够的 抑制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特 别严重的环境 ， 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 滤波 电路 。如 图 l所 示 。 若一个系统中选用了扩展单元 ， 则其 电源必须与基 本单元共用一个开关 ， 也就是说基本单元与扩展单元的 上电与断 电必须同时进行。图2 示为 F 1 - 3 0 MR P L C的 基 本接 线示 例 。 o一 2 2 -一 蕾 e 蹬 “ 曩衡黪 姗 嘲 ql期秘期甜F罔 ￡ 图 2 基本接图线 2 ． 2 控制系统中干扰及其来源 现场电磁干扰是 P LC控制系统中最常见也是最易 影响系统可靠性的因素之一 ， 因此必须知道现场干扰 的源头。 2 ． 2 ． 1 共模干扰和差模干扰 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， 电磁辐射产生 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 ． 2 ． 2 P L C 系统中干扰的主要来源及途径 1 强电干扰 PL 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 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 l 1 年 第 3 0 卷 第8 期 行 亚 应 用 与 交 流 n du s t r ial Ap p l i c a t i o n s a n d Co m mu nic a t ion s 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 。 2 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 PL C造成一定程度的干扰。 3 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 电电源串人的电网干扰 ， 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。 4 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 M C 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。 5 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 。 6 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 。 2 ． 3 主要抗干扰措施 2 ． 3 ． 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。 2 ． 3 ． 2 安装与布线 1 动力线、控制线以及 P LC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 LC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。 2 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 LC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 RC 消弧电路 。 3 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 ／l O 。 4 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 ． 3 ． 3 l ／ O 端的接线 2 ． 3 ． 3 ． 1 输入接线 1 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。 2 输入 ／输出线不能用同一根电缆， 输入 ／输出线 要 分开 。 3 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 ． 3 ． 3 ． 2 输 出连接 1 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。 2 由于 P LC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。 3 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 。 4 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。 2 ． 3 ． 4 正确选择接地点， 完善接地系统 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l App l ic a t ion s a n d COmmu n i c a t iOn s 自动化技术与应用 2 0 l 1 年第3 O 卷第8期 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PL 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P LC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 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 。 1 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， 可从安全接地导人地下 ， 不会对 人 造成 伤 害 。 2 系统接地 P LC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 PL 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 。 3 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地 。 2 ． 3 ． 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。 3 结束语 PL 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 LC控制系统正常工作。 随着 PL C应用领域 的不断拓宽 ， 如何高效可靠的使用 P LC也成为其发展的重要因素。2 1 世纪 ， P LC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 ， 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 。 参考文献 [ 1 ]王炳实， 机床电气控制． 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． [ 2 ]李仁， 电气控制． 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】吕景泉等， 可编程控制器及其应用． 机械工业出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ]史宜巧 ， 景绍学 ． PL C技术及应用． 机械工业出版社 ， 2 0 0 8． 【 5 】 赵琳， 翟诺， 申敏． 工业控制系统中应用的P L C 抗干扰技 术[ J ] ． 自动化技术与应用 ， 2 0 0 8 ， 2 7 9 1 2 9 1 3 1 ． 作者简介 李金波 1 9 7 7 一 ， 男， 工程师， 研究方向 仪表及工 业 自动 化 。