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PLC控制系統設計的要點、安全、故障防范/

在現代化的工業生產設備中,有大量的數字量及模擬量的控制裝置,例如電機的起停,電磁閥的開閉,產品的計數,溫度、壓力、流量的設定與控制等,工業現場中的這些自動控制問題,若采用可編程序控制器(PLC)來解決自動控制問題已成為最有效的工具之一,本文敘述PLC控制系統設計時應該注意的問題。
硬件選購目前市場上的PLC產品眾多,除國產品牌外,國外有:日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJJ、anasonic,德國的SIEMENS,韓國的LG等。近幾年,PLC產品的價格有較大的下降,其性價比越來越高,這是眾多技術人員選用PLC的重要原因。那么,如何選購PLC產品呢?
1、系統規模首先應確定系統用PLC單機控制,還是用PLC形成網絡,由此計算PLC輸入、輸出點。數,并且在選購PLC時要在實際需要點數的基礎上留有一定余量(10%)。
2、確定負載類型根據PLC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型,是大電流還是小電流,以及PLC輸出點動作的頻率等,從而確定輸出端采用繼電器輸出,還是晶體管輸出,或品閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式,對系統的穩定運行是很重要的。
3、存儲容量與速度盡管國外各廠家的PLC產品大體相同,但也有一定的區別。目前還未發現各公司之間完全兼容的產品。各個公司的開發軟件都不相同,而用戶程序的存儲容量和指令的執行速度是兩個重要指標。一般存儲容量越大、速度越快的PLC價格就越高,但應該根據系統的大小合理選用PLC產品。
4、編程器的選購PLC編程可采用三種方式:
是用一般的手持編程器編程,它只能用商家規定語句表中的語句編程。這種方式效率低,但對于系統容量小,用量小的產品比較適宜,并且體積小,易于現場調試,造價也較低。
是用圖形編程器編程,該編程器采用梯形圖編程,方便直觀,一般的電氣人員短期內就可應用自如,但該編程器價格較高。
是用IBM個人計算機加PLC軟件包編程,這種方式是效率最高的一種方式,但大部分公司的PLC開發軟件包價格昂貴,并且該方式不易于現場調試。
因此,應根據系統的大小與難易,開發周期的長短以及資金的情況合理選購PLC產品。
5、盡量選用大公司的產品其質量有保障,且技術支持好,一般售后服務也較好,還有利于你的產品擴展與軟件升級。
一、輸入回路的設計
1、電源回路 PLC供電電源一般為 AC85—240V(也有DC24V),適應電源范圍較寬,但為了抗干擾,應加裝電源凈化元件(如電源濾波器、1:1隔離變壓器等)。
2、PLC上DC24V電源的使用各公司 PLC產品上一般都有DC24V電源,但該電源容量小,為幾十毫安至幾百毫安,用其帶負載時要注意容量,同時作好防短路措施(因為該電源的過載或短路都將影響PLC的運行)。
3、外部DC24V電源 若輸入回路有 DC24V供電的接近開關、光電開關等,而PLC上DC24V電源容量不夠時,要從外部提供DC24V電源;但該電源的“—”端不要與 PLC的 DC24V的“—”端以及“COM”端相連,否則會影響PLC的運行。
4、輸入的靈敏度各廠家對PLC的輸人端電壓和電流都有規定,如日本三菱公司F7n系列PLC的輸入值為C24V、7mA,啟動電流為4.5mA,關斷電流小于1.5mA,因此,當輸入回路串有二極管或電阻(不能完全啟動),或者有并聯電阻或有漏電流時(不能完全切斷),就會有誤動作,靈敏度下降,對此應采取措施。另一方面,當輸入器件的輸入電流大于PLC的最大輸入電流時,也會引起誤動作,應采用弱電流的輸入器件,并且選用輸人為共漏型輸入的 PLC,Bp輸入元件的公共點電位相對為負,電流是流出 PLC的輸入端。
二、輸出回路的設計
1、各種輸出方式之間的比較
(1)繼電器輸出:
優點是不同公共點之間可帶不同的交、直流負載,且電壓也可不同,帶負載電流可達2A/點;但繼電器輸出方式不適用于高頻動作的負載,這是由繼電器的壽命決定的。其壽命隨帶負載電流的增加而減少,一般在幾十萬次至Jl百萬次之間,有的公司產品可達1000萬次以上,響應時間為10ms。
(2)晶閘管輸出:
帶負載能力為0.2A/點,只能帶交流負載,可適應高頻動作,響應時間為1ms。
(3)晶體管輸出:
最大優點是適應于高頻動作,響應時間短,一般為0.2ms左右,但它只能帶 DC 5—30V的負載,最大輸出負載電流為0.5A/點,但每4點不得大于0.8A。
當你的系統輸出頻率為每分鐘6次以下時,應首選繼電器輸出,因其電路設計簡單,抗干擾和帶負載能力強。當頻率為10次/min以下時,既可采用繼電器輸出方式;也可采用PLC輸出驅動達林頓三極管(5—10A),再驅動負載,可大大減小。
2、抗干擾與外部互鎖當 PLC輸出帶感性負載,負載斷電時會對PLC的輸出造成浪涌電流的沖擊,為此,對直流感性負載應在其旁邊并接續流二極管,對交流感性負載應并接浪涌吸收電路,可有效保護PLC。當兩個物理量的輸出在PLC內部已進行軟件互鎖后,在PLC的外部也應進行互鎖,以加強系統的可靠性。
3、“GOM“點的選擇不同的 PLC產品,其“COM”點的數量是不一樣的,有的一個“COM”點帶8個輸出點,有的帶4個輸出點,也有帶2個或1個輸出點的。當負載的種類多,且電流大時,采用一個“COM”點帶1—2個輸出點的 PLC產品;當負載數量多而種類少時,采用一個“COM”點帶4—8個輸出點的PLC產品。這樣會對電路設計帶來很多方便,每個“COM”點處加一熔絲,1—2個輸出時加2A的熔絲,4—8點輸出的加5—10A的熔絲,因 PLC內部一般沒有熔絲。
4、PLC外部驅動電路對于 PLC輸出不能直接帶動負載的情況下,必須在外部采用驅動電路:可以用三極管驅,也可以用固態繼電器或晶閘管電路驅動,同時應采用保護電路和浪涌吸收電路,且每路有顯示二極管(LED)指示。印制板應做成插拔式,易于維修。
PLC的輸入輸出布線也有一定的要求,請看各公司的使用說明書。
三、擴展模塊的選用
對于小的系統,如80點以內的系統.一般不需要擴展;當系統較大時,就要擴展。不同公司的產品,對系統總點數及擴展模塊的數量都有限制,當擴展仍不能滿足要求時,可采用網絡結構;同時,有些廠家產品的個別指令不支持擴展模塊,因此,在進行軟件編制時要注意。當采用溫度等模擬模塊時,各廠家也有一些規定,請看相關的技術手冊。
各公司的擴展模塊種類很多,如單輸入模塊、單輸出模塊、輸入輸出模塊、溫度模塊、高速輸入模塊等。 PLC的這種模塊化設計為用戶的產品開發提供了方便。
四、PLC的網絡設計
當用PLC進行網絡設計時,其難度比PLC單機控制大得多。首先你應選用自己較熟悉的機型,對其基本指令和功能指令有較深入的了解,并且指令的執行速度和用戶程序存儲容量也應仔細了解。否則,不能適應你的實時要求,造成系統崩潰。另外,對通信接口、通信協議、數據傳送速度等也要考慮。
最后,還要向 PLC的商家尋求網絡設計和軟件技術支持及詳細的技術資料,至于選用幾層工作站,依你的系統大小而定。
五、軟件編制
在編制軟件前,應首先熟悉所選用的 PLC產品的軟件說明書,待熟練后再編程。若用圖形編程器或軟件包編程,則可直接編程,若用手持編程器編程,應先畫出梯形圖,然后編程,這樣可少出錯,速度也快。編程結束后先空調程序,待各個動作正常后,再在設備上調試。
六、安全問題
設計可編程控制器時, 安全性是第一重要的,即使在外部的電源發生異常時,可編程控制器出現故障時,整個系統也能在安全狀態下工作,請務必在可編程控制器外部,設置安全電路,誤操作,誤輸出是產生事故的原因。
       1。務必在可編程控制器外部,設置如下幾種電路,
緊急停止電路,保護電路,正轉逆轉等相反操作的連鎖電路,定位的上限/下線等防止損壞的連鎖電路。
       2.可編程控制器CPU有監視定時器等自檢功能
可編程控制器CPU以監視定時器等自檢功能,檢測出異常時,輸出全部關閉,擔當可編程控制器的CPU檢測不出輸入輸出控制部分的異常時就不能控制輸出,這時,為使機器在安全狀態下運行,請設計外電路及機構
      3.設計確保傳感器的后備電源產生過負荷時的安全:
傳感器的后備電源產生過負荷時,電壓自動下降,除可編程控制器輸入不工作之外,全部輸出都關閉,這時,請設計外電路和機構,以使其在安全狀況下工作。
      4.設計確保當有與重大故障有聯系的輸出信號時機器的安全:
因輸出繼電器,晶體管的故障,輸出時而為ON,時而為OFF的現象出現,當有與重大故障有聯系的輸出信號時,請設計外電路和機構,以使機器在安全狀況下運行.
七、設計可編程控制系統時的故障防范 
在現代化的工業生產中,大量采用了可編程序控制系統,可編程序控制器能在惡劣的工作環境下正常工作,但其構成的控制系統由于設計、安裝、干擾等因素有時會出現故障。有些問題是在系統設計時考慮不周造成的。根據實踐中的經驗和教訓,本文闡述可編程序控制系統設計時應注意的問題。
     1、一個系統中使用的成熟技術至少應占到75%以上
     “成熟技術”一是經過一定的生產實踐考驗的可編程控制器產品或類似設計,或者確定能在未來的生產實踐中,經得起考驗;二是設計工作人員對于需要使用的技術要有經驗或有掌握它的能力。設計與配置一個可編程序控制系統選用的技術與設計方案切實可行。因為一個生產過程控制系統,一旦做出來,要長久使用下去,難以找到機會反復修改。設計的硬件系統和編程軟件,其中某些缺欠,可能一直隱藏在已完成的系統中。若遇到發生破壞作用的條件,后果難以預料。
     2、系統的硬件結構和網絡要簡明而清晰
     硬件結構不要追求繁瑣,網絡組態不要追求交叉因素太多,要力求使用可編程序控制器自身配置的組網能力。在組成I/O機箱配套的模板時,建議型號簡單,力求一致,模板密度不宜過大。使用的結線點不宜過多,從目前機箱的制造和配線工藝來看,輸入與輸出配線密度不能太高。
     3、控制系統的功能和管理系統的功能應嚴格劃分界限
     由于可編程序控制器組成的過程控制系統中的實時性要求很高,而網絡通信是允許暫時失去通信聯系,過后自己能重新恢復,但是在重新恢復之前這一間隔時間可編程序控制器會處于失控。另外,在用多個可編程序控制器系統組成一個大系統時,對于主控制的關鍵命令,除了使用可編程序控制器自身的網絡通信傳送它的信息外,最好有使用它的I/O點做成的硬件聯鎖,特別是兩者之間“急停”的處理;雖然兩個系統都在自身的通信掃描中互相變換著“停止”或“急停”命令,但因一方在急停故障時已經停止運行,另一方并未收到已停止的信息而照常運行,其后果難測。可編程序控制器控制系統關鍵的“急停”應先切除執行機構的電源,然后將其信號送入可編程序控制器,這樣可取得設備安全保護的時間。
     4、可編程序控制器的程序要簡明且可讀
     用戶軟件的編寫是“平鋪直敘”,用戶軟件可看成是一個有序的“黑盒子”系列,每個“黑盒子”按照結構化語言劃分,可分為幾種典型的語句。每個語句方式、手法可能十分單調,但一定要明確。在設計與編寫這些語句時,若使用不易推理的邏輯關系太多,或者語句因素太多,特殊條件太多,就會使人閱讀這些語句時十分難懂。因此,一個可編程控制器的用戶軟件的可讀性,即編寫的軟件能為大多數人讀懂,能理解可編程控制器在執行這個語句時,“發生了什么”是十分重要的。每一段程序力求功能單一而流暢,這是軟件在使用和維護時的重要條件。
     5、可編程序控制系統在硬件和軟件上的預置,有運行檢測的關鍵監視條件
     可編程序控制系統配置了彩色圖形工作站/屏幕監視,但從價格及反映現場狀態的時間來看,屏幕監視尚不方便。關鍵的故障,或者在關鍵的機械設備附近,可配置一些指示燈,它們可以用數字量輸出做成,用來監視程序的正常運行,或用來調試程序,在指示燈旁配以功能標牌,可幫助操作人員確認可編程序控制系統的正常運行和及時反映故障。
     6、設計大中型可編程序控制系統時不要耗盡它的硬件和軟件資源
     對于設計的新系統,硬件上至少要保留15%左右的冗余,在軟件編制時,同樣要估計用戶軟件對計算機資源的需要與用量。尤其對中間繼電器,計數器/定時器的使用,要留有余地。因為在調試和運行后,軟件總會被修改、補充,甚至重新編制。已編制的軟件讓人無法修改和完善,在工程上是不實際的。
     7、合理地配置可編程序控制器系統的冗余
     可編程序控制系統可能做出多種方式的冗余,中央處理器的雙機熱備、冷備冗余是常見的方式。另外,雙系統冗余,即中央處理器和全部的輸入、輸出、組網通信完全冗余,其價格和實用性雖然在許多工程項目中難以被人接受,但在有毒、有害的化工生產環境這種冗余很有必要。在設計系統中,要使配置冗余方式較為經濟而又實用,力求使故障縮小在本設備身上。不要因某一設備發生故障,引起工藝流程中相關設備運行或狀態受到沖擊。
     以上闡述的幾個方面,是在可編程序控制系統總體方案設計時,要格外重視的問題,只有在設計系統時,考慮周到,系統投入運行之后,設計人員才能少些遺憾。
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