淺談PLC控制系統設計要點及其在使用中的問題

淺談PLC控制系統設計要點及其在使用中的問題

1、引言

PLC是工業自動化的基礎平臺。PLC應用系統設計的首要問題是工程選型與編程平臺的架構設計。其次，PLC在解決自動化工程問題時首先面臨輸入輸出系統的工程設計正確性問題。對於大量的數字量及模擬量的控制裝置，例如電磁閥的開閉，電機的起停，溫度、壓力、流量的設定,產品的計數與控制等，工業現場中的這些自動控制節點需要事先進行分門別類的工程分析與正確設計。

2、PLC及編程系統的選型設計

在當今行業市場上PLC產品種類衆多，除國產品牌以外，國外的品牌有:日本OMRON、HITACHI、FUJI、IDEC、松下、MITSUBISHI、德國的西門子，法國施耐德，韓國的LG等等，如何合理選型PLC產品？

2.1通訊要求與I/O點數裕量

首先，應該確定系統用PLC單機控制還是用PLC形成網絡，由此計算出輸入、輸出(I/O)點數，並且在選購PLC時要在實際需要點數的基礎上預留10%的餘量。

2.2I/O負載分析

確定負載類型。根據PLC輸出端所帶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，從而確定輸出端採用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或是晶閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式對系統的穩定運行是極爲重要的。

2.3運行速度

執行速度。存儲容量與指令的執行速度是PLC選型的重要指標，一般存儲量越大、速度越快的PLC,其價格就越高，儘管國外各廠家產品大體相同，但也有一定區別。

2.4獨立I/O公用端口(COM)編組規模

“COM”點的選擇。不同的PLC產品，其“COM”端口的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1個或2個輸出點。當負載的種類多，且電流大時，採用一個“COM”點帶1—2個輸出點的產品，當負載種類少，數量多時，採用一個“COM”點帶4—8個輸出點產品。

2.5系統兼容

系統的兼容性。由於各生產廠家的開發軟件不同，系統的兼容性也是選購時的重點，目前還沒有發現完全兼容的產品，應根據系統合理地選用PLC產品。

2.6編程平臺

編程器的選購。PLC編程可採取三種方式:一是用一般的手持式編程器。它只能用廠家出廠規定的語句表中的語句來編程,其優點是易於現場調試並且體積小、成本低，但它的效率低，適應機種類型少，比較適用於系統容量小、用量少的系統中。二是圖形編程器編程，這種方式採用圖形方式編程，方便直觀，一般電氣人員短期就可以應用自如，但編程器價格較高。三是用IBM及其兼容個人計算機+PLC軟件包編程，這種方式是效率最高的一種方式，也是最常用的一種方式，但大部分軟件包價格昂貴。

2.7PLC製造商選擇

儘量選用大公司的產品。因爲大公司的產品，質量有保障，且技術支持好，一般售後服務也較好，有利於以後產品的擴展與軟、硬件升級。筆者由於一般均採用德國的西門子，法國施耐德或者日本OMRON。

3、輸入、輸出迴路的設計

3.1本體電源迴路

PLC供電一般爲AC85-240V(也有DC24V)，適應電源範圍較寬，但爲了抗干擾，應加裝電源淨化元件(如電源濾波器、1:1隔離變壓器等)。

3.2外部I/O驅動電源

若輸入迴路有DC24V供電的接近開關、光電開關等，而PLC上的DC24V電源容量不夠時，要從外部提供DC24V電源，但該電源的“一”端不要與PLC的DC24V電源的“一”以及“COM”端相連，否則會影響PLC的運行。

3.3自備I/O驅動電源

各公司PLC產品上一般都有DC24V電源，但該電源容量小，爲幾十毫安至幾百毫安，用其帶負載時應注意容量，同時做好防短路措施(因爲該電源的過載或短路將影響PLC的運行)。

3.4輸入靈敏度

生產廠家對PLC的輸入電壓和電流都有規定，當輸入元件的輸入電流大於PLC的最大輸入電流或有漏電流時，就會有誤動作，降低靈敏度，所以應適用弱電流輸入並對漏電流採取防護措施，並且選用輸入爲共漏型輸入的PLC。兩線式傳感器(光電開關、無觸點開關)有LED的限位開關時，輸入漏電流會產生錯誤輸入或燈亮，對策爲連接泄放電阻降低輸入阻抗。

對於晶體管或雙向可控硅輸出端，若接到一個較大沖擊電流的設備上，就必須考慮負載保護。

3.5感性負載處理

在輸入、輸出端接感性負載時，要在負載兩端並聯一個衝擊抑制器或續流二極管。

3.6 PLC外部驅動電路

對於PLC輸出不能直接帶動負載的情況下，必須在外部採用驅動電路，可以用固態繼電器或晶閘管電路驅動，同時應採用保護電路和浪涌吸收電路。另外PLC的輸入輸出佈線也有一定要求，請參照各公司的使用說明書。需要特別指出，對於常見的AC220V感性小負載，例如交流接觸器、交流線圈繼電器、電磁閥等，儘管技術標稱可能符合直接驅動規範，工程上絕對不主張PLC直接驅動的簡約設計，應該通過中間繼電器間接驅動。

4、擴展模塊的選用

對於小的系統，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數量都有限制，當擴展仍不能滿足需要時，可採用網絡結構。同時，有些廠家產品的個別指令不支持擴展模塊，因此，在進行軟件編程時要注意。當採用溫度等模擬模塊時，各廠家也有一些規定，請參閱相關技術手冊。

5、PLC通訊設計

當用PLC進行網絡設計時，其難度比PLC單機控制大得多。首先應選用自己比較熟悉的機型，對其基本指令和功能指令有較深入的瞭解，並且指令的執行速度和用戶程序存儲容量也應仔細瞭解。否則，不能適應實時要求，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進行必要地考慮。

最後，向PLC的廠家尋求網絡設計和軟件支持及詳細技術資料，至於選用幾層工作站，依照系統大小而定。

6、軟件程序編制

在編制軟件前，應首先熟悉所選用的PLC產品說明書，待熟悉後再編程。若採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，然後編程，這樣可以減少出錯，速度也快，編成完成後先空運轉，待各個動作正常後，再在設備上進行調試。

7、PLC應用中需要注意的問題

雖然PLC是一種用於工業現場的前端自動化技術基礎裝備，可以直接在多數工業環境中使用。然而，當生產環境過於惡劣，電磁干擾特別強烈，或安裝使用不當，就可能造成程序錯誤或運算錯誤，從而產生誤輸入並引起誤輸出，這將會造成設備的失控和誤動作，從而不能保證PLC的正常運行，要提高PLC控制系統可靠性，一方面要求PLC生產廠家提高設備的抗干擾能力；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。

7.1 確保PLC工作環境

（1）溫度。PLC要求環境溫度在0—55攝氏度，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。爲了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對溼度應小於85%（無凝露）。

（3）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。

（4）震動。應使PLC遠離強烈的震動源，防止振動頻率爲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。

（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，可以安裝一臺帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾。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。因爲普通的整流濾波電源，由於紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。

7.2 控制系統設計中的干擾及其來源

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，對設備產生電磁輻射;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，分爲共模干擾和差模干擾。

(2)PLC系統中干擾的主要來源及途徑。

對於強電干擾，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在線路上感應電壓。尤其是電網內部的變化，刀開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態衝擊等，都通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。

來自信號線引入的干擾。與PLC控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑:一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，這往往被忽視;二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。由信號引入干擾會引起I/O信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。接地是提高電子設備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發出干擾;而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，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模擬電路的影響，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。一是變頻器啓動及運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，影響周邊設備的正常工作。

7.3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 一臺帶屏蔽層的變比爲1:1的隔離變壓器，以減少設備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。

(2)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，其一爲了安全，其二是爲了抑制干擾。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。

(3)對變頻器干擾的抑制。變頻器的干擾處理方法: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，還具有防止將設備本身的干擾傳導給電源，有些還兼有尖峯電壓吸收功能。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，影響其它設備正常工作。

8、結束語

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，在工業現場中自動控制問題中，可編程控制器(PLC)已成爲解決問題的最有效的工具之一，合理設計PLC控制系統，使之在自動控制中發揮最有效的功效。PLC控制系統中的干擾是一個十分複雜的問題，因此，在設計中，抗干擾問題有待解決，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。隨着PLC應用領域的不斷拓寬，如何高效可靠的設計和使用PLC，已經成爲其發展的重要因素。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，通過完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求，PLC作爲自動化控制網絡和國際通用網絡的重要組成部分，將在工業控制領域發揮越來越大的作用。