摘要：介紹可編程控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用以及PLC在應用過(guò)程中，要保證正常運行應該注意的一系列問(wèn)題，并給出一些合理的建議。
關(guān)鍵詞： PLC 工業(yè)控制 抗干擾 布線(xiàn) 接地 建議
一、簡(jiǎn)述
多年來(lái)，可編程控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）從其產(chǎn)生到現在，實(shí)現了接線(xiàn)邏輯到存儲邏輯的飛躍；其功能從弱到強，實(shí)現了邏輯控制到數字控制的進(jìn)步；其應用領(lǐng)域從小到大，實(shí)現了單體設備簡(jiǎn)單控制到勝任運動(dòng)控制、過(guò)程控制及集散控制等各種任務(wù)的跨越。今天的PLC在處理模擬量、數字運算、人機接口和網(wǎng)絡(luò )的各方面能力都已大幅提高，成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設備，在各行各業(yè)發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越大的作用。
二、PLC的應用領(lǐng)域
目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車(chē)、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂(lè )等各個(gè)行業(yè)，使用情況主要分為如下幾類(lèi)：
1．開(kāi)關(guān)量邏輯控制
取代傳統的繼電器電路，實(shí)現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動(dòng)化流水線(xiàn)。如注塑機、印刷機、訂書(shū)機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線(xiàn)、電鍍流水線(xiàn)等。
2．工業(yè)過(guò)程控制
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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采用相應的A/D和D/A轉換模塊及各種各樣的控制算法程序來(lái)處理模擬量，完成閉環(huán)控制。PID調節是一般閉環(huán)控制系統中用得較多的一種調節方法。過(guò)程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場(chǎng)合有非常廣泛的應用。
3．運動(dòng)控制
PLC可以用于圓周運動(dòng)或直線(xiàn)運動(dòng)的控制。一般使用專(zhuān)用的運動(dòng)控制模塊，如可驅動(dòng)步進(jìn)電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場(chǎng)合。
4．數據處理
PLC具有數學(xué)運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。數據處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統。
5．通信及聯(lián)網(wǎng)
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著(zhù)工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，現在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
三、PLC的應用特點(diǎn)
1．可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，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(xiàn)及開(kāi)關(guān)接點(diǎn)已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現故障時(shí)可及時(shí)發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個(gè)系統將極高的可靠性。
2．配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了各種規模的系列化產(chǎn)品，可以用于各種規模的工業(yè)控制場(chǎng)合。除了邏輯處理功能以外，PLC大多具有完善的數據運算能力，可用于各種數字控制領(lǐng)域。多種多樣的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
3．易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎
PLC是面向工礦企業(yè)的工控設備。它接口容易，編程語(yǔ)言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語(yǔ)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、不懂計算機原理和匯編語(yǔ)言的人從事工業(yè)控制打開(kāi)了方便之門(mén)。
4．系統的設計，工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線(xiàn)邏輯，大大減少了控制設備外部的接線(xiàn)，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時(shí)日常維護也變得容易起來(lái)，更重要的是使同一設備經(jīng)過(guò)改變程序而改變生產(chǎn)過(guò)程成為可能。這特別適合多品種、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合。
四、PLC應用中需要注意的問(wèn)題
PLC是一種用于工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制的設備，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工業(yè)環(huán)境中使用。然而，盡管有如上所述的可靠性較高，抗干擾能力較強，但當生產(chǎn)環(huán)境過(guò)于惡劣，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(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會(huì )造成設備的失控和誤動(dòng)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(chǎn)廠(chǎng)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(wèn)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(wèn)題：
1．工作環(huán)境
（1）溫度
PLC要求環(huán)境溫度在0~55oC，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應足夠大。
（2）濕度
為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對濕度應小于85%（無(wú)凝露）。
（3）震動(dòng)
應使PLC遠離強烈的震動(dòng)源，防止振動(dòng)頻率為10~55Hz的頻繁或連續振動(dòng)。當使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，如采用減震膠等。
（4）空氣
避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。
（5）電源
PLC對于電源線(xiàn)帶來(lái)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(huán)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(shí)，應選用直流穩壓電源。因為普通的整流濾波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯誤信息。
2．控制系統中干擾及其來(lái)源
現場(chǎng)電磁干擾是PLC控制系統中最常見(jiàn)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(wèn)題所在，才能提出解決問(wèn)題的辦法。因此必須知道現場(chǎng)干擾的源頭。（1）干擾源及一般分類(lèi)
影響PLC控制系統的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場(chǎng)，對設備產(chǎn)生電磁輻射；磁場(chǎng)改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)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。共模干擾是信號對地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線(xiàn)上感應的共態(tài)（同方向）電壓疊加所形成。共模電壓通過(guò)不對稱(chēng)電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，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。差模干擾是指作用于信號兩極間的干擾電壓，主要由空間電磁場(chǎng)在信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，這種干擾疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。
（2）PLC系統中干擾的主要來(lái)源及途徑
強電干擾
PLC系統的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線(xiàn)路上感應電壓。尤其是電網(wǎng)內部的變化，刀開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸電線(xiàn)路傳到電源原邊。
柜內干擾
控制柜內的高壓電器，大的電感性負載，混亂的布線(xiàn)都容易對PLC造成一定程度的干擾。
來(lái)自信號線(xiàn)引入的干擾
與PLC控制系統連接的各類(lèi)信號傳輸線(xiàn)，除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外，總會(huì )有外部干擾信號侵入。此干擾主要有兩種途徑：一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視；二是信號線(xiàn)受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線(xiàn)上的外部感應干擾，這是很?chē)乐氐�。由信號引入干擾會(huì )引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時(shí)將引起元器件損傷。
來(lái)自接地系統混亂時(shí)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(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會(huì )引入嚴重的干擾信號，使PLC系統將無(wú)法正常工作。
來(lái)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(chǎn)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
一是變頻器啟動(dòng)及運行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生傳導干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量；二是變頻器的輸出會(huì )產(chǎn)生較強的電磁輻射干擾，影響周邊設備的正常工作。
3．主要抗干擾措施
（1）電源的合理處理，抑制電網(wǎng)引入的干擾
對于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺帶屏蔽層的變比為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。如圖1所示
（2）安裝與布線(xiàn)
● 動(dòng)力線(xiàn)、控制線(xiàn)以及PLC的電源線(xiàn)和I/O線(xiàn)應分別配線(xiàn)，隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙膠線(xiàn)連接。將PLC的IO線(xiàn)和大功率線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)，如必須在同一線(xiàn)槽內，分開(kāi)捆扎交流線(xiàn)、直流線(xiàn)，若條件允許，分槽走線(xiàn)最好，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。
● PLC應遠離強干擾源如電焊機、大功率硅整流裝置和大型動(dòng)力設備，不能與高壓電器安裝在同一個(gè)開(kāi)關(guān)柜內。在柜內PLC應遠離動(dòng)力線(xiàn)（二者之間距離應大于200mm）。與PLC裝在同一個(gè)柜子內的電感性負載，如功率較大的繼電器、接觸器的線(xiàn)圈，應并聯(lián)RC消弧電路。
● PLC的輸入與輸出最好分開(kāi)走線(xiàn)，開(kāi)關(guān)量與模擬量也要分開(kāi)敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線(xiàn)，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。
● 交流輸出線(xiàn)和直流輸出線(xiàn)不要用同一根電纜，輸出線(xiàn)應盡量遠離高壓線(xiàn)和動(dòng)力線(xiàn)，避免并行。
（3）I/O端的接線(xiàn)
輸入接線(xiàn)
● 輸入接線(xiàn)一般不要太長(cháng)。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線(xiàn)可適當長(cháng)些。
● 輸入/輸出線(xiàn)不能用同一根電纜，輸入/輸出線(xiàn)要分開(kāi)。
● 盡可能采用常開(kāi)觸點(diǎn)形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。
輸出連接
● 輸出端接線(xiàn)分為獨立輸出和公共輸出。在不同組中，可采用不同類(lèi)型和電壓等級的輸出電壓。但在同一組中的輸出只能用同一類(lèi)型、同一電壓等級的電源。
● 由于PLC的輸出元件被封裝在印制電路板上，并且連接至端子板，若將連接輸出元件的負載短路，將燒毀印制電路板。
● 采用繼電器輸出時(shí)，所承受的電感性負載的大小，會(huì )影響到繼電器的使用壽命，因此，使用電感性負載時(shí)應合理選擇，或加隔離繼電器。
● PLC的輸出負載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續流管保護，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護。
（4）正確選擇接地點(diǎn)，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(fā)生的電壓沖擊危害。接地的目的通常有兩個(gè)，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(xiàn)包括系統地、屏蔽地、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(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統正常工作。例如電纜屏蔽層必須一點(diǎn)接地，如果電纜屏蔽層兩端A、B都接地，就存在地電位差，有電流流過(guò)屏蔽層，當發(fā)生異常狀態(tài)如雷擊時(shí)，地線(xiàn)電流將更大。
此外，屏蔽層、接地線(xiàn)和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場(chǎng)的作用下，屏蔽層內又會(huì )出現感應電流，通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)之間的耦合，干擾信號回路。若系統地與其它接地處理混亂，所產(chǎn)生的地環(huán)流就可能在地線(xiàn)上產(chǎn)生不等電位分布，影響PLC內邏輯電路和模擬電路的正常工作。PLC工作的邏輯電壓干擾容限較低，邏輯地電位的分布干擾容易影響PLC的邏輯運算和數據存貯，造成數據混亂、程序跑飛或死機。模擬地電位的分布將導致測量精度下降，引起對信號測控的嚴重失真和誤動(dòng)作。
● 安全地或電源接地
將電源線(xiàn)接地端和柜體連線(xiàn)接地為安全接地。如電源漏電或柜體帶電，可從安全接地導入地下，不會(huì )對人造成傷害。
● 系統接地
PLC控制器為了與所控的各個(gè)設備同電位而接地，叫系統接地。接地電阻值不得大于4Ω，一般需將PLC設備系統地和控制柜內開(kāi)關(guān)電源負端接在一起，作為控制系統地。
● 信號與屏蔽接地
一般要求信號線(xiàn)必須要有唯一的參考地，屏蔽電纜遇到有可能產(chǎn)生傳導干擾的場(chǎng)合，也要在就地或者控制室唯一接地，防止形成“地環(huán)路”。信號源接地時(shí)，屏蔽層應在信號側接地；不接地時(shí)，應在PLC側接地；信號線(xiàn)中間有接頭時(shí)，屏蔽層應牢固連接并進(jìn)行絕緣處理，一定要避免多點(diǎn)接地；多個(gè)測點(diǎn)信號的屏蔽雙絞線(xiàn)與多芯對絞總屏蔽電纜連接時(shí)，各屏蔽層應相互連接好，并經(jīng)絕緣處理，選擇適當的接地處單點(diǎn)接點(diǎn)。
（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(lái)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，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。
使用輸出電抗器，在變頻器到電動(dòng)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(guò)程中線(xiàn)路產(chǎn)生電磁輻射，影響其它設備正常工作。
五、結束語(yǔ)
PLC控制系統中的干擾是一個(gè)十分復雜的問(wèn)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(zhù)PLC應用領(lǐng)域的不斷拓寬，如何高效可靠的使用PLC也成為其發(fā)展的重要因素。21世紀，PLC會(huì )有更大的發(fā)展，產(chǎn)品的品種會(huì )更豐富、規格更齊全，通過(guò)完美的人機界面、完備的通信設備會(huì )更好地適應各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求，PLC作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )和國際通用網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分，將在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
