所属栏目：推荐论文发布时间：2011-06-13浏览量:204
论如何提高PLC的工作性能
1、 杨忠波2、 张雪梅
摘要：如今PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触器的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。本文就如何提高PLC控制系统的工作性能进行一番论述。
关键词：PLC、环境、外部设备、程序
前言：可编程序控制器是在程序控制器和微机控制器的基础上发展起来的微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。
一、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的性能
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。
1、工作环境的要求
除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0～55℃的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。在含有腐蚀性气体、 浓雾或粉尘的场合, 需将 PLC封闭安装。PLC应避免安装在有振动的场所；对有振动源在允许的条件下则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施, 避免有过度的振动和冲击。
2、电源的要求
不同的PLC产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。 对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求又较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%～30%的余量。对由控制器本身提供的直流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过电流造成设备的损坏。
3、接地和接线
（1）PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，采用专用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；绝对禁止采用共通接地方法。接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm2，接地电阻一般应小于10Ω。
（2）PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。
4、PLC 的输入设备
开关量输入信号, 常用的有按钮、 选择开关、 行程开关、 限位开关、 接触器或继电器的常开、 常闭触点等, 其器件质量的优劣、接线方式以及是否牢固可靠是影响控制系统可靠性的重要因素。器件触点接触要保持在良好状态, 接线要牢固可靠。设计时, 应尽量选用可靠性高的元器件。模拟量输入信号常用的有 4～20mA、0～20mA直流电流信号;0～5V、 0～10V直流电压信号。电源为直流 24V。
在布线时, PLC 的交流线与直流线应分开走线。 开关量与模拟量的输入 / 输出线也要分开敷设, 后者最好使用屏蔽线。此外 PLC 基本单元与扩展单元之间的传送信号易受干扰, 其传送电缆不能与别的线敷设在同一管道内。输入 / 输出线与系统动力线更要分开布线, 并保持一定距离。PLC 的开关量和模拟量输入信号, 由于噪声的干扰、 开关的误动作、 模拟信号误差等因素的影响, 会形成输入信号的错误, 严重时将引起程序判断失误, 造成误动作。 所以应选择可靠性高的电路设计,并在软件编程时采取措施来抑制错误信息, 提高系统的可靠性。
5、PLC 的输出电路
对于开关量输出来说, PLC 的输出有继电器输出、晶闸管输出、 晶体管输出 3 种形式, 具体选用哪种形式的输出,应根据负载要求来决定。选择不当会降低系统可靠性, 严重时可能导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载, 晶体管输出只能用于直流负载。此外, PLC 的输出端子带负载能力是有限的, 如果超过了规定的最大限值, 必须外接继电器或接触器, 才能正常工作。PLC 输出电流的额定值是与负载性质有关的。额定负载电流还与温度有关, 当工作环境温度高时, 额定负载电流相应减小。
6、PLC的电路示例：
1） 由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图1和图2所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样。我们假设输出断开为安全状态，那么图2的可靠性要比图1的高。这是因为SB1、SB2都有发生故障的可能，而最常见的现象是输入电路开路。当采用图2电路时，不论SB1、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都为安全状态，保证了系统的安全和可靠。
2） 在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二极管D（直流输入信号）。如图3所示：交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过实验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般选0.1μF+120Ω；负荷容量在10VA以上时，一般选0.47μF+47Ω较适宜。直流输入方式时，经试验得二极管的额定电流应选为1A，额定电压要大于电源电压的3倍。
3） 在输出端有感性负载时，通过试验得出：若是交流负载场合，应在负载的两端并接CR浪涌吸收器；如交流是100V、200V电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47μF+47Ω，如图4所示。CR愈靠近负载，其抗干扰效果愈好；若是直流负载场合，则在负载的两端并接续流二极管D，如图5所示。二极管也要靠近负载。二极管的反向耐压应是负载电压的4倍。
6、外围电路和执行器
PLC本身的可靠性很高, 故障率极低。而继电器、 接触器、 电磁阀等执行器件的故障率相对较高, 这些元件本身发生故障时,PLC 不会自动停机, 直到故障造成了后果时才会被发现, 对系统可靠性的影响很大。所以, 一方面必须选用高质量的元器件来提高可靠性, 另一方面, 要充分考虑到故障发生的可能性, 在电路设计和软件编程时对故障率较高的外围器件的工作状态进行反馈和检测, 当有故障发生时, 根据故障部位的重要性和对控制系统的影响, 及时采取给出报警信息、 自动停机等措施, 避免造成严重后果。同时, 变频器在近几年中已大量被采用, 变频器对模拟量信号的干扰十分严重, 在同一环境中使用时, 应对变频器单独接地,合理布线, 避免或减小干扰的影响, 提高系统控制的可靠性。
7、冗余设计和降级操作设计
1)对可靠性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也同时运行，两者输出的结果一致时，表示系统是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报信号，同时，根据自诊断的结果，切换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断检测出运行系统故障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通信系统，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。
2)降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。
3)由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。
4)在输入端有感性负荷时，为了防止反冲感应电势损坏模块，在负荷两端并接电容C和电阻R（交流输入信号），或并接续流二极管D（直流输入信号）。
二、从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的性能
从软件程序的编制方面来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也是有很大好处的。为了提高PLC控制系统工作的可靠性，可以专门设置一个定时器，作为监控程序部分，对系统的运行状态进行检测。若程序运行能正常结束，则该定时器就立即被清零；若程序运行发生故障，如出现死循环等，该定时器在设定的时间到就无法清零，此时PLC发出报警信号。
在设计应用程序时，使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控。如果用PLC来控制某一对象时，编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视：该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的最大时间；当启动该对象运行时，同时也启动该定时器。若该对象的运行程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常；否则，运行不正常，发出报警信号或停机信号。
3、结语
PLC控制系统的工作性能与多种因素有关，有些客观因素也干扰着控制系统的稳定性。通过设计正确的硬件线路，选择质量高的元器件，改善工作环境，编制监控程序等措施，可以使PLC控制系统的工作性能得到很大的提高。