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1、第10章 PLC控制系统设计步骤与抗干扰,10.1 被控系统的工艺要求和基本工作流程10.2 控制方案的确定 10.3 PLC的输入/输出连接 10.4 PLC控制系统的测试 10.5 提高系统可靠性的措施 10.6 控制系统的抗干扰措施,10.1 被控系统的工艺要求和基本工作流程,在进行PLC控制系统设计之前，必须详细了解被控对象的工艺过程和控制要求，明确输入/输出的物理量是模拟量还是开关量；弄清整个工艺过程各个环节的相互联系及特点；注意哪些量需要监控、报警和显示；是否需要故障诊断；需要哪些保护措施等。,了解被控对象的工艺要求和工作流程主要包括：(1)各控制对象的驱动要求，例如驱动电压(电流
2、)、驱动时间等。(2)各控制对象的动作顺序、相互之间的约束关系等，此项最好采用流程图表示。(3)所有控制参数的确定，如模拟量的精度要求、开关量的点数等。,10.2 控制方案的确定,10.2.1 PLC机型选择 1系统类型 1)单机控制的小系统 这种系统一般使用一台可编程序控制器就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能，如对原有系统的改造、完善或改进原设备的某方面功能等。这种系统没有可编程序控制器间的通信问题，但有时功能要求全面，容量要求变化大，有些还要与原系统设备的其他机器连接。,2)慢过程大系统 慢过程大系统适用于对运行速度要求不高但设备间有联锁关系，设备距离远，控制动
3、作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号的控制。有的设备本身对运行速度要求高，但对部分子系统要求并不高，如大型热连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和控制系统供油、供风系统等。这一类型的对象，一般不选用大型机，因为它编程、调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大，一般都采用多台中、小机型和低速网相连接。现代生产的控制器多为插件式模板结构，它的价格是由输入/输出板数和智能模板数的多少决定的。同一种机型的输入/输出点数少，则价格便宜，反之则贵，所以一般使用网络相连后就不必再选大型机了。,3)实时控制快速系统 随着可编程序控制器在工业领域应用的不断扩大，在中、小型的快速系统中，可编程序控制器不仅
4、能完成逻辑控制和主令控制，而且已逐步进入了设备控制级，如高速线材，中、低速热连轧等速度控制系统。在这样的系统中，即使选用输入/输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型可编程控制器，也难以满足控制要求。如果用多台可编程控制器，则有相互间信息交换与系统响应要求快的矛盾。采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求，但高速网一般价格都很贵，适用于有大量信息交换的系统。对信息交换速度要求高，但交换的信息又不太多的系统，可以用可编程控制器的输出端口与另一台可编程控制器的输入端口硬件互连，通过输入/输出直接传送信息，这样传送速度快而且可靠。当然传送的信息不能太多，否则将占用过多的输入/输出点。,2输入
5、/输出点 盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15%20%留出备用量(为系统的改造等留有余地)后确定所需PLC的点数。一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60%。PLC每个输出点的驱动能力也是有限的，有的PLC每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异。一般情况下，PLC的允许输出电流是随环境温度的升高而有所降低的，在选择PLC机型时要考虑这些问题。PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格较高。
6、如果输出信号之间不需要隔离，则应选择共点式、分组式输出方式。,3存储容量 对用户存储容量只能做粗略的估算。根据经验公式，在仅对开关量进行控制的系统，内存字数与输入/输出总点数的关系如下：内存字数=输入/输出总点数10 在只有模拟量输入的系统中，当然首先是对模拟量进行读入和数字滤波。数据进入机器后，一般只有传送与比较一类的运算，因此内存占用量相对较少。当模拟量输入/输出同时存在时，除上述数据处理内容外，一般还要进行一些较为复杂的运算。这时多数情况是闭环控制，内存需求量相对要大些。为此，在估算内存需求量时，常把这两种情况区分开来。常用的经验参考计算公式为：,只有模拟量输入时：内存字数=模拟量路数1
7、20 在模拟量输入/输出同时存在时：内存字数=模拟量路数250 上述路数一般是以十路模拟量为标准考虑的。当路数小于十路时所需内存量要大点，反之则小一些。最后，一般按估算容量的50%100%留有裕量，对缺乏经验的设计者，选择容量时留有的裕量要大些。,4I/O响应时间 PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟(一般在23个扫描周期)等。对开关量控制的系统，PLC的I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统，就要考虑这个问题。,5输出负载的特点 不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频
8、繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型，而不应选用继电器输出型。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活(可交流、可直流)且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。,6连网通信 若PLC控制系统需要连入工厂自动化网络，则PLC需要有通信连网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。7PLC的结构形式 在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式PLC比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，
9、维修方便(换模块)，容易判断故障等优点。因此应按实际需要选择PLC的结构形式。,10.2.2 输入/输出点数的简化,1输入点数的简化 1)利用操作开关并联连接方式 多点控制电动机启动、停止的继电器控制电路如图10-1(a)所示。如果PLC输入/输出点数足够，可按图10-1(b)进行接线。这种接线的优点是比较容易和直观地判断外部输入故障，缺点是占用PLC输入点数多。因为停止按钮SB1、SB2、SB3和热继电器触点FR均具有使电动机停转的功能，启动按钮SB4、SB5和SB6具有相同的启动电动机功能，所以可按图10-1(d)所示的简化方法接线，即将具有相同控制功能的操作开关并联连接。显然这种接线方式
10、与图10-1(b)所示的接线方式相比，不仅少占用5个PLC输入点数，而且梯形图简化了，程序也简短了。图10-1(c)是未简化的梯形图；图10-1(e)是简化的梯形图。,2)利用分组控制方式 例如当系统有手动、自动两种控制方式时，每种各有N个输入信号，那么就要占用2N个输入点。但若利用分组控制方式，则2N个输入信号只需占用N个输入点。图10-2是分组控制的示例。在图10-2中，开关SA有1、2两个工作位，PLC的00000输入点作为控制点使用。当SA合在2号位(手动)时00000被接通，这时00001点输入的是SB1的信息；当SA合在1号位(自动)时，00000输入点OFF，00001点输入的是
11、KA1的信息。可见，同一个输入点00001，在00000不同状态下输入了不同的内容。这个例子说明，采用分组控制法相当于使PLC的输入点扩大约2倍。,图10-1 多点控制电动机启动、停止控制电路(a)继电器控制电路；(b)未简化的PLC连接图；(c)未简化的梯形图；(d)简化的PLC连接图；(e)简化的梯形图,图10-2 分组控制示例,3)利用单按钮控制启动和停止 PLC内部器件的数量一般远超过用户编程的需求。通过合理编程，充分利用PLC的内部器件，也可以达到节约输入点的目的。图10-3是用一个按钮控制一台电动机启动、停止的两种方案。PLC外部只接一个按钮，对应输入点为00000，电动机通过输出
12、节点01000控制。图10-3(a)利用KEEP指令编程，当第一次按下按钮00000时，20000为ON，电动机启动；当第二次按下按钮00000时，由于20000已经为ON，因此出现KEEP的置位和复位端均为ON的情况。由于复位优先，因此20000复位，电动机停止运行。,图10-3 利用单按钮控制启动和停止(a)单按钮控制启动、停止方案一；(b)单按钮控制启动、停止方案二,通过编程，也可以利用移位寄存器和计数器等指令，编写出用一个按钮启动、停止一台电动机的控制程序。另外，利用一个输入点的不同状态作为跳转或分支指令的启动条件，控制两段程序的执行，也可以达到使输入点数简化的目的。总之，通过合理编程
13、，用PLC内部器件代替外部电器，也是使输入点数简化的重要途径。,2输出点数的简化 1)部分电器可不接入PLC 对控制逻辑简单、不参与系统过程循环、运行时与系统各环节不发生动作联系的电器，可不纳入PLC控制系统，因此就不占用输出点。例如，一些机床设备的油泵电动机或通风机的电动机等就属于这一类电器。,2)部分输出电器并联使用 如图10-4所示，对于几个通、断状态完全相同的负载，如输出负载与状态指示灯等，在PLC输出点的电流限额允许的情况下，可以并联在同一个输出端子上，从而可少占用输出点。采用这种方法的条件是指示灯和负载的电压必须一致。若PLC的输出点不允许其并联连接，可用PLC外部的一个继电器对这
14、两个负载进行控制。,图10-4 输出负载与状态指示灯并联,3)利用接触器辅助触点 许多控制系统，尤其是在中、大功率系统中，通常都含有接触器。必要时可考虑用接触器的辅助触点进行电气联锁或控制指示灯等，这样可少用PLC输出点。4)用数字显示器代替指示灯 如果工作状态的指示灯或程序步比较多，推荐用数字显示代替指示灯，也可节省PLC输出点数。例如，16步程序需要16点输出驱动指示灯，如果使用BCD码的数字显示，只需8点输出驱动两行数字显示器即可。两行数字显示器可显示0099，即100个状态。具体用法可参考有关资料。,5)多种故障显示或报警并联连接 有些系统可能有多种故障显示或报警，例如设有过压、过载、
15、超速、越位、失磁、断相等显示或报警。只要条件允许，可把部分或全部显示或报警电路并联连接，用一个或少用几个输出继电器驱动，这也可减少对PLC输出点数的占用。减少PLC输入/输出点数的方法是多样的，使用者应从实际出发，选用或设计切实有效的方案。,10.2.3 输入/输出的定义 PLC机型选定后，应根据具体控制方案进行控制系统的软件框图设计。这时，有必要对系统的输入/输出进行定义。前面已经谈到过建立系统I/O分配表，但对于系统I/O量较多，利用模块式PLC构成的控制系统来说，则有必要对输入/输出进行更明确的定义，以便于系统的程序编制、系统调试以及系统打印等。,所谓输入/输出的定义，主要是指整体输入/
16、输出点的分布和每个输入/输出点的名称定义。假设一台可编程控制器需完成多个功能，若把输入/输出点按顺序排列，则会给编写程序与调试程序带来不便。在这种情况下，最好是按控制功能把输入/输出点分段。特别是当采用模块式结构时，将相同功能的输入板和输出板组成一组，这样在进行程序编制时不容易产生混淆。另外，在系统I/O分配表中对I/O信号的名称定义要明确、简短、合理，信号的有效状态要明确。例如，逻辑变量有“0”和“1”两个值，同时也会出现上升沿或下降沿有效的情况。所以，在I/O分配表中说明信号的有效状态，对系统程序的编制会有更明确的作用。典型I/O分配表如表10-1所示。,表10-1 I/O分配表,10.2
17、.4 系统控制软件的设计 系统控制软件的设计是系统设计中工作量最大的工作，其中主要包括：(1)存储器(包括RAM和ROM)空间的分配，它与逻辑量的输入/输出点数、模拟量的输入/输出点数、内存利用率、程序编制者的编程水平有关；(2)专用寄存器的确定；(3)系统初始化程序的设计；(4)各功能块子程序的编制；(5)主程序的编制及调试；(6)故障应急措施；(7)其他辅助程序的设计。,10.3 PLC的输入/输出连接,1PLC与输入设备的连接 常见的PLC输入设备和输出设备有按钮、限位开关、转换开关、接近开关、拨码器、各种传感器、继电器、接触器、电磁阀等。正确地连接输入/输出电路，是保证PLC安全可靠工
18、作的前提。图10-5是以CPM1A-40CDR为例，说明PLC与输入设备接线方法的示意图。图中只画出了000通道的部分输入点与按钮的连接，001通道的接线方法与其相似。电源U可接在主机24 V直流电源的正极，COM接电源的负极。,图10-5 PLC与输入设备的接法示意图,2PLC与输出设备的连接(1)具有相同公共端的一组输出点，其电压类型、等级相同，但与其他组输出点的电压可以不同。连接时应根据负载电压的类型和等级来决定是否分组连接。图10-6是以CPM1A-40CDR为例，说明PLC与输出设备的连接方法。图中只画出了010通道的输出点与负载的连接，011通道的连接方法与之相似。图10-6所示接
19、法是负载具有相同电压的情况，所以各组的公共端连在一起，否则要分组连接。(2)输入和输出的COM端不能接在一起。,(3)PLC的晶体管和晶闸管型输出设备有较大的漏电流，尤其是晶闸管输出设备，当接上负载时可能出现输出设备的误动作，所以要在负载两端并联一个旁路电阻。旁路电阻R的阻值可由式(10-1)确定：,(k),(10-1),式中：UON负载的开启电压(V)；I输出漏电流(mA)。,图10-6 PLC与输出设备的连接示意图,3PLC电源的连接 PLC的电源包括CPU单元及I/O扩展单元的电源、输入设备及输出设备的电源。输入/输出设备、CPU单元及I/O扩展单元最好分别采用独立的电源供电。图10-7
20、是CPU单元、I/O扩展单元及输入/输出设备电源的接线示意图。,图10-7 PLC各种电源连接示意图,10.4 PLC控制系统的测试,1程序测试的定义 软件理论已经证明：任何一个程序(除某些短小的子程序外)都存在错误。人们可以通过合理的测试来证明它仍然存在错误，但无法证明它已经没有错误了。因此，程序测试的目的就是尽可能地找出程序中的错误，即“程序测试是为了发现错误而执行程序的过程”。应该把发现错误作为测试的目的，而不能把“调通”作为目的。只有这样才能使程序中的隐患和错误得到改正，使程序的质量得到提高。,正确结束程序测试的标准尚无统一定论，一般常采用如下几种：(1)如果采用了按某种法则制定的测试
21、计划，执行了计划中的全部测试，结果没有找出新的错误，那么就可以结束测试。这个标准不一定很好。因为尚无一种测试法可以查出程序中的全部错误。最好是综合若干种法则来测试，查错效果才有保障。(2)规定查错指标，例如“必须查出50个错误才算结束”。这个标准有比较积极的因素，能促使人们千方百计地去进行查错，但指标的规定是一件很困难的事情，定得太高可能永远结束不了测试。如果指标定得太低，则使程序的最终质量不高。合适的指标多数情况下是根据经验估算出来的，这与程序的规模、程序结构的复杂程度以及编程者的水平有关。较为妥当的测试结束标准是上述两种标准的某种结合。,2程序测试的方法 程序测试的基本原理是：设计若干个测
22、试方案，每个测试方案在执行中都会使程序按各自不同的方式来运行。当某种运行方式刚好触发某个隐含的错误时，该错误便被激发，对程序的后续运行产生影响，并以某种形式在结果中体现出来，从而被测试者发现。在设计测试方案时，如果方案的制定要考虑程序内部的情况，即把盒子打开，就称为白盒测试法；如果方案不考虑程序内部结构，把整个程序看成一个黑盒子，仅从程序任务书或程序规范出发来设计测试方案，这种测试方法称为黑盒测试方法。,1)白盒测试法 利用白盒测试法进行系统程序测试时，程序流程图和程序清单都是制定方案的依据，通过对程序流程图和清单的分析，设计出若干组测试方案，基本思想是“搜索”错误，利用程序流程图和程序清单来
23、制定出各种“搜索”方案，使得程序中每个判断的各个条件及各种可能的组合至少出现一次，力图通过执行到有错误的语句(指令)来暴露错误。白盒测试法的特点是比较擅长发现逻辑错误，容易遗漏非逻辑错误。,2)黑盒测试法 黑盒测试法完全不考虑程序内部逻辑结构，只从设计规范出发来设计测试方案。黑盒测试法同样需要设计出多个测试方案，组合一切可能输入的条件，包括条件的所有边界值(边缘值、稍大于边缘值和稍小于边缘值)进行测试方案的设计。,3)模块测试法 不管利用白盒法还是黑盒法，随着程序规模的增大，测试方案数将迅速上升，直到成为人们无法承受的天文数字。于是人们采用了一个策略：分而治之。先将一个程序分解成若干个模块，分
24、别测试各个模块，然后逐渐将各个模块连接起来测试，最后连接成一个整体。当各个模块进行了比较“彻底”的测试后，在进行模块联合测试时，就可以不再注意模块内部的问题了，而只需集中精力测试各模块之间的接口关系即可。模块测试相对于整体测试不仅容易进行，而且容易对错误进行准确定位，同时还可以通过对每个模块并行测试来加快整个测试进程。在进行模块测试时，可以采用自顶向下模块测试，也可以采用自下向上模块测试。,10.5 提高系统可靠性的措施,10.5.1 系统运行环境 由于PLC直接用于工业控制，因此其生产厂家都把它设计成能在恶劣条件下可靠工作的器件。尽管如此，每种PLC都有对应的环境条件，在选用时，特别是设计控
25、制系统时，必须对环境条件给予充分的考虑。一般情况下，可编程序控制器及其外部电路，例如I/O模块、辅助电源等都能在下列环境条件下可靠地工作：温度：工作温度为055，最高为60；保存温度为-20+80。,湿度：相对湿度为5%95%(无凝结霜)。振动和冲击：满足国际电工委员会标准。电源：220 V交流电源，允许在-15%+15%之间变化，频率4752 Hz，瞬间停电保持10 ms。环境：周围环境不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体。,1温度条件 可编程序控制器及其外部电路都是由半导体集成电路(IC)、晶体管和电阻电容等器件构成的，温度的变化将直接影响这些元器件的可靠性和寿命。温度高时容易产生下列问题：
26、IC、晶体管等半导体器件性能恶化，故障率增加，寿命降低；电容器件漏电流增大；模拟回路的漂移增大，精度降低等。如果温度偏低，模拟回路除精度降低外，回路的安全系数也变小，超低温时可能引起控制系统动作不正常。特别是温度的急剧变化，由于电子器件热胀冷缩，更容易引起电子器件性能的恶化和温度特性变坏。,1)超高温时应采取的对策 根据上述的温度情况，必须采取相应对策。如果控制系统的极限温度超过规定温度(55)，则必须采取下面的有效措施，迫使环境温度低于极限值：(1)盘、柜内设置风扇或冷风机，把自然风引入盘、柜内。使用冷风机时注意不能结露。(2)把控制系统置于有空调的控制室内，不能直接放在阳光下。(3)PLC
27、的安装要考虑通风，控制器的上、下、左、右、前、后都要留有约50 mm的空间距离，I/O模块配线时要使用导线槽，以免妨碍通风。(4)安装时要使PLC远离如电阻器或交流接触器等发热体，或者把PLC安装在发热体的下面。,2)超低温时应采取的对策 当环境温度过低时，可采用如下对策：(1)盘、柜内设置加热器，冬季时这种加热特别有效，可使盘、柜内温度保持在0以上，或者在10左右。设置加热器时要选择适当的温度传感器，以保证能在高温时自动切断加热器电源，低温时自动接通电源。(2)停运时，不切断PLC和I/O模块的电源，靠其本身的发热量维持其温度，特别对于夜间低温，这种措施是有效的。(3)温度有急剧变化的场合，
28、不要打开盘、柜的门，以防冷空气进入。,2湿度条件 在湿度大的环境中，水分容易通过模块上IC的金属表面的缺陷浸入内部，引起内部元件性能的恶化，印制电路板可能由于高压或高浪涌电压而引起短路。在极干燥的环境下，绝缘物体上可能带静电，特别是MOS集成电路，其输入阻抗高，可能由于静电感应而损坏。在PLC不运行时，由于湿度有急剧变化而可能引起结露。结露后会使绝缘电阻大大降低，且由于高压泄漏，可使金属表面生锈。特别是交流220 V、110 V的输入/输出模块，由于绝缘性能的恶化可能产生预料不到的事故。,对于上述湿度环境应采用如下对策：(1)盘、柜设计成封闭型，并放置吸湿剂。(2)把外部干燥的空气引入盘、柜内
29、。(3)印制电路板上再覆盖一层保护层，如喷松香水等。(4)在温度低且极干燥的场合进行检修时，人体应尽量不接触集成电路块和电子元件，以防感应电压损坏器件。,3振动和冲击环境 一般的可编程序控制器能承受的振动和冲击的频率为1050 Hz，振幅为0.5 mm，加速度为2 g，冲击为10 g(g=10 m/s2)。超过这个极限时，可能会引起电磁阀或断路器误动作，机械结构松动、电气部件疲劳损坏以及连接器的接触不良等后果。,防振和防冲击的措施如下：(1)如果振动源来自盘、柜之外，可对相应的盘、柜采用防振橡皮，以达到减振的目的，亦可把盘、柜设置在远离振源的地方；(2)如果振动来自盘、柜内，则要把产生振动和冲
30、击的设备从盘、柜内移走，或者单独设置盘、柜。(3)紧固PLC或I/O模块的印制板、连接器等可产生松动的部件或器件，连接线亦要固定紧。,4周围环境的污染 周围空气中不能混有尘埃、导电性粉末、腐蚀性气体、水分、油分、油雾、有机溶剂等。否则会引起下列不良现象：尘埃可引起接触不良，或阻塞过滤器的网眼，使盘内温度上升；导电性粉末可引起系统误动作，使绝缘性能变差和短路等；油和油雾可能引起PLC节点接触不良，并能腐蚀塑料；腐蚀性气体和盐分会引起印制电路板或引线的腐蚀，造成开关或继电器类的可动部件接触不良。,如果周围空气不洁，可采取下面相应措施：(1)盘、柜采用密封型结构。(2)盘、柜内打入高压清洁空气，使外
31、界不清洁空气不能进入盘、柜内部。(3)印刷电路板表面涂一层保护层，如松香水等。上述各种措施都不能保证在任何情况下绝对有效，有时需要根据具体情况具体分析，采用综合防护措施。,10.5.2 控制系统的冗余 使用PLC构成控制系统时，虽然其可靠性或安全性高，但无论使用什么样的设备，故障总是难免的。特别是当可编程序控制器对于用户是一个“黑盒子”时，一旦出现故障，用户一点办法也没有。因此，在控制系统设计中必须充分考虑系统的可靠性和安全性。为了保证控制系统的可靠性，除了选用可靠性高的可编程序控制器，并使其在允许的条件下工作外，控制系统的冗余设计是提高控制系统可靠性的有效措施。,1环境条件留有余量 改善环境
32、条件，其目的在于使可编程序控制器工作在合适的环境中，且使环境条件有一定的富裕量。最好留有三分之一的余量。,2控制器的并列运行 输入/输出分别连接两台内容完全相同的可编程序控制器，实现复用。当某一台出现故障时，可切换到另一台继续运行，从而保证整个系统运行的可靠性。必须指出的是，可编程序控制器并列运行方案仅适用于输入/输出点数比较少、布线容易的小规模控制系统。对于大规模的控制系统，由于输入/输出点数多、电缆配线复杂，同时控制系统成本相应增加，而且几乎是成倍增加，因而限制了它的应用。,3双机双工热后备控制系统 双机双工热后备控制系统的冗余设计仅限于PLC的冗余。I/O通道仅能做到同轴电缆的冗余，不可
33、能把所有I/O点都冗余，只有在那些不惜成本的场合才考虑全部系统冗余。,4与继电器控制盘并用 在老系统改造的场合，原有的继电器控制盘最好不要拆除，应保留其原有的功能，以作为控制系统的后备手段使用。对于新建项目，就不必采用此方案。因为小规模控制系统中的PLC造价可做到同继电器控制盘相当，因此以采用PLC并列运行方案为好。对于中、大规模的控制系统，由于继电器控制盘比较复杂，电缆线和工时费都比较高，因此采用可编程序控制器是较好的方案，这时最好采用双机双工热后备控制系统。,10.5.3 控制系统的供电 1设计供电系统时应考虑的因素 供电系统的设计直接影响控制系统的可靠性，因此在设计供电系统时应考虑下列因
34、素：(1)输入电源电压在一定的允许范围内变化。(2)当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据。(3)在控制系统不允许断电的场合，要考虑供电电源的冗余。(4)当外部设备电源断电时，应不影响控制器的供电。(5)要考虑电源系统的抗干扰措施。,2常用供电系统方案 根据上述考虑，使用如下几种常用的供电方案来提高可编程控制器控制系统的可靠性是有效的。1)使用隔离变压器供电 图10-8所示为使用隔离变压器的供电系统示意图，控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主回路电源分开。这样当输入/输出供电中断时，不会影响可编程控制器的供电。,图10-8 使用隔离变压器的供电系统示意图,2)使用UPS供
35、电 不间断电源UPS是电子计算机的有效保护装置。平时它处于充电状态，当输入交流电源(220 V)失电时，UPS能自动切换到输出状态，继续向系统供电。图10-9是使用UPS的供电示意图。根据UPS的容量，在交流失电后可继续向PLC供电1030 min；对于非长时间停电的系统，其效果是显著的。,图10-9 使用UPS的供电示意图,3)使用双路供电 为了提高供电系统的可靠性，交流供电最好采用双路电源分别引自不同的变电所的方式。当一路供电出现故障时，能自动切换到另一路供电。图10-10为双路供电系统的示意图。RAA为欠电压继电器控制电路。假设先合上AA开关，令A路供电，由于B路中的RAA处于断开状态，
36、继电器RAB处于失电状态，因此其常开触点RAB闭合，完成A路供电控制。然后合上BB开关，这样B路处于备用状态。当A路电压降低到规定值时，欠电压继电器动作，其常开触点RAA闭合，使B路开始供电，同时RAB触点断开。由B路切换到A路供电的原理与此相同。,图10-10 双路供电系统示意图,10.6 控制系统的抗干扰措施,10.6.1 抗电源干扰 1使用隔离变压器 使用隔离变压器将屏蔽层良好接地，对抑制电网中的干扰信号有良好的效果。如果没有隔离变压器，不妨使用普通变压器。为了改善隔离变压器的抗干扰效果，必须注意两点：(1)屏蔽层要良好接地；(2)二次侧连接线使用双绞线，这样能减少电源线间干扰。,2使用
37、滤波器 使用滤波器代替隔离变压器，在一定的频率范围内有一定的抗电网干扰作用，但要选择好滤波器的频率范围是困难的。为此，惯用的方法是既使用滤波器，又使用隔离变压器。连接方法如图10-11所示。但必须注意，使用时应把滤波器接入电源，然后再用隔离变压器。,图10-11 滤波器和隔离变压器同时使用,3远离高压电器和高压电源线 PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个电器柜中。PLC与高压电器或高压电源线之间至少应有200 mm的距离。,10.6.2 控制系统接地 1接地的意义(1)PLC、控制盘、柜与大地之间存在着电位差，良好的接地可以减少由电位差引起的干扰电流。(2)混
38、入电源和输入/输出信号的干扰，可以通过良好的接地引入大地，从而减少干扰的影响。(3)良好的接地可以防止由漏电流产生的感应电压。,2接地的方法 为了抑制干扰，PLC应设有独立的、良好的接地装置，如图10-12(a)所示。接地电阻要小于100，接地线的截面积应大于2 mm2。PLC应尽量靠近接地点，其接地线不能超过20 m。PLC不要与其他设备共用一个接地体，像图10-12(b)那样PLC与别的设备共用接地体的接法是不允许的。接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交；应尽量缩短平行走线长度。,图10-12 PLC的接地(a)正确的接地方式；(b)错误的接地方式,PLC主机面板
39、上有一个噪声滤波的中性端子(有的PLC标LG)，通常不要求它接地，但是当电气干扰严重时，这个端子必须与保护接地端子(有的PLC标GR)短接在一起之后接地。CPU单元必须接地。若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100。其接线如图10-13所示。CPM1A的噪声滤波的中性端子符号是：，接地端子符号是：。,图10-13 各种单元的接地,10.6.3 防I/O信号干扰 1I/O模块的定性分析(1)绝缘的输入/输出信号和内部回路比非绝缘的抗干扰性能好。(2)双向晶闸管和晶体管型的无触点输出比有触点输出在控制器侧产生的干扰小。(3
40、)输入模块允许的输入信号ON-OFF电压差大，抗干扰性能好；OFF电压高，对抗感应电压是有利的。(4)输入信号响应时间慢的输入模块抗干扰性能好。,2选择I/O模块应考虑的因素 从抗干扰的角度考虑，选择I/O模块要考虑下列因素：(1)干扰多的场合，使用绝缘型的I/O模块。(2)安装在控制对象侧的I/O模块要使用绝缘型模块。(3)无外界干扰的场合，可使用非绝缘型无触点输出的I/O模块。,3防止输入信号的干扰 1)防反冲击感应电势 如图10-14所示，在输入端有感性负荷时，为了防止反冲击感应电动势，在负荷两端并接电容C和电阻R(为交流输入信号时)，或并接续流二极管(为直流输入信号时)。交流输入方式时
41、，C、R的选择要适当，才能起到较好的效果。一般参考值为：负荷容量在10 VA以下时选用0.1 F120；负荷容量在10 VA以上时选用0.47 F47 比较适宜。如果与输入信号并接的感性负荷较大，则使用继电器中转效果更好。,图10-14 与输入信号并接感性负荷时(a)交流输入；(b)直流输入,2)防感应电压的措施(1)如果可能的话，在感应电压大的场合，改交流输入为直流输入。(2)在输入端并接浪涌吸收器。(3)在长距离配线和大电流场合，若感应电压大，则可用继电器转换。,4防止输出信号的干扰 1)输出信号干扰的产生 在感性负载下，输出信号由OFF变成ON时产生突变电流，感性负载产生反向感应电势，交
42、流接触器的节点等产生电弧，所有这些都可能产生干扰。,2)防止干扰的措施(1)要注意PLC与感性负载的连接方法。若是直流负载，则要与该负载并联二极管，如图10-15(a)所示。并联的二极管可选1 A的管子，其耐压要大于负载电源电压的3倍。接线时要注意二极管的极性。若是交流负载，要与负载并联C、R浪涌吸收电路，如图10-15(b)所示。浪涌吸收电路的电阻可取51120，电容可取0.10.47 F，电容的耐压要大于电源的峰值电压。,图10-15 感性负载的连接(a)直流感性负载；(b)交流感性负载,(2)在PLC触点(开关量)输出的场合，不管PLC本身有无抗干扰措施，都要采取图10-15(a)(直流
43、负载)和图10-15(b)(交流负载)所示的抗干扰对策。(3)在开、关时产生干扰较大的场合，交流负载可使用双向晶闸管输出模块。(4)交流接触器的触点在开闭时产生电弧干扰，可在触点两端连接C、R浪涌吸收器，效果较好，如图10-16中的A所示。要注意的是触点断开时，通过C、R浪涌吸收器会有一定的漏电流产生。电动机或变压器开关干扰时，可在线间采用C、R浪涌吸收器，如图10-16中的B所示。,图10-16 防大容量负载干扰对策,10.6.4 防外部配线干扰 为防止或减少外部配线的干扰，采取下列措施是非常有效的：(1)交流输入/输出信号与直流输入/输出信号分别使用各自的电缆。(2)对于30m以上的长距离
44、配线，输入信号线与输出信号线应分别使用各自的电缆。(3)集成电路或晶体管设备的输入/输出信号线必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆的处理如图10-17所示，即在输入/输出侧悬空，而在控制器侧接地。,图10-17 屏蔽电缆的处理,(4)PLC的接地线与电源线或动力线分开。(5)输入/输出信号线与高电压、大电流的动力线分开配线。图10-18所示为利用悬挂式电缆槽配线的实例。(6)若远距离配线存在干扰或敷设电缆有困难或费用较大时，则采用远程I/O的控制系统有利。,图10-18 利用悬挂式电缆槽配线,(7)配线距离要求：对于30 m以下的短距离配线，直流和交流输入/输出信号线不要使用同一电缆；在不得不使用同一配线管时，直流输入/输出信号线要使用屏蔽线。对于30300 m的中距离配线，不管是直流还是交流，输入/输出信号线都不能使用同一根电缆，输入信号线一定要用屏蔽线。对于300 m以上的长距离配线，建议用中间继电器转换信号，或使用远程I/O通道。,
