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怎样才能更好解决PLC控制系统应用抗干扰问题?

随着科学技术的发展,PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。


自动化系统中所使用的各种类型PLC,有的是集中安装在控制室,有的是安装在生产现场和各电机设备上,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性,设计人员只有预先了解各种干扰才能有效保证系统可靠运行。


1.电磁干扰源及对系统的干扰是什么?

影响PLC控制系统的干扰源于一般影响工业控制设备的干扰源一样,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源,即干扰源。


干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中:按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,分为持续噪声、偶发噪声等;按声音干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。


共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地面的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压送加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的电器供电室,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。


共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指用于信号两极间得干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种让直接叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。


2.PLC控制系统中电磁干扰的主要来源有哪些呢?


(1)来自空间的辐射干扰

空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的,通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。


若PLC系统置于所射频场内,就回收到辐射干扰,其影响主要通过两条路径;一是直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;而是对PLC通信内网络的辐射,由通信线路的感应引入干扰。


辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小,特别是频率有关,一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。


(2)来自系统外引线的干扰

主要通过电源和信号线引入,通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。


(3)来自电源的干扰

实践证明,因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多,笔者在某工程调试中遇到过,后更换隔离性能更高的PLC电源,问题才得到解决。


PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化,入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流转动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路到电源边。


PLC电源通常采用隔离电源,但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能的。


(4)来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信号之外,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽略;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。


由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。


(5)来自接地系统混乱时的干扰

接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地,既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统将无法正常工作。PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。


接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端A、B都接地,就存在地电位差,有电流流过屏蔽层,当发生异常状态加雷击时,地线电流将更大。


此外,屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内有会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流可能在地线上产生不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。


PLC工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存储,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作。


(6)来自PLC系统内部的干扰

主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路,互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。


这都属于PLC制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容,比较复杂,作为应用部门是无法改变,可不必过多考虑,但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。


3. 怎样才能更好、更简单解决PLC系统干扰?

1)选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源,动力线和信号线走线要更加合理等等,也能解决干扰,但是比较烦琐、不易操作而且成本较高。


2)利用信号隔离器这种产品解决干扰问题。只要在有干扰的地方,输入端和输出端中间加上这种产品,就可有效解决干扰问题。


4.为什么解决PLC系统干扰都选信号隔离器呢?

1)使用简单方便、可靠,成本低廉。

2)可大量减轻设计人员、系统调试人员工作量,即使复杂的系统在普通的设计人员手里,也会变的非常可靠。


5.信号隔离器工作原理是什么?

首先将PLC接收的信号,通过半导体器件调制变换,然后通过光感或磁感器件进行隔离转换,然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号,同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。


6.信号隔离器功能是什么?

一:保护下级的控制回路。

二:消弱环境噪声对测试电路的影响。

三:抑制公共接地、变频器、电磁阀及不明脉冲对设备的干扰;同时对下级设备具有限压、额流的功能是变送器、仪表、变频器、电磁阀PLC/DCS输入输出及通讯接口的忠实防护。标准系列导轨结构,易于安装,可有效的隔离:输入、输出和电源及大地之间的电位。能够克服变频器噪声及各种高低频脉动干扰。


7.现在市场有那么多品牌的隔离器,价格参差不齐,该怎么选择呢?

隔离器位于二个系统通道之间,所以选择隔离器首先要确定输入输出功能,同时要使隔离器输入输出模式(电压型、电流型、环路供电型等)适应前后端通道接口模式。


此外尚有精度﹑功耗﹑噪音﹑绝缘强度﹑总线通讯功能等许多重要参数涉及产品性能,例如:噪音与精度有关、功耗热量与可靠性有关,这些需要使用者慎选。总之,适用、可靠、产品性价比是选择隔离器的主要原则。

2022-08-12
PLC的硬件上主机、I/O扩展机及外部设备的主要类型介绍

PLC由哪几部分硬件组成?

PLC的硬件一般由主机、I/O扩展机及外部设备组成。

(1)主机包括:微处理器(MPU)。常用的微处理器有:Z80A、8085、M6800、M6809、8086、M68000。单片机有:8039、8031、M6801。


存储器:PLC的存储器用于存储程序和数据,一般采用ROM或EPROM。


I/O接口:I/O接口是主机与外部设备、I/O模块等的连接部件,用于扩弃PLC总线的驱动能力输入输出点数。


(2)电源:电压范围在160VAC-260VAC。


(3)输入/输出模块:用于调理输入输出信号,对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等。包括直流开关量输入模块,交流开关量输入模块,直流开关量输出模块,交流开关量输出模块。


(4)功能模块:包括A/D模块和D/A模块,温度传感器模块,高速计数模块,PID模块,远程I/O模块,通讯模块。


(5)扩展口


(6)编程器


(7)其他外设:打印机,显示器。

2022-08-11
PLC提高外部设备的响应速度

提高外部设备的响应速度。在PLC内部实现高速化的同时,还要提高外部设备的响应速度,才能整体提高整个系统的性能,为此,在缩短I/O模块的输入输出响应时间,提高模拟量输入输出模块的模-数和数-模转换时间,下了不少工夫,以求得系统整体的控制速度达到毫秒级以下。


例如,在晶体管输出模块的输出电路中选用高性能的晶体管,使响应时间加快50%;在直流输入模块中,其输入的时间常数回路采用专用ASIC芯片,可通过编程软件选择输入模块的响应时间为1/5/10/20/70毫秒;


为提高模拟量模块的转换时间,采用A/D或D/A的专用芯片,是转换速度为原先的1/2—1/6。另外也通过开发专用的处理器和通信专用ASIC,缩短通信网络模块之间的通信链接的循环时间。

2022-08-10
可编程控制器的工作方式和工作过程

(1)PLC的工作方式:采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时,从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出,一直循环扫描工作。


注意:由于PLC是扫描工作过程,在程序执行阶段即使输入发生了变化,输入状态映象寄存器的内容也不会变化,要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。


(2) 工作过程:主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。


1) 内部处理阶段:

在此阶段,PLC检查CPU模块的硬件是否正常,复位监视定时器,以及完成一些其它内部工作。


2) 通信服务阶段

在此阶段,PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令,更新编程器的显示内容等,当PLC处于停状态时,只进行内容处理和通信操作等内容。


3) 输入处理

输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态,并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新,接着进入程序的执行阶段。


4) 程序执行

根据PLC梯形图程序扫描原则,按先左后右,先上后下的步序,逐句扫描,执行程序。但遇到程序跳转指令,则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。


若用户程序涉及到输入输出状态时,PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态,从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算,运算结果再存入有关器件寄存器中。


5) 输出处理

程序执行完毕后,将输出映象寄存器,即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态,在输出处理阶段转存到输出锁存器,通过隔离电路,驱动功率放大电路,使输出端子向外界输出控制信号,驱动外部负载。


(3)PLC的运行方式:

1) 运行工作模式

当处于运行工作模式时,PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理,然后按上述过程循环扫描工作。


在运行模式下,PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能,为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号,用户程序不是只执行一次,而是不断地重复执行,直至PLC停机或切换到STOP工作模式。注:PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。


2) 停止模式

当处于停止工作模式时,PLC只进行内部处理和通信服务等内容。

2022-08-09
PLC对工作环境的要求

PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备,一般不需要采取什么措施,就可以直接在工业环境中使用。然而,尽管有如上所述的可靠性较高,抗干扰能力较强,但当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈,或安装使用不当,就可能造成程序错误或运算错误,从而产生误输入并引起误输出,这将会造成设备的失控和误动作,从而不能保证PLC的正常运行。


要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力;另一方面,要求设计、安装和使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题:


(1)温度:PLC要求环境温度在0~55℃,安装时不能放在发热量大的元件下面,四周通风散热的空间应足够大。


(2)湿度:为了保证PLC的绝缘性能,空气的相对湿度应小于85%(无凝露)。


(3)震动:应使PLC远离强烈的震动源,防止振动频率为10~55 Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时,必须采取减震措施,如采用减震胶。


(4)空气:避免有腐蚀和易燃的气体,例如化学的酸碱等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境,可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。例如电厂的干排渣、干除灰等,在基建后期增加了封闭小屋。


(5)电源:PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中,可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰。


一般PLC都由直流24 V输出提供给输入端,当输入端使用外接直流电源时,应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源,由于纹波的影响,容易使PLC接收到错误信息。

2022-08-08
PLC系统中干扰的主要来源及途径

(1)强电干扰:PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化, 如刀开关的使用均会产生电网内部的扰动。


刀开关也就是我们通常所说的闸刀开关,是一种接通和分断交直流电路或作隔离开关用的手动开关装置。操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边。


(2)柜内干扰:控制柜内的高压电器,大的电感性负载,混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。


来自信号线引入的干扰:与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信息之外,总会有外部干扰信号侵入。


此干扰主要有两种途径:

一是通过变送器,变送器是将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;


二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。


(3)来自接地系统混乱时的干扰:接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地,既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地,反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统将无法正常工作。


(4)来自PLC系统内部的干扰:主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路


逻辑电路是包含逻辑关系的数字电路, 以二进制为原理、实现数字离散信号的传递,逻辑运算和操作的电路。最基本的逻辑电路是常见的门电路,而最简单的门电路为与电路、或电路和非电路。相互辐射及其对模拟电路的影响,模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。


(5)变频器干扰:一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰,引起电网电压畸变,影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰,影响周边设备的正常工作。

2022-08-05
PLC技术的三大发展趋势分析

PLC发展至今已有近40年的历史,随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展,工业控制领域已有翻天覆地的变化,PLC亦在不断的发展,正朝着新的技术发展。


一是PLC网络化技术的发展,其中有两个趋势:一方面,PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统,而是迅速向开放式系统发展,各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统,完成设备控制任务之外,还可以与上位计算机管理系统联网,实现信息交流,成为整个信息管理系统的一部分;


另一方面,现场总线技术得到广泛的采用,PLC与其他安装在现场的智能化设备,比如智能化仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等,通过一根传输介质(比如双绞线、同轴电缆、光缆)连接起来,并按照同一通信规约互相传输信息,由此构成一个现场工业控制网络,这种网络与单纯的PLC远程网络相比,配置更灵活,扩容更方便,造价更低,性能价格比更好,也更具开放意义。


二是PLC向高性能小型化方向发展。PLC的功能正越来越丰富,而体积则越来越小。比如三菱的FX-1S系列PLC,最小的机种,体积仅为60×90×75mm,相当于一个继电器,但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力,还具有可调电位器时间设定功能。


PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了,而是具有越来越强的模拟量处理能力,以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力,如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说,PLC系统与DCS(集散控制系统)的差别已经越来越小了,用PLC同样可以构成一个过程控制系统。


三是PLC操作向简易化方向发展。目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步,而且不同厂商PLC所用编程的语言也不尽相同,用户往往需要掌握多种编程语言,难度较大。


PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点,用普通的方法对它们编程时,需要熟悉有关的特殊存储器的意义,在编程时对它们赋值,运行时通过访问它们来实现对应的功能。这些程序往往还与中断有关,编程的过程既繁琐又容易出错,阻碍了PLC的进一步推广应用。

2022-08-04
如何面对PLC销售市场上存在的低价现象

说到价格和服务的话题不得不谈谈PLC的销售市场,PLC的市场多以代理商和分销商加上系统集成商的模式在中国推行,而且也是很成功的一种市场模式,比如西门子和三菱为代表的两家。


代理商以低折扣价模式行销全国,而分销商则是从代理商处拿货捆绑区域关系客户进行分销,而系统集成商也是从代理商处拿货进行系统集成。而产品的服务是以核心代理商技术为主,产品厂商为辅,这里的技术服务包括选型、方案、技术支持和技术服务。其实这是一个不错的市场链。


但因为这两个品牌的PLC产品市场需求巨大,所以在风起云涌的市场上一时间冒出来很多超低价西门子和三菱的产品。一般核心代理商的价格折扣都差不多,所以销售价格很透明,差别基本上就是几十元,但是这些低价厂商往往会比核心代理商价格低出百元以上,这就让很多系统集成商、分销商以及客户如获至宝,而那些以技术增值服务为核心的代理商就会感觉很痛苦。这些超低价经销商,其实大致分为以下三种:


一是OEM大客户。

这些经销商是从那些国内大量使用OEM PLC的企业,以项目方式进货,价格非常低,但是这种经销商有一个明显特点就是产品型号不全,因为国内OEM客户并不要西门子全套产品。所以客户判断这样的经销商只要多询问一些不常用的卡件或者CPU类型,看一看价格就能清楚了。


二是海外水货客户。

这些经销商利用国外的一些非正规渠道和资源,从国外直接进货并私下运入国内。这些经销商的价格也是比较低的,所以客户判断这样的经销商的时候只要问一下货期就可以发现供货时间比较长,并且不能大量进货。


三是盗版客户。

这些经销商比较黑心,因为现在市面上充斥了很多兼容西门子和三菱plc的国内PLC产品,这些经销商就从国内兼容PLC厂商进货,并私下涂改logo和印刷,然后出售给客户。所以客户判断这样的经销商只要让西门子查一下订货号,就可以辨别真伪。


如果觉得这个方法比较麻烦,也可以直接询问400 CPU和高端触摸屏的价格就可以判断出来,比如这家IO或者连接器等辅件很便宜,但是400 CPU和正规代理商的价格一样甚至高出,对外宣称IO卡和辅件是库存所以便宜,这样基本上是假货。


这三种经销商以低价冲击市场,可以说正在慢慢地扰乱一个正规的市场。因为系统集成商和分销商为了追求利润最大化,对低价产品肯定是趋之若鹜,但是在这里要提醒大家,以上三种经销商带来的产品会存在以下两种隐患:


一是质保期,由于西门子提供的官方质保期是出厂18个月,也就是说产品从出库开始算起,就开始计算质保期,上述前两种经销商由于供货期、运输周期以及压货周期来计算,到客户手里质保期基本上已经快到期了,一旦客户在现场使用当中出现任何问题,将没有厂家此负责,有偿维修但价格很贵。最后一种经销商就更别提了,一旦查出来是仿冒的卡件,不但没有质保期还要面临被诉讼的可能性!种种迹像表明,外企品牌开始打击仿制品和维护自己的版权了。


二是技术支持,上述那些低价经销商基本上都是商务运作,也就是说他们有可能根本不懂这些产品,对于客户他们要求你需要提供订货号,比如西门子的就是6ES7……等等,这些经销商只会把PLC当做“白菜”来卖,对于选型、方案、配置都是不了解的,另外他们也不会提供任何技术支持和技术服务,很多集成商和分销商都是从这些经销商处采购产品,找核心代理商做配置和方案,但是一旦出了任何技术问题或者需要现场解决的问题的时候,因为你并没有从核心代理商处采购,所以他们不会提供技术支持,所以很多走这种低价经销商渠道的分销商和集成商也会有这样的苦楚。


这就是打价格战商家和打技术战商家的共同争锋市场的一个现状,面对这样的市场局面,作为客户又该如何进退呢?我觉得作为客户不要把利润只放在产品价格上,因该把利润放在技术创新或者设备的增值含量中,这也才是企业运行发展之根本。


作为客户一味追求低价带来的是什么呢?没有技术质量保证的产品,没有优良服务的售后,可想而知商家连利润都压缩得快没有了,哪有利润空间给你作技术支持和服务呢?这也是国内企业和国外企业的分别,国外企业一般在追求如何创新上追求利润,而国内企业不少在想如何能在众多设备中仿造功能和降低价格。


一个优秀自控厂商的发展之道是以实现企业与供应商的双赢来发展,从代理商处拿到好的产品,从技术上帮助解决和突破应用难题,然后提升产品和项目的品质、价格,确保自己的市场地位和利润。所以PLC市场上低价格和技术保障您会怎么选择呢?

2022-08-03
项目案例 I 老狗科技助力皮革生产加工企业实现数字化改造

数采严选+透明工厂,从数据采集到数据应用!

2022-08-02