企业信息

我公司1000t/d水泥熟料生产线，采用集散控制，其生料制备系统由1台PLC控制。由于生料磨房距离中央控制室较远，为了降，在生料磨房就地设立远程I/O站，与中央控制室PLC主机进行通讯。通讯电缆采用屏蔽双绞线。1993年4月投入使用。从2002年5月13日到6月6日，PLC数十次显示与远程I/O站通讯故障跳停，复位重开正常，而且跳停时间无规律，较短15min，较长**过10h，一班跳停四五次。由于采用中央控制室集中开机，造成无法正常生产，从6月6日到13日，生料制备系统全部设备采用现场开机，PLC进行监视维持生产，但PLC故障依旧。

2 查找原因

为了该故障，除了I/O插件未更换外，我厂先后采取了更换通讯插件、*单元插件、定时插件、机箱、电源、程序等措施，将PLC及远程I/O站通讯插件更换一遍，仍然没有效果。测量PLC及远程I/O站接地电阻0.1Ω，接地良好。从而可以断定通讯故障是由外部电磁干扰引起的。为了找到真正的干扰源，派专人在远程I/O站蹲点观察。听到与远程I/O站控制柜相邻的增湿塔控制柜里有“噼噼啪啪”响声时，PLC显示与远程I/O站通讯故障跳停。经反复确认响声为3个交流220V通用中间继电器频繁动作所致。这3个中间继电器由3个带电接点温度表控制(测量增湿塔入口气体温度、出口气体温度及电除尘器入口气体温度)，当实际温度在电接点温度设定值附近波动时，导致电接点接触时开时闭，中间继电器线圈供电不稳定，使继电器频繁动作，发出响声。将这3个交流220V通用中间继电器拔掉后，故障消失。从电路上看，这3个交流220V通用中间继电器与I/O信号无任何联系。可见，故障是由交流220V通用中间继电器电磁干扰引起的。

3 原因分析

电磁继电器是由线圈、铁芯、磁轭、衔铁、触点等构成。线圈的电感和分布电容较大。当继电器得电时，线圈就有电流通过，线圈周围就会产生磁场，当线圈电流通路被切断时，线圈周围磁场突然消失。这种突变磁场就会在线圈中感应出瞬态浪涌电压。当继电器不断得电、失电、再得电，频繁动作时，磁场就会快速瞬变，从而在线圈周围感应出脉冲电压串；另一方面，在触点吸合或断开瞬间，触点间也会产生电弧，造成触点间燃弧、熄灭、再燃弧，从而形成陡峭的瞬间快速脉冲电压串。无论是线圈中突变磁场干扰，还是电弧群干扰，都具有很强的干扰性，都会通过电源线干扰远程I/O站与PLC通讯的正常工作，导致PLC逻辑判断出错。我们模拟电接点接触不好的情况，即通过对交流220V通用中间继电器颤抖供电，用示波器观察远程I/O站220V、24V、12V、5V电源波形，与正常时对比，发现叠加了不少高次谐波，说明产生了干扰电磁波。从上面的分析可知，继电器的电磁干扰主要来自线圈中快速突变磁场感应的脉冲电压串和触点间通断产生的电弧群。

4 解决办法

为了抑制继电器的电磁干扰，我们先后采取对远程I/O站220V、24V、12V、5V电源加电容滤波、π型滤波等措施，均无效。将0.22μF电容与220Ω电阻串联组成RC阻尼电路，在继电器的线圈两端并联后，继电器无论如何频繁动作，都不出现通讯故障。可见，RC阻尼电路对继电器的电磁干扰有很好的扼制作用。

对于众多的PLC初学者而言，大家都会深深的记住师傅的一句话：急停按钮常闭点接入PLC。没错的，但是有的时候大家在调试设备的时候会发现如果将急停按钮旋开设备不会有输出，拍急停之后就正常了，这与我们的期望恰好相反，这是为什么呢？
急停按钮常闭点接如是在特定情况下的，即急停点作为复位信号接入ＰＬＣ相关指令的时候是常闭点接入。例如西门子指令当中的RS触发器指令，我们常常使用急停点作为复位信号之一。大家可以考虑一下，硬件按钮的红色端（就是常闭点）接入了ＰＬＣ的ＤＩ，在ＰＬＣ的梯形图当中我们也用的常闭点。那么我们在系统上电的时候ＰＬＣ的急停ＤＩ点就会得电，那么对于梯形图逻辑而言常闭点就会断开，这样我们就隔离了复位信号。当我们需要急停的时候，拍急停按钮，物理上的常闭点就会打开，梯形图逻辑上打开的常闭点就会重新闭合，这样我们就将复位信号接入了相关指令。这样说来可能比较复杂，总结起来就是当逻辑上的急停点需要从逻辑母线接入PLC的时候我们在逻辑上采用常闭点（这也只是大多数情况，具体问题具体分析）。
那么还有一种情况就是物理上的急停按钮常闭点接入PLC的DI点，梯形图逻辑上的急停点采用常开点接入。这种情况常用于屏蔽信号。试思考一下，当物理上的常闭点接入PLC的DI时，系统上电之后DI得电，逻辑上的常开点就应该闭合，这样信号流就可以通过相关逻辑行。当我们需要急停动作时候，拍急停按钮分断相关电路，物理上的急停点失电，逻辑上的敞开点就维持常开，这样我们就分断了相关信号，可以屏蔽掉急停点之后的信号流。也就是说当我们在逻辑行当中需要使用急停按钮或其他分断类按钮的时候逻辑上需要常开点接入PLC（这也只是大多数情况，具体问题具体分析）。

这就是急停按钮的两种接法（包括其他分断类或复位类按钮），有的朋友会问急停按钮物理上的常开点为什么不用？这就涉及到保护类器件的使用方法了。保护类器件例如急停按钮，停止按钮，限位传感器等都是对系统起保护作用的。这类器件一旦发生问题就会对系统造成不利影响。大家试思考一下，以急停按钮为例，他一旦发生故障，那么他的常闭点断开更容易些还是常开点闭合更容易些呢？当然是前者，所以此类器件一旦故障就会使系统停止，这样就可以提醒工程师进行相关检查。对于限位传感器等器件一旦发生故障也会使常闭点断开，同样可以提醒PLC工程师检修。

温度是工业生产对象中主要的被控参数之一，本文以温度监测与控制系统为例，来说明PLC在模拟量信号监测与控制中的应用。该系统具有广泛的应用范围：如大型家禽孵坊、电器生产行业和机械加工的某些工艺流程中……

一、控制要求

将被控系统的温度控制在某一范围之间，当温度低于下限或高于上**，应能自动进行调整，如果调整一定时间后仍不能脱离不正常状态，则采用声光报警，来提醒操作人员注意，排除故障。
系统设置一个启动按钮来启动控制程序，设置绿、红、黄三台指示灯来指示温度状态。当被控系统的温度在要求范围内，则绿灯亮，表示系统运行正常；当被控系统的温度**过上限或低于下**，经调整且在设定时间内仍不能回到正常范围，则红灯或黄灯亮，并伴有声音报警，表示温度**过上限或低于下限。
该系统充分利用电气智能平台现有设备，引入PLC和变频器于系统中，将硬件模拟和软件有机结合，有效的运用了平台资源。本文通过对该系统的阐述，详细介绍了PLC和变频器在模拟量信号监控中的运用。

二、控制系统原理及框图

该系统共涉及四大部分，包括温度传感器、变送器、PLC温度监控系统和外部温度调节设备。首先，选取监控对象，在其内部（比如孵坊）选取四个采样点，利用四个温度传感器分别采集这四点温度后；通过变送器将采集到的四点温度的采样值转换为模拟量电压信号，从而得到四个采样点所对应的电压值，输入到PLC的四个模拟量输入端口；PLC温度监控系统将这四点温度读入后，取其平均值，作为被控系统的实际温度值，将其与预先设定的正常温度范围上下限相比较，得出系统所处状态，并向外部温度调节设备输出模拟量控制信号；外部温度调节设备根据输出的模拟量的大小来调节温度的上升与下降或保持恒温状态。
本文以0～10V来对应温度0～100℃，设置40～60℃为系统的正常温度范围，对应的模拟量电压为4～6V，也即40℃（4V）为下限，60℃（6V）为上限，调节时间设定为20S。其中，50℃（5V）为我们的温度（电压）基准值。这样，我们就将PLC温度控制系统对温度的监测与控制转变成了PLC对模拟量电压的输入与输出的控制。当被控系统的实际温度低于设定的下限（40℃）时，PLC温度监控系统经过比较运算后，通过其模拟量输出端口向外部温度调节设备输出5-10V的电压，而且输出的电压会根据被控系统实际温度值的降低而升高，从而改变外部温度调节设备，调节温度的幅度。同理，当被控系统的实际温度高于设定的上限（60℃）时，PLC温度监控系统经过比较运算后，通过其模拟量输出端口向外部温度调节设备输出0~5V的电压，而且输出的电压会根据被控系统实际温度值的升高而降低，从而改变外部温度调节设备，调节温度的幅度。而当被控系统的实际温度处于设定的温度正常范围（40—60℃）时，PLC温度监控系统经过比较后，通过其模拟量输出端口向外部温度调节设备输出5V恒定的电压，即输出电压的调节基准量，使温度调节设备保持恒温状态。

PLC脉冲控制步进电机技术
一、步进电机、脉冲与方向信号
      步进电机作为一种常用的电气执行元件，广泛应用于自动化控制领域。步进电机的运转需要配备一个专门的驱动电源，驱动电源的输出受外部的脉冲信号和方向信号控制。每一个脉冲信号可使步进电机旋转一个固定的角度，这个角度称为步距角。脉冲的数量决定了旋转的总角度，脉冲的频率决定了旋转的速度。方向信号决定了旋转的方向。就一个传动速比确定的具体设备而言，*距离、速度信号反馈环，只需控制脉冲的数量和频率即可控制设备移动部件的移动距离和速度；而方向信号可控制移动的方向。因此，对于那些控制精度要求不是很高的应用场合，用开环方式控制是一种较为简单而又经济的电气控制技术方案。
      另外，步进电机的细分运转方式非常实用，尽管其步距角受到机械制造的限制，不能制作得很小，但可以通过电气控制的方式使步进电机的运转由原来的每个整步分成m个小步来完成，以提高设备运行的精度和平稳性。
      控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统，但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备，采用PLC（可编程控制器）是一种理想的技术方案。
二、控制方案
      在操作面板上设定移动距离、速度和方向，通过PLC的运算产生脉冲、方向信号，控制步进电机的驱动电源，达到对距离、速度、方向控制的目的，见图1。操作面板上的位置旋钮控制移动的距离，速度旋钮控制移动的速度，方向按钮控制移动的方向，启/停按钮控制电机的启动与停止。
      在实际系统中，位置与速度往往需要分成几挡，故位置、速度旋钮可选用波段开关，通过对波段开关的不同跳线进行编码，可减少操作面板与PLC的连线数量，同时也减少了PLC的输入点数，节省了成本。一个n波段开关的较多挡位可达到2n。
      在对PLC选型前，应根据下式计算系统的脉冲当量、脉冲频率上限和较大脉冲数量。
      根据脉冲频率可以确定PLC高速脉冲输出时需要的频率，根据脉冲数量可以确定PLC的位宽。同时，考虑到系统响应的及时性、可靠性和使用寿命，PLC应选择晶体管输出型。
      步进电机细分数的选择以避开电机的共振频率为原则，一般可选择2、5、10、25细分。
      编制PLC控制程序时应将传动系统的脉冲当量、反向间隙、步进电机的细分数定义为参数变量，以便现场调整。
三、应用实例
      笔者应用PLC脉冲控制步进电机的技术，对生产上引法无氧铜管的设备进行了电气控制。
      上引法无氧铜管的生产过程是：将电解铜加入工频感应炉，使其熔化成铜液，在铜液中浸入1个通有冷却水的结晶器，流入结晶器的铜液经过0.5～3s后，便结晶成了固态铜管。然后，一边由引棒将固态铜管从结晶器中导出，一边重复上述结晶过程，慢慢地将固态铜管牵引至摩擦压轮，以后根据工艺间隔时间由步进电机带动摩擦压轮，将固态铜管源源不断地从结晶器中牵引出来。牵引出来的铜管依次进入校直、轧管、盘管、冷拉等工序，生产出不同规格的自来水管或空调、冰箱的热交换器用铜管。
设备应满足如下的生产工艺要求：
引管距离6挡/（mm·次-1）：2、2.5、3、3.5、4、5；
引管速度7挡/（mm·min-1）：115、130、140、150、160、170、180；
牵引与结晶时间比：1∶1；
引管方式：间歇式；
牵引方向：不变；
设备运行：连续。
      可见，距离开关为6挡，速度开关为7挡，组合后共有42种牵引方式。根据计算，距离、速度信号各需3个输入点就能达到设定的挡数要求，启/停按钮需1个输入点。根据工艺要求，牵引方向不变，故操作面板上不设置方向按钮，步进电机的旋转方向不通过PLC来控制，而是采用直接跳线来完成设置。脉冲信号需1个输出点，信号灯需2个输出点。步进电机采用25细分工作模式，以避开电机的共振频率区。PLC选用了具有8个数字量输入点、6个数字量输出点的SIEMENS公司生产的SIMATIC S7-200 CPU 222。另外，在控制程序中用多段管线操作设计了电机的升降过程，以满足大负载启动的要求。电气控制原理见图2。
电气控制原理
      制作时，首先将面板上的距离、速度波段开关按图2进行跳线，完成二进制编码，这样节省了7个PLC输入点，简化了连接，提高了系统可靠性，同时也降低了设备的制造成本；然后将各波段开关、按钮的输出与PLC相连。设备运行时，PLC根据操作面板上各开关的设定位置，由控制程序产生某一频率和数量的高速脉冲，并将其输出至PCB，由PCB完成电平转换。转换后的电平信号送至步进电机驱动器，拖动步进电机按设定的速度旋转相应的角度，较终达到控制距离和速度的目的。
结论
      该设备经3个多月的运行考核，证明将PLC脉冲控制步进电机技术应用于中、小功率牵引设备中，具有控制简单、稳定、等特点，是一种切实可行的电气控制方案。

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浔之漫智控技术(上海)有限公司

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