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小型可编程控制器外围电路设计及维护

发布时间：2024-11-18 来源：未知

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小型可编程控制器外围电路设计及维护

小型可编程控制器外围电路设计及维护

黄法春，杨振铎

随着控制技术的发展，现代控制系统使用了大量的可编程控制器（PLC），其中微型、小型PLC更普遍。PLC依靠其可靠性、灵活性和低成本，遍布控制系统的每个角落。据有关资料统计，在PLC控制系统中，系统故障的95%发生在PLC外部，5%发生在PLC内部。PLC内部故障中，有90%是发生在I/O模板中。由此看来，99.5%的系统故障发生在PLC的外围电路及I/O模板中，因此在系统设计和维护中，应重点注意外围电路。下面从六个方面简单探讨一下外围电路设计及维护中应注意的事项。

1 电源

稳定可靠的电源是整个系统可靠运行的基础。电网的冲击，频率的波动将直接影响实时控制的精度和可靠性，有时会对系统带来毁灭性的破坏。在市电质量不高的场所，如大电机、电焊机、变频器、中高频加热设备等大功率设备会对电网产生冲击或干扰，PLC系统电源应采用隔离变压器、交流稳压器或UPS电源等。PLC输入点的电源可以用PLC本身提供的24V电源，但不能超过其负载能力，一般PLC的24V电源只有200mA至500mA的输出能力（具体数据应参考使用手册），设计时应计算输入点和扩展模块的功率，若超出，可以另增加24V电源给输入输出供电。系统若有模拟扩展模块，应用PLC本身提供的24V电源独立为其供电。输入和输出的电源应分别安装开关和保护装置。 2 接地

PLC系统接地要求比较严格，最好有独立的专用接地系统，还要注意与PLC有关的其他设备也要可靠接地。多个电路接地点连接在一起时，会产生意想不到的电流，导致逻辑错误或损坏电路。产生不同的接地电势的原因，通常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远，当相距很远的设备被通信电缆或传感器连接在一起的时候，由电缆线和地之间的电流就会流经整个电路，即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。在不正确的接地点的电源之间，电路中有可能产生毁灭性的电流，以至于破坏设备。PLC 系统一般选用一点接地方式。接地方式如下图1所示。模拟回路的接地十分重要，为了提高抗共模干扰能力，对于模拟信号可以采用屏蔽浮地技术，即信号电缆的屏蔽层一点接地，信号回路浮空，与大地绝缘电阻应不小于50MΩ。

图1 接地方式示意图

(a)专用接地（最好）(b)公用接地（可以）(c)借用接地（不可）

故障事例1：控制系统组成如图2所示，运行一段时间后发现PLC的RS-485通讯口不能正常传输数据，更换一新的PLC，系统正常，但2个月后又出现同样的故障，查找原因发现，计算机外壳有30~60V的交流电压，计算机未接地。此电压经过PPI电缆和

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RS-485通讯口到地，形成电流回路，将通讯口烧坏。解决方法：① 将计算机可靠接地，如图2虚线所示；② 用光电隔离型的PPI电缆替代原电缆。

图2 故障事例1示意图

3 抗干扰处理

工业现场的环境比较恶劣，存在着许多高低频干扰。这些干扰一般是通过与现场设备相连的电缆引入可编程控制器的。除了接地措施外，在电缆的设计选择和敷设施工中，应注意采取一些抗干扰措施。

① 模拟量信号属于小信号，极易受到外界干扰的影响，应选用双层屏蔽电缆。

② 高速脉冲信号（如脉冲传感器、计数码盘等）应选用屏蔽电缆，既防止外来的干扰，也防止高速脉冲信号对低电平信号的干扰。

③ PLC之间的通讯电缆频率较高，一般应选用厂家提供的电缆，在要求不高的情况下，可以选用带屏蔽的双绞线电缆。

④ 模拟信号线、直流信号线不能与交流信号线在同一线槽内走线。

⑤ 控制柜内引入引出的屏蔽电缆必须接地，应不经过接线端子直接与设备相连。 ⑥ 交流信号、直流信号和模拟信号不能共用一根电缆。动力电缆应与信号电缆分开敷设。

在现场维护时，解决干扰的方法有：① 对受干扰的线路采用屏蔽线缆，重新敷设。② 在程序中加入抗干扰滤波代码。

故障事例2：制管机组递送机的运行受PLC控制，在正常工作过程中出现无规律性停车现象。停电检查，操作按钮和线路均无问题；在运行中观察到，PLC的停车输入口的指示灯有时出现快速闪亮的现象，确定是由外部高频干扰引起的。解决方法：在程序中加入10ms时间滤波器，将该端口的瞬时干扰脉冲滤掉。只有停车按钮闭合大于10ms时才停车。问题彻底解决。

4 输出模块的选用

输出模块分为晶体管、双向可控硅、接点型。晶体管型的开关速度最快（一般0.2ms），但负载能力最小约0.2~0.3A、DC24V，适用于快速开关、信号联系的设备，一般与变频、直流装置等信号连接，还应注意晶体管漏电流对负载的影响。可控硅型优点是无触点、具有交流负载特性，输出容量不大，100VA/AC200V。继电器输出具有交直流负载特点，容量大（一般250AC、2A），常规控制中一般首先选用继电器触点型输出，缺点是开关速度慢，一般在10ms左右，不适于高频开关应用。

5 I/O口的保护

(1) 晶体管输出，对大的感性负载或频繁开关的感性负载，可在负载的两端反并联二极管以防止击穿内部二极管，如图3(a)。

(2) 双向可控硅输出，对大的感性负载可以用阻容网络及压敏电阻（MOV）进行保护，如图3(b)所示。压敏电阻的额定电压一般选择在电源电压120%~150%之间。

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(3) 一般DC24V直流电磁铁，在吸收电流在1A左右，可直接作为PLC输出点的负载，同时在电路中加入保险和反电势吸收元件，以延长输出点的寿命，如图3(c)所示；也有DC24V电磁铁吸收电流在1.8A左右，可选用5A容量的中间继电器替代直接输出，如HH53P等。

图3 I/O口保护电路图例

(4) 电磁阀AC220V的吸收电流一般小于1A，可直接用PLC继电器触点带，但输出线路应加保险或加入1A单极空气断路器，如DZ47-63/1C，以保护PLC的触点避免在电磁铁损坏时烧粘触点，如图3(d)所示。

6 外部电路安全设计

在控制正反转接触器电路，以及具有危险的控制电路中，除了在PLC的程序中加入相互连锁外，应在外部电路设计安全连锁电路。举例如图4所示。

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图4 危险负载的安全电路设计

参考文献：