基于PLC液压施工升降机控制系统设计
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* 楼层位置信号记录 0 X005 上限位开 关SQ3 MOV K30 D200 当前所在 层 6 X006 下限位开 关SQ4 MOV K1 D200 当前所在 层 12 X011 上减速/下 平层感应 PLS M0 15 X012 下减速/上 平层感应 PLS M1 18 Y000 YV1上行电 磁阀线圈 M0 INC D200 当前所在 层 23 Y001 YV2下行电 磁阀线圈 M1 DEC D200 当前所在 层 * 选层记录 28 M301 选层信号 1 MOV K1 D201 触摸屏选 层 34 M302 选层信号 2 MOV K2 D201 触摸屏选 层 40 M303 选层信号 3 MOV K3 D201 触摸屏选 层 46 M304 选层信号 4 MOV K4 D201 触摸屏选 层 52 M305 选层信号 5 MOV K5 D201 触摸屏选 层 58 M306 选层信号 6 MOV K6 D201 触摸屏选 层 64 M307 选层信号 7 MOV K7 D201 触摸屏选 层 70 M308 选层信号 8 MOV K8 D201 触摸屏选 层 76 M309 选层信号 9 MOV K9 D201 触摸屏选 层 82 M310 选层信号 10 MOV K10 D201 触摸屏选 层 88 M311 选层信号 11 MOV K11 D201 触摸屏选 层 94 M312 选层信号 12 MOV K12 D201 触摸屏选 层 100 M313 选层信号 13 MOV K13 D201 触摸屏选 层 106 M314 选层信号 14 MOV K14 D201 触摸屏选 层 112 M315 选层信号 15 MOV K15 D201 触摸屏选 层 118 M316 选层信号 16 MOV K16 D201 触摸屏选 层 124 M317 选层信号 17 MOV K17 D201 触摸屏选 层 130 M318 选层信号 18 MOV K18 D201 触摸屏选 层 136 M319 选层信号 19 MOV K19 D201 触摸屏选 层 142 M320 选层信号 20 MOV K20 D201 触摸屏选 层 148 M321 选层信号 21 MOV K21 D201 触摸屏选 层 154 M322 选层信号 22 MOV K22 D201 触摸屏选 层 160 M323 选层信号 23 MOV K23 D201 触摸屏选 层 166 M324 选层信号 24 MOV K24 D201 触摸屏选 层 172 M325 选层信号 25 MOV K25 D201 触摸屏选 层 178 M326 选层信号 26 MOV K26 D201 触摸屏选 层 184 M327 选层信号 27 MOV K27 D201 触摸屏选 层 190 M328 选层信号 28 MOV K28 D201 触摸屏选 层 196 M329 选层信号 29 MOV K29 D201 触摸屏选 层 202 M330 选层信号 30 MOV K30 D201 触摸屏选 层 208 X002 基站开关 SA1 X017 急停开关 SB1、SB2 Y002 电源指示 灯HL1 Y002 电源指示 灯HL1 212 M10 触摸屏启 动按钮 M12 触摸屏停 止按钮 M101 停车信号 X000 安全运行 继电器KA X001 门锁继电 器KA1 Y002 电源指示 灯HL1 X017 急停开关 SB1、SB2 M11 触摸屏启 动记录 M11 触摸屏启 动记录 221 M11 触摸屏启 动记录 CMP D201 触摸屏选 层 D200 当前所在 层 M100 上行信号 229 M100 上行信号 Y001 YV2下行电 磁阀线圈 X000 安全运行 继电器KA X001 门锁继电 器KA1 X017 急停开关 SB1、SB2 Y000 YV1上行电 磁阀线圈 235 M102 下行信号 Y000 YV1上行电 磁阀线圈 X000 安全运行 继电器KA X001 门锁继电 器KA1 X017 急停开关 SB1、SB2 Y001 YV2下行电 磁阀线圈 241 M100 上行信号 X000 安全运行 继电器KA X001 门锁继电 器KA1 X017 急停开关 SB1、SB2 M200 电动机启 动 M102 下行信号 * 247 M200 电动机启 动 T10 Y007 型接触 器KM3 Y006 Y型接触器 LM2 * Y006 Y型接触器 LM2 Y005 电动机起 动主接触 Y005 电动机起 动主接触 * Y007 型接触 器KM3 K80 T10 * Y006 Y型接触器 LM2 Y007 型接触 器KM3 * 265 M101 停车信号 T5 X020 平层感应 器开关3K M103 停车信号 短时记录 M103 停车信号 短时记录 K10 T5 273 M103 停车信号 短时记录 M105 停车信号 长时记录 M105 停车信号 长时记录 * 277 M105 停车信号 长时记录 X020 平层感应 器开关3K T6 M12 触摸屏停 止按钮 M106 制动信号 M106 制动信号 K10 T6 * 287 M106 制动信号 RST Y005 电动机起 动主接触 RST Y007 型接触 器KM3 Y011 KM4电磁抱 闸线圈 * 平缓减速停车 291 M103 停车信号 短时记录 MOV K4000 D300 298 M103 停车信号 短时记录 MOV K0 D300 304 M103 停车信号 短时记录 T1 K2 T0 T0 K2 T1 T0 SUB D300 K40 D300 = D300 K4000 MOV K4000 D300 = D400 K4000 MOV K4000 D400 = D400 K2400 MOV K2400 D400 MOV D400 K3M150 TO K0 K16 K3M150 K1 TO K0 K17 K4 K1 TO K0 K17 K0 K1 TO K0 K16 K1M158 K1 TO K0 K17 K0 K1 TO K0 K17 K0 K1 533 X013 超载开关 SQ44 Y003 超载报警 指示灯HL 535 X003 开门到位 开关SQ10 Y010 吊笼开门 到位指示 537 END 设 计 题目:基于 PLC 液压施工升降机控制系统设 计 系 专 业 学 号: 学生姓名: 指导教师: (职称: ) (职称: ) 2014 年 月 日 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 第一章 绪论 .1 1.1 本课题设计的背景 .1 1.2 本课题设计的内容 .1 1.3 本课题设计的目的和意义 .2 第二章 液压施工升降机控制系统的原理 .3 2.1 液压施工升降机的基本工作原理 .3 2.2 液压施工升降机的主要组成部分 .4 2.3 液压施工升降机传统继电器控制系统 .5 2.3.1 升降机传统继电器控制系统的优点 .5 2.3.2 升降机传统继电器控制系统存在的问题 .5 2.4 液压施工升降机新型 PLC 控制系统 .5 2.5 新型 PLC 控制升降机的优点 .6 2.6 变频调速控制升降机的特点 .6 2.7 系统设计的基本步骤 .6 第三章 施工升降机控制系统的硬件电路设计 .7 3.1 液压施工升降机控制系统的组成 .7 3.2 比例变量泵 .7 3.3 升降机速度运行曲线设计 .8 3.4 PLC 选型及模块介绍 .9 3.4.1 PLC 的选型 .9 3.4.2 PLC 的功能模块介绍 .9 3.5 控制电路设计 .11 3.5.1 安全运行电路设计 .11 3.5.2 系统回电路设计 .12 3.5.3 输入输出回路设计 .13 3.5.4 PLC 的 I/O 存储地址分配及部分辅助继电器功能分配表 .15 第四章 施工升降机控制系统的软件设计 .16 4.1 PLC 系统软件及运行原理 .16 4.2 编程工具软件和编程语言 .16 4.3 控制系统的设计 .17 4.3.1 楼层位置信号记录 .18 4.3.2 选层信号记录与显示 .20 4.3.3 停车信号的发生与消除 .22 4.3.4 制动信号的生成 .23 4.3.5 施工升降机减速曲线的实现 .24 4.3.6 施工升降机加速启动曲线的实现 .25 第五章 控制系统抗干扰设计 .28 5.1 电磁干扰类型和影响 .28 5.2 PLC 系统干扰来源 .28 5.3 抗干扰措施 .29 5.3.1 控制电源系统引发的干扰 .29 5.3.2 控制输出端引发的干扰 .29 5.3.3 安装和布线 .29 5.3.4 正确选择接地点 .30 总结 .31 致谢 .32 参考文献 .33 附件 .34 摘 要 施工升降机是建筑施工中不可缺少的垂直运输机械,传统的施工升降机大部分 采用的是在继电器控制下的电动机作为动力输入,通过减速器以一定的传动比拖动 升降机吊笼上下运行。随着我国城乡的快速发展,施工工地对于施工升降机的要求 也有了提高,因此对施工升降机控制系统进行改进具有很重要的意义。 本文主要是液压施工升降机控制系统的 PLC 应用研究。主控系统采用 FX2N48MR-001PLC 为控制核心,结合模拟量输出模块 FX2N-2DA,并设计了施工升降的 理想速度曲线。PLC 系统完成了所有 I/0 信号和上位机串口通信信号的接收,根据其 内部设计程序进行集中运算处理,实现了对液压施工升降机的控制系统的逻辑信号及 速度控制。另外,还根据控制系统要求,设计了控制系统主回路、安全运行电路、电 液比例控制回路等。 关键词:施工升降机;PLC;控制系统; I ABSTRACT Construction hoist is an indispensable machine for vertical transport, most of traditional construction hoist use the electric-motor under the control of the relays as the dynamic force input, though the speed reducer as certain rate drive the lift cage up and down. As the fast development of the urban and suburban, the need of construction site to construction hoist is more and more advanced, its more important that improve the level of control system for construction hoist. In this paper, the lift control system PLC applied research. The master control system for the control of the core FX2N48MR-001PLC, combined with analog output module FX2N-2DA designed the construction lift the ideal speed curve. A PLC system to complete all of the I / 0 signal and the host computer serial communication signal receiver, according to its internal design process, the central arithmetic processing logic signals and speed control of the control system of the hydraulic lift construction. In addition, according to the requirements of the control system, the design of the control system the main loop, the safe operation of the circuit, electro-hydraulic proportional control loop. Keywords: construction hoist; PLC; controlling system; 0 第一章 绪论 1.1 本课题设计的背景 施工升降机同电梯、起重机一样,是完成输送和起重任务中不可缺少的机电设 备,但是它们的种类和承担的具体任务并不相同。从人类使用升降机械的历史来看, 最先使用的是简单机械 绞车;后来是复杂一点的机械 升降机;再后来出现 了机电一体化的设备 电梯和起重机。现在已发展到使用计算机、应用智能控制 的现代电梯和起重机阶段了。升降机械发展史大体上可分为四个阶段:13 世纪前的 绞车阶段,19 世纪末叶以前的升降机阶段,19 世纪末叶以后的电梯和起重机阶段, 现代电梯和起重机阶段。 近年来,国产施工升降机的发展比较迅速,国际市场上瑞典 ALIMAK 公司的产品 也不能独占鳌头了。国产施工升降机以其先进的技术性能,过硬的产品质量,价格 上的明显优势等诸多因素的迅速发展极大程度地冲击了它的市场。 现代设计理论是施工升降机发展的基础。近些年来,随着各种理论的迅速发展, 给国产施工升降机的迅速崛起奠定了强大的理论基础,特别是结构动力分析、有限 元模型计算、优化方法、机械振动与模态分析、计算机辅助设计等。人们把这些理 论应用到施工升降机的研究与开发上,给施工升降机的发展带来巨大变化,利用这 些理论人们可以全面掌握任何高度位置上标准节的任何部位的应力状态,可以得到 施工升降机悬臂部分的动态特性以及由吊笼提升速度的加大给施工升降机带来的影 响。总而言之,利用这些理论,可以完全掌握施工升降机各方面的结构特性和工作 状态。 施工升降机作为垂直运送人员及物料的提升机械,它主要是由导轨架、吊笼、 起升机构和附墙结构组成,当然施工升降机还包括控制系统和安全装置。这些年来, 施工升降机的标准节一直没有大的变化,并且不论多大的架设高度,采用的基本都 是从上到下规格相同的钢材。吊笼虽然有多种型式,但都是型钢焊接而成。近年来, 国外施工升降机的提升速度已由 40mrain 提高到了 60rnmin、80mmin 甚至高 达 96mmin,单笼额定载重量在 3 吨以上,而国产施工升降机的提升速度在 24- 一 36mmin 之间,单笼额定载重量基本上不超过 2 吨。 1.2 本课题设计的内容 本课题名为基于 PLC 液压施工升降机控制系统设计 ,具体设计内容包括以 下几点: 1升降机类型的选择。综合升降机的类别和各类的特点和要求,在本课题中主 要研究 30 层升降机的控制系统。 2硬件系统的设计。本课题设计的升降机要求运行迅速准确度高,在升降机的 各层检测系统中选用用在工业自动控制上大量运用的具有检测精度高、寿命长、稳 定性能好的接近传感器,运用感应器的开关量信号输入给 PLC 来实现 PLC 对液压 施工升降机的控制。 3升降机控制系统软件的设计。在本设计中选用了目前运用最多的三菱 PLC 编程语言梯形图,用 PLC 编程软件 GX Developer 设计 PLC 控制程序。梯形图的编 程能直观明了的设计出液压施工升降机控制的要求。 1 1.3 本课题设计的目的和意义 施工升降机是一种用吊笼(或平台、料斗等)载人、载物沿导轨作上下运输的施 工机械。它主要应用于建筑工程施工时使用,尤其是高层建筑工程的施工或维修时 使用更为广泛。改革开放以来,我国建筑行业蓬勃发展,尤其是近年来高层、超高 层建筑的增多,对施工升降机性能的要求也相应的提高,各种新型施工升降机的研 制事在必行。随着液压技术的发展,国外也开始出现了以原动机(电机式内燃机) 液压(静压)为传动形式的液压施工升降机。液压传动系统具有无级调速、起制动 平稳的特点,其运行速度可高达 96mmin,当使用内燃机作为动力时就可不受电缆 的约束,因此可用于无电源地区和超高层建筑物施工和维修。国内在液压施工升降 机的研制方面不如国外的先进,因此研制出应用先进控制技术的机、电、液一体化 的液压施工升降机迫在眉睫。 现阶段,施工升降机主要是通过电梯司机人工控制升降机运行,不仅浪费人力 资源,而且有诸多安全隐患。本课题的最终目的是研制出一台高性能、高效率、低 成本的新型机、电、液一体化的液压施工升降机,以弥补国内施工升降机市场的不 足。同时,为该施工升降机设计出一套符合规范要求、安全可靠、反应灵敏的液压 系统,为施工升降机的快速安全运行提供保障。本文对 PLC 技术应用于施工升降机 进行了探讨,依据安装在每个楼层的限位进行反馈,完成自动控制,同时记录安全 限位的信息,大大提高施工升降机的安全可靠性,具有一定的工程创新意义,为进 一步进行控制系统的研究奠定了基础。 2 第二章 液压施工升降机控制系统的原理 2.1 液压施工升降机的基本工作原理 如图 2.1 所示,为升降机的工作原理图,系统一般由三相交流异步电动机、电 液比例变压泵、变量马达、换向阀和各类液压阀等部件组成,它的控制器采用三菱 PLC。由于施工升降机上、下行工作原理基本相似,因此以上行工作原理为例介绍施 工升降机上行工作开始时,可编程控制器 PLC 接收到来自触摸屏的选层及上行控制指 令,PLC 输出上行控制信号使上行电磁阀 YV1 带电,电机启动接触器 KMI 通电,启动变 量泵工作,油液进入马达,带动曳引轮旋转,从而施工升降机吊笼起动。 同时,PLC 按照理想加速曲线输出相应的加速曲线信号经 D/A 模块后至比例放 大器,比例放大器为比例电磁铁提供特定的控制电流,从而控制变量泵的输出流量, 进而控制吊笼的启动运行速度,当速度达到最大值时,吊笼以速度最大值稳定运行。 在施工升降机运行过程中,PLC 接收井道装置各处信号,数据处理后将楼层的当前 位置、运行监控状态等信息及时显示,以便了解施工升降机的运行状态。当 PLC 接 收到减速信号时,PLC 按照理想减速曲线模拟输出速度,比例电磁铁的输入电流也 随着理想减速曲线减少,液压系统流量减少,从而使吊笼运行速度不断下降。当施 工升降机到站时,PLC 输出控制信号使上行电磁阀 YV1 不带电,电动机启动接触器 KM1 失电,液压系统关闭,施工升降机停止运行。 3 图 2.1 升降机基本工作原理图 2.2 液压施工升降机的主要组成部分 升降机构造:分钢结构、驱动装置、安全装置、电器设备四部分组成。 一、钢结构:包括导轨架、吊笼、天轮架、附着架等部件。 二、驱动装置: 由电动机、泵、方向阀、马达、配重、钢丝绳等组成,泵带动马达旋转,通过钢丝绳 使吊笼做上、下运行。 三、电器设备: 1、施工升降机的电气控制系统由电源箱,电控箱,操作台及安全保护系统等组成。 2、电缆导向装置:在吊笼作上、下运行时,电缆导向装置确保使接入吊笼内的电缆线 不至于偏离电缆笼或发生不正常的卡死,以保证升降机正常供电。 四、安全装置: 1、限速器:为防止吊笼坠落装有锥鼓式限速器。 2、防坠安全器:当吊笼出现不正常超速时,将吊笼制停。动作时, 其上安全开关断开 电源,制动器制动。 3、安全钳:使吊笼制动的安全装置。 4、缓冲弹簧:施工升降机的底架上有缓冲弹簧,以便当吊笼发生坠落事故时,减吊笼 的冲击。有圆锥卷弹簧和圆柱螺旋弹簧。圆锥卷弹簧的制造工艺较难,成本高,但体 积小,承载力强。一般情况下,每个吊笼对应的底架上装有两个圆锥卷弹簧,也有四个 圆柱螺旋弹簧,安装的目的是缓冲吊笼和配件着地时的冲击。 5。 、上、下限位器:为防止吊笼上,下超过需停位置时,因操作者误操作和电气故障 等原因继续上升或下降引发事故而设置。 6、上、下极限限位器:上、下限位器一旦不起作用,吊笼继续上升或下降到设计规定 的最高极限或最低极限位置时能及时切断电源,以保证吊笼安全。 7、安全钩:下限位器和上极限位器因各种原因不能及时动作,吊笼继续向上运行,将 导致吊笼冲击导轨架顶部而发生倾翻坠落事故而设置的,安全钩是安装在吊笼上部的 重要也是最后一道安全装置,它能使吊笼上行到导轨架顶部的时候,安全钩钩住导轨 架,保证吊笼不发生倾翻坠落事故。 8、吊笼门、底笼门联锁装置:防止因吊笼或底笼门未关闭就启动运行而造成人员坠 落和物料坠落,只有完全关闭时才能启动运行。 9、急停开关:操作者应能及时按下急停开关,使吊笼立即停止,防止事故的发生,急停 开关必须是非自行复位的电气安全装置。 10、楼层通道门:运行时处于常闭状态,只有在吊笼停靠时才能由吊笼内的人打开,楼 层内的人员无法打开此门。 11、电磁制动器:装于电动机轴上,一般采用直流电磁制动器,启动时通电松闸,停层 后断电制动。 4 12、超载开关:当超载时吊笼底下超载开关动作,吊笼不能启动运行。 13、其它开关:安全窗开关、防松绳开关、断绳开关等。 2.3 液压施工升降机传统继电器控制系统 2.3.1 升降机传统继电器控制系统的优点 (1) 所有控制功能及信号处理均由硬件实现,线路直观,易于理解和掌握,适 合于一般技术人员和技术工人所掌握。 (2) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。 (3) 大部分电器均为常用控制电器,更换方便,价格较便宜。 (4) 多年来我国一直生产这类升降机,技术成熟,己形成系列化产品,技术资 料图纸齐全,熟悉、掌握的人员较多。 2.3.2 升降机传统继电器控制系统存在的问题 (1) 系统触点繁多、接线线路复杂,且触点容易烧坏磨损,造成接触不良,因 而故障率较高。 (2) 普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能,使系统的控制 功能不易增加,技术水平难以提高。 (3) 电磁机构及触点动作速度比较慢,机械和电磁惯性大,系统控制精度难以 提高。 (4) 系统结构庞大,能耗较高,机械动作噪音大。 (5) 由于线路复杂,易出现故障,因而保养维修工作量大,费用高;而且检查 故障困难,费时费工。 升降机继电器控制系统故障率高,大大降低了升降机的可靠性和安全性,经常 造成停梯,给乘用人员带来不便和惊忧。且升降机一旦发生冲顶或蹲底,不但会造 成升降机机械部件损坏,还可能出现人身事故。 2.4 液压施工升降机新型 PLC 控制系统 PLC 控制制系统由于运行可靠性高,使用维修方便,抗干扰性强,设计和调试 周期较短等优点,倍受人们重视等优点,已成为目前在升降机控制系统中使用最多 的控制方式,目前也广泛用十传统继电器控制系统的技术改造。 PLC 是一种专门从事逻辑控制的微型计算机系统。由于 PLC 具有性能稳定、抗 干扰能力强、设计配置灵活等特点。因此在工业控制方面得到了广泛应用。自 80 年 代后期 PLC 引入我国升降机行业以来,由 PLC 组成的升降机控制系统被许多升降机 制造厂家普遍采用。并形成了一系列的定型产品。在传统继电器系统的改造工程中, PLC 系统一直是主流控制系统。 升降机控制系统分为调速部分和逻辑控制部分。调速部分的性能对升降机运行 是乘客的舒适感有着重要影响,而逻辑控制部分则是升降机安全可靠运行的关键。 为了改善升降机的舒适感和运行的可靠性,现在都改为用 PLC 来控制升降机的运行, 这样大大提高了升降机的性能。 可编程控制器(Programmable Logic controller,简称 PLC)是以微处理器为基 础,综合了计算机技术与自动化技术而开发的新一代工业控制器。它具有可靠性高、 适应工业现场的高温、冲击和振动等恶劣环境的特点,已成为解决自动控制问题的 5 最有效工具,是当前先进工业自动化的二大支柱之一。 2.5 新型 PLC 控制升降机的优点 1、控制方式上看:电器控制硬接线,逻辑一旦确定,要改变逻辑或增加功能很 是困难;而 plc 软接线,只需改变控制程序就可轻易改变逻辑或增加功能。 2、工作方式上看:电器控制并行工作,而 plc 串行工作,不受制约。 3、控制速度上看:电器控制速度慢,触点易抖动;而 plc 通过半导体来控制, 速度很快,无触点,顾而无抖动一说。 4、定时、记数看:电器控制定时精度不高,容易受环境温度变化影响,且无记 数功能;plc 时钟脉冲由晶振产生,精度高,定时范围宽;有记数功能。 5、可靠、维护看:电器控制触点多,会产生机械磨损和电弧烧伤,接线也多, 可靠、维护性能差;plc 无触点,寿命长,且有自我诊断功能,对程序执行的监控 功能,现场调试和维护方便。 2.6 变频调速控制升降机的特点 随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展,交流变频调速 技术的发展也十分迅速。电动机交流变频技术是当今节电,改善工艺流程以提高产 品质量和改善环境、推动技术进步的一种手段。变频调速以其优异的调速性能和起 制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点 而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 1.变频调速升降机使用的是异步电动机,比同容量的直流电动机具有体积小、 占空间小、结构简单、维护方便、可靠性高、价格低等优点。 2.变频调速电源使用了先进的 SPWM 技术 SVPWM 技术,明显改善了电梯运行质量 和性能;调速范围宽、控制精度高,动态性能好,舒适、安静、快捷,已逐渐取代直 流电机调速。 3.变频调速升降机使用先进的 SPWM 和 SVPWM 技术,明显改善了电动机供电电源 的质量,减少谐波,提高了效率和功率因数,节能明显。 2.7 系统设计的基本步骤 在升降机控制系统的设计过程中主要要考虑以下几点: 1.深入了解和分析升降机的工艺条件和控制要求。 2.确定 I/O 设备。根据机械手控制系统的功能要求,确定系统所需的用户输入、 输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等,常用的输出 设备有继电器、接触器、指示灯等。 3.根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。 4.分配 I/O 点,分配 PLC 的输入输出点,编制出输入输出分配表或者输入输出 端子的接线图。 5.设计升降机系统的梯形图程序,根据工作要求设计出周密完整的梯形图程序, 这是整个升降机系统设计的核心工作。 6.将程序输入 PLC 进行软件测试,查找错误,使系统程序更加完善。 6 第三章 施工升降机控制系统的硬件电路设计 3.1 液压施工升降机控制系统的组成 本控制系统的硬件主要由触摸屏人机交互模块、可编程控制器核心控制模块、 模拟量输出模块、井道及安全装置等。系统框图如图 3.1: 图 3.1 升降机的控制方案 控制系统主要包括信号控制和速度控制两大部分。控制系统的核心是 PLC,集中 解决输入信号的数据处理和输出逻辑控制的问题、系统参数设定、显示功能则由触 摸屏完成、系统设有安全运行电路,只有满足安全运行条件,施工升降机才能运行,否 则发生故障报警信号,并让 PLC 所有输出点恢复安全输出状态。当满足安全运行条件 时,通过触摸屏输入呼层信号时,系统进行判断识别,送出呼层显示至触摸屏显示,系 统通过选层后调用加速曲线,通过模拟输出模块输出速度信号不断传输给比例电磁铁,控 制比例泵的输出流量进而控制吊笼的运行速度,使吊笼按预定曲线运行。当吊笼到达 目的层时,系统发出吊笼停车的信号、消层信号,系统调用减速曲线,进而使液压电动 机制动,比例泵停转。 综上所述,本系统采用 PLC 为核心控制器,触摸屏作为监控显示模块,两者通过串 口进行通信来控制系统的执行部件,实现施工升降机的控制。 3.2 比例变量泵 本系统选用公称排量为160ml/r的BCY14-1B型电液比例控制变量泵,是利用“流 量位移力反馈”的原理设计的,是CY14-1B型轴向柱塞泵中一种新的变量型 式,是靠外力空油压来控制变量机构,并利用输入比例电磁铁的电流大小来改变泵 的流量,输入电流与泵的流量成比例关系。其变量特性曲线及液压原理符号。 BCY14-1B型变量泵的主要性能指标为:滞环H15%,重复精度HR3%,非线性度 7 HLI5%。H12%,频响f-3dB1.5MHz(160、250BCY泵),f-3dB3MHz(25、63BCY 泵)。 图3.2 BCY14一IB变量泵变量特性曲线及液压原理符号 另外,比例变量泵可在输入电流的作用下,对排量实现比例控制而不受负载的 干扰。该泵控制灵活、动作灵敏、重复精度高、稳定性好,能方便的实现液压系统 的遥控、自控、无级调速、跟踪反馈同步和计算机控制,适用于工业自动化的要求。 3.3 升降机速度运行曲线设计 为了让升降机在不同速度下平滑切换,保证升降机稳定的运行,本论文设计了 速度平滑曲线。系统通过选层后调用加速曲线,通过模拟输出模块输出速度信号不断 传输给比例电磁铁,控制比例泵的输出流量进而控制吊笼的运行速度,使吊笼按预定 曲线运行。当吊笼到达目的层时,系统发出吊笼停车的信号、消层信号,系统调用减 速曲线,进而使液压电动机制动,比例泵停转。 (图 3.3 为升降机速度运行曲线) 8 图 3.3 速度运行曲线 3.4 PLC 选型及模块介绍 3.4.1 PLC 的选型 目前,可编过程控制器的生产厂家众多,产品型号、规格不可胜数,但主要分 为欧、日、美三大块。在中国市场上,欧洲的代表是西门子公司,日本的代表是三 菱和欧姆龙公司,美国的代表是 AB 与 GE 公司。各大公司在中国均推出自己的从微 型到大型的系列化产品。 PLC 选型时具体考虑如下几个方面要求:1、性能和任务的相适应 2、I/0 点的估 算 3、用户的存储容量的估算 4、系统对 PLC 的响应速度要求 5、是否有特殊控制要 求 6、系统电源容量校验。 三菱公司是日本生产 PLC 的主要厂家之一,在工业中应用的较广泛,因此这里 选择了 FX2N 系列的 FX2N-48MR 作为系统的主控单元,几乎所有的编程控制、数据处 理及通讯功能均由它来实现。它具有 24 个输入点和 24 个输出点,而系统只需 16 个 输入点和 9 个输出点,因此留有足够的余量,以备将来改进生产工艺扩展用。 PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下, 力争最佳的性能价格比。在诸如:西门子、三菱、欧姆龙、美国通用电气等众多 PLC 中我们选择了三菱 PLC。主要是从价格和可靠性的角度做出的选择,另外三菱 PLC 在我国应用也比较多,程序编程或维修方便目前三菱 PLC 主要有 F 系列、FX 系列、 A 系列、ANS 系列、Q 系列、QNA 系列等几种类型。FX 系列 PLC 功能强大、组合灵活, 并且有各种点数及各种输出类型的基本单元、扩展单元和扩展模块。它们可以自由 混合配置使系统构造更加灵活方便因此综合考虑以上因素,本系统选用三菱 FX 系 列的 FX2N-48MR-001 型可编程控制器,它是继电器型输出,AC 电源,DC24V 输入。它 的 I/0 点数为 48,其中输入点为 24,输出点为 24。由于本系统的施工升降机的速 度是连续变化的模拟量,与比例变量泵相匹配的比例放大器要求 PLC 输出模拟信号, 所以 PLC 必需能够输出模拟量。为此选用了模拟量输出模块 FX2N-2DA。 3.4.2 PLC 的功能模块介绍 下面对所用的主单元 FX2N-48MR-001 及模拟量输出模块 FX2N-2DA 作一个简单介 绍: 1、 FX2N-48MR-001 是一台 PLC 它自带 48 点数字 I/0,数字 I/0 点数可扩展至 256 点。 软元件资源如表 3-1。 表 3-1 FX2N-48MR-001 软元件资源 X 输入继电器 X000-X027 24 原件编号为 8 进制编号 Y 输出继电器 Y000-Y027 24 原件编号为 8 进制编号 M 辅助继电器 M000-M8255 1528 通用型:M0-M499 断电保护型:M500-M3071 9 特殊用途型:M8000-M8255 S 状态器 SO-S999 1000 普通用途:S20-S999 初始状态器:S0-S9 回零状态器:S10-S19 断电保持用:S500-S899 作信号报警用:S900-S999 T 定时器 T0-T255 256 100ms 型:T0-T999 10ms 型:T200-T245 1ms 型:T246-T249 100ms 积算型:T250-T255 C 计算器 C0-C234 235 16 位递加计算器:普通型 C0-C99 断电保持型 C100-C199 32 位双向计数器 普通型 C200-C219 断电保持型 C220-C234 D 数据寄存器 D0-D8255 8256 普通用途:D0-D199 供停电保持用:D200-D511, D512-D7999 特殊用途:D8000-D8255 V、Z 变址寄存器 V0-V7,Z0-Z7 续表 3-1 P/I 指针 分支用:P0-P127 输入中断用:10-15 定时器中断用:16-18 计算器中断用:10-10 K/H 常数 十进制用 K 表示,十六进制数用 R 表 示 该机种内置 8000 步 RAM 寄存器,用一个寄存器盒可扩充到 16000 步 RAM 或 EEPROM。运算速度快,基本指令可达 0.08s/指令、应用指令 1.52/指令至几百/指令。 另外,FX2N 系列 PLC 具有较强的通讯功能,方便通讯实现。该机中内建有两个通 讯口 COM1 和 COM2。其中,COM1 为 RS422 通讯口(可以变更为 RS232)可用来简介程序 书写器、监控器和个人电脑。这样,在个人电脑上安装好 PLC 编程软件 GX DeVeloper 后便可直接在个人电脑上进行 PLC 控制程序的编制、调试、下载和监控。 COM2 为 RS485,可以用于连接变频器等周围装置,主机通过通讯指令便可以对这些装 置进行访问,两个通讯口的波特率为 9600bps,最高可达 115200bps。 2、模拟量输出模块 FX2N-2DA 用于将 12 位数字值转换成 2 点模拟量输出的电压输出 或电流输出。两个模拟量输出通道可接受的输出为 DC0-10V、DC0-5V 或 4-20mA,根 据接线方法,模拟量输出可在电压输入或电流输入中进行选择;每个通道的转换时间 为 2.5ms。要求的电源电压为 24VDC,由 PLC 提供。PLC 主机通过程序指令 FROM/T0 10 可以完成模拟量模块的工作方式设定和转换值的读取其性能见如下表 3-2。 表 3-2 FX2N-2DA 模拟量输出模块性能 项目 输出电压 输出电流 模拟量输出范围 0V-10V 直流,0V-5V 直 流 (外部负载电阻 2k- 1M) 4mA-20mA(外部负载电阻 不超过 500) 数字输入 12 位 分辨率 2.5mV(10V/4000)1.25mV(5V/4000) 4A4mA-20Ma/4000 总体精度 1%(满程 0V-10V) 1%(满程 4mA-20mA) 转换速度 4ms/通道(顺控程序和同步) 隔离 在模拟电路和数字电路之间光电隔离 直流/直流变压器隔离主单元电源 在模拟通道之间没有隔离 电源规格 5V、30mA 直流(主单元提供的内部电源)24(1+-10%)V、85mA 直流(主单元提供的内部电源) 占用 I/0 点数 占用 8 个 I/0 点(I/0 均可) 使用的控制器 FX1N/FX2N/FX2NC FX2N-2DA 模拟量输出模块的使用:经 D/A 转换后,模拟量通过双绞线把信号输出, 输出电压信号时,则将双绞线接到通道的 V、COM1 或 COM2 端。为了计算方便,将最大 模拟量输出 DC10V 所对应的数字量设定为 4000。对于与 FX2N 系列 PLC 的连接编程 主要包括不同通道数模转换的执行控制。在模拟量输出模块中有一个数据缓冲区, PLC 采用 T0 指令将需要被转换成模拟量输出的数据传送到该模块的数据缓冲区的有 关寄存器中,然后再由模块中的数模转换器将其转换成适当大小的模拟量输出。D/A 模块部分数据缓冲寄存器(BFM)的定义如下: BFM#16/bit7-bit0:转换数据的当前值(8 位); BFM#17:通道的选择与启动信号(bit0 为通道 2 选择与启动,bit0 的下降沿启动 通道 2 的转换;bitl 为通道 1 选择与启动,bitl 的下降沿启动通道 l 的转换;bit2 为转换数据暂存,bit2 的下降沿启动转换数据暂存)。 3.5 控制电路设计 3.5.1 安全运行电路设计 在施工升降机上、下运行时,抱闸应打开,其线圈应通电。施工升降机停止运 行时,抱闸应抱死,其线圈应通电。本系统是电动机控制泵的运转,而 KM1 是控制 电动机启停线圈,故可用 KM1 来控制抱闸线圈 YB 的通电与断电。 将所有楼层门开关串联在一起,控制门锁继电器 KA1,实现楼层门全部开关关 11 闭正常后施工升降机才能运行的控制。 将安全窗开关 SQ1、安全钳开关 SQ2、限速器开关 SQ8、急停开关(SB1、SB2)、 上下限位开关(SQ3、SQ4)、上下极限开关(SQ5、SQ6)、安全防坠器开关 SQ7、围栏 门关门到位开关 SQ12、断绳开关 SQ13、基站开关 SA1 以及热继电器触点 FR 串联在 一起,构成安全回路,控制安全运行继电器 KA2,只有当 KA2 吸合时,才允许 PLC 处于运行状态。因此,在 PLC 程序中只要检测 KA1、KA2 的通断便可保证 PLC 处于运 行状态。这样可以节省 PLC 的输出口,又可以实现在多种紧急情况下的立即停车。 图 3.4 为施工升降机的抱闸、门锁及安全运行电路。图 3.5 为施工升降机平层感应 器开关位置。由上、下平层感应器开关识别楼层位置信号和产生停车信号,在产生 停车信号后由平层感应开关生成制动信号。 图 3.4 升降机的运行电路 图 3.5 升降机的平层感应器开关位置 3.5.2 系统回电路设计 根据系统控制要求,主电路只要一台三相异步电动机用以驱动变量泵,并且该电 12 动机只需单方向旋转,因此可用一个接触器 KM1 进行控制。为了限制起动电流,减小 其起动时对电源电压的冲击,三相异步电动机采用星形-三角形降压起动方式。采用 电磁抱闸断电制动,接触器 KM1 断电释放时,电磁抱闸线圈 YB 使闸瓦制动器紧紧地抱 住与电动机同轴的制动轮,于是电动机迅速停转;当接触器 KM1 得电吸合并自锁时, 其主触点闭合,电磁抱闸线圈也得电,使抱闸的闸瓦与闸轮分开,电动机启动运转。电 动机采用带断相保护的热继电器 FR 做过载保护:当电动机过载时,热继电器 FR 常闭 触点串接在安全运行电路中;短路保护:短路时,熔断器 Fl 的熔体熔断而切断电路起 保护作用;欠电压、失电压保护:当线路出现过载、短路、失压、欠压故障时,具有 欠电压保护功能的断路器 QF 能自动分断故障路线。控制变压器 T1、T2 起降压、隔 离作用。急停车控制电路:按下急停按钮 SB1、SB2 有三种情况可能发生 1、接触器 KM1 失电,主电路断开,电机停转。2、安全运行电路中的动断触点 SB1、SB2 断开,安 全运行继电器 KA2 断开,PLC 电源断开;3、触点 SB1、SB2 闭合时,使 KM4 得电吸合 并自锁,限流电阻 R 通过 6 倍 FU 熔体额定电流,FU 立即熔断,电动机失电停止转动。 另外,PLC 供电电源-22OV、比例放大器电源 24V、安全运行电路电源-11OV、电磁换 向阀电源-22OV 均由电网获得。图 3.6 为升降机控制系统主回路图。 图 3.6 控制系统主回路 3.5.3 输入输出回路设计 将触摸屏及施工升降机运行过程中的各种输入信号,送入 PLC 的输入中构成其输 入电路图完成施工升降机运行的各种执行元件及指示施工升降机运行状态的各种显 示,均要受到 PLC 输出口的控制,构成其输出电路。其输入/输出电路如图 3.7 所示。 13 14 图 3.7 升降机 PLC 控制 I/0 图 3.5.4 PLC 的 I/O 存储地址分配及部分辅助继电器功能分配表 升降机输入输出设备及端子分配如表 3.3 所示。 表3.3 I/O分配表 输入 元件符号 名称及作用 输出 元件符号 名称及作用 X0 KA2 安全运行继电器 Y0 YV1 上行电磁阀线圈 X1 KA1 门锁继电器 Y1 YV2 下行电磁阀线圈 X2 SA1 基站开关 Y2 HL1 电源指示灯 X3 SQ10 开门到位开关 Y3 HL2 超载报警指示灯 X4 SQ11 关门到位开关 Y11 KM4 电磁抱闸接触器 X5 SQ3 上限位开关 Y5 KM1 电动机起动主接触器 X6 SQ4 下限位开关 Y6 KM2 Y型接触器 X7 SQ5 上极位开关 Y7 KM3 型接触器 X10 SQ6 下极位开关 Y10 HL4 吊笼开门到位指示 X11 1KR 上减速/下平层感 应器开关 X12 2KR 下减速/上平层感 应器开关 X13 SQ44 超载开关 X14 SB3 液压接通 X15 SB4 液压断开 X16 QF FR 电动机断路器 热继电器 X17 SB1、SB2 急停开关 X20 3KR 平层感应器开关 表3.8 部分辅助继电器功能分配表 元件符号 名称及作用 元件符号 名称及作用 M301M310 选层信号 M200 电机启动信号 M1012 触摸屏启动/停车信号 M103 停车信号 M100M102 上下行、停车信号 M106 制动信号 15 第四章 施工升降机控制系统的软件设计 4.1 PLC 系统软件及运行原理 PLC 的系统软件是 PLC 工作所必须的软件。只有在系统软件支持下,PLC 对用户 编写的应用程序进行解释,并加以执行,直到用户程序结束,然后返回到程序的起始又 开始新一轮的循环。PLC 的这种工作方式称为循环扫描工作方式。了解扫描工作方 式的工作过程对我们绘制更合理的用户程序有很好的帮助。下面将简要介绍这种工 作方式,然后探讨以下在编制程序时的相应的注意事项。PLC 的扫描工作方式主要包 括以下几个步骤。 1、扫描前的检查。PLC 在每次扫描前由系统软件安排一次自检,如果发现故障 则发出报警故障及报警性质。若为一般故障,PLC 报警,但不停机;若为严重故障,则 停止运行用户程序。 2、I/0 状态的刷新。包括两种操作:一是采样输入信号。PLC 的输入是生产现场 信号经过输入端子,进行光电隔离以提高抗干扰能力后送入缓冲器,当 PLC 进行输入 采样时缓冲器中的内容才送到 PLC 的输入映像寄存器,每次采样 PLC 从输入映像寄存 器中读取到各输入点的状态,因次输入映像寄存器的只有在采样时才会与输入信号一 致,其他时间输入映像寄存器的内容将保持不变;二是刷新输出信号。PLC 接受输入 后执行用户程序,将运算结果送至输出映像寄存器,在每次用户程序结束后进行刷新, 将输出映像寄存器中的运算结果送至输出锁存器,再通过输出驱动电路送到输出端子 驱动负载。与输入相类似,只有在输出刷新时输出状态才改变, 刷新后的状态要保持 到下次刷新为止。 由于通常来说 PLC 扫描周期很短(依赖于程序长短和扫描速度),每次 I/O 刷新时 间间隔很小,所以可以认为其输入输出是及时的。 3、用户程序的执行。用户程序执行时,按顺序从零步开始逐步执行直至程序结 束。执行时有监视定时器进行监视,当扫描出现异常而超时时,发出警告并禁止所有 输出。 4、执行外设指令。每次用户程序执行完成后,如果外设有中断请求,PLC 就进入 中断服务程序。否则 PLC 自动进行循环扫描。 上述便是 PLC 的工作过程。1、从其工作过程可见;2、扫描工作方式,输入、输 出原理上存在滞后,而且扫描周期越长,滞后越严重;3、扫描周期除了用户程序执行 时间还包括 PLC 自检时间和中断服务时间;4、程序合理设计可以很好降低输入输出 的滞后时间。在 PLC 应用程序编制时,不仅要尽量使用最少的语句实现相同的功能, 还要力求程序结构和语句顺序的合理性。 4.2 编程工具软件和编程语言 PLC 有多种编程语言:梯形图、助记符语言、逻辑功能图、布尔代数语言和某些 16 高级语言(如 BasicC 语言等)。由于梯形图是沿用电气控制电路的符号所组合而成 的图形语言,具有易学易用、简单明了、直观的特点被广大的工程技术人员所接受。 因次它是现在使用最为广泛的编程语言之一,几乎所有厂家的 PLC 都支持梯形图编程 (虽然各厂家的梯形图略有差异但原理和方式都差不多)。 由于各厂家的 PLC 在功能、结构上存在较大差别,在应用软件的编译上也大大不 相同。因此,没有适合于各个厂家 PLC 的编程工具软件。现在世界上各个 PLC 厂家都 研制了自己的 PLC 编程支持工具软件,用户可以根据自己所选的 PLC 来选择相应的编 程支持工具软件。此次课题研究选的是三菱系列 PLC,因此在进行应用软件的编制时 使用的是该公司的编程软件 GX Developer8.86,该软件支持三种编程语言输入即:梯 形图语言,指令语言,顺序功能图,而且这三种语言还可以通过编译进行相互转换。 4.3 控制系统的设计 本文的控制系统软件设计主要包括两个主要内容:一是 PLC 控制器的施工升降机 控制软件的设计开发;二是触摸屏显示监控软件设计开发。其中 PLC 程序包括信号 控制部分和速度控制部分。程序一开始,首先判断系统是否处于安全运行状态,在安 全运行状态下才进入施工升降机信号判断和控制的主程序。在主程序中,要判断电机、 液压系统是否有故障,根据这些判断刷新相应的输出。具体而言,它要实现的控制功 能有:层楼位置信号的产生与消除;选层指令信号的产生与清除、显示;停层信号的 产生与消除;停车制动;加速曲线产生;减速曲线产生。图 4.1 为程序流程图。 17 图 4.1 系统程序流程图 4.3.1 楼层位置信号记录 当施工升降机位于某一层时,应产生位于该层的信号,以控制触摸屏显示层楼所 处的位置,离开该层时,该楼层信号应被新的楼层信号(上一层或下一层)所取代。 D200 为施工升降机当前所在的楼层数,通过触摸屏显示出来。 X5 是上限位开关,装 开始 有无故障 呼层 停层信号 减速 速度达到最 大值运行 加速 液压系统 关闭 速度达到 最小值运 行 制动信号 速度是否 最小 速度是否 最大 电磁抱闸制动 Y-降压启动 读取升降机楼 层位置 有 无 有 有 有 无 无 无 无 是 是 否 18 在 30 楼,当施工升降机运行到 30 楼时,使 D200 为 30。X6 是下限位开关,装在 1 楼, 当施工升降机运行到 1 楼时,使 D200 为 1。在中间的某些楼层中,施工升降机上行时,每 上一层时,D200 加 1;当下行时,每下一层,D200 减 1。如果施工升降机楼层显示有误,只 要将施工升降机开到顶层或一层,马上就能显示正常。其梯形图如图 4.2 所示。 图 4.2 层楼位置信号记录 19 4.3.2 选层信号记录与显示 操作人员通过触摸屏上 1 楼-30 楼选层触摸操作,可以选择欲去的楼层。选层信 号 M301-M330 通过触摸屏置位后发送给 PLC 登记,并存储于 D201,同时触摸屏选层数 显示发亮。当施工升降机到达所选的楼层后,停层信号应被消除,触摸屏选层数也应 熄灭。其梯形图如图 4.3 所示。 20 21 图 4.3 选层指令信号记录梯形图 4.3.3 停车信号的发生与消除 施工升降机在停车制动之前,应首先确定其停车信号,即确定要停靠的楼层,每一 层产生一个停层辅助信号。1 楼停层的条件是施工升降机下行到 1 楼,30 楼的停层条 件是施工.升降机上行到 30 楼;中间层产生的条件是登记选层信号时并且施工升降机 到达该层。当施工升降机减速时间达到 1S 后,停车信号应该被取消。其部分梯形图 如图 4.4 所示。 22 图 4.4 停层信号的产生和消除环节程序梯形图 4.3.4 制动信号的生成 施工升降机在与上、下平层感应器配合,停车信号产生后,进行停车制动。停车 制动之前,应先产生停层信号,然后由平层感应器开关 X20 实现停车制动。为解决施 工升降机进入平层区间后才出现的停车信号致使施工升降机过急停车的问题,在上、 下平层感应器产生停车信号后执行平缓减速程序,直到以最小速度运行。当平层感 应器开关 X20 闭合时产生停车制动信号。其程序梯形图如图 4.5 所示。 图 4.5 制动信号的生成程序梯形图 施工升降机上行时,先接通上行减速信号 X11,若施工升降机到达该选层信号所在 层时,施工升降机开始减速,当达到平层信号 X20 接通时,施工升降机制动。T6 是减 速时间。施工升降机下行时,先接通下行减速信号 X12, 若施工升降机到达该选层信 号所在层时, 当达到平层信号 X20 接通时,施工升降机停止。 23 4.3.5 施工升降机减速曲线的实现 施工升降机在停车信号产生后,通过 PLC 的 DA 模块控制速度,执行平缓减速控 制,减速到最小值后以最小速度稳定运行。直到制动信号产生后,升降机执行电磁 抱闸制动迅速停车。其程序梯形图如图 4.6 所示。 24 图 4.6 减速停车程序梯形图 4.3.6 施工升降机加速启动曲线的实现 施工升降机启动的条件是吊笼门己关好,安全开关常闭触点闭合。若施工升降机 没有到达该选层信号所在层时,会产生上行信号或下行信号。施工升降机在上行或下 行的开始阶段,施工升降机实现 Y- 减压启动控制,之后由 PLC 的 DA 模块实现平缓 加速启动,直到速度达到最大值稳定运行。其程序梯形图如图 4.7 所示。 25 26 图 4.7 加速启动程序梯形图 27 第五章 控制系统抗干扰设计 5.1 电磁干扰类型和影响 影响 PLC 控制系统的干扰源与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干噪声干扰模式和噪声 波形性质来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,可分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同,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)电压迭加 所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电器供电时,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,影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统 I/0 模件损坏率较高的主 要原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的 干扰电压,主要由空间电磁场在信号间祸合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成 的,这种干扰叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。 5.2 PLC 系统干扰来源 1、来自空间的辐射干扰 空间辐射电磁场(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 系统置于其射频场内,就会受到辐射干扰,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;二是对 PLC 通信网络的辐射,由通信线 路感应引入干扰。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 第一类是来自电源的干扰。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和电流,尤其是电网内部 的变化、开关操作浪涌、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。PLC 电源通常采用隔离电源,但因其 机构及制造工艺等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。 第二类是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 通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰;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,这种往往非常严重。由信号引入 的干扰会引起 I/0 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 28 据变化、误动和死机。PLC 控制系统因信号引入干扰造成 I/0 模件损坏数相当严重, 由此引起系统故障的情况也很多。 第三类是来自接地系统混乱的干扰。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。当发生异常状态如雷击时,地线电流将更大。 此外,屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内 会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的藕合,干扰信号回路。若系统地与其它接 地处理混乱,所产生的地环流就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贮,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。 5.3 抗干扰措施 5.3.1 控制电源系统引发的干扰 采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰。在 PLC 控制系统中,电源占有极重 要的地位。电网干扰串入 PLC 控制系统主要通过 PLC 系统的供电电源(如 CPU 电源、 I
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