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提高 PLC 控制系统 的可靠性研究

单位:京博农化科技股份有限公司 作者:许学军 日期:2014 年 12 月 4 日



根据本公司的设备离心机讲解
提高 PLC 控制系统的可靠性研究
单位:京博农化科技股份有限公司 作者: 许学军

可编程序控制器是在程序控制器和微机

控制的基础上发展起来的微机技术 跟继电器常规控制概念相结合的产物,并已成为自动化控制系统的基本装置。用 PLC 来控制系统设备,其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。 就三菱的 F 系列,据称其平均无故障时间已达 30 万小时。所以,整个 PLC 控制 系统的可靠性,主要取决于 PLC 的外围设备,比如输入器件中的行程开关、输 出器件中的接触、继电器和电磁阀等。另外,从软件程序的编制来考虑,如果能 编制出一个带有监控的程序,对提高系统的可靠性也有很大好处。 下面就如何提高 PLC 控制系统的可靠性进行一些探讨。简述了影响可编程 序控制器控制系统可靠性的主要因素,并就可编程序控制器的工作环境、电源的 要求、接地和连接线的方式、降级操作设计、控制系统的输入电路和输出电路与 可编程序控制的软件程序编制等多个方面,提出了一些可行的方法和措施。 关键词:可编程序控制器;外围设备;软件程序;可靠性。


第 1 章:



从 PLC 外围设备来考虑提高 PLC 的可靠性…………5

1.1 工作环境的要求……………………………………………....5 1.2 电源的要求…………………………………………………...5 1.3 接地和接线…………………………………………………...5 1.4 PLC 的 I/O 电路……………………………………………...6 1.5 离心机 I/O 点及影响可靠性因素…………………………...6 第二章 从 PLC 的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性……...7 2.1 运行状况超时检测………………………………………….7 2.2 逻辑错误检测…………………………………………….…8 2.3 开机初始化程序…………………………………………….8 2.4 降级操作设计……………………………………………….9 第三章 结束语……………………………………………………….9





可编程序控制器(以下简称 PLC)是在程序控制器和微机控制 的基础上发展起来的微机技术跟继电器常规控制概念相结合的产物, 从广义上讲,PLC 是一种计算机系统,比一般计算机具有更强的与工 业过程相连接的输入输出接口,并已成为自动化控制系统的基本装 置。PLC 已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中, 已基本取代了传统的继电器和接触的逻辑控制。用 PLC 来控制系统 设备,其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就 PLC 本身而言,平均无故障时间一般已可达 3 万~5 万小时:而三菱 的 F 系统,据称其平均无故障时间已达 30 万小时。所以,整个 PLC 控制系统的可靠性,主要取决于 PLC 的外围设备,比如输入器件中 的行程开关、按钮、接近开关,输出器件中的接触器、继电器和电磁 阀等。 离心机上面带的外围元件主要有: 按钮、 磁力开关、接近开关、 继电器和电磁阀; 维护保养好这些外围元件是保障设备正常运行的必 要条件。另外,从软件程序的编制来考虑,如果能编制出一个带有监 控的程序,对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高 PLC 控制系统的可靠性进行一些探讨。

第一章

从 PLC 外围设备来考虑提高 PLC 的可靠性

PLC 是专为工业生产环境而设计的控制设备,当工作环境较为恶劣,如电磁 干扰较强,湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时,会使控制系统的可 靠性受到影响。

1.1 工作环境的要求
一般 PLC 工作的环境温度应在 00C-550C 的范围, 并要避免太阳光直接照射; 安装时要远离的热源,保证足够大的散热空间和通风条件;空气的相对湿度应小 于 85%,不结露,以保证 PLC 的绝缘良好。PLC 应避免安装在有振动的场所; 对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求, 安装减振橡胶垫或采取其他防 振措施。空气中有粉尘和有害气体时,应将 PLC 封闭安装.。

1.2 电源的要求
不同的 PLC 产品,对电源的要求也不同,这里包括电源的电压等级、频率、交 流纹波系数和输入输出的供电方式等。 对电磁干扰较强、而对 PLC 可靠性要求以较高的场合,PLC 的供电应与动 力供电和控制电路供电分开,必要时,可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联 LC 滤波电路等。在设计时,外接的直流电源应采用稳压电源,供电功率应留有 20%-30%的余量。 对由控制本身提供的真流电源, 应了解它所能提供的最大电流, 防止过电流造成设备的损坏。

1.3 接地和接线
(1)PLC 的良好接地是正常运行的前提,在设计时,PLC 的接地应与动力设备的 接地分开,采用专用接地;如不能分开接地时,应采用共用接地;绝对禁止采用共通 接地方法.如图 1 所示,接地点应尽可能靠近 PLC,接地线的径应大于 4mm,接地电 阻一般应小于 10 欧姆

PLC

外设备

PLC

外设备

PLC

外设备

(a)专用接地

(b)共用接地 图1 接地方法

(c)共通接地

(2)PLC 的接线包括输入线和输出接线。输入接线的长度不宜过长,一般

不大于 30m;在线路距离较长时,可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线 的 COM 端与输出接线的 COM 端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应 分开设置。必要时,可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信 号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆,屏蔽层的接地端应为一点接地,接地点 宜在控制器侧。

1.4 PLC 的 I/O 电路
(1)由于 PLC 是通过输入电路接受开关量|、模拟量等输入信号的,因此输入 电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性, 比如: 按钮、 行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限 位开关是比较容易产生故障的元件,在设计时,应尽量选用可靠性高的接近开关 代替机械限位开关。此外,按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠 性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例,图 2 和图 3 所示的是两个控制线 路和它们对应梯形图,这两个控制线路的控制功能完全一样,按下起动按钮,输 出动作;按下停止按钮,输出断开;但它们的可靠性不一样,假设输出断开为安 全状态,那么图形 3 的可靠性要比图 2 的高,这是因为 SBI、SB2 都有发生故障 的可能,而最常见的现象是输入电路开路。当采用图 3 电路时,不论 SBI、SB2 开关本身开路还是接线开路,输出都安全状态,保证了系统的安全和可靠。
X001 X002 X001 X002

图2

起,停控制线路

图3

起,停控制线路

(2)在输入端有感性负荷时 ,为了防止反冲感应电势损坏模块 ,在负荷两端并 接电容 C 和电阻 R(交流输入信号),或并接续流二极管 D(直流输入信号).如图表 4 所示,在采取交流输入方式时,CR 的选择要适当才能起到较好的效果。通过试 验装置的测试,当负荷容量在 10VA 以下,一般 0.1 微乏+120 欧姆;负荷容量在 10VA 以上时,一般选 0.47 微乏+47 欧姆较适宜.要采取直流输入方式时,经试验得 知,二极管的额定电流应选为 IA,额定电压要大于电源电压的 3 倍。

P L C
(a)交流输入方式 图4 (b)直流输入方式 输入端有感性负荷时的方式

P L C

(3)在输出端有感性负载时 ,通过试验得知,若是交流负载场合, 应在负载 的两端并接 CR 浪涌吸收器;如交流是 100V、200V、电压而功率为 400VA 左右时,CR 浪涌吸收器为 0.47UF+47 欧姆,如图 5 所示.CR 愈靠近负载,其 抗干效果愈好;若是直流负载场合,则在负载的两端并接续流二极管 D,如图 6 所示.二极管也要靠近负载,其反向耐压应是负载电压的 4 倍.

P L c
图5 输出端交流感性负载

P L c
图6 输出端直流感性负载

1.5 离心机 I/O 点及影响可靠性因素
(1)下图为 PLC 接线图:

PLC

图7

PLC 接线图

X0 为升降阀上限位,x1 为升降阀下限位,x2 为刮料阀前限位,x3 为刮料 阀后限位,x4 为紧急停止,x5 油泵旋钮,x6 为手自动旋钮,x7 为启动按钮,x8 为复位按钮,x9 为上料按钮,x10 为刮料按钮,x11 为料位信号,y0 为中速,y1 为低速,y2 为液压电机,y3 为刀转阀,y4 为刀上下阀,y5 为进料阀,y6 为刀 退阀,y7 为料位阀,y8 为自动指示,y9 为手动指示,y10 为复位指示。 工作原理:油泵旋钮旋转 x5 接通,手自动旋钮旋转 x6 接通,启动按钮按下 x7 接通,程序在自动运行状态。按下上料按钮 X9 接通,设备中速运行,转速稳 定后开始进料,料满后关闭进料阀,开始脱液。按下刮料按钮 x10 接通,设备转 为低速运行,转速稳定后,刮刀旋进并下降开始刮料,刮刀下降到底完成一个循 环,按下复位按钮 x8 接通,刮刀返回原位设备停止转动。 (2)影响可靠性因素:因环境原因,刮刀上下限位传感器与前后限位传感 器经常坏,造成卸料不能运行。料位传感器经常坏,进料阀不能关闭跑料。从以 上因素来看维护保养是保证设备正常运行的必要条件。

第二 章 :从 PLC 的软件程序来虑提高控制系统的可靠性
2.1 运行状况超时检测 为了提高 PLC 控制系统工作的可靠性,可以专门设置一个定时器,作为监控程 序部分,对系统的运行状态进行检测 .若程序运行能正常结束 ,则该定时器就即被 清零,若程序运行发生故障 ,如出现死循环等 ,该定时器在设定的时间内就无法清 零,此时 PLC 发出报警信号.在设计应用程序时,使用这种方法来实现对系统各部 分运行状态的监控.如果用 PLC 来控制某一对象时,编制程序时可定义一个定时器 来对这一对象的运行状态进行监视,该定时器的设定时间即为这一对象工作所需 的最大时间,当启动该对象运行时,同时也启动该定时器,若该对象的运行程序 在程序在规定的时间结束工作,发出一个工作完成信号,使该定时器清零,说明 这一对象的运行程序正常,否则属运行不正常,发出报警信号或停机信号。监控 程序的梯形如图 8 所示, 图中定时器 T1 为检测元件, X001 为控制对象动作信号,

X002 为动作完成信号, M2 为报警或停机信号。 假设被控对象运行程序完成一次 循环需要 50s,则定时器 K,值可取 510(T1 为 100ms 定时器) 。当 X001=1 时, 被控对象运行开始,T1 开始计时,如在规定的时间内被控对象的运行程序能正 常结束,则 X002 动作,M1 复位,定时器 T1 被清零,等待下一次循环的开始; 若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号,则判断为故障,T1 的触 点闭合,接通 M2 发出报警信号或停机信号。

图8

动作超时检测程序

2.2 逻辑错误检测
在系统正常运行时,可编程序控制器的输入、输出信号和内部信号(如辅助 继电器的状态)相互之间存在着确定的关系,如出现异常的逻辑信号,则说明出 现了故障。因此,可以编写一些常见故障的异常逻辑关系,一旦异常逻辑关系为 NO 状态,就应该按故障处理。例如某机械运动过程中先后有两个限位开关对应 的 PLC 输入地址分别为 X001,X002,在两个信号不会同时为 NO 状态,如果他 们同时为 NO 状态,就说明至少有一个限位开关被卡死,应该停机处理。如图 9 梯形图中,这两个限位开关对应的输入继电器的常开触点 X001,X002 串联,来 驱动一个表示限位开关故障的辅助继电器 M0,当 M0 为 NO 状态时就发出报警 信号或停机信号

图 9 逻辑错误检测程序

2.3 开机初始化程序与特殊辅助几点起的作用
(1) : 利用另一款离心机程序截图介绍开机初始化程序,如图 10:

图 10

开机初始化程序

PLC 上电后,初始化脉冲辅助继电器常开触点闭合,区间复位动作,使 y000-y013(包括 y000 与 y013)输出全部断开。区间复位动作,使 m400-m499(包 括 m400 与 m499)辅助继电器全部断开。使数据传送块 MOV 动作,将常数 1 传送给 D150。使计数器 C1 复位,使状态继电器复位,使计数器 C15 复位,使

设备达到初始化状态。 运行监控辅助继电器常开触点闭合,使运算块 SUB 动作,数据存储器 D220 内数据减去常数 1 存入 D222。使数据传送块 MOV 动作,将常数-1 传送给 D1。 使数据传送块 MOV 动作,将常数-1 传送给 D2。比较块动作,当 D8030 内数据 大于常数 100 时 M200 动作。 紧急停止按钮 x005,油泵热机故障出点 x006,变频器故障触点 x007,时间继电 器 t40 常开触点,任何一个闭合 m112 动作,数据传输块 MOV 动作将常数 7 传 送给 D150,设备停机;复位按钮 x015,时间继电器 t40 常开触点,任何一个闭 合 m215 动作,设备停机;M215 常开触点闭合,m109 复位,C1 复位,区间复 位块动作,状态继电器 s0-s50 复位,C15 复位;手动旋钮 x12 闭合,y016 动作, 手动指示灯亮; x12 常开触点闭合, 常闭触点断开, y015 不动作, 自动指示灯灭; 刮刀上限位 x000 闭合,刮刀前限位闭合或 m200 不动作,y017 动作,复位指示 灯亮。 (2)特殊辅助继电器的功能:m8000 运行监控,运行时常开;m8001 运行监 控,运行时常闭;m8002 初始化脉冲,运行后输出一个扫描周期的开;m8003 初始化脉冲,运行后输出一个扫描周期的关; m8004 出错发生;m8011 10ms 时钟;m8012 100ms 时钟;m8013 1s 时钟;m8014 1min 时钟;m8015 计时 停止和预置;m8016 停止显示时间;m8018RTC 检出;m8019RTC 出错‘m8034 全输出禁止; m8035 强制运行模式; m8036 强制运行指令; m8037 强制停止指令; m8038 参数设定。

2.4. 降级操作设计
降级操作是指在设计时,将手动操作包括在内的设计,例如,紧急停车的 设计,关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样,一旦发生故障,可采用降 级的操作, 即对部分或全部设备进行手动的开停操作, 以避免设备的损坏或对 人 员的伤害。此外,在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。

第三章:结束语

PLC 控制系统的工作可靠性与多种因素有关,有此客观因素也影响着控制系 统的稳定性.通过采取设计正确的硬件线路、选择质量高的元器件、改善工作环 境、编制监控程序等措施,可以使 PLC 控制系统的工作可靠性和稳定性得到很 大的提高。

参考文献

(1) 三菱公司 . FX2 系列可编程序控制器使用手册. (2)周丽芳等主编 三菱系列 PLC 快速入门与实践

人民邮电出版社


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