浅谈PLC课堂教学与安装调试

浅谈PLC课堂教学与安装调试
作者：李智强
来源：《职业·中旬》2011年第05期
随着PLC技术的广泛应用，企业对熟练掌握PLC编程、安装、调试、故障诊断类技工人才的需求日益增长。

针对市场对该类型人才的需求，各职业技工学校都加大了对PLC的课程教学和实践培训力度。

笔者将PLC课堂理论教学和PLC工程现场使用情况结合起来，通过向PLC控制的自动化系统研发、调试工程师以及系统维护人员的学习和调研，结合理论与实践，总结了学生学习、了解PLC现场运行过程中需要注意的一系列问题。

PLC作为一门应用型技术，将课堂的纯理论教学和工程现场实际使用工况结合起来，让学生对PLC的现场使用有所了解，一直是技工教育的重点和难点。

课本中介绍PLC适应于各种工业环境，但实际上，PLC对环境温度、湿度、电磁干扰、电源浪涌、安装方式等都有特定的要求。

为了保证PLC正常运行，在电气控制系统设计中，对其都会有特定的技术要求。

一、PLC使用的工作环境
教材对PLC工作环境的介绍比较少。

但是，在实际使用过程中，这是首先必须面对的问题。

一台PLC的可靠运行，必须有合适的工业环境。

无论是从事PLC的电气控制系统的设计人员，还是从事安装维护的工程技术人员，都必须清楚PLC所要求的使用工况，其中包括温度、湿度、空气、电源等。

1.温度、湿度
PLC对现场环境温度有一定要求。

一般水平安装方式要求环境温度为0-60℃，垂直安装方式要求环境温度为0-40℃，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

为了保证合适的温度、湿度，在PLC设计、安装时，必须考虑如下事项：
（１）电气控制柜的设计。

柜体应该有足够的散热空间。

柜体设计应该考虑空气对流的散热孔，对发热厉害的电气元件，应该考虑设计散热风扇。

（２）安装注意事项。

PLC安装时，不能放在发热量大的元器件附近，要避免阳光直射以及防水防潮；同时，要避免环境温度过大变化，以免内部形成凝露。

2.振动
PLC应远离强烈的振动源，防止10-55Hz的振动频率频繁或连续振动。

当使用环境不可避免振动时，必须采取减振措施，如采用减振胶等。

3.空气
避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。

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，并安装空气净化装置。

4.电源
PLC供电电源为50Hz、220（1±10%）V的交流电。

对于电源线来的干扰，PLC本身具有足够的抵制能力。

对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境，可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。

二、 PLC的安装与布线
PLC模块种类很多，常用的有CPU主模块、输入／输出扩展模块、模拟量输入／输出模块、热电偶模块、热电阻模块、各种通讯以及功能模块等。

不同的模块有不同的接线要求，但是总的原则如下所示：
1.配线注意事项
动力线、控制线以及PLC的电源线和I／O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I／O之间应采用双绞线连接。

2.远离干扰
PLC应远离强干扰源，如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备等，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。

3.导线的使用
尽量使用短导线，导线尽量成对使用，用一根中性或者公共线与一根信号线相配对使用。

4.信号线的注意事项
将交流线、高能量快速开关的直流线与低能量的信号线隔开。

5.外部电源注意事项
外部电源不要与DC输出点并联作为输出负载，这可能导致反向电流冲击输出。

三、PLC的I/O端接线
PLC模块价格相对较高，很多学生甚至老师都没有机会接触到实际的PLC控制线路，因而对PLC输入、输出口的电气特性印象朦胧，以为PLC的输入、输出口的接法都是一样的。

实际上，不同型号PLC的输入输出口电气特性是不同的，因此，针对不同型号的PLC，要弄清楚它的电气特性。

PLC的I／O端接线，应该遵循如下原则：
1.输入接线
注意输入电源特性，输入接线一般不要超过30米。

但是，如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些；输入/输出线不能用同一根电缆，输入/输出线要分开；尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。

2.输出连接
（１）电源的选择。

输出端接线分为独立输出和公共输出。

在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。

但是，在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。

（２）输出元件的保护。

由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。

因此，应用熔丝保护输出元件。

（３）继电器的选择。

采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命。

因此，使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。

（４）控制干扰。

PLC的输出负载可能产生干扰，因此，要采取措施加以控制，如直流输出的续流管保护、交流输出的阻容吸收电路、晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。

四、PLC的外部安全电路
教材中的PLC控制线路图很少，图例也只是局部的功能说明，学生很难了解一个真正的基于PLC的电气系统的控制原则和原理。

任何一个电控系统，首先必须是一个安全的系统。

例如，一方面确保操作人员的安全，另一方面尽量保证设备运行的安全，出现任何故障都要有最佳的保护方式。

为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。

1.电路急停
对于对操作、维护人员的人生安全有危险的设备，在控制线路中，必须设置急停电路。

操作、维护人员需要在危险发生的第一时间，紧急切断电路，将损失降低至最小。

2.电路保护
正反向运转等可逆操作的控制系统，要设置外部电器互锁保护；往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。

3.外电路防护
可编程控制器要有监视定时器等自检功能，检查出异常时，输出要全部关闭。

但是，当可编程控制器CPU发生故障时，就不能控制输出。

因此，对于会对用户造成伤害的危险负载，为确保设备在安全状态下运行，需设计外电路加以防护。

4.电源过负荷的防护
如果PLC电源发生故障，中断时间少于10秒，PLC工作不受影响；若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开。

当电源恢复时，若RUN输入接通，则操作自动进行。

因此，对一些易过负载的输入设备，应设置必要的限流保护电路。

5.重大故障的报警与防护
对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。

五、PLC的接地
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。

PLC 的接地线与机器的接地端相接，接地线的截面积应不小于2mm2，接地电阻小于100Ω；如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点接在一起。

为了抑制加在电源、输入端及输出端的干扰，应给PLC接上专用地线，接地点应与动力设备（如电机）的接地点分开；若达不到这种要求，也必须做到与其它设备公共接地，禁止与其它设备串连接地。

接地点应尽可能靠近PLC。

六、冗余系统与热备用系统
石油、化工、冶金等行业的某些系统，要求控制装置有极高的可靠性。

如果控制系统发生故障，将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏，给企业造成极大的经济损失。

但是，仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求，是远远不够的，因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。

使用冗余系统或热备用系统，能够比较有效地解决上述问题。

1.冗余控制系统
在冗余控制系统中，常采用的是中央处理单元冗余，即CPU一主一备甚至一主多备。

当主处理单元故障失效时，备用的处理单元能够自动的投入运行，接管控制，保证整个控制系统的不间断运行。

在主备处理器控制权的交接方式上，可以分为硬件冗余和软件冗余。

硬件冗余就是通过增加特定的热备模块，自动检测主处理器的工作状态，一旦检测到主处理单元故障失
效，马上无干扰启动备用的处理单元；软件冗余通过程序完成故障检测和切换工作。

对切换时间要求不是太严格的场合，采用软件冗余，是比较经济有效的。

2.热备用系统
冗余控制系统基本可以实现主、备CPU的瞬时无扰切换，但是造价相对昂贵，对一些对时间要求不是很严格的控制系统来说，采用热备用系统相对经济实惠。

热备用系统就是通过通讯口把两个CPU单元连接在一起，两者都处于通电状态。

但是，只有一台处于控制状态，另一台处于备用状态。

当主CPU出现故障，主CPU通知备用CPU自行启动，接过系统控制权，从而保证整个系统的不间断运行。

以上是笔者对PLC教学中的一些总结，主要目的是让学生初步明白PLC现场运行时所应注意的一系列问题，为今后工作打下良好基础。

（作者单位：广东省韶关第二高级技工学校）。