PLC的现场总线技术

PLC的现场总线技术（精选7篇）

PLC的现场总线技术 篇1

在传统的自动化工厂中,位于生产现场的许多设备和装置,如:传感器、调节器、变送器、执行器等都是通过信号电缆与计算机、PLC相连的。当这些装置和设备相距较远、分布较广时,就会使电缆线的用量和敷设费用大大地增加,造成了整个项目的投资成本增加、系统连线复杂、可靠性降低、维护工作量增大、系统进一步扩展困难等问题。因此人们迫切需要一种可靠、快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线,将分散于现场的各种设备连接起来,实施对其监控。现场总线(Field Bus)就是在这种背景下产生了。

1 现场总线的概念

根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF(Fieidbus Foundation)的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的,数字化,智能化的测量和控制设备作为网络的节点,用总线相连,实现信息的相互交换,使得不同网络,不同现场设备之间可以信息共享。现场设备的各种运行参数状态信息以及故障信息等通过总线传送到远离现场的控制中心,而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备,从而建立起了具有自动控制功能的网络。

现场总线的节点是现场设备或现场仪器,但不是传统的单功能的现场仪器,而是具有综合功能的智能仪表。例如,温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能,而且具有PID控制和运算功能;调节阀的基本功能时信号驱动和执行,另外还有输出特性补偿、自效验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性,采用总线供电,具有本质安全性。

现场总线不仅是一种通信技术,也不仅是用数字仪表代替模拟仪表,关键是用新一代的现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)代替传统的集散控制系统DCS(Distributed Control System),实现现场通信网络与控制系统的集成。

2 现场总线的发展

现场总线始于20世纪80年代,到90年代其技术日趋成熟,并受到世界各自动化设备制造商和用户的广泛关注。它成为自动化技术发展的热点,并导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

一般把控制系统的发展分为五代。

1)第一代控制系统:50年代前的气动信号控制系统PCS。

2)第二代控制系统:4~20m A等电动模拟信号控制系统。

3)第三代控制系统:基于数字计算机的集中式控制系统。

4)第四代控制系统:70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。

5)第五代控制系统:以开放性、分散性与数字通信为特征的现场总线控制系统FCS。

PLC的生产商也将现场总线技术应用于各自的产品之中,构成工业局域网的底层,使得PLC网络实现了真正意义上自动控制领域发展的一个热点,给传统的工业控制技术带来了有一次革命。

3 现场总线的主要特点

1)全数字化通信:采用现场总线技术后只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备(智能化的、具有通信口)连接起来,提高了信号传输的可靠性。

2)系统具有很强的开放性:这里的开放是指对相关标准的一致性和公开性,用户可按自己的需要和对象,把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

3)具有强的互可操作性与互用性:实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信,不同生产厂家的性能类似的设备可以进行互用。

4)现场设备具有智能化与功能自治性:它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。

5)系统结构的高度分散性:由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中于分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构。

6)对现场环境的适应性:工作在现场设备前端,作为工厂网络底层的现场总线,是专为现场环境工作而设计的,它可支持多种转输介质,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送点与通信,并可满足本质安全防爆要求等。

4 几种主要的现场总线协议及其特点

现场总线发展的最初,各个公司都提出自己的现场总线协议,如AB公司的Device Net、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的Inter Bus-S等。经过十几年的发展,现场总线的协议逐渐趋于统一。针对制造业自动化,Device Net在北美和日本用得比较普遍,PROFIBUS-DP在欧洲用得比较普遍。针对过程自动化,PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如ASI、Inter Bus-S、Sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场。

下面介绍几种主要的现场总线协议及其特点。

1)PROFIBUS

PROFIBUS是在1987年,由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量,按照ISO/OSI参照模型制订的现场总线的德国国家标准,并已成为欧洲标准EN50170,主要由拥有400多个公司成员的PROFIBUS用户组成(PNO)进行管理。

PROFIBUS有3部分组成,即PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。

2)Device Net

Device Net(设备网)是一种低价位的总线,最初由AB公司设计,现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议,可连接自动化生产线系统中广泛的工业设备。它的管理组织ODVA由全球多家公司组成,提供设备网的产品、支持设备网规范的进一步开发。

Device Net能够降低设备安装的费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通信。并且能够提高设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS-DP,Device Net具有更强大的通信功能,支持除了主-从方式之外的,多种通信方式,可以更灵活地应用于控制系统中。

3)Foundation Fieldbus

高级过程控制现场总线Foundation Fieldbus(基金会现场总线)是针对过程自动化而设计的,它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。Foundation Fieldbus通信不是简单的数字4~20m A信号,而是使用复杂的通信协议,它可连接执行简单的闭环算法(如PID)的现场智能装置,一个通信段可配置32各现场装置。

4)Lon Works

Lon Works(Local Operating Network)由美国Ecelon公司推出,它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议,采用了面向对象的设计方法,通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通信速率从300bit/s至15Mbit/s不等,直接通信距离可达2700m(78kbit/s,双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光线、射频、红外线、电源线等多种通信介质,被誉为通用控制网络。

5)CAN

CAN是控制网络Control Area Network的简称,最早由德国BOSCH公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。

CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的,但其模型结构只有三层:OSI底层的物理层、数据链层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线,通信频率最高可达1Mbit/s/40m,具有较强的抗干扰能力。

6)HART

HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。最早由Rosemout公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持。HART通信模型也是由三层组成:物理层、数据链路层和应用层。物理层采用了FSK(Frequency Shift Keying)技术,在4~20m A模拟信号上叠加一个频率信号,数据传输速率为1200bit/s,逻辑“0”的信号频率为2200Hz,逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。

5 PROFIBUS简介

各类现场总线协议具有各自的特点及应用领域,为进一步说明现场总线技术的特点,以下对PLC系统中应用较广泛的PROFIBUS作一简要介绍。

5.1 PROFIBUS的组成

PROFIBUS主要由三个相互兼容的部分:PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP组成。

1)PROFIBUS-DP(Distrbuted Periphery):一种高速(数据传输速率9.6kbit/s~12Mbit/s)、经济的设备级网络,主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信,可满足快速响应的时间要求;位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS-DP同分散的现场设备进行通信。

2)PROFIBUS-PA(Process Automation):它是专为过程自动化所设计的协议,可用于安全性要求较高的场合。

3)PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification):可以用于车间级监控网络,FMS提供大量的通信服务,用以完成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言,它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性,通常用于大范围,复杂的通信系统。

5.2 PROFIBUS协议结构

PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础,第一层为物理层,定义了物理的传输特性;第二层为数据链路层;第三层至第六层PROFIBUS未使用;第七层为应用层,定义了应用的功能。

PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信标准中的第一及第二层(即物理层和数据链路层)和用户接口层。第三层到第七层未使用,这种的精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序(DDLM)提供对第二层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能,以及各类型的系统和设备的行动特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于PLC与现场级分散的I/O设备之间的通信。

PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参数模型的第一层相同,采用EIA-RS485协议,如图1所示。

图1中两根数据线通常被称为A线和B线,分别对应RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信号。根据数据线传输速率的不同,可选用双绞线和光纤两种传输媒体。

PROFIBUS采用了统一的介质存取协议,由OSI参考模型的第二层来实现,并提供了两种基本介质存取控制方式:令牌总线和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致,主从方式的数据链路协议与局域网标准不同,它符合HDLC中的非平衡正常响应模式(NRM)

HDLC中的非平衡正常响应模式的工作特点是:总线上一个主站控制着多个从站,主站与每一个从站建立一条逻辑链路:主站发出命令(Command),从展给出响应(Respond),主站与从站间传输帧的格式如图2所示。从站可以连续发出多个帧,直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段:数据链路建立、帧传输和数据链路释放。

对图2的各项说明如下。

1)F为帧标志字段(8位)

2)A为从站地址字段。

3)C为控制字段,表示帧类型、编号、命令和控制信息。该字段将HDLC帧分为3种类型:信息帧(I)、监控帧(S)、和无编号帧(U)。其中信息帧用于应用数据(Useful Date)的传输并捎带应答;监控帧用于监视链路上的正常操作,对链路状态做出各种响应(如认可帧、请求重传或暂停等);无编号帧(不含信息字段)用于传输各种无编号命令和响应,例如建立链路工作模式,释放链路及报告特殊情况等

4)信息字段由PKW和PZD两部分构成。PKW(Parameter ID)用于读写参数值,如写入控制字或读出状态字等,一般为4Byte长;而PZD(Process Date)用于存放控制器的具体控制值,设置站点或状态字的参数,一般为2~10Byte长。

5)FCS是帧校验字段,它对整个帧的内容进行循环冗余码(CRC)校验。该HDLC帧最长可达24Byte。

PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层,而是自行设置了一个用户层,即用户接口。该层定义了DP的功能、规范与拓展要求等。

综上所述,PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖与设备生产商的现场总线标准,在制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。特别是,PROFIBUS在满足实时性方面有更大的特点,PROFIBUS-DP的实时性远高于其他局域网,因而特别适用于工业现场。

PROFIBUS在我国的应用也较为广泛。2001年11月,PROFIBUS现场总线成为中华人民共和国机械行业标准JB/T10308.3-2001。

参考文献

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[4]张建.计算机测控系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[5]周其节.自动控制原理[M].广州:华南理工大学出版社,1989.

[6]周明.现场总线控制[M].北京:中国电力工业出版社,2001.

[7]王慧锋,何衍庆.现场总线控制系统原理及应用[M].北京:化学工业出版社,2006.

PLC的现场总线技术 篇2

关键词：煤矿,运输,PLC,分布式,控制

煤矿胶带运输系统是煤矿生产的重要环节, 它的安全高效运行受到很大的重视, 现在煤矿生产规模不断扩大, 使得胶带运输系统分布更加广泛、变化更加频繁、信息更加分散, 因此对胶带机运输系统的控制和管理提出了更高的要求。科学技术的日新月异, 使得用计算机技术、网络技术、工业控制器技术构造胶带输送控制系统成为可能, 并正在各大煤矿胶带运输系统中广泛应用, 其中基于PLC的分布式控制系统及现场总线技术表现最为突出。

分布式控制技术的主要思想是把复杂的对象划分为若干子对象, 然后用局部的控制器作为现场级, 直接作用到被控对象, 上级是操纵各局部控制器的控制中心上位机, 它使各子系统协调配合, 共同完成系统的总任务。图1为煤矿胶带运输系统分布式控制的两极结构图。

分布式控制系统中, 各PLC控制分站是通过现场总线网络接口连接在一起, 各PLC控制分站具有独立工作能力, 可自主完成既定的任务, 如数据采集、处理、监视、操作和控制等, 从而解决了系统的分散问题和空间分布多分支的矛盾。在此系统中, 各分站是通过现场总线通讯网络传送各种信息, 由控制中心上位机协调工作, 上位机是由工业控制计算机为核心构成的, 以完成控制系统的总体功能和优化处理, 这个特点保证了胶带运输系统的运行连续性和合理性。总的来说, 就是控制各胶带的分站, 通过网络传递各种信息, 由集控中心上位机使得各胶带输送机的运行得到统一的集中管理, 从而使运行更加合理。上位机还可以与煤矿局域网连接, 作为企业网的一个节点, 向全矿发送或接受各种信息。

由于煤矿生产能力、地址条件、采掘、运输和提升方式的不同, 煤矿胶带运输系统的组成存在很大的差异。同时由于工作面的迁移, 使得采区、顺槽等分支经常变更, 只有采用积木式控制系统结构, 才能满足运输系统在规模、结构上的差异, 才能满足分支系统经常变更的需要。由于各分站可以独立地完成对单台胶带输送机的控制、显示和操作, 集控中心站又能集中管理、显示和操作, 这种结构能很好地适应运输上的集中、管理上分块的管理体系。因此, 煤矿胶带运输系统采用分布式结构是合理的, 它通过功能分散、危险分散, 提高了煤矿胶带运输系统的可靠性。由于采用了分级分布的控制方式, 解决了整个运输系统控制对象比较分散的矛盾, 从而使整个控制系统更加安全、可靠。

PLC的现场总线技术 篇3

现场总线技术顺应了“智能化, 数宁化, 信息化, 网络化, 分散化”的当今自控技术发展的主流, 是当今自动控制技术发展的热点, 代表了工业控制领域今后的一种发展方向, 使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃, 形成厂新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS (Fieldbus Control System) , 对传统的集散控制系统Dcs (Distribution Control System) 造成了冲击。现场总线正逐步在过程自动化, 制造自动化, 智能楼宇, 交通等各行业得到推广应用。

2 现场总线

2.1 Fieldbus技术特点

2.1.1 开放性、互操作性和互换性

遵循公开统一的技术标准, 可实现设备互操作性和互换性。也就是说, 用户可以把遵守相同标准的不同厂家、不向品牌、功能相同的产品集成在同一个系统内, 构成FCS, 并可在同功能的产品之间进行相互替换, 使用户具有了自控设备选择、集成的主动权。

2.1.2 数字化通信

现场设备具有数字通信功能。利用数字信号代替模拟信号, 其传输抗干扰性强, 测量精度高, 大大提高了系统性能。

2.1.3 智能化与功能自治性

智能化的现场设备可以实现多种先进的功能, 如简单控制功能、检测、变换、诊断和运算等, 可现场就地及时处理信息, 不使信息过多地往返于网络上传递, 提高传输速度和减小控制响应时间。

2.1.4 高度分散性

现场设备智能化, 实现彻底的分散控制, 位控制系统功能不依赖控制室的计算机或控制仪表, 而在现场完成, 简化了系统结构, 提高了可靠性。

2.1.5 适应性

指对现场环境的适应性, 含电磁环境, 气候环境, 机械环境。大部分现场总线结构是线状的, 且采用两线制实现供电和通信, 易解决网络供电、本安防爆等问题, 具有较强抗干扰能力。

3 DCS

3.1 DCS的产生

70年代工业的发展使生产过程日益复杂, 规模更加扩大, 在生产中采用原来的集中控制系统, 可靠性差, 出现事故时会中断生产, 为提高可靠性, 满足生产过程控制要求, 70年代初, 美国日本利欧洲等国开始研制集散型控制系统 (DCS) 。DCS是计算机、通信、CRT和控制技术的结合。

3.2 DCS的技术特点

系统的-些主要特点为: (1) 控制功能强。可实现复杂的控制规律, 如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等, 也可实现顺序控制。 (2) 系统可靠性高。 (3) 采用CRT操作站有良好的人机交互接口。 (4) 软硬件采用模块化积木式结构。 (5) 系统容易开发。 (6) 用组态软件, 编程简单, 操作方便。 (7) 具有良好的性价比。在DCS系统中, 测量变送, 执行器一般由模拟仪表来完成, 他们与控制室的监控计算机共同构成控制系统, 是模拟和数字混合系统, 可实现高级复杂规律的控制。

4 PLC

可编程控制器 (PLC) 是60年代发展起来的一种自动控制装置, 是一种嵌入式的工控机, 他以顺序控制为主, 回路调节为辅, 能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能, 既能进行开关量控制, 又能进行模拟量控制, 还具有通信功能。随着自动控制技术, 计算机技术和微电子技术的迅猛发展, PLC的发展十分迅速, 一方面继续开发简易, 价格低廉, 超小型产品, 另一方面转向大型、多功能、系列化、标准化、智能化产品的研制。在单台设备的自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程自动化, PLC在其中充当着重要作用。

5 发展应用

当计算机网络技术, 特别是互联网技术得到广泛应用后, 人们对企业生产过程的控制提出了更高的要求, 企业与外界信息沟通的范围不断扩大, 这就需要把大量的现场信息送到外面, 又需要远程对现场进行诊断、维护和服务, 实现从现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。现场总线顺应了这种要求的发展。

现场总线的优点为: (1) 系统功能扩充、结构改型方便。 (2) 降低系统部分成木。节省控制柜, 大幅度减少导线、电线桥架、接插件等, 系统结构简洁。 (3) 系统可靠性高。由于全数字化信号精度比传统的模拟信号高, 高度分散控制使风险得到彻底分散。 (4) 系统可维护性好。智能化的现场设备具有自诊断功能, 使设备的预防性诊断和维护得以实现。 (5) 用户具有高度的系统集成主动权。在传统控制系统集成中遇到的不兼容协议、接口等问题得到了解决, 用户可以自由选择不同厂商所提供的产品来集成系统。 (6) 提供更丰富的现场信息, 能够更深入地掌握现场生产过程情况、设备仪表信息。

作为开放互连系统的现场总线, 首先必须有统一的技术标准, 但由于诸多原因, 已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列, 如基金会现场总线 (FF) 、LonWorks、PROF IBUS、CAN、HART等。当然, 多种现场总线之间的良性竞争, 有利于FCS技术的提高和发展, 也有利于产品价格的降低和用户系统投资成本的减小, 但是, 发展共同遵从的统一的国际标准, 是现场总线的发展方向, 也是广大用户的要求。现场总线是工业过程控制技术的发展主流, 可以说FCS的发展应用是自动化领域的一场革命, 也既要“革”传统仪表的命, 同时向传统DCS发出了挑战。对于DCS的发展过程, 因为受计算机系统早期存在的一些缺陷影响, 造成各生产开发商的产品自成一体, 较难实现互换和互操作, 系统也难了与外界进行信息交换, 这样对用户来说, 使企业的信息集成存在一定的困难;另外, DC3的控制分散也并不是彻底的分散, 控制功能是通过各个集中的过程控制站如PLC来完成, 许多方面的性能与FCS相比有较大差距。但是, DCS在当前情况下仍具有较强的生命力, 其理由为: (1) 近年来DCS技术的成熟以及/'泛应用, DCS在可靠性、开放性、标准化方面大大前进了一步。 (2) DCS的价格大幅度下降。 (3) DCS能够满足目前的生产控制要求, 用户习惯容易接受。 (4) FCS正在发展过程之中, 某些方面还不是十分完美。比如说现场总线的线状结构, 一旦总线某支路的电缆断了, 这条文路的运行就瘫痪了。又如系统组态铰复杂, 不易将系统设置到最佳状态等。 (5) 目前现场总线仪表与常规仪表相比价格仍然较贵, 硬要去追求潮流, 将企业现有的运行良好的传统仪器仪表更新成智能仪器仪表, 以及将DCS改换成FCS不是很现实的。基于亡述原因, DCS现在仍是大多数用户选择的主流控制系统。FCS作为一个完整的控制系统, 也需要具有类似于DCS那样的监控管理系统, FCS的发展不是对DCS的绝对否定, 既有在它们基础上对优点的继承, 又具有自己特色的变革部分。虽然传统DCS属非开放式专用网络, 但根据目前的实际情况, 将出现通过特殊的网关将DC3挂接在现场总线网段上, 或作为企业网络中的-个特殊的子网, 形成现场总线与DCS并存的局面。传统的DCS在-个过渡阶段内, 仍会在一个很长的时期内在工业控制领域发挥重要作用, 而且, DCS如果能融合FCS的优势技术, 将会是“柳暗花明又一春”。

6 结语

现场总线代表了一种有突破意义的新的控制思想, 它开辟了控制领域的一个新时代。FCS是工控领域发展的主流, DC3在很长时期内仍具有旺盛的生命力, 而PLC通过不断的发展, 将在工控系统中继续发挥它的强大的控制功能。作为最终用户, 希望的是选用顺应当前技术发展潮流, 系统投入、运行成本低, 可靠性高, 管理维护容易, 结构简单, 易扩充和具有高度系统集成主动权的控制系统。

参考文献

[1]廖常初.可编程程序控制器应用技术[M].重庆:重庆大学出版社.

PLC的现场总线技术 篇4

1.1 PLC的含义

PLC(Programmable Logic Controller)即可编程控制器,是在电气控制技术和计算机技术的基础上开发出来的,以微处理器为核心,将自动化技术、计算机技术和通信技术结合起来的新型工业控制装置。自1969年美国数字设备公司研制成功世界上第一台PLC以来,经过40余年的发展,PLC的种类不断增多,应用领域不断扩大,已经成为当代工业自动化的主要支柱之一,是一种最重要、最普及的工业控制器。

1.2 PLC的特点

PLC具有6个特点:①可靠性高,环境适应性强;②编程简单,使用方便;③灵活通用,功能完善;④设计安装简单,维护方便;⑤体积小、重量轻、能耗低;⑥与其他装置配置连接方便。

1.3 PLC的工作原理

PLC是一种实时的工业控制计算机系统,PLC的运行是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的,在执行用户程序时,是按照存储顺序的先后逐条扫描,直到程序结束。同一台PLC可以配上不同的软件,完成不同的控制任务。而在完成任务的同时,PLC还具备内部诊断、处理与编程器、计算机的通信要求等。PLC的扫描过程如图1所示。

2现场总线概述

2.1 现场总线的含义

现场总线是控制系统中底层的通信网络,是互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。它将互联网通信与管理的观念带入工业控制领域,把单个分散的控制设备变为网络节点,以现场总线为纽带,将它们连接成可以相互通信、共同完成程序任务的网络系统与控制系统。

2.2 现场总线的特点

现场总线具有5个特点:①系统具有开放性;②系统结构具有可靠性;③互连设备间具有互操作性;④系统结构的智能化及自治性;⑤环境适应性强,具有较强的抗干扰能力。

2.3 现场总线的通信协议模型

在通信网络中,分层次的体系结构十分重要。国际标准化组织制定了开放式系统互连参考模型OSI/RM(Open System Interconnection/Reference Model),定义了7层的体系结构:应用层、表达层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。现场总线参考OSI/RM,对应现场设备分散、节点信息量小、实时性和快速性的要求,只使用了物理层、数据链路层和应用层。

3基于PLC与现场总线的机械电气控制系统

3.1 电气控制系统

电气控制系统是指电动机通过某种自动控制方式进行控制,以继电器为核心,根据操作指令及被控对象发出的信号,由控制部分按照规定的动作要求决定执行什么动作以及执行动作的顺序。分为输入、控制、输出3部分,输入部分由按钮、位置开关和传感器等输入设备组成;控制部分由继电器和触点构成;输出部分由接触器、电磁阀、指示灯等输出设备组成。

电气控制是将输入、控制、输出3部分用导线按照一定的次序和组合方式连接起来组成的线路。而控制部分是采用硬接线将各种继电器及触点按照一定的要求连接起来的电路,不仅接线复杂、体积大、故障点多、操作不灵活、工作效率低,还易受环境影响。因此,电气控制系统需要更为可靠、高效率、操作便捷的控制系统。

3.2 PLC与现场总线在机械电气控制系统中的运用

3.2.1 PLC控制系统

PLC控制系统是以PLC为核心,也分为输入、控制、输出3个部分。但是控制部分采用“可编程”的PLC,可以方便地改变用户程序,实现各种控制功能,同时,PLC控制系统可以实现逻辑运算、数值运算等。

电气控制系统采用硬件接线,利用继电器的机械触点来控制逻辑,接线多且复杂,继电器的触点数量有限;而PLC采用计算机技术,若改变控制逻辑只需计算机来改变程序,而且很容易增加系统的功能。电气控制系统采用继电器控制电路,当电源接通时,电路中所有继电器都处于受制约状态;而PLC是按照一定顺序循环执行,各软继电器都处于周期性循环扫描工作中。电气控制系统使用大量的机械触点,存在机械磨损、寿命短等问题,其可靠性和维护性较差;而PLC自带诊断功能,能检测出自身故障,方便技术人员的检查和整改。

3.2.2 基于现场总线的运动控制系统

基于现场总线的运动控制系统是以电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子、功率变换装置为执行机构,实现机械运动精确的位置控制、速度控制和转矩控制等。

现场总线运动控制系统具有通信特性,运动控制系统分为点到点定位控制和多轴同步运动控制,对于机械电气系统的控制分为时间触发和事件触发两种通信控制策略。在控制中,现场总线技术能提供准确的实时位置值、时间值、数据传输值;现场总线通信具有可靠性,在设计通信协议时,支持光纤电缆传输、差动信号传输等,防止数字信号在传输过程中受到电磁干扰、温度、灰尘、化学污染等因素的干扰;现场总线通信具有实时性,网络技术的引入会给控制系统带来时间延长的负面影响,现场总线使用屏蔽双绞线、光纤等先进的传输技术提高通信波特率,同时优化网络控制机制,减小网络负载,避免数据冲突,其层次清晰、灵活性好,提高了通信的实时性。

3.3 PLC与现场总线结合的优越性

PLC与现场总线均将计算机技术和自动化技术相结合,代表了自动化工业的发展方向,是现场设备工作及通信的一场数字化革命;PLC与现场总线均具有可靠性高、环境适应能力强、抗干扰能力强、操作简单、灵活方便等特点,在工业系统控制领域发挥了重要作用。

4结束语

本文对基于PLC与现场总线的机械电气控制系统进行了简单阐述,分析了PLC与现场总线对机械电气控制系统局限的扩展,提高了电气系统控制的生产效率,表明PLC与现场总线技术在机械电气控制系统中具有广阔的发展前景。

摘要：介绍了PLC与现场总线各自的特点和工作原理,阐述了PLC与现场总线对机械电气控制系统及信息社会化工业时代所做出的巨大贡献。

关键词：PLC,现场总线,机械电气,控制系统

参考文献

[1]邱学飞.基于PPC、PLC及现场总线的铁路大型养路机械电气控制系统[J].铁道通信信号,2007(8):67-68.

PLC的现场总线技术 篇5

关键词：PLC,现场总线,污水处理系统

随着人们生活水平的不断提高, 污水处理厂已成为城市经济发展的重要基础设施之一。城市的发展必然导致污水排放量的增加, 如何提高污水处理速率和效率已经成为提高居民生活水平的一件大事。传统的污水处理装置由于技术水平等多方面的限制, 在处理容量、处理效率及经济性方面已不能满足现代城市发展的需要, 这就迫切需要污水处理厂对污水处理装置进行自动化改造, 实现对污水处理系统的动态监控管理。

1 污水控制系统改造的必然性

常规的污水处理系统是由多个现地单元组成的, 即在污水处理的每个车间均设控制室, 并在控制室内设计对应的控制箱来控制电机的启闭。在机组现地加设现地控制箱将系统运行的二次信号通过复杂的屏蔽信号电缆传输至控制室进行显示和二次保护。常规控制系统占地面积大、控制分散, 造成了大量的人力和物力浪费, 而且通常采用机械手动控制方式, 系统的自动化程度远跟不上现代自动生产线的发展要求。现场总线能将分散的污水处理控制信号按照统一的通讯协约传输到中控室实现集中控制, 节省了大量劳动力和能源, 同时提高了污水处理的综合自动化水平, 在工业发展领域得到了广泛的应用。

2 污水处理工艺流程

城市污水处理大致分为格栅拦截、调节池调均、微生物降解等多个过程, 其具体的工艺流程如图1所示。

从图1可知, 城市污水首先通过进水总管流过粗格栅, 通过粗格栅的拦截后, 将大颗粒的杂质物质从污水中剔除, 以防止堵塞水泵机组和输水管道;然后经进水泵房加压。具有一定压力的污水再经过细格栅和旋流沉砂池两次过滤后, 进入SBR池内。SBR池内设有水泵和风机, 根据池内水位的高低自动启动水泵抽水和供氧, 并通过微生物实现清污功能。

3 污水处理系统硬件结构

为了实现污水处理系统经济、安全稳定的运行, 根据污水处理控制的基本要求, 本次设计选用S7-300型PLC作为系统的下位机系统, 选用中控室PC计算机作为系统的上位机系统, 并利用Profibus-DP现场总线连接上位机与下位机系统。

下位机系统PLC通过传感器信号或控制面板开关信号将各类触发脉冲转换为对应的数字信号, 完成对高、中、低液位信号、污水瞬时流量、污水水质、pH值、电机启闭、风机启闭等信号的采集、分析判断, 并利用PLC内部的程序逻辑控制和运算分析形成对应的电机、风机控制命令, 按照预设程序实时、动态地控制电机启闭和工况间的相互切换, 保证机组高效经济的运行。以PC计算机为核心的上位机系统通过现场总线获得PLC采集的数据信息, 并可以通过可视化界面了解控制电子按钮的运行工况, 并能通过软电子按钮完成远程控制风机、水泵的启闭。

3.1 输入信号

现地机组控制箱是机组现地控制的主要设备, 在控制面板上通常可以为系统提供两类信号, 一类是现地操作控制按钮信号, 包括故障紧急停机、手动启闭、手动自动状态切换开关等信号, 便于在中控自动操作系统出现故障或现地单元出现紧急故障需要停车时实现现地停机或运行工况切换。另一类是液位信号, 包括高、中、低3种。液位信号是污水处理系统自动控制的触发脉冲, 根据预设的逻辑程序自动启动电机或风机系统。两类信号相互匹配后通过现场总线传输给上、下位机系统。系统在给下位机提供命令信号的同时, 给上位机提供实时动态的监控信号, 从而实现污水处理系统中控与现地相互协同的功能。

3.2 PLC下位机系统

PLC下位机系统是污水处理系统现地监控的核心。除了上述的信号采集、数据分析、命令控制等功能外, PLC下位机系统还具备系统故障自检测功能。PLC内部单元按巡检周期动态检测系统中各部件运行工况特性, 当发现有不合理的运行特性数据时, 就会启动故障报警单元, 通过声、光或语音等提示操作人员对相关部位进行检测, 并通过自动判别机构, 初步判断故障类型及故障点, 便于操作人员快速排查故障, 保证污水处理系统安全可靠运行。

3.3 PC上位机系统

上位机系统实现了分散单元集中控制的目的。PC上位机系统将PLC处理后的数据通过现场总线进行分享, 并利用相关的仿真软件形成可视化人机互通界面, 在计算机屏幕上动态显示系统各核心部件的运行工况, 动态显示液位、流量、pH值等信号参数。在上位机系统中, 操作人员可以通过调取主界面的嵌套界面, 及时了解系统的历史运行数据报表及曲线, 并可以根据故障报警信息进行故障排除和运行模式的调整。

4 污水处理系统软件设计

污水处理系统的软件编程设计, 在保证污水处理系统安全有效运行的同时, 为了使整个操作控制系统在实际工程运用中具有较强的灵活性, 采用了中控与现地相互贯通、各自独立的设计模式。即上位机系统处于正常运行时, 可以利用远程控制方式对现地单元进行软控制;当上位机系统出现故障时, 下位机系统可以通过现地控制命令实现对单元的独立控制;当出现上位机和下位机同时发生故障的极端情况时, 系统还设立了一套手动检修系统, 运行人员通过现地操作控制面板就能实现对现地单元的控制。

5 结束语

PLC和现场控制总线相结合形成的自动污水处理系统取代了传统的继电接触器分车间控制系统, 实现了现地与中控相互协调互补的实时监控功能。该系统具有设备自动化水平高、集中控制、运行安全可靠、管理灵活方便、检修维护简单等优点, 不仅达到了现代企业生产综合自动化水平, 提高了污水处理的效率和速率, 同时节约了大量的人力, 节省了单位的污水处理成本, 为污水处理企业创造了较好的经济效益, 在城市污水处理领域具有较好的发展前景。

参考文献

[1]黄阳辉.基于PLC和现场总线污水处理厂监控系统的设计[J].有色冶金设计与研究, 2009, 30 (2) :28-30.

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[3]丁纪凯, 许逸舟.基于PLC和现场总线的污水处理系统[J].机电一体化, 2006 (1) :80-82.

[4]赵芳, 李从冰.基于PLC和上位机的污水处理控制系统[J].电气时代, 2006 (4) :44-46.

PLC的现场总线技术 篇6

一、双复合胎面挤出联动线控制系统

1. 基本组成

青岛黄海橡胶集团双复合胎面挤出联动线采用基于PROFIBUS现场总线的全分布式控制系统，PROFIBUS-DP连接西门子S7-300PLC，构成单主—多从的总线网络(图1)。控制系统主要组成： (1) PLC是系统主控制器，作为整个现场总线网络的主站，上位工控机安装S7-300/400PLC编程软件STEP7和组态软件InTouch。 (2) 智能从站，如远程分布式I/O (ET200M)、直流调速器(6RA70)、交流调速器(MM440/MM420)、裁断位置控制器(EVS9300)等。 (3) 外部设备，如继电器、各类开关、传感器以及未和PROFIBUS总线连接的变频器、直流调速器等。

2. 控制系统故障类型

(1)外部设备故障。直接影响PLC系统工作，故障原因一般是设备损坏或寿命到期。

(2)智能从站故障。可直接引发直流电机、变频电机或伺服电机的传动故障，导致胎面挤出联动线瘫痪。

(3) PLC系统故障。是影响系统运行的全局性故障，一般是系统设计不当或系统运行年限较长。其中偶然性故障在系统重启后可恢复正常，反之为固定性故障，需更换硬件或软件。

(4)硬件故障。PLC系统中的模块损坏，原因是使用不当或元器件老化。

(5)软件故障。软件自身包含错误引起，主要原因是软件设计者考虑不周，程序执行过程中满足了错误条件。

(6)总线故障。主要原因是总线屏蔽不良、现场工业环境干扰大、总线断线和总线连接器接触不良等。

二、在OB中编程进行故障诊断

1. 故障处理OB功能

该联动线控制系统CPU型号为315-2DP，主要包括如下故障处理OB。

(1) OB40(硬件中断错误OB)。当具有中断能力的模块被激活，满足中断条件时，系统会调用该OB。

(2) OB80(时间错误处理OB)。响应3种错误： (1) 循环监视时间超时。 (2) 在执行某OB时产生确认错误。 (3) 时间超前，引起OB启动时间被跳越。

(3) OB81(电源故障处理OB)。响应24V电源和备用电池故障。

(4) OB82(诊断中断处理OB)。当具有诊断能力的模块诊断到1个错误时，即向CPU发出1个诊断中断请求，操作系统会调用该OB。

(5) OB85(优先级错误OB)。响应3种错误： (1) 试图启动1个未下载的OB。 (2) 操作系统访问某个模块时出错。 (3) 正在刷新整个映像区时I/O访问出错。

(6) OB86(机架故障OB)。发生扩展机架故障，主站故障或分布式I/O系统中某个站点故障时调用该组织块。

(7) OB87(通信故障OB)。响应由通信引起的故障。

2. 故障诊断和处理

该联动线控制系统实际用到OB80、OB81、OB82和OB86等，下面以对OB82和OB86编程为例，介绍故障诊断和处理方法。

(1)在OB82中编程。该控制系统只对AO模块出现的错误故障在OB82中进行了编程，反之若S7-300PLC操作系统调用OB82，则必定发生了和AO模块有关的故障类型，OB82临时变量区中的诊断变量见表1。

在OB82中编程时，需使用SFC 51“RDSYSST”(系统功能)读出模块诊断数据，再使用SFC 52“WR_USMSG”将诊断数据存入S7-300PLC的诊断缓冲区中。当某模块发生故障，PLC操作系统会自动调用OB82，这时可在上位机启动STEP7编程开发环境，监视CPU诊断缓冲区中故障诊断信息(表1数据)，具体步骤： (1) 启动STEP7编程软件，选择要监视的站(S7-300)，进入编程环境主界面。 (2) 执行菜单命令“PLC”→“Diagnostics/Settings”→“Diagnose Hardware”。 (3) 点击“Module Information”，打开CPU硬件诊断快速视窗。 (4) 点击视窗选项卡的“Diagnostic Buffer”，进入诊断缓冲区。诊断缓冲区显示该站中故障模块的详细诊断信息，“Events”窗口显示事件记录，“Details on Event”窗口显示选中事件详细信息，包括事件描述、事件发生地址等。

例假设AO模块起始地址为256，模块发生电流断线故障，则OB82的诊断变量将会变为：EV_CLASS=39, MDL_ADDR=256, INT_FAULT=0, EXT_FAULT=1, PNP_INFO=1, EXT_VOLTAGE=0, FID_CONNCTR=1。

(2)在OB86中编程。当OB86被调用时，可能发生的故障有： (1) 从站和主站联系中断，即总线故障。 (2) 从站自身故障。若主站和从站1之间总线断开，所有的N个从站(本PLC控制网络中N=25)与主站联系中断，因此1个PLC循环会调用N次OB86，同理，当从站1和从站2之间总线断开，会调用N-1次OB86。因此根据OB86被调用次数，可确定总线故障的大概位置(当然也可能多个从站同时发生故障，但概率极小);若是从站自身故障，如ET 200M掉电、背板总线故障等，由OB86启动信息可诊断出故障从站。OB86临时变量区中的诊断变量见表2。

OB86编程和诊断步骤与OB82相似，不再详述。

3. 注意事项

若PLC控制系统发生了使PLC操作系统自动调用某个错误处理OB的故障，但CPU中没有下载该OB，则CPU会转入停止状态(调用OB81的故障除外)，引起整个控制系统瘫痪。因此，一般要将所有故障处理OB均下载至CPU中，即使不在其中编程。例如该控制系统存在AI模块，当发生调用OB86的错误时，PLC操作系统同时调用OB122 (I/O访问错误OB)，直至故障被排除(此时若CPU中未下载OB122, CPU会转入停止状态)。

在STEP7中插入、下载OB的步骤： (1) 启动STEP7编程软件，新建1个项目。 (2) 右键点击该项目→选择“Insert New Object”→选择“SIMATIC 300STATION”，插入西门子S7-300。 (3) 点击SIMATIC 300→双击Hardware进行硬件组态。 (4) 点击CPU 315-2DP→点击S7 Program (1)→双击Blocks(此时只有主程序OB1，没有其他OB)。 (5) 在主窗口中，点击右键→选择“Insert New Object”→Organization Block，出现OB属性对话框，进行设置后即可加入OB80、OB82等OB，在块中编程后再下载至PLC中。

上述方法适用控制系统从站或模块故障的情况，而对于外部设备故障则可利用在OB1或FC中编程加以处理。

三、在OB1或FC中编程进行故障诊断

PLC操作系统对于某些故障(如DI/DO模块和设备间连线故障，DO模块掉电，PLC外接的输入、输出元件故障)无法采用调用故障处理OB的方法，这些故障出现后PLC不会自动停机，直至设备机械顶死或电控系统常规保护动作，易引发设备事故。为使故障发生后PLC自动停机、报警，应将故障监测作为电控系统设计的组成部分。在实际生产设备控制系统中，PLC程序容量、内部继电器、定时器、计数器均有相当余量，可利用PLC的这些闲置资源进行故障检测，常用方法如下。

1. 数字量信号的故障诊断

(1)超时限故障检测法。设备工作周期中各工步运动均需要一定时间，可以此时间为参考，在要检测的工步动作开始同时，启动1个定时器，定时器设定值比正常情况下该动作需要时间长20%～30%，定时器输出信号可用于报警、显示或自动停机装置。当设备某工步动作时间超过规定时间，达到对应定时器预置时间还未转入下一个工步动作时，定时器则发出故障信号，该信号停止正常工作循环程序，启动执行报警和显示程序。

例在联动线液压机头开、合模程序中编入“高压故障压力检测”程序。液压系统达到高压一般需15～18s，经接通延时定时器T73延时20s后未检测到系统高压，则置位高压故障位，程序如下。

(2)逻辑错误检测法。设备正常情况下，电控系统各输入、输出信号、中间记忆装置等相互之间存在着确定的逻辑关系，一旦设备故障则逻辑关系出现异常，反之亦然。因此可编写一些常见故障的异常程序，加进用户程序，若这种逻辑关系状态变为“1”，则必然出现了相应故障，可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，实现报警、停机等控制。

例在联动线压延程序中启动摆胶电机后，摆胶左、右限位开关常开触点不可能同时闭合，反之若同时闭合，则表明至少两者之一失灵;当启动左、右调距时，左、右调距输出继电器均应得电，若只有一个继电器输出或两个均不输出，则发生欠输出故障。摆胶限位开关故障和双调距欠输出逻辑错误检测程序见图2，若中间存储位M100.0得电并驱动Q100.0输出显示或报警，则必然出现限位开关故障;在双调距接近动作时，输出继电器Q6.0、Q6.2均应输出，如果不满足，则M100.1得电驱动Q100.0输出。

2. 模拟量信号的故障诊断

压力、温度等模拟量信号直接连接PLC的AI模块端子，经AI模块内A/D转换器转换成数字量信号，在扫描过程中CPU将输入端子的模拟值读入输入数据存储区。PLC诊断模拟量故障的过程，实质是将模拟量信号输入点的实际数字值与系统允许的极限值比较的过程。如果实际值在极限值范围内，表明对应的受监控部件处于正常工作状态，反之处于故障状态。

例压力传感器测量机头250压力的0～10V模拟量信号，经AI模块A/D转换后由PLC程序比较是否超限，若超限则超压指示灯发出灯光报警并置位液压高压故障位，程序如下。

以上基于西门子S7-300PLC软件编程的故障诊断方法在胎面挤出联动线控制系统实际使用后，电气控制系统可靠性、稳定性和可维修性明显提高。

摘要：阐述基于西门子S7-300PLC软件编程的故障诊断方法, 以PROFIBUS现场总线系统故障处理为例, 介绍软件编程故障诊断方法的具体应用和注意事项。

关键词：PROFIBUS现场总线,PLC,软件编程,故障处理

参考文献

[1]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2005

PLC的现场总线技术 篇7

自动化系统中所使用的各种类型PLC, 有的是集中安装在控制室, 有的是分散安装在生产现场的各单机设备上, 虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中, 但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置, 在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施, 故具有较强的适应恶劣工业环境的能力、运行稳定性和较高的可靠性, 因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用, 但是由于它直接和现场的I/O设备相连, 外来干扰很容易通过电源线或I/O传输线侵入, 从而引起控制系统的误动作。PLC受到的干扰可分为外部干扰和内部干扰。在实际的生产环境下, 外部干扰是随机的, 与系统结构无关, 且干扰源是无法消除的, 只能针对具体情况加以限制;内部干扰与系统结构有关, 主要通过系统内交流主电路, 模拟量输入信号等引起, 可合理设计系统线路来削弱和抑制内部干扰和防止外部干扰。要提高PLC控制系统的可靠性, 就要从多方面提高系统的抗干扰能力。

二、硬件抗干扰措施

1、PLC控制系统的安装和使用环境

PLC是专为工业控制设计的, 一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用。但是在PL C控制系统中, 如果环境过于恶劣, 或安装使用不当, 会降低系统的可靠性。PLC使用环境温度通常在0℃~55℃范围内, 应避免太阳光直接照射, 安装位置应远离发热量大的器件, 同时应保证有足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85%, 以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合, 需将PLC封闭安装。此外, 如果PLC安装位置有强烈的振动源, 系统的可靠性也会降低, 所以应采取相应的减振措施。

2、PLC的电源与接地

PLC本身的抗干扰能力一般都很强。通常, 只能将PLC的电源与系统的动力设备电源分开配线, 对于电源线来的干扰, 一般都有足够强的抑制能力。但是, 如果遇上特殊情况, 电源干扰特别严重, 可加接一个带屏蔽层的隔离变压器以减少设备与地之间的干扰, 提高系统的可靠性。如果一个系统中含有扩展单元, 则其电源必须与基本单元共用一个开关控制, 也就是说, 它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰, 应给PLC接专用地线, 并且接地点要与其它设备分开, 如图1 (a) 。若达不到这种要求, 也可采用公共接地方式, 如图1 (b) 。但是禁止采用串联接地方式, 如图1 (c) , 因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外, 接地线要足够粗, 接地电阻要小, 接地点应尽可能靠近PLC。

接地的目的通常有两个, 其一为了安全, 其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗干扰的重要措施之一。接地在消除干扰上起很大的作用。这里的接地是指决定系统电位的地, 而不是信号系统归路的接地。在PLC控制系统中有许多悬浮的金属架, 它们是惧空中干扰的空中线, 需要有决定电位的地线。交流地是PLC控制系统供电所必需的, 它通过变压器中心点构成供电两条回路之一。这条回路上的电流、各种谐波电流等是个严重的干扰源。因此交流地线、直流地线、模拟地和数字地等必须分开。数字地和模拟地的共点地最好置悬浮方式。地线各点之间的电位差尽可能小, 尽量加粗地线, 有条件可采用环形地线。系统地端子 (LG) 是抗干扰的中性端子, 通常不需要接地, 可是, 当电磁干扰比较严重时, 这个端子需与接大地的端子 (GR) 连接。

3、PLC的输入、输出设备

输入电路是PLC接受开关量、模拟量等输入信号的端口, 其元器件质量的优劣、接线方式及是否牢靠也是影响控制系统可靠性的重要因素。以开关量输入为例, 按钮、行程开关的触点接触要保持在良好状态, 接线要牢固可靠。机械限位开关是容易产生故障的元件, 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, 按钮触点的选择也影响到系统的可靠性。在设计电路时, 应尽量选用可靠性高的元器件, 对于模拟量输入信号来说, 常用的有4~20mA、0~20mA直流电流信号;0~5V、0~10V直流电压信号, 电源为直流24V。

对于开关量输出来说, PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式, 具体选择哪种形式的输出应根据负载要求来决定, 选择不当会使系统可靠性降低, 严重时导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载, 晶体管输出只能用于直流负载。此外, PL C的输出端子带负载能力是有限的, 如果超过了规定的最大限值, 必须外接继电器或接触器, 才能正常工作。外接继电器、接触器、电磁阀等执行元件的质量, 是影响系统可靠性的重要因素。常见的故障有线圈短路、机械故障造成触点不动或接触不良。这一方面可以通过选用高质量的元器件来提高可靠性, 另一方面, 在对系统可靠性及智能化要求较高的场合, 可以根据电路中电流异常的情况对输出单元的一些重点部位进行诊断, 当检测到异常信号时, 系统按程序自动转入故障处理, 从而提高系统工作的可靠性。若PLC输出端子接有感性元件, 则应采取相应的保护措施, 以保护PLC的输出触点。

为了防止或减少外部配线的干扰, 交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆;对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆, 屏蔽电缆在输入、输出侧悬空, 而在控制侧接地, 其处理方式如图2。

三、软件抗干扰措施

硬件抗干扰措施的目的是尽可能地切断干扰进入控制系统, 但由于干扰存在的随机性, 尤其是在工业生产环境下, 硬件抗干扰措施并不能将各种干扰完全拒之门外, 这时, 可以发挥软件的灵活性与硬件措施相结合来提高系统的抗干扰能力。

1、用“看门狗”方法对系统的运动状态进行监控

PLC内部具有丰富的软元件, 如定时器、计数器、辅助继电器等, 利用它们来设计一些程序, 可以屏蔽输入元件的误信号, 防止输出元件的误动作。在设计应用程序时, 可以利用“看门狗”方法实现对系统各组成部分运行状态的监控。如用PLC控制某一运动部件时, 编程时可定义一个定时器作“看门狗”用, 对运动部件的工作状态进行监视。定时器的设定值, 为运动部件所需要的最大可能时间。在发出该部件的动作指令时, 同时启动“看门狗”定时器。若运动部件在规定时间内达到指定位置, 发出一个动作完成信号, 使定时器清零, 说明监控对象工作正常;否则, 说明监控对象工作不正常, 发出报警或停止工作信号。

2、消抖

在振动环境中, 行程开关或按钮常常会因为抖动而发出误信号, 一般的抖动时间都比较短, 针对抖动时间短的特点, 可用PL C内部计时器经过一定时间的延时, 得到消除抖动后的可靠有效信号, 从而达到抗干扰的目的。

3、用软件数字滤波的方法提高输入信号的信噪比

为了提高输入信号的信噪比, 常采用软件数字滤波来提高有用信号真实性。对于有大幅度随机干扰的系统, 采用程序限幅法, 即连续采样五次, 若某一次采样值远远大于其它几次采样的幅值, 那么就舍去之。对于流量、压力、液面、位移等参数, 往往会在一定范围内频繁波动, 则采用算术平均法。即用n次采样的平均值来代替当前值。一般认为:流量n=12, 压力n=4最合适。对于缓慢变化信号如温度参数, 可连续三次采样, 选取居中的采样值作为有效信号。对于具有积分器A/D转换来说, 采样时间应取工频周期 (20ms) 的整数倍。实践证明其抑制工频干扰能力超过单纯积分器的效果。

四、结论

PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题, 因此抗干扰设计是系统的一个重要组成部分, 在实际应用时应综合考虑各方面的因素, 同时利用硬件和软件的抗干扰技术措施, 让PLC系统满足要求, 并能达到一个理想的工作状态, 从而使PLC控制系统正常工作。

摘要：分析了控制系统的应用特点及应用中可能存在的几种主要干扰来源, 指出在工程应用时必须进行综合抗干扰设计, 并结合工程实施提出了相应有效的抗干扰措施.