Programowalne sterowniki logiczne (PLC), jako główne produkty sterujące w automatyce przemysłowej, istnieją już od pół wieku. Wraz z rozwojem technologii półprzewodników, komputerów i komunikacji dziedzina sterowania przemysłowego przeszła dramatyczne zmiany, a sterowniki PLC ewoluowały przez pięć pokoleń pod względem wydajności, funkcjonalności, łatwości obsługi i formy produktu. Dzisiaj omówimy rozwiązania typowych problemów związanych ze sterownikami PLC.
Najpierw wróćmy do podstaw i zdefiniujmy, czym jest sterownik PLC:
Jest to rodzaj programowalnego urządzenia pamięci używanego do wewnętrznego przechowywania programów. Wykonuje instrukcje-zorientowane na użytkownika, takie jak operacje logiczne, sterowanie sekwencyjne, odmierzanie czasu, liczenie i operacje arytmetyczne, a także steruje różnymi typami maszyn lub procesami produkcyjnymi za pomocą wejścia/wyjścia cyfrowego lub analogowego.
I. Problemy związane z odpornością na zakłócenia
Wraz z postępem nauki i technologii sterowniki PLC znajdują coraz szersze zastosowanie w sterowaniu przemysłowym. Ich niezawodność ma bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo produkcyjne i ekonomiczne działalności przedsiębiorstw przemysłowych, a odporność systemu na zakłócenia jest kluczem do zapewnienia niezawodnej pracy całego systemu. Aby poprawić niezawodność systemów sterowania PLC, z jednej strony producenci sterowników PLC muszą zwiększyć odporność sprzętu na zakłócenia; z drugiej strony, wysoki priorytet należy nadać projektowi technicznemu, instalacji, budowie oraz obsłudze i konserwacji. Tylko dzięki współpracy-wielostronnej problem można w pełni rozwiązać, skutecznie zwiększając odporność systemu na zakłócenia.
[Źródła zakłóceń i ogólna klasyfikacja]
Źródła zakłóceń wpływające na systemy sterowania PLC są podobne do tych, które ogólnie wpływają na przemysłowe urządzenia sterujące; większość z nich powstaje w obszarach, w których prąd lub napięcie ulegają gwałtownym wahaniom. Te obszary intensywnego ruchu ładunków są źródłami hałasu, czyli źródłami zakłóceń.
Źródła zakłóceń są zazwyczaj klasyfikowane na podstawie przyczyny zakłóceń, trybu zakłóceń i charakterystyki kształtu fali hałasu.
1. Ze względu na przyczynę generowania hałasu: hałas wyładowań, hałas udarowy, hałas oscylacyjny o wysokiej częstotliwości
2. Według kształtu fali i charakteru hałasu: hałas ciągły, hałas sporadyczny
3. Według trybu interferencji: zakłócenia w trybie-wspólnym, zakłócenia w trybie różnicowym-
Wśród nich stosunkowo powszechną metodą klasyfikacji są zakłócenia-w trybie wspólnym i zakłócenia w trybie różnicowym-. Zakłócenia-w trybie wspólnym odnoszą się do różnicy potencjałów między linią sygnałową a masą. Powstaje ono głównie w wyniku superpozycji napięć-wspólnych (tego samego-kierunku) indukowanych na liniach sygnałowych w wyniku wtargnięcia do sieci energetycznej, różnic potencjałów uziemienia i przestrzennego promieniowania elektromagnetycznego. Napięcia-w trybie wspólnym mogą czasami być dość wysokie; szczególnie w pomieszczeniach zasilanych przez jednostki dystrybucyjne o słabej izolacji, napięcie-w trybie wspólnym sygnałów wyjściowych przetwornika jest zazwyczaj wysokie, a niektóre osiągają ponad 130 V. Napięcie-w trybie wspólnym można przekształcić w napięcie w trybie różnicowym-za pomocą niezrównoważonych obwodów, co bezpośrednio wpływa na sygnały pomiarowe i sterujące oraz powoduje uszkodzenie podzespołów. Ten rodzaj zakłóceń-w trybie wspólnym może dotyczyć prądu stałego lub prądu przemiennego.
Zakłócenia w trybie różnicowym- odnoszą się do napięcia zakłócającego działającego pomiędzy dwoma zaciskami sygnału. Tworzą go głównie napięcia powstające w wyniku sprzężenia pola elektromagnetycznego w powietrzu i konwersji zakłóceń-w trybie wspólnym przez obwody niezrównoważone. Napięcie to nakłada się bezpośrednio na sygnał, bezpośrednio wpływając na dokładność pomiaru i sterowania.
[Główne źródła zakłóceń elektromagnetycznych]
1. Zakłócenia promieniowane z otoczenia
Promieniowane pola elektromagnetyczne (EMI) w środowisku są generowane głównie przez sieci energetyczne, stany nieustalone w sprzęcie elektrycznym, wyładowania atmosferyczne, transmisje radiowe, telewizję, radary i-urządzenia do ogrzewania indukcyjnego o wysokiej częstotliwości. Nazywa się to powszechnie zakłóceniami promieniowanymi.
Powoduje to przede wszystkim zakłócenia dwiema drogami: 1) Bezpośrednie promieniowanie do sterownika PLC, wywołując zakłócenia w obwodach elektrycznych
2) Promieniowanie skierowane na wewnętrzną sieć komunikacyjną sterownika PLC, wprowadzające zakłócenia poprzez indukcję w liniach komunikacyjnych
Zakłócenia promieniowane są związane z rozmieszczeniem sprzętu polowego i wielkością pól elektromagnetycznych generowanych przez sprzęt, w szczególności z ich częstotliwością. Ochronę zazwyczaj osiąga się za pomocą ekranowanych kabli, lokalnego ekranowania sterownika PLC i ochronników przeciwprzepięciowych-wysokiego napięcia.
2. Zakłócenia pochodzące z zewnętrznych kabli systemowych
Zakłócenia te są wprowadzane głównie przez linie energetyczne i sygnałowe i są powszechnie określane jako zakłócenia przewodzone. Ten rodzaj zakłóceń jest szczególnie dotkliwy w środowiskach przemysłowych w Chinach.
1) Zakłócenia ze strony zasilaczy
Praktyka pokazała, że wiele awarii systemów sterowania PLC wynika z zakłóceń wprowadzanych przez zasilacz; problem zazwyczaj rozwiązuje się poprzez wymianę zasilacza na taki, który zapewnia wyższą wydajność izolacji.
Zasilacze PLC zazwyczaj wykorzystują izolowane źródła zasilania, ale ze względu na czynniki strukturalne i proces produkcyjny ich wydajność izolacji nie jest idealna. W rzeczywistości absolutna izolacja jest niemożliwa ze względu na obecność rozproszonych parametrów, w szczególności rozproszonej pojemności.
2) Zakłócenia wprowadzane przez linie sygnałowe
Różne linie transmisji sygnałów podłączone do systemu sterowania PLC nieuchronnie umożliwiają przedostanie się zewnętrznych sygnałów zakłócających, oprócz przesyłania ważnych informacji.
Zakłócenia te przedostają się głównie dwiema drogami: po pierwsze, zakłóceniami sieci energetycznej wprowadzanymi przez zasilacz nadajnika lub zasilanie współdzielone z instrumentami sygnalizacyjnymi-, co jest często pomijanym czynnikiem;
po drugie, zakłócenia wywołane przestrzennym promieniowaniem elektromagnetycznym na liniach sygnałowych, tj. zakłócenia wywołane zewnętrznie na liniach sygnałowych, które są szczególnie poważne.
3) Zakłócenia spowodowane niezorganizowanym systemem uziemienia
Uziemienie jest jedną ze skutecznych metod poprawy kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) sprzętu elektronicznego. Właściwe uziemienie może zarówno stłumić skutki zakłóceń elektromagnetycznych, jak i zapobiec emisji zakłóceń przez sprzęt; i odwrotnie, nieprawidłowe uziemienie może wprowadzić poważne sygnały zakłócające, powodując nieprawidłowe działanie systemu PLC.
Linie uziemiające w systemie sterowania PLC obejmują uziemienie systemu, uziemienie ekranu, uziemienie prądu przemiennego i uziemienie ochronne. Zakłócenia spowodowane chaotycznym systemem uziemień w systemie PLC wynikają przede wszystkim z nierównomiernego rozkładu potencjałów w różnych punktach uziemienia. Różnice potencjałów pomiędzy różnymi punktami uziemienia powodują powstawanie prądów w pętli uziemienia, które wpływają na normalne działanie systemu.
3. Zakłócenia pochodzące z wnętrza systemu PLC
Zakłócenia te są generowane głównie przez wzajemne promieniowanie elektromagnetyczne pomiędzy wewnętrznymi komponentami i obwodami, takie jak wzajemne promieniowanie pomiędzy obwodami logicznymi i ich wpływ na obwody analogowe, interakcję między masą analogową a masą logiczną oraz niedopasowane użycie komponentów. Zagadnienia te wchodzą w zakres projektowania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) prowadzonego przez producenta sterownika PLC dla wewnętrznych komponentów systemu. Ponieważ jest to złożona kwestia pozostająca poza kontrolą działu wniosków, nie należy jej nadmiernie analizować; jednak istotne jest, aby wybierać systemy o udokumentowanym doświadczeniu lub takie, które zostały dokładnie przetestowane.
[Konstrukcja-odporna na zakłócenia]
1. Wybór sprzętu
Wybierając sprzęt, kieruj się przede wszystkim produktami charakteryzującymi się dużą odpornością na zakłócenia, w tym kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC), a w szczególności odpornością na zakłócenia zewnętrzne. Przykłady obejmują systemy PLC wykorzystujące technologię uziemienia pływającego i charakteryzujące się doskonałą wydajnością izolacji; Po drugie, należy zapoznać się ze specyfikacjami-zakłóceń dostarczonymi przez producenta, takimi jak współczynnik tłumienia-w trybie wspólnym (CMRR) i współczynnik tłumienia w trybie różnicowym-(DMRR), wytrzymałość napięciowa oraz maksymalne natężenie pola elektrycznego i częstotliwość pola magnetycznego, przy których system ma działać; dodatkowo należy ocenić skuteczność produktu w podobnych zastosowaniach.
2. Kompleksowy projekt-przeciwzakłóceniowy
Obejmuje to przede wszystkim kilka kluczowych środków mających na celu tłumienie zakłóceń pochodzących z zewnątrz systemu, w tym: ekranowanie systemu PLC i kabli zewnętrznych w celu zapobiegania promieniowanym zakłóceniom elektromagnetycznym; izolowanie i filtrowanie kabli zewnętrznych,-zwłaszcza kabli zasilających-oraz układanie ich w warstwy, aby zapobiec przedostawaniu się przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych przez kable; oraz prawidłowe projektowanie punktów uziemiających i urządzeń uziemiających w celu usprawnienia systemu uziemiającego. Ponadto w celu dalszego zwiększenia bezpieczeństwa i niezawodności systemu należy zastosować metody oparte na oprogramowaniu.
[Kluczowe środki zapobiegające-zakłóceniom]
1. Używaj-zasilaczy o wysokiej wydajności, aby stłumić zakłócenia wprowadzane z sieci energetycznej
W systemach sterowania PLC zasilanie odgrywa kluczową rolę. Zakłócenia w sieci energetycznej są wprowadzane do systemu sterowania PLC głównie poprzez źródła zasilania systemu (takie jak zasilacze procesora, zasilacze wejść/wyjść itp.), zasilacze nadajników i zasilacze przyrządów, które mają bezpośrednie połączenia elektryczne z systemem PLC. Obecnie w systemach PLC powszechnie stosuje się zasilacze o dobrej wydajności izolacji. Jednakże niewystarczającą uwagę poświęcono zasilaczom przetworników i przyrządów bezpośrednio podłączonych elektrycznie do systemu PLC. Chociaż wdrożono pewne środki izolacyjne, są one na ogół niewystarczające. Dzieje się tak głównie dlatego, że stosowane transformatory izolacyjne mają duże parametry rozproszone i słabą zdolność tłumienia zakłóceń, co pozwala na łączenie zakłóceń w trybie wspólnym i różnicowym- przez zasilacz. Dlatego do zasilania nadajników i przyrządów współdzielących linie sygnałowe należy wybierać dystrybutory mocy o małej rozproszonej pojemności i szerokim paśmie tłumienia (takie jak te, w których zastosowano wiele stopni izolacji, ekranowanie i techniki redukcji indukcyjności rozproszenia), aby zminimalizować zakłócenia w systemie PLC.
2. Wybór i układ kabli
Różne rodzaje sygnałów powinny być przesyłane osobnymi kablami. Kable sygnałowe należy układać warstwami w zależności od rodzaju przesyłanego sygnału. Surowo zabrania się stosowania różnych przewodów w tym samym kablu do jednoczesnego przesyłania zarówno mocy, jak i sygnałów. Przewodów sygnałowych nie należy układać równolegle do przewodów zasilających, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne.
3. Filtrowanie sprzętowe i środki zapobiegające-zakłóceniom programowym
Zanim sygnały dotrą do komputera, podłącz kondensator równolegle między linią sygnałową a masą, aby zmniejszyć zakłócenia-w trybie wspólnym; zainstalowanie filtra między dwoma zaciskami sygnałowymi może zmniejszyć zakłócenia w trybie różnicowym.
4. Właściwy dobór punktów uziemiających i doskonalenie systemu uziemiającego
Uziemienie zazwyczaj służy dwóm celom: bezpieczeństwu i tłumieniu zakłóceń. Dobrze-zaprojektowany system uziemiający jest jednym z kluczowych środków ochrony systemów sterowania PLC przed zakłóceniami elektromagnetycznymi. Istnieją trzy rodzaje metod uziemiania systemu: uziemienie pływające, uziemienie bezpośrednie i uziemienie pojemnościowe.
Gdy źródło sygnału jest uziemione, ekran należy uziemić po stronie sygnału; jeżeli nie jest uziemiony, powinien być uziemiony po stronie PLC; w przypadku złączy w linii sygnałowej ekran powinien być solidnie podłączony i zaizolowany oraz należy unikać wielu punktów uziemienia; gdy ekranowana skrętka-z wielu punktów pomiarowych jest podłączona do wielo-żyłowej skrętki-ze wspólnym ekranem, ekrany każdego kabla powinny być odpowiednio połączone ze sobą i izolowane.
II. Poprawa efektywności operacyjnej
1. Zaplanuj bloki funkcyjne w oparciu o rzeczywiste wymagania projektu
Pisanie podprogramów: W sterowniku PLC podprogram jest stosunkowo niezależnym programem napisanym do określonych celów sterowania. Jeśli przy wykonywaniu instrukcji wywołania podprogramu, np. CALL, nie są spełnione warunki wywołania podprogramu, skanowanie programu odbywa się wyłącznie w obrębie programu głównego i nie skanuje sekcji podprogramu, redukując w ten sposób niepotrzebny czas skanowania.
2. Kontrolowanie wyników poprzez przesyłanie danych Word lub Double-Word do punktów DO
Aplikacje PLC zazwyczaj obejmują dużą liczbę elementów sterujących wyjściami. Kontrolowanie wyników poprzez przesyłanie danych słów lub podwójnych-słów do punktów DO może zwiększyć szybkość. Rozsądnie przydzielając adresy wyjściowe i konwertując wyjściowe słowa sterujące zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami aplikacji, można znacznie zmniejszyć liczbę kroków wykonawczych w programie PLC, przyspieszając w ten sposób czas wykonania programu.
3. Impuls-Wyzwalany SET i RESET
W sterowniku PLC instrukcję SET wystarczy wykonać tylko raz; nie trzeba go wykonywać podczas każdego skanowania,-dzięki czemu dobrze nadaje się do stosowania z instrukcjami wyjścia impulsowego (PLS/PLF). Niektórzy inżynierowie pomijają ten problem i używają konwencjonalnych metod do wyzwalania instrukcji SET, nieumyślnie zwiększając czas wykonywania skanowania programu PLC.