翟宏強, 潘宏俠, 郭彥青

(中北大學,山西太原030051)

鍍鉻控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計及分析

翟宏強, 潘宏俠, 郭彥青

(中北大學,山西太原030051)

0 前言

鍍鉻生產(chǎn)線由眾多鍍槽組成,它們的工藝順序是按具體固定的流程運行的,基材在每個槽中停放的時間也是嚴格固定的,這么復雜的過程如果光靠人為工作是很容易失誤的。在鍍鉻生產(chǎn)線上采用自動化控制不但可以使電鍍產(chǎn)品的質(zhì)量得到嚴格的保證,有效減少廢品率,而且還可以提高生產(chǎn)效率、減輕工人的勞動強度,有著非常好的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著生產(chǎn)過程自動化水平的不斷提高,生產(chǎn)工藝對自動控制系統(tǒng)的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性不僅直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,而且還關(guān)系到生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命和操作人員的人身安全。在鍍鉻控制系統(tǒng)中大量采用繼電器,其可靠性對整個控制系統(tǒng)工作的可靠性是至關(guān)重要的。而PLC作為自動控制的核心部分,它的可靠性也是控制系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)。

1 控制系統(tǒng)的三種控制方式的可靠性設(shè)計

在設(shè)計控制系統(tǒng)時,只有簡化電路設(shè)計,盡量減少鍍鉻系統(tǒng)中所用元器件的個數(shù),這樣才可以最大限度地控制元器件的失效性,提高鍍鉻控制系統(tǒng)的可靠性。利用一個三態(tài)保持旋鈕設(shè)計出控制系統(tǒng)中手動、自動、手自動三種控制方式。其中,手動和自動是相互獨立的,即:在手動狀態(tài)下不能夠進行PLC自動控制(自動失效),在自動狀態(tài)下不能夠手動操作(手動失效);手動和自動又構(gòu)成了互相備用的功能,即:當手動功能失效或維修時,自動狀態(tài)依然可以工作,反之亦然。而手自動模式使工作人員進行操作時更加靈活,同時也減小了對一些元器件的過度磨損[1]?？梢?這樣的設(shè)計方式充分保證了控制系統(tǒng)的正常運行和其可靠性。圖1為控制方式切換圖。

圖1 控制方式切換圖

當S1切換到自動模式時,它的(1,2)觸點接通,從而繼電器 K3得電,K3的(13,14)觸點接通,自動運行指示燈 H5亮;當S1切換到手動模式時,它的(5,6)觸點接通,從而繼電器 K2得電,K2的(13, 14)觸點接通,自動運行指示燈 H4亮;當S1切換到手自動模式時,它的(3,4)觸點接通,從而接觸器 K1得電,K1的(1,2),(3,4)觸點接通,自動運行指示燈H 5和手動運行指示燈H 4同時亮。

當轉(zhuǎn)換開關(guān)S1切換到手自動時,手動自動可以同時對系統(tǒng)進行控制,無形間 K1要承受更大的功率,所以采用接觸器;而單獨的手動或自動所承受的功率不是很大,所以采用普通的繼電器,這樣既節(jié)省了成本,也保證了系統(tǒng)的可靠性。

2 控制系統(tǒng)電磁兼容性分析

因為所設(shè)計的控制系統(tǒng)是要在強磁、強電等惡劣的情況下工作,高速電子開關(guān)的接通和關(guān)斷將產(chǎn)生高次諧波,從而形成高頻干擾;大功率機械設(shè)備的啟停、負載的變化將引起電網(wǎng)電壓的波動和電磁感應,產(chǎn)生低頻干擾;鄰近設(shè)備的強電場通過電容的耦合引起對控制系統(tǒng)的干擾;來自傳輸信號線上的干擾;地電位的分布干擾等都會通過與現(xiàn)場設(shè)備相連的電纜引入PLC組成的控制系統(tǒng)中,影響系統(tǒng)的安全可靠工作。由此可見:電磁干擾問題是直接影響控制系統(tǒng)可靠性的主要因素,所以電磁兼容性是必須解決的問題。

控制系統(tǒng)的電磁干擾信號主要是元器件(包括:電源,繼電器,各種儀表等)在得電后的電磁耦合以及傳輸強弱電導線之間的電磁感應,使PLC接收和輸出的信號受到干擾,導致自動控制不精確,影響系統(tǒng)可靠性。減小電磁干擾的主要方法是通過濾波來降低公共電路的阻抗,并可以采取一些屏蔽、隔離的措施等。

電磁兼容性設(shè)計主要是從技術(shù)方面來考慮的?？稍黾悠帘窝b置,改變元器件的布局,采用接地等措施[2]。

(1)采用屏蔽的方法可以防止電磁泄漏,防止電源與元器件間產(chǎn)生分布電容,防止將電磁干擾信號耦合到元器件內(nèi)部,使其工作效率受到影響。

(2)控制系統(tǒng)中所有的元器件要求布局合理,完成強電路和弱電路電器元件布局設(shè)計,盡量不要把容易受干擾的元器件和干擾源放到一起。在施工走線時要注意輸入信號線和輸出信號線的隔離以及強弱電的隔離,可以考慮采用屏蔽的方法。走線時還應注意交流電和直流電按原則是不能走一條支路的。因為PLC的信號線是弱點信號,很容易受到電磁信號的干擾,需要把 PLC單獨放一排;并且它的走線槽中不能有其他的導線通過,否則會影響自動控制信號的傳輸,導致控制系統(tǒng)的可靠性下降。

(3)采取接地措施。第一,屏蔽線接地,即:將液位傳感器和溫度傳感器的屏蔽線的屏蔽層接地,并將整流器電流表、電壓表的屏蔽層接地,來防止柜外電磁場的干擾。第二,控制信號接地,采用減少地線環(huán)路的方法,這樣可以減少外磁場的耦合干擾。第三,人身安全接地,將控制柜的外殼進行接地處理,保證工作人員的人身安全。

3 控制核心PLC的抗干擾措施

整個控制系統(tǒng)的核心是選用西門子公司的SIM A TIC S7-300系列的PLC,系統(tǒng)硬件配置為3組機架,用M PI連接。PLC作為現(xiàn)在流行的控制核心,已成為自動化控制系統(tǒng)的核心裝置。它具有比一般計算機更強的與工藝制造過程相連接的輸入輸出接口。要消除對PLC的干擾就必需抑制其干擾源,對干擾入侵的途徑進行阻斷。通過從源頭和過程傳輸中實施合理的措施,來提高PLC自身的抗干擾能力,并提高控制系統(tǒng)的可靠性[3]。

(1)電源

所設(shè)計的控制系統(tǒng)是用AC220V UPS為PLC提供電源。當市電正常供應的時候,UPS會利用市電直接為負載供電。這時電池是處于浮充待機狀態(tài)。當市電停電后,UPS會在最短時間內(nèi)切換到逆變器輸出供負載工作。逆變器由電池提供低壓輸入,此時電池處于放電狀態(tài)。當市電來電的時候, UPS又會自動無縫切換到市電供電狀態(tài),而后利用內(nèi)部的充電器為電池充電。在購買UPS之前,對其最大電流,最大功率等進行了研究和分析,這樣可以防止電流過大或者功率過大造成對元器件的損壞。

(2)對感性負載采取的措施

在對鍍鉻控制系統(tǒng)進行調(diào)試的時候,經(jīng)常會出現(xiàn)循環(huán)泵、過濾泵旋鈕和溫度旋鈕在啟動和關(guān)閉時,不僅它們相對應的運行燈會亮或熄滅,其他的信號燈也會有短暫的閃爍。其原因為感性負載是儲能設(shè)備,當旋鈕開啟時,PLC觸點閉合,這樣會由于觸點的抖動而產(chǎn)生電弧;當旋鈕關(guān)閉時,PLC控制觸點斷開,電路中的感性負載會產(chǎn)生相當強的反電勢。這兩種情況都會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。因為PLC輸入、輸出端都接有感性負載,所以采取了一些相應的措施,結(jié)果信號燈運行正常了,如圖2,圖3所示。

(3)PLC的接地措施

只有PLC接地良好,才能保證其他的干擾對它的影響減小到最低,才能使其正常運行,從而保證控制系統(tǒng)的可靠性。在設(shè)計PLC接地措施時,查閱了很多資料。日常生活中,PLC接地處理大致分為以下幾種方式:采用圖4(a)所示接地方式將PLC的接地與其他強電動力設(shè)備的接地分開;如條件不允許以至于不能分開接地,應采用圖4(b)所示接地方式;但是絕對不可以采用圖4(c)所示接地方式。

圖2 交流輸入輸出方式

圖3 直流輸入輸出方式

圖4 PLC的接地方式

選用圖4(a)所示的接地方式時,PLC受到的干擾是最小化的,保證了系統(tǒng)控制信號的傳輸以及控制系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

在設(shè)計鍍鉻控制系統(tǒng)前,對其可靠性做了充分的分析和研究,并對控制系統(tǒng)中最容易發(fā)生的一些干擾采取了合理的措施,盡量減少電磁干擾對系統(tǒng)的影響,提高了PLC的抗干擾能力,保證了上位機與PLC的正常通信以及PLC與控制系統(tǒng)的信號傳輸。采用手動、自動、手自動的三種操作模式對控制系統(tǒng)進行控制,系統(tǒng)在某種模式失效時可以用另一種模式替代,既保證了控制系統(tǒng)的可靠性,又可以靈活切換,提高了工作效率。經(jīng)過努力,成功制作了鍍鉻控制系統(tǒng)的控制柜,并投入到了北方重工集團某特種工藝廠的生產(chǎn)中。經(jīng)實際應用,所設(shè)計的鍍鉻控制系統(tǒng)能夠安全可靠地運行和工作。

[1] 胡昌濤.可靠性工程設(shè)計、試驗、分析、管理[M].北京:宇航出版社,1989.

[2] 區(qū)建昌.電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計理論與實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

[3] 楊新泉,胡燕.提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性[J].自動化博覽, 2005,22(2):41-43.

Reliability Design and Analysis of Chrome Plating Control System

ZHAI Hong-qiang, PAN Hong-xia, GUO Yan-qing
(No rth University of China,Taiyuan 030051,China)

通過對鍍鉻控制系統(tǒng)手動、自動、手自動三種模式切換的可靠性設(shè)計,分析了整個控制系統(tǒng)的電磁兼容性,對PLC采取了能有效提高其抗干擾能力的措施。經(jīng)實際應用,鍍鉻控制系統(tǒng)能夠正常運行,且具有良好的安全性和可靠性。

控制系統(tǒng);可靠性;電磁兼容;PLC

Through reliability design for sw itching over of manual,automatic,manual and automatic modes of chrome p lating control system,electromagnetic compatibility of the w hole control system was analyzed,and effective measures have been taken to imp rove the disturbance resisting capability of PLC.Practical app lication of the chrome p lating control system show s that it can function p roperly w ith good safety and reliability.

control system;reliability;electromagnetic compatibility;PLC

book=30,ebook=42

TQ 150.5

A

1000-4742(2010)05-0016-03

2010-03-16