鍍鉻控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計及分析

翟宏強(qiáng), 潘宏俠, 郭彥青

(中北大學(xué),山西太原030051)

鍍鉻控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計及分析

翟宏強(qiáng), 潘宏俠, 郭彥青

(中北大學(xué),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(yán)格固定的,這么復(fù)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(yán)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(qiáng)度,有著非常好的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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]。可見,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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(qiáng)磁、強(qiáng)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(jī)械設(shè)備的啟停、負(fù)載的變化將引起電網(wǎng)電壓的波動和電磁感應(yīng),產(chǎn)生低頻干擾;鄰近設(shè)備的強(qiáng)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(qiáng)弱電導(dǎo)線之間的電磁感應(yīng),使PLC接收和輸出的信號受到干擾,導(dǎo)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(qiáng)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(qiáng)弱電的隔離,可以考慮采用屏蔽的方法。走線時還應(yīng)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(dǎo)線通過,否則會影響自動控制信號的傳輸,導(dǎo)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(jìn)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(jī)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(jī)更強(qiáng)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(jìn)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(dāng)市電正常供應(yīng)的時候,UPS會利用市電直接為負(fù)載供電。這時電池是處于浮充待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)市電停電后,UPS會在最短時間內(nèi)切換到逆變器輸出供負(fù)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(dāng)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(jìn)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(fù)載采取的措施

在對鍍鉻控制系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)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(fù)載是儲能設(shè)備,當(dāng)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(dāng)旋鈕關(guān)閉時,PLC控制觸點斷開,電路中的感性負(fù)載會產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)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(fù)載,所以采取了一些相應(yīng)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(qiáng)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(yīng)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(jī)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(jìn)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(tuán)某特種工藝廠的生產(chǎn)中。經(jīng)實際應(yīng)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(yīng)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