Bộ điều khiển logic khả trình (PLC), là sản phẩm điều khiển chủ đạo trong tự động hóa công nghiệp, đã tồn tại được nửa thế kỷ. Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn, máy tính và truyền thông, lĩnh vực điều khiển công nghiệp đã trải qua những thay đổi mạnh mẽ và PLC đã phát triển qua 5 thế hệ về hiệu suất, chức năng, tính dễ sử dụng và hình thức sản phẩm. Hôm nay, chúng ta sẽ thảo luận về các giải pháp cho những thách thức chung của PLC.
Trước tiên, hãy xem lại những điều cơ bản và xác định PLC là gì:
Nó là một loại thiết bị bộ nhớ lập trình được sử dụng để lưu trữ các chương trình bên trong. Nó thực thi các hướng dẫn-theo hướng người dùng như các thao tác logic, điều khiển tuần tự, tính thời gian, đếm và các phép toán số học, đồng thời điều khiển nhiều loại máy móc hoặc quy trình sản xuất khác nhau thông qua đầu vào/đầu ra kỹ thuật số hoặc tương tự.
I. Vấn đề chống nhiễu
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, PLC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển công nghiệp. Độ tin cậy của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động kinh tế và sản xuất an toàn của các doanh nghiệp công nghiệp và khả năng chống nhiễu của hệ thống là chìa khóa để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của toàn bộ hệ thống. Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển PLC, một mặt, các nhà sản xuất PLC phải tăng cường khả năng chống nhiễu của thiết bị; mặt khác, nó đòi hỏi phải ưu tiên cao cho thiết kế kỹ thuật, lắp đặt, xây dựng cũng như vận hành và bảo trì. Chỉ thông qua sự hợp tác của nhiều bên-vấn đề mới có thể được giải quyết triệt để, nâng cao hiệu quả khả năng chống nhiễu của hệ thống.
[Nguồn nhiễu và phân loại chung]
Các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống điều khiển PLC cũng tương tự như các nguồn nhiễu ảnh hưởng đến thiết bị điều khiển công nghiệp nói chung; hầu hết phát sinh ở những khu vực có dòng điện hoặc điện áp dao động mạnh. Những khu vực chuyển động điện tích mạnh này là nguồn nhiễu, tức là nguồn gây nhiễu.
Các nguồn nhiễu thường được phân loại dựa trên nguyên nhân gây nhiễu, chế độ nhiễu và đặc tính dạng sóng của nhiễu.
1. Do nguyên nhân tạo ra tiếng ồn: tiếng ồn phóng điện, tiếng ồn tăng vọt, tiếng ồn dao động tần số cao-
2. Theo dạng sóng và tính chất của nhiễu: nhiễu liên tục, nhiễu lẻ tẻ
3. Theo chế độ nhiễu: nhiễu chế độ{1}}chung, nhiễu chế độ{2}}khác biệt
Trong số này, nhiễu-chế độ chung và nhiễu-khác biệt thể hiện một phương pháp phân loại tương đối phổ biến. Nhiễu sóng ở chế độ-chung đề cập đến sự chênh lệch điện thế giữa đường tín hiệu và mặt đất. Nó chủ yếu được hình thành do sự chồng chất của các điện áp chế độ chung (cùng{6}}hướng) gây ra trên các đường tín hiệu do xâm nhập vào lưới điện, chênh lệch điện thế mặt đất và bức xạ điện từ không gian. Điện áp ở chế độ{8}}thông thường đôi khi có thể khá cao; đặc biệt là trong các phòng được cấp nguồn bằng thiết bị phân phối có hiệu suất cách ly kém, điện áp chế độ chung của tín hiệu đầu ra máy phát thường cao, một số tín hiệu đạt trên 130 V. Điện áp chế độ chung có thể được chuyển đổi thành điện áp chế độ vi sai thông qua các mạch không cân bằng, ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu đo lường và điều khiển, đồng thời gây hư hỏng linh kiện. Loại nhiễu ở chế độ{15}}phổ biến này có thể là DC hoặc AC.
Giao thoa chế độ{0}}vi phân đề cập đến điện áp giao thoa tác động giữa hai cực của tín hiệu. Nó chủ yếu được hình thành bởi các điện áp do sự ghép nối trường điện từ trong không khí và sự chuyển đổi nhiễu-chế độ chung bởi các mạch không cân bằng. Điện áp này được đặt trực tiếp lên tín hiệu, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo và điều khiển.
[Các nguồn nhiễu điện từ chính]
1. Giao thoa bức xạ từ môi trường
Trường điện từ bức xạ (EMI) trong môi trường chủ yếu được tạo ra bởi lưới điện, sự chuyển tiếp trong thiết bị điện, sét, chương trình phát thanh, tivi, radar và thiết bị sưởi ấm cảm ứng tần số cao. Điều này thường được gọi là nhiễu bức xạ.
Nó chủ yếu gây nhiễu thông qua hai con đường: 1) Bức xạ trực tiếp vào PLC, gây nhiễu trong mạch điện
2) Bức xạ hướng vào mạng truyền thông nội bộ của PLC, gây nhiễu thông qua cảm ứng trong các đường truyền thông
Nhiễu bức xạ có liên quan đến cách bố trí thiết bị hiện trường và cường độ của trường điện từ do thiết bị tạo ra, đặc biệt là tần số của chúng. Nói chung, bạn có thể bảo vệ bằng cách sử dụng cáp có vỏ bọc, tấm chắn cục bộ của PLC và thiết bị chống đột biến điện áp cao-.
2. Nhiễu từ cáp hệ thống bên ngoài
Sự can thiệp này chủ yếu được đưa vào thông qua đường dây điện và tín hiệu và thường được gọi là nhiễu dẫn truyền. Loại nhiễu này đặc biệt nghiêm trọng trong môi trường công nghiệp ở Trung Quốc.
1) Nhiễu từ nguồn điện
Thực tế đã chỉ ra rằng nhiều lỗi hệ thống điều khiển PLC là do nhiễu xuyên qua nguồn điện; vấn đề thường được giải quyết bằng cách thay thế nguồn điện bằng nguồn có hiệu suất cách ly cao hơn.
Bộ nguồn PLC thường sử dụng các nguồn điện cách ly, nhưng do các yếu tố cấu trúc và quy trình sản xuất, hiệu suất cách ly của chúng không lý tưởng. Trong thực tế, việc cách ly tuyệt đối là không thể do sự có mặt của các tham số phân tán, đặc biệt là điện dung phân tán.
2) Nhiễu được đưa vào qua đường tín hiệu
Các đường truyền tín hiệu khác nhau được kết nối với hệ thống điều khiển PLC chắc chắn sẽ cho phép các tín hiệu nhiễu bên ngoài xâm nhập, ngoài việc truyền thông tin hợp lệ.
Sự can thiệp này chủ yếu xâm nhập qua hai con đường: thứ nhất, nhiễu lưới điện được đưa vào thông qua nguồn điện của máy phát hoặc nguồn điện dùng chung với các thiết bị tín hiệu-một yếu tố thường bị bỏ qua;
thứ hai, nhiễu gây ra bởi bức xạ điện từ không gian trên các đường tín hiệu, tức là nhiễu gây ra từ bên ngoài trên các đường tín hiệu, đặc biệt nghiêm trọng.
3) Nhiễu gây ra bởi hệ thống nối đất vô tổ chức
Nối đất là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng tương thích điện từ (EMC) của thiết bị điện tử. Việc nối đất thích hợp vừa có thể triệt tiêu tác động của nhiễu điện từ vừa ngăn thiết bị phát ra nhiễu; ngược lại, việc nối đất không đúng cách có thể gây ra các tín hiệu nhiễu nghiêm trọng, khiến hệ thống PLC gặp trục trặc.
Các đường nối đất trong hệ thống điều khiển PLC bao gồm nối đất hệ thống, nối đất tấm chắn, nối đất AC và nối đất bảo vệ. Sự can thiệp gây ra bởi hệ thống nối đất hỗn loạn trong hệ thống PLC chủ yếu là do sự phân bố điện thế không đồng đều tại các điểm nối đất khác nhau. Sự chênh lệch điện thế giữa các điểm nối đất khác nhau tạo ra dòng điện vòng nối đất, ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ thống.
3. Can thiệp từ bên trong hệ thống PLC
Sự can thiệp này chủ yếu được tạo ra bởi bức xạ điện từ lẫn nhau giữa các thành phần và mạch bên trong, chẳng hạn như bức xạ lẫn nhau giữa các mạch logic và tác động của chúng lên các mạch tương tự, sự tương tác giữa mặt đất tương tự và mặt đất logic và việc sử dụng các thành phần không khớp. Những vấn đề này thuộc phạm vi thiết kế tương thích điện từ (EMC) do nhà sản xuất PLC thực hiện cho các bộ phận bên trong của hệ thống. Vì đây là vấn đề phức tạp nằm ngoài tầm kiểm soát của bộ phận ứng dụng nên không cần phải xem xét kỹ lưỡng; tuy nhiên, điều cần thiết là phải chọn những hệ thống có thành tích đã được chứng minh hoặc những hệ thống đã được kiểm tra kỹ lưỡng.
[Nhiễu sóng-Thiết kế chống nhiễu]
1. Lựa chọn thiết bị
Khi lựa chọn thiết bị, hãy ưu tiên những sản phẩm có khả năng chống nhiễu cao, trong đó có khả năng tương thích điện từ (EMC), đặc biệt là khả năng chống nhiễu từ bên ngoài. Ví dụ bao gồm các hệ thống PLC sử dụng công nghệ mặt đất nổi và có hiệu suất cách ly tuyệt vời; Thứ hai, người ta nên xem lại các thông số kỹ thuật chống nhiễu-do nhà sản xuất cung cấp, chẳng hạn như tỷ lệ loại bỏ chế độ-chung (CMRR) và tỷ lệ loại bỏ chế độ-vi phân (DMRR), khả năng chịu được điện áp cũng như cường độ điện trường và tần số từ trường tối đa mà hệ thống được đánh giá là hoạt động; Ngoài ra, người ta nên đánh giá hồ sơ theo dõi của sản phẩm trong các ứng dụng tương tự.
2. Thiết kế chống nhiễu toàn diện
Điều này chủ yếu liên quan đến một số biện pháp chính để ngăn chặn nhiễu có nguồn gốc từ bên ngoài hệ thống, bao gồm: che chắn hệ thống PLC và cáp bên ngoài để ngăn chặn nhiễu điện từ bức xạ; cách ly và lọc các cáp bên ngoài-đặc biệt là cáp nguồn-và sắp xếp chúng thành từng lớp để ngăn chặn nhiễu điện từ truyền vào qua cáp; thiết kế hợp lý các điểm nối đất và thiết bị nối đất để hoàn thiện hệ thống nối đất. Ngoài ra, các phương pháp dựa trên phần mềm phải được sử dụng để nâng cao hơn nữa độ an toàn và độ tin cậy của hệ thống.
[Các biện pháp chống can thiệp chính{0}}]
1. Sử dụng nguồn điện hiệu suất cao-để triệt tiêu nhiễu từ lưới điện
Trong các hệ thống điều khiển PLC, nguồn điện đóng một vai trò quan trọng. Nhiễu lưới điện chủ yếu được kết hợp với hệ thống điều khiển PLC thông qua các nguồn điện của hệ thống (chẳng hạn như nguồn điện CPU, nguồn điện I/O, v.v.), nguồn điện máy phát và nguồn điện của các thiết bị có kết nối điện trực tiếp với hệ thống PLC. Hiện nay, các bộ nguồn có tính năng cách ly tốt thường được sử dụng cho hệ thống PLC. Tuy nhiên, nguồn cung cấp năng lượng cho các máy phát và thiết bị được kết nối điện trực tiếp với hệ thống PLC vẫn chưa được chú ý đầy đủ. Mặc dù một số biện pháp cách ly đã được thực hiện nhưng nhìn chung chúng vẫn chưa thỏa đáng. Điều này chủ yếu là do các máy biến áp cách ly được sử dụng có thông số phân bố lớn và khả năng triệt nhiễu kém, cho phép kết hợp nhiễu ở chế độ-chung và chế độ vi sai-thông qua nguồn điện. Do đó, để cấp nguồn cho các máy phát và thiết bị chia sẻ đường tín hiệu, nên chọn các bộ phân phối điện có điện dung phân bố thấp và băng thông triệt tiêu rộng (chẳng hạn như các bộ sử dụng nhiều giai đoạn cách ly, kỹ thuật che chắn và giảm điện cảm rò rỉ) để giảm thiểu nhiễu trong hệ thống PLC.
2. Lựa chọn và bố trí cáp
Các loại tín hiệu khác nhau phải được truyền qua cáp riêng biệt. Cáp tín hiệu phải được bố trí thành từng lớp tùy theo loại tín hiệu được truyền đi. Nghiêm cấm sử dụng các dây dẫn khác nhau trong cùng một cáp để truyền đồng thời cả nguồn và tín hiệu. Không nên bố trí các đường tín hiệu song song gần với cáp nguồn để giảm thiểu nhiễu điện từ.
3. Các biện pháp lọc phần cứng và chống nhiễu phần mềm
Trước khi tín hiệu vào máy tính, hãy kết nối một tụ điện song song giữa đường tín hiệu và mặt đất để giảm nhiễu chế độ chung; việc lắp đặt bộ lọc giữa hai cực tín hiệu có thể làm giảm nhiễu chế độ{1}}vi sai.
4. Lựa chọn điểm nối đất hợp lý và cải tiến hệ thống nối đất
Việc nối đất thường phục vụ hai mục đích: an toàn và ngăn chặn nhiễu. Hệ thống nối đất được thiết kế tốt là một trong những biện pháp chính để bảo vệ hệ thống điều khiển PLC khỏi nhiễu điện từ. Có ba loại phương pháp nối đất hệ thống: nối đất nổi, nối đất trực tiếp và nối đất điện dung.
Khi nguồn tín hiệu được nối đất, tấm chắn phải được nối đất ở phía tín hiệu; khi không nối đất thì nên nối đất ở phía PLC; khi có các mối nối trên đường tín hiệu, tấm chắn phải được kết nối và cách điện chắc chắn, đồng thời phải tránh nhiều điểm nối đất; khi cáp xoắn đôi-có vỏ bọc từ nhiều điểm đo được kết nối với cáp xoắn đôi-nhiều lõi-có vỏ bọc chung, vỏ bọc của mỗi cáp phải được kết nối và cách điện đúng cách.
II. Cải thiện hiệu quả hoạt động
1. Quy hoạch các khối chức năng dựa trên yêu cầu thực tế của dự án
Viết chương trình con: Trong PLC, chương trình con là một chương trình tương đối độc lập được viết cho các mục đích điều khiển cụ thể. Khi thực hiện các lệnh gọi chương trình con như CALL, nếu các điều kiện cho lệnh gọi chương trình con không được đáp ứng thì quá trình quét chương trình chỉ tiến hành trong chương trình chính và không quét phần chương trình con, do đó giảm thời gian quét không cần thiết.
2. Kiểm soát kết quả đầu ra bằng cách chuyển dữ liệu Word hoặc dữ liệu Word kép sang điểm DO
Các ứng dụng PLC thường liên quan đến một số lượng lớn các điều khiển đầu ra. Kiểm soát kết quả đầu ra bằng cách chuyển dữ liệu từ hoặc dữ liệu từ-kép sang điểm DO có thể cải thiện tốc độ. Bằng cách phân bổ hợp lý các địa chỉ đầu ra và chuyển đổi các từ đầu ra điều khiển theo yêu cầu ứng dụng thực tế, số bước thực hiện trong chương trình PLC có thể giảm đáng kể, từ đó tăng tốc thời gian chạy của chương trình.
3. Xung-Đã kích hoạt SET và RESET
Trong PLC, lệnh SET chỉ cần được thực thi một lần; nó không cần phải được thực thi trong mỗi lần quét, khiến nó-rất phù hợp để sử dụng với các lệnh đầu ra xung (PLS/PLF). Một số kỹ sư bỏ qua vấn đề này và sử dụng các phương pháp thông thường để kích hoạt lệnh SET, vô tình làm tăng thời gian thực hiện quét của chương trình PLC.