镀铬控制系统可靠性设计及分析

翟宏强, 潘宏侠, 郭彦青

(中北大学,山西太原030051)

镀铬控制系统可靠性设计及分析

翟宏强, 潘宏侠, 郭彦青

(中北大学,山西太原030051)

0 前言

镀铬生产线由众多镀槽组成,它们的工艺顺序是按具体固定的流程运行的,基材在每个槽中停放的时间也是严格固定的,这么复杂的过程如果光靠人为工作是很容易失误的。在镀铬生产线上采用自动化控制不但可以使电镀产品的质量得到严格的保证,有效减少废品率,而且还可以提高生产效率、减轻工人的劳动强度,有着非常好的经济效益和社会效益。随着生产过程自动化水平的不断提高,生产工艺对自动控制系统的工作可靠性提出了更高的要求。其工作的可靠性不仅直接影响生产效率和产品质量,而且还关系到生产设备的使用寿命和操作人员的人身安全。在镀铬控制系统中大量采用继电器,其可靠性对整个控制系统工作的可靠性是至关重要的。而PLC作为自动控制的核心部分,它的可靠性也是控制系统设计中的一个重要环节。

1 控制系统的三种控制方式的可靠性设计

在设计控制系统时,只有简化电路设计,尽量减少镀铬系统中所用元器件的个数,这样才可以最大限度地控制元器件的失效性,提高镀铬控制系统的可靠性。利用一个三态保持旋钮设计出控制系统中手动、自动、手自动三种控制方式。其中,手动和自动是相互独立的,即:在手动状态下不能够进行PLC自动控制(自动失效),在自动状态下不能够手动操作(手动失效);手动和自动又构成了互相备用的功能,即:当手动功能失效或维修时,自动状态依然可以工作,反之亦然。而手自动模式使工作人员进行操作时更加灵活,同时也减小了对一些元器件的过度磨损[1]。可见,这样的设计方式充分保证了控制系统的正常运行和其可靠性。图1为控制方式切换图。

图1 控制方式切换图

当S1切换到自动模式时,它的(1,2)触点接通,从而继电器 K3得电,K3的(13,14)触点接通,自动运行指示灯 H5亮;当S1切换到手动模式时,它的(5,6)触点接通,从而继电器 K2得电,K2的(13, 14)触点接通,自动运行指示灯 H4亮;当S1切换到手自动模式时,它的(3,4)触点接通,从而接触器 K1得电,K1的(1,2),(3,4)触点接通,自动运行指示灯H 5和手动运行指示灯H 4同时亮。

当转换开关S1切换到手自动时,手动自动可以同时对系统进行控制,无形间 K1要承受更大的功率,所以采用接触器;而单独的手动或自动所承受的功率不是很大,所以采用普通的继电器,这样既节省了成本,也保证了系统的可靠性。

2 控制系统电磁兼容性分析

因为所设计的控制系统是要在强磁、强电等恶劣的情况下工作,高速电子开关的接通和关断将产生高次谐波,从而形成高频干扰;大功率机械设备的启停、负载的变化将引起电网电压的波动和电磁感应,产生低频干扰;邻近设备的强电场通过电容的耦合引起对控制系统的干扰;来自传输信号线上的干扰;地电位的分布干扰等都会通过与现场设备相连的电缆引入PLC组成的控制系统中,影响系统的安全可靠工作。由此可见:电磁干扰问题是直接影响控制系统可靠性的主要因素,所以电磁兼容性是必须解决的问题。

控制系统的电磁干扰信号主要是元器件(包括:电源,继电器,各种仪表等)在得电后的电磁耦合以及传输强弱电导线之间的电磁感应,使PLC接收和输出的信号受到干扰,导致自动控制不精确,影响系统可靠性。减小电磁干扰的主要方法是通过滤波来降低公共电路的阻抗,并可以采取一些屏蔽、隔离的措施等。

电磁兼容性设计主要是从技术方面来考虑的。可增加屏蔽装置,改变元器件的布局,采用接地等措施[2]。

(1)采用屏蔽的方法可以防止电磁泄漏,防止电源与元器件间产生分布电容,防止将电磁干扰信号耦合到元器件内部,使其工作效率受到影响。

(2)控制系统中所有的元器件要求布局合理,完成强电路和弱电路电器元件布局设计,尽量不要把容易受干扰的元器件和干扰源放到一起。在施工走线时要注意输入信号线和输出信号线的隔离以及强弱电的隔离,可以考虑采用屏蔽的方法。走线时还应注意交流电和直流电按原则是不能走一条支路的。因为PLC的信号线是弱点信号,很容易受到电磁信号的干扰,需要把 PLC单独放一排;并且它的走线槽中不能有其他的导线通过,否则会影响自动控制信号的传输,导致控制系统的可靠性下降。

(3)采取接地措施。第一,屏蔽线接地,即:将液位传感器和温度传感器的屏蔽线的屏蔽层接地,并将整流器电流表、电压表的屏蔽层接地,来防止柜外电磁场的干扰。第二,控制信号接地,采用减少地线环路的方法,这样可以减少外磁场的耦合干扰。第三,人身安全接地,将控制柜的外壳进行接地处理,保证工作人员的人身安全。

3 控制核心PLC的抗干扰措施

整个控制系统的核心是选用西门子公司的SIM A TIC S7-300系列的PLC,系统硬件配置为3组机架,用M PI连接。PLC作为现在流行的控制核心,已成为自动化控制系统的核心装置。它具有比一般计算机更强的与工艺制造过程相连接的输入输出接口。要消除对PLC的干扰就必需抑制其干扰源,对干扰入侵的途径进行阻断。通过从源头和过程传输中实施合理的措施,来提高PLC自身的抗干扰能力,并提高控制系统的可靠性[3]。

(1)电源

所设计的控制系统是用AC220V UPS为PLC提供电源。当市电正常供应的时候,UPS会利用市电直接为负载供电。这时电池是处于浮充待机状态。当市电停电后,UPS会在最短时间内切换到逆变器输出供负载工作。逆变器由电池提供低压输入,此时电池处于放电状态。当市电来电的时候, UPS又会自动无缝切换到市电供电状态,而后利用内部的充电器为电池充电。在购买UPS之前,对其最大电流,最大功率等进行了研究和分析,这样可以防止电流过大或者功率过大造成对元器件的损坏。

(2)对感性负载采取的措施

在对镀铬控制系统进行调试的时候,经常会出现循环泵、过滤泵旋钮和温度旋钮在启动和关闭时,不仅它们相对应的运行灯会亮或熄灭,其他的信号灯也会有短暂的闪烁。其原因为感性负载是储能设备,当旋钮开启时,PLC触点闭合,这样会由于触点的抖动而产生电弧;当旋钮关闭时,PLC控制触点断开,电路中的感性负载会产生相当强的反电势。这两种情况都会对系统产生干扰。因为PLC输入、输出端都接有感性负载,所以采取了一些相应的措施,结果信号灯运行正常了,如图2,图3所示。

(3)PLC的接地措施

只有PLC接地良好,才能保证其他的干扰对它的影响减小到最低,才能使其正常运行,从而保证控制系统的可靠性。在设计PLC接地措施时,查阅了很多资料。日常生活中,PLC接地处理大致分为以下几种方式:采用图4(a)所示接地方式将PLC的接地与其他强电动力设备的接地分开;如条件不允许以至于不能分开接地,应采用图4(b)所示接地方式;但是绝对不可以采用图4(c)所示接地方式。

图2 交流输入输出方式

图3 直流输入输出方式

图4 PLC的接地方式

选用图4(a)所示的接地方式时,PLC受到的干扰是最小化的,保证了系统控制信号的传输以及控制系统的可靠性。

4 结语

在设计镀铬控制系统前,对其可靠性做了充分的分析和研究,并对控制系统中最容易发生的一些干扰采取了合理的措施,尽量减少电磁干扰对系统的影响,提高了PLC的抗干扰能力,保证了上位机与PLC的正常通信以及PLC与控制系统的信号传输。采用手动、自动、手自动的三种操作模式对控制系统进行控制,系统在某种模式失效时可以用另一种模式替代,既保证了控制系统的可靠性,又可以灵活切换,提高了工作效率。经过努力,成功制作了镀铬控制系统的控制柜,并投入到了北方重工集团某特种工艺厂的生产中。经实际应用,所设计的镀铬控制系统能够安全可靠地运行和工作。

[1] 胡昌涛.可靠性工程设计、试验、分析、管理[M].北京:宇航出版社,1989.

[2] 区建昌.电子设备的电磁兼容性设计理论与实践[M].北京:电子工业出版社,2010.

[3] 杨新泉,胡燕.提高PLC控制系统的可靠性[J].自动化博览, 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)

通过对镀铬控制系统手动、自动、手自动三种模式切换的可靠性设计,分析了整个控制系统的电磁兼容性,对PLC采取了能有效提高其抗干扰能力的措施。经实际应用,镀铬控制系统能够正常运行,且具有良好的安全性和可靠性。

控制系统;可靠性;电磁兼容;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