解析起重機械PLC控制系統中的問題和應用

劉東鳴 張嵩華

摘要：PLC（Programmable Logic Controller）在機電設備自動化發展過程中，已經逐步取代繼電器控制方式成為了現代工業主流自動化控制方式。而近年來，PLC在各類起重機械設備中的應用也越來越廣泛，但隨之而來的一些問題也開始暴露，諸如PLC通訊故障、模塊短路現象和信號干擾現象等，如何減少PLC應用過程中出現的問題和不足，從而提高起重設備穩定性、安全性，才能實現方便可靠的自動化控制。

關鍵詞：起重機械；PLC控制系統；問題解析； 應用

1.引言

隨著國民經濟的發展，越來越多的高層建筑、重型設備如電梯、汽車起重機、吊車、升降機、料斗提升機已經逐步取代人力驅動的葫蘆、絞車、千斤頂等起重機械。重型設備若都由人工來操作，很容易出現操作失誤、緊急故障無法快速反應或因疲勞作業疏忽造成嚴重的事故，而PLC的引入使這些問題迎刃而解了。PLC在汽車起重機、塔式或龍門式起重機這類大型起重機械中的應用非常廣泛。而起重機械的起重能力和工作環境適應能力固然重要，其安全性和穩定性更是舉足輕重。然而，現代的PLC，配合計算機技術雖能夠實現普通的順序控制或復雜的邏輯控制功能，但仍然會出現一些故障和問題。

2.PLC在起重機械控制系統中的應用解析

PLC在起重設備中的運行主要是利用專用的運動模塊，控制起重設備做各種直線、圓周、或者按照既定的路線運動，實現了整套動作的自動控制。傳統的繼電器控制存在很多缺點：一是為了實現這些控制頻繁的開合繼電器，繼電器內部構建如這些觸點碳刷、滑環等等極容易產生燒損故障；二是如果要實現邏輯控制，尤其是控制多個邏輯動作時，繼電器數量和觸點會變得非常多而復雜，一個損壞，全線崩潰；三是通過接觸器控制電機運行速度時，換檔沖擊很大，造成運行不穩定，負載過大時容易造成動載荷無法評估而引發安全事故。與傳統的繼電器控制性相比，PLC之所以在起重機械控制系統中廣泛應用，關鍵在于它的幾點應用價值[1]：

(1) PLC功能單元能夠對應到起重機械的各個模擬量，而控制過程的操作簡單，輸出形象，監管容易。

(2) PLC的編程語言通俗易懂。

(3) 能大大減少了控制設備之外的接線。

(4)具有智能的硬件故障的自我檢測功能和故障自診斷保護功能。

我們以常用的抓斗起重機為例，簡單描述PLC工作過程和應用機理。如西門子公司生產的SIMATIC S7-300系列PLC產品，結合設備如變頻器、變頻電機、絕對值編碼器、制動器、各限位開關、操作臺主令控制器、賦值按鈕和相應的軟件來實現抓斗的動作[2]。目的即是通過抓斗起重機操作工控制相關的操作按鈕，完成相應的動作。這個過程大致可以描述為：按鈕所產生的信號通過數字量（如溫度、流量、壓力、速度、液位、其他限制條件等），各測量設備的信號（如鋼絲繩收放量，抓斗起升量）的絕對值編碼器由位置測量模塊進入PLC。將這些信號通過PLC內部的CPU按照既定的程序進行處理后輸出到相關設備，如變頻器、制動器等等，由此來完成抓斗起重機的自動化控制。

3.PLC運用過程中常見問題解析

在PLC出現故障時，我們首先應該注意的是：故障是出現在PLC本身還是出現在信號傳輸過程中，或是執行動作的設備，只有確定好了故障發生的階段才能快速的找到并解除故障。而能夠造成這些問題的原因是非常多的，例如設備電源、地線、信號線、開關、限位、安保裝置、信號線、模塊等等。而反觀PLC本身則較少出現故障，如這些CPU和模塊，根據工作經驗，CPU是非常難出故障的，而一旦出故障，普通維修電工也不懂怎樣處理，因此PLC的故障重在預防。

例如PLC內部模塊短路故障：起重設備經常位于人員監護較易疏忽的位置，如吊車、電梯、起重機械，它們或出入建筑工地，或位于人員不容易察覺的角落，很容易有水、灰塵、贓物進入，又如老鼠等小動物撒尿等等，這些因素會直接導致容易導致電源電纜接地造成短路故障，或模塊短路燒損故障。前者可采用萬用表對所有外引電纜電源進行檢查，尋找這些接地電纜或短路電纜，排除后重新運行PLC。而后者一般會導致模塊故障燈亮，如需確認可用編程器檢測程序，通過萬用表檢測模塊是否輸出信號即可判定，而解決辦法則是更換新的模塊。但PLC模塊價格昂貴，短路故障處理起來也非常麻煩，因此我們只有通過事先的預防減少設備故障發生時最合理的，如平時做好防水放短路措施，定期對模塊進行吹灰，增加保護設施防止小動物進入等等。

PLC通訊故障：通訊故障的表現很多如指示燈不亮，儀表無讀數，控制無反應等等。一般原因有通訊線脫落、子站地址和終端電阻設置不匹配、電器元件燒壞等等。而一般經過安裝和調試以后，子站地址和終端電阻設置不會有問題，通訊線脫落和斷裂可能性是比較大的，如老鼠等小動物咬斷通訊線，人或其他動物碰掉通訊線插頭，建筑工地容易被砸斷等等；還有就是插頭等接觸了水或者油污導致的短路故障。這些故障的排除方法無非是利用萬用表來檢測這一條通訊線路的完好性，單檢測和排查的過程應遵循由簡到難的過程，可采用替換法等方法來進行判斷。

PLC的干擾故障：因內外干擾源較多，針對PLC本身，我們也需要設置抗干擾措施來預防故障，如內部元器件噪聲、磁場的隔離屏蔽措施，又如如抗閃電、雷擊、電磁場和電火花等外部干擾的設施等，同時應控制PLC系統與周圍其他系統的電位差。PLC的A/D、D/A轉換設備和輸入裝置的干擾。它分為串模干擾和共模干擾，串模干擾指的是干擾信號疊加在輸入信號上，這類故障較常見，它使干擾信號和輸入信號串聯與同一個回路中，同時施加在接收被測信號設備的輸入端。而共模干擾主要是由于PLC系統的檢測設備和受控設備間隔較遠，互相通信的過程中PLC的主地線和現場設備信號端地線存在的電位差而形成干擾。我們可以通過增加PLC本身的抗干擾性，如選用抗干擾能力強的產品，如采用浮地技術、隔離性能好的系統；其二是控制各干擾源和對PLC進行屏蔽，如對PLC及外引線進行屏蔽防止空間輻射電磁干擾，對動力電纜進行分層布置減少電磁干擾；正確實際各類接地措施和接地裝置等等方式來減少干擾問題[3]。

4.結語

起重機械PLC控制系統的應用是非常實用而穩定的，合理的控制好PLC故障和外界干擾后，PLC就能夠更加穩定、高效、安全的為我們服務。

5.參考文獻

[1] 謝少榮，羅均，吳安德.常用可編程控制器及其應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2] 王衛兵，高俊山.可編程控制器原理及應用[M]. 北京：機械工業出版社2002.

[3] 蘇淦萬. 提高PLC可靠性抗干擾措施[ J] . 能源與環境, 2004( 4 ):63- 65.