Os Controladores Lógicos Programáveis (CLPs), como produtos de controle convencionais em automação industrial, já existem há meio século. Com o desenvolvimento das tecnologias de semicondutores, computadores e comunicação, o campo do controle industrial passou por mudanças dramáticas e os CLPs evoluíram ao longo de cinco gerações em termos de desempenho, funcionalidade, facilidade de uso e forma do produto. Hoje, discutiremos soluções para desafios comuns de PLC.
Primeiro, vamos revisitar o básico e definir o que é um PLC:
É um tipo de dispositivo de memória programável usado para armazenar programas internamente. Ele executa instruções-orientadas ao usuário, como operações lógicas, controle sequencial, temporização, contagem e operações aritméticas, e controla vários tipos de máquinas ou processos de produção por meio de entrada/saída digital ou analógica.
I. Questões de resistência a interferências
Com o avanço da ciência e da tecnologia, os PLCs estão sendo aplicados mais amplamente no controle industrial. A sua fiabilidade tem um impacto direto na produção segura e nas operações económicas das empresas industriais, e a capacidade do sistema para resistir a interferências é fundamental para garantir o funcionamento fiável de todo o sistema. Para melhorar a confiabilidade dos sistemas de controle PLC, por um lado, os fabricantes de PLC devem aumentar a resistência a interferências do equipamento; por outro lado, exige que seja dada alta prioridade ao projeto de engenharia, instalação, construção, operação e manutenção. Somente através da cooperação multi{3}}partidária o problema pode ser totalmente resolvido, aumentando efetivamente a resistência do sistema a interferências.
[Fontes de interferência e classificação geral]
As fontes de interferência que afetam os sistemas de controle PLC são semelhantes àquelas que geralmente afetam os equipamentos de controle industrial; a maioria surge em áreas onde a corrente ou a tensão flutuam dramaticamente. Estas áreas de intenso movimento de carga são fontes de ruído, ou seja, fontes de interferência.
As fontes de interferência são normalmente classificadas com base na causa da interferência, no modo de interferência do ruído e nas características da forma de onda do ruído.
1. Por causa da geração de ruído: ruído de descarga, ruído de surto, ruído de oscilação de alta-frequência
2. Por forma de onda e natureza do ruído: ruído contínuo, ruído esporádico
3. Por modo de interferência: interferência de modo-comum, interferência de modo-diferencial
Entre eles, a interferência de modo-comum e a interferência de modo-diferencial representam um método de classificação relativamente comum. A interferência de modo-comum refere-se à diferença de potencial entre uma linha de sinal e o terra. É formado principalmente pela superposição de tensões de modo-comum (mesma-direção) induzidas em linhas de sinal por intrusão na rede elétrica, diferenças de potencial de terra e radiação eletromagnética espacial. Às vezes, as tensões de modo{8}comum podem ser bastante altas; especialmente em salas alimentadas por unidades de distribuição com baixo desempenho de isolamento, a tensão de modo-comum dos sinais de saída do transmissor é geralmente alta, com alguns chegando a mais de 130 V. A tensão de modo-comum pode ser convertida em tensão de modo-diferencial por meio de circuitos desequilibrados, afetando diretamente os sinais de medição e controle e causando danos aos componentes. Esse tipo de interferência de modo-comum pode ser CC ou CA.
A interferência de modo-diferencial refere-se à tensão de interferência que atua entre os dois terminais de um sinal. É formado principalmente por tensões resultantes do acoplamento do campo eletromagnético no ar e da conversão de interferência de modo-comum por circuitos desequilibrados. Esta tensão é diretamente sobreposta ao sinal, afetando diretamente a precisão da medição e do controle.
[Principais Fontes de Interferência Eletromagnética]
1. Interferência Irradiada do Meio Ambiente
Os campos eletromagnéticos irradiados (EMI) no ambiente são gerados principalmente por redes de energia, transientes em equipamentos elétricos, raios, transmissões de rádio, televisão, radar e equipamentos de aquecimento por indução de alta-frequência. Isso é comumente chamado de interferência irradiada.
Causa interferência principalmente através de dois caminhos: 1) Radiação direta no PLC, induzindo interferência nos circuitos
2) Radiação direcionada à rede de comunicação interna do CLP, introduzindo interferência por indução nas linhas de comunicação
A interferência irradiada está relacionada ao layout dos equipamentos de campo e à magnitude dos campos eletromagnéticos gerados pelos equipamentos, principalmente à sua frequência. A proteção geralmente é obtida usando cabos blindados, blindagem local do CLP e pára-raios de alta-tensão.
2. Interferência de cabos externos do sistema
Esta interferência é introduzida principalmente através de linhas de energia e de sinal e é comumente chamada de interferência conduzida. Este tipo de interferência é particularmente grave em ambientes industriais na China.
1) Interferência de fontes de alimentação
A prática tem mostrado que muitas falhas no sistema de controle PLC são causadas por interferência introduzida através da fonte de alimentação; o problema normalmente é resolvido substituindo a fonte de alimentação por uma que ofereça maior desempenho de isolamento.
As fontes de alimentação PLC normalmente usam fontes de alimentação isoladas, mas devido a fatores estruturais e de processo de fabricação, seu desempenho de isolamento não é ideal. Na realidade, o isolamento absoluto é impossível devido à presença de parâmetros distribuídos, particularmente capacitância distribuída.
2) Interferência introduzida através de linhas de sinal
Várias linhas de transmissão de sinal conectadas ao sistema de controle PLC permitem inevitavelmente a intrusão de sinais de interferência externa, além de transmitir informações válidas.
Essa interferência entra principalmente por dois caminhos: primeiro, a interferência na rede elétrica introduzida por meio da fonte de alimentação do transmissor ou da fonte de alimentação compartilhada com instrumentos de sinal-um fator que muitas vezes é esquecido;
em segundo lugar, a interferência induzida pela radiação electromagnética espacial nas linhas de sinal, isto é, a interferência externa induzida nas linhas de sinal, que é particularmente grave.
3) Interferência causada por sistema de aterramento desorganizado
O aterramento é um dos métodos eficazes para melhorar a compatibilidade eletromagnética (EMC) de equipamentos eletrônicos. O aterramento adequado pode suprimir os efeitos da interferência eletromagnética e evitar que o equipamento emita interferência; por outro lado, o aterramento inadequado pode introduzir sinais de interferência graves, causando mau funcionamento do sistema PLC.
As linhas de aterramento em um sistema de controle PLC incluem o aterramento do sistema, o aterramento da blindagem, o aterramento CA e o aterramento de proteção. A interferência causada por um sistema de aterramento caótico em um sistema PLC resulta principalmente da distribuição desigual de potencial em vários pontos de aterramento. As diferenças de potencial entre os diferentes pontos de aterramento criam correntes de loop de terra, que afetam a operação normal do sistema.
3. Interferência de dentro do sistema PLC
Essa interferência é gerada principalmente pela radiação eletromagnética mútua entre componentes e circuitos internos, como a radiação mútua entre circuitos lógicos e seu impacto nos circuitos analógicos, a interação entre o aterramento analógico e o aterramento lógico e o uso incompatível de componentes. Essas questões se enquadram no escopo do projeto de compatibilidade eletromagnética (EMC) conduzido pelo fabricante do CLP para os componentes internos do sistema. Como este é um assunto complexo que foge ao controle do departamento de aplicação, não precisa ser examinado excessivamente; no entanto, é essencial selecionar sistemas com histórico comprovado ou que tenham sido exaustivamente testados.
[Design resistente-a interferências]
1. Seleção de Equipamentos
Ao selecionar equipamentos, priorize produtos com alta resistência a interferências, incluindo compatibilidade eletromagnética (EMC), principalmente resistência a interferências externas. Os exemplos incluem sistemas PLC que empregam tecnologia de solo flutuante e possuem excelente desempenho de isolamento; Em segundo lugar, deve-se revisar as especificações anti{1}}interferência fornecidas pelo fabricante, como taxa de rejeição de modo-comum (CMRR) e taxa de rejeição de modo-diferencial (DMRR), capacidade de resistência de tensão e a intensidade máxima do campo elétrico e a frequência do campo magnético nas quais o sistema está classificado para operar; além disso, deve-se avaliar o histórico do produto em aplicações similares.
2. Projeto anti{1}interferência abrangente
Isto envolve principalmente diversas medidas importantes para suprimir interferências provenientes de fora do sistema, incluindo: blindagem do sistema PLC e cabos externos para evitar interferência eletromagnética irradiada; isolar e filtrar cabos externos-especialmente cabos de energia-e organizá-los em camadas para evitar a entrada de interferência eletromagnética conduzida através dos cabos; e projetar corretamente pontos e dispositivos de aterramento para melhorar o sistema de aterramento. Além disso, métodos-baseados em software devem ser utilizados para melhorar ainda mais a segurança e a confiabilidade do sistema.
[Principais medidas anti-interferência]
1. Use fontes de alimentação-de alto desempenho para suprimir interferências introduzidas na rede elétrica
Nos sistemas de controle PLC, a fonte de alimentação desempenha um papel crítico. A interferência da rede elétrica é acoplada principalmente ao sistema de controle do CLP por meio das fontes de alimentação do sistema (como fontes de alimentação da CPU, fontes de alimentação de E/S, etc.), fontes de alimentação do transmissor e fontes de alimentação de instrumentos que possuem conexões elétricas diretas com o sistema CLP. Atualmente, fontes de alimentação com bom desempenho de isolamento são geralmente utilizadas para sistemas PLC. No entanto, atenção insuficiente tem sido dada às fontes de alimentação para transmissores e instrumentos diretamente conectados eletricamente ao sistema PLC. Embora tenham sido implementadas certas medidas de isolamento, elas são geralmente inadequadas. Isso ocorre principalmente porque os transformadores de isolamento usados têm grandes parâmetros distribuídos e pouca capacidade de supressão de interferência, permitindo que interferências de modo-comum e-diferencial sejam acopladas por meio da fonte de alimentação. Portanto, para alimentar transmissores e instrumentos que compartilham linhas de sinal, distribuidores de energia com baixa capacitância distribuída e ampla largura de banda de supressão (como aqueles que empregam múltiplos estágios de isolamento, blindagem e técnicas de redução de indutância de vazamento) devem ser selecionados para minimizar a interferência no sistema PLC.
2. Seleção e layout de cabos
Diferentes tipos de sinais devem ser transmitidos através de cabos separados. Os cabos de sinal devem ser dispostos em camadas de acordo com o tipo de sinal transmitido. É estritamente proibido usar condutores diferentes dentro do mesmo cabo para transmitir simultaneamente energia e sinais. As linhas de sinal não devem ser dispostas paralelamente aos cabos de alimentação para minimizar a interferência eletromagnética.
3. Filtragem de hardware e medidas anti-interferência-de software
Antes de os sinais entrarem no computador, conecte um capacitor em paralelo entre a linha de sinal e o terra para reduzir a interferência de modo-comum; instalar um filtro entre os dois terminais de sinal pode reduzir a interferência do modo-diferencial.
4. Seleção Adequada de Pontos de Aterramento e Melhoria do Sistema de Aterramento
O aterramento normalmente serve a dois propósitos: segurança e supressão de interferências. Um sistema de aterramento bem-projetado é uma das principais medidas para proteger os sistemas de controle PLC contra interferência eletromagnética. Existem três tipos de métodos de aterramento do sistema: solo flutuante, aterramento direto e aterramento capacitivo.
Quando a fonte do sinal estiver aterrada, a blindagem deverá ser aterrada no lado do sinal; quando não aterrado, deverá ser aterrado no lado do CLP; quando houver juntas na linha de sinal, a blindagem deve ser conectada e isolada com segurança, e vários pontos de aterramento devem ser evitados; quando cabos de pares trançados blindados de vários pontos de medição são conectados a um cabo de pares trançados de múltiplos-núcleos-com uma blindagem comum, as blindagens de cada cabo devem ser adequadamente interconectadas e isoladas.
II. Melhorando a eficiência operacional
1. Planeje blocos funcionais com base nos requisitos reais do projeto
Escrevendo sub-rotinas: Em um PLC, uma sub-rotina é um programa relativamente independente escrito para fins de controle específicos. Ao executar instruções de chamada de sub-rotina, como CALL, se as condições para a chamada de sub-rotina não forem atendidas, a varredura do programa continuará apenas dentro do programa principal e não varrerá a seção da sub-rotina, reduzindo assim o tempo de varredura desnecessário.
2. Controlando saídas transferindo dados de palavras ou palavras duplas para pontos DO
As aplicações PLC normalmente envolvem um grande número de controles de saída. Controlar as saídas transferindo dados de palavras ou palavras-duplas para pontos DO pode melhorar a velocidade. Ao alocar razoavelmente endereços de saída e converter palavras de saída de controle de acordo com os requisitos reais da aplicação, o número de etapas de execução no programa PLC pode ser significativamente reduzido, acelerando assim o tempo de execução do programa.
3. Pulso-SET e RESET acionados
Num PLC, a instrução SET só precisa ser executada uma vez; ele não precisa ser executado durante cada varredura, o que o torna-adequado para uso com instruções de saída de pulso (PLS/PLF). Alguns engenheiros ignoram esse problema e usam métodos convencionais para acionar a instrução SET, aumentando inadvertidamente o tempo de execução da varredura do programa PLC.