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可编程序控制系统控制室的照明及线路设计、敷设的探讨

2016-11-15 10:02:29来源:上海纺织建筑设计研究院·袁鸿伟浏览:评论:0

  1.引言

  绿色照明是一项现在还刚刚开始推动的照明技术,是一个涉及全面发展和进步的系统工程,其含意广泛、节能意义重大而深远,在新世纪照明设计中,必将获得更大发展。

  为了满足对生产工艺的过程控制、参数检测和优化生产等工厂管理、控制现代化的需要,以提高产品质量、节约能源、降低成本、改善劳动条件以及确保设备的正常运行为目标,某化纤厂后处理工段主流程选用了先进的西门子公司过程控制系统SIMATIC.Process Control-System,简称SI-MATIC PCS7 。经过一年多的运行实践,系统运行稳定、控制方便,并且能根据国际市场和国内需求,在不改变硬件设施阶情况下,只需通过软件改变运行参数,就可及时调整生产品种,社会效益和经济效益十分明显。

  SIMATIC PCS7可编程序控制系统是西门子的新一代控制系统。它分为中央控制及远程控制两大部分,中央控制部分放置在后处理控制室MCC 的主控制盘内;远程控制部分分布在现场控制点附近,通过现场控制盘用于卷曲、切断及打包 进行信号联系。主控制盘采用PLC方式。为了使现场部分的可编程序控制器设备和MCC电动机控制中心更接近,采用远程模块化的I/O站和现场总线的控制方式,这样就有利于I/O配线和对外电缆敷设。

  2.中央控制室或分操作台的控制室设计

  2.1照明

  在中央控制室或者有分操作台的控制室中,常常通过计算机屏幕进行管理和控制,值班人员的视力既要持续又要紧张地工作,为了既能看清彩屏的画面,又要维持房间内的照明,一般照度以200~300Lx为宜;同时,在同一房间内照度要均匀,且在垂直面上有足够的照度。照明设计时应提倡绿色照明以利节能。照明光源建议采用TLD-36W/840光源为好。该光源光效更高,显色性更好,便于布置和改善视觉条件。在灯具布置应无直射眩光和反射眩光对准屏幕,灯具宜选用嵌入式隔栅灯或发光天棚。另外一个要点是照明和维护电源,绝对不允许与可编程序控制器的控制/信号电源共用同一路供电。照明及备用电源线的敷设,要尽可能避开控制/信号电缆。由于照明和维护电源使用条件中偶发因素很多,应避免照明和维护电源在突然集中用电时对控制/信号电缆造成干扰,例如,使用维护电源接电焊机,可能会引起意想不到的干扰。

  2.2电话

  在控制室和操作间,配置电话是必要的,而且为了流动人员工作方便,中央控制室配有无线移动电话。但这种高频高功率发射电话机有时会对可编程序控制器的工作产生干扰。选择哪种电话,决定因素很多,但不宜在可编程序控制器和计算机屏幕十分靠近的地方放置这种电话。

  2.3空气环境

  室内工作环境温度推荐在25℃±5℃,湿度40%—80%RH,不结霜;要消除空气中硫化氢H2S 、二氧化硫(S02)、氯气等腐蚀性气体,以及铁粉、碳粉等可导电性尘埃。一般环境应少有腐蚀性气体。对于有腐蚀性气体、有可编程序控制器控制系统的的场所需要采用净化或隔离等防腐措施。

  3.接地设计与施工

  在以可编程序控制器为核心的控制系统中,有多种接地方法,每种接地线汇流于一个理论的“点”,这是信息零电位基础。为了安全使用可编程序控制器,应区分下列几种接地方法:

  数字地:也称为逻辑地,是各种开关信号、数字信号的零电位。

  模拟地:是模拟信号的零电位,它也是模拟信号精密电源的零电位,它的“零”是十分严格的电平。

  信号地:通常是指一般传感器的地。

  交流地:交流供电电源的N线,它通常又是产生噪声的主要地方。

  直流地:它是直流电源标准电压起点,在非浮空的直流电源,就把它作为地线,而且就是接地的连接点,因为“地”是无法分开的。

  屏蔽地:一般为防止静电、磁场感应而设置的外壳或金属丝网的接地。为了消除外壳或丝网上积聚的电能,专门使用铜导线将外壳或金属丝网连接到地壳中去。

  保护地:一般指机器、设备外壳或装在机械与设备内的独立器件的外壳,外壳要与其内部绝缘,外壳接地用以保护人身安全和防止设备电能的漏失,保护地的接地必须是良好的。

  电源及接地噪声对可编程序控制器及其I/O会有很大的影响。在许多着作中特别强调机器设备、电缆的护套、信号线的屏蔽层、柜机箱的外壳接地有一定要求。例如电缆护套、信号线屏蔽,仅用一端接地,另一端浮空;信号线在信号源处实行屏蔽接地,引入I/O端口侧浮空。在设备运行中电源和地线的噪声是难以克服的。但是良好的制造工艺,优良的施工质量,可以大大减少其危害。

  关于可编程序控制系统和用电系统单独接地还是分开接地的问题,是涉及到可编程序控制器技术发展的水平问题。地球仅有一个,地是无法分开的。理想的情况是一个生产过程系统的所有接地点与大地之间阻抗为零,实际上是很难做到的。但在接地设计中要求电路中PE线和整个钢铁结构、机械设备外壳、电缆桥架、大型电气设备、敷设电缆的支架,各种工艺的金属管道都能与大地是同一零电位,即等电位接地联结,一般要做到接地电阻不大于1.这是目前统一接地的要求。

  在工程安装阶段,就要很好地连接上述各种接地线,在安装电源和配置好地线之后,可编程序控制器才能进人通电与调试,它一般遵守下列几个原则:

  将屏蔽地、保护地各自独立地接到等电位接地铜排上,不应当将其和电源地、信号地在其他任意地方扭在一起。在控制系统中,为了减少信号的电容锅合噪声,要采用多种屏蔽措施,屏蔽结构最终有统一接地点。为解决电场屏蔽分布电容问题,屏蔽地应接人大地。为解决雷达、电台这类高频辐射干扰,可以用金属丝网作电磁场屏蔽。它由电阻低的金属网,及外壳等套在关键部位,例如使用无线操作的手动控制盒的金属网屏蔽汇流后再接人大地。对于纯防磁的现场,例如防止强磁铁、变压器、大电机的磁场耦合,采用高导磁材料做屏蔽罩,使磁回路闭合,再将外罩接人大地。保护地常用一点接地,但保护地的外壳,例如机柜的门或窗,活动部分等,它们都要与固定外壳用地线连接在一起,在每个连接点要把金属表层的防护油漆、金属锈蚀斑痕刮磨干净,再利用压花垫圈和锁紧螺栓、螺母连接牢固。

  在模拟信号地和屏蔽地中,模拟地的接法十分重要,每个制造商在提供可编程序控制器的产品时,都有许多严格的连接方法及规则。包括信号配线、外壳屏蔽、浮地、传输电缆使用的型号、芯截面积、电源供应等,这是一项专门的技术。因此,对它们的使用、接地方式等要严格地按操作手册进行。当可编程序控制系统用于地域广大的范围时,不要将模拟量信号做长距离的传输,在需要使用较多的模拟量模板时,应力争把模板布置到距离现场最近的扩展机箱中去。

  4.电缆设计和敷设

  工业生产环境中电磁干扰是难以克服的。在使用可编程序控制器组成的控制系统中,要连接生产现场的大小设备,要连接多种通信线路,合理设计一个电缆走向和施工敷设是很重要的。这种工作不同于软件调试,一旦做完很难修改。特别要注意干扰源。生产现场有如下几种关键的干扰源:动力电缆、大型机械、高功率的设备在电力传输中会在电缆周围和设备附近产生电磁锅合;电焊机、火焰切割机本身就是生产线工作设备,有时又是可编程序控制器控制的设备,在它们反复动作时产生高频火花、金属熔渣等都会损坏其他设备或电缆;高频率的电子开关,在反复接通与关断时,产生高次谐波,从而反馈到接口电路,形成高频干扰;为了消除上述因素对整个生产过程控制系统的影响,合理设计电缆走向、选用电缆,合理施工敷设能保证一个可编程序控制器的控制系统正常运行。

  工厂生产现场中,需要敷设下列各种电缆:电源电缆、I/O信号的电缆、本地通信或者远程I/O扫描的通信电缆、可编程序控制器和计算机组网的通信电缆,另外还有电话与广播电话电缆,工业电视电缆,它们都可能要与可编程序控制器联系的。计算机及它们的显示器,并不一定完全具有工业级的标准,尤其在中央控制室主控台上,有可编程序控制器的设备,有工业电视设备、调度电话,尤其是近年来的无线电话,在控制室电缆敷设时应注意高频磁场辐射对他们的干扰。

  4.1对于电缆的一般要求

  要求电缆线本身要有良好的可挠曲性;在使用端子与导线连接时,要选用经久不变形的压接端子与导线做成柔性的连接。在有大功率电能传输的连接点处要用钢排和有压花垫圈的螺栓与螺母压接端子连接,不能有连接间隙;长年使用,由于电火花的锈蚀,常常引起不容易被发现的连接故障,接点处电阻变得很大,所以,为了防微杜渐,一定要精心施工,不能使用电缆端头扭接或普通的方式连接。强动力电缆和信号电缆在敷设过程中,在有条件的地方,间隔均要在500~600mm以上,无条件时应采取隔离措施,防止动力电源对信号的干扰。

  4.2不同用途要选用不同的电缆

  可编程序控制器最多的是I/O信号电缆,它传送“0”和“1”两种极性完全相反的信号,长距离传送这种信号时,最好选用屏蔽电缆;同一台设备、同一电平等级、同样信号功能地理位置十分接近的,可共同使用同一根电缆,以减少电缆数量。电缆芯截面不要选得太细,通常交流信号缆的每芯截面积为1.5mm2,环境特别窄小的地方用O.75mm2或1.0mm2.直流信号长距离传输时,要考虑线阻小、截面积大的导线,争取使用多芯、铜质导线,还要考虑缆线上可能受到的干扰,避免信号的失真。

  模拟量信号电缆的选型,常常要考虑和模拟量相关的设备、可编程序控制器使用的模板等使用条件,这时要区别模拟量是电压型还是电流型传输信号、信号的线性测量范围、输人阻抗、误差精度、温漂、隔离措施、每路信号传输耗电功率、电流量等条件,另外还要考虑是使用内部电源还是使用外部电源,一般还要同时考虑其电源怎样同时供电。许多商家有专用的模拟量一次产品,它包括测量、执行、信号放大、远程传送等环节的配套设备,有的还需要使用专用屏蔽电缆,因此,使用模拟量信息时,常常要做到配套处理。高速脉冲是调速控制系统的特有信号,例如高速脉冲计数器,脉冲编码器等设备,当工作频率高于100Hz应选择专用的屏蔽电缆。对于开关信号,因频率低不作为脉冲信号,可以用普通电缆来传输。在高速计数脉冲电缆的敷设时,还要测试和防止高频信号对低频信号和普通信号的干扰。

  通信信号电缆是高频信号电缆,有同轴电缆、双绞线、双芯屏蔽线以及光纤缆等多种可编程序控制器通信电缆,它们有特定的要求,一般选用可编程序控制器商家供应的或采购同类型性能的电缆,不能随意改变。信号缆在长距离传输或可能穿越一些特殊的现场时,如强磁场或电场,单独穿过一些有移动物体运行的空间等,应采用穿保护套管敷设。

  有些特殊信号电缆是由可编程序控制器模板、外部设备的用途共同确定的,最好选用商家配套供应的产品。

  4.3不同的环境采用不同的电缆敷设方法

  可编程序控制器控制系统中,大部分被控制设备远离控制室,分布在现场。此时要架设专用的电缆桥架。电缆桥架设计有个一般划分约束可供参考:一是分层,二是强动力与弱信号电缆不能混合使用同一层。可编程序控制器及MCC动力控制的执行信号电压为380V AC或220V AC,电机的动力电缆和可编程序控制器的控制电缆桥架一般是绝对分开的,即最上面一层敷设220V AC、380V AC动力或动力操作信号电缆;下面一层可以敷设工厂之间电话、工业电视等的电缆;再下面一层用来敷设可编程序控制器的DI、DO、AI和AO的电缆;有条件的地方24V DC和220V AC的信号也可以分层。为防止电流量在10A以上的动力电缆对信号电缆造成的电磁干扰,尽可能在敷设电缆时要有净余间隔500mm左右;但是许多现场常常没有这个净余的空间。可在电缆敷设完成后加护盖,电缆桥架金属结构之间全部采用连接铜线跨接,接地线就近连入接地线网,使得电缆桥架和电缆盒形成一个良好的接地环境。

  室外电缆还有一种埋地敷设,这种方法尽可能少用,但在穿过火车铁轨、建筑物本身有电缆沟或有地下隧道时可以使用这种敷设,而进入地下隧道后,电缆桥架又应该沿墙壁敷设。

  室内电缆敷设时,由于室内空间较小,各种电缆的来由去向不一致,因此最好有统一的走向规划。电缆在进入可编程序控制器的机柜前要尽量减少动力电缆和信号电缆平行排放的距离。在电缆进入可编程序控制器机柜时,动力电缆和信号电缆在机柜底面上看,最好分别排放在两个对角线方向,即从间隔最大的方向进入机柜。

  4.4可编程序控制器系统的现场开关与设备连接

  可编程序控制器多数为数字量信号直接采自现场。它们有位置、速度、距离、温度、压力、物流量、电流量、电压、功率等。基本上有物理形式或电形式、光电形式。按照功能划分就可能叫出各式各样的名字。可编程序控制器使用的开关有几种意义,一种本身就是电路的按键式开关,可以带锁紧,或不带锁紧,总之能完成一个线路的接通或断开。当这个线路的接通或断开被赋予不同的含义时,这个开关的命名就有实际的意义。一般来说这种开关有一条线接入到I/O端口,它的“0”与“1”就是数字量输入,另一条线就是公共线,或者叫作公共信号地或者公共电源。但是许多传感器生产厂家,为生成这个信号要使用3条或4条线,即采用另外的引线是为使传感器的端头产生测试功能的电、磁、光等效应,因此在遇到选用由3条线或4条线连接的传感器时,包括现场电缆敷设、选型都要详细阅读有关的说明才能做出正确的设计。

 

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