PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概要簡述

1 引言

　　隨著plc在工業(yè)控制中的推廣普及，plc產(chǎn)品的種類越來越多，其結(jié)構(gòu)型號(hào)、性能、容量、指令系統(tǒng)，編程方法等各不相同，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇plc對(duì)于提高其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要作用。應(yīng)用plc首先要詳細(xì)分析被控對(duì)象、控制過程與要求,熟悉了解工藝流程后列出控制系統(tǒng)的所有功能和指標(biāo)要求，與繼電器控制系統(tǒng)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較后加以選擇。plc最適合于控制對(duì)象的工業(yè)環(huán)境較差，而安全性、可靠性要求特別高，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，輸入輸出以開關(guān)量為多，用常規(guī)的繼電器接觸器難以實(shí)現(xiàn)，工藝流程又要經(jīng)常變動(dòng)的對(duì)象和現(xiàn)場(chǎng)。其次要確定控制范圍，一般講，能夠反映生產(chǎn)過程的運(yùn)行情況，能用傳感器進(jìn)行直接測(cè)量的參數(shù)；用人工進(jìn)行控制工作量大，操作復(fù)雜容易出錯(cuò)或操作過于頻繁，人工操作不容易滿足工藝要求的往往由plc控制。

2 plc的選擇

　　2.1 機(jī)型選擇

　　機(jī)型的選擇主要是指在功能上如何滿足自己需要，而不浪費(fèi)機(jī)器容量。選擇機(jī)型前，首先要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行下面估計(jì)：有多少開關(guān)量輸入，電壓分別為多少，有多少開關(guān)量輸出，輸出功率為多少；有多少模擬量輸入和模擬量輸出；是否有特殊控制要求，如高速計(jì)數(shù)器；現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制器響應(yīng)速度有何要求；機(jī)房與現(xiàn)場(chǎng)分開還是在一起等。

　　在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格最優(yōu)的機(jī)型。通常的做法是：在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場(chǎng)合，選用整體式結(jié)構(gòu)的plc；其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的plc；對(duì)于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的，一般其控制速度無須考慮，因此選用帶a/d轉(zhuǎn)換，d/a轉(zhuǎn)換，加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿足要求；而控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的(如要實(shí)現(xiàn)pid運(yùn)算、閉環(huán)控制、通訊聯(lián)網(wǎng)等)，可根據(jù)控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機(jī)(其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制，全plc的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化等)。

　　應(yīng)該注意的是，同一個(gè)企業(yè)應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一，這樣同一個(gè)機(jī)型的plc模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時(shí)，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設(shè)備通用，資源可以共享，因此配上計(jì)算機(jī)后即可把控制各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺(tái)plc聯(lián)成一個(gè)dcs系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理[2]。

　　2.2 i/o的選擇

　　plc與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過i/o接口模塊來實(shí)現(xiàn)的，plc有許多i/o接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

　　(1)確定i/o點(diǎn)數(shù)。不同的控制對(duì)象所需要的i/o點(diǎn)數(shù)不同，一些典型的傳動(dòng)設(shè)備及常用的電氣元件所需plc的i/o點(diǎn)數(shù)是固定的，如一個(gè)單線圈電磁閥用2個(gè)輸入點(diǎn)，一個(gè)輸出點(diǎn)；一個(gè)按紐需一個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)信號(hào)燈占用一個(gè)輸出點(diǎn)等，但對(duì)于同一個(gè)控制對(duì)象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，i/o點(diǎn)數(shù)也應(yīng)有所不同。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需的i/o點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)再增加10%～20%的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能。

　　(2)開關(guān)量i/o。開關(guān)量i/o接口可以從傳感器和開關(guān)(如按紐、限位開關(guān)等)及控制設(shè)備(如指示燈、報(bào)警器、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器等)接收信號(hào)。典型的交流i/o信號(hào)為24～240v，直流i/o信號(hào)為5～240v。盡管輸入電路因制造廠家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除錯(cuò)誤信號(hào)的抖動(dòng)電路等。此外，大多數(shù)輸入電路在高壓電源輸入和接口電路的控制邏輯部分之間都沒有可選的隔離電路。在評(píng)估離散輸出時(shí)，應(yīng)考慮熔絲、瞬時(shí)浪涌保護(hù)和電源與邏輯電路間的隔離電路[3]。

　　(3)模擬量i/o。模擬量i/o接口一般用來感知傳感器產(chǎn)生的信號(hào)。這些接口可用于測(cè)量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。其典型量程為-10～+10v、0～+11v、4～20ma或10～50ma。一些制造廠家在plc上設(shè)計(jì)有特殊模擬接口，因而可以接收低電平信號(hào)，如rtd、熱電偶等。這類接口模塊可用于接收同一模塊上不同類型的熱電偶或rtd混合信號(hào)。

　　(4)特殊功能i/o。在選擇一臺(tái)plc時(shí)，用戶可能會(huì)面臨一些特殊類型且不能用標(biāo)準(zhǔn)i/o實(shí)現(xiàn)的i/o限定，如定位、快速輸入、頻率等。此時(shí)應(yīng)考慮供銷廠商是否提供特殊的有助于最大限度減小控制作用的模塊。有些特殊接口模塊自身能處理一部分現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而使cpu從耗時(shí)的任務(wù)中解脫出來。

　　(5)智能式i/o。大型plc的生產(chǎn)廠家相繼推出了解決典型工藝過程的智能式的i/o模塊，例如pid控制模塊等。這些智能模塊本身帶有處理器，可對(duì)輸入或輸出信號(hào)作預(yù)先規(guī)定的處理，并將處理結(jié)果送入cpu或直接輸出，這樣可以提高plc的處理速度并節(jié)省存儲(chǔ)器的容量。

　　2.3 存儲(chǔ)器類型及容量選擇

　　plc系統(tǒng)所使用的存儲(chǔ)器由rom和ram組成，存儲(chǔ)容量則隨機(jī)器的大小變化，最大存儲(chǔ)能力：一般小型機(jī)最大存儲(chǔ)能力低于6kb，中型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力可達(dá)64kb，大型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力可上兆字節(jié)。使用時(shí)可根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要來選用合適的機(jī)型，必要時(shí)也可專門進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)充設(shè)計(jì)。

　　plc的存儲(chǔ)器容量選擇要受到內(nèi)存利用率、開關(guān)量的i/o點(diǎn)數(shù)、模擬量的i/o點(diǎn)數(shù)和用戶的編程水平這四個(gè)因素的影響。存儲(chǔ)容量計(jì)算的第一種方法是：根據(jù)編程使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算存儲(chǔ)器的實(shí)際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的來估算，總存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)=（開關(guān)量輸入點(diǎn)+開關(guān)量輸出點(diǎn)）×10+模擬量點(diǎn)數(shù)×150，然后按計(jì)算存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)的25%考慮裕量。為了使用方便，一般應(yīng)留有25%～30%的裕量。獲取存儲(chǔ)容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字，知道每條指令所用的字?jǐn)?shù)，用戶便可以確定準(zhǔn)確的存儲(chǔ)容量。

　　2.4 編程器和電源模塊選擇

　　在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，plc的編程問題是非常重要的。用戶應(yīng)當(dāng)對(duì)所選擇plc產(chǎn)品的軟件功能及編程器有所了解。小型控制系統(tǒng)一般選用價(jià)格便宜的簡易編程器，如果系統(tǒng)較大或多臺(tái)plc共用，可以選用功能強(qiáng)，編程方便的圖形編程器。如果有個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以選用能在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件包。同時(shí)，為了防止因干擾、鋰電池電壓下降等原因破壞ram中的用戶程序，可以選用eeprom模塊作為外部設(shè)備。

　　對(duì)于結(jié)構(gòu)為模塊式的plc，電源模塊和額定電流必須大于或等于主機(jī)、i/o模塊、專用模塊等總的消耗電流之和。當(dāng)使用專用機(jī)架時(shí)，從主機(jī)架電源模塊到最遠(yuǎn)一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架的線路壓降必須小于0.25v。

　　2.5 程序設(shè)計(jì)和總裝統(tǒng)調(diào)

　　在確定控制對(duì)象的控制任務(wù)、選擇好plc的機(jī)型后，就可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)，畫出流程圖，進(jìn)一步說明各信息流之間的關(guān)系，然后具體安排i/o的配置，并對(duì)i/o進(jìn)行地址編號(hào)。i/o地址編號(hào)確定后，再畫出plc端子和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)聯(lián)絡(luò)圖表，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)即可將硬件設(shè)計(jì)和程序編寫二項(xiàng)工作平行進(jìn)行，編寫程序的過程就是軟件設(shè)計(jì)過程。

　　用戶編寫的程序在總裝統(tǒng)調(diào)前需要進(jìn)行模擬調(diào)試。用裝在plc上的模擬開關(guān)模擬輸入信號(hào)的狀態(tài)，用輸出點(diǎn)的指示燈模擬被控對(duì)象，檢查程序無誤后便把plc接到系統(tǒng)里，進(jìn)行總裝統(tǒng)調(diào)，如果統(tǒng)調(diào)達(dá)不到指標(biāo)要求則可對(duì)硬件和軟件作調(diào)整，全部調(diào)試結(jié)束后，一般將程序固化在有長久記憶功能的eprom盒中長期保存。

3 plc的抗干擾措施

　　由于plc是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的控制裝置，應(yīng)該具有很強(qiáng)的抗干擾功能，但是如果環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈或安裝使用不當(dāng)都不能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，干擾會(huì)造成plc誤動(dòng)作或使plc內(nèi)部數(shù)據(jù)丟失，甚至使系統(tǒng)失控，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取硬件措施再配合軟件措施，以提高plc的可靠性和抗干擾能力。

　　3.1 硬件措施

　　(1) 屏蔽：對(duì)電源變壓器、cpu、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。

　　(2) 濾波：對(duì)供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。

　　(3)電源調(diào)整與保護(hù)：對(duì)cpu這個(gè)核心部件所需的+5v電源，采用多級(jí)濾波，并用集成電壓調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動(dòng)和過電壓、欠電壓的影響。

　　(4) 隔離：在cpu與i/o電路間，采用光電隔離措施，有效隔離i/o間的電聯(lián)系，減少故障誤動(dòng)作。

　　(5)采用模塊式結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時(shí)修復(fù)。因?yàn)橐坏┎樘幠骋荒K出現(xiàn)故障，就能迅速更換，使系統(tǒng)回復(fù)正常工作，也有助于加快查找故障原因。

　　3.2 軟件措施

　　故障檢測(cè)：plc本身有很完善的自診斷功能，但在工程實(shí)踐中，plc的i/o元件如限位開關(guān)、電磁閥、接觸器等的故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于plc的本身故障率，這些元件出現(xiàn)故障后，plc一般不會(huì)察覺出來，不會(huì)立即停機(jī)，這會(huì)導(dǎo)致多個(gè)故障相繼發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成人身設(shè)備事故，停機(jī)后查找故障也要花費(fèi)大量時(shí)間[4]。為方便檢測(cè)故障可用梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)，這里介紹一種邏輯組合判斷法：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，plc的輸入和輸出信號(hào)之間存在著確定的關(guān)系，因此根據(jù)輸出信號(hào)的狀態(tài)與控制過程間的邏輯關(guān)系來判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常。

　　信息保護(hù)和恢復(fù)：當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時(shí)，不破壞plc內(nèi)部的信息，一旦故障條件消失，就可以恢復(fù)正常繼續(xù)原來的工作。所以，plc在檢測(cè)故障條件時(shí)，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲(chǔ)器，軟件配合對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行封閉，禁止對(duì)存儲(chǔ)器的任何操作，以防存儲(chǔ)器信息被沖掉，一旦檢測(cè)到外界環(huán)境正常后，便可恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的程序工作。

　　設(shè)置警戒時(shí)鐘wdt：機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作時(shí)間一般是不變的，可以以這些時(shí)間為參考，當(dāng)plc發(fā)出控制信號(hào)，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)械動(dòng)作，同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器的設(shè)定值比正常情況下機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作時(shí)間長20%，若時(shí)間到，plc還沒有收到執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作結(jié)束信號(hào)，則啟動(dòng)報(bào)警。

　　提高輸入信號(hào)的可靠性：由于電磁干擾、噪聲、模擬信號(hào)誤差等因素的影響，會(huì)引起輸入信號(hào)的錯(cuò)誤，引起程序判斷失誤，造成事故，例如按紐的抖動(dòng)、繼電器觸點(diǎn)的瞬間跳動(dòng)都會(huì)引起系統(tǒng)誤動(dòng)作，可以采用軟件延時(shí)去抖。對(duì)于模擬信號(hào)誤差的影響可采取對(duì)模擬信號(hào)連續(xù)采樣三次，采樣間隔根據(jù)a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間和該信號(hào)的變化頻率而定，三個(gè)數(shù)據(jù)先后存放在不同的數(shù)據(jù)寄存器中，經(jīng)比較后取中間值或平均值作為當(dāng)前輸入值。

　　在硬件和軟件方面采取各種措施后，大大提高。

4 結(jié)束語

　　隨著各種技術(shù)的發(fā)展，plc的種類日益繁多，功能也逐漸增強(qiáng)，在產(chǎn)品規(guī)模上向大小兩個(gè)發(fā)展。在實(shí)際工作中還要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)plc的選用做出適當(dāng)調(diào)整，以便滿足期望的工業(yè)控制系統(tǒng)。