PLC系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、plc空制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則實(shí)用性實(shí)用性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則。工程師在研究被控對象的同時(shí)，還要了解控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足 用戶所有的要求。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應(yīng)簡潔、方便?？煽啃钥煽啃允强刂葡到y(tǒng)極其重要的原則。對于一些可能會產(chǎn)生危險(xiǎn)的系統(tǒng)，必須要保證控制系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行，即使 控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)問題，起碼能夠保證不會出現(xiàn)人員和財(cái)產(chǎn)的重大損失。在系統(tǒng)規(guī)劃初期，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，提出不 同的設(shè)計(jì)方案，選擇一種非常可靠且較容易實(shí)施的方案；在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的重要程度，考慮適當(dāng)?shù)膫浞莼蛉哂?；在軟件設(shè) 計(jì)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，在經(jīng)過

2、反復(fù)測試確保無大的疏漏之后方可聯(lián)機(jī)調(diào)試運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)性這要求工程師在滿足實(shí)用性和可靠性的前提下，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的軟、硬件配置經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，切勿盲目追求新技術(shù)、高性能。硬件選型 時(shí)應(yīng)以經(jīng)濟(jì)、合用為準(zhǔn)；軟件應(yīng)當(dāng)在開發(fā)周期與產(chǎn)品功能之間作相應(yīng)的平衡。還要考慮所使用的產(chǎn)品是否可以獲得完備的技術(shù)資料和 售后服務(wù)，以減少開發(fā)成本。i/o端口數(shù)量上應(yīng)當(dāng)留可擴(kuò)展性這要求工程師，在系統(tǒng)總體規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充分考慮到用戶今后生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的需要，在控制器計(jì)算能力和有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，同時(shí)對外要留有擴(kuò)展的接口，以便系統(tǒng)擴(kuò)展和監(jiān)控的需要。先進(jìn)性這要求工程師在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選用技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用成熟廣泛的產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在一定

3、時(shí)間內(nèi)具有先進(jìn)性，不致被市 場淘汰。此原則與經(jīng)濟(jì)性共同考慮，使控制系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。plc空制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程plc空制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程如圖1-1所示:設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)流程，掌握設(shè)計(jì)流程，可以增加控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和正確性。被控對象的分析與描述分析被控對象就是要詳細(xì)分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進(jìn)行深入的溝通，確保分析的全面而準(zhǔn)確。 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要達(dá)到一些特定的指標(biāo)和要求，即滿足實(shí)際應(yīng)用或是客戶需求。在分析被控對象時(shí)，必須考慮這些指標(biāo)和 要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原則，準(zhǔn)確地用工程化的方法描述被控對象，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)

4、。系統(tǒng)規(guī)模 根據(jù)被控對象的工藝流程、復(fù)雜程度和客戶的技術(shù)要求確定系統(tǒng)的規(guī)模，可以分為大、中、小三種規(guī)模。確保硬件資源有一定裕量而不浪費(fèi)。小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)適用于單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過程，以順序控制為主，信號多為開關(guān)量，且 i/o點(diǎn)數(shù)較少（低于128點(diǎn)），精度和響應(yīng)時(shí)間要求不高。一般選用s7-200就可達(dá)到控制要求中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)適用于復(fù)雜邏輯和閉環(huán)控制的生產(chǎn)過程，i/o點(diǎn)數(shù)較多（128點(diǎn)到512點(diǎn)之間），需要完成某些特殊功能，如 pid控制等。一般選用s7-300等。大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)適用 于大規(guī)模過程控制、dcs系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)控制，i/o點(diǎn)數(shù)較多（高于512點(diǎn)），被控對象的工藝過程較復(fù)雜， 對于精

5、度和響應(yīng)時(shí)間要求較高。應(yīng)選用具有 智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫、函數(shù)運(yùn)算等功能的高檔plc如s7-400等。硬件配置根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和客戶的技術(shù)對控制系統(tǒng)i/o點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算。分析被控對象工藝過程，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)i/o點(diǎn)數(shù)和i/o類型。按照設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域的不同進(jìn)行劃分，明確各個(gè)i/o點(diǎn)的位置和功能。再加上10%20%的備用量列出詳細(xì)的i/o點(diǎn)清單。軟件配置根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇適合的軟件，包括系統(tǒng)平臺軟件、編程軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件的選擇。首先需考慮監(jiān)控的點(diǎn)數(shù)限制；是否有報(bào)警顯示、趨勢分析、報(bào)表打印以及歷史記錄功能?？刂乒δ芤_的進(jìn)行控制系統(tǒng)的規(guī)模選擇，首先要了解各家控制器的特性，比如性能參數(shù)、應(yīng)用場合、

6、行業(yè)解決方案，以及可靠性和通用性 等。如何選擇一個(gè)控制系統(tǒng)，一般遵循以下幾點(diǎn)：控制系統(tǒng)是否需要冗余、i/o信號模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余。 控制點(diǎn)數(shù)有多少，包括數(shù)字量輸入和輸出點(diǎn)數(shù)、模擬量輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。 被控對象工藝是否復(fù)雜，是否需要實(shí)現(xiàn)特殊功能，比如防喘控制等。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制器的負(fù)載率是否有足夠的工作裕量；i/o信號點(diǎn)是否需要一定的余量。 針對數(shù)字信號，是否需要繼電器隔離； 考慮輸入信號的電壓和電流等級；輸出信號是否需要固態(tài)繼電器輸出。 針對模擬量信號，是否需要安全隔離柵；信號的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測量范圍。不一樣的信號類型，需 要選擇不一樣的i/o信號模塊。

7、 用于溫度測量的信號模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。 信號模塊是否需要在線帶電插拔更換。如果需要，還需考慮附加特殊的背板插槽。 當(dāng)系統(tǒng)和外部出現(xiàn)故障時(shí)，比如信號短路或斷路，這時(shí)信號模塊是否需要將輸入輸出信號自動切換到預(yù)先設(shè)置的安全值。如 有要求，需考慮選用故障安全型的控制器和信號模塊。 當(dāng)需要和第三方設(shè)備通訊時(shí)，需考慮通訊距離的長短，以及相應(yīng)的通訊接口協(xié)議等，選用不同的通訊模塊。 針對系統(tǒng)中的重要連鎖信號，是否需要特殊的 soe模塊，來記錄信號變化的時(shí)間先后順序。熟悉被控對象是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有深入了解被控對象以及被控過程，才能夠提出合理科學(xué)的控制方案。1）分析被控對象。詳細(xì)分析被控對象的

8、工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進(jìn)行深入的溝通，確保分析得全面而準(zhǔn)確。2）畫出工藝流程圖。經(jīng)過第一步，應(yīng)對被控對象的整個(gè)工藝流程有了深入的了解，為了更直觀、簡潔的表示，畫出工藝流程圖，為后 面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。3）分析并明確控制任務(wù)。根據(jù)已經(jīng)做好的工藝流程圖，工程師可以把用戶提出的控制要求轉(zhuǎn)換為專業(yè)術(shù)語，對其逐一進(jìn)行分解，并從 控制的角度將其中的要求轉(zhuǎn)化為多個(gè)控制回路。對于過程控制系統(tǒng)可用p&id圖來表示其中的控制關(guān)系。plc空制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要對系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證。主要是對整個(gè)系統(tǒng)的可行性作一個(gè)預(yù)測性的估計(jì)。在此階段一定要全面地考 慮到設(shè)計(jì)和實(shí)施此系統(tǒng)將會遇到

9、的各種問題。如果沒有做過相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)在實(shí)地仔細(xì)考察，并詳細(xì)地論證設(shè)計(jì)此系統(tǒng)中的每 一個(gè)步驟的可行性。特別是在硬件實(shí)施階段中，稍有不慎，就會造成很大的麻煩，輕則系統(tǒng)不成功，重則會造成嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)的 損失。工程實(shí)施的過程中的阻礙，往往都是由于這一步?jīng)]有做足工夫而導(dǎo)致的。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的總體構(gòu)架，每個(gè)細(xì)節(jié)都必須經(jīng)過反復(fù)斟酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求；其次是確保 系統(tǒng)的可靠性，不可以經(jīng)常出現(xiàn)故障，就算出現(xiàn)故障也不會造成大的損失；然后在經(jīng)濟(jì)性等方面予以考慮。一般來說，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下面幾個(gè)問題：(1)確定系統(tǒng)是用plc單機(jī)控制，還是plc聯(lián)網(wǎng)控制；確定系統(tǒng)是

10、采用遠(yuǎn)程i/o還是本地i/o。主要根據(jù)系統(tǒng)的大小及用戶要求的功 能來選擇。對于一般的中小型過程控制系統(tǒng)來說，plc單機(jī)控制已基本能夠滿足功能要求。但也可借鑒集散控制系統(tǒng)的理念，即將危險(xiǎn)和控制分散，管理與監(jiān)控集中。這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。(2)是否需要與其它部分通信。 一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，至少會包括三個(gè)部分：控制器、被控對象和監(jiān)控系統(tǒng)。所以對于控制器來說，至少要跟監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊。至于是否跟另外的控制單元或部門通訊要根據(jù)用戶的要求來決定。一般來說，如果用戶沒有要求， 也都會留有這樣的通訊接口。(3)采用何種通信方式。一般來說，在現(xiàn)場控制層級用profibus rp而從現(xiàn)場控制層級到監(jiān)控

11、系統(tǒng)的通訊用 profinet但有時(shí)候也 可互相通用，根據(jù)具體情況選擇合適的通信方式。(4)是否需要冗余備份系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的所要求的安全等級，選擇不同的辦法。在數(shù)據(jù)歸檔時(shí)，為了讓歸檔數(shù)據(jù)不丟失，可以使用os服務(wù)器冗余；在自動化站(automation station, as),為了使系統(tǒng)不會因故障而導(dǎo)致停機(jī)或不可預(yù)知的結(jié)果，可以使用控制器冗余 備份系統(tǒng)。選擇適當(dāng)?shù)娜哂鄠浞?，可以使系統(tǒng)的可靠性得到大幅提高。在進(jìn)行控制系統(tǒng)選型之前，首先考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是怎樣搭建的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示。lw 1弱里厘i典表示網(wǎng)略籍構(gòu)示皂圖，確定系統(tǒng)的操作站、過程控制站的數(shù)目和位置，相互之間是怎樣連接的。

12、是否需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)一般情況下，現(xiàn)場控制室和主控制室與電氣控制柜分別安放在兩個(gè)地方，且距離較遠(yuǎn)，為保證信號的穩(wěn)定可靠，會考慮用光纜來 連接各自的交換機(jī)。同時(shí)，為了通訊線路的冗余，會考慮選用帶榮譽(yù)管理功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將現(xiàn)場操作站和過程控制站組成 一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。這樣，即使有一個(gè)方向的通訊斷開，也可通過另一個(gè)方向繼續(xù)通訊。對于過程控制站和現(xiàn)場信號之間的連接，傳統(tǒng)的連接方式是將現(xiàn)場信號直接通過硬件連接到過程控制站上。這樣如果距離太遠(yuǎn)，信號傳輸會有損耗，尤其是模擬量信號。且當(dāng)信號點(diǎn)很多時(shí)，布線也較復(fù)雜，浪費(fèi)材料。所以，一般需在現(xiàn)場安裝分布式i/o從站（如果現(xiàn)場為危險(xiǎn)區(qū)，需選用本質(zhì)安全型的分布

13、式 i/o從站），將現(xiàn)場信號直接連接到i/o從站上，在通過現(xiàn)場總線的方式將信號傳送到過 程控plc空制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)傳感器與執(zhí)行器的確定1、傳感器的確定傳感器相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，它的確定對系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。一般來說，選擇一個(gè)傳感器時(shí)，應(yīng)注意下面幾個(gè)問題：測量范圍；測量精度；可靠性；接口類型。2、執(zhí)行器的確定執(zhí)行器相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“手臂”，具重要性不言而喻。與選擇傳感器相對應(yīng)，在選擇執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)考慮到下面幾個(gè)問題：輸出范圍；輸出精度；可靠性；接口類型。plc控制系統(tǒng)模塊的選擇在硬件設(shè)計(jì)中，對輸入、輸出點(diǎn)進(jìn)行估算是一個(gè)重要的工作，控制系統(tǒng)總的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備的i/o點(diǎn)匯總，

14、然后另加10豚20%勺備用量估算。1、 數(shù)字量i/o點(diǎn)數(shù)的確定一般來說，一個(gè) 按鈕要占一個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)光電開關(guān)要占一個(gè)輸入點(diǎn)；而對于選擇開關(guān)來說，一般有幾個(gè)位置就要占幾個(gè)輸入點(diǎn)； 對各種位置開關(guān)一般占一個(gè)或兩個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)信號燈占一個(gè)輸出點(diǎn)。一般可用下式進(jìn)行估算：/ do =叔 (+ h式科di do 力電區(qū)jibt解仆芭豳壯，巨酎量 k-近用mm tffiuz2之初 立一對于a束it在單速可逆爵鴕中，操作有f在 單is不可逆摹統(tǒng)中.etk操作尊x在多度可逆薪塊中.鼻7x14 作直出及啪曲在爭德不同逆系策中r67,操作點(diǎn)速磨皆慢b上仃 千do*說，在更嘩可便等罷卬* a -21套量通,可出系優(yōu)

15、中.a -1| 多色苜運(yùn) 可度毯皖中.口-至岸上eth在要電不可燃4黑中.口 =2 倭作*t*旨畸 *最一一單個(gè)手娩點(diǎn)*.對于來說，陽1端輔助觸拴點(diǎn)、岫開關(guān)、器曲m等.對于do，說.p?際燈.掩總器笄i。其帆占科.如外畫集甲的擇鉗.拄堡*max苴生*n一一隼個(gè)系統(tǒng)的靜,2、 模擬量i/o點(diǎn)數(shù)的確定模擬量i/o點(diǎn)數(shù)的確定，一般應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來確定，并預(yù)留出適當(dāng)?shù)膫溆命c(diǎn)即可。3、 存儲器容量的估算i而后者指的是存儲器中為用戶開放的部分這里所說的存儲器容量與用戶程序所需的內(nèi)存容量不同，前者指的是硬件存儲器容量,用戶程序所需的內(nèi)存容量只能做粗略的估算，它與plc的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)成正比，此外，還受通信數(shù)

16、據(jù)量、編程人員水平等因素的影響。一般內(nèi)存苕值經(jīng)幡公式如下：/m hw + doc： + aicz + .10c, +式中，m一一內(nèi)r布置；*為一一苗用量于繇，一般般門atm之間.；雇用員蛔蜘哂曜ts-qk-li，之間一e一紀(jì)肘一 a 一開于量制出w粘f *ai- tftufti?. s 附 in通信集口效i -g一開關(guān)題入題出內(nèi)存占有率，f 卯j0-15左右一c：一一僵擬量粕入內(nèi)存占有率，一般用10）20）-g一邢1景柏出內(nèi)殍占有:工，一般般加of如一般內(nèi)存容量估算經(jīng)驗(yàn)公式如下：4、 控制模塊的選擇確定了 plc的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)及存儲器的容量后，下一步進(jìn)行的是plc模塊的選擇，主要包括cpu真

17、塊，數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊等；（1）對于cpu奠塊選擇，一般要考慮到以下幾個(gè)問題：1）通信端口類型2）運(yùn)算速度3）特殊功能（如高速計(jì)數(shù)等）4)存儲器(卡)容量5)對采樣周期、響應(yīng)速度的要求(2)在選擇擴(kuò)展模塊時(shí)，一般應(yīng)注意以下方面：1)模塊的電壓等級。可根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備與模塊間的距離來確定。當(dāng)外部線路較長時(shí)，可選用交流220v電源；當(dāng)外部線路較短，且控制設(shè)備相對較集中時(shí)，可選用 dc24vt源。2)數(shù)字量輸出模塊的輸出類型。數(shù)字量輸出有繼電器、晶閘管、晶體管三種形式。在通斷不頻繁的場合應(yīng)該選用繼電器輸出；在通斷頻繁的場合，應(yīng)該選用晶閘管或晶體管輸出，注意晶閘管只能用于交流負(fù)載，晶體管只能用于

18、直流負(fù)載。3)模擬量信號類型。模擬量信號傳輸應(yīng)盡量采用電流型信號傳輸。因?yàn)殡妷毫啃盘枠O易引入干擾，一般電壓信號僅用于控制設(shè)備柜內(nèi) 電位器的設(shè)置，或者距離較近、電磁環(huán)境好的場合?？刂乒裨O(shè)計(jì)在大多數(shù)系統(tǒng)中，都需要設(shè)計(jì)控制柜，它可以將工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境與控制器隔離，使系統(tǒng)可靠的運(yùn)行。一般來說，設(shè)計(jì)控制柜 時(shí)應(yīng)考慮到下面幾個(gè)問題：(1)尺寸大小。要根據(jù)現(xiàn)場的安裝位置和空間，設(shè)計(jì)合適的尺寸大小。切忌在設(shè)計(jì)完工之后才發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場不能安裝。而在外觀方面沒 什么太嚴(yán)格的要求，只要看得簡潔明了就好。(2)電路圖。在設(shè)計(jì)控制柜的電路圖時(shí)，一方面要考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境，另一方面要考慮到系統(tǒng)的安全性。(3)電源。在充分

19、計(jì)算好系統(tǒng)所需的功率后，選擇合適的電源。并根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇是否需要電源的備份。(4)緊急停止。緊急停止與正常的停止運(yùn)行有很大的不同，緊急停止主要從硬件的方式上確保了系統(tǒng)在出問題時(shí)的可靠和安全。(5)其他。對于接線方式、接地保護(hù)、接線排的余量等問題，在設(shè)計(jì)時(shí)都要予以詳細(xì)的考慮。i/o模塊原理圖設(shè)計(jì)i/o模塊原理圖是傳感器、執(zhí)行器與i/o模塊連接原理圖。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多查閱相關(guān)的 i/o模塊以及傳感器和執(zhí)行器的手冊資料， 對其連接的方式應(yīng)予以充分的了解。這樣在設(shè)計(jì)時(shí)才不會出現(xiàn)問題。同時(shí)還應(yīng)考慮到裕量問題，即留出一部分 i/o端口作備用，以便 以后維修或者擴(kuò)展之用。plc控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制軟件設(shè)計(jì)控制軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)的“思想”。經(jīng)過工程師們漫長的摸索，總結(jié)出許多有用的開發(fā)方法。下面就其設(shè)計(jì)原則和流程進(jìn)行探討。1、 設(shè)計(jì)原則控制軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：(1)正確性。首先要保證能夠完成用戶所要求的各項(xiàng)功能，確保程序不會出現(xiàn)人為的錯(cuò)誤。(2)可靠性。在滿足正確性的同時(shí)，也不可忽視。在設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)置事故報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)等。還要對不同的工作設(shè)備和不同的工作狀態(tài) 做互鎖設(shè)計(jì)，以防止用戶的誤操作；在有信號干擾的系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮濾波和校正功能，以消除干擾的影響。(3)