PLC系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1、PLC控制系統(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(duì)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(jiǎn)潔、方便?？煽啃?可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。對(duì)于一些可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的系統(tǒng)，必須要保證控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)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(wèn)題，起碼能夠保證不會(huì)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(wèn)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)膫浞莼蛉哂啵辉谲浖O(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，在經(jīng)過(guò)反復(fù)

2、測(cè)試確保無(wú)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(kāi)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(kāi)發(fā)成本?？蓴U(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I/O端口數(shù)量上應(yīng)當(dāng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，同時(shí)對(duì)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)在一定時(shí)

3、間內(nèi)具有先進(jìn)性，不致被市場(chǎng)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控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程設(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。PLC控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程如圖1-1所示： 被控對(duì)象的分析與描述分析被控對(duì)象就是要詳細(xì)分析被控對(duì)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(duì)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(duì)象，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。系統(tǒng)

4、規(guī)模 根據(jù)被控對(duì)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)模控制系統(tǒng)適用于單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程，以順序控制為主，信號(hào)多為開(kāi)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)模控制系統(tǒng)適用于復(fù)雜邏輯和閉環(huán)控制的生產(chǎn)過(guò)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)模控制系統(tǒng)適用于大規(guī)模過(guò)程控制、DCS系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制，I/O點(diǎn)數(shù)較多（高于512點(diǎn)），被控對(duì)象的工藝過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)于精度和響應(yīng)時(shí)間要

5、求較高。應(yīng)選用具有智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、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(duì)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算。分析被控對(duì)象工藝過(guò)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(tái)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(shì)分析、報(bào)表打印以及歷史記錄功能?？刂乒δ?要正確的進(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(chǎng)合、行業(yè)解決

6、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)：1 控制系統(tǒng)是否需要冗余、I/O信號(hào)模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余。2 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)。3 被控對(duì)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。4 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(hào)點(diǎn)是否需要一定的余量。5 針對(duì)數(shù)字信號(hào)，是否需要繼電器隔離；考慮輸入信號(hào)的電壓和電流等級(jí)；輸出信號(hào)是否需要固態(tài)繼電器輸出。6 針對(duì)模擬量信號(hào)，是否需要安全隔離柵；信號(hào)的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測(cè)量范圍。不一樣的信號(hào)類型，需要選擇不一樣的I/O信號(hào)模塊

7、。7 用于溫度測(cè)量的信號(hào)模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。8 信號(hào)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。9 當(dāng)系統(tǒng)和外部出現(xiàn)故障時(shí)，比如信號(hào)短路或斷路，這時(shí)信號(hào)模塊是否需要將輸入輸出信號(hào)自動(dòng)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(hào)模塊。10 當(dāng)需要和第三方設(shè)備通訊時(shí)，需考慮通訊距離的長(zhǎng)短，以及相應(yīng)的通訊接口協(xié)議等，選用不同的通訊模塊。11 針對(duì)系統(tǒng)中的重要連鎖信號(hào)，是否需要特殊的SOE模塊，來(lái)記錄信號(hào)變化的時(shí)間先后順序。熟悉被控對(duì)象是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有深入了解被控對(duì)象以及被控過(guò)程，才能夠提出合理科學(xué)的控制方案。1）分析被控對(duì)象。詳細(xì)分

8、析被控對(duì)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，確保分析得全面而準(zhǔn)確。2）畫出工藝流程圖。經(jīng)過(guò)第一步，應(yīng)對(duì)被控對(duì)象的整個(gè)工藝流程有了深入的了解，為了更直觀、簡(jiǎn)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(yǔ)，對(duì)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(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)可用P&ID圖來(lái)表示其中的控制關(guān)系。 PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證。主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可行性作一個(gè)預(yù)測(cè)性的估計(jì)。在此階段一定要全面地考慮到設(shè)計(jì)和

9、實(shí)施此系統(tǒng)將會(huì)遇到的各種問(wèn)題。如果沒(méi)有做過(guò)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(huì)造成很大的麻煩，輕則系統(tǒng)不成功，重則會(huì)造成嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)的損失。工程實(shí)施的過(guò)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(guò)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(huì)造成大的損失；然后在經(jīng)濟(jì)性等方面予以考慮。一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）確定系統(tǒng)是用PLC單機(jī)控制，還是PLC聯(lián)網(wǎng)控制

10、；確定系統(tǒng)是采用遠(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(lái)選擇。對(duì)于一般的中小型過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(huì)包括三個(gè)部分：控制器、被控對(duì)象和監(jiān)控系統(tǒng)。所以對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)，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(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，如果用戶沒(méi)有要求，也都會(huì)留有這樣的通訊接口。（3）采用何種通信方式。一般來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)控制層級(jí)用PROFIBUS DP；而從現(xiàn)場(chǎng)控制層

11、級(jí)到監(jiān)控系統(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(jí)，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(dòng)化站（Automation Station，AS），為了使系統(tǒng)不會(huì)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。確定系統(tǒng)的操作站、過(guò)程控制站的數(shù)目和位置，相互之間是怎樣連接的。是否需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。一般情況下

12、，現(xiàn)場(chǎng)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(hào)的穩(wěn)定可靠，會(huì)考慮用光纜來(lái)連接各自的交換機(jī)。同時(shí)，為了通訊線路的冗余，會(huì)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(chǎng)操作站和過(guò)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(kāi)，也可通過(guò)另一個(gè)方向繼續(xù)通訊。對(duì)于過(guò)程控制站和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間的連接，傳統(tǒng)的連接方式是將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接通過(guò)硬件連接到過(guò)程控制站上。這樣如果距離太遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸會(huì)有損耗，尤其是模擬量信號(hào)。且當(dāng)信號(hào)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(chǎng)安裝分布式I/O從站（如果現(xiàn)場(chǎng)為危險(xiǎn)區(qū)，需選用本質(zhì)安全型的分布式I/O從站），將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接連接到I

13、/O從站上，在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的方式將信號(hào)傳送到過(guò)程控PLC控制系統(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(duì)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，選擇一個(gè)傳感器時(shí)，應(yīng)注意下面幾個(gè)問(wèn)題：測(cè)量范圍；測(cè)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”，其重要性不言而喻。與選擇傳感器相對(duì)應(yīng)，在選擇執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)考慮到下面幾個(gè)問(wèn)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(duì)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)

14、匯總，然后另加10%至20%的備用量估算。1、 數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的確定一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)按鈕要占一個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)光電開(kāi)關(guān)要占一個(gè)輸入點(diǎn)；而對(duì)于選擇開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，一般有幾個(gè)位置就要占幾個(gè)輸入點(diǎn)；對(duì)各種位置開(kāi)關(guān)一般占一個(gè)或兩個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)信號(hào)燈占一個(gè)輸出點(diǎn)。一般可用下式進(jìn)行估算：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(lái)確定，并預(yù)留出適當(dāng)?shù)膫溆命c(diǎn)即可。3、 存儲(chǔ)器容量的估算這里所說(shuō)的存儲(chǔ)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(chǔ)器容量，而后者指的是存儲(chǔ)器中為用戶開(kāi)放的部分。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

15、點(diǎn)數(shù)成正比，此外，還受通信數(shù)據(jù)量、編程人員水平等因素的影響。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(chǔ)器的容量后，下一步進(jìn)行的是PLC模塊的選擇，主要包括CPU模塊，數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊等；（1）對(duì)于CPU模塊選擇，一般要考慮到以下幾個(gè)問(wèn)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(chǔ)器（卡）容量5）對(duì)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(jí)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與模塊間的距離來(lái)確定。當(dāng)外部線路較長(zhǎng)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(duì)較集中時(shí)，可選用DC

16、24V電源。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(chǎng)合應(yīng)該選用繼電器輸出；在通斷頻繁的場(chǎng)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，晶體管只能用于直流負(fù)載。3）模擬量信號(hào)類型。模擬量信號(hào)傳輸應(yīng)盡量采用電流型信號(hào)傳輸。因?yàn)殡妷毫啃盘?hào)極易引入干擾，一般電壓信號(hào)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(chǎng)合。 控制柜設(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(chǎng)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(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)控制柜時(shí)應(yīng)考慮到下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）尺寸大小。要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的安裝

17、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(chǎng)不能安裝。而在外觀方面沒(méi)什么太嚴(yán)格的要求，只要看得簡(jiǎn)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(chǎng)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(wèn)題時(shí)的可靠和安全。（5）其他。對(duì)于接線方式、接地保護(hù)、接線排的余量等問(wèn)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

18、/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(cè)資料，對(duì)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(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)還應(yīng)考慮到裕量問(wèn)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(guò)工程師們漫長(zhǎng)的摸索，總結(jié)出許多有用的開(kāi)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(huì)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(duì)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(hào)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）可調(diào)整性。程序設(shè)