PLC系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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)，還要理解控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足顧客全部的規(guī)定。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應(yīng)簡(jiǎn)潔、方便。可靠性可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。對(duì)于某些可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的系統(tǒng)，必須要確?？刂葡到y(tǒng)能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行，即使控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)問題，起碼能夠確保不會(huì)出現(xiàn)人員和財(cái)產(chǎn)的重大損失。在系統(tǒng)規(guī)劃早期，應(yīng)充足考慮系統(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，考慮適宜的備份或冗余；在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用對(duì)應(yīng)的保護(hù)方法，在通過重復(fù)測(cè)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)性這規(guī)定工程師在滿足實(shí)用性和可靠性的前提下，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的軟、硬件配備經(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)品功效之間作對(duì)應(yīng)的平衡。還要考慮所使用的產(chǎn)品與否能夠獲得完備的技術(shù)資料和售后服務(wù)，以減少開發(fā)成本。可擴(kuò)展性這規(guī)定工程師，在系統(tǒng)總體規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充足考慮到顧客此后生產(chǎn)發(fā)展和工藝改善的需要，在控制器計(jì)算能力和I/O端口數(shù)量上應(yīng)當(dāng)留有適宜的裕量，同時(shí)對(duì)外要留有擴(kuò)展的接口，方便系統(tǒng)擴(kuò)展和監(jiān)控的需要。先進(jìn)性這規(guī)定工程師在硬件設(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)品構(gòu)成控制系統(tǒng)，確保系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)含有先進(jìn)性，不致被市場(chǎng)裁減。此原則與經(jīng)濟(jì)性共同考慮，使控制系統(tǒng)含有較高的性價(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)遵照一定的設(shè)計(jì)流程，掌握設(shè)計(jì)流程，能夠增加控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和對(duì)的性。PLC控制系統(tǒng)的普通設(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)象就是要具體分析被控對(duì)象的工藝流程，理解其工作特性。此階段一定要與顧客進(jìn)行進(jìn)一步的溝通，確保分析的全方面而精確。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要達(dá)成某些特定的指標(biāo)和規(guī)定，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)和規(guī)定。在全方面的分析之后，就需要按照一定的原則，精確地用工程化的辦法描述被控對(duì)象，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。系統(tǒng)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)規(guī)定擬定系統(tǒng)的規(guī)模，能夠分為大、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)合用于單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過程，以次序控制為主，信號(hào)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)間規(guī)定不高。普通選用S7-200就可達(dá)成控制規(guī)定中檔規(guī)模控制系統(tǒng)合用于復(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），需要完畢某些特殊功效，如PID控制等。普通選用S7-300等。大規(guī)模控制系統(tǒng)合用于大規(guī)模過程控制、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)象的工藝過程較復(fù)雜，對(duì)于精度和響應(yīng)時(shí)間規(guī)定較高。應(yīng)選用品有智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫、函數(shù)運(yùn)算等功效的高檔PLC，如S7-400等。硬件配備根據(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)的位置和功效。再加上10%～20%的備用量列出具體的I/O點(diǎn)清單。軟件配備根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定選擇適合的軟件，涉及系統(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；與否有報(bào)警顯示、趨勢(shì)分析、報(bào)表打印以及歷史統(tǒng)計(jì)功效。控制功效要對(duì)的的進(jìn)行控制系統(tǒng)的規(guī)模選擇，首先要理解各家控制器的特性，例如性能參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合、行業(yè)解決方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一種控制系統(tǒng)，普通遵照下列幾點(diǎn)：控制系統(tǒng)與否需要冗余、I/O信號(hào)模塊與否需要冗余、通訊與否需要冗余。控制點(diǎn)數(shù)有多少，涉及數(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(duì)象工藝與否復(fù)雜，與否需要實(shí)現(xiàn)特殊功效，例如防喘控制等。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制器的負(fù)載率與否有足夠的工作裕量；I/O信號(hào)點(diǎn)與否需要一定的余量。針對(duì)數(shù)字信號(hào)，與否需要繼電器隔離；考慮輸入信號(hào)的電壓和電流等級(jí)；輸出信號(hào)與否需要固態(tài)繼電器輸出。針對(duì)模擬量信號(hào)，與否需要安全隔離柵；信號(hào)的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測(cè)量范疇。不同的信號(hào)類型，需要選擇不同的I/O信號(hào)模塊。用于溫度測(cè)量的信號(hào)模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。信號(hào)模塊與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)，例如信號(hào)短路或斷路，這時(shí)信號(hào)模塊與否需要將輸入輸出信號(hào)自動(dòng)切換到預(yù)先設(shè)立的安全值。如有規(guī)定，需考慮選用故障安全型的控制器和信號(hào)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(zhǎng)短，以及對(duì)應(yīng)的通訊接口合同等，選用不同的通訊模塊。針對(duì)系統(tǒng)中的重要連鎖信號(hào)，與否需要特殊的SOE模塊，來統(tǒng)計(jì)信號(hào)變化的時(shí)間先后次序。熟悉被控對(duì)象是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有進(jìn)一步理解被控對(duì)象以及被控過程，才干夠提出合理科學(xué)的控制方案。1）分析被控對(duì)象。具體分析被控對(duì)象的工藝流程，理解其工作特性。此階段一定要與顧客進(jìn)行進(jìn)一步的溝通，確保分析得全方面而精確。2）畫出工藝流程圖。通過第一步，應(yīng)對(duì)被控對(duì)象的整個(gè)工藝流程有了進(jìn)一步的理解，為了更直觀、簡(jiǎn)潔的表達(dá)，畫出工藝流程圖，為背面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。分析并明確控制任務(wù)。根據(jù)已經(jīng)做好的工藝流程圖，工程師能夠把顧客提出的控制規(guī)定轉(zhuǎn)換為專業(yè)術(shù)語，對(duì)其逐個(gè)進(jìn)行分解，并從控制的角度將其中的規(guī)定轉(zhuǎn)化為多個(gè)控制回路。對(duì)于過程控制系統(tǒng)可用P&ID圖來表達(dá)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。重要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可行性作一種預(yù)測(cè)性的預(yù)計(jì)。在此階段一定要全方面地考慮到設(shè)計(jì)和實(shí)施此系統(tǒng)將會(huì)碰到的多個(gè)問題。如果沒有做過有關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)在實(shí)地認(rèn)真考察，并具體地論證設(shè)計(jì)此系統(tǒng)中的每一種環(huán)節(jié)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)施的過程中的妨礙，往往都是由于這一步?jīng)]有做足工夫而造成的。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)都必須通過重復(fù)斟酌。首先要能夠滿足顧客提出的基本規(guī)定；另首先是確保系統(tǒng)的可靠性，不能夠經(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。普通來說，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下面幾個(gè)問題：（1）擬定系統(tǒng)是用PLC單機(jī)控制，還是PLC聯(lián)網(wǎng)控制；擬定系統(tǒng)是采用遠(yuǎn)程I/O還是本地I/O。重要根據(jù)系統(tǒng)的大小及顧客規(guī)定的功效來選擇。對(duì)于普通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效規(guī)定。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。這樣能夠大大提高系統(tǒng)的可靠性。（2）與否需要與其它部分通信。一種完整的控制系統(tǒng)，最少會(huì)涉及三個(gè)部分：控制器、被控對(duì)象和監(jiān)控系統(tǒng)。因此對(duì)于控制器來說，最少要跟監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊。至于與否跟另外的控制單元或部門通訊要根據(jù)顧客的規(guī)定來決定。普通來說，如果顧客沒有規(guī)定，也都會(huì)留有這樣的通訊接口。（3）采用何種通信方式。普通來說，在現(xiàn)場(chǎng)控制層級(jí)用PROFIBUSDP；而從現(xiàn)場(chǎng)控制層級(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)具體狀況選擇適宜的通信方式。（4）與否需要冗余備份系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的所規(guī)定的安全等級(jí)，選擇不同的方法。在數(shù)據(jù)歸檔時(shí)，為了讓歸檔數(shù)據(jù)不丟失，能夠使用OS服務(wù)器冗余；在自動(dòng)化站（AutomationStation，AS），為了使系統(tǒng)不會(huì)因故障而造成停機(jī)或不可預(yù)知的成果，能夠使用控制器冗余備份系統(tǒng)。選擇適宜的冗余備份，能夠使系統(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)構(gòu)造是如何搭建的，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造示意圖如圖1-2所示。擬定系統(tǒng)的操作站、過程控制站的數(shù)目和位置，互相之間是如何連接的。與否需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。普通狀況下，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)，為確保信號(hào)的穩(wěn)定可靠，會(huì)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(huì)考慮選用帶榮譽(yù)管理功效的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將現(xiàn)場(chǎng)操作站和過程控制站構(gòu)成一種光纖環(huán)網(wǎng)。這樣，即使有一種方向的通訊斷開，也可通過另一種方向繼續(xù)通訊。對(duì)于過程控制站和現(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)直接通過硬件連接到過程控制站上。這樣如果距離太遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸會(huì)有損耗，特別是模擬量信號(hào)。且當(dāng)信號(hào)點(diǎn)諸多時(shí)，布線也較復(fù)雜，浪費(fèi)材料。因此，普通需在現(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/O從站上，在通過現(xiàn)場(chǎng)總線的方式將信號(hào)傳送到過程控

PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器與執(zhí)行器的擬定

1、傳感器的擬定

傳感器相稱于整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，它的擬定對(duì)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。普通來說，選擇一種傳感器時(shí)，應(yīng)注意下面幾個(gè)問題：①測(cè)量范疇；②測(cè)量精度；③可靠性；④接口類型。

2、執(zhí)行器的擬定

執(zhí)行器相稱于整個(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)問題：①輸出范疇；②輸出精度；③可靠性；④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)行估算是一種重要的工作，控制系統(tǒng)總的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)能夠根據(jù)實(shí)際設(shè)備的I/O點(diǎn)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)的擬定

普通來說，一種按鈕要占一種輸入點(diǎn)；一種光電開關(guān)要占一種輸入點(diǎn)；而對(duì)于選擇開關(guān)來說，普通有幾個(gè)位置就要占幾個(gè)輸入點(diǎn)；對(duì)多個(gè)位置開關(guān)普通占一種或兩個(gè)輸入點(diǎn)；一種信號(hào)燈占一種輸出點(diǎn)。普通可用下式進(jìn)行估算：

2、

模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的擬定

模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的擬定，普通應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來擬定，并預(yù)留出適宜的備用點(diǎn)即可。

3、

存儲(chǔ)器容量的估算

這里所說的存儲(chǔ)器容量與顧客程序所需的內(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)器中為顧客開放的部分。顧客程序所需的內(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，另外，還受通信數(shù)據(jù)量、編程人員水平等因素的影響。普通內(nèi)存容量估算經(jīng)驗(yàn)公式以下：

4、

控制模塊的選擇

擬定了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，重要涉及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，普通要考慮到下列幾個(gè)問題：

1）通信端口類型

2）運(yùn)算速度

3）特殊功效（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)速度的規(guī)定

（2）在選擇擴(kuò)展模塊時(shí)，普通應(yīng)注意下列方面：

1）模塊的電壓等級(jí)。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與模塊間的距離來擬定。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DC24V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)當(dāng)選用繼電器輸出；在通斷頻繁的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)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。由于電壓量信號(hào)極易引入干擾，普通電壓信號(hào)僅用于控制設(shè)備柜內(nèi)電位器的設(shè)立，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，它能夠?qū)⒐I(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。普通來說，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(chǎng)的安裝位置和空間，設(shè)計(jì)適宜的尺寸大小。切忌在設(shè)計(jì)竣工之后才發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)不能安裝。而在外觀方面沒什么太嚴(yán)格的規(guī)定，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)，首先要考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，另首先要考慮到系統(tǒng)的安全性。

（3）電源。在充足計(jì)算好系統(tǒng)所需的功率后，選擇適宜的電源。并根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇與否需要電源的備份。

（4）緊急停止。緊急停止與正常的停止運(yùn)行有很大的不同，緊急停止重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）其它。對(duì)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)都要予以具體的考慮。

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)多查閱有關(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)予以充足的理解。這樣在設(shè)計(jì)時(shí)才不會(huì)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，方便后來維修或者擴(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”。通過工程師們漫長(zhǎng)的探索，總結(jié)出許多有用的開發(fā)辦法。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)當(dāng)遵照下列幾個(gè)原則：

（1）對(duì)的性。首先要確保能夠完畢顧客所規(guī)定的各項(xiàng)功效，確保程序不會(huì)出現(xiàn)人為的錯(cuò)誤。

（2）可靠性。在滿足對(duì)的性的同時(shí)，也不可無視。在設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)立事故報(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)，以避免顧客的誤操作；在有信號(hào)干擾的系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮濾波和校正功效，以消除干擾的影響。

（3）可調(diào)節(jié)性。程序設(shè)計(jì)