PLC控制系統設計概要簡述

1 引言

　　隨著plc在工業控制中的推廣普及，plc產品的種類越來越多，其結構型號、性能、容量、指令系統，編程方法等各不相同，適用場合也各有側重。因此，合理選擇plc對于提高其在控制系統中的應用有著重要作用。應用plc首先要詳細分析被控對象、控制過程與要求,熟悉了解工藝流程后列出控制系統的所有功能和指標要求，與繼電器控制系統和工業控制計算機進行比較后加以選擇。plc最適合于控制對象的工業環境較差，而安全性、可靠性要求特別高，系統工藝復雜，輸入輸出以開關量為多，用常規的繼電器接觸器難以實現，工藝流程又要經常變動的對象和現場。其次要確定控制范圍，一般講，能夠反映生產過程的運行情況，能用傳感器進行直接測量的參數；用人工進行控制工作量大，操作復雜容易出錯或操作過于頻繁，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 機型選擇

　　機型的選擇主要是指在功能上如何滿足自己需要，而不浪費機器容量。選擇機型前，首先要對控制對象進行下面估計：有多少開關量輸入，電壓分別為多少，有多少開關量輸出，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，如高速計數器；現場對控制器響應速度有何要求；機房與現場分開還是在一起等。

　　在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格最優的機型。通常的做法是：在工藝過程比較固定、環境條件較好的場合，選用整體式結構的plc；其他情況則最好選用模塊式結構的plc；對于開關量控制以及以開關量控制為主、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轉換，d/a轉換，加減運算、數據傳送功能的低檔機就能滿足要求；而控制比較復雜，控制功能要求比較高的(如要實現pid運算、閉環控制、通訊聯網等)，可根據控制規模及復雜程度來選用中檔或高檔機(其中高檔機主要用于大規模過程控制，全plc的分布式控制系統以及整個工廠的自動化等)。

　　應該注意的是，同一個企業應盡量做到機型統一，這樣同一個機型的plc模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時，其統一的功能及編程方法也有利于技術力量的培訓、技術水平的提高和功能的開發；此外，由于其外部設備通用，資源可以共享，因此配上計算機后即可把控制各獨立系統的多臺plc聯成一個dcs系統，這樣便于相互通信，集中管理[2]。

　　2.2 i/o的選擇

　　plc與工業生產過程的聯系是通過i/o接口模塊來實現的，plc有許多i/o接口模塊，包括開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時應根據它們的特點進行選擇。

　　(1)確定i/o點數。不同的控制對象所需要的i/o點數不同，一些典型的傳動設備及常用的電氣元件所需plc的i/o點數是固定的，如一個單線圈電磁閥用2個輸入點，一個輸出點；一個按紐需一個輸入點；一個信號燈占用一個輸出點等，但對于同一個控制對象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，i/o點數也應有所不同。根據控制系統的要求確定所需的i/o點數時，應再增加10%～20%的備用量，以便隨時增加控制功能。

　　(2)開關量i/o。開關量i/o接口可以從傳感器和開關(如按紐、限位開關等)及控制設備(如指示燈、報警器、電動機啟動器等)接收信號。典型的交流i/o信號為24～240v，直流i/o信號為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，如用于消除錯誤信號的抖動電路等。此外，大多數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。在評估離散輸出時，應考慮熔絲、瞬時浪涌保護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生的信號。這些接口可用于測量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設備。其典型量程為-10～+10v、0～+11v、4～20ma或10～50ma。一些制造廠家在plc上設計有特殊模擬接口，因而可以接收低電平信號，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。

　　(4)特殊功能i/o。在選擇一臺plc時，用戶可能會面臨一些特殊類型且不能用標準i/o實現的i/o限定，如定位、快速輸入、頻率等。此時應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場數據，從而使cpu從耗時的任務中解脫出來。

　　(5)智能式i/o。大型plc的生產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，可對輸入或輸出信號作預先規定的處理，并將處理結果送入cpu或直接輸出，這樣可以提高plc的處理速度并節省存儲器的容量。

　　2.3 存儲器類型及容量選擇

　　plc系統所使用的存儲器由rom和ram組成，存儲容量則隨機器的大小變化，最大存儲能力：一般小型機最大存儲能力低于6kb，中型機的最大存儲能力可達64kb，大型機的最大存儲能力可上兆字節。使用時可根據程序及數據的存儲需要來選用合適的機型，必要時也可專門進行存儲器的擴充設計。

　　plc的存儲器容量選擇要受到內存利用率、開關量的i/o點數、模擬量的i/o點數和用戶的編程水平這四個因素的影響。存儲容量計算的第一種方法是：根據編程使用的節點數精確計算存儲器的實際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據控制規模和應用目的來估算，總存儲字數=（開關量輸入點+開關量輸出點）×10+模擬量點數×150，然后按計算存儲器字數的25%考慮裕量。為了使用方便，一般應留有25%～30%的裕量。獲取存儲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數，用戶便可以確定準確的存儲容量。

　　2.4 編程器和電源模塊選擇

　　在系統的實現過程中，plc的編程問題是非常重要的。用戶應當對所選擇plc產品的軟件功能及編程器有所了解。小型控制系統一般選用價格便宜的簡易編程器，如果系統較大或多臺plc共用，可以選用功能強，編程方便的圖形編程器。如果有個人計算機，可以選用能在個人計算機上運行的編程軟件包。同時，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模塊作為外部設備。

　　對于結構為模塊式的plc，電源模塊和額定電流必須大于或等于主機、i/o模塊、專用模塊等總的消耗電流之和。當使用專用機架時，從主機架電源模塊到最遠一個擴展機架的線路壓降必須小于0.25v。

　　2.5 程序設計和總裝統調

　　在確定控制對象的控制任務、選擇好plc的機型后，就可以進行控制系統的流程設計，畫出流程圖，進一步說明各信息流之間的關系，然后具體安排i/o的配置，并對i/o進行地址編號。i/o地址編號確定后，再畫出plc端子和現場信號聯絡圖表，進行系統設計即可將硬件設計和程序編寫二項工作平行進行，編寫程序的過程就是軟件設計過程。

　　用戶編寫的程序在總裝統調前需要進行模擬調試。用裝在plc上的模擬開關模擬輸入信號的狀態，用輸出點的指示燈模擬被控對象，檢查程序無誤后便把plc接到系統里，進行總裝統調，如果統調達不到指標要求則可對硬件和軟件作調整，全部調試結束后，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是專為工業環境而設計的控制裝置，應該具有很強的抗干擾功能，但是如果環境過于惡劣，電磁干擾特別強烈或安裝使用不當都不能保證系統的正常運行，干擾會造成plc誤動作或使plc內部數據丟失，甚至使系統失控，所以在系統設計時，應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：對電源變壓器、cpu、編程器等主要部件，采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。

　　(2) 濾波：對供電系統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)電源調整與保護：對cpu這個核心部件所需的+5v電源，采用多級濾波，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓、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間的電聯系，減少故障誤動作。

　　(5)采用模塊式結構：這種結構有助于在故障情況下短時修復。因為一旦查處某一模塊出現故障，就能迅速更換，使系統回復正常工作，也有助于加快查找故障原因。

　　3.2 軟件措施

　　故障檢測：plc本身有很完善的自診斷功能，但在工程實踐中，plc的i/o元件如限位開關、電磁閥、接觸器等的故障率遠遠高于plc的本身故障率，這些元件出現故障后，plc一般不會察覺出來，不會立即停機，這會導致多個故障相繼發生，嚴重時會造成人身設備事故，停機后查找故障也要花費大量時間[4]。為方便檢測故障可用梯形圖程序實現，這里介紹一種邏輯組合判斷法：系統正常運行時，plc的輸入和輸出信號之間存在著確定的關系，因此根據輸出信號的狀態與控制過程間的邏輯關系來判斷設備運行是否正常。

　　信息保護和恢復：當偶發性故障條件出現時，不破壞plc內部的信息，一旦故障條件消失，就可以恢復正常繼續原來的工作。所以，plc在檢測故障條件時，立即把現狀態存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲器信息被沖掉，一旦檢測到外界環境正常后，便可恢復到故障發生前的狀態，繼續原來的程序工作。

　　設置警戒時鐘wdt：機械設備的動作時間一般是不變的，可以以這些時間為參考，當plc發出控制信號，相應的執行機械動作，同時啟動一個定時器，定時器的設定值比正常情況下機械設備的動作時間長20%，若時間到，plc還沒有收到執行機構動作結束信號，則啟動報警。

　　提高輸入信號的可靠性：由于電磁干擾、噪聲、模擬信號誤差等因素的影響，會引起輸入信號的錯誤，引起程序判斷失誤，造成事故，例如按紐的抖動、繼電器觸點的瞬間跳動都會引起系統誤動作，可以采用軟件延時去抖。對于模擬信號誤差的影響可采取對模擬信號連續采樣三次，采樣間隔根據a/d轉換時間和該信號的變化頻率而定，三個數據先后存放在不同的數據寄存器中，經比較后取中間值或平均值作為當前輸入值。

　　在硬件和軟件方面采取各種措施后，大大提高。

4 結束語

　　隨著各種技術的發展，plc的種類日益繁多，功能也逐漸增強，在產品規模上向大小兩個發展。在實際工作中還要根據實際情況對plc的選用做出適當調整，以便滿足期望的工業控制系統。