可編程序控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

李麗

（西安未來國際軟件有限公司，陜西 西安 710075）

1 PLC設(shè)計(jì)過程

PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指示，并通過數(shù)字式的和模擬式的輸入和輸出控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。它由輸入部分、邏輯部分、輸出部分組成。

1.1 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 確定控制對象和控制范圍

要應(yīng)用可編程控制器，首先要詳細(xì)分析被控制對象，控制過程與要求。PLC最適合于控制`對象的工業(yè)環(huán)境較差，但其安全性、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)，工藝流程經(jīng)常變動的對象和現(xiàn)場。其次要確定控制范圍；要能夠反映生產(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)雜容易出錯的或操作過于頻繁，人工操作不容易滿足工藝要求的可由PC控制。

1.1.2 PLC的機(jī)型選擇

選擇機(jī)型前，首先要對控制對象進(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；有多少模擬輸入和多少模擬量輸出，是否有特殊控制要求，現(xiàn)場對控制器響應(yīng)速度有何要求，機(jī)房與場分開還是在一起等，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。

1.1.3 硬件與程序設(shè)計(jì)

在確定控制對象的控制任務(wù)，PLC的機(jī)型后，就可進(jìn)行控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，畫出流程圖，說明各信息流之間的關(guān)系，然后具體安排輸入、輸出的配置，并對輸入、輸出進(jìn)行地址編號，再畫出可編程控制器端子和現(xiàn)場信號聯(lián)絡(luò)圖表，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)可將硬件設(shè)計(jì)，程序編寫二項(xiàng)工作平行地進(jìn)行，編寫程序的過程就是軟件設(shè)計(jì)過程。

程序設(shè)計(jì)通常采用邏輯設(shè)計(jì)法，它是以布爾代數(shù)為理論基礎(chǔ)，根據(jù)生產(chǎn)過程中各工號之間各檢測元件狀態(tài)的不同組合和變化，確定所需的中間環(huán)節(jié)，再按各執(zhí)行元件所應(yīng)滿足的動作節(jié)拍表，分別列寫出各自用相應(yīng)的檢測元件及中間環(huán)節(jié)狀態(tài)邏輯值表示的布爾表達(dá)式，最后用觸點(diǎn)的串并聯(lián)組合在電路上進(jìn)行邏輯表達(dá)式的物理實(shí)現(xiàn)。由于硬件、軟件可平行進(jìn)行，所以在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的同時，可進(jìn)行硬件配備工作，如強(qiáng)電設(shè)備的安裝，控制柜的制作，PLC的安裝輸入輸出線的連接等。

1.1.4 總裝統(tǒng)調(diào)

用戶編寫的程序在總裝統(tǒng)調(diào)前需進(jìn)行模擬調(diào)試。用裝在PLC上的模擬開關(guān)模擬輸入信號的狀態(tài)，用輸出點(diǎn)的指示燈模擬被控對象，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只讀存儲器EPROM盒中長期保存。

2 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，干擾會造成PLC誤動作或使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，應(yīng)采取硬件措施再配合軟件措施。

2.1 硬件措施

屏蔽：對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電，導(dǎo)磁通量良好的材料進(jìn)行屏蔽，以防外界干擾。

濾波：對供電系統(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，也削弱了各種模塊間的相互影響。

電源調(diào)整與保護(hù)：對微處理器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(diào)整器進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動和過電壓，欠電壓的影響。

隔離：在微處理器與I/O電路間，采用光電隔離措施，有效隔離I/O間電的聯(lián)系，減少故障誤動作。

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修復(fù)。因?yàn)橐坏┎槌瞿骋荒K出現(xiàn)故障，就能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，也有助于加快查找故障原因。

2.2 軟件措施

故障檢測：

PLC的本身有很完善的自診斷功能，但在工程實(shí)踐中，PLC的輸入、輸出元件如限位開關(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一般不會覺察出來，不會立即停機(jī)，會導(dǎo)致多個故障相繼發(fā)生，嚴(yán)重時會造成人身設(shè)備事故，停機(jī)后查找故障也要花費(fèi)大量時間，為方便檢測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，PLC的輸入輸出信號之間存在著確定的關(guān)系，因此，根據(jù)輸出信號的狀態(tài)與控制過程間的邏輯關(guān)系，判斷設(shè)備運(yùn)行是否正常，如：某機(jī)械設(shè)備的二個限位開關(guān)與輸出信號間的約束關(guān)系為（XO、XI、YO、YI）；（XO、XI、YO、YI），MO、MI表示合法狀態(tài)，Y10 為報(bào)警輸出，梯形圖如圖1。

信息保護(hù)和恢復(fù)：當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時，不破壞PC內(nèi)部的信息，一旦故障條件消失，就可恢復(fù)正常繼續(xù)原來的工作。所以，PC在檢測到故障條件時，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器，軟件配合對存儲器進(jìn)行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉，一旦檢測到外界環(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)置了警戒時鐘WDT：機(jī)械設(shè)備的動作時間一般是不變的，可以以這些時間為參考，當(dāng)PLC發(fā)出控制信號，相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)械動作，同時啟動一個定時器，定時器的設(shè)定值比正常情況下機(jī)械設(shè)備的動作時間長20%，若時間到，PLC還沒有收到執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作結(jié)束信號，則啟動報(bào)警。例如：XO為機(jī)床動力頭啟動信號輸入端，XI為機(jī)床動力頭終點(diǎn)行程開關(guān)輸入端，設(shè)正常情況下，運(yùn)行10S后到達(dá)終點(diǎn)，YO為動力頭輸出Y10為報(bào)警輸出，梯形圖如圖2

圖1

對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行電池后備：停電后利用后備電池供電有關(guān)狀態(tài)及信息，以防止信息丟失。

提高輸出信號的可靠性：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，例如按鈕的抖動，繼電器觸點(diǎn)的瞬間跳動都會引起系統(tǒng)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(xù)采樣三次，采樣間隔根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換時間，和該信號的變化頻率而定，三個數(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,梯形圖如圖3:

在硬軟件方面采取各種措施后，PC的可靠性，抗干擾能力大提高。

3 結(jié)束語

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能會日趨完善，在產(chǎn)品規(guī)模上向大小兩個方向發(fā)展。為滿足工業(yè)自動化各種控制系統(tǒng)的需要，新器件，新模塊不斷推出，大大擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用范圍。在軟件方面，編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化。PLC技術(shù)的應(yīng)用范圍會越來越廣，會更好地為社會主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)！

[1]高欽和，PLC控制系統(tǒng)故障檢測與處理功能的實(shí)現(xiàn)（J）計(jì)算機(jī)自動測量與控制，2000，（3）：19-20.

[2]王兆義，可編程控制器教程（Z）北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1999.