PLC在控制中若干設(shè)計(jì)問題研究

摘要：可編程控制器是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了多種信息的新一代工業(yè)控制裝置。本文首先介紹了PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟，然后介紹了設(shè)備的配置和軟件設(shè)計(jì)，最后介紹了可靠性技術(shù)。

關(guān)鍵詞：PLC；設(shè)計(jì)；可靠性

中圖分類號：TH222 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 17-0000-02

作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，可編程控制器是現(xiàn)代新型工業(yè)控制的標(biāo)志產(chǎn)品。它已取代了繼電器而成為解決自動(dòng)控制問題的最有效、最便捷的工具，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。要保證系統(tǒng)工作正常、安全、可靠及經(jīng)濟(jì)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須經(jīng)過反復(fù)調(diào)試、修改、直到滿足要求為止。

1 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容與步驟

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)主要內(nèi)容：系統(tǒng)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。PLC控制系統(tǒng)功能調(diào)查分析首先應(yīng)明確控制任務(wù)和設(shè)計(jì)要求，制定出詳實(shí)的工作循環(huán)圖或狀態(tài)流程圖。然后，根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境和控制要求確定采用何種控制方式。通常，當(dāng)工、業(yè)環(huán)境較差，而安全性、可靠性要求又高，系統(tǒng)工藝復(fù)雜，輸入輸出點(diǎn)數(shù)多且以開關(guān)量為主，而用常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，工藝流程要經(jīng)常變動(dòng)的機(jī)械和現(xiàn)場，應(yīng)采用PLC控制。

程序總體設(shè)計(jì)的主要工作是宏觀上確定程序的總體結(jié)構(gòu)、各功能模塊程序的實(shí)現(xiàn)方式及各程序塊之間的接口方法。在確定程序結(jié)構(gòu)的前提下，可以使用梯形圖或指令表完成程序，當(dāng)然也可以采用其他合適的編程工具完成。作為程序編制的工具，PLC端口安排及機(jī)內(nèi)原件的選用安排表也應(yīng)列出來，以供程序設(shè)計(jì)時(shí)使用。程序具體設(shè)計(jì)的時(shí)候，具體使用哪種方法要根據(jù)需要，如經(jīng)驗(yàn)法、狀態(tài)法、邏輯法或者多種方法綜合使用。

將設(shè)計(jì)好的程序輸入PLC以后，首先要檢查程序，并改正輸入時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試。在調(diào)式過程中，應(yīng)充分考慮各種可能情況。對于各種不同的工作方式以及運(yùn)行條件都逐一試驗(yàn)，不能遺漏，一旦發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)更改。完成這些工作后就可以進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試與運(yùn)行了，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的軟件與硬件方面的問題，必須要及時(shí)解決。

2 設(shè)備的配置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇配置合適的PLC會給設(shè)計(jì)、操作一級將來的擴(kuò)展帶來極大的方便。一般來說PLC的選擇是根據(jù)工藝流程特點(diǎn)、控制要求及現(xiàn)場所需信號的數(shù)量和類型預(yù)先進(jìn)行的。在選擇設(shè)備配置時(shí)，首先要進(jìn)行PLC的功能選擇。通?？刂葡到y(tǒng)需要什么功能就選擇什么樣功能的PLC。對于單機(jī)控制要求簡單僅需開關(guān)量控制的設(shè)備，一般的小型PLC都可以滿足要求。隨著控制技術(shù)的快速發(fā)展，功能選擇時(shí)還要注意特殊功能模塊的使用，以提高PLC的控制能力，如輸入/輸出擴(kuò)展模塊、模擬量的輸入/輸出模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、通訊模塊和人機(jī)界面模塊等。根據(jù)控制要求，將各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列表，準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對I/O點(diǎn)數(shù)的需求量，然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上加15%～20%的備用量，以便今后調(diào)整和擴(kuò)充。同時(shí)要充分利用好輸入輸出擴(kuò)展單元，提高主機(jī)的利用率。在確定好I/O點(diǎn)數(shù)后，還要注意它們的性質(zhì)、類型和參數(shù)。例如是開關(guān)量還是模擬量、交流還是直流以及電壓大小等級等，同時(shí)還要注意輸出端的負(fù)載特點(diǎn)，以此選擇和配置相應(yīng)機(jī)型和模塊。對于多數(shù)應(yīng)用場合，PLC的響應(yīng)時(shí)間基本能滿足控制要求，但是當(dāng)需要接收頻率過高或者持續(xù)時(shí)間過短的輸入信號時(shí)，就需要選用掃描速度高的PLC或者快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊。用戶程序所需存儲器容量可以預(yù)先估算。對于開關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲器的字?jǐn)?shù)等于輸入/輸出信號總數(shù)乘以8；對于有模擬量輸入/輸出的系統(tǒng)，每一路模擬量信號大約需100字的存儲容量。通常PLC的存儲器采用模塊式的存儲器卡盒，同一型號的PLC可以選擇不同容量的存儲器卡盒，以便適應(yīng)不同用戶對存儲容量的需要。根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境及工藝要求，應(yīng)采用功能完善、可靠性適宜的PLC。對可靠性要求極高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余控制系統(tǒng)或熱備份系統(tǒng)。小型控制系統(tǒng)一般選用價(jià)格便宜的簡易編程器；如果系統(tǒng)較大或多臺PLC共用，可以選用功能強(qiáng)、編程方便的圖形編輯器；如果有現(xiàn)成的個(gè)人計(jì)算機(jī)，可選用能在計(jì)算機(jī)上使用的編程軟件。

3 軟件設(shè)計(jì)

用戶程序的設(shè)計(jì)是PLC應(yīng)用中的最關(guān)鍵的問題。在掌握PIE的指令以及操作方法的同時(shí)，還要掌握正確的程序設(shè)計(jì)方法，才能有效地利用可編程控制器，使它在工業(yè)控制中發(fā)揮巨大作用。一般用戶程序的設(shè)計(jì)可分為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法和狀態(tài)流程圖設(shè)計(jì)法等。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法沿用了繼電器控制電路來設(shè)計(jì)梯形圖。它是根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，依靠經(jīng)驗(yàn)直接設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不斷地修改和完善梯形圖。這種方法由于依賴經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因此要求設(shè)計(jì)者具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，要能熟悉掌握控制系統(tǒng)的大量實(shí)例和典型環(huán)節(jié)。邏輯設(shè)計(jì)法是從控制系統(tǒng)中各種物理量的邏輯關(guān)系出發(fā)的設(shè)計(jì)方法。這種方法既有嚴(yán)密可循的規(guī)律性和可行的設(shè)計(jì)步驟，又有簡便、直觀和十分規(guī)范的特點(diǎn)。狀態(tài)流程圖又叫功能表圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或狀態(tài)圖。它是完整地描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和狀態(tài)的一種圖形，是分析和設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)順序控制程序的一種重要工具。同時(shí)，它又是一種通用的技術(shù)語言，可以為不同專業(yè)的工程技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交流服務(wù)。

4 可靠性技術(shù)

PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的控制裝置，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，就不能保證PLC的正常運(yùn)行，因此使用時(shí)應(yīng)注意以下問題。

4.1 工業(yè)環(huán)境

PLC可直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，對使用環(huán)境要求不高。但是當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃或高于50℃，安裝時(shí)要有足夠的通風(fēng)散熱空間。對于一些特殊環(huán)境，需要采取特殊的措施，例如可以采用機(jī)罩方式。

4.2 安裝與布線

為達(dá)到最大程度的對流冷卻，所有PLC元件都應(yīng)安裝于垂直（豎直）位置。PLC可根據(jù)要求用DIN導(dǎo)軌安裝，也可直接安裝在符合要求的堅(jiān)固支持物上。PLC主機(jī)應(yīng)安裝在一個(gè)使用、維護(hù)方便的工作面上，I/O機(jī)架常安裝在PLC主機(jī)之下或與其相鄰的位置。為了避免其他外圍的電干擾，PLC應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電源和高壓設(shè)備，PLC不能與高壓電器安裝在同一個(gè)控制柜內(nèi)。PLC的電源線應(yīng)與系統(tǒng)的動(dòng)力線、控制線分開配線。對于來自電源線的干擾，PLC本身應(yīng)有足夠的抑制能力。若一個(gè)系統(tǒng)中選用了擴(kuò)充單元，則其電源必須與基本單元共用一個(gè)開關(guān)，也就是說基本單元與擴(kuò)展單元的上電與斷電必須同時(shí)進(jìn)行。此外，PLC基本單元與擴(kuò)展單元之間的傳送信號電壓低，頻率高，很容易受到干擾，所以，它們之間的傳送電纜不能與別的線敷設(shè)在同一個(gè)管道內(nèi)。

4.3 I/O端的接線

輸入、輸出線不能用同一根電纜，輸入線與輸出線應(yīng)分開走線，輸入接線不宜太長。盡可能采用常開觸點(diǎn)形式連接到輸入端，使編制的梯形圖與繼電器原理圖一致，便于閱讀。輸出接線分為獨(dú)立輸出和公共輸出。PLC的輸出負(fù)載可能產(chǎn)生干擾，因此要采取措施加以控制，如直流輸出的續(xù)流管保護(hù)，交流輸出的阻容吸收電路，晶體管及雙向晶閘管輸出的旁路電阻保護(hù)。

4.4 外部安全電路與接地

為確保整個(gè)系統(tǒng)能在安全狀態(tài)下可靠工作， PLC外部應(yīng)安裝必要的保護(hù)電路。對于能對用戶造成傷害的危險(xiǎn)負(fù)載，為確保設(shè)備在安全狀態(tài)下運(yùn)行，需設(shè)計(jì)外部電路加以防護(hù)。接地時(shí)，基本單元與擴(kuò)展單元的接地點(diǎn)應(yīng)接在一起，同時(shí)應(yīng)給PLC接以專用地線，并且接地點(diǎn)要與其他設(shè)備分開，若達(dá)不到這種要求，也可采用公共接地方式。

參考文獻(xiàn)：

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