PLC及其在工程設計中的選型研究

摘要：計算機技術和控制技術相組合的產(chǎn)物是PLC，它是一種用于控制的特殊計算機，它的基礎是CPU，所以可編程控制器的重要結(jié)構和普通計算機系統(tǒng)是相差無幾的。工程設計選型的重要依據(jù)是在符合基本控制要求和大小的條件下，能夠確?？刂瓶煽?、維護操作方便以及最優(yōu)的功能比。

關鍵詞：PLC；工程設計選型；計算機技術；控制技術；可編程控制器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2015）11-0086-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.043

1 PLC簡介

可編程控制器的硬件主要由寄存器、中央處理器、I/O接口、擴展接口電路、通訊接口等單元構成。PLC的基礎是CPU，實現(xiàn)連接現(xiàn)場I/O設備與CPU之間的是輸入單元與輸出單元，通訊單元是用來跟編程器與工控機等這些外部單元連接。

1.1 中央處理單元（CPU，中央處理器）

和普通的計算機設備一樣，中央處理器是PLC的核心。可編程控制器中所配置處理器隨機型而異，小型通常選擇單片微處理器和8位微處理器；多數(shù)中型選擇單片微處理器或16位微處理器；多數(shù)大型選擇高速位片式微處理器。

1.2 存儲器主要有兩種類型的記憶

隨機存取存儲器的讀寫操作是其中一個，另一個只讀存儲器PROM、ROM、EPROM和EPROME。在PLC中，功能是用來存儲重要程序、系統(tǒng)程序及通訊信息。

由可編程控制器的廠商編寫的重要程序，與PLC的硬件結(jié)構相關。用于實現(xiàn)命令解釋、排除故障、語言運算、功能子程序調(diào)用管理、通訊及各種相關參數(shù)調(diào)節(jié)等特點，為可編程控制器的可靠控制提供展示空間?？删幊炭刂破鞯男阅芘c用戶程序系統(tǒng)關聯(lián)，在可編程控制器使用過程當中數(shù)據(jù)不會有所更改，因此在只讀存儲器PROM、ROM或EPROM中是由制造者完全固化，用戶是不能夠隨便訪問和修改的。

1.3 輸入/輸出單元

輸入/輸出接口一般被稱作I/O模塊或I/O單元，是可編程控制器與生產(chǎn)控制現(xiàn)場兩者的銜接結(jié)構?？删幊炭刂破髂軌驒z測被控單元的各種信息是通過I/O單元的，這些信息是被控單元被PLC進行控制的根據(jù)，并且可編程控制器再選擇輸出單元將處理數(shù)據(jù)傳輸被控制單元，用來達到控制的目的。

1.4 通信接口

PLC利用通訊模塊可以完成通信與監(jiān)控、打印機、電腦和其他裝置。PLC與顯示器連接，可以操作圖像的顯示形式；和其他的可編程控制器連接時，能構成聯(lián)成網(wǎng)絡或多機局域網(wǎng)，還能夠完成大范圍的控制。當PLC與工控機連接時，可以構成多層集散控制系統(tǒng)，能夠達到操作與管理相結(jié)合效果。遠程I/O系統(tǒng)也一定要配備有這些通信接口模塊。

1.5 智能單元模塊

智能單元模塊是個獨立的控制系統(tǒng)，其有獨立的中央處理器、存儲器、系統(tǒng)程序和與可編程控制器連接的接口。它是作為可編程控制器的一個單元，經(jīng)過接口與可編程控制器連接信息來進行交換，并且在可編程控制器的協(xié)調(diào)管理下完成控制。

1.6 編程裝置

編程、調(diào)試、輸入用戶程序是編程設備的功能，還能夠在線監(jiān)控可編程控制器的參數(shù)和在可編程控制器內(nèi)部的情況，和可編程控制器進行人機對話。編程設備是維護、開發(fā)、應用可編程控制器不可缺少的軟件。編程設備可以是一個特殊的程序，也可以是一個通用的計算機系統(tǒng)配備了一個特殊的編程軟件包。由PLC專用編程器，一些可編程控制器產(chǎn)品的制造商使用，這主要是由一個鍵盤，顯示器和外置存儲器插座和其他單元組成。專用編程一般分為智能型編程和簡易型編程兩種。

可編程邏輯控制器通用性強，使用方便；編程軟件簡易，容易掌握；功能性強，適應面廣；可靠性高，抗干擾能力強；控制系統(tǒng)的設計、安裝、調(diào)試和維護方便；體積小，質(zhì)量輕，功耗低的特性和優(yōu)勢，迅速而廣泛應用于各種工業(yè)領域。但可編程控制器種類繁多，它的電源、性能、大小、指令功能、編程語言等有自己的特點，控制要求也各有不同。

在實現(xiàn)可編程控制器控制設計時，先合理選擇技術方案，而后對PLC工程設計選型。工藝流程的特征和控制要求是PLC選型的重要根據(jù)，選擇的可編程控制器的系統(tǒng)硬件、軟件工具及性能應與設備規(guī)模和控制條件相符合，著重掌握生產(chǎn)過程的特點、控制條件，確定控制要求和區(qū)域，確定生產(chǎn)的任務和動作，再依照控制設計，計算I/O接口量、測試存儲器大小、掌握可編程控制器的功能、外部裝置特性等，最終采用有較高性能價格比的可編程控制器和設計滿足要求的控制系統(tǒng)。

2 工程設計選型

工程設計選型的重要依據(jù)是在符合基本控制要求和大小的條件下，能夠確保控制可靠、維護操作方便以及最優(yōu)的功能比。下面根據(jù)型號設計，介紹說明PLC的選型、輸入輸出單元、容量等選擇：

2.1 PLC類型的選擇

可編程控制器按結(jié)構分有整體式和模塊式兩種，整體型可編程控制器的全部I/O接口的均價格比模塊型的低廉，且體積小重量輕，因此通常應用在系統(tǒng)工藝生產(chǎn)較為嚴格的小型控制系統(tǒng)中；模塊式可編程控制器的配置靈活，功能擴展方便，提供多種輸入輸出接口或插槽，所以用戶能夠準確地選擇和配置控制系統(tǒng)的輸入輸出接口量，維修時只要更換單元，排除故障的設計也很簡單，所以模塊型可編程控制器通常應用在很復雜系統(tǒng)和大中型控制系統(tǒng)。

2.2 輸入輸出模塊的選擇

I/O單元的選擇應滿足與應用控制的匹配。比如對輸入單元，應滿足數(shù)據(jù)電平、數(shù)據(jù)傳輸距離、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)供電方式等控制需求。對輸出單元，應滿足選擇的輸出單元類型，一般繼電器輸出單元價格便宜，能完成啟動交流控制，也能夠應用直流控制，且選擇電壓范圍很大、過載能力較強，其歸為有觸點元件，其操作速度不高、壽命不長，所以只能完成不經(jīng)常通斷的控制；對于經(jīng)常通斷的控制，應選擇晶閘管輸出或晶體管輸出單元，其歸為無觸點元件，但晶閘管輸出僅可以完成交流負載，而晶體管輸出單元僅可以完成直流控制，過載能力不強。還要滿足系統(tǒng)是否有模擬量I/O等條件，可依照控制要求，準確選擇I/O單元，以便提高控制質(zhì)量和降低投資成本。

2.3 PLC容量的選擇

PLC容量大小的選擇包含輸入輸出接口量和用戶存儲大小兩個內(nèi)容，輸入輸出接口量估算時要考慮控制的余量，一般依照記錄的I/O接口量，再擴展l0%～20%的可發(fā)展余量后，作為I/O點數(shù)估算信息。在準備定貨時，還需依照制造者可編程控制器的產(chǎn)品功能，對I/O接口量進行分配。用戶存儲大小通常依照數(shù)字量輸入輸出接口量的10～15倍，再算上模擬輸入輸出接口量的百倍完成估算，此外再依照這個數(shù)據(jù)的1/4考慮余量，當控制單元較為復雜、信息采集量較多時，則依照實際情況再擴展些。

2.4 通信功能的確定

在具體控制中，要求選擇的可編程控制器與工控機完成通信，因此網(wǎng)絡協(xié)議要滿足國際標準，通信距離要符合設備控制要求；也要滿足維持通訊網(wǎng)絡的通用性和相互兼容性。

2.5 經(jīng)濟性的選擇

選擇經(jīng)濟性時，要用滿足控制的可擴展性、可控制性、投入產(chǎn)出比等要求，結(jié)合參考條件，最后采用經(jīng)濟較突出的PLC。I/O點數(shù)對價格有很多影響。每建立一塊I/O單元就需提高一些投資。當接口量建立到固定的數(shù)量后，匹配的存儲器大小、機架、母板等也要持續(xù)變多，所以點數(shù)的升高對處理器選擇、存儲器大小、控制功能要求等因素都有影響。在估算和選擇時應全面考慮，使全部控制系統(tǒng)得到最優(yōu)的性能價格比。

參考文獻

[1] 廖常初.大中型PLC應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 秦益霖.西門子S7-400PLC應用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

作者簡介：龐玉（1984-），女，山東聊城人，濟寧技師學院講師，碩士，研究方向：電氣自動化。

（責任編輯：黃銀芳）