PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案

何晶晶

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川綿陽621000）

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案

何晶晶

（綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川綿陽621000）

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)只是針對(duì)某一特殊工業(yè)化需求進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)一般只考慮滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求，因此還存在通用性差、維護(hù)修改困難等缺點(diǎn)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單修改后的直接應(yīng)用，其可移植性和通用性差的弊端在日益激烈的科研和生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)中也越加顯現(xiàn)。因此，提高控制系統(tǒng)的可移植性、通用性和擴(kuò)展性，即使其具備良好的“柔性”，對(duì)于縮短工業(yè)裝置研制周期和調(diào)試費(fèi)用、提高運(yùn)行可靠性和適應(yīng)性都具有重要意義。PLC控制系統(tǒng)是就是在這一背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的，而且應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

PLC控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；可靠性；穩(wěn)定性

可編程控制器（Programmable Logic Controller簡(jiǎn)稱PLC），是新一代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，是一種成熟的穩(wěn)定的控制器，并且以體積小、通用性好、硬件配套齊全、功能強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、維護(hù)方便、用戶程序編程簡(jiǎn)單和容易掌握等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。其克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)通用性差、維修困難等缺點(diǎn)，為推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展有著巨大的作用。但在穩(wěn)定性和可靠性方面還存在著一些問題，需要通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化來使其得到改善和提高，以便更好地為現(xiàn)代工業(yè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是為了提高工業(yè)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。通常不同的設(shè)計(jì)師會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方法，但是常見的設(shè)計(jì)方法有三種：圖解法、經(jīng)驗(yàn)法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程法。

1.1 PLC控制系統(tǒng)的分類

根據(jù)PLC和設(shè)備的數(shù)量及控制對(duì)象的位置等，可以將PLC控制系統(tǒng)分為以下幾類：用一臺(tái)PLC控制一臺(tái)設(shè)備的單機(jī)控制系統(tǒng)；一臺(tái)PLC控制多臺(tái)設(shè)備的集中控制系統(tǒng)；幾臺(tái)PLC分別獨(dú)立地控制著某些設(shè)備，每個(gè)控制對(duì)象設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的PLC的分布式控制系統(tǒng)；因?yàn)榭刂茖?duì)象不是集中分布，比較分散，輸入或輸出線需要引入PLC的遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)；用PLC代替遠(yuǎn)程I/O機(jī)架的就地控制系統(tǒng)，它和遠(yuǎn)程IO控制系統(tǒng)的區(qū)別就在于在遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)內(nèi)，沒有程序，機(jī)架只裝有I/O模塊，它的控制程序都存在于PLC的存儲(chǔ)器中，它的功能就是執(zhí)行任務(wù)[1]。就地控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 就地控制系統(tǒng)

1.2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

（1）最大限度滿足被控制對(duì)象的控制要求，這是設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)應(yīng)該遵循的最基本的原則。在設(shè)計(jì)之前，對(duì)控制系統(tǒng)的用途應(yīng)該做充分的調(diào)查研究，然后搜集資料，進(jìn)行分析，做好準(zhǔn)備工作，設(shè)計(jì)出最佳方案。

（2）保證PLC控制系統(tǒng)安全、可靠。設(shè)計(jì)者不論在硬件選擇還是在編程上面，都要做到科學(xué)、合理，不僅要求高效率和好質(zhì)量，更要狠抓安全這一主線。

（3）力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維修簡(jiǎn)單。要做到不斷優(yōu)化方案，注意降低成本，達(dá)到最佳效益。PLC控制系統(tǒng)就要克服以前維修苦難的問題，只有這樣才能被更加廣泛的使用[2]。

（4）要適應(yīng)以后的需要，用發(fā)展的眼光看問題。在選擇PLC時(shí)要注意和實(shí)際相結(jié)合，容量的確定一定要合理，適應(yīng)將來對(duì)齊優(yōu)化的需要。

1.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

輸入和輸出系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)的構(gòu)成要件，所以，PLC控制系統(tǒng)基本內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：擬定任務(wù)書，這是設(shè)計(jì)的核心，即控制系統(tǒng)的技術(shù)條件；選擇并確定恰當(dāng)?shù)南癜粹o、開關(guān)之類的用戶輸入設(shè)備，像繼電器、信號(hào)燈等之類的輸入設(shè)備和像發(fā)動(dòng)機(jī)之類的由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象；準(zhǔn)確選擇PLC，這是保障整個(gè)控制系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能發(fā)揮的重要手段；繪制I/O分配表和端子接線圖；編寫軟件規(guī)格說明和設(shè)計(jì)程序；了解用戶認(rèn)知心理知識(shí)；設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)部件；編寫程序使用說明書。

1.4 PLC的選擇標(biāo)準(zhǔn)及選擇方法

PLC控制系統(tǒng)最核心的就是PLC，因此選擇時(shí)一定要在滿足用戶需求的情況下選出性價(jià)比最高的PLC.通常對(duì)于PLC的選擇，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：機(jī)型、I/O、存儲(chǔ)器的類型及容量，最后還要注意編程器和外部設(shè)備的選擇。

2 PLC控制系統(tǒng)存在的問題及成因分析

2.1 PLC控制系統(tǒng)存在的問題

PLC控制系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)通常由PLC和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成[3]。PLC包括很多設(shè)備，當(dāng)中任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障都會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。這些因素都導(dǎo)致了PLC系統(tǒng)的不可靠性和不穩(wěn)定性的發(fā)生。通常表現(xiàn)為：內(nèi)部信息被破壞，從而控制系統(tǒng)混亂；執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作和網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)，這些都影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)存在問題的原因

常見的影響其可靠性的因素主要有來自空間的輻射干擾、來自電源的干擾、來自信號(hào)線引入的干擾、來自接地系統(tǒng)混亂的干擾和來自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。具體表現(xiàn)有設(shè)備選型不合理，因此對(duì)溫度、濕度等外部因素的干擾無力阻擋。另外未嚴(yán)格按照安裝規(guī)程安裝，如接地系統(tǒng)不好和軟件設(shè)計(jì)不合理等因素導(dǎo)致。

3 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

PLC系統(tǒng)的應(yīng)用使其所控制的設(shè)備、系統(tǒng)工作的可靠性，相對(duì)單純的繼電器控制系統(tǒng)大大提高[4]。但為了提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)該消除影響干擾的因素，可以從以下幾個(gè)方面著手：

3.1 抗干擾性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

想要排除干擾，維護(hù)PLC的穩(wěn)定性，干擾源、受擾體和干擾通道是三個(gè)抗干擾的重要因素，抑制干擾源、提高受擾體的抗干擾的能力和破壞干擾通道成為解決這一問題的重要途徑。

3.1.1 抗干擾性的硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)很大程度上取決于硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要從外部環(huán)境、PLC本身和輸入輸出設(shè)備三個(gè)方面來進(jìn)行。

首先，要從電源、線路的選擇上著手，PLC系統(tǒng)的供電的電源，可用隔離性能比較好的隔離變壓器；對(duì)于變送器和共用信號(hào)儀表供電則應(yīng)當(dāng)選擇分布電容小、抑制帶大的配電器。通過完善接地系統(tǒng)來抗干擾，注意選擇質(zhì)量好的元器件和恰當(dāng)?shù)慕泳€方式；合理布置地線系統(tǒng)，針對(duì)PLC系統(tǒng)中的各種地線應(yīng)當(dāng)分開布置，在一點(diǎn)上和電源地相連；注意具體問題具體分析，低頻電路選一點(diǎn)接地，高頻電路用多點(diǎn)接地，而且應(yīng)該盡量加粗接地線。

其次，要注意輸入輸出的保護(hù)，數(shù)字傳感器、頻率敏感器件或由振蕩器（由敏感參量R、L、C構(gòu)成）等使傳統(tǒng)的模擬傳感器數(shù)字化。對(duì)輸入輸出通道進(jìn)行電氣隔離。應(yīng)用最多用于隔離的器件是光電耦合器。模擬量的輸入輸出可采用V/F、F/V轉(zhuǎn)換器。

再次，要從PLC自身改進(jìn)上抗干擾。在電源方面，遵循脈動(dòng)小、穩(wěn)定性好的原則；在導(dǎo)線方面，用連銅導(dǎo)線；在芯片方面，注意其性能；線路板設(shè)計(jì)要盡量避免平行走線；印刷板的電源地線最好設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；電源正負(fù)極的走線應(yīng)盡量靠近。

最后，要注意PLC系統(tǒng)應(yīng)用的外部環(huán)境。天氣的變化必然帶來溫度和濕度的變化，而這些因素將直接影響PLC外部元部件的壽命，空氣中的粉塵等也會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性造成不良的影響，這些都是應(yīng)該優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)對(duì)象。

3.1.2 抗干擾軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先，從信號(hào)輸入輸出著手，可以使用開關(guān)型傳感器信號(hào)的去抖動(dòng)措施（見圖2）、數(shù)字濾波、指令冗余（對(duì)于設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)，硬件和軟件資源不能占用耗盡，硬件至少要保證15%左右的冗余[5]）等方法來提升輸入和輸出信號(hào)的可靠性。

圖2 去抖動(dòng)梯形圖

其次，要注意信息的保護(hù)和恢復(fù)。PLC在檢測(cè)到故障條件時(shí)，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲(chǔ)器，軟件配合對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行封閉，禁止對(duì)存儲(chǔ)器的任何操作，以防存儲(chǔ)器信息被沖掉[6]。

第三，在硬件設(shè)計(jì)和編程中應(yīng)設(shè)置互鎖功能，因?yàn)閱渭冊(cè)赑LC內(nèi)部邏輯上的互鎖，往往在外電路發(fā)生故障時(shí)失去了作用。解決這一問題的辦法是將兩個(gè)接觸器的常閉輔助觸點(diǎn)互相串接在對(duì)方的線圈控制回路中[7-9]。

第四，優(yōu)化故障檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)。主要有時(shí)間故障檢測(cè)法和邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)法?？刂葡到y(tǒng)工作循環(huán)中各工步的運(yùn)行有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)定，以這些時(shí)間為參數(shù)，在要檢測(cè)的工步動(dòng)作開始的同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)法[10-12]。可以事先編好一些常見故障的異常邏輯程序加進(jìn)用戶程序中[13]。

第五，注意數(shù)據(jù)和程序的保護(hù)。針對(duì)大部分依靠5年左右壽命的鋰電池支持來存儲(chǔ)用戶信息和程序的客戶，可以把調(diào)試成功的程序用ROM寫器固化到EPROM/E2PROM中。應(yīng)用程序應(yīng)留有備份，光盤里或EPROM/E2PROM中的備份必須小心保護(hù)。另外，設(shè)置停電記憶功能，在程序運(yùn)行時(shí)要定時(shí)向寄存器輸入狀態(tài)值，并保留最新數(shù)據(jù)[14-16]。

第六，在程序編制中可采用軟件容錯(cuò)技術(shù)。PLC在信號(hào)出錯(cuò)情況下能及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，并能排除錯(cuò)誤的影響繼續(xù)工作，在程序中采取不同時(shí)間判斷的方式，注意防止因?yàn)榻狱c(diǎn)的抖動(dòng)而引起的“偽報(bào)警”[17]。

4 結(jié)束語

PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)長(zhǎng)期的復(fù)雜的過程，本文通過分析PLC設(shè)計(jì)的內(nèi)容、原則、方法以及實(shí)際使用過程中PLC控制系統(tǒng)所存在的問題，相應(yīng)的提出了一些合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這必將對(duì)實(shí)際生活和在工作中PLC控制系統(tǒng)的使用有著很大的實(shí)踐價(jià)值。

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Design and Optimization of PLC Control System

HE Jing－jing
（Mianyang Polytechnic，Mianyang Sichuan 621000，China）

Traditional control system is only designed for a particular industrial demand，if the design of technical indexes meets the design requirements is considered when we are designing it.So there are many shortcomings，such as poor universality maintenance，modification difficulties and so on.It is difficult for the traditional control system to implement a simple modified application directly，the disadvantages of poor portability and versatility in the increasingly fierce competition in the scientific research and production are also raising.As a result，improving the portability of the control system of versatility and expansibility，that is to make it have great“flexible”.It is meaningful for shortening the period of industrial equipment and commissioning cost，improving the operation reliability and adaptability.PLC control-system is produced and developed under this background and it is becoming more and more widely used.

PLC control system；design；optimize；reliability；stability

TP273

A

1672-545X（2017）03-0022-03

2016-12-03

2014年四川省教育廳項(xiàng)目（編號(hào)：14ZB0398）

何晶晶（1982－），女，四川瀘州人，講師，通信工程學(xué)士，研究生在讀，研究方向：測(cè)控與通信技術(shù)。