基于PLC的現(xiàn)場(chǎng)控制站系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

蔣國(guó)輝

摘 要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)得到了飛速發(fā)展，目前PLC技術(shù)以其高度的可靠性和強(qiáng)大的功能性，在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中廣泛使用。以PLC為基礎(chǔ)組成的現(xiàn)場(chǎng)控制站，具有多種優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)控制站;PLC技術(shù);通信;觸摸屏

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)控制站屬于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一種類型?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)各類裝置直接相連進(jìn)行控制，如記錄儀表、執(zhí)行器、傳感器等，可完成包括系統(tǒng)測(cè)試與診斷、直接數(shù)字控制、過程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備監(jiān)測(cè)等任務(wù)，通過數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場(chǎng)控制站實(shí)現(xiàn)此功能。數(shù)據(jù)采集站和現(xiàn)場(chǎng)控制站亦可稱作數(shù)據(jù)采集器和現(xiàn)場(chǎng)控制器，在分散控制系統(tǒng)體系中被稱作下位機(jī)或分機(jī)[1-2]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)包括PLC、工控機(jī)、控制屏、通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)軟件等各種軟件，現(xiàn)場(chǎng)各種各級(jí)儀表由與其連接的現(xiàn)場(chǎng)控制站為其提供電源，如圖1所示。

2 一般性能描述

現(xiàn)場(chǎng)控制站的任務(wù)為過程控制和獲取各級(jí)數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)各PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要包含保證系統(tǒng)正常所需的全部模塊，主要包括CPU模塊、輸入/輸出模塊、通訊模塊、電源模塊等，數(shù)量根據(jù)需要確定。

輸入輸出模塊均需具備隔離性能，所有電源模塊、? ? ? ? ?I/O模塊、通訊模塊（包括CPU主站、CPU從站）均帶電插拔（RIUP）。系統(tǒng)內(nèi)模塊均屬于獨(dú)立安裝式固態(tài)電路，具有低散熱量性能、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化結(jié)構(gòu)，具有通道級(jí)故障診斷功能和LED顯示功能。整個(gè)PLC系統(tǒng)的可使用率至少為99.9%，MTBF不可低于8 000小時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有不會(huì)死機(jī)特性。

PLC設(shè)計(jì)遵循以下安全準(zhǔn)則：

（1）控制系統(tǒng)單一故障不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行設(shè)備與備用設(shè)備同時(shí)不能運(yùn)行。

（2）控制系統(tǒng)某個(gè)區(qū)域的故障只表現(xiàn)為降低整個(gè)控制系統(tǒng)的部分控制功能，并可通過人為干預(yù)處理。

（3）單一故障不致引起系統(tǒng)的誤動(dòng)作或拒動(dòng)作及PLC系統(tǒng)的整體故障。為達(dá)到以上安全準(zhǔn)則要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自診斷手段，以便在出現(xiàn)內(nèi)部故障造成影響之前被檢測(cè)出來。

為整套設(shè)備提供所需設(shè)備和內(nèi)部連線是PLC控制站的任務(wù)。控制站PLC在安裝時(shí)必須保證其正常的運(yùn)行散熱，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足在當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。相關(guān)設(shè)備的電源運(yùn)行條件為：?jiǎn)蜗嘟涣麟娫措妷?20 V，單相交流電源頻率50 Hz。根據(jù)接入電源的實(shí)際情況，為了對(duì)相關(guān)設(shè)備起到保護(hù)作用，可通過加裝不間斷電源及穩(wěn)壓電源，以避免突然斷電等危害對(duì)儀表不適當(dāng)?shù)奈：Α?/p>

內(nèi)部電纜：在控制柜內(nèi)提供各部分之間的連接電纜及附件。所有模板均通過權(quán)威機(jī)構(gòu)的安全認(rèn)證，包括：UL，CE等。輸入輸出模塊均具備隔離性能。

3? ? CPU

各主站PLC采用硬件冗余，即CPU模塊、電源模塊均冗余配置。為備用系統(tǒng)的開啟裝置，當(dāng)出現(xiàn)任何部件的故障或者異常關(guān)斷時(shí)都能夠自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)擾動(dòng)切換，CPU應(yīng)滿足以下條件，運(yùn)算指令速度小于8 ns。控制器任務(wù)不小于32個(gè)，用戶內(nèi)存不小于32 M，運(yùn)行內(nèi)存不小于8 M。

CPU與冗余CPU具有獨(dú)立的電源和通信接口，而冗余CPU可以安裝在不同的背板總線上。數(shù)據(jù)存貯的后備電源為電池，且當(dāng)電池電量到達(dá)閾值有報(bào)警提示。

冗余配置的處理器模塊可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詢問并且具有相同的資料和狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)處理器模塊故障時(shí)能自動(dòng)切換到備用處理器模塊，并且在相應(yīng)操作員站顯示故障警示。當(dāng)數(shù)據(jù)通信總線出現(xiàn)故障時(shí)，處理器模塊可正常運(yùn)行，并出現(xiàn)通訊故障報(bào)警[3]。

對(duì)任一個(gè)處理器模塊進(jìn)行如下操作如切除、修改、恢復(fù)投運(yùn)等，應(yīng)保證不影響其他處理器模件的功能及正常運(yùn)行[4]。

冗余配置的處理器模塊應(yīng)具有針對(duì)電源故障可自動(dòng)恢復(fù)的特性，供電重新恢復(fù)后，處理器模塊應(yīng)具有自動(dòng)恢復(fù)正常工作的功能[5]。

冗余配置的處理器模塊具有完善的控制和運(yùn)算功能，包括脈沖量的輸入和輸出，數(shù)字量，開關(guān)量，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，邏輯運(yùn)算，中斷控制，算術(shù)運(yùn)算，函數(shù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳送和比較，PID調(diào)節(jié)等。

4 電源模塊

電源電壓：200～240 VAC，50/60 Hz;

工作電壓范圍：170～264 VAC;

功率消耗：150 VA max;

浪涌電流：40 A max./200～240 VAC;

輸出電流：7 A，5 VDC;

輸出功率：35 W;

絕緣電阻：20 MΩ min;

抗干擾：符合IEC 61000-4-4， 2 kV （電源線）;

接地：小于100 Ω。

5 通信

通信系統(tǒng)的構(gòu)成應(yīng)屬于開放式結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有超長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)，即兼容性。能夠方便擴(kuò)展并且適應(yīng)生產(chǎn)規(guī)模的不斷變化。支持全廠管控一體化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及完整OPC開放數(shù)據(jù)通信功能。

PLC應(yīng)提供至少兩種通信接口：

（1）工業(yè)以太網(wǎng)通信接口，可與其他PLC、計(jì)算機(jī)通信。

（2）符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線方式的通信接口，能夠與任何可提供現(xiàn)場(chǎng)總線方式設(shè)備控制柜通信。

6 輸入/輸出模塊

所有的I/O模塊采用和CPU對(duì)應(yīng)同一系列的模塊。

輸入/輸出某單個(gè)模塊故障時(shí)，運(yùn)行設(shè)備應(yīng)不會(huì)受此影響。負(fù)載和后備的輸入/輸出模塊不連接在同一個(gè)模塊上。輸入/輸出提供了外部信號(hào)的隔離功能。

各種輸入/輸出模塊提供不少于兩成的備用容量，并完成線接到各端子。輸入/輸出處理系統(tǒng)具有“智能化”特點(diǎn)[4]，從而達(dá)到減輕控制系統(tǒng)處理負(fù)荷的目的。

各輸入/輸出模塊都應(yīng)有標(biāo)明I/O狀態(tài)的LED指示和其他診斷顯示。各接點(diǎn)的輸入模塊都有防抖動(dòng)濾波處理。如果輸入接點(diǎn)的信號(hào)抖動(dòng)大于4 ms，模件能自動(dòng)切除該接點(diǎn)信號(hào)。

能夠自動(dòng)進(jìn)行零飄和增益的校正，這種操作可以設(shè)置校正時(shí)間，周期性進(jìn)行，所有輸入/輸出模塊能滿足ANSI/IEEE472“沖擊電壓承受能力試驗(yàn)導(dǎo)則（SWC）”的規(guī)定。

每個(gè)模擬量輸入或輸出模件點(diǎn)數(shù)不超過8點(diǎn)。每一塊開關(guān)量輸入或輸出模件前多不超過16點(diǎn)。此外，所有的輸入通道、輸出通道及其工作電源，均互相隔離。

模擬量輸入：信號(hào)為4～20mA的直流電流信號(hào)，最大允許輸入阻抗為260 Ω，系統(tǒng)提供4～20 mA二線制變送器的直流24 V電源。對(duì)1～5 VDC直流電壓輸入信號(hào)，輸入阻抗應(yīng)大于500 KΩ。

模擬量輸出：4～20 mA的直流電流信號(hào)或1～5 VDC直流電壓信號(hào)，能夠驅(qū)動(dòng)回路阻抗750 Ω以上的負(fù)載。系統(tǒng)需提供24 V直流的回路電源。

數(shù)字量輸入：直流24 V輸入，所有輸入/輸出通道，均使用光電隔離。

數(shù)字量輸出：數(shù)字量輸出模件應(yīng)使用每個(gè)通道單獨(dú)隔離輸出，隔離電壓應(yīng)不小于250 V。輸出繼電器接點(diǎn)容量為? ?250 VAC/5 A、220 VDC/3 A。繼電器可常帶電。

PLC與各執(zhí)行機(jī)構(gòu)等采用模擬量信號(hào)相連接時(shí)，二端對(duì)接地和浮空等相關(guān)要求應(yīng)相匹配，否則需要采取電隔離的措施。PLC要采取有效措施，以對(duì)輸入/輸出模塊過壓或過流進(jìn)行保護(hù)。

7 觸摸屏

所有屏均有統(tǒng)一的尺寸大小，以方便安裝，另外，為便于后期項(xiàng)目修改或增加元件，每個(gè)屏要有20%的空間。全部的屏都應(yīng)該在生產(chǎn)制造廠完成裝配，包括設(shè)備的安裝和內(nèi)部的接線，屏的結(jié)構(gòu)和全部接線都應(yīng)該符合IEC的具體要求。

內(nèi)部線路要求：內(nèi)部線路具有銅線構(gòu)成。線應(yīng)有線卡，且線槽填充度在45%以內(nèi)。提供單相交流220 V電源的插座，每個(gè)需要使用單相交流220 V電源的設(shè)備，均應(yīng)通過接地線與電源插座的接地線相連接。

8? ? 結(jié)語(yǔ)

PLC系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站是各類生產(chǎn)型企業(yè)中非常重要的控制系統(tǒng)，特別是一些大中型規(guī)模的企業(yè)，它們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量都有很高的要求。必須通過不同的控制環(huán)境以及工藝條件，并使用PLC技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)單元進(jìn)行正確地選擇及設(shè)置，確?？刂七^程更加完整、協(xié)調(diào)和具有高效性[6]。

[參考文獻(xiàn)]

[1]周渡海，魏東，陳志新.基于以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線的模擬量輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].中國(guó)住宅設(shè)施，2006（3）：100-103.

[2]任建勛，尹作重，郭棟，等.工業(yè)控制系統(tǒng)及其互操作研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2020（4）：11-12.

[3]李光帥.ROCKWELL集成架構(gòu)自動(dòng)化設(shè)備在興澄特鋼燒結(jié)廠中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2011（3）：5-6.

[4]傅國(guó)軒.格爾木燃?xì)怆娬綝CS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].西安：西安理工大學(xué)，2007（8）：46-47.

[5]孫勇.DCS系統(tǒng)過程控制功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廈門：廈門大學(xué)，2013（10）：34-35.

[6]李潔蘭.水務(wù)公司PLC系統(tǒng)控制站冗余熱備改造技術(shù)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（4）：68-69.

（編輯 何 琳）