PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、輕松掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）2016-07-18工控技術(shù)人員需要的干貨來(lái)了 ！!本篇文章能讓讀者了解 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和一般流 程；理解控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法和調(diào)試方法；掌握硬件系統(tǒng)選型的方法。由于內(nèi)容較多，我們分為三個(gè)片斷。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則1）實(shí)用性實(shí)用性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則。工程師在研究被控對(duì)象的同時(shí)，還要了 解控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，使得所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足用戶所有的要求。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應(yīng)簡(jiǎn)潔、方便。2）可靠性可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。對(duì)于一些可能會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的系統(tǒng)，必須 要保證控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行，即使控

2、制系統(tǒng)本身出現(xiàn)問(wèn)題， 起碼能夠保證不會(huì)出現(xiàn)人員和財(cái)產(chǎn)的重大損失。在系統(tǒng)規(guī)劃初期，應(yīng)充分考慮系 統(tǒng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，提出不同的設(shè)計(jì)方案，選擇一種非?？煽壳逸^容易實(shí)施的方 案；在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的重要程度，考慮適當(dāng)?shù)膫浞莼蛉哂啵辉谲浖O(shè) 計(jì)時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，在經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試確保無(wú)大的疏漏之后方可聯(lián)機(jī)調(diào) 試運(yùn)行。3）經(jīng)濟(jì)性這要求工程師在滿足實(shí)用性和可靠性的前提下，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的軟、硬件配置經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠，切勿盲目追求新技術(shù)、高性能。硬件選型時(shí)應(yīng)以經(jīng)濟(jì)、合用為準(zhǔn)； 軟件應(yīng)當(dāng)在開(kāi)發(fā)周期與產(chǎn)品功能之間作相應(yīng)的平衡。 還要考慮所使用的產(chǎn)品是否 可以獲得完備的技術(shù)資料和售后服務(wù)，以減少開(kāi)發(fā)成本。4 ）可

3、擴(kuò)展性這要求工程師，在系統(tǒng)總體規(guī)劃時(shí)，應(yīng)充分考慮到用戶今后生產(chǎn)發(fā)展和工藝 改進(jìn)的需要，在控制器計(jì)算能力和I/O端口數(shù)量上應(yīng)當(dāng)留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，同時(shí)對(duì) 外要留有擴(kuò)展的接口，以便系統(tǒng)擴(kuò)展和監(jiān)控的需要。5）先進(jìn)性這要求工程師在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選用技術(shù)先進(jìn)，應(yīng)用成熟廣泛的產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)具有先進(jìn)性， 不致被市場(chǎng)淘汰。此原則與經(jīng)濟(jì) 性共同考慮，使控制系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循一定的設(shè)計(jì)流程，掌握設(shè)計(jì)流程，可以增加控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和正確性。PLC控制系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程如圖1-1所示：圖1-1 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖被控對(duì)象的分析與描述分析被控對(duì)

4、象就是要詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進(jìn)行深入的溝通，確保分析的全面而準(zhǔn)確。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要達(dá)到一些特定的指標(biāo)和要求，即滿足實(shí)際應(yīng)用或是客戶需求。在分析被控對(duì)象時(shí)，必須考慮這些指標(biāo)和要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原 則，準(zhǔn)確地用工程化的方法描述被控對(duì)象，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)。1 ）系統(tǒng)規(guī)模根據(jù)被控對(duì)象的工藝流程、復(fù)雜程度和客戶的技術(shù)要求確定系統(tǒng)的規(guī)模，可 以分為大、中、小三種規(guī)模。確保硬件資源有一定裕量而不浪費(fèi)。小規(guī)模控制系統(tǒng)適用于單機(jī)或小規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程，以順序控制為主，信號(hào)多為 開(kāi)關(guān)量，且I/O點(diǎn)數(shù)較少（低于128點(diǎn)），精度和響應(yīng)時(shí)間要求不

5、高。一般選 用S7-200就可達(dá)到控制要求中等規(guī)模控制系統(tǒng)適用于復(fù)雜邏輯和閉環(huán)控制的生產(chǎn)過(guò)程，I/O點(diǎn)數(shù)較多（128點(diǎn)到512點(diǎn)之間），需要完成某些特殊功能，如PID控制等。一般選用S7-300 等。大規(guī)模控制系統(tǒng)適用于大規(guī)模過(guò)程控制、DCS系統(tǒng)和工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制，I/O點(diǎn)數(shù)較多（高于512點(diǎn)），被控對(duì)象的工藝過(guò)程較復(fù)雜，對(duì)于精度和響應(yīng)時(shí) 間要求較高。應(yīng)選用具有智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、函數(shù)運(yùn)算等功能的高檔 PLC,如 S7-400 等。2 ）硬件配置根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和客戶的技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算。分析被控對(duì)象工 藝過(guò)程，統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)和I/O類型。按照設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域的不同進(jìn)行劃

6、分， 明確各個(gè)I/O點(diǎn)的位置和功能。再加上10%20%的備用量列出詳細(xì)的I/O點(diǎn) 清單。3 ）軟件配置根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇適合的軟件，包括系統(tǒng)平臺(tái)軟件、編程軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件的選擇。首先需考慮監(jiān)控的點(diǎn)數(shù)限制；是否有報(bào)警顯示、趨 勢(shì)分析、報(bào)表打印以及歷史記錄功能。4）控制功能要正確的進(jìn)行控制系統(tǒng)的規(guī)模選擇，首先要了解各家控制器的特性，比如性 能參數(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合、行業(yè)解決方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一個(gè)控制 系統(tǒng)，一般遵循以下幾點(diǎn)：控制系統(tǒng)是否需要冗余、I/O信號(hào)模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余。 控制點(diǎn)數(shù)有多少，包括數(shù)字量輸入和輸出點(diǎn)數(shù)、模擬量輸入和輸出點(diǎn)數(shù)。 被控對(duì)象工藝是否復(fù)雜

7、，是否需要實(shí)現(xiàn)特殊功能，比如防喘控制等。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，控制器的負(fù)載率是否有足夠的工作裕量；I/O信號(hào)點(diǎn)是否需要一定的余量。針對(duì)數(shù)字信號(hào)，是否需要繼電器隔離；考慮輸入信號(hào)的電壓和電流等級(jí)；輸 出信號(hào)是否需要固態(tài)繼電器輸出。針對(duì)模擬量信號(hào)，是否需要安全隔離柵；信號(hào)的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測(cè)量范圍。不一樣的信號(hào)類型，需要選擇不一樣的I/O信號(hào)模塊。用于溫度測(cè)量的信號(hào)模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。信號(hào)模塊是否需要在線帶電插拔更換。如果需要，還需考慮附加特殊的背板 插槽。當(dāng)系統(tǒng)和外部出現(xiàn)故障時(shí)，比如信號(hào)短路或鍛爐，這時(shí)信號(hào)模塊是否需要將 輸入輸出信號(hào)自動(dòng)切換到預(yù)先設(shè)置的安全值。 如有要求

8、，需考慮選用故障安全型 的控制器和信號(hào)模塊。當(dāng)需要和第三方設(shè)備通訊時(shí)，需考慮通訊距離的長(zhǎng)短，以及相應(yīng)的通訊接口 協(xié)議等，選用不同的通訊模塊。針對(duì)系統(tǒng)中的重要連鎖信號(hào)，是否需要特殊的 SOE模塊，來(lái)記錄信號(hào)變化 的時(shí)間先后順序。熟悉被控對(duì)象是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有深入了解被控對(duì)象以及被控過(guò) 程，才能夠提出合理科學(xué)的控制方案。1）分析被控對(duì)象。詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝流程，了解其工作特性。此階 段一定要與用戶進(jìn)行深入的溝通，確保分析得全面而準(zhǔn)確。2 ）畫(huà)出工藝流程圖。經(jīng)過(guò)第一步，應(yīng)對(duì)被控對(duì)象的整個(gè)工藝流程有了深入 的了解，為了更直觀、簡(jiǎn)潔的表示，畫(huà)出工藝流程圖，為后面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。3）分析并明

9、確控制任務(wù)。根據(jù)已經(jīng)做好的工藝流程圖，工程師可以把用戶 提出的控制要求轉(zhuǎn)換為專業(yè)術(shù)語(yǔ)，對(duì)其逐一進(jìn)行分解，并從控制的角度將其中的 要求轉(zhuǎn)化為多個(gè)控制回路。對(duì)于過(guò)程控制系統(tǒng)可用P&ID圖來(lái)表示其中的控制關(guān) 系。PLC控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證。主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可 行性作一個(gè)預(yù)測(cè)性的估計(jì)。在此階段一定要全面地考慮到設(shè)計(jì)和實(shí)施此系統(tǒng)將會(huì) 遇到的各種問(wèn)題。如果沒(méi)有做過(guò)相關(guān)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)， 應(yīng)當(dāng)在實(shí)地仔細(xì)考察，并詳細(xì) 地論證設(shè)計(jì)此系統(tǒng)中的每一個(gè)步驟的可行性。特別是在硬件實(shí)施階段中，稍有不 慎，就會(huì)造成很大的麻煩，輕則系統(tǒng)不成功，重則會(huì)造成嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)的損 失。工程實(shí)施的

10、過(guò)程中的阻礙，往往都是由于這一步?jīng)]有做足工夫而導(dǎo)致的。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的總體構(gòu)架，每個(gè)細(xì)節(jié)都必須經(jīng)過(guò)反復(fù)斟 酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求； 其次是確保系統(tǒng)的可靠性，不可以經(jīng) 常出現(xiàn)故障，就算出現(xiàn)故障也不會(huì)造成大的損失；然后在經(jīng)濟(jì)性等方面予以考慮。一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）確定系統(tǒng)是用PLC單機(jī)控制，還是PLC聯(lián)網(wǎng)控制；確定系統(tǒng)是采用遠(yuǎn) 程I/O還是本地I/O。主要根據(jù)系統(tǒng)的大小及用戶要求的功能來(lái)選擇。對(duì)于一般 的中小型過(guò)程控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，PLC單機(jī)控制已基本能夠滿足功能要求。 但也可借 鑒集散控制系統(tǒng)的理念，即將危險(xiǎn)和控制分散，管理與監(jiān)控集中。這

11、樣可以大大 提高系統(tǒng)的可靠性。(2) 是否需要與其它部分通信。一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，至少會(huì)包括三個(gè)部分：控制器、被控對(duì)象和監(jiān)控系統(tǒng)。所以對(duì)于控制器來(lái)說(shuō)，至少要跟監(jiān)控系統(tǒng)之間進(jìn) 行通訊。至于是否跟另外的控制單元或部門(mén)通訊要根據(jù)用戶的要求來(lái)決定。一般來(lái)說(shuō)，如果用戶沒(méi)有要求，也都會(huì)留有這樣的通訊接口。(3) 采用何種通信方式。一般來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)控制層級(jí)用 PROFIBUS DP ;而 從現(xiàn)場(chǎng)控制層級(jí)到監(jiān)控系統(tǒng)的通訊用 PROFINET。但有時(shí)候也可互相通用，根據(jù) 具體情況選擇合適的通信方式。(4) 是否需要冗余備份系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的所要求的安全等級(jí)，選擇不同的辦法。在數(shù)據(jù)歸檔時(shí)，為了讓歸檔數(shù)據(jù)不丟失，可以

12、使用OS服務(wù)器冗余；在自動(dòng)化站(Automation Station ，AS)，為了使系統(tǒng)不會(huì)因故障而導(dǎo)致停機(jī)或不可 預(yù)知的結(jié)果，可以使用控制器冗余備份系統(tǒng)。 選擇適當(dāng)?shù)娜哂鄠浞?，可以使系統(tǒng) 的可靠性得到大幅提高。在進(jìn)行控制系統(tǒng)選型之前，首先考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是怎樣搭建的，網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)示意圖如圖1-2所示。確定系統(tǒng)的操作站、過(guò)程控制站的數(shù)目和位置，相互之間是怎樣連接的。是 否需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)控制室和主控制室與電氣控制柜分別安放在兩個(gè)地方，且 距離較遠(yuǎn)，為保證信號(hào)的穩(wěn)定可靠，會(huì)考慮用光纜來(lái)連接各自的交換機(jī)。同時(shí)， 為了通訊線路的冗余，會(huì)考慮選用帶榮譽(yù)管理功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

13、，將現(xiàn)場(chǎng)操作站和過(guò)程控制站組成一個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)。 這樣，即使有一個(gè)方向的通訊斷開(kāi)，也 可通過(guò)另一個(gè)方向繼續(xù)通訊。對(duì)于過(guò)程控制站和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)之間的連接，傳統(tǒng)的連接方式是將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接 通過(guò)硬件連接到過(guò)程控制站上。這樣如果距離太遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸會(huì)有損耗，尤其是 模擬量信號(hào)。且當(dāng)信號(hào)點(diǎn)很多時(shí)，布線也較復(fù)雜，浪費(fèi)材料。所以，一般需在現(xiàn) 場(chǎng)安裝分布式I/O從站（如果現(xiàn)場(chǎng)為危險(xiǎn)區(qū)，需選用本質(zhì)安全型的分布式I/O從 站），將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接連接到I/O從站上，在通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的方式將信號(hào)傳送到 過(guò)程控制站。圉口丟示阿絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圏，圖1-2表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖本文摘自：西門(mén)子 S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)；IT有得

14、聊輕松掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（二）2016-07-221.4 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1傳感器與執(zhí)行器的確定1傳感器的確定傳感器相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，它的確定對(duì)系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。一般來(lái) 說(shuō)，選擇一個(gè)傳感器時(shí)，應(yīng)注意下面幾個(gè)問(wèn)題：測(cè)量范圍；測(cè)量精度；可靠 性；接口類型。2. 執(zhí)行器的確定執(zhí)行器相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的“手臂”，其重要性不言而喻。與選擇傳感器相對(duì)應(yīng)，在 選擇執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)考慮到下面幾個(gè)問(wèn)題：輸出范圍；輸出精度；可靠性； 接口類型。2PLC控制系統(tǒng)模塊的選擇在硬件設(shè)計(jì)中，對(duì)輸入、輸出點(diǎn)進(jìn)行估算是一個(gè)重要的工作，控制系統(tǒng)總的輸入、 輸出點(diǎn)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際設(shè)備的I/O點(diǎn)匯總，然后另加10%至

15、20%的備用量估算1.數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的確定一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)按鈕要占一個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)光電開(kāi)關(guān)要占一個(gè)輸入點(diǎn)；而對(duì)于選擇開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，一般有幾個(gè)位置就要占幾個(gè)輸入點(diǎn)；對(duì)各種位置開(kāi)關(guān)一般占一個(gè)或兩個(gè)輸入點(diǎn)；一個(gè)信號(hào)燈占一個(gè)輸出點(diǎn)。一般可用下式進(jìn)行估算：Dl!DO = K（X（aibl） + c式中,or do一一淘要估算的輸入或輸岀點(diǎn)數(shù)量：儀K一一備用量系數(shù)，一般取LU 之間；4叭一一單個(gè)系統(tǒng)類型券數(shù)。對(duì)于D1來(lái)說(shuō)，在單速可逆系統(tǒng)中，冬今冥操作點(diǎn)；在 單速不可逆系統(tǒng)中，住*操作點(diǎn)在多速（有級(jí)）可逆系統(tǒng)中，總嚴(yán)3乂操 作點(diǎn)遜攔位數(shù)丿在多速不可逆系統(tǒng)中，碼沬操作點(diǎn)T1度檔位數(shù)。而對(duì) 于DO來(lái)說(shuō)在單速可逆系統(tǒng)

16、中，口d在單速不可逆系統(tǒng)中，a;=b在 多速（有級(jí)）可逆系統(tǒng)中，碣=11度欄位數(shù)i在多速不可逆系統(tǒng)中，心 操作點(diǎn)電度珀位數(shù)i z一單個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)。對(duì)于DI來(lái)說(shuō)，如觸器輔助觸接點(diǎn)、限位幵關(guān)、故障信號(hào)等對(duì)于DO來(lái)說(shuō)如指示燈、接觸器等錄亡一其也點(diǎn)數(shù)，如系統(tǒng)集中的ffi鈕、報(bào)警等輸入輸出點(diǎn)；心N一一單個(gè)系統(tǒng)的總數(shù)* *2.模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的確定模擬量I/O點(diǎn)數(shù)的確定，一般應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定， 并預(yù)留出適當(dāng)?shù)膫溆命c(diǎn)即可。3. 存儲(chǔ)器容量的估算這里所說(shuō)的存儲(chǔ)器容量與用戶程序所需的內(nèi)存容量不同，前者指的是硬件存儲(chǔ)器容量，而后者指的是存儲(chǔ)器中為用戶開(kāi)放的部分。用戶程序所需的內(nèi)存容量只能做 粗略的估算，它與PL

17、C的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)成正比，此外，還受通信數(shù)據(jù)量、編程人 員水平等因素的影響。一般內(nèi)存容量估算經(jīng)驗(yàn)公式如下：-般內(nèi)存容量估算經(jīng)驗(yàn)公式如下：Xf =+ DO）C + AIC2 + AOC, + XCJ,式中，M內(nèi)存容量；心K、 備用量系數(shù)，一般取1.25-1.4B之間；aK. 一一程序員編程的熟練程度，一般取0好H5之間；卩DI一開(kāi)關(guān)量輸入總數(shù)*瘧DO一幵關(guān)量諭出總數(shù)；4A1一一模擬量輸入總數(shù)；A0-一模擬量輸入總數(shù).亠N一一通倍處理接口數(shù)；衛(wèi)G 幵關(guān)量輸入輸出內(nèi)存占有率，一般取1卜13左右；卜c2 一一模擬量輸入內(nèi)存占有率，一般取KXM納祕(mì)G 一模擬量輸出內(nèi)存占有率，一般K 200-250; *

18、C4 一一通信接口內(nèi)存占有率一般取200-250o4. 控制模塊的選擇確定了 PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)及存儲(chǔ)器的容量后，下一步進(jìn)行的是PLC模塊的選擇,主要包括CPU模塊，數(shù)字量和模擬量輸入/輸出模塊等；（1）對(duì)于CPU模塊選擇，一般要考慮到以下幾個(gè)問(wèn)題：1）通信端口類型2 ）運(yùn)算速度3 ）特殊功能（如高速計(jì)數(shù)等）4）存儲(chǔ)器（卡）容量5）對(duì)采樣周期、響應(yīng)速度的要求（2）在選擇擴(kuò)展模塊時(shí)，一般應(yīng)注意以下方面：1 ）模塊的電壓等級(jí)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與模塊間的距離來(lái)確定。當(dāng)外部線路較長(zhǎng)時(shí), 可選用交流220V電源；當(dāng)外部線路較短，且控制設(shè)備相對(duì)較集中時(shí)，可選用DC24V 電源。2）數(shù)字量輸出模塊的輸出類

19、型。數(shù)字量輸出有繼電器、晶閘管、晶體管三種形式。 在通斷不頻繁的場(chǎng)合應(yīng)該選用繼電器輸出；在通斷頻繁的場(chǎng)合，應(yīng)該選用晶閘管或 晶體管輸出，注意晶閘管只能用于交流負(fù)載，晶體管只能用于直流負(fù)載。3）模擬量信號(hào)類型。模擬量信號(hào)傳輸應(yīng)盡量采用電流型信號(hào)傳輸。因?yàn)殡妷毫啃盘?hào)極易引入干擾，一般電壓信號(hào)僅用于控制設(shè)備柜內(nèi)電位器的設(shè)置，或者距離較近、電磁環(huán)境好的場(chǎng)合。3控制柜設(shè)計(jì)在大多數(shù)系統(tǒng)中，都需要設(shè)計(jì)控制柜，它可以將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境與控制器隔離， 使系統(tǒng)可靠的運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)控制柜時(shí)應(yīng)考慮到下面幾個(gè)問(wèn)題：（1）尺寸大小。要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的安裝位置和空間，設(shè)計(jì)合適的尺寸大小。切忌在設(shè)計(jì) 完工之后才發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)不

20、能安裝。而在外觀方面沒(méi)什么太嚴(yán)格的要求，只要看得簡(jiǎn) 潔明了就好。（2）電路圖。在設(shè)計(jì)控制柜的電路圖時(shí)，一方面要考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，另一方 面要考慮到系統(tǒng)的安全性。（3）電源。在充分計(jì)算好系統(tǒng)所需的功率后，選擇合適的電源。并根據(jù)系統(tǒng)需要， 選擇是否需要電源的備份。（4） 緊急停止。緊急停止與正常的停止運(yùn)行有很大的不同，緊急停止主要從硬件的 方式上確保了系統(tǒng)在出問(wèn)題時(shí)的可靠和安全。（5）其他。對(duì)于接線方式、接地保護(hù)、接線排的余量等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)都要予以詳 細(xì)的考慮。4 I/O模塊原理圖設(shè)計(jì)I/O模塊原理圖是傳感器、執(zhí)行器與I/O模塊連接原理圖。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多查閱相 關(guān)的I/O模塊以及傳感器和執(zhí)行

21、器的手冊(cè)資料，對(duì)其連接的方式應(yīng)予以充分的了解。 這樣在設(shè)計(jì)時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。同時(shí)還應(yīng)考慮到裕量問(wèn)題，即留出一部分I/O端口作備用，以便以后維修或者擴(kuò)展之用。1.5 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1控制軟件設(shè)計(jì)控制軟件是整個(gè)控制系統(tǒng)的“思想”。經(jīng)過(guò)工程師們漫長(zhǎng)的摸索，總結(jié)出許多有用 的開(kāi)發(fā)方法。下面就其設(shè)計(jì)原則和流程進(jìn)行探討。1. 設(shè)計(jì)原則控制軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：（1）正確性。首先要保證能夠完成用戶所要求的各項(xiàng)功能，確保程序不會(huì)出現(xiàn)人為 的錯(cuò)誤（2）可靠性。在滿足正確性的同時(shí)，也不可忽視。在設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)置事故報(bào)警、聯(lián)鎖 保護(hù)等。還要對(duì)不同的工作設(shè)備和不同的工作狀態(tài)做互鎖設(shè)計(jì)，以防止用戶的誤操

22、作；在有信號(hào)干擾的系統(tǒng)中，程序設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮濾波和校正功能，以消除干擾的影 響。（3）可調(diào)整性。程序設(shè)計(jì)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)方式。要借鑒軟件工程中的“高內(nèi)聚， 低耦合”的思想。這樣，即便是程序出現(xiàn)了問(wèn)題，或用戶想另增加功能時(shí)，能夠很 容易的對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。（4）可讀性強(qiáng)。在系統(tǒng)維護(hù)和技術(shù)改造時(shí)，一般都要在原始程序的基礎(chǔ)上改造。所 以要求在編寫(xiě)程序時(shí)，應(yīng)力求語(yǔ)句簡(jiǎn)單、條件清楚、可讀性強(qiáng)，以便系統(tǒng)的改進(jìn)和 移植。2. 設(shè)計(jì)流程控制軟件設(shè)計(jì)流程可大體上遵照?qǐng)D1-3。2監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)一個(gè)很好的監(jiān)控系統(tǒng)能夠使操作員更加輕松、方便和安全。監(jiān)控軟件的發(fā)展也非常 迅速，不僅功能強(qiáng)大，而且開(kāi)發(fā)周期明顯縮短，節(jié)省了開(kāi)發(fā)的成

23、本。一般來(lái)說(shuō)，監(jiān) 控軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：（1）工藝流程界面。針對(duì)系統(tǒng)的總體流程，給操作員一個(gè)直觀的操作環(huán)境，同時(shí)對(duì) 系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)也能實(shí)時(shí)的顯示。（2） 操作控制界面。操作員可能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)車(chē)、停車(chē)、手動(dòng)/自動(dòng)等一系列的操 作，通過(guò)此界面可以很容易的操作。（3）趨勢(shì)曲線界面。在過(guò)程控制中，許多過(guò)程變量的變化趨勢(shì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行起著重 要的影響，因此趨勢(shì)曲線在過(guò)程控制中尤為重要（4）歷史數(shù)據(jù)歸檔。為了方便用戶查找以往的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)， 需要將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) 進(jìn)行歸檔保存。（5）報(bào)警信息提示。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)會(huì)以非常明顯的方式來(lái)告訴操作員，同時(shí) 對(duì)報(bào)警的信息也進(jìn)行歸檔。（6）相關(guān)參數(shù)

24、設(shè)置。有些系統(tǒng)隨著時(shí)間的運(yùn)行，會(huì)一些參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，操作員可 根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行一些調(diào)整。輕松掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（三）2016-07-27工控論壇本篇文章能讓讀者了解PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和一般流程；理解控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法和調(diào)試方法；掌握硬件系統(tǒng)選型的方法。由于內(nèi)容較多，我們分為三個(gè)片斷。這是最后一個(gè)片段，重點(diǎn)講述可靠性、冗余、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。1.6 PLC控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)1環(huán)境技術(shù)條件設(shè)計(jì)1. 可編程控制器的環(huán)境適應(yīng)性由于可編程控制器是直接用于工業(yè)控制的工業(yè)控制器， 生產(chǎn)廠家都把它設(shè)計(jì) 成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠地工作。 盡管如此，每種控制器都有自己的環(huán)境技 術(shù)條件，

25、用戶在選用時(shí)，特別是在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，對(duì)環(huán)境條件要給予充分的考 慮。一般可編程控制器及其外部電路（I/O模塊、輔助電源等）都能在下列環(huán)境 條件下可靠地工作：溫度工作溫度 0-55 C,最高為60 C保存溫度 -40 C - +85 C振動(dòng)和沖擊 滿足國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)電源AC200V允許變化范圍 -15% +15%,頻率47-53 Hz 瞬間停電保持 10 ms環(huán)境周?chē)諝獠荒芑煊锌扇夹浴⒈ㄐ院透g性氣體2. 環(huán)境條件對(duì)可編程控制器的影響（1）溫度的影響可編程控制器及其外部電路都是由半導(dǎo)體集成電路（簡(jiǎn)稱IC）、晶體管和電阻、電容等元器件構(gòu)成的，溫度的變化將直接影響這些元器件的可靠性和壽命。溫

26、度高時(shí)容易產(chǎn)生下列問(wèn)題：IC、晶體管等半導(dǎo)體器件性能惡化，故障率增 加和壽命降低；電容器件等漏電流增大，故障率增大，壽命降低；模擬回路的漂 移變大，精度降低等。如果溫度偏低，除模擬回路精度降低外，回路的安全系數(shù) 變小，超低溫時(shí)可能引起控制系統(tǒng)的動(dòng)作不正常。特別是溫度的急劇變化（高低 溫沖擊）時(shí)，由于電子器件熱脹冷縮，更容易引起電子器件的惡化和溫度特性變 壞。（2）濕度的影響在濕度大的環(huán)境中，水分容易通過(guò)模塊上 IC的金屬表面缺陷浸入內(nèi)部，引 起內(nèi)部元件的惡化，印刷板可能由于高壓或高浪涌電壓而引起短路。在極干燥的環(huán)境下，絕緣物體上可能帶靜電，特別是MOS集成電路，由于 輸入阻抗高，可能由于靜電感

27、應(yīng)而損壞控制器不運(yùn)行時(shí)，由于溫度、濕度的急驟變化可能引起結(jié)露。結(jié)露后會(huì)使絕緣電阻大大降低，由于高壓的泄漏，可使金屬表面生銹。特別是AC220V、AC110V的輸入/輸出模塊，由于絕緣的惡化可能產(chǎn)生預(yù)想不到的事故。（3）振動(dòng)和沖擊的影響一般可編程控制器能耐的振動(dòng)和沖擊頻率為1055Hz，振幅為0.5mm，加速度為2g，沖擊為10g （g=10m/s 2）。超過(guò)這個(gè)極限時(shí)，可能會(huì)引起電磁閥 或斷路器誤動(dòng)作，機(jī)械結(jié)構(gòu)松動(dòng)，電氣部件疲勞損壞，以及連接器的接觸不良等 后果。（4 ）周?chē)諝獾挠绊懼車(chē)諝庵胁荒芑煊袎m埃、導(dǎo)電性粉末、腐蝕性氣體、水分、油份、油霧、 有機(jī)溶劑和鹽分等，否則會(huì)引起下列不良反應(yīng)：

28、塵埃可引起接觸部分的接觸不良， 或使濾波器的網(wǎng)眼堵住，使盤(pán)內(nèi)溫度升高；導(dǎo)電性粉末可引起誤動(dòng)作，絕緣性能 變差和短路等，油和油霧可能會(huì)引起接觸不良和腐蝕塑料； 腐蝕性氣體和鹽分可 能會(huì)引起印刷板的底板或引線腐蝕，造成繼電器或開(kāi)關(guān)類的可動(dòng)部件接觸不良。3. 改善環(huán)境設(shè)計(jì)由上面的介紹可知，環(huán)境條件對(duì)可編程控制器的控制系統(tǒng)可靠性影響很大， 為此必須針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合采取相應(yīng)的改善環(huán)境措施。這里介紹幾種常用、可行 的有效措施。（1）高溫對(duì)策如果控制系統(tǒng)的周?chē)h(huán)境溫度超過(guò)極限溫度（60 C）,必須采取下面的有效 措施。1）盤(pán)、柜內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇或冷風(fēng)機(jī)，通過(guò)濾波器把自然風(fēng)引入盤(pán)、柜內(nèi)。由于 風(fēng)扇的壽命不那么長(zhǎng)，故

29、必須和濾波器一起定期檢修。注意冷風(fēng)機(jī)不能結(jié)露。2）把控制系統(tǒng)置于有空調(diào)的控制室內(nèi)，不能直接放在日光下。3）控制器的安裝都應(yīng)考慮通風(fēng)，控制器的上下都要如圖1-4所示的那樣留有50mm的距離，I/O模塊配線時(shí)要使用導(dǎo)線槽，以免妨礙通風(fēng)。EEC/!.EEOS圖1胡風(fēng)路說(shuō)計(jì)圖1-4 風(fēng)路設(shè)計(jì)4）安裝時(shí)要把發(fā)熱體（如電阻器或電磁接觸器等）遠(yuǎn)離控制器，或者把控 制器安裝在發(fā)熱體的下面。（2）低溫對(duì)策1）盤(pán)、柜內(nèi)設(shè)置加熱器，冬季時(shí)這種加熱器特別有效，可使盤(pán)、柜內(nèi)溫度保持在0C以上或者10C左右。設(shè)置加熱器時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?，以?能在高溫時(shí)自動(dòng)切斷加熱器電源，低溫時(shí)自動(dòng)接通電源2）停運(yùn)時(shí)，不切斷控制器

30、和I/O模塊電源，靠其本身的發(fā)熱量使周?chē)鷾囟?升咼，特別是在夜間低溫時(shí)，這種措施是有效的。3）在溫度急驟變化的場(chǎng)合，不要打開(kāi)盤(pán)、柜的門(mén)，以防冷空氣進(jìn)入。（3）濕度不宜對(duì)策1）盤(pán)、柜設(shè)計(jì)成密封型，并放入吸濕劑。2）把外部干燥的空氣引入盤(pán)、柜內(nèi)。3）印刷板上再覆蓋一層保護(hù)層，如噴松香水等。4）在濕度低、干燥的場(chǎng)合進(jìn)行檢修時(shí)，人體盡量不接觸模塊，以防感應(yīng)電 損壞器件。（4）防振和防沖擊措施1）如果振動(dòng)源來(lái)自盤(pán)、柜之外，可對(duì)相應(yīng)的盤(pán)、柜采用防振橡皮，以達(dá)到 減振目的。同時(shí)亦可把盤(pán)柜設(shè)置在遠(yuǎn)離振源的地方，或者使盤(pán)柜與振源共振。2）如果振動(dòng)來(lái)自盤(pán)、柜內(nèi)，則要把產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊的設(shè)備從盤(pán)、 柜內(nèi)移走, 或單獨(dú)

31、設(shè)置盤(pán)、柜。3）強(qiáng)固控制器或I/O模塊印刷板、連接器等可能產(chǎn)生松動(dòng)的部分或器件， 連接線亦要固定緊。（5）防周?chē)h(huán)境部清潔的措施如果周?chē)h(huán)境空氣不清潔，可采取下面相應(yīng)措施：1）盤(pán)、柜采用密封型結(jié)構(gòu)2）盤(pán)、柜內(nèi)打入高壓清潔空氣，使外界不清潔空氣不能進(jìn)入盤(pán)柜內(nèi)部3）印刷板表面涂一層保護(hù)層，如松香水等。所有上述措施都不能保證絕對(duì)有效，有時(shí)根據(jù)需要可采用綜合防護(hù)措施。2控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)使用可編程控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)時(shí)，雖說(shuō)控制器的可靠性或安全性高，然而 無(wú)論使用什么樣的硬件，故障總是難免的，特別是控制器，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)它是一個(gè) 黑箱子，一旦出現(xiàn)故障，用戶一點(diǎn)辦法都沒(méi)有。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須充 分考慮

32、可靠性和安全性。1. 環(huán)境條件富余改善環(huán)境條件設(shè)計(jì)的目的在于使用控制器工作在合適的環(huán)境中，且使環(huán)境條件有一定富余量。如溫度，雖然控制器能在 60 C高溫下工作，但為了保證可靠 性，環(huán)境溫度最好控制在40 C以下，即留有三分之一以上的富余量，其他環(huán)境 條件也是如此，最好留有三分之一以上的富余量。2. 控制器的并行運(yùn)行用兩臺(tái)控制內(nèi)容完全相同的控制器，輸入/輸出也分別連接到兩臺(tái)控制器， 當(dāng)某一臺(tái)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，可切換到另一臺(tái)控制器繼續(xù)運(yùn)行。圖1-5所示是具體實(shí)現(xiàn)方法。圖示是外部硬接線，所有輸入 /輸出都與兩臺(tái) 控制器連接，當(dāng)某一臺(tái)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，由主控制器或人為切換到另一臺(tái)控制器，使其繼續(xù)執(zhí)行控

33、制任務(wù)。當(dāng)1號(hào)機(jī)的10.0閉合，1號(hào)機(jī)執(zhí)行控制任務(wù)，當(dāng)2 號(hào)機(jī)的I0.0閉合時(shí)，由2號(hào)機(jī)執(zhí)行控制任務(wù)。圖L5控制器并列運(yùn)行圖1-5控制器并列運(yùn)行控制器并列運(yùn)行方案僅適用于小規(guī)模的控制系統(tǒng)，輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)比較少， 布線容易。對(duì)大規(guī)模的控制系統(tǒng)，由于I/O點(diǎn)數(shù)多，電纜配線變得復(fù)雜，同時(shí)控 制系統(tǒng)成本相應(yīng)增加（幾乎是成倍增加），這就限制了它的應(yīng)用。3. 雙機(jī)雙工熱后備控制系統(tǒng)雙機(jī)雙工熱后備控制系統(tǒng)僅限于控制器的冗余，I/O通道僅能做到同軸電纜 的冗余，不可能把所有I/O點(diǎn)都冗余，只有在那些不惜成本的場(chǎng)合才考慮全部系 統(tǒng)冗余。4. 與繼電器控制盤(pán)并用在老系統(tǒng)改造的場(chǎng)合，原有的繼電器控制盤(pán)最好不要拆掉

34、，應(yīng)保留其原來(lái)的 功能，以便作為控制系統(tǒng)的后備手段使用。對(duì)于新建項(xiàng)目，最好不要采用此方案。 因?yàn)樾∫?guī)模控制系統(tǒng)中的控制器造價(jià)可做到和繼電器控制盤(pán)相當(dāng)，因此以采用控 制器并列運(yùn)行方案為好。對(duì)于中大規(guī)模的控制系統(tǒng)，由于繼電器控制盤(pán)比較復(fù)雜, 較費(fèi)電纜線和工時(shí)，還不如采用控制器可靠，這時(shí)采用雙機(jī)雙工熱后備控制系統(tǒng) 方案為好。5. 手動(dòng)運(yùn)行如圖1-6所示，將手操開(kāi)關(guān)與輸出信號(hào)線連接，當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，由手 操開(kāi)關(guān)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，仍能使系統(tǒng)運(yùn)行。PLC圖1-6手動(dòng)運(yùn)行手操運(yùn)行不能作為控制系統(tǒng)的主要運(yùn)行方式，只能在設(shè)備調(diào)試時(shí)用，或作為 臨時(shí)后備用。這是因?yàn)槭植龠\(yùn)行時(shí)沒(méi)有系統(tǒng)聯(lián)鎖信號(hào)，不符合系統(tǒng)安全運(yùn)行規(guī)程。3控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)直接影響控制系統(tǒng)的可靠性，因此在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮 下列因素：(1) 輸入電源電壓允許在一定得范圍內(nèi)變化。(2) 當(dāng)輸入交流電斷電時(shí)，應(yīng)不破壞控制器程序和數(shù)據(jù)。(3) 在控制系統(tǒng)部允許斷電的場(chǎng)合，要考慮供電