PLC系统方案设计

/PLC限制系统设计原则好用性好用性是限制系统设计的基本原则。工程师在探讨被控对象的同时，还要了解限制系统的运用环境，使得所设计的限制系统能够满意用户全部的要求。硬件上要尽量的小巧敏捷，软件上应简洁、便利。牢靠性牢靠性是限制系统极其重要的原则。对于一些可能会产生危急的系统，必须要保证限制系统能够长期稳定、平安、牢靠的运行，即使限制系统本身出现问题，至少能够保证不会出现人员和财产的重大损失。在系统规划初期，应充分考虑系统可能出现的问题，提出不同的设计方案，选择一种特别牢靠且较简洁实施的方案；在硬件设计时，应依据设备的重要程度，考虑适当的备份或冗余；在软件设计时，应实行相应的爱护措施，在经过反复测试确保无大的疏漏之后方可联机调试运行。经济性这要求工程师在满意好用性和牢靠性的前提下，应尽量使系统的软、硬件配置经济、实惠，切勿盲目追求新技术、高性能。硬件选型时应以经济、合用为准；软件应当在开发周期和产品功能之间作相应的平衡。还要考虑所运用的产品是否可以获得完备的技术资料和售后服务，以削减开发成本。可扩展性这要求工程师，在系统总体规划时，应充分考虑到用户今后生产发展和工艺改进的须要，在限制器计算实力和I/O端口数量上应当留有适当的裕量，同时对外要留有扩展的接口，以便系统扩展和监控的须要。先进性这要求工程师在硬件设计时，优先选用技术先进，应用成熟广泛的产品组成限制系统，保证系统在肯定时间内具有先进性，不致被市场淘汰。此原则和经济性共同考虑，使限制系统具有较高的性价比。PLC限制系统设计流程设计限制系统时应遵循肯定的设计流程，驾驭设计流程，可以增加限制系统的设计效率和正确性。PLC限制系统的一般设计流程如图1-1所示：被控对象的分析和描述分析被控对象就是要具体分析被控对象的工艺流程，了解其工作特性。此阶段肯定要和用户进行深化的沟通，确保分析的全面而精确。在限制系统设计时，往往须要达到一些特定的指标和要求，即满意实际应用或是客户需求。在分析被控对象时，必需考虑这些指标和要求。在全面的分析之后，就须要依据肯定的原则，精确地用工程化的方法描述被控对象，为限制系统设计打好基础。系统规模依据被控对象的工艺流程、困难程度和客户的技术要求确定系统的规模，可以分为大、中、小三种规模。确保硬件资源有肯定裕量而不奢侈。小规模限制系统适用于单机或小规模生产过程，以依次限制为主，信号多为开关量，且I/O点数较少（低于128点），精度和响应时间要求不高。一般选用S7-200就可达到限制要求中等规模限制系统适用于困难逻辑和闭环限制的生产过程，I/O点数较多（128点到512点之间），须要完成某些特殊功能，如PID限制等。一般选用S7-300等。大规模限制系统适用于大规模过程限制、DCS系统和工厂自动化网络限制，I/O点数较多（高于512点），被控对象的工艺过程较困难，对于精度和响应时间要求较高。应选用具有智能限制、高速通信、数据库、函数运算等功能的高档PLC，如S7-400等。硬件配置依据系统规模和客户的技术对限制系统I/O点数进行估算。分析被控对象工艺过程，统计系统I/O点数和I/O类型。依据设备和生产区域的不同进行划分，明确各个I/O点的位置和功能。再加上10%～20%的备用量列出具体的I/O点清单。软件配置依据限制系统设计要求选择适合的软件，包括系统平台软件、编程软件。上位机监控软件的选择。首先需考虑监控的点数限制；是否有报警显示、趋势分析、报表打印以及历史记录功能。限制功能要正确的进行限制系统的规模选择，首先要了解各家限制器的特性，比如性能参数、应用场合、行业解决方案，以及牢靠性和通用性等。如何选择一个限制系统，一般遵循以下几点：限制系统是否须要冗余、I/O信号模块是否须要冗余、通讯是否须要冗余。限制点数有多少，包括数字量输入和输出点数、模拟量输入和输出点数。被控对象工艺是否困难，是否须要实现特殊功能，比如防喘限制等。系统正常运行时，限制器的负载率是否有足够的工作裕量；I/O信号点是否须要肯定的余量。针对数字信号，是否须要继电器隔离；考虑输入信号的电压和电流等级；输出信号是否须要固态继电器输出。针对模拟量信号，是否须要平安隔离栅；信号的类型，电压型还是电流型；电压和电流的测量范围。不一样的信号类型，须要选择不一样的I/O信号模块。用于温度测量的信号模块，考虑是热电阻还是热电偶。信号模块是否须要在线带电插拔更换。假如须要，还需考虑附加特殊的背板插槽。当系统和外部出现故障时，比如信号短路或断路，这时信号模块是否须要将输入输出信号自动切换到预先设置的平安值。如有要求，需考虑选用故障平安型的限制器和信号模块。当须要和第三方设备通讯时，需考虑通讯距离的长短，以及相应的通讯接口协议等，选用不同的通讯模块。针对系统中的重要连锁信号，是否须要特殊的SOE模块，来记录信号变更的时间先后依次。熟识被控对象是设计限制系统的基础。只有深化了解被控对象以及被控过程，才能够提出合理科学的限制方案。1）分析被控对象。具体分析被控对象的工艺流程，了解其工作特性。此阶段肯定要和用户进行深化的沟通，确保分析得全面而精确。2）画出工艺流程图。经过第一步，应对被控对象的整个工艺流程有了深化的了解，为了更直观、简洁的表示，画出工艺流程图，为后面的系统设计做打算。分析并明确限制任务。依据已经做好的工艺流程图，工程师可以把用户提出的限制要求转换为专业术语，对其逐一进行分解，并从限制的角度将其中的要求转化为多个限制回路。对于过程限制系统可用P&ID图来表示其中的限制关系。PLC限制系统总体设计在限制系统设计之前，须要对系统的方案进行论证。主要是对整个系统的可行性作一个预料性的估计。在此阶段肯定要全面地考虑到设计和实施此系统将会遇到的各种问题。假如没有做过相关项目的阅历，应当在实地细致考察，并具体地论证设计此系统中的每一个步骤的可行性。特殊是在硬件实施阶段中，稍有不慎，就会造成很大的麻烦，轻则系统不胜利，重则会造成严峻的人员和财产的损失。工程实施的过程中的阻碍，往往都是由于这一步没有做足工夫而导致的。系统的总体设计关系到整个系统的总体构架，每个细微环节都必需经过反复斟酌。首先要能够满意用户提出的基本要求；其次是确保系统的牢靠性，不行以常常出现故障，就算出现故障也不会造成大的损失；然后在经济性等方面予以考虑。一般来说，在系统总体设计时，须要考虑下面几个问题：（1）确定系统是用PLC单机限制，还是PLC联网限制；确定系统是采纳远程I/O还是本地I/O。主要依据系统的大小及用户要求的功能来选择。对于一般的中小型过程限制系统来说，PLC单机限制已基本能够满意功能要求。但也可借鉴集散限制系统的理念，即将危急和限制分散，管理和监控集中。这样可以大大提高系统的牢靠性。（2）是否须要和其它部分通信。一个完整的限制系统，至少会包括三个部分：限制器、被控对象和监控系统。所以对于限制器来说，至少要跟监控系统之间进行通讯。至于是否跟另外的限制单元或部门通讯要依据用户的要求来确定。一般来说，假如用户没有要求，也都会留有这样的通讯接口。（3）采纳何种通信方式。一般来说，在现场限制层级用PROFIBUSDP；而从现场限制层级到监控系统的通讯用PROFINET。但有时候也可相互通用，依据具体状况选择合适的通信方式。（4）是否须要冗余备份系统。依据系统的所要求的平安等级，选择不同的方法。在数据归档时，为了让归档数据不丢失，可以运用OS服务器冗余；在自动化站（AutomationStation，AS），为了使系统不会因故障而导致停机或不行预知的结果，可以运用限制器冗余备份系统。选择适当的冗余备份，可以使系统的牢靠性得到大幅提高。在进行限制系统选型之前，首先考虑系统的网络结构是怎样搭建的，网络结构示意图如图1-2所示。确定系统的操作站、过程限制站的数目和位置，相互之间是怎样连接的。是否须要工业以太网交换机。一般状况下，现场限制室和主限制室和电气限制柜分别安放在两个地方，且距离较远，为保证信号的稳定牢靠，会考虑用光缆来连接各自的交换机。同时，为了通讯线路的冗余，会考虑选用带荣誉管理功能的工业以太网交换机，将现场操作站和过程限制站组成一个光纤环网。这样，即使有一个方向的通讯断开，也可通过另一个方向接着通讯。对于过程限制站和现场信号之间的连接，传统的连接方式是将现场信号干脆通过硬件连接到过程限制站上。这样假如距离太远，信号传输会有损耗，尤其是模拟量信号。且当信号点很多时，布线也较困难，奢侈材料。所以，一般需在现场安装分布式I/O从站（假如现场为危急区，需选用本质平安型的分布式I/O从站），将现场信号干脆连接到I/O从站上，在通过现场总线的方式将信号传送到过程控

PLC限制系统硬件设计

传感器和执行器的确定

1、传感器的确定

传感器相当于整个系统的“眼睛”，它的确定对系统有着至关重要的影响。一般来说，选择一个传感器时，应留意下面几个问题：①测量范围；②测量精度；③牢靠性；④接口类型。

2、执行器的确定

执行器相当于整个系统的“手臂”，其重要性不言而喻。和选择传感器相对应，在选择执行器时，应考虑到下面几个问题：①输出范围；②输出精度；③牢靠性；④接口类型。

PLC限制系统模块的选择

在硬件设计中，对输入、输出点进行估算是一个重要的工作，限制系统总的输入、输出点数可以依据实际设备的I/O点汇总，然后另加10%至20%的备用量估算。

1、

数字量I/O点数的确定

一般来说，一个按钮要占一个输入点；一个光电开关要占一个输入点；而对于选择开关来说，一般有几个位置就要占几个输入点；对各种位置开关一般占一个或两个输入点；一个信号灯占一个输出点。一般可用下式进行估算：

2、

模拟量I/O点数的确定

模拟量I/O点数的确定，一般应依据实际须要来确定，并预留出适当的备用点即可。

3、

存储器容量的估算

这里所说的存储器容量和用户程序所需的内存容量不同，前者指的是硬件存储器容量，而后者指的是存储器中为用户开放的部分。用户程序所需的内存容量只能做粗略的估算，它和PLC的输入/输出点数成正比，此外，还受通信数据量、编程人员水同等因素的影响。一般内存容量估算阅历公式如下：

4、

限制模块的选择

确定了PLC的输入/输出点数及存储器的容量后，下一步进行的是PLC模块的选择，主要包括CPU模块，数字量和模拟量输入/输出模块等；

（1）对于CPU模块选择，一般要考虑到以下几个问题：

1）通信端口类型

2）运算速度

3）特殊功能（如高速计数等）

4）存储器（卡）容量

5）对采样周期、响应速度的要求

（2）在选择扩展模块时，一般应留意以下方面：

1）模块的电压等级。可依据现场设备和模块间的距离来确定。当外部线路较长时，可选用沟通220V电源；当外部线路较短，且限制设备相对较集中时，可选用DC24V电源。

2）数字量输出模块的输出类型。数字量输出有继电器、晶闸管、晶体管三种形式。在通断不常见的场合应当选用继电器输出；在通断常见的场合，应当选用晶闸管或晶体管输出，留意晶闸管只能用于沟通负载，晶体管只能用于直流负载。

3）模拟量信号类型。模拟量信号传输应尽量采纳电流型信号传输。因为电压量信号极易引入干扰，一般电压信号仅用于限制设备柜内电位器的设置，或者距离较近、电磁环境好的场合。

限制柜设计

在大多数系统中，都须要设计限制柜，它可以将工业现场的恶劣环境和限制器隔离，使系统牢靠的运行。一般来说，设计限制柜时应考虑到下面几个问题：

（1）尺寸大小。要依据现场的安装位置和空间，设计合适的尺寸大小。切忌在设计完工之后才发觉在现场不能安装。而在外观方面没什么太严格的要求，只要看得简洁明白就好。

（2）电路图。在设计限制柜的电路图时，一方面要考虑到工业现场的环境，另一方面要考虑到系统的平安性。

（3）电源。在充分计算好系统所需的功率后，选择合适的电源。并依据系统须要，选择是否须要电源的备份。

（4）紧急停止。紧急停止和正常的停止运行有很大的不同，紧急停止主要从硬件的方式上确保了系统在出问题时的牢靠和平安。

（5）其他。对于接线方式、接地爱护、接线排的余量等问题，在设计时都要予以具体的考虑。

I/O模块原理图设计

I/O模块原理图是传感器、执行器和I/O模块连接原理图。在设计时，应多查阅相关的I/O模块以及传感器和执行器的手册资料，对其连接的方式应予以充分的了解。这样在设计时才不会出现问题。同时还应考虑到裕量问题，即留出一部分I/O端口作备用，以便以后修理或者扩展之用。

PLC限制系统软件设计

限制软件设计

限制软件是整个限制系统的“思想”。经过工程师们漫长的摸索，总结出很多有用的开发方法。下面就其设计原则和流程进行探讨。

1、

设计原则

限制软件的设计应当遵循以下几个原则：

（1）正确性。首先要保证能够完成用户所要求的各项功能，确保程序不会出现人为的错误。

（2）牢靠性。在满意正确性的同时，也不行忽视。在设计时要设置事故报警、联锁爱护等。还要对不同的工作设备和不同的工作状态做互锁设计，以防止用户的误操作；在有信号干扰的系统中，程序设计还应考虑滤波和校正功能，以消退干扰的影响。

（3）可调整性。程序设计