PLC系统方案设计

PLC控制系统设计原则实用性实用性是控制系统设计的基本原则。工程师在研究被控对象的同时，还要理解控制系统的使用环境，使得所设计的控制系统能够满足顾客全部的规定。硬件上要尽量的小巧灵活，软件上应简洁、方便。可靠性可靠性是控制系统极其重要的原则。对于某些可能会产生危险的系统，必须要确保控制系统能够长久稳定、安全、可靠的运行，即使控制系统本身出现问题，起码能够确保不会出现人员和财产的重大损失。在系统规划早期，应充足考虑系统可能出现的问题，提出不同的设计方案，选择一种非常可靠且较容易实施的方案；在硬件设计时，应根据设备的重要程度，考虑适宜的备份或冗余；在软件设计时，应采用对应的保护方法，在通过重复测试确保无大的疏漏之后方可联机调试运行。经济性这规定工程师在满足实用性和可靠性的前提下，应尽量使系统的软、硬件配备经济、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与产品功效之间作对应的平衡。还要考虑所使用的产品与否能够获得完备的技术资料和售后服务，以减少开发成本。可扩展性这规定工程师，在系统总体规划时，应充足考虑到顾客此后生产发展和工艺改善的需要，在控制器计算能力和I/O端口数量上应当留有适宜的裕量，同时对外要留有扩展的接口，方便系统扩展和监控的需要。先进性这规定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构成控制系统，确保系统在一定时间内含有先进性，不致被市场裁减。此原则与经济性共同考虑，使控制系统含有较高的性价比。PLC控制系统设计流程设计控制系统时应遵照一定的设计流程，掌握设计流程，能够增加控制系统的设计效率和对的性。PLC控制系统的普通设计流程如图1-1所示：被控对象的分析与描述分析被控对象就是要具体分析被控对象的工艺流程，理解其工作特性。此阶段一定要与顾客进行进一步的沟通，确保分析的全方面而精确。在控制系统设计时，往往需要达成某些特定的指标和规定，即满足实际应用或是客户需求。在分析被控对象时，必须考虑这些指标和规定。在全方面的分析之后，就需要按照一定的原则，精确地用工程化的办法描述被控对象，为控制系统设计打好基础。系统规模根据被控对象的工艺流程、复杂程度和客户的技术规定拟定系统的规模，能够分为大、中、小三种规模。确保硬件资源有一定裕量而不浪费。小规模控制系统合用于单机或小规模生产过程，以次序控制为主，信号多为开关量，且I/O点数较少（低于128点），精度和响应时间规定不高。普通选用S7-200就可达成控制规定中档规模控制系统合用于复杂逻辑和闭环控制的生产过程，I/O点数较多（128点到512点之间），需要完毕某些特殊功效，如PID控制等。普通选用S7-300等。大规模控制系统合用于大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数较多（高于512点），被控对象的工艺过程较复杂，对于精度和响应时间规定较高。应选用品有智能控制、高速通信、数据库、函数运算等功效的高档PLC，如S7-400等。硬件配备根据系统规模和客户的技术对控制系统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。按照设备和生产区域的不同进行划分，明确各个I/O点的位置和功效。再加上10%～20%的备用量列出具体的I/O点清单。软件配备根据控制系统设计规定选择适合的软件，涉及系统平台软件、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；与否有报警显示、趋势分析、报表打印以及历史统计功效。控制功效要对的的进行控制系统的规模选择，首先要理解各家控制器的特性，例如性能参数、应用场合、行业解决方案，以及可靠性和通用性等。如何选择一种控制系统，普通遵照下列几点：控制系统与否需要冗余、I/O信号模块与否需要冗余、通讯与否需要冗余。控制点数有多少，涉及数字量输入和输出点数、模拟量输入和输出点数。被控对象工艺与否复杂，与否需要实现特殊功效，例如防喘控制等。系统正常运行时，控制器的负载率与否有足够的工作裕量；I/O信号点与否需要一定的余量。针对数字信号，与否需要继电器隔离；考虑输入信号的电压和电流等级；输出信号与否需要固态继电器输出。针对模拟量信号，与否需要安全隔离栅；信号的类型，电压型还是电流型；电压和电流的测量范畴。不同的信号类型，需要选择不同的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。信号模块与否需要在线带电插拔更换。如果需要，还需考虑附加特殊的背板插槽。当系统和外部出现故障时，例如信号短路或断路，这时信号模块与否需要将输入输出信号自动切换到预先设立的安全值。如有规定，需考虑选用故障安全型的控制器和信号模块。当需要和第三方设备通讯时，需考虑通讯距离的长短，以及对应的通讯接口合同等，选用不同的通讯模块。针对系统中的重要连锁信号，与否需要特殊的SOE模块，来统计信号变化的时间先后次序。熟悉被控对象是设计控制系统的基础。只有进一步理解被控对象以及被控过程，才干够提出合理科学的控制方案。1）分析被控对象。具体分析被控对象的工艺流程，理解其工作特性。此阶段一定要与顾客进行进一步的沟通，确保分析得全方面而精确。2）画出工艺流程图。通过第一步，应对被控对象的整个工艺流程有了进一步的理解，为了更直观、简洁的表达，画出工艺流程图，为背面的系统设计做准备。分析并明确控制任务。根据已经做好的工艺流程图，工程师能够把顾客提出的控制规定转换为专业术语，对其逐个进行分解，并从控制的角度将其中的规定转化为多个控制回路。对于过程控制系统可用P&ID图来表达其中的控制关系。PLC控制系统总体设计在控制系统设计之前，需要对系统的方案进行论证。重要是对整个系统的可行性作一种预测性的预计。在此阶段一定要全方面地考虑到设计和实施此系统将会碰到的多个问题。如果没有做过有关项目的经验，应当在实地认真考察，并具体地论证设计此系统中的每一种环节的可行性。特别是在硬件实施阶段中，稍有不慎，就会造成很大的麻烦，轻则系统不成功，重则会造成严重的人员和财产的损失。工程实施的过程中的妨碍，往往都是由于这一步没有做足工夫而造成的。系统的总体设计关系到整个系统的总体构架，每个细节都必须通过重复斟酌。首先要能够满足顾客提出的基本规定；另首先是确保系统的可靠性，不能够经常出现故障，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。普通来说，在系统总体设计时，需要考虑下面几个问题：（1）拟定系统是用PLC单机控制，还是PLC联网控制；拟定系统是采用远程I/O还是本地I/O。重要根据系统的大小及顾客规定的功效来选择。对于普通的中小型过程控制系统来说，PLC单机控制已基本能够满足功效规定。但也可借鉴集散控制系统的理念，即将危险和控制分散，管理与监控集中。这样能够大大提高系统的可靠性。（2）与否需要与其它部分通信。一种完整的控制系统，最少会涉及三个部分：控制器、被控对象和监控系统。因此对于控制器来说，最少要跟监控系统之间进行通讯。至于与否跟另外的控制单元或部门通讯要根据顾客的规定来决定。普通来说，如果顾客没有规定，也都会留有这样的通讯接口。（3）采用何种通信方式。普通来说，在现场控制层级用PROFIBUSDP；而从现场控制层级到监控系统的通讯用PROFINET。但有时候也可互相通用，根据具体状况选择适宜的通信方式。（4）与否需要冗余备份系统。根据系统的所规定的安全等级，选择不同的方法。在数据归档时，为了让归档数据不丢失，能够使用OS服务器冗余；在自动化站（AutomationStation，AS），为了使系统不会因故障而造成停机或不可预知的成果，能够使用控制器冗余备份系统。选择适宜的冗余备份，能够使系统的可靠性得到大幅提高。在进行控制系统选型之前，首先考虑系统的网络构造是如何搭建的，网络构造示意图如图1-2所示。拟定系统的操作站、过程控制站的数目和位置，互相之间是如何连接的。与否需要工业以太网交换机。普通状况下，现场控制室和主控制室与电气控制柜分别安放在两个地方，且距离较远，为确保信号的稳定可靠，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效的工业以太网交换机，将现场操作站和过程控制站构成一种光纤环网。这样，即使有一种方向的通讯断开，也可通过另一种方向继续通讯。对于过程控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直接通过硬件连接到过程控制站上。这样如果距离太远，信号传输会有损耗，特别是模拟量信号。且当信号点诸多时，布线也较复杂，浪费材料。因此，普通需在现场安装分布式I/O从站（如果现场为危险区，需选用本质安全型的分布式I/O从站），将现场信号直接连接到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控制系统硬件设计

传感器与执行器的拟定

1、传感器的拟定

传感器相称于整个系统的“眼睛”，它的拟定对系统有着至关重要的影响。普通来说，选择一种传感器时，应注意下面几个问题：①测量范畴；②测量精度；③可靠性；④接口类型。

2、执行器的拟定

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

PLC控制系统模块的选择

在硬件设计中，对输入、输出点进行估算是一种重要的工作，控制系统总的输入、输出点数能够根据实际设备的I/O点汇总，然后另加10%至20%的备用量估算。

1、

数字量I/O点数的拟定

普通来说，一种按钮要占一种输入点；一种光电开关要占一种输入点；而对于选择开关来说，普通有几个位置就要占几个输入点；对多个位置开关普通占一种或两个输入点；一种信号灯占一种输出点。普通可用下式进行估算：

2、

模拟量I/O点数的拟定

模拟量I/O点数的拟定，普通应根据实际需要来拟定，并预留出适宜的备用点即可。

3、

存储器容量的估算

这里所说的存储器容量与顾客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顾客开放的部分。顾客程序所需的内存容量只能做粗略的估算，它与PLC的输入/输出点数成正比，另外，还受通信数据量、编程人员水平等因素的影响。普通内存容量估算经验公式以下：

4、

控制模块的选择

拟定了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，重要涉及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，普通要考虑到下列几个问题：

1）通信端口类型

2）运算速度

3）特殊功效（如高速计数等）

4）存储器（卡）容量

5）对采样周期、响应速度的规定

（2）在选择扩展模块时，普通应注意下列方面：

1）模块的电压等级。可根据现场设备与模块间的距离来拟定。当外部线路较长时，可选用交流220V电源；当外部线路较短，且控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。在通断不频繁的场合应当选用继电器输出；在通断频繁的场合，应当选用晶闸管或晶体管输出，注意晶闸管只能用于交流负载，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用电流型信号传输。由于电压量信号极易引入干扰，普通电压信号仅用于控制设备柜内电位器的设立，或者距离较近、电磁环境好的场合。

控制柜设计

在大多数系统中，都需要设计控制柜，它能够将工业现场的恶劣环境与控制器隔离，使系统可靠的运行。普通来说，设计控制柜时应考虑到下面几个问题：

（1）尺寸大小。要根据现场的安装位置和空间，设计适宜的尺寸大小。切忌在设计竣工之后才发现在现场不能安装。而在外观方面没什么太严格的规定，只要看得简洁明了就好。

（2）电路图。在设计控制柜的电路图时，首先要考虑到工业现场的环境，另首先要考虑到系统的安全性。

（3）电源。在充足计算好系统所需的功率后，选择适宜的电源。并根据系统需要，选择与否需要电源的备份。

（4）紧急停止。紧急停止与正常的停止运行有很大的不同，紧急停止重要从硬件的方式上确保了系统在出问题时的可靠和安全。

（5）其它。对于接线方式、接地保护、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、执行器与I/O模块连接原理图。在设计时，应多查阅有关的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足的理解。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，方便后来维修或者扩展之用。

PLC控制系统软件设计

控制软件设计

控制软件是整个控制系统的“思想”。通过工程师们漫长的探索，总结出许多有用的开发办法。下面就其设计原则和流程进行探讨。

1、

设计原则

控制软件的设计应当遵照下列几个原则：

（1）对的性。首先要确保能够完毕顾客所规定的各项功效，确保程序不会出现人为的错误。

（2）可靠性。在满足对的性的同时，也不可无视。在设计时要设立事故报警、联锁保护等。还要对不同的工作设备和不同的工作状态做互锁设计，以避免顾客的误操作；在有信号干扰的系统中，程序设计还应考虑滤波和校正功效，以消除干扰的影响。

（3）可调节性。程序设计