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?；在軟件設(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：

被控對(duì)象的分析與描述

分析被控對(duì)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)?？刂葡到y(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)間要求不高。一般選用S7-200就可達(dá)到控制要求

中等規(guī)?？刂葡到y(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)?？刂葡到y(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(lèi)型。按照設(shè)備和生產(chǎn)區(qū)域的不同進(jìn)行劃分，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，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(lèi)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(lèi)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，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PROFIBUSDP；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，可以使用OS服務(wù)器冗余；在自動(dòng)化站（AutomationStation，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)娜哂鄠浞荩梢允瓜到y(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)，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。

PLC作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)，了解、學(xué)習(xí)PLC成為了進(jìn)入工控領(lǐng)域的一大敲門(mén)磚。小編相信，在你的工控生涯中一定接觸過(guò)PLC、學(xué)習(xí)過(guò)PLC、使用過(guò)PLC，它也必然讓你歡喜，讓你憂過(guò)。