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1、轻松掌握PLC控制系统设计(一)2016-07-18工控论坛工控技术人员需要的干货来了!本篇文章能让读者了解PLC控制系统设计的原则和一般流程；理解控制系统可靠性设计方法和调试方法；掌握硬件系统选型的方法。由于内容较多,我们分为三个片断。PLC控制系统设计原则PLC控制系统设计原则1）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，还要了解控制系统的使用环境，使得所设计的控制系统能够满足用户所有的要求。硬件上要尽量的小巧灵活，软件上应简洁、方便。2）可靠性可靠性是控制系统极其重要的原则。对于一些可能会产生危险的系统，必须要保证控制系统能够长期稳定、安全、可靠的运行，即使控制系
2、统本身出现问题，起码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，考虑适当的备份或冗余；在软件设计时，应采取相应的保护措施，在经过反复测试确保无大的疏漏之后方可联机调试运行。3）经济性这要求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与产品功能之间作相应的平衡。还要考虑所使用的产品是否可以获得完备的技术资料和售后服务，以减少开发成本。4）可扩展性这要求工程师，在
3、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需要，在控制器计算能力和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需要。5）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控制系统，保证系统在一定时间内具有先进性，不致被市场淘汰。此原则与经济性共同考虑，使控制系统具有较高的性价比。PLC控制系统设计流程设计控制系统时应遵循一定的设计流程，掌握设计流程，可以增加控制系统的设计效率和正确性。PLC控制系统的一般设计流程如图1-1所示：图1-1 PLC控制系统设计流程图被控对象的分析与描述分析被控对象就是要详细分析被控对象的工艺
4、流程，了解其工作特性。此阶段一定要与用户进行深入的沟通，确保分析的全面而准确。在控制系统设计时，往往需要达到一些特定的指标和要求，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要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原则，准确地用工程化的方法描述被控对象，为控制系统设计打好基础。1）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。确保硬件资源有一定裕量而不浪费。小规模控制系统适用于单机或小规模生产过程，以顺序控制为主，信号多为开关量，且I/O点数较少（低于128点），精度和响应时间要求不高。一般选用S7-200就可达到控制要
5、求中等规模控制系统适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），需要完成某些特殊功能，如PID控制等。一般选用S7-300等。大规模控制系统适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要求较高。应选用具有智能控制、高速通信、数据库、函数运算等功能的高档PLC，如S7-400等。2）硬件配置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点的位置和功能。再加上10%20%的
6、备用量列出详细的I/O点清单。3）软件配置根据控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。4）控制功能要正确的进行控制系统的规模选择，首先要了解各家控制器的特性，比如性能参数、应用场合、行业解决方案，以及可靠性和通用性等。如何选择一个控制系统，一般遵循以下几点：控制系统是否需要冗余、I/O信号模块是否需要冗余、通讯是否需要冗余。控制点数有多少，包括数字量输入和输出点数、模拟量输入和输出点数。被控对象工艺是否复杂，是否需要实现特殊功能，比如防喘控制等。系统正常运行时，控制器的负载率
7、是否有足够的工作裕量；I/O信号点是否需要一定的余量。针对数字信号，是否需要继电器隔离；考虑输入信号的电压和电流等级；输出信号是否需要固态继电器输出。针对模拟量信号，是否需要安全隔离栅；信号的类型，电压型还是电流型；电压和电流的测量范围。不一样的信号类型，需要选择不一样的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，比如信号短路或锻炉，这时信号模块是否需要将输入输出信号自动切换到预先设置的安全值。如有要求，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
8、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，是否需要特殊的SOE模块，来记录信号变化的时间先后顺序。熟悉被控对象是设计控制系统的基础。只有深入了解被控对象以及被控过程，才能够提出合理科学的控制方案。1）分析被控对象。详细分析被控对象的工艺流程，了解其工作特性。此阶段一定要与用户进行深入的沟通，确保分析得全面而准确。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入的了解，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准备。3）分析并明确控制任务。根据已经做好的工艺流程图，工程师可以把用户提出的控制要求转换为专业术语，对其逐一进
9、行分解，并从控制的角度将其中的要求转化为多个控制回路。对于过程控制系统可用P&ID图来表示其中的控制关系。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。主要是对整个系统的可行性作一个预测性的估计。在此阶段一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。如果没有做过相关项目的经验，应当在实地仔细考察，并详细地论证设计此系统中的每一个步骤的可行性。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，每个细节都必须经过
10、反复斟酌。首先要能够满足用户提出的基本要求；其次是确保系统的可靠性，不可以经常出现故障，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。一般来说，在系统总体设计时，需要考虑下面几个问题：（1）确定系统是用PLC单机控制，还是PLC联网控制；确定系统是采用远程I/O还是本地I/O。主要根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控制系统来说，PLC单机控制已基本能够满足功能要求。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。这样可以大大提高系统的可靠性。（2）是否需要与其它部分通信。一个完整的控制系统，至少会包括三个部分：控制器、被控对象和监控系统。
11、所以对于控制器来说，至少要跟监控系统之间进行通讯。至于是否跟另外的控制单元或部门通讯要根据用户的要求来决定。一般来说，如果用户没有要求，也都会留有这样的通讯接口。（3）采用何种通信方式。一般来说，在现场控制层级用PROFIBUS DP；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，根据具体情况选择合适的通信方式。（4）是否需要冗余备份系统。根据系统的所要求的安全等级，选择不同的办法。在数据归档时，为了让归档数据不丢失，可以使用OS服务器冗余；在自动化站（Automation Station，AS），为了使系统不会因故障而导致停机或不可预知的结果，可以使用控制器冗余备
12、份系统。选择适当的冗余备份，可以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、过程控制站的数目和位置，相互之间是怎样连接的。是否需要工业以太网交换机。一般情况下，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，为保证信号的稳定可靠，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能的工业以太网交换机，将现场操作站和过程控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
13、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，尤其是模拟量信号。且当信号点很多时，布线也较复杂，浪费材料。所以，一般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制站。图1-2 表示网络结构示意图本文摘自：西门子S7-300/400 PLC工程应用技术；IT有得聊轻松掌握PLC控制系统设计(二)2016-07-22工控论坛1.4PLC控制系统硬件设计1传感器与执行器的确定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
14、来说，选择一个传感器时，应注意下面几个问题：测量范围；测量精度；可靠性；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。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：输出范围；输出精度；可靠性；接口类型。2PLC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个重要的工作，控制系统总的输入、输出点数可以根据实际设备的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；
15、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，一般应根据实际需要来确定，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与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，它与PLC的输入/输出点数成正比，此外，还受通信数据量、编程人员水平等因素的影响。一般内存容量估算经验公式如下：4. 控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，一般应注意以下方面：1）模块的电压等级。可根据现场设备与模块间的距离来确定。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
