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輕松掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(一) 2016-07-18工控論壇 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： 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)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)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，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)，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。 圖1-2 表示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖 本文摘自：《西門子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)》；IT有得聊 輕松掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(二) 2016-07-22工控論壇 1.4PLC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：①測(cè)量范圍；②測(cè)量精度；③可靠性；④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：①輸出范圍；②輸出精度；③可靠性；④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： 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PLC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： 4. 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)。可根據(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。 4I/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、停車、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)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，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℃，最高為60℃ 保存溫度 -40℃- +85℃ 濕度 相對(duì)濕度 5%-95%（無(wú)凝結(jié)霜） 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 周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體 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10~55Hz，振幅為0.5mm，加速度為2g，沖擊為10g（g=10m/s2）。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）周圍空氣的影響 周圍空氣中不能混有塵埃、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)：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)的周圍環(huán)境溫度超過(guò)極限溫度（60℃），必須采取下面的有效措施。 1) 盤、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、柜內(nèi)。由于風(fēng)扇的壽命不那么長(zhǎng)，故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)。 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、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、柜內(nèi)溫度保持在0℃以上或者10℃左右。設(shè)置加熱器時(shí)要選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?，以便能在高溫時(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)，不切斷控制器和I/O模塊電源，靠其本身的發(fā)熱量使周圍溫度升高，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、柜的門，以防冷空氣進(jìn)入。 (3) 濕度不宜對(duì)策 1) 盤、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、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、柜之外，可對(duì)相應(yīng)的盤、柜采用防振橡皮，以達(dá)到減振目的。同時(shí)亦可把盤柜設(shè)置在遠(yuǎn)離振源的地方，或者使盤柜與振源共振。 2）如果振動(dòng)來(lái)自盤、柜內(nèi)，則要把產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊的設(shè)備從盤、柜內(nèi)移走，或單獨(dú)設(shè)置盤、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)防周圍環(huán)境部清潔的措施 如果周圍環(huán)境空氣不清潔，可采取下面相應(yīng)措施： 1） 盤、柜采用密封型結(jié)構(gòu)。 2）盤、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℃高溫下工作，但為了保證可靠性，環(huán)境溫度最好控制在40℃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)行控制任務(wù)。當(dāng)1號(hào)機(jī)的I0.0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. 與繼電器控制盤并用 在老系統(tǒng)改造的場(chǎng)合，原有的繼電器控制盤最好不要拆掉，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)?？刂葡到y(tǒng)中的控制器造價(jià)可做到和繼電器控制盤相當(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。 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，要考慮供電電源的冗余。 (4) 當(dāng)外部設(shè)備電源斷電時(shí)，應(yīng)不影響控制器的供電。 (5) 要考慮電源系統(tǒng)的抗干擾措施。 為此，本書給出下面幾種實(shí)用供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，經(jīng)實(shí)踐證明這幾種方案對(duì)提高控制系統(tǒng)的可靠性是有效地。 1. 使用隔離變壓器的供電系統(tǒng) 圖1-7所示是使用隔離變壓器的供電系統(tǒng)，控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電，并與主回路電源分開(kāi)。這樣當(dāng)輸入/輸出供電斷電時(shí)不會(huì)影響控制器的供電。 圖1-7 使用隔離變壓器的供電系統(tǒng) 2. 使用UPS供電系統(tǒng) 不間斷電源UPS（uninterrupted power supply）是用電設(shè)備的保護(hù)神，平時(shí)處于充電狀態(tài)，當(dāng)輸入交流電（220V）失電時(shí)，UPS能自動(dòng)切換到輸出狀態(tài)，繼續(xù)向用電設(shè)備供電。 圖1-8所示是使用UPS的供電系統(tǒng)，根據(jù)UPS的容量，在交流電失電后可繼續(xù)向控制器供電10-30min。因此對(duì)于非長(zhǎng)時(shí)間停電的系統(tǒng)，其效果是顯著的。 圖1-8 使用UPS的供電系統(tǒng) 1.7 PLC控制系統(tǒng)的調(diào)試 控制系統(tǒng)的調(diào)試可分為模擬調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試兩個(gè)過(guò)程。在調(diào)試之前首先要仔細(xì)檢查系統(tǒng)的接線，這是最基本也是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。 1模擬調(diào)試 1. 軟件模擬調(diào)試 軟件在設(shè)計(jì)完成之后，可以首先使用PLCSIM進(jìn)行仿真調(diào)試。該軟件操作方法簡(jiǎn)單，靈活性高，使用方便。圖1-9為PLCSIM仿真軟件調(diào)試的界面圖。 圖1-9PLCSIM仿真軟件界面圖 2. 硬件模擬調(diào)試 用PLC硬件來(lái)調(diào)試程序時(shí)，用接在輸入端的小開(kāi)關(guān)或按鈕來(lái)模擬PLC實(shí)際的輸入信號(hào)，例如用它們發(fā)出操作指令，或在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用它們來(lái)模擬實(shí)際的反饋信號(hào)，例如限位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開(kāi)。通過(guò)輸出模塊上各輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)的要求。 可用事先編寫好的試驗(yàn)程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來(lái)查找接線故障。不過(guò)為了安全考慮，最好將主電路斷開(kāi)，當(dāng)確認(rèn)接線無(wú)誤后再連接主電路，將模擬調(diào)試程序下載到PLC進(jìn)行調(diào)試，直到各部分的功能正常，并協(xié)調(diào)一致地完成整體的控制功能為止。 2現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 完成上述工作后，將PLC安裝在控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，在調(diào)試過(guò)程中將暴露出系統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬件接線等方面的問(wèn)題，以及程序設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的這些問(wèn)題，要及時(shí)加以解決。 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試是整個(gè)控制系統(tǒng)完成的重要環(huán)節(jié)。任何的系統(tǒng)設(shè)計(jì)很難說(shuō)不經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試就能正常使用。只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)控制回路和控制程序中不能滿足系統(tǒng)要求之處；只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)控制電路和控制程序中存在的問(wèn)題。 在調(diào)試過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)與工藝人員溝通，確定其問(wèn)題所在，及時(shí)對(duì)相應(yīng)硬件和軟件部分進(jìn)行調(diào)整。全部調(diào)試后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間試運(yùn)行，才能確認(rèn)程序正確可靠，才能正式投入正常使用。