PLC設(shè)計選型的具體技巧詳解

在plc系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定系統(tǒng)方案，下一步工作就是PLC的設(shè)計選型。選擇PLC，主要是確定PLC的生產(chǎn)廠家和PLC的具體型號。對于系統(tǒng)方案要求有分布式系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)化通訊的要求。那么具體應(yīng)該如何選擇PLC呢?筆者認(rèn)為應(yīng)該有以下幾方面的內(nèi)容。

一、PLC生產(chǎn)廠家

確定PLC的生產(chǎn)廠家，主要應(yīng)該考慮設(shè)備用戶的要求、設(shè)計者對于不同廠家PLC的熟悉程度和設(shè)計習(xí)慣、配套產(chǎn)品的一致性以及技術(shù)服務(wù)等方面的因素。從PLC本身的可靠性考慮，原則上只要是國外大公司的產(chǎn)品，不應(yīng)該存在可靠性不好的問題。

筆者個人認(rèn)為，一般來說，對于控制獨(dú)立設(shè)備或較簡單的控制系統(tǒng)的場合，配套日本的PLC產(chǎn)品，相對來說性價比有一定優(yōu)勢。對于系統(tǒng)規(guī)模較大網(wǎng)絡(luò)通訊功能要求高、開放性的分布式控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，歐美生產(chǎn)的PLC在網(wǎng)絡(luò)通訊功能上更有優(yōu)勢。另外對于一些特殊的行業(yè)(例如：冶金、煙草等)應(yīng)選擇在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績、成熟可靠的PLC系統(tǒng)。二、輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)是PLC的基本參數(shù)之一。I/O點(diǎn)數(shù)的確定應(yīng)以控制設(shè)備所需的所有I/O點(diǎn)數(shù)的總和為依據(jù)。在一般情況下，PLC的I/O點(diǎn)應(yīng)該有適當(dāng)?shù)挠嗔俊Ｍǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10％～20％的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整。三、存儲容量存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 PLC存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。四、控制功能該選擇包括運(yùn)算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。(一)運(yùn)算功能

簡單PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計時和計數(shù)功能；普通PLC的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC中還有模擬量的PID運(yùn)算和其他高級運(yùn)算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在PLC中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計選型時應(yīng)從實際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運(yùn)算功能。大多數(shù)應(yīng)用場合，只需要邏輯運(yùn)算和計時計數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運(yùn)算等。還有的要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運(yùn)算。

(二)控制功能

控制功能包括PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)根據(jù)控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。

（三)通信功能

大中型PLC系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開放的通信網(wǎng)絡(luò)。

PLC系統(tǒng)的通信接口應(yīng)包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用dcs接口等；大中型PLC通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng)1：1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實際要求。

PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于1Mbps，通信負(fù)荷不大于60%。PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式：

1）PC為主站，多臺同型號PLC為從站，組成簡易PLC網(wǎng)絡(luò)；

2）1臺PLC為主站，其他同型號PLC為從站，構(gòu)成主從式PLC網(wǎng)絡(luò)；

3）PLC網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型DCS中作為DCS的子網(wǎng)；

4）專用PLC網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專用PLC通信網(wǎng)絡(luò)）。

PLC為減輕CPU通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對點(diǎn)、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)）通信處理器。

(四)編程功能

離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。

在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機(jī) CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五種標(biāo)準(zhǔn)化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC6113123），同時還應(yīng)支持多種語言編程形式，如C、Basic、Pascal等，以滿足特殊控制場合的控制要求。

(五)診斷功能

PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。

PLC的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。

(六)處理速度

PLC采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則PLC將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據(jù)的丟失。

處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，PLC接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時間約0.2～0.4μs，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型PLC的掃描時間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時間不大于 0.2ms/K。

PLC機(jī)型PLC的類型：PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類。

整體型PLC的I/0點(diǎn)數(shù)較少且相對固定，因此用戶選擇的余地較小，通常用于小型控制系統(tǒng)。這一類PLC的代表有：西門子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、歐姆龍公司的CPM1A系列等。

模塊型PLC提供多種I/O模塊可以在PLC基板上插接，方便用戶根據(jù)需要合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)。因此，模塊型PLC的配置比較靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。例如西門子公司的S7-300系列和S7-400系列、三菱公司的Q系列、歐姆龍公司的CVM1系列等。六、各種模塊選擇(一)數(shù)字量I/O模塊

數(shù)字量輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮應(yīng)用要求。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮輸入信號的電平、傳輸距離等應(yīng)用要求。輸出模塊也有很多的種類，例如繼電器觸點(diǎn)輸出型、AC120V/23V雙向晶閘管輸出型、DC24V晶體管驅(qū)動型、DC48V晶體管驅(qū)動型等。

通常繼電器輸出輸出型模塊具有價格低廉、使用電壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是使用壽命較短、響應(yīng)時間較長、在用于感性負(fù)載時需要增加浪涌吸收電路；雙向晶閘管輸出型模塊響應(yīng)時間較快適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場合，但價格較貴，過載能力較差。

另外，輸入輸出模塊按照輸入輸出點(diǎn)數(shù)又可以分為：8點(diǎn)、16點(diǎn)、32點(diǎn)等規(guī)格，選擇時要根據(jù)實際的需要合理配備。

(二)模擬量I/O模塊

模擬量輸入模塊，按照模擬量的輸入信號類型可以分為：電流輸入型、電壓輸入型、熱電偶輸入型等。電流輸入型通常的信號等級為4～20mA或0～20mA；電壓型輸入模塊通常信號等級為0～10V、-5V～+5V等。有些模擬量輸入模塊可以兼容電壓或電流輸入信號。模擬量輸出模塊同樣分電壓型輸出模塊和電流型輸出模塊，電流輸出的信號通常有0～20mA、4～20mA。電壓型輸出信號通常有0～10V、-10V~+10V等。模擬量輸入輸出模塊，按照輸入輸出通道數(shù)可以分為2通道、4通道、8通道等規(guī)格。

(三)功能模塊

功能模塊包括通訊模塊、定位模塊、脈沖輸出模塊、高速計數(shù)模塊、PID控制模塊、溫度控制模塊等。選擇PLC時應(yīng)考率到功能模塊配套的可能性，選擇功能模塊涉及硬件與軟件兩個方面。

在硬件方面，首先應(yīng)考慮功能模塊可以方便的和PLC相連接，PLC應(yīng)該有相關(guān)的連接、安裝位置與接口、連接電纜等附件。在軟件上，PLC應(yīng)具有對應(yīng)的控制功能，可以方便的對功能模塊進(jìn)行編程。例如三菱的FX系列PLC通過“FROM”和“TO”指令可以方便的對相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行控制。

冗余功能(一)控制單元冗余1、重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應(yīng)1B1冗余。

2、在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。

(二)I/O接口單元冗余1、控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。

2、重要檢測點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。

一般原則

在PLC型號和規(guī)格大體確定后，可以根據(jù)控制要求逐一確定PLC各組成部分的基本規(guī)格與參數(shù)，并選擇各組成模塊的型號。選擇模塊型號時

，應(yīng)遵循以下原則。

(一)經(jīng)濟(jì)性

選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時，應(yīng)同時考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。

輸入輸出點(diǎn)數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。

(二)方便性

一般說來，作為PLC，可以滿足控制要求的模塊往往有很多種，選擇時應(yīng)以簡化線路設(shè)計、方便使用、盡可能減少外部控制器件為原則。例如：對于輸入模塊，應(yīng)優(yōu)先選擇可以與外部檢測元件直接連接的輸入形式，避免使用接口電路。對于輸出模塊，應(yīng)優(yōu)先選擇能夠直接驅(qū)動負(fù)載的輸出模塊，盡量減少中間繼電器等元件。

(三)通用性

進(jìn)行選型時，要考慮到PLC各組成模塊的統(tǒng)一與通用，避免模塊種類過多。這樣不僅有利于采購，減少備品備件，同時還可以增加系統(tǒng)各組成部件的互換性，為設(shè)計、調(diào)試和維修提供方便。

(四)兼容性

選擇PLC系統(tǒng)各組成模塊時，應(yīng)充分的考慮到兼容性。為避免出現(xiàn)兼容性不好的問題，組成PLC系統(tǒng)的各主要部件的生產(chǎn)廠家不宜過多。如果可能的話，盡量選擇同一個生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。