PLC的設計選型,應該如何選擇PLC呢?

導語

在plc系統(tǒng)設計時，首先應確定系統(tǒng)方案，下一步工作就是PLC的設計選型。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)、遠程I/O系統(tǒng)，還需要考慮網(wǎng)絡化通訊的要求。那么具體應該如何選擇PLC呢?筆者認為應該有以下幾方面的內容。

一、PLC生產(chǎn)廠家

確定PLC的生產(chǎn)廠家，主要應該考慮設備用戶的要求、設計者對于不同廠家PLC的熟悉程度和設計習慣、配套產(chǎn)品的一致性以及技術服務等方面的因素。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，不應該存在可靠性不好的問題。

筆者個人認為，一般來說，對于控制獨立設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)絡通訊功能要求高、開放性的分布式控制系統(tǒng)、遠程I/O系統(tǒng)，歐美生產(chǎn)的PLC在網(wǎng)絡通訊功能上更有優(yōu)勢。另外對于一些特殊的行業(yè)(例如：冶金、煙草等)應選擇在相關行業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的PLC系統(tǒng)。

二、輸入輸出（I/O）點數(shù)

PLC的輸入/輸出點數(shù)是PLC的基本參數(shù)之一。I/O點數(shù)的確定應以控制設備所需的所有I/O點數(shù)的總和為依據(jù)。在一般情況下，PLC的I/O點應該有適當?shù)挠嗔俊Ｍǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加10％～20％的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(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，對輸入輸出點數(shù)進行調整。

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。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設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存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點數(shù)的100倍，以此數(shù)為內存的總字數(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)運算功能

簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通PLC的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC中還有模擬量的PID運算和其他高級運算功能。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)品具有與下位機的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。大多數(shù)應用場合，只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能，有些應用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉換和PID運算等。還有的要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。

(二)控制功能

控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據(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、帶速度補償?shù)哪M單元、ASC碼轉換單元等。

（三)通信功能

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

PLC系統(tǒng)的通信接口應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（含接口設備和電纜）應1：1冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。

PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡中，上級的網(wǎng)絡通信速率應大于1Mbps，通信負荷不大于60%。PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡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；

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

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

4）專用PLC網(wǎng)絡（各廠商的專用PLC通信網(wǎng)絡）。

PLC為減輕CPU通信任務，根據(jù)網(wǎng)絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、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，不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現(xiàn)場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。

在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機 CPU負責現(xiàn)場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數(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，下一掃描周期，主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五種標準化編程語言：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）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC6113123），同時還應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，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，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行診斷是外診斷。

PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，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、軟件質量等有關。目前，PLC接點的響應快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約0.2～0.4μs，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應滿足：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。

五、PLC機型PLC的類型：PLC按結構分為整體型和模塊型兩類。

整體型PLC的I/0點數(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考慮應用要求。例如對輸入模塊，應考慮輸入信號的電平、傳輸距離等應用要求。輸出模塊也有很多的種類，例如繼電器觸點輸出型、AC120V/23V雙向晶閘管輸出型、DC24V晶體管驅動型、DC48V晶體管驅動型等。

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，但是使用壽命較短、響應時間較長、在用于感性負載時需要增加浪涌吸收電路；雙向晶閘管輸出型模塊響應時間較快適用于開關頻繁，電感性低功率因數(shù)負荷場合，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數(shù)又可以分為：8點、16點、32點等規(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，首先應考慮功能模塊可以方便的和PLC相連接，PLC應該有相關的連接、安裝位置與接口、連接電纜等附件。在軟件上，PLC應具有對應的控制功能，可以方便的對功能模塊進行編程。例如三菱的FX系列PLC通過“FROM”和“TO”指令可以方便的對相應的功能模塊進行控制。

七、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1B1冗余。

2、在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統(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I/O卡應冗余配置。

2、重要檢測點的多點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，應遵循以下原則。

(一)經(jīng)濟性

選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經(jīng)濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。

輸入輸出點數(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用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(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，選擇時應以簡化線路設計、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，應優(yōu)先選擇能夠直接驅動負載的輸出模塊，盡量減少中間繼電器等元件。

(三)通用性

進行選型時，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，為設計、調試和維修提供方便。

(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。