一個實際的PLC控制系統是以PLC為核心組成的電氣控制系統,實現對生產設備和工業過程的自動控制。PLC控制系統設計的好壞直接影響著產品的質量和企業的生產效率,關系到企業的經濟效益。因此,在設計PLC控制系統時要全面了解被控對象的機構和運行過程,明確動作的邏輯關系,最大限度地滿足生產設備和生產過程的控制要求,同時力求使控制系統簡單、經濟、使用及維護方便,并保證控制系統安全可靠。
一個實際的PLC控制系統是以PLC為核心組成的電氣控制系統,實現對生產設備和工業過程的自動控制。PLC控制系統設計的好壞直接影響著產品的質量和企業的生產效率,關系到企業的經濟效益。因此,在設計PLC控制系統時要全面了解被控對象的機構和運行過程,明確動作的邏輯關系,最大限度地滿足生產設備和生產過程的控制要求,同時力求使控制系統簡單、經濟、使用及維護方便,并保證控制系統安全可靠。
用戶在使用PLC進行實際系統設計的過程中,會自覺或不自覺地遵循一定的方法和步驟。PLC是一種特殊的計算機,在體系結構、運行方式和編程語言等方面有別于普通計算機,因此在設計方法和步驟上有其特殊性。雖然不能要求必須先做什么,后做什么,具體應該怎樣做,但必須遵循一些共同的原則,使PLC應用系統的設計方法和步驟符合科學化,形成工程化,趨于標準化。
一、設計原則及方法
1.系統設計的基本原則
在進行PLC控制系統的設計時,一般應遵循以下幾個原則:
(1)完全滿足被控對象的工藝要求。
(2)在滿足控制要求和技術指標的前提下,盡量使控制系統簡單、經濟。
(3)控制系統要安全可靠。
(4)在設計時要給控制系統的容量和功能預留一定的裕度,便于以后的調整和擴充。
2.設計內容
(1)根據被控對象的特性及用戶的要求,擬定PLC控制系統的技術條件和設計指標,并寫出詳細的設計任務書,作為整個控制系統設計的依據。
(2)參考相關產品資料,選擇開關種類、傳感器類型、電氣傳動形式、繼電器/接觸器的容量以及電磁閥等執行機構。
(3)選擇PLC的型號及程序存儲器容量,確定各種模塊的數量。
(4)繪制PLC的輸入/輸出端子接線圖。
(5)設計PLC控制系統的監控程序。
(6)輸入程序并調試,根據設計任務書進行測試,提交測試報告。
(7)根據要求設計電氣柜、模擬顯示盤和非標準電器元部件。
(8)編寫設計說明書和使用說明書等設計文檔。
3.設計方法及步驟
(1)詳細了解和分析被控對象的工藝條件,根據生產設備和生產過程的控制要求,分析被控對象的機構和運行過程,明確動作的邏輯關系(動作順序、動作條件)和必須要加入的聯鎖保護及系統的操作方式(手動、自動)等。
(2)根據被控對象對PLC控制系統的技術指標,確定所需輸入/輸出信號的點數,選配適當的PLC。
(3)根據控制要求有規則、有目的地分配輸入/輸出點(I/O分配),設計PLC的I/O電氣接口圖(PLC的I/O口與輸入/輸出設備的連接圖)。繪出接線圖并接線施工,完成硬件設計。
(4)根據生產工藝的要求畫出系統的工藝流程圖。
(5)根據系統的工藝流程圖設計出梯形圖,同時可進行電氣控制柜的設計和施工。
(6)如用編程器,需將梯形圖轉換成相應的指令并輸入到PLC中。
(7)調試程序,先進行模擬調試,然后再進行系統調試。調試時可模擬用戶輸入設備的信號給PLC,輸出設備可暫時不接,輸出信號可通過PLC主機的輸出指示燈監控通斷變化,對于內部數據的變化和各輸出點的變化順序,可在上位計算機上運行軟件的監控功能,查看運行動作時序圖。
(8)程序模擬調試通過后,接入現場實際控制系統與輸入/輸出設備聯機調試,如不滿足要求,再修改程序或檢查更改接線,直至滿足要求。調試成功后做程序備份,同時提交測試報告。
(9)編寫有關技術文件(包括I/O電氣接口圖、流程圖、程序及注釋文件、故障分析及排除方法等),完成整個PLC控制系統的設計。
以上是設計一個PLC控制系統的大致步驟,具體系統設計要根據系統規模的大小、控制要求的復雜程度、控制程序步數的多少靈活處理,有的步驟可以省略,也可作適當的調整。
4.設計任務書的確定
生產工藝流程的特點和要求是設計PLC控制系統的主要依據,所以必須詳細了解和分析對象的特性。設計任務書一般應包括以下幾個方面:
(1)控制系統的名稱。
(2)控制的任務和范圍。在設計任務書中指明控制對象的范圍,必須完成的動作,包括動作時序和方式(手動、自動,點動、間斷、連續等)等。
(3)檢測和控制的參數表(I/O分配表)。根據工藝指標、操作要求和安全措施等確定檢測點和控制點的含義、數量、量程、精度、特性、安裝位置等。一般在滿足控制要求和技術指標的前提下,檢測點和控制點應盡可能地少,并且精度要求也應以滿足實際需要為準,否則將使控制系統復雜化,增加系統成本。
(4)參數之間的關系。明確在控制過程中各輸入/輸出量之間的先后順序和邏輯關系。
二、PLC的選型
PLC是一種通用的智能化工業控制設備,其檔次和功能面向各種各樣的應用,眾多的生產廠家提供了各種系列、各種功能的產品。目前常見的國內外PLC產品有幾百種型號。這為用戶提供了廣泛的選擇余地,但也給一般用戶的選型帶來一些不便。下面簡要介紹如何合理地選型,以組成經濟實用的控制系統。
1.PLC的形式與規模的選擇
PLC的選型前提是在功能上應滿足生產過程的工藝要求。對于只含有開關量控制的系統,一般的小型PLC即可滿足要求,不需要特別考慮PLC的掃描速度。
如果被控對象以開關量控制為主,只有少量的模擬量控制,則可考慮選用小容量、高性能的機型,如FP3、FP5等系列。這類PLC除了開關量處理外,還具有較強的算術運算和數據處理等功能。對于模擬量控制,就需要考慮PLC的掃描速度。
復雜的控制系統一般含有較多的開關量輸入/輸出,如對模擬量的控制要求也較高,可考慮選用中檔和高檔機型,如FP10、FP10S、FP10SH等系列的PLC。中、高檔PLC都具有模擬量輸入/輸出、PID運算、閉環控制和快速響應等功能,但價格較高。對于更復雜的控制系統,其控制點既多又分散,一般要求較快的響應速度,并具有數據處理、文件管理、分析決策等功能,就要選用具有通信聯網等功能的PLC系統,以組成分布式工業控制網絡。
2.PLC的機型與容量的選擇
(1)PLC機型的選擇
根據控制系統的功能要求和容量來選擇PLC,首先是PLC生產廠家的選擇,在完成相同功能的情況下,選擇廠家在考慮可靠性的同時兼顧經濟性。接下來根據生產廠家提供的技術資料選擇機型,注意考慮輸出類型(如晶體管型、繼電器型和晶閘管型)、I/O點數和工作電源等。若電氣控制柜還需與其他控制柜聯網運行,選型時還需考慮有無聯網功能。對于工藝過程相對穩定、使用環境相對較差的場合,宜選用整體式PLC。對于較復雜的系統,可選用模塊式PLC,以便于調整、擴充以及快速方便地判斷與處理故障。
此外,對于一個單位而言,應盡量使機型統一,以便于系統的設計、管理、使用和維護。
(2)PLC容量的選擇
PLC容量包括輸入/輸出點數和用戶程序存儲器兩個方面。
①輸入/輸出點數(I/O點數)的估算
根據被控對象的輸入信號與輸出信號的總點數,再考慮15%~20%的備用量,以便以后的調整和擴充。
②用戶程序存儲器容量的估算
用戶程序存儲器容量與許多因素有關,如I/O點數、運算處理量以及程序的結構等,因此不可能預先準確地計算出程序容量,只能作粗略的估算。一些項目所占的存儲空間可參照以下原則進行估算:
l開關量輸入:5~10步/點。
l開關量輸出:3~5步/點。
l模擬量輸入/輸出:50~80步/通道。
l定時器/計數器:3~5步/個。
l通信接口:200步/個。
l數據處理:5~10步/量。
最后按所估算的總步數再加100%的備用量。需要注意的是,有些小型PLC的用戶程序存儲器容量是固定的,在選擇時要充分考慮。
3.開關量輸入/輸出模塊的選擇
不同的開關量I/O模塊的電路組成不同,開關量I/O模塊的選擇主要是根據點數、電路結構、電壓形式、電壓范圍等方面。
(1)開關量輸入模塊的選擇
PLC的開關量輸入模塊用來檢測來自現場(如按鍵、行程開關、接近開關等)的通斷信號,并經過隔離、放大、整形和電平轉換等處理后輸入PLC內部。對開關量輸入模塊,主要是選擇點數和輸入電壓形式,輸入電壓一般有24V的直流和110V或220V的交流。
選擇輸入模塊應考慮以下幾點:
①輸入模塊的工作電壓應盡量與現場輸入設備(有源的)的一致,可以省掉轉換環節。
②高密度的輸入模塊,如32點或64點,因受工作電壓、工作電流和環境溫度的限制,一般可同時接通的點數不得超過該模塊輸入點數的60%。
(2)開關量輸出模塊的選擇
PLC的輸出模塊是將其內部的低電平控制信號經隔離后轉換成外部所需電平的輸出信號,以驅動外部負載。對開關量輸出模塊,主要是選擇其點數和輸出方式。輸出方式有晶體管、晶閘管和繼電器三種。選擇輸出模塊應考慮以下幾點:
①輸出方式
繼電器輸出可任意使用交流或直流工作電源,價格相對便宜,輸出電壓適應范圍廣,導通壓降小,承受瞬時過電壓和過電流的能力強,具有隔離作用。但繼電器觸點的響應速度慢,工作壽命較短,適用于動作不頻繁的交直流負載。在驅動感性負載時,最高通斷頻率一般不超過1Hz。晶體管(使用直流工作電源)和晶閘管輸出(使用交流工作電源)都為無觸點開關輸出,適用于驅動動作頻繁的負載。
②輸出電壓(電流)
輸出模塊的輸出電壓(電流)必須大于負載電壓(電流)的額定值,并留有足夠的余量。
③允許同時接通的輸出點數
在選用輸出模塊時,不但要看一個輸出點的驅動能力,還要保證不超過公共端(COM端)所允許的電流值。
4.模擬量輸入/輸出模塊的選擇
(1)模擬量輸入模塊的選擇
對于輸入連續變化的電壓、壓力、流量等物理量,需采用相應的傳感器或變送器轉變為一定范圍內的電壓或電流信號,然后使用模擬量模塊輸入到PLC中。模擬量輸入模塊按通道分為2、4、8通道等規格,按電路結構分為普通型和隔離型,按輸入信號形式和范圍有-10~10V、0~5V、1~5V、0~20mA、4~20mA等。有的模塊可設定電流還是電壓,甚至可設定范圍,選擇輸入模塊應考慮以下幾點:
①輸入方式及范圍
根據輸入設備來選擇電壓型或電流型輸入方式的模塊,電流型的抗干擾能力高于電壓型。模塊的輸入有效范圍越大,其適應性較強,但絕對誤差偏大。
②轉換分辨率
分辨率與系統的控制精度有關。一般的模塊有12位以上的分辨率,可以滿足一般的要求。如輸入信號范圍可變,可分辨的最小的信號單位也隨之變化。
③轉換速度
轉換速度與控制系統的實時性有關。模塊的轉換速度有快有慢,考慮到濾波效果,模擬量輸入模塊大多采用積分式A/D轉換,轉換速度一般為毫秒級。通常各通道的轉換以串行方式進行,如因轉換速度而影響控制性能時,可選用專用的高速模塊。
(2)模擬量輸出模塊的選擇
模擬量輸出模塊能輸出被控設備所需的規定信號范圍的電壓或電流,如0~5V、-10~10V或4~20mA等。模擬量輸出模塊的選擇考慮與模擬量輸入模塊相同。為了滿足特殊的需求,可選用相應的專用智能模塊。
此外還要考慮與PLC的I/O口相連的輸入/輸出設備的選型,包括輸入設備(如按鈕、行程開關、傳感器、變送器等)和輸出設備(繼電器、接觸器、調節閥、信號指示燈等)的選型,以及由輸出設備驅動的各種控制對象(如電動機、電磁閥等)的選型,選擇此類設備要考慮備件的通用性。
以上簡要地介紹了PLC選型的一般依據和通常需考慮的幾個因素,設計者應根據實際的需要綜合考慮,選擇性能價格比合適的產品,完全滿足被控對象的控制要求,充分發揮PLC的功能,并兼顧到系統的擴充性。
三、系統設計
PLC應用系統的設計一般包括硬件設計和軟件設計兩部分,硬件設計一般相對比較簡單,通常在輸入/輸出選型后將外部設備連接到PLC即可。軟件設計通常是用梯形圖將控制任務描述出來,實現相應的控制功能。所以畫梯形圖(即軟件設計)是PLC應用系統設計的核心任務。
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