PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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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象的同時，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)簡潔、方便。2）可靠性可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。對于一些可能會產(chǎn)生危險的系統(tǒng)，必須要保證控制系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、安全、可靠的運(yùn)行，即使控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)問題，起碼能夠保證不會出現(xiàn)人員和財產(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)的問題，提出不同的設(shè)計(jì)方案，選擇一種非常可靠且較容易實(shí)施的方案；在硬件設(shè)計(jì)時，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，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，在經(jīng)過反復(fù)測試確保無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。硬件選型時應(yīng)以經(jīng)濟(jì)、合用為準(zhǔn)；軟件應(yīng)當(dāng)在開發(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，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?，同時對外要留有擴(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，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)在一定時間內(nèi)具有先進(jìn)性，不致被市場淘汰。此原則與經(jīng)濟(jì)性共同考慮，使控制系統(tǒng)具有較高的性價比。PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時應(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)流程圖被控對象的分析與描述分析被控對象就是要詳細(xì)分析被控對象的工藝流程，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，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。在分析被控對象時，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)過程，以順序控制為主，信號多為開關(guān)量，且I/O點(diǎn)數(shù)較少（低于128點(diǎn)），精度和響應(yīng)時間要求不高。一般選用S7-200就可達(dá)到控制要求中等規(guī)模控制系統(tǒng)適用于復(fù)雜邏輯和閉環(huán)控制的生產(chǎn)過程，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)?？刂葡到y(tǒng)適用于大規(guī)模過程控制、DCS系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)控制，I/O點(diǎn)數(shù)較多（高于512點(diǎn)），被控對象的工藝過程較復(fù)雜，對于精度和響應(yīng)時間要求較高。應(yīng)選用具有智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫、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)對控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行估算。分析被控對象工藝過程，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；是否有報警顯示、趨勢分析、報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)用場合、行業(yè)解決方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一個控制系統(tǒng)，一般遵循以下幾點(diǎn)：控制系統(tǒng)是否需要冗余、I/O信號模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余?？刂泣c(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，控制器的負(fù)載率是否有足夠的工作裕量；I/O信號點(diǎn)是否需要一定的余量。針對數(shù)字信號，是否需要繼電器隔離；考慮輸入信號的電壓和電流等級；輸出信號是否需要固態(tài)繼電器輸出。針對模擬量信號，是否需要安全隔離柵；信號的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測量范圍。不一樣的信號類型，需要選擇不一樣的I/O信號模塊。用于溫度測量的信號模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。信號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，比如信號短路或鍛爐，這時信號模塊是否需要將輸入輸出信號自動切換到預(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模塊。當(dāng)需要和第三方設(shè)備通訊時，需考慮通訊距離的長短，以及相應(yīng)的通訊接口協(xié)議等，選用不同的通訊模塊。針對系統(tǒng)中的重要連鎖信號，是否需要特殊的SOE模塊，來記錄信號變化的時間先后順序。熟悉被控對象是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。只有深入了解被控對象以及被控過程，才能夠提出合理科學(xué)的控制方案。1）分析被控對象。詳細(xì)分析被控對象的工藝流程，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)過第一步，應(yīng)對被控對象的整個工藝流程有了深入的了解，為了更直觀、簡潔的表示，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，對其逐一進(jìn)行分解，并從控制的角度將其中的要求轉(zhuǎn)化為多個控制回路。對于過程控制系統(tǒng)可用P&ID圖來表示其中的控制關(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，需要對系統(tǒng)的方案進(jìn)行論證。主要是對整個系統(tǒng)的可行性作一個預(yù)測性的估計(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)將會遇到的各種問題。如果沒有做過相關(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)中的每一個步驟的可行性。特別是在硬件實(shí)施階段中，稍有不慎，就會造成很大的麻煩，輕則系統(tǒng)不成功，重則會造成嚴(yán)重的人員和財產(chǎn)的損失。工程實(shí)施的過程中的阻礙，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)系到整個系統(tǒng)的總體構(gòu)架，每個細(xì)節(jié)都必須經(jīng)過反復(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)故障也不會造成大的損失；然后在經(jīng)濟(jì)性等方面予以考慮。一般來說，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時，需要考慮下面幾個問題：（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選擇。對于一般的中小型過程控制系統(tǒng)來說，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。一個完整的控制系統(tǒng)，至少會包括三個部分：控制器、被控對象和監(jiān)控系統(tǒng)。所以對于控制器來說，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)用戶的要求來決定。一般來說，如果用戶沒有要求，也都會留有這樣的通訊接口。（3）采用何種通信方式。一般來說，在現(xiàn)場控制層級用PROFIBUS DP；而從現(xiàn)場控制層級到監(jiān)控系統(tǒng)的通訊用PROFINET。但有時候也可互相通用，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，選擇不同的辦法。在數(shù)據(jù)歸檔時，為了讓歸檔數(shù)據(jù)不丟失，可以使用OS服務(wù)器冗余；在自動化站（Automation Station，AS），為了使系統(tǒng)不會因故障而導(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)場控制室和主控制室與電氣控制柜分別安放在兩個地方，且距離較遠(yuǎn)，為保證信號的穩(wěn)定可靠，會考慮用光纜來連接各自的交換機(jī)。同時，為了通訊線路的冗余，會考慮選用帶榮譽(yù)管理功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，將現(xiàn)場操作站和過程控制站組成一個光纖環(huán)網(wǎng)。這樣，即使有一個方向的通訊斷開，也可通過另一個方向繼續(xù)通訊。對于過程控制站和現(xiàn)場信號之間的連接，傳統(tǒng)的連接方式是將現(xiàn)場信號直接通過硬件連接到過程控制站上。這樣如果距離太遠(yuǎn)，信號傳輸會有損耗，尤其是模擬量信號。且當(dāng)信號點(diǎn)很多時，布線也較復(fù)雜，浪費(fèi)材料。所以，一般需在現(xiàn)場安裝分布式I/O從站（如果現(xiàn)場為危險區(qū)，需選用本質(zhì)安全型的分布式I/O從站），將現(xiàn)場信號直接連接到I/O從站上，在通過現(xiàn)場總線的方式將信號傳送到過程控制站。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)于整個系統(tǒng)的“眼睛”，它的確定對系統(tǒng)有著至關(guān)重要的影響。一般來說，選擇一個傳感器時，應(yīng)注意下面幾個問題：測量范圍；測量精度；可靠性；接口類型。2. 執(zhí)行器的確定執(zhí)行器相當(dāng)于整個系統(tǒng)的“手臂”，其重要性不言而喻。與選擇傳感器相對應(yīng)，在選擇執(zhí)行器時，應(yīng)考慮到下面幾個問題：輸出范圍；輸出精度；可靠性；接口類型。2PLC控制系統(tǒng)模塊的選擇在硬件設(shè)計(jì)中，對輸入、輸出點(diǎn)進(jìn)行估算是一個重要的工作，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)的確定一般來說，一個按鈕要占一個輸入點(diǎn)；一個光電開關(guān)要占一個輸入點(diǎn)；而對于選擇開關(guān)來說，一般有幾個位置就要占幾個輸入點(diǎn)；對各種位置開關(guān)一般占一個或兩個輸入點(diǎn)；一個信號燈占一個輸出點(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)際需要來確定，并預(yù)留出適當(dāng)?shù)膫溆命c(diǎn)即可。3. 存儲器容量的估算這里所說的存儲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器容量，而后者指的是存儲器中為用戶開放的部分。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）對于CPU模塊選擇，一般要考慮到以下幾個問題：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）存儲器（卡）容量5）對采樣周期、響應(yīng)速度的要求（2）在選擇擴(kuò)展模塊時，一般應(yīng)注意以下方面：1）模塊的電壓等級?？筛鶕?jù)現(xiàn)場設(shè)備與模塊間的距離來確定。當(dāng)外部線路較長時，可選用交流220V電源；當(dāng)外部線路較短，且控制設(shè)備相對較集中時，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。在通斷不頻繁的場合應(yīng)該選用繼電器輸出；在通斷頻繁的場合，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） 模擬量信號類型。模擬量信號傳輸應(yīng)盡量采用電流型信號傳輸。因?yàn)殡妷毫啃盘枠O易引入干擾，一般電壓信號僅用于控制設(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。一般來說，設(shè)計(jì)控制柜時應(yīng)考慮到下面幾個問題：（1）尺寸大小。要根據(jù)現(xiàn)場的安裝位置和空間，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)場不能安裝。而在外觀方面沒什么太嚴(yán)格的要求，只要看得簡潔明了就好。（2）電路圖。在設(shè)計(jì)控制柜的電路圖時，一方面要考慮到工業(yè)現(xiàn)場的環(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)在出問題時的可靠和安全。（5）其他。對于接線方式、接地保護(hù)、接線排的余量等問題，在設(shè)計(jì)時都要予以詳細(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，應(yīng)多查閱相關(guān)的I/O模塊以及傳感器和執(zhí)行器的手冊資料，對其連接的方式應(yīng)予以充分的了解。這樣在設(shè)計(jì)時才不會出現(xiàn)問題。同時還應(yīng)考慮到裕量問題，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)控制軟件是整個控制系統(tǒng)的“思想”。經(jīng)過工程師們漫長的摸索，總結(jié)出許多有用的開發(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，確保程序不會出現(xiàn)人為的錯誤。（2）可靠性。在滿足正確性的同時，也不可忽視。在設(shè)計(jì)時要設(shè)置事故報警、聯(lián)鎖保護(hù)等。還要對不同的工作設(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)了問題，或用戶想另增加功能時，能夠很容易的對其進(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，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，應(yīng)力求語句簡單、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)流程可大體上遵照圖1-3。2監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)一個很好的監(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，而且開發(fā)周期明顯縮短，節(jié)省了開發(fā)的成本。一般來說，監(jiān)控軟件在設(shè)計(jì)時，應(yīng)該包括以下幾個方面：（1）工藝流程界面。針對系統(tǒng)的總體流程，給操作員一個直觀的操作環(huán)境，同時對系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)也能實(shí)時的顯示。（2）操作控制界面。操作員可能對系統(tǒng)進(jìn)行開車、停車、手動/自動等一系列的操作，通過此界面可以很容易的操作。（3）趨勢曲線界面。在過程控制中，許多過程變量的變化趨勢對系統(tǒng)的運(yùn)行起著重要的影響，因此趨勢曲線在過程控制中尤為重要。（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）報警信息提示。當(dāng)出現(xiàn)報警時，系統(tǒng)會以非常明顯的方式來告訴操作員，同時對報警的信息也進(jìn)行歸檔。（6）相關(guān)參數(shù)設(shè)置。有些系統(tǒng)隨著時間的運(yùn)行，會一些參數(shù)會發(fā)生改變，操作員可根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對相應(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,我們分為三個片斷。這是最后一個片段，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，特別是在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時，對環(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 相對濕度 5%-95%（無凝結(jié)霜）振動和沖擊 滿足國際電工委員會標(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。溫度高時容易產(chǎn)生下列問題：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，超低溫時可能引起控制系統(tǒng)的動作不正常。特別是溫度的急劇變化（高低溫沖擊）時，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?？刂破鞑贿\(yùn)行時，由于溫度、濕度的急驟變化可能引起結(jié)露。結(jié)露后會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）振動和沖擊的影響一般可編程控制器能耐的振動和沖擊頻率為1055Hz，振幅為0.5mm，加速度為2g，沖擊為10g（g=10m/s2）。超過這個極限時，可能會引起電磁閥或斷路器誤動作，機(jī)械結(jié)構(gòu)松動，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作，絕緣性能變差和短路等，油和油霧可能會引起接觸不良和腐蝕塑料；腐蝕性氣體和鹽分可能會引起印刷板的底板或引線腐蝕，造成繼電器或開關(guān)類的可動部件接觸不良。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，為此必須針對具體應(yīng)用場合采取相應(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) 高溫對策如果控制系統(tǒng)的周圍環(huán)境溫度超過極限溫度（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，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) 低溫對策1) 盤、柜內(nèi)設(shè)置加熱器，冬季時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)置加熱器時要選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅?，以便能在高溫時自動切斷加熱器電源，低溫時自動接通電源。2) 停運(yùn)時，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，這種措施是有效的。3) 在溫度急驟變化的場合，不要打開盤、柜的門，以防冷空氣進(jìn)入。(3) 濕度不宜對策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、干燥的場合進(jìn)行檢修時，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）如果振動源來自盤、柜之外，可對相應(yīng)的盤、柜采用防振橡皮，以達(dá)到減振目的。同時亦可把盤柜設(shè)置在遠(yuǎn)離振源的地方，或者使盤柜與振源共振。2）如果振動來自盤、柜內(nèi)，則要把產(chǎn)生振動和沖擊的設(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有效，有時根據(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，雖說控制器的可靠性或安全性高，然而無論使用什么樣的硬件，故障總是難免的，特別是控制器，對用戶來說它是一個黑箱子，一旦出現(xiàn)故障，用戶一點(diǎn)辦法都沒有。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時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控制器，當(dāng)某一臺控制器出現(xiàn)故障時，可切換到另一臺控制器繼續(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/輸出都與兩臺控制器連接，當(dāng)某一臺控制器出現(xiàn)故障時，由主控制器或人為切換到另一臺控制器，使其繼續(xù)執(zhí)行控制任務(wù)。當(dāng)1號機(jī)的I0.0閉合，1號機(jī)執(zhí)行控制任務(wù)，當(dāng)2號機(jī)的I0.0閉合時，由2號機(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)改造的場合，原有的繼電器控制盤最好不要拆掉，應(yīng)保留其原來的功能，以便作為控制系統(tǒng)的后備手段使用。對于新建項(xiàng)目，最好不要采用此方案。因?yàn)樾∫?guī)模控制系統(tǒng)中的控制器造價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，還不如采用控制器可靠，這時采用雙機(jī)雙工熱后備控制系統(tǒng)方案為好。5. 手動運(yùn)行如圖1-6所示，將手操開關(guān)與輸出信號線連接，當(dāng)控制器出現(xiàn)故障時，由手操開關(guān)直接驅(qū)動負(fù)荷，仍能使系統(tǒng)運(yùn)行。圖1-6 手動運(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)試時用，或作為臨時后備用。這是因?yàn)槭植龠\(yùn)行時沒有系統(tǒng)聯(lián)鎖信號，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，應(yīng)不破壞控制器程序和數(shù)據(jù)。(3) 在控制系統(tǒng)部允許斷電的場合，要考慮供電電源的冗余。(4) 當(dāng)外部設(shè)備電源斷電時，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。這樣當(dāng)輸入/輸出供電斷電時不會影響控制器的供電。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，平時處于充電狀態(tài)，當(dāng)輸入交流電（220V）失電時，UPS能自動切換到輸出狀態(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。因此對于非長時間停電的系統(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)場調(diào)試兩個過程。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硬件來調(diào)試程序時，用接在輸入端的小開關(guān)或按鈕來模擬PLC實(shí)際的輸入信號，例如用它們發(fā)出操作指令，或在適當(dāng)?shù)臅r候用它們來模擬實(shí)際的反饋信號，例如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。通過輸出模塊上各輸出點(diǎn)對應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號是否滿足設(shè)計(jì)的要求?？捎檬孪染帉懞玫脑囼?yàn)程序?qū)ν獠拷泳€做掃描通電檢查來查找接線故障。不過為了安全考慮，最好將主電路斷開，當(dāng)確認(rèn)接線無誤后再連接主電路，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)場調(diào)試完成上述工作后，將PLC安裝在控制現(xiàn)場進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，在調(diào)試過程中將暴露出系統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬件接線等方面的問題，以及程序設(shè)計(jì)中的問題，應(yīng)對出現(xiàn)的這些問題，要及時加以解決?，F(xiàn)場調(diào)試是整個控制系統(tǒng)完成的重要環(huán)節(jié)。任何的系統(tǒng)設(shè)計(jì)很難說不經(jīng)過現(xiàn)場的調(diào)試就能正常使用。只有通過現(xiàn)場調(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；只有通過現(xiàn)場調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)控制電路和控制程序中存在的問題。在調(diào)試過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時與工藝人員溝通，確定其問題所在，及時對相應(yīng)硬件和軟件部分進(jìn)行調(diào)整。全部調(diào)試后，經(jīng)過一段時間試運(yùn)行，才能確認(rèn)程序正確可靠，才能正式投入正常使用。