【文章內(nèi)容簡介】 額設(shè)計、冗余設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計、熱設(shè)計、電磁兼容設(shè)計 、動態(tài)設(shè)計 (健壯設(shè)計 )等內(nèi)容。 PLC作為一種高可靠性的控制裝置 ,在其所組成的控制系統(tǒng)中 ,系統(tǒng)的可靠性主要取決于與它的輸入、輸出端相連接 ,處于生產(chǎn)現(xiàn)場的輸入信號元件、輸出執(zhí)行元件的可靠性。因此 ,采用高質(zhì)量的元器件 ,對故障率較高的元器件進行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷 ,充分利用 PLC內(nèi)部豐富的軟元件代替某些元器件或者屏蔽輸入的誤信號 ,對關(guān)鍵部位采用冗余設(shè)計以確保工作可靠等 ,都是提高 PLC 控制系統(tǒng)可靠性的有效措施 [5]。 （ 1）盡量使用成熟技術(shù)和高質(zhì)量元器件 , 防范和化解故障風險 所謂“成熟技術(shù)”，是指所選用的 PLC和 類似的系統(tǒng)設(shè)計 ,經(jīng)歷過一定的生產(chǎn)實踐考驗 ,設(shè)計人員對需使用的技術(shù)有經(jīng)驗或有掌握它的能力。一般來說 ,設(shè)計一PLC 控制系統(tǒng)研究 12 個 PLC控制系統(tǒng) ,使用的成熟技術(shù)要占 75%以上。因為控制系統(tǒng)一旦投入運行 ,就很難有機會反復(fù)修改。 在設(shè)計的硬件電路和軟件程序中 ,如果存在某種欠缺 ,可能一直隱藏在系統(tǒng)中 ,不為人知。當遇到使其發(fā)生破壞作用的條件時 , 后果就非常嚴重了。只有選擇高質(zhì)量的元器件 ,才能使系統(tǒng)達到高的可靠性要求。元器件的可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性主要靠元器件的設(shè)計和制造來保證 ,使用可靠性則靠設(shè)計者正確的選擇和使用來保 證。因此 ,必須重視正確選擇和使用元器件 ,優(yōu)先選用經(jīng)實踐證明質(zhì)量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前途且供應(yīng)渠道可靠的標準元器件。 （ 2） 設(shè)計故障檢測程序 , 提高系統(tǒng)工作可靠性 控制系統(tǒng)工作循環(huán)各工步的運行一般都有嚴格的時間規(guī)定 ,以這些時間為參數(shù) ,在要檢測的工步動作開始的同時 ,起動一個定時器 ,監(jiān)測其工作狀態(tài)。定時器的設(shè)定值 , 為該工步動作所需要的最大可能時間。若動作在規(guī)定時間內(nèi)完成 ,發(fā)出一個完成信號 ,使定時器清零 ,表明監(jiān)控對象工作正常；否則 ,發(fā)出報警信號 ,停止正常工作循環(huán)程序。 在 PLC 控制系統(tǒng)工作正常時 ,各輸入、輸出信號和中 間記憶裝置之間存在確定的邏輯關(guān)系 , 一旦出現(xiàn)異常邏輯關(guān)系 ,必定是控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障。因此 , 可以預(yù)先編寫一些常見故障的異常邏輯程序加到用戶程序中。 （ 3）利用 PLC內(nèi)部定時器 , 屏蔽輸入的誤信號 PLC經(jīng)常用于控制生產(chǎn)機械的運動。有些機械的運動速度均勻 , 運動行程與時間關(guān)系確切。以自動循環(huán)控制中某行程開關(guān)為例 ,在每一個循環(huán)中 ,它總是在同一時刻動作 ,發(fā)出信號。由于現(xiàn)場工作條件惡劣 , 實際操作中可能因為振動等原因產(chǎn)生信號 , 使系統(tǒng)誤動作。如果編程時 ,用兩個內(nèi)部定時器 ,限定 PLC只在該開關(guān)正常發(fā)信號的時間內(nèi)采樣 ,屏 蔽掉其他時間內(nèi)可能發(fā)出的誤信號 , 就可提高 PLC輸入信號的可靠性。 （ 4） PLC內(nèi)部定時器與外部元器件結(jié)合 , 對某些關(guān)鍵部位進行雙重保護 為了提高 PLC控制系統(tǒng)的可靠性 ,對關(guān)鍵的故障或關(guān)鍵的部位要在硬件和軟件上設(shè)置雙重保護。以某自動焊接機的燃燒供氣系統(tǒng)控制為例 ,燃氣 (乙炔或丙烷 )的關(guān)火順序 (先關(guān)燃氣 ,后關(guān)氧氣 )不能顛倒 ,否則可能回火 ,引起爆炸。通常氧氣延時關(guān)斷的時間由外接的時間繼電器 K來調(diào)定。但是 , 如果該時間繼電器本身故障或操作失誤導致氧氣關(guān)斷延時太少 ,就可能顛倒關(guān)氣順序。為確保燃燒供氣系統(tǒng)安全可靠 , 可設(shè)定一 個 PLC內(nèi)部定時器 T0 作氧氣延時關(guān)斷的雙重保護。正常時 ,氧氣電磁閥由外部繼電器 KT控制 ,若 KT發(fā)生故障或設(shè)定時間太短 , T0 會自動使PLC 控制系統(tǒng)研究 13 氧氣電磁閥延時關(guān)斷 ,起到雙重保護的作用。 （ 5） 合理配置 PLC及其硬件和軟件資源冗余 在設(shè)計中、大型 PLC 控制系統(tǒng)時 ,可能要采取多種方式的冗余 ,以確保系統(tǒng)運行可靠。如在核電站、有毒有害的化工生產(chǎn)環(huán)境 ,中央處理器的雙機熱備、冷備冗余 ,是最常見方式。另外 ,雙系統(tǒng)冗余即中央處理器和全部輸入 /輸出、組網(wǎng)通信完全冗余 ,有時也是必不可少的。對于設(shè)計的新系統(tǒng) ,硬件和軟件資源不能占用耗盡 ,硬件 上至少保留 15%左右的冗余。在編制軟件時 ,同樣要注意估計用戶軟件對PLC和計算機資源的需要與用量。尤其是中間繼電器、中間數(shù)據(jù) ,如計數(shù)器、定時器的使用 , 要留有余地。因為程序在調(diào)試運行后 ,難免會提出修改、補充意見，有時甚至重新編寫。 在 PLC本身可靠性很高的情況下，影響 PLC控制系統(tǒng)可靠性的主要因素是與PLC 接口的輸入信號元件和輸出執(zhí)行元件。通過采用成熟技術(shù)和高質(zhì)量元器件 ,充分利用 PLC 內(nèi)部軟元件 ,設(shè)計 PLC 控制系統(tǒng)故障檢測與診斷程序 , 屏蔽輸入元件的誤信號 , 防止輸出元件誤動作 ,對關(guān)鍵元器件實行軟、硬 件雙重保護 , 合理配置 PLC 及其硬件和軟件資源的冗余等措施 ,就可以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠地運行。 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 （一） 分析被控對象并提出控制要求 詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，提出被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。 （二 ） 確定輸入／輸出設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與 PLC有關(guān) 的輸入 /輸出設(shè)備，以確定 PLC的 I/O點數(shù)。 （三） 選擇 PLC PLC選擇包括對 PLC的機型、容量、 I/O模塊、電源等的選擇 ， 不同型號的 PLC，PLC 控制系統(tǒng)研究 14 其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用 PLC，對于提高 PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標有著重要意義。 （四） 分配 I/O 點并設(shè)計 PLC 外圍硬件線路 （ 1） 分配 I/O點 畫出 PLC的 I/O點與輸入／輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表，該部分也可在第２步中進行。 （ 2） 設(shè)計 PLC外圍硬件線路 畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖， 包括主電路和未進入 PLC的控制電路等。 由 PLC的 I/O連接圖和 PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。 （五） 程序設(shè)計 （ 1） 程序設(shè)計 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，采用合適的設(shè)計方法來設(shè)計 PLC程序。程序要以滿足系統(tǒng)控制要求為主線，逐一編寫實現(xiàn)各控制功能或各子任務(wù)的程序，逐步完善系統(tǒng)指定的功能 [7]。除此之外，程序通常還應(yīng)包括以下內(nèi)容： 1）初始化程序。在 PLC上電后，一般都要做一些初始化的操作，為啟動作必要的準備，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。初始化程序的主要內(nèi)容有：對某些數(shù)據(jù)區(qū)、計數(shù)器等進行清零，對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進行恢復(fù)，對某些繼電器進行置位或復(fù)位，對某些初始狀態(tài)進行顯示等等。 2）檢測、故障診斷和顯示等程序。這些程序相對獨立，一般在程序設(shè)計基本完成時再添加。 3）保護和連鎖程序。保護和連鎖是程序中不可缺少的部分，必須認真加以考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂。 （ 2） 程序模擬調(diào)試 程序模擬調(diào)試的基本思想是，以方便的形式模擬產(chǎn)生 現(xiàn)場實際狀態(tài)，為程序的運行創(chuàng)造必要的環(huán)境條件。根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。 1）硬件模擬法是使用一些硬件設(shè)備（如用另一臺 PLC或一些輸入器件等）PLC 控制系統(tǒng)研究 15 模擬產(chǎn)生現(xiàn)場的信號，并將這些信號以硬接線的方式連到 PLC系統(tǒng)的輸入端，其時效性較強。 2）軟件模擬法是在 PLC 中另外編寫一套模擬程序，模擬提供現(xiàn)場信號，其簡單易行，但時效性不易保證。模擬調(diào)試過程中，可采用分段調(diào)試的方法，并利用編程器的監(jiān)控功能 （六） 硬件實施 硬件實施方面主要是進行控制柜（臺）等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。主要內(nèi)容有： 1) 設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖。 2)設(shè)計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖。 3)根據(jù)施工圖紙進行現(xiàn)場接線，并進行詳細檢查。 由于程序設(shè)計與硬件實施可同時進行，因此 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短。 （七） 聯(lián)機調(diào)試 聯(lián)機調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進一步進行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機調(diào)試過程應(yīng)循序漸進，從 PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實際負載等逐步進行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可 [8]。 全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正 常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到 EPROM中，以防程序丟失。 PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例 注塑機是一種 能一次成型外型復(fù)雜、尺寸精確或帶有 金屬嵌件的質(zhì)地密致的塑料制品 的塑料生產(chǎn)設(shè)備，它是 將粒狀或粉狀塑料加入機筒內(nèi)，并通過螺桿的旋轉(zhuǎn)和機筒外壁加熱使塑料成為熔融狀態(tài)，然后機器進行合模和注射座前移，使噴嘴貼緊模具的澆口道，接著向注射缸通人壓力油，使螺桿向前推進，從而以很高的壓力和較快的速度將熔料注入溫度較低的閉合模具內(nèi)，經(jīng)過一定時間和壓力保持（又稱保壓）、冷卻，使其固化成型，便可開模取出制品 ，從而得到所需 的成品 。 PLC 控制系統(tǒng)研究 16 注塑機示意圖如下 ： 它主要 由 注射部分、合模部分、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等 部分組成。 注塑機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 一、 PLC 選型的方法 隨著 PLC 的推廣普及， PLC 產(chǎn)品的種類越來越多，而且功能也日趨完善。 PLC的品種繁多，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各不相同，適用場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對于提高 PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟指標起著重要的作用。 二、 機型選擇的原則 機型選擇的基本原則是在滿足控制功能要求的前提下，保證系統(tǒng)工作可靠、 維護使用方便及最佳的性能價 格比。具體應(yīng)考慮的因素如下所述： （ 1）結(jié)構(gòu)合理 對于工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好、維修量較小的場合，選用整體式結(jié) 構(gòu)的 PLC；否則，選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC。 （ 2）功能強、弱適當 對于開關(guān)量控制的工程項目，若控制速度要求不高，一般選用抵擋的 PLC。 對于以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項目，可選用含有 A/DPLC 控制系統(tǒng)研究 17 轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和含有 D/A 轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，以及具有加減乘除運算和數(shù)據(jù)傳輸功能的 低檔機 的 PLC。 對于控制比較復(fù)雜、控制要求比較高的工程項目，如要實現(xiàn) PID 運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等 ，可根據(jù)控制規(guī)模及復(fù)雜程度的程度，選用中檔機或高檔機。其中高檔機主要用于大規(guī)模過程控制、全 PLC 的分布式控制系統(tǒng)和整個工廠的自動化等。 當系統(tǒng)的各個控制對象分布在不同地域時，應(yīng)根據(jù) 各 個部分的具體要求來選擇 PLC，以組成一個分布式的控制系統(tǒng)。 （ 3） 機型統(tǒng)一 PLC 的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩種。整體式結(jié)構(gòu)把 PLC 的 I/O 和 CPU 放在一塊印刷電路板上，并封裝在一個殼體內(nèi)，省去了插接環(huán)節(jié)，因此體積小、價格便宜。但由于整體式結(jié)構(gòu)的 PLC 功能有限，只適合于控制要求比較簡單的系統(tǒng)。一般大型的控制系統(tǒng)都使用模塊式結(jié)構(gòu)，這 樣功能易擴展，比整體式靈活。 （ 4） 是否在線編程 PLC 的特點之一是使用靈活。當被控設(shè)備的工藝過程改變時，只需用編程器 重新修改程序，就能滿足新的控制要求，給生產(chǎn)帶來很大方便。 （ 5） PLC 的環(huán)境適應(yīng)性 由于 PLC 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)計成能在惡劣的環(huán)境條件下可靠地工作。盡管如此，每種 PLC 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)計控制系統(tǒng)時，對環(huán)境條件要進行充分的考慮。 一般 PLC 及其外部電路（ I/O 模塊、輔助電源等）都能在下列環(huán)境條件下可靠工作： 溫度 工作溫度 0～ 55℃ 儲存溫度 40℃ ～ +85℃ 溫度 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準 電源 交流 220V，允許變化范圍為 15%～ +15%，頻率為 47～ 53Hz， 瞬間停電保持 10ms 環(huán)境 周圍空氣不能混有可燃性、爆炸性和腐蝕性氣體 對于需要應(yīng)用在特殊環(huán)境下的 PLC，要根據(jù)具體的情況進行合理的選擇。 三、 PLC 容量選擇 PLC 容量包括兩個方面：一是 I/O 的點數(shù)；二是用戶存儲器的容 量（字數(shù)）。 PLC 容量的選擇除滿足控制要求外，還應(yīng)留有適當?shù)脑Ａ?，以做備用。根?jù)經(jīng)驗，在選擇存儲容量時，一般按實際需要的 10%～ 25%考慮裕量。對于開關(guān)量控制系PLC 控制系統(tǒng)研究 18 統(tǒng)，存儲器字數(shù)為開關(guān)量乘以 8；對于有模擬量控制功能的 PLC，所需存儲器字數(shù)為模擬內(nèi)存單元數(shù)乘以 100。通常，一條邏輯指令占用存儲器一個字。計時、計數(shù)、移位及算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶钫加么鎯ζ鲀蓚€字。各種指令占存儲器的字數(shù)可查閱 PLC 產(chǎn)品使用手冊。 I/O 點數(shù)也應(yīng)留有適當裕量。由于目前 I/O 點數(shù)較多的 PLC 價格較高，若備用的 I/O 的點的數(shù)量太多，將使 成本增加。根據(jù)被控對象的輸入和輸出信號的總點數(shù)，并考慮到今后的調(diào)整和擴充，通常 I/O 點數(shù)按實際