淺談控制系統(tǒng)中PLC的合理選擇

淺談控制系統(tǒng)中PLC的合理選擇

合理選擇PLC，對(duì)于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要作用。本文就PLC的機(jī)型、I/O、存儲(chǔ)器類型及容量和編程器、外部設(shè)備幾個(gè)方面來說明選擇PLC應(yīng)該考慮的因素，并給出了兩個(gè)PLC應(yīng)用的實(shí)例。文章中盡管歸納了一些選用PLC的方法，但在實(shí)際工作中還一定要依據(jù)實(shí)際情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便設(shè)計(jì)出滿足期望的工業(yè)控制系統(tǒng)。

隨著PLC在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類越來越多，其結(jié)構(gòu)型號(hào)、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法等各不相同，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇 PLC，對(duì)于提高PLC在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要作用。

一、機(jī)型的選擇

我國市場(chǎng)上流行的有如下幾家PLC產(chǎn)品：

1．施耐德公司，包括早期天津儀表廠引進(jìn)莫迪康公司的產(chǎn)品，目前有Quantum、Premium、Momentum等產(chǎn)品；
2．羅克韋爾公司（包括AB公司）PLC產(chǎn)品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等；
3．西門子公司的產(chǎn)品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列產(chǎn)品；
4．GE公司的產(chǎn)品；
5．日本歐姆龍、三菱、富士、松下等，其中使用較多的是三菱公司F1、F2、FX2等系列產(chǎn)品。

PLC機(jī)型選擇的基本原則是：在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格比最優(yōu)的機(jī)型。通常做法是，在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場(chǎng)合，建議選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其他情況則最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC；對(duì)于開關(guān)量控制以及以開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的工程項(xiàng)目中，一般其控制速度無須考慮，因此，選用帶 A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿足要求；而在控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的工程項(xiàng)目中（如要實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等），可視控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機(jī)（其中高檔機(jī)主要用于大規(guī)模過程控制、全PLC的分布式控制系統(tǒng)以及整個(gè)工廠的自動(dòng)化等）。根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，表1列出了PLC的幾種功能選擇。

表1 PLC的功能及應(yīng)用場(chǎng)合

應(yīng)該注意的是，同一企業(yè)應(yīng)盡量做到機(jī)型統(tǒng)一。這樣，同一機(jī)型的PLC模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理；同時(shí)，其統(tǒng)一的功能及編程方法也有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；此外，由于其外部設(shè)備通用，資源可以共享，因此，配以上位計(jì)算機(jī)后即可把控制各獨(dú)立系統(tǒng)的多臺(tái)PLC聯(lián)成一個(gè)DCS系統(tǒng)，這樣便于相互通信，集中管理。

二、I/O的選擇

PLC在20世紀(jì)90年代已經(jīng)形成微、小、中、大、巨型多種PLC。按I/O點(diǎn)數(shù)分，可分為微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五種。

PLC與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過I/O接口模塊來實(shí)現(xiàn)的。PLC有許多I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

（一）確定I/O點(diǎn)數(shù)

根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需要的I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)再增加 10%～20%的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能。對(duì)于一個(gè)控制對(duì)象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)有所不同。表2列出了典型傳動(dòng)設(shè)備及常用電氣元件所需的開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)。

表2 典型傳動(dòng)設(shè)備及常用電氣元件所需的開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)

（二）開關(guān)量I/O

開關(guān)量I/O接口可從傳感器和開關(guān)（如按鈕、限位開關(guān)等）及控制設(shè)備（如指示燈、報(bào)警器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等）接收信號(hào)。典型的交流輸入/輸出信號(hào)為24～240V，直流輸入/輸出信號(hào)為5～240V。盡管輸入電路因制造廠家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于消除錯(cuò)誤信號(hào)的抖動(dòng)電路等。此外，大多數(shù)輸入電路在高壓電源輸入和接口電路的控制邏輯部分之間都設(shè)有可選的隔離電路。在評(píng)估離散輸出時(shí)，應(yīng)考慮熔絲、瞬時(shí)浪涌保護(hù)和電源與邏輯電路間的隔離電路。熔絲電路也許在開始時(shí)花費(fèi)較多，但可能比在外部安裝熔絲耗資要少。

（三）模擬量I/O

模擬量輸入/輸出接口一般用來感知傳感器產(chǎn)生的信號(hào)。這些接口可用于測(cè)量流量、溫度和壓力，并可用于控制電壓或電流輸出設(shè)備。這些接口的典型量程為-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造廠家在PLC上設(shè)計(jì)有特殊模擬接口，因而可接收低電平信號(hào)，如RTD、熱電偶等。一般來說，這類接口模塊可用于接收同一模塊上不同類型的熱電偶或RTD混合信號(hào)。

（四）特殊功能I/O

在選擇一臺(tái)PLC時(shí)，用戶可能會(huì)面臨一些特殊類型且不能用標(biāo)準(zhǔn)I/O實(shí)現(xiàn)的I/O限定（如定位、快速輸入、頻率等）。此時(shí)用戶應(yīng)當(dāng)考慮供銷廠商是否提供有特殊的有助于最大限度減小控制作用的模塊。有些特殊接口模塊自身能處理一部分現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而使CPU從繁重的任務(wù)處理中解脫出來。

（五）智能式I/O

當(dāng)前，PLC的生產(chǎn)廠家相繼推出了一些智能式的I/O模塊。一般智能式I/O模塊本身帶有處理器，可對(duì)輸入或輸出信號(hào)作預(yù)先規(guī)定的處理，并將處理結(jié)果送入CPU或直接輸出，這樣可提高PLC的處理速度并節(jié)省存儲(chǔ)器的容量。

綜上，表3歸納了選擇I/O模塊的一般規(guī)則。

表3 選擇PLC的I/O接口模塊的一般規(guī)則

三、存儲(chǔ)器類型及容量選擇

PLC系統(tǒng)所用的存儲(chǔ)器基本上由PROM、EPROM及RAM三種類型組成，存儲(chǔ)容量則隨機(jī)器的大小變化，一般小型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力低于6kB，中型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力可達(dá)64kB，大型機(jī)的最大存儲(chǔ)能力可上兆字節(jié)。使用時(shí)可以根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要來選用合適的機(jī)型，必要時(shí)也可專門進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)充設(shè)計(jì)。

PLC的存儲(chǔ)器容量選擇和計(jì)算的第一種方法是：根據(jù)編程使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算存儲(chǔ)器的實(shí)際使用容量。第二種為估算法，用戶可根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的，按照表4的公式來估算。為了使用方便，一般應(yīng)留有25%～30%的裕量，獲取存儲(chǔ)容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每條指令所用的字?jǐn)?shù)，用戶便可確定準(zhǔn)確的存儲(chǔ)容量。表4同時(shí)給出了存儲(chǔ)器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存儲(chǔ)器容量的方法

四、編程器和外部設(shè)備的選擇

在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中，PLC的編程問題是非常重要的。用戶應(yīng)當(dāng)對(duì)所選擇PLC產(chǎn)品的軟件功能及編程器有所了解。通常情況下，小型控制系統(tǒng)一般選用價(jià)格便宜的簡(jiǎn)易編程器，如果系統(tǒng)較大或多臺(tái)PLC共用，可以選用功能強(qiáng)、編程方便的圖形編程器。如果有個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以選用能在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件包。同時(shí)，為了防止因干擾、鋰電池電壓下降等原因破壞RAM中的用戶程序，可以選用EEP-ROM模塊作為外部設(shè)備。

五、實(shí)例

（一）利用三菱PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)印刷機(jī)的精確控制

印刷機(jī)的一套電氣設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了使產(chǎn)品性能穩(wěn)定，易于維護(hù)，采用以PLC為主控器的控制方案。印刷機(jī)要求易于操作，精度高，輸入、輸出點(diǎn)較多，因此采用雙機(jī)通訊。上位機(jī)采用三菱高性能的FX2N-80MR、FX2N-80MR自帶I/O接口，可以接40點(diǎn)輸入，40點(diǎn)輸出，主要負(fù)責(zé)主傳動(dòng)的控制，各機(jī)組離合器的控制，以及氣泵，氣閥的控制等。下位機(jī)采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32點(diǎn)輸入，32點(diǎn)輸出，主要負(fù)責(zé)水輥電機(jī)的控制，主傳動(dòng)的調(diào)速輸出，調(diào)版電機(jī)數(shù)據(jù)采集等。上位機(jī)與下位機(jī)采用RS485, 通訊，通訊方便，可靠。同時(shí)選用了一臺(tái)三菱5.7寸觸摸屏，主要負(fù)責(zé)水輥電機(jī)速度顯示，調(diào)版顯示，以及整機(jī)故障顯示等。本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)便直觀，大大提高了膠印機(jī)的檔次。

（二）歐姆龍（OMRON）PLC在石油加工工業(yè)中的應(yīng)用

在石油加工工業(yè)中，大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組是裝置設(shè)備的重要組成部分，重油催化裂化氣壓機(jī)組的聯(lián)鎖-自保系統(tǒng)從滿足工藝生產(chǎn)需求出發(fā)，考慮到安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性等因素，采用了OMRON公司生產(chǎn)的CPM2AH型PLC進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，CPM2AH自帶I/O接口，可以接36點(diǎn)輸入，24點(diǎn)輸出，輸出形式是繼電器，并且通過RS232C串口與PC機(jī)通訊，使生產(chǎn)過程表現(xiàn)穩(wěn)定，動(dòng)作可靠，在事故狀態(tài)下對(duì)機(jī)組及生產(chǎn)裝置實(shí)行了自我保護(hù)，杜絕了惡性事故的擴(kuò)大和蔓延，取得了顯著的效果。

六、結(jié)束語

隨著科技的不斷進(jìn)步，PLC的種類日益繁多，功能也逐漸增強(qiáng)。文章中盡管歸納了一些選用PLC的方法，但在實(shí)際工作中還一定要依據(jù)實(shí)際情況做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便設(shè)計(jì)出滿足期望的工業(yè)控制系統(tǒng)