PLC控制系統設計原則

　　1）實用性

　　實用性是控制系統設計的基本原則。工程師在研究被控對象的同時，還要了解控制系統的使用環境，使得所設計的控制系統能夠滿足用戶所有的要求。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應簡潔、方便。

　　2）可靠性

　　可靠性是控制系統極其重要的原則。對于一些可能會產生危險的系統，必須要保證控制系統能夠長期穩定、安全、可靠的運行，即使控制系統本身出現問題，起碼能夠保證不會出現人員和財產的重大損失。在系統規劃初期，應充分考慮系統可能出現的問題，提出不同的設計方案，選擇一種非?？煽壳逸^容易實施的方案；在硬件設計時，應根據設備的重要程度，考慮適當的備份或冗余；在軟件設計時，應采取相應的保護措施，在經過反復測試確保無大的疏漏之后方可聯機調試運行。

　　3）經濟性

　　這要求工程師在滿足實用性和可靠性的前提下，應盡量使系統的軟、硬件配置經濟、實惠，切勿盲目追求新技術、高性能。硬件選型時應以經濟、合用為準；軟件應當在開發周期與產品功能之間作相應的平衡。還要考慮所使用的產品是否可以獲得完備的技術資料和售后服務，以減少開發成本。

　　4）可擴展性

　　這要求工程師，在系統總體規劃時，應充分考慮到用戶今后生產發展和工藝改進的需要，在控制器計算能力和I/O端口數量上應當留有適當的裕量，同時對外要留有擴展的接口，以便系統擴展和監控的需要。

　　5）先進性

　　這要求工程師在硬件設計時，優先選用技術先進，應用成熟廣泛的產品組成控制系統，保證系統在一定時間內具有先進性，不致被市場淘汰。此原則與經濟性共同考慮，使控制系統具有較高的性價比。

　　PLC控制系統設計流程

　　設計控制系統時應遵循一定的設計流程，掌握設計流程，可以增加控制系統的設計效率和正確性。PLC控制系統的一般設計流程如圖1-1所示：

　　圖1-1  PLC控制系統設計流程圖

　　被控對象的分析與描述

　　分析被控對象就是要詳細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行深入的溝通，確保分析的全面而準確。在控制系統設計時，往往需要達到一些特定的指標和要求，即滿足實際應用或是客戶需求。在分析被控對象時，必須考慮這些指標和要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原則，準確地用工程化的方法描述被控對象，為控制系統設計打好基礎。

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　　1）系統規模

　　根據被控對象的工藝流程、復雜程度和客戶的技術要求確定系統的規模，可以分為大、中、小三種規模。確保硬件資源有一定裕量而不浪費。

　　小規?？刂葡到y適用于單機或小規模生產過程，以順序控制為主，信號多為開關量，且I/O點數較少（低于128點），精度和響應時間要求不高。一般選用S7-200就可達到控制要求

　　中等規模控制系統適用于復雜邏輯和閉環控制的生產過程，I/O點數較多（128點到512點之間），需要完成某些特殊功能，如PID控制等。一般選用S7-300等。

　　大規?？刂葡到y適用于大規模過程控制、DCS系統和工廠自動化網絡控制，I/O點數較多（高于512點），被控對象的工藝過程較復雜，對于精度和響應時間要求較高。應選用具有智能控制、高速通信、數據庫、函數運算等功能的高檔PLC，如S7-400等。

　　2）硬件配置

　　根據系統規模和客戶的技術對控制系統I/O點數進行估算。分析被控對象工藝過程，統計系統I/O點數和I/O類型。按照設備和生產區域的不同進行劃分，明確各個I/O點的位置和功能。再加上10%～20%的備用量列出詳細的I/O點清單。

　　3）軟件配置

　　根據控制系統設計要求選擇適合的軟件，包括系統平臺軟件、編程軟件。

　　上位機監控軟件的選擇。首先需考慮監控的點數限制；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

　　要正確的進行控制系統的規模選擇，首先要了解各家控制器的特性，比如性能參數、應用場合、行業解決方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一個控制系統，一般遵循以下幾點：

　　控制系統是否需要冗余、I/O信號模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余。

　　控制點數有多少，包括數字量輸入和輸出點數、模擬量輸入和輸出點數。

　　被控對象工藝是否復雜，是否需要實現特殊功能，比如防喘控制等。

　　系統正常運行時，控制器的負載率是否有足夠的工作裕量；I/O信號點是否需要一定的余量。

　　針對數字信號，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。

　　當系統和外部出現故障時，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先設置的安全值。如有要求，需考慮選用故障安全型的控制器和信號模塊。

　　當需要和第三方設備通訊時，需考慮通訊距離的長短，以及相應的通訊接口協議等，選用不同的通訊模塊。

　　針對系統中的重要連鎖信號，是否需要特殊的SOE模塊，來記錄信號變化的時間先后順序。

　　熟悉被控對象是設計控制系統的基礎。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的控制方案。

　　1）分析被控對象。詳細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行深入的溝通，確保分析得全面而準確。

　　2）畫出工藝流程圖。經過第一步，應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，為后面的系統設計做準備。

　　3）分析并明確控制任務。根據已經做好的工藝流程圖，工程師可以把用戶提出的控制要求轉換為專業術語，對其逐一進行分解，并從控制的角度將其中的要求轉化為多個控制回路。對于過程控制系統可用PID圖來表示其中的控制關系。

　　PLC控制系統總體設計

　　在控制系統設計之前，需要對系統的方案進行論證。主要是對整個系統的可行性作一個預測性的估計。在此階段一定要全面地考慮到設計和實施此系統將會遇到的各種問題。如果沒有做過相關項目的經驗，應當在實地仔細考察，并詳細地論證設計此系統中的每一個步驟的可行性。特別是在硬件實施階段中，稍有不慎，就會造成很大的麻煩，輕則系統不成功，重則會造成嚴重的人員和財產的損失。工程實施的過程中的阻礙，往往都是由于這一步沒有做足工夫而導致的。

　　系統的總體設計關系到整個系統的總體構架，每個細節都必須經過反復斟酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求；其次是確保系統的可靠性，不可以經常出現故障，就算出現故障也不會造成大的損失；然后在經濟性等方面予以考慮。

　　一般來說，在系統總體設計時，需要考慮下面幾個問題：

　　（1）確定系統是用PLC單機控制，還是PLC聯網控制；確定系統是采用遠程I/O還是本地I/O。主要根據系統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來說，PLC單機控制已基本能夠滿足功能要求。但也可借鑒集散控制系統的理念，即將危險和控制分散，管理與監控集中。這樣可以大大提高系統的可靠性。

　?。?）是否需要與其它部分通信。一個完整的控制系統，至少會包括三個部分：控制器、被控對象和監控系統。所以對于控制器來說，至少要跟監控系統之間進行通訊。至于是否跟另外的控制單元或部門通訊要根據用戶的要求來決定。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，在現場控制層級用PROFIBUS DP；而從現場控制層級到監控系統的通訊用PROFINET。但有時候也可互相通用，根據具體情況選擇合適的通信方式。

　?。?）是否需要冗余備份系統。根據系統的所要求的安全等級，選擇不同的辦法。在數據歸檔時，為了讓歸檔數據不丟失，可以使用OS服務器冗余；在自動化站（Automation Station，AS），為了使系統不會因故障而導致停機或不可預知的結果，可以使用控制器冗余備份系統。選擇適當的冗余備份，可以使系統的可靠性得到大幅提高。

　　在進行控制系統選型之前，首先考慮系統的網絡結構是怎樣搭建的，網絡結構示意圖如圖1-2所示。

　　確定系統的操作站、過程控制站的數目和位置，相互之間是怎樣連接的。是否需要工業以太網交換機。

　　一般情況下，現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，為保證信號的穩定可靠，會考慮用光纜來連接各自的交換機。同時，為了通訊線路的冗余，會考慮選用帶榮譽管理功能的工業以太網交換機，將現場操作站和過程控制站組成一個光纖環網。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通訊。

　　對于過程控制站和現場信號之間的連接，傳統的連接方式是將現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，信號傳輸會有損耗，尤其是模擬量信號。且當信號點很多時，布線也較復雜，浪費材料。所以，一般需在現場安裝分布式I/O從站（如果現場為危險區，需選用本質安全型的分布式I/O從站），將現場信號直接連接到I/O從站上，在通過現場總線的方式將信號傳送到過程控制站。

　　PLC作為實現自動化的重要基礎，了解、學習PLC成為了進入工控領域的一大敲門磚。