在PLC系統(tǒng)設計時,首先應確定控制方案,下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據(jù)。PLC及有關設備應是集成的、標準的,按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應是在相關工業(yè)領域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng),PLC的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應與裝置規(guī)模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間,因此,工程設計選型和估算時,應詳細分析工藝過程的特點、控制要求,明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作,然后根據(jù)控制要求,估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等,最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。
一、輸入輸出(I/O)點數(shù)的估算
I/O點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?通常根據(jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù),再增加10%～20%的可擴展余量后,作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時,還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點,對輸入輸出點數(shù)進行圓整。
二、存儲器容量的估算
存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小,程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小,因此程序容量小于存儲器容量。設計階段,由于用戶應用程序還未編制,因此,程序容量在設計階段是未知的,需在程序調(diào)試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算,通常采用存儲器容量的估算來替代。
存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式,許多文獻資料中給出了不同公式,大體上都是按數(shù)字量I/O點數(shù)的10～15倍,加上模擬I/O點數(shù)的100倍,以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)(16位為一個字),另外再按此數(shù)的25%考慮余量。
三、控制功能的選擇
該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。
(一)運算功能
簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通PLC的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型PLC中還有模擬量的PID運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn),目前在PLC中都已具有通信功能,有些產(chǎn)品具有與下位機的通信,有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信,有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發(fā),合理選用所需的運算功能。大多數(shù)應用場合,只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能,有些應用需要數(shù)據(jù)傳送和比較,當用于模擬量檢測和控制時,才使用代數(shù)運算,數(shù)值轉換和PID運算等。要顯示數(shù)據(jù)時需要譯碼和編碼等運算。
(二)控制功能
控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等,應根據(jù)控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制,因此,大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制,有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能,提高PLC的處理速度和節(jié)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補償?shù)哪M單元、ASC碼轉換單元等。
(三)通信功能
大中型PLC系統(tǒng)應支持多種現(xiàn)場總線和標準通信協(xié)議(如TCP/IP),需要時應能與工廠管理網(wǎng)(TCP/IP)相連接。通信協(xié)議應符合ISO/IEEE通信標準,應是開放的通信網(wǎng)絡。
PLC系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口(RS2232C/422A/423/485)、RIO通信口、工業(yè)以太網(wǎng)、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線(含接口設備和電纜)應1:1冗余配置,通信總線應符合國際標準,通信距離應滿足裝置實際要求。
PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡中,上級的網(wǎng)絡通信速率應大于1Mbps,通信負荷不大于60%。PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡主要形式有下列幾種形式:1)PC為主站,多臺同型號PLC為從站,組成簡易PLC網(wǎng)絡；2)1臺PLC為主站,其他同型號PLC為從站,構成主從式PLC網(wǎng)絡；3)PLC網(wǎng)絡通過特定網(wǎng)絡接口連接到大型DCS中作為DCS的子網(wǎng)；4)專用PLC網(wǎng)絡(各廠商的專用PLC通信網(wǎng)絡)。
為減輕CPU通信任務,根據(jù)網(wǎng)絡組成的實際需要,應選擇具有不同通信功能的(如點對點、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng))通信處理器。
(四)編程功能
離線編程方式:PLC和編程器公用一個CPU,編程器在編程模式時,CPU只為編程器提供服務,不對現(xiàn)場設備進行控制。完成編程后,編程器切換到運行模式,CPU對現(xiàn)場設備進行控制,不能進行編程。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本,但使用和調(diào)試不方便。在線編程方式:CPU和編程器有各自的CPU,主機CPU負責現(xiàn)場控制,并在一個掃描周期內(nèi)與編程器進行數(shù)據(jù)交換,編程器把在線編制的程序或數(shù)據(jù)發(fā)送到主機,下一掃描周期,主機就根據(jù)新收到的程序運行。這種方式成本較高,但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便,在大中型PLC中常采用。
五種標準化編程語言:順序功能圖(SFC)、梯形圖(LD)、功能模塊圖(FBD)三種圖形化語言和語句表(IL)、結構文本(ST)兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準(IEC6113123),同時,還應支持多種語言編程形式,如C,Basic等,以滿足特殊控制場合的控制要求。
(五)診斷功能
PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置,軟件診斷分內(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進行診斷是內(nèi)診斷,通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。
PLC的診斷功能的強弱,直接影響對操作和維護人員技術能力的要求,并影響平均維修時間。
(六)處理速度
PLC采用掃描方式工作。從實時性要求來看,處理速度應越快越好,如果信號持續(xù)時間小于掃描時間,則PLC將掃描不到該信號,造成信號數(shù)據(jù)的丟失。
處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關。目前,PLC接點的響應快、速度高,每條二進制指令執(zhí)行時間約0.2～,因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期(處理器掃描周期)應滿足:小型PLC的掃描時間不大于；大中型PLC的掃描時間不大于。
四、機型的選擇
(一)PLC的類型
PLC按結構分為整體型和模塊型兩類,按應用環(huán)境分為現(xiàn)場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發(fā),通常可按控制功能或輸入輸出點數(shù)選型。
整體型PLC的I/O點數(shù)固定,因此用戶選擇的余地較小,用于小型控制系統(tǒng)；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡,因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點數(shù),功能擴展方便靈活,一般用于大中型控制系統(tǒng)。
(二)輸入輸出模塊的選擇
輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊,應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊,應考慮選用的輸出模塊類型,通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁,電感性低功率因數(shù)負荷場合,但價格較貴,過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等,與應用要求應一致。
可根據(jù)應用要求,合理選用智能型輸入輸出模塊,以便提高控制水平和降低應用成本。
考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。
(三)電源的選擇
PLC的供電電源,除了引進設備時同時引進PLC應根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設計和選用外,一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源,與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應用場合,應采用不間斷電源或穩(wěn)壓電源供電。
如果PLC本身帶有可使用電源時,應核對提供的電流是否滿足應用要求,否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC,對輸入和輸出信號的隔離是必要的,有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。
(四)存儲器的選擇
由于計算機集成芯片技術的發(fā)展,存儲器的價格已下降,因此,為保證應用項目的正常投運,一般要求PLC的存儲器容量,按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時,應選擇容量更大,檔次更高的存儲器。
(五)冗余功能的選擇
1．控制單元的冗余
(1)重要的過程單元:CPU(包括存儲器)及電源均應1B1冗余。
(2)在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯系統(tǒng)等。
2．I/O接口單元的冗余
(1)控制回路的多點I/O卡應冗余配置。
(2)重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。3)根據(jù)需要對重要的I/O信號,可選用2重化或3重化的I/O接口單元。
(六)經(jīng)濟性的考慮
選擇PLC時,應考慮性能價格比。考慮經(jīng)濟性時,應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素,進行比較和兼顧,最終選出較滿意的產(chǎn)品。
輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。每增加一塊輸入輸出卡件就需增加一定的費用。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后,相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加,因此,點數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應充分考慮,使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。
