第8章可編程控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

第八章PLC控制系統(tǒng)實(shí)例8.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

在設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則：

最大限度地滿足控制要求

充分發(fā)揮PLC功能，最大限度地滿足被控對(duì)象的控制要求，是設(shè)計(jì)中最重要的一條原則。設(shè)計(jì)人員要深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料。同時(shí)要注意和現(xiàn)場(chǎng)工程管理和技術(shù)人員及操作人員緊密配合，共同解決重點(diǎn)問(wèn)題和疑難問(wèn)題。保證系統(tǒng)的安全可靠

保證PLC控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用與維修方便

在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地?cái)U(kuò)大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。不宜盲目追求自動(dòng)化和高指標(biāo)。適應(yīng)發(fā)展的需要

適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。8.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟1）分析被控對(duì)象并提出控制要求詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。2）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(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號(hào)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(diǎn)數(shù)。8.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟3）選擇PLCPLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路分配I/O點(diǎn)：畫出PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。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(jìn)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。8.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟5）程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)：1）控制程序；2）初始化程序；3）檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序；4）保護(hù)和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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。6）硬件實(shí)施設(shè)計(jì)控制柜和操作臺(tái)等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查。由于程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)施可同時(shí)進(jìn)行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短。8.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟7）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過(guò)模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過(guò)程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)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。8）整理和編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說(shuō)明書(shū)等。8.3PLC的選擇隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多。不同型號(hào)的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。

8.3.1PLC機(jī)型的選擇PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：合理的結(jié)構(gòu)型式PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。安裝方式的選擇安裝方式有集中式、遠(yuǎn)程I／O式以及多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。相應(yīng)的功能要求響應(yīng)速度要求系統(tǒng)可靠性的要求對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)機(jī)型盡量統(tǒng)一便于備品備件的采購(gòu)和管理；有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高，外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信。8.3.2PLC容量的選擇I／O點(diǎn)數(shù)的選擇在滿足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的I／O點(diǎn)最少。需要加上10％~15％的裕量。存儲(chǔ)容量的選擇存儲(chǔ)容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，還與功能實(shí)現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的程序員和一個(gè)初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時(shí)，其程序量可能相差25％之多。在I／O點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按估算公式估計(jì)存儲(chǔ)容量后，再加20％~30％的裕量。

存儲(chǔ)容量選擇的同時(shí)，注意對(duì)存儲(chǔ)器的類型的選擇。

8.3.3I／O模塊的選擇開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇

1）輸入信號(hào)的類型及電壓等級(jí)有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入三種類型。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)和周圍環(huán)境因素等。

直流輸入模塊的延遲時(shí)間較短，還可以直接與接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；

交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境。開(kāi)關(guān)量輸入模塊的電壓等級(jí)有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。

選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來(lái)考慮。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于傳輸距離較近場(chǎng)合，如5Ｖ輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過(guò)１０米。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級(jí)較高的。

2）輸入接線方式

主要有匯點(diǎn)式和分組式兩種接線方式

開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇

3）注意同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量對(duì)于選用高密度的輸入模塊(如32點(diǎn)、48點(diǎn)等)，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過(guò)輸入點(diǎn)數(shù)的60％。

4）輸入門檻電平門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱PLC說(shuō)明書(shū)。開(kāi)關(guān)量輸出模塊的選擇

1）輸出方式開(kāi)關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式

繼電器輸出：價(jià)格便宜，可以驅(qū)動(dòng)交、直流負(fù)載，適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，但動(dòng)作速度較慢（驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)動(dòng)作頻率不超過(guò)1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場(chǎng)合。對(duì)于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無(wú)觸點(diǎn)元件。但晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，而晶體管輸出只能用于直流負(fù)載。

開(kāi)關(guān)量輸出模塊的選擇

2）輸出接線方式開(kāi)關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式開(kāi)關(guān)量輸出模塊的選擇

3）驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)備的電流大小來(lái)選擇輸出模塊的輸出電流。如果實(shí)際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，可增加中間放大環(huán)節(jié)。

4）注意同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)量

同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過(guò)的電流值一般來(lái)講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的60％

5）輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān)與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，特別是輸出的最大電流。晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。

模擬量I/O模塊的選擇

模擬量輸入（A/D）模塊是將現(xiàn)場(chǎng)由傳感器檢測(cè)而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可接受的數(shù)字量；

模擬量輸出(D/A)模塊是將PLC內(nèi)部的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)輸出。典型模擬量I/O模塊的量程為-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根據(jù)實(shí)際需要選用，同時(shí)還應(yīng)考慮其分辨率和轉(zhuǎn)換精度等因素。一些PLC制造廠家還提供特殊模擬量輸入模塊，可用來(lái)直接接收低電平信號(hào)（如RTD、熱電偶等信號(hào)）特殊功能模塊的選擇

PLC廠家相繼推出了一些具有特殊功能的I/O模塊，有的還推出了自帶CPU的智能型I/O模塊，如高速計(jì)數(shù)器、凸輪模擬器、位置控制模塊、PID控制模塊、通信模塊等電源模塊及其它外設(shè)的選擇電源模塊的選擇電源模塊選擇僅對(duì)于模塊式結(jié)構(gòu)的PLC而言，對(duì)于整體式PLC不存在電源的選擇。電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓汽包水位、蒸汽壓力、蒸汽溫度、蒸汽流量、給水流量、給水溫度、給水壓力、爐膛負(fù)壓、鼓風(fēng)機(jī)出口壓力、除塵器后煙氣壓力、爐膛溫度、排煙溫度、鼓風(fēng)轉(zhuǎn)速、引風(fēng)轉(zhuǎn)速、爐排轉(zhuǎn)速，給煤轉(zhuǎn)速共16個(gè)蒸汽鍋爐模擬量輸入：蒸汽鍋爐模擬量輸出：給水控制輸出鼓風(fēng)控制輸出引風(fēng)控制輸出爐排控制輸出8.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例

鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)鍋爐控制系統(tǒng)分析檢測(cè)參數(shù)蒸汽壓力、蒸汽流量、蒸汽溫度、汽包水位、給水壓力、給水流量、給水溫度、爐膛溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量、爐排轉(zhuǎn)速、排煙溫度、省煤器前、后煙溫、省煤器前后水溫、預(yù)熱器后風(fēng)溫、（鼓風(fēng)壓力（風(fēng)量）、引風(fēng)出口壓力、除塵后風(fēng)壓各控制回路閥位控制回路汽包水位控制通過(guò)調(diào)節(jié)給水閥門開(kāi)度控制汽包水位蒸汽壓力控制通過(guò)調(diào)節(jié)爐排轉(zhuǎn)速（進(jìn)煤量調(diào)節(jié)蒸汽壓力）鼓風(fēng)控制與爐排轉(zhuǎn)速成比例爐膛負(fù)壓控制通過(guò)調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制爐膛內(nèi)壓力保持微負(fù)壓蒸汽溫度控制通過(guò)調(diào)節(jié)減溫水流量控制蒸汽溫度鍋爐控制系統(tǒng)分析蒸汽鍋爐開(kāi)關(guān)量輸入：給水控制手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)鼓風(fēng)控制手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)引風(fēng)控制手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)爐排控制手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)蒸汽溫度控制手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)蒸汽鍋爐開(kāi)關(guān)量輸出：汽包水位聯(lián)鎖輸出蒸汽壓力聯(lián)鎖輸出報(bào)警輸出I/O統(tǒng)計(jì)AI=26AO=5DI=5DO=3模塊選擇CPU-1769L35E電源5AAI模塊1769IF4選4塊AO=51769IF4XOF2選3塊DI=5，DO=3選1769IQ6XOW4一塊可以分成兩段，用1769CRL3或1769CRR3連接電纜連接兩個(gè)段，每段需要一個(gè)電源控制方案控制算法限幅