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第8章可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計8.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則8.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟8.3可編程控制器的選型與硬件配置8.4節(jié)省I/O點數(shù)的方法8.5可編程控制器應(yīng)用中需注意的若干問題8.6小結(jié)習(xí)題
8.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則
任何一種控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求,以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此,在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時,應(yīng)遵循以下基本原則。
1.最大限度地滿足被控對象的控制要求
充分發(fā)揮PLC的功能,最大限度地滿足被控對象的控制要求,是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的首要前提,也是設(shè)計中最重要的一條原則。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計前要深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究,收集控制現(xiàn)場的資料,收集相關(guān)先進(jìn)的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合,擬定控制方案,共同解決設(shè)計中的重點問題和疑難問題。
2.保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠
保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定地運行,是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。這要求設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上全面考慮,以確??刂葡到y(tǒng)的安全和可靠。例如,應(yīng)該保證PLC程序不僅在正常條件下運行,在非正常情況下(如突然掉電再上電、按鈕按錯等)也能正常工作。
3.力求簡單、經(jīng)濟(jì),使用及維修方便
一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,但新工程的投入、技術(shù)的培訓(xùn)、設(shè)備的維護(hù)也將導(dǎo)致運行資金的增加。因此,在滿足控制要求的前提下,一方面要注意不斷地擴(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。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì),而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護(hù)方便,成本低,不宜盲目追求自動化和高指標(biāo)。
4.適應(yīng)發(fā)展的需要
由于隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,控制系統(tǒng)的要求也將不斷地提高,因此設(shè)計時要適當(dāng)考慮到今后控制系統(tǒng)的發(fā)展和完善需求。這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數(shù)和內(nèi)存容量時,要適當(dāng)留有裕量,以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)。
8.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟
圖8-1所示為PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟。圖8-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的一般步驟8.2.1分析控制對象的工藝要求
分析控制對象的工藝要求,指詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點,了解被控對象機(jī)、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。8.2.2確定輸入/輸出設(shè)備
確定輸入/輸出設(shè)備包括根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備(如按鈕、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、信號指示燈及其他執(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)。8.2.3選擇PLC
選擇PLC包括對PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇,詳見8.4節(jié)。
8.2.4分配I/O點
分配I/O點即指畫出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(jìn)行。8.2.5電氣控制線路的設(shè)計
電氣控制線路的設(shè)計指畫出系統(tǒng)其他部分的電氣線路圖,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。除此之外還應(yīng)進(jìn)行硬件實施。硬件實施方面主要是進(jìn)行控制臺(柜)等硬件的設(shè)計及現(xiàn)場施工。主要內(nèi)容有:
(1)設(shè)計控制臺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(jìn)行現(xiàn)場接線,并進(jìn)行詳細(xì)檢查。
由于程序設(shè)計與硬件實施可同時進(jìn)行,因此,PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短。8.2.6程序設(shè)計
程序設(shè)計即指根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,采用合適的設(shè)計方法(見第6章)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。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(zhǔn)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(jìn)行清零;對某些數(shù)據(jù)區(qū)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù);對某些繼電器進(jìn)行置位或復(fù)位;對某些初始狀態(tài)進(jìn)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)計基本完成時才添加。
(3)保護(hù)和連鎖程序。保護(hù)和連鎖程序是程序中不可缺少的部分,必須認(rèn)真考慮。它可以避免由于非法操作而引起的控制邏輯混亂現(xiàn)象。8.2.7控制系統(tǒng)模擬調(diào)試
控制系統(tǒng)模擬調(diào)試的基本思想是以方便的形式模擬生產(chǎn)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)生產(chǎn)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)模擬生產(chǎn)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(qiáng)。
(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。它簡單易行,但時效性不易保證。在模擬調(diào)試過程中,可采用分段調(diào)試的方法,并利用編程軟件的監(jiān)控功能。8.2.8現(xiàn)場調(diào)試
現(xiàn)場調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)?,F(xiàn)場調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn),按PLC只連接輸入設(shè)備,再連接輸出設(shè)備,再接上實際負(fù)載等過程逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求,則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部分程序即可。
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。8.2.9整理技術(shù)文件
技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等。
8.3可編程控制器的選型與硬件配置
隨著PLC技術(shù)的發(fā)展,PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的PLC,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(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)能力等方面綜合考慮。8.3.1PLC的機(jī)型選擇
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,力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點:
1)合理的結(jié)構(gòu)形式
PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)形式。
整體式PLC的每一個I/O點的平均價格比模塊式的便宜,且體積相對較小,一般用于系統(tǒng)工藝過程較為固定的小型控制系統(tǒng)中;而模塊式PLC的功能擴(kuò)展靈活方便,在I/O點數(shù)、輸入點數(shù)與輸出點數(shù)的比例、I/O模塊的種類等方面選擇余地大,且維修方便,一般用于較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。
2)安裝方式的選擇
PLC系統(tǒng)的安裝方式分為集中式、遠(yuǎn)程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。
集中式不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程I/O硬件,系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低;遠(yuǎn)程I/O式適用于大型系統(tǒng),系統(tǒng)的裝置分布范圍很廣,遠(yuǎn)程I/O可以分散安裝在現(xiàn)場裝置附近,連線短,但需要增設(shè)驅(qū)動器和遠(yuǎn)程I/O電源;多臺PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式適用于多臺設(shè)備分別獨立控制,又要相互聯(lián)系的場合,可以選用小型PLC,但必須要附加通信模塊。
3)相應(yīng)的功能要求
一般小型(低檔)PLC具有邏輯運算、定時、計數(shù)等功能,對于只需要開關(guān)量控制的設(shè)備都可滿足。
對于以開關(guān)量控制為主,帶少量模擬量控制的系統(tǒng),可選用能帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換單元,具有加減算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送功能的增強(qiáng)型低檔PLC。
對于控制較復(fù)雜,要求實現(xiàn)PID運算、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能的系統(tǒng),可視控制規(guī)模大小及復(fù)雜程度,選用中檔或高檔PLC。但是中、高檔PLC價格較貴,一般用于大規(guī)模過程控制和集散控制系統(tǒng)等場合。
4)響應(yīng)速度要求
PLC是為工業(yè)自動化設(shè)計的通用控制器,不同檔次PLC的響應(yīng)速度一般都能滿足其應(yīng)用范圍內(nèi)的需要。如果要跨范圍使用PLC,或者某些功能或信號有特殊的速度要求時,則應(yīng)該慎重考慮PLC的響應(yīng)速度。此時可選用具有高速I/O處理功能的PLC,或選用具有快速響應(yīng)模塊和中斷輸入模塊的PLC等。
5)系統(tǒng)可靠性的要求
對于一般系統(tǒng),PLC的可靠性均能滿足。對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)。
6)機(jī)型盡量統(tǒng)一
一個企業(yè),應(yīng)盡量做到PLC的機(jī)型統(tǒng)一。這是因為主要考慮了以下三方面問題:
(1)機(jī)型統(tǒng)一,其模塊可互為備用,便于備品備件的采購和管理。
(2)機(jī)型統(tǒng)一,其功能和使用方法類似,有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高。
(3)機(jī)型統(tǒng)一,其外部設(shè)備通用,資源可共享,易于聯(lián)網(wǎng)通信,配備上位計算機(jī)后易于形成一個多級分布式控制系統(tǒng)。8.3.2PLC的容量選擇
PLC的容量包括I/O點數(shù)和用戶存儲容量兩個方面。
1)?I/O點數(shù)的選擇
PLC的平均I/O點的價格比較高,因此應(yīng)該合理選用PLC的I/O點的數(shù)量,在滿足控制要求的前提下力爭使用的I/O點數(shù)最少,但必須留有一定的裕量。
通常,I/O點數(shù)是根據(jù)被控對象的輸入、輸出信號的實際需要,再加上10%~15%的裕量來確定的。
2)存儲容量的選擇
用戶程序所需的存儲容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān),而且還與功能實現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個有經(jīng)驗的程序員和一個初學(xué)者,在完成同一復(fù)雜功能時,其程序量可能相差25%之多,所以對于初學(xué)者來說,應(yīng)該在存儲容量估算時多留裕量。
PLC的I/O點數(shù)的多少在很大程度上反映了PLC系統(tǒng)的功能要求,因此可在I/O點數(shù)確定的基礎(chǔ)上,按下式估算存儲容量后,再加20%~30%的裕量。
存儲容量(字節(jié))?=?開關(guān)量I/O點數(shù)?×?10?+?模擬量I/O通道數(shù)?×?100
另外,在選擇存儲容量的同時,還應(yīng)注意對存儲器的類型的選擇。8.3.3I/O模塊的選擇
一般I/O模塊的價格占PLC價格的一半以上。PLC的I/O模塊有開關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊及各種特殊功能模塊等。不同的I/O模塊,其電路及功能也不同,直接影響PLC的應(yīng)用范圍和價格,應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際需要加以選擇。
1.開關(guān)量I/O模塊的選擇
1)開關(guān)量輸入模塊的選擇
開關(guān)量輸入模塊是用來接收現(xiàn)場輸入設(shè)備的開關(guān)信號,將信號轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部接受的低電壓信號,并實現(xiàn)PLC內(nèi)、外信號的電氣隔離的。選擇時應(yīng)主要考慮以下幾個方面:
(1)輸入信號的類型及電壓等級。開關(guān)量輸入模塊有直流輸入、交流輸入和交流/直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等考慮。直流輸入模塊的延遲時間較短,還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接;交流輸入模塊可靠性好,適合在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。開關(guān)量輸入模塊的輸入信號的電壓等級有:直流5V、12V、24V、48V、60V等;交流110V、220V等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近的場合,如5V輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過10m。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級較高的模塊。
(2)輸入接線方式。開關(guān)量輸入模塊主要有匯點式和分組式兩種接線方式,如圖8-2所示。圖8-2開關(guān)量輸入模塊的接線方式(a)匯點式輸入;(b)分組式輸入?yún)R點式的開關(guān)量輸入模塊的所有輸入點共用一個公共端(COM);而分組式的開關(guān)量輸入模塊是將輸入點分成若干組,每一組(幾個輸入點)有一個公共端,各組之間是分隔的。分組式的開關(guān)量輸入模塊價格較匯點式的高。如果輸入信號之間不需要分隔,一般選用匯點式的。
(3)注意同時接通的輸入點數(shù)量。對于選用的高密度的輸入模塊(如32點、48點等),應(yīng)考慮該模塊同時接通的點數(shù),一般不要超過輸入點數(shù)的60%。
(4)輸入門檻電平。為了提高系統(tǒng)的可靠性,必須考慮輸入門檻電平的大小。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說明書。
2)開關(guān)量輸出模塊的選擇
開關(guān)量輸出模塊用于將PLC內(nèi)部低電壓信號轉(zhuǎn)換成驅(qū)動外部輸出設(shè)備的開關(guān)信號,并實現(xiàn)PLC內(nèi)外信號的電氣隔離。選擇時應(yīng)主要考慮以下幾個方面:
(1)輸出方式。開關(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。
繼電器輸出的價格便宜,既可以用于驅(qū)動交流負(fù)載,又可以用于直流負(fù)載,而且適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小,同時承受瞬時過電壓和過電流的能力較強(qiáng)。但其屬于有觸點元件,動作速度較慢(驅(qū)動感性負(fù)載時,觸點動作頻率不得超過1Hz)、壽命較短、可靠性較差,只能適用于不頻繁通斷的場合。
對于頻繁通斷的負(fù)載,應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出,它們屬于無觸點元件。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。
(2)輸出接線方式。開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式,如圖8-3所示。
分組式輸出是幾個輸出點為一組,一組有一個公共端,各組之間是分隔的,可分別用于驅(qū)動不同電源的外部輸出設(shè)備;分隔式輸出是每一個輸出點有一個公共端,各輸出點之間相互隔離。選擇時主要根據(jù)PLC輸出設(shè)備的電源類型和電壓等級的多少而定。一般整體式PLC既有分組式輸出,也有分隔式輸出。圖8-3開關(guān)量輸出模塊的接線方式(a)分組式輸出;(b)分隔式輸出
(3)驅(qū)動能力。開關(guān)量輸出模塊的輸出電流(驅(qū)動能力)必須大于PLC外接輸出設(shè)備的額定電流。用戶應(yīng)根據(jù)實際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設(shè)備的電流較大,輸出模塊無法直接驅(qū)動,可增加中間放大環(huán)節(jié)。
(4)注意同時接通的輸出點數(shù)量。選擇開關(guān)量輸出模塊時,還應(yīng)考慮能同時接通的輸出點數(shù)量。同時接通輸出設(shè)備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值,如一個
220V/2A的8點輸出模塊,每個輸出點可承受2A的電流,但輸出公共端允許通過的電流并不是16A(8?×?2A),通常要比此值小得多。一般來講,同時接通的點數(shù)不要超出同一公共端輸出點數(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)。開關(guān)量輸出模塊的技術(shù)指標(biāo)與不同的負(fù)載類型密切相關(guān),特別是輸出的最大電流。另外,晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會降低,在實際使用中也應(yīng)注意。
2.模擬量I/O模塊的選擇
模擬量I/O模塊的主要功能是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,并與PLC內(nèi)部總線相連,同時為了安全,它也具有電氣隔離功能。模擬量輸入(A/D)模塊是將現(xiàn)場由傳感器檢測而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可接收的數(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)換為模擬量信號輸出。典型模擬量I/O模塊的量程為-10~+10V、0~+10V、4~20mA等,可根據(jù)實際需要選用,同時還應(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,可用來直接接收低電平信號(如RTD、熱電耦等信號)。
3.特殊功能模塊的選擇
目前,PLC制造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,如高速計數(shù)器、凸輪模擬器、位置控制模塊、PID控制模塊、通信模塊等。8.3.4電源模塊與外圍設(shè)備的選擇
1.電源模塊的選擇
電源模塊的選擇僅對于模塊式結(jié)構(gòu)的PLC而言,整體式PLC不存在電源的選擇問題。
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。電源模塊的輸出額定電流必須大于CPU模塊、I/O模塊和其他特殊模塊等消耗電流的總和,同時還應(yīng)考慮今后I/O模塊的擴(kuò)展等因素;電源輸入電壓一般根據(jù)現(xiàn)場的實際需要而定。
2.編程器的選擇
對于小型控制系統(tǒng)或不需要在線編程的系統(tǒng),一般選用價格便宜的簡易編程器。對于由中、高檔PLC構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)或需要在線編程的PLC系統(tǒng),可以選配功能強(qiáng)、編程方便的智能編程器,但智能編程器價格較貴。如果有現(xiàn)成的個人計算機(jī),也可以選用PLC的編程軟件,在個人計算機(jī)上實現(xiàn)編程器的功能。
3.寫入器的選擇
為了防止由于干擾或鋰電池電壓不足等原因破壞RAM中的用戶程序,可選用EPROM寫入器,通過它將用戶程序固化在EPROM中。有些PLC或其編程器本身就具有EPROM寫入的功能。
8.4節(jié)省I/O點數(shù)的方法
PLC在實際應(yīng)用中常碰到這樣兩個問題:一是PLC的I/O點數(shù)不夠,需要擴(kuò)展,然而增加I/O點數(shù)將提高成本;二是已選定的PLC可擴(kuò)展的I/O點數(shù)有限,無法再增加。因此,在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下,合理使用I/O點數(shù),盡量減少所需的I/O點數(shù)是很有意義的。下面將介紹幾種常用的減少I/O點數(shù)的措施。8.4.1減少輸入點數(shù)的措施
1.分組輸入
一般系統(tǒng)都存在多種工作方式,但系統(tǒng)同時又只選擇其中一種工作方式運行,也就是說,各種工作方式的程序不可能同時執(zhí)行。因此,可將系統(tǒng)輸入信號按其對應(yīng)的工作方式不同分成若干組,PLC運行時只會用到其中的一組信號,所以各組輸入可共用PLC的輸入點,這樣就使所需的輸入點減少了。如圖8-4所示,系統(tǒng)有“自動”和“手動”兩種工作方式。其中,S1~S8為自動工作方式用到的輸入信號;Q1~Q8為手動工作方式用到的輸入信號。兩組輸入信號共用PLC的輸入點X0~X7,如S1與Q1共用輸入點X0。用“工作方式”選擇開關(guān)SA來切換“自動”和“手動”信號的輸入電路,并通過X10讓PLC識別是“自動”還是“手動”,從而執(zhí)行自動程序或手動程序。圖8-4分組輸入圖中的二極管是為了防止出現(xiàn)寄生回路,產(chǎn)生錯誤輸入信號而設(shè)置的。例如,當(dāng)SA扳到“自動”位置時,若S1閉合,S2斷開,則雖然Q1、Q2閉合,也應(yīng)該是X0有輸入,而X1無輸入;但如果無二極管隔離,則電流從X0流出,經(jīng)Q2→Q1→S1→COM形成寄生回路,從而使得X1錯誤地接通。因此,必須串入二極管切斷寄生回路,以避免錯誤輸入信號的產(chǎn)生。
2.矩陣輸入
圖8-5所示為3?×?3矩陣輸入電路,它用PLC的三個輸出點Y0、Y1、Y2和三個輸入點X0、X1、X2來實現(xiàn)9個開關(guān)量輸入設(shè)備的輸入。圖中,輸出Y0、Y1、Y2的公共端COM與輸入繼電器的公共端COM連在一起。若Y0、Y1、Y2輪流導(dǎo)通,則輸入端X0、X1、X2也輪流得到不同的三組輸入設(shè)備的狀態(tài),即Y0接通時讀入Q1、Q2、Q3的通斷狀態(tài),Y1接通時讀入Q4、Q5、Q6的通斷狀態(tài),Y2接通時讀入Q7、Q8、Q9的通斷狀態(tài)。圖8-5矩陣輸入當(dāng)Y0接通時,如果Q1閉合,則電流從X0端流出,經(jīng)過D1→Q1→Y0端,再經(jīng)過Y0的觸點,從輸出公共端COM流出,最后流回輸入端COM,從而使輸入繼電器X0接通。在梯形圖程序中,應(yīng)該用Y0常開觸點和X0常開觸點的串聯(lián)來表示Q1提供的輸入信號。
圖中二極管也起切斷寄生回路的作用。采用矩陣輸入方法除了要按圖8-5的硬件連接外,還必須編寫對應(yīng)的PLC程序。由于矩陣輸入的信號是分時被讀入PLC的,因此讀入的輸入信號為一系列斷續(xù)的脈沖信號,在使用時應(yīng)注意這個問題。另外,應(yīng)保證輸入信號的寬度要大于Y0、Y1、Y2輪流導(dǎo)通一遍的時間,否則可能會丟失輸入信號。
3.組合輸入
對于不會同時接通的輸入信號,可采用組合編碼的方式輸入。如圖8-6(a)所示,三個輸入信號Q1、Q2、Q3只要占用兩個輸入點,再通過如圖8-6(b)所示程序的譯碼,則可還原成與Q1、Q2、Q3對應(yīng)的M0、M1、M2三個信號。采用這種方法時應(yīng)特別注意要保證各輸入開關(guān)信號不會同時接通。圖8-6組合輸入(a)硬件連接圖;(b)梯形圖程序
4.輸入設(shè)備多功能化
在傳統(tǒng)的繼電器電路中,一個主令電器(開關(guān)、按鈕等)只產(chǎn)生一種功能的信號。而在PLC系統(tǒng)中,可借助于PLC強(qiáng)大的邏輯處理功能,使得一個輸入設(shè)備在不同條件下,產(chǎn)生的信號作用不同。下面通過一個簡單的例子來說明。
圖8-7所示的梯形圖只用一個按鈕通過X0輸入去控制輸出Y0的通與斷。圖8-7用一個按鈕控制的啟動、保持、停止電路圖中,當(dāng)Y0斷開時,按下按鈕(X0接通),M0得電,使Y0得電并自鎖;再按一下按鈕,M0得電,由于此時Y0已得電,所以M1也得電,其常閉觸點使Y0斷開。即按一下按鈕,X0接通一次,Y0得電;再按一下按鈕,X0又接通次,Y0失電。改變了傳統(tǒng)繼電器控制中要用兩個按鈕(啟動按鈕和停止按鈕)的做法,從而減少了PLC的輸入點數(shù)。
同樣道理,我們可以用這種思路來實現(xiàn)一個具有三種或三種以上功能的輸入。
5.合并輸入
合并輸入即將某些功能相同的開關(guān)量輸入設(shè)備合并后輸入。如果是幾個常閉觸點,則串聯(lián)輸入;如果是幾個常開觸點,則并聯(lián)輸入。因此,幾個輸入設(shè)備就可共用PLC的一個輸入點。
6.某些輸入設(shè)備可不進(jìn)PLC
系統(tǒng)中有些輸入信號功能簡單、涉及面很窄,如某些手動按鈕、電動機(jī)過載保護(hù)的熱繼電器觸點等,因而就沒有必要作為PLC的輸入,將它們放在外部電路中同樣可以滿足要求,如圖8-8所示。圖8-8輸入信號設(shè)在PLC外部8.4.2減少輸出點數(shù)的措施
1.矩陣輸出
圖8-9中采用8個輸出組成4?×?4矩陣,可接16個輸出設(shè)備(負(fù)載)。要使某個負(fù)載接通工作,只要使所在的行與列對應(yīng)的輸出繼電器接通即可。例如,要使負(fù)載KM1得電工作,只需控制Y0和Y4輸出接通即可。圖8-9矩陣輸出應(yīng)該特別注意:當(dāng)只有某一行對應(yīng)的輸出繼電器接通時,各列對應(yīng)的輸出繼電器才可任意接通;或者當(dāng)只有某一列對應(yīng)的輸出繼電器接通時,各行對應(yīng)的輸出繼電器才可任意接通,否則將會出現(xiàn)錯誤接通負(fù)載的現(xiàn)象。因此,采用矩陣輸出時,必須將同一時間段接通的負(fù)載安排在同一行或同一列中,否則無法控制。
2.分組輸出
當(dāng)兩組輸出設(shè)備或負(fù)載不會同時工作時,可通過外部轉(zhuǎn)換開關(guān)或通過受PLC控制的電器觸點進(jìn)行切換,所以PLC的每個輸出點可以控制兩個不同時工作的負(fù)載。如圖8-10所示,KM1、KM3、KM5與KM2、KM4、KM6兩組不會同時接通,用轉(zhuǎn)換開關(guān)SA進(jìn)行切換。圖8-10分組輸出
3.并聯(lián)輸出
兩個通斷狀態(tài)完全相同的負(fù)載在并聯(lián)后可共用PLC的一個輸出點。但要注意,PLC輸出點同時驅(qū)動多個負(fù)載時,應(yīng)考慮PLC輸出點的驅(qū)動能力是否足夠。
4.輸出設(shè)備多功能化
利用PLC的邏輯處理功能,一個輸出設(shè)備可實現(xiàn)多種用途。例如在繼電器系統(tǒng)中,一個指示燈指示一種狀態(tài),而在PLC系統(tǒng)中,很容易實現(xiàn)用一個輸出點控制指示燈的常亮和閃爍,這樣一個指示燈就可指示兩種狀態(tài),既節(jié)省了指示燈,又減少了輸出點數(shù)。
5.某些輸出設(shè)備可不進(jìn)PLC
系統(tǒng)中某些相對獨立、比較簡單的控制部分,可直接采用PLC外部硬件電路實現(xiàn)控制。
以上一些常用的減少I/O點數(shù)的措施,僅供讀者參考,實際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)具體情況,靈活使用。同時應(yīng)該注意不要過份去減少PLC的I/O點數(shù),以免使外部附加電路變得復(fù)雜,從而影響系統(tǒng)的可靠性。
8.5可編程控制器應(yīng)用中
需注意的若干問題
雖然PLC具有很高的可靠性,并且有很強(qiáng)的抗干擾能力,但在過于惡劣的環(huán)境或安裝使用不當(dāng)?shù)惹闆r下,都有可能引起PLC內(nèi)部信息的破壞而導(dǎo)致控制混亂,甚至造成內(nèi)部元件損壞。為了提高PLC系統(tǒng)運行的可靠性,使用時應(yīng)注意以下幾個方面的問題。8.5.1工作環(huán)境
1.環(huán)境溫度適宜
各生產(chǎn)廠家對PLC的環(huán)境溫度都有一定的規(guī)定。通常PLC允許的環(huán)境溫度約在0~55℃。因此,安裝時不要把發(fā)熱量大的元件放在PLC的下方;PLC四周要有足夠的通風(fēng)散熱空間;不要把PLC安裝在陽光直接照射或離暖氣、加熱器、大功率電源等發(fā)熱器件很近的場所;安裝PLC的控制柜最好有通風(fēng)的百葉窗,如果控制柜溫度太高,應(yīng)該在柜內(nèi)安裝風(fēng)扇強(qiáng)迫通風(fēng)。
2.環(huán)境濕度適宜
PLC工作環(huán)境的空氣相對濕度一般要求小于85%,以保證PLC的絕緣性能。濕度太大會影響模擬量輸入/輸出裝置的精度。因此,不能將PLC安裝在結(jié)露、淋雨的場所。
3.注意環(huán)境污染
不宜把PLC安裝在有大量污染物(如灰塵、油煙、鐵粉等)、腐蝕性氣體和可燃性氣體的場所,尤其是有腐蝕性氣體的地方,易造成元件及印制線路板的腐蝕。如果只能安裝在這種場所,在溫度允許的條件下,可以將PLC封閉;或?qū)LC安裝在密閉性較高的控制室內(nèi),并安裝空氣凈化裝置。
4.遠(yuǎn)離振動和沖擊源
安裝PLC的控制柜應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離有強(qiáng)烈振動和沖擊的場所,尤其是有連續(xù)、頻繁振動的場所。必要時可以采取相應(yīng)措施來減輕振動和沖擊的影響,以免造成接線或插件的松動。
5.遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源
PLC應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源,如大功率晶閘管裝置、高頻設(shè)備和大型動力設(shè)備等,同時PLC還應(yīng)該遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁場和強(qiáng)放射源,以及易產(chǎn)生強(qiáng)靜電的地方。8.5.2安裝布線
1.注意電源安裝
電源是干擾進(jìn)入PLC的主要途徑。PLC系統(tǒng)的電源有兩類:外部電源和內(nèi)部電源。
外部電源是用來驅(qū)動PLC輸出設(shè)備(負(fù)載)和提供輸入信號的,又稱用戶電源。同一臺PLC的外部電源可能有多個規(guī)格。外部電源的容量與性能由輸出設(shè)備和PLC的輸入電路決定。由于PLC的I/O電路都具有濾波、隔離功能,因此外部電源對PLC性能影響不大。所以,對外部電源的要求不高。內(nèi)部電源是PLC的工作電源,即PLC內(nèi)部電路的工作電源。它的性能好壞直接影響到PLC的可靠性。因此,為了保證PLC的正常工作,對內(nèi)部電源有較高的要求。一般PLC的內(nèi)部電源都采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源或原邊帶低通濾波器的穩(wěn)壓電源。在干擾較強(qiáng)或可靠性要求較高的場合,應(yīng)該用帶屏蔽層的隔離變壓器對PLC系統(tǒng)供電。還可以在隔離變壓器二次側(cè)串接LC濾波電路。同時,在安裝時還應(yīng)注意以下問題:
(1)隔離變壓器與PLC和I/O電源之間最好采用雙絞線連接,以控制串模干擾。
(2)系統(tǒng)的動力線應(yīng)足夠粗,以降低大容量設(shè)備啟動時引起的線路壓降。
(3)?PLC輸入電路用外接直流電源時,最好采用穩(wěn)壓電源,以保證正確的輸入信號。否則可能使PLC接收到錯誤的信號。
2.遠(yuǎn)離高壓
PLC不能在高壓電器和高壓電源線附近安裝,更不能與高壓電器安裝在同一個控制柜內(nèi)。在柜內(nèi),PLC應(yīng)遠(yuǎn)離高壓電源線,二者間距離應(yīng)大于200mm。
3.合理地布線
(1)?I/O線、動力線及其他控制線應(yīng)分開走線,盡量不要在同一線槽中布線。
(2)交流線與直流線,輸入線與輸出線最好分開走線。
(3)開關(guān)量與模擬量的I/O線最好分開走線,對于傳送模擬量信號的I/O線最好用屏蔽線,且屏蔽線的屏敝層應(yīng)一端接地。
(4)?PLC的基本單元與擴(kuò)展單元之間電纜傳送的信號小、頻率高,很容易受干擾,不能與其他的連線敷埋在同一線槽內(nèi)。
(5)?PLC的I/O回路配線必須使用壓接端子或單股線,不宜用多股絞合線直接與PLC的接線端子連接,否則容易出現(xiàn)火花。
(6)與PLC安裝在同一控制柜內(nèi),雖不是由PLC控制的感性元件,也應(yīng)并聯(lián)RC或二極管消弧電路。8.5.3對某些輸入信號的處理
有些輸入信號只能由常閉觸點提供。圖8-11(a)是控制電動機(jī)的繼電器電路圖。其中,SBl和SB2分別是啟動按鈕和停止按鈕,如果將它們的常開觸點接到PLC的輸入端,則梯形圖中的觸點類型與繼電器電路的觸點類型完全一致。如果接入PLC的是SB2的常閉觸點,按圖8-11(b)中的SB2,則X1的常閉觸點斷開,X1的常開觸點接通。顯然,在梯形圖中應(yīng)將X1的常開觸點與Y0的線圈串聯(lián),如圖8-11(c)所示。圖8-11常閉觸點輸入電路但是這時在梯形圖中所用的X1的觸點的類型與PLC外接SB2的常開觸點剛好相反,與繼電器電路圖中的習(xí)慣也是相反的。建議盡可能采用常開觸點作為PLC的輸入信號。
如果某些信號只能用常閉觸點輸入,可以按輸入全部為常開觸點來設(shè)計,然后將梯形圖中相應(yīng)的輸入繼電器的觸點改為相反的觸點,即常閉觸點改為常開觸點。8.5.4PLC的安全保護(hù)
1.短路保護(hù)
當(dāng)PLC輸出設(shè)備短路時,為了避免PLC內(nèi)部輸出元件損壞,應(yīng)該在PLC外部輸出回路中裝上熔斷器,以進(jìn)行短路保護(hù)。最好在每個負(fù)載的回路中都裝上熔斷器。
2.互鎖與聯(lián)鎖措施
除在程序中保證電路的互鎖關(guān)系外,PLC外部接線中還應(yīng)該采取硬件的互鎖措施,以確保系統(tǒng)安全可靠地運行。如進(jìn)行電動機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制時,要利用接觸器KM1、KM2常閉觸點在PLC外部進(jìn)行互鎖。在不同電動機(jī)或電器之間有聯(lián)鎖要求時,最好也在PLC外部進(jìn)行硬件聯(lián)鎖。采用PLC外部的硬件進(jìn)行互鎖與聯(lián)鎖,是PLC控制系統(tǒng)中常用的做法。
3.失壓保護(hù)與緊急停車措施
PLC外部負(fù)載的供電線路應(yīng)具有失壓保護(hù)措施,當(dāng)臨時停電再恢復(fù)供電時,不按下“啟動”按鈕,PLC的外部負(fù)載就不能自行啟動。這種接線方法的另一個作用是,當(dāng)特殊情況下需要緊急停機(jī)時,按下“停止”按鈕就可以切斷負(fù)載電源,而與PLC毫無關(guān)系。
4.正確的接地
良好的接地是PLC安全、可靠運行的重要條件。為了抑制干擾,PLC一般最好單獨接地,與其他設(shè)備分別使用各自的接地裝置,如圖8-12(a)所示。也可以采用公共接地,如圖8-12(b)所示。但禁止使用如圖8-12(c)所示的串聯(lián)接地方式,因為這種接地方式會產(chǎn)生PLC與設(shè)備之間的電位差。圖8-12PLC的接地(a)分別接地;(b)公共接地;(c)串聯(lián)接地
PLC的接地線應(yīng)盡量短,使接地點盡量靠近PLC。同時,接地電阻要小于100Ω,接地線的截面應(yīng)大于2mm2。
另外,PLC的CPU單元必須接地,若使用了I/O擴(kuò)展單元等,則CPU單元應(yīng)與它們具有共同的接地體,而且從任一單元的保護(hù)接地端到地的電阻都不能大于100Ω。8.5.5冗余系統(tǒng)與熱備用系統(tǒng)
某些控制系統(tǒng)(如化工、造紙、冶金、核電站等)要求有極高的可靠性,如果控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障,由此引起停產(chǎn)或設(shè)備損壞,將造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,僅僅通過提高PLC控制系統(tǒng)的自身可靠性是滿足不了要求的。在這種要求具有極高可靠性的大型系統(tǒng)中,常采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)來有效地解決上述問題。
1.冗余系統(tǒng)
所謂冗余系統(tǒng),是指系統(tǒng)中有多余的部分,沒有它系統(tǒng)照樣工作,但在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,這多余的部分能立即替代故障部分而使系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。冗余系統(tǒng)一般是在控制系統(tǒng)中最重要的部分(如CPU模塊),由兩套相同的硬件組成,當(dāng)某一套出現(xiàn)故障時立即由另一套來控制。是否使用兩套相同的I/O模塊,取決于系統(tǒng)對可靠性的要求程度。如圖8-13(a)所示,兩套CPU模塊使用相同的程序并行工作,其中一套為主CPU模塊,另一套為備用CPU模塊。在系統(tǒng)正常運行時,備用CPU模塊的輸出被禁止,由主CPU模塊來控制系統(tǒng)的工作。同時,主CPU模塊還不斷通過冗余處理單元(RPU)同步地對備用CPU模塊的I/O映像寄存器和其他寄存器進(jìn)行刷新。當(dāng)主CPU模塊發(fā)出故障信息后,RPU在1~3個掃描周期內(nèi)將控制功能切換到備用CPU。I/O系統(tǒng)的切換也是由RPU來完成的。圖8-13冗余系統(tǒng)與熱備用系統(tǒng)(a)冗余系統(tǒng);(b)熱備用系統(tǒng)
2.熱備用系統(tǒng)
熱備用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較冗余系統(tǒng)簡單,雖然也有兩個CPU模塊在同時運行一個程序,但沒有冗余處理單元RPU。系統(tǒng)的兩個CPU模塊的切換是由主CPU模塊通過通信口與備用CPU模塊進(jìn)行通信來完成的。如圖8-13(b)所示,兩套CPU通過通信接口連在一起。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,由主CPU通知備用CPU,并實現(xiàn)切換,其切換過程一般較慢。8.5.6PLC的通信網(wǎng)絡(luò)
依靠先進(jìn)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因此,網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著,甚至有人提出“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”的觀點。
PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能,它使PLC與PLC
之間、PLC與上位計算機(jī)以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息,形成一個統(tǒng)一的整體,實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù)PLC具有RS-232接口,還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。
PLC的通信還未實現(xiàn)互操作性,IEC規(guī)定了多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),PLC各廠家均有采用。
對于一個自動化工程(特別是中大規(guī)模控制系統(tǒng))來講,選擇網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。首先,網(wǎng)絡(luò)必須是開放的,以方便不同設(shè)備的集成及未來系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)展。其次,針對不同網(wǎng)絡(luò)層次的傳輸性能要求,選擇網(wǎng)絡(luò)的形式,這必須在較深入地了解該網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、機(jī)制的前提下進(jìn)行。再次,綜合考慮系統(tǒng)成本、設(shè)備兼容性、現(xiàn)場環(huán)境適用性等具體問題,確定不同層次所使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。8.5.7PLC的日常維護(hù)
PLC的可靠性很高,但環(huán)境的影響及內(nèi)部元件的老化等因素,也會造成PLC不能正常工作。如果等到PLC報警或故障發(fā)生后再去檢查、修理,總歸是被動的。如果能經(jīng)常定期地做好維護(hù)、檢修,就可以做到系統(tǒng)始終工作在最佳狀態(tài)下。因此,定期檢修與做好日常維護(hù)是非常重要的。一般情況下,檢修時間以每6個月至1年1次為宜。當(dāng)外部環(huán)境條件較差時,可根據(jù)具體情況縮短檢修時間間隔。
PLC日常維護(hù)檢修的一般內(nèi)容如表8-1所示。表8-1PLC維護(hù)檢修的項目和內(nèi)容8.5.8PLC的故障診斷
任何PLC都具有自診斷功能,當(dāng)PLC異常時應(yīng)該充分利用其自診斷功能來分析故障原因。一般當(dāng)PLC發(fā)生異常時,首先應(yīng)檢查電源電壓、PLC及I/O端子的螺絲和接插件是否松動,以及有無其他異常;然后再根據(jù)PLC基本單元上設(shè)置的各種LED的指示燈狀況,檢查PLC自身和外部有無異常。
下面以FX系列PLC為例,說明根據(jù)LED指示燈狀況診斷PLC故障原因的方法。
1.電源指示([POWER]LED指示)
當(dāng)向PLC基本單元供電時,基本單元表面上設(shè)置的[POWER]LED指示燈會亮。如果電源合上但[POWER]LED指示燈不亮,則應(yīng)確認(rèn)電源接線。另外,若同一電源有驅(qū)動傳感器等時,應(yīng)確認(rèn)有無負(fù)載短路或過電流。若不是上述原因,則可能是PLC內(nèi)混入導(dǎo)電性異物或其他異常情況,使基本單元內(nèi)的保險絲熔斷,此時可通過更換保險絲來解決。
2.出錯指示([EPROR]LED閃爍)
當(dāng)程序語法錯誤(如忘記設(shè)定定時器或計數(shù)器的常數(shù)等),或有異常噪音、導(dǎo)電性異物混入等原因而引起程序內(nèi)存的內(nèi)容變化時,[EPROR]LED燈會閃爍,PLC處于STOP狀態(tài),同時輸出全部變?yōu)镺FF。在這種情況下,應(yīng)檢查程序是否有錯,檢查有無導(dǎo)電性異物混入和高強(qiáng)度噪音源。
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