摘要:從如何確定可編程序控制器(PLC I/O點數(shù)、所需存儲器容量、PLC的功能、外部設備特性等幾方面，探討了如何選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統(tǒng)。 關鍵詞:可編程序控制器;存儲器;控制;通信;編程;冗余　　中圖分類號:TP311 文獻標識碼:B 文章編號:1007-7324(2005)05-0022-03 作者簡介：白新莊(北京燕化石油化工設計院，北京10250) 　　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。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，然后根據控制要求，估算輸人輸出點數(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)。 　　1 、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，作為輸人輸出點數(shù)估算數(shù)據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸人輸出點數(shù)進行圓整。 　　2 、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。 　　3 、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。 　　3.1 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，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或上位機的通信，有些產品還具有與工廠或企業(yè)網進行數(shù)據通信的功能。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)據時需要譯碼和編碼等運算。 　　3.2 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人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。 　　3.3 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(TCP/IP)相連接。通信協(xié)議應符合ISO/IEEE通信標準，應是開放的通信網絡。 　　PLC系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口(RS-232C/422A/423/485), RIO通信口、工業(yè)以太網、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)的通信網絡中，上級的網絡通信速率應大于1 Mbps，通信負荷不大于60 0 o o PLC系統(tǒng)的通信網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網絡;2)1臺PLC為主站，其他同型號PLC為從站，構成主從式PLC網絡;3) PLC網絡通過特定網絡接口連接到大型DCS中作為DCS的子網;4)專用PLC網絡(各廠商的專用PLC通信網絡) 　　為減輕CPU通信任務，根據網絡組成的實際需要，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)通信處理器。 　　3.4 編程功能 　　PLC的編程有離線編程和在線編程兩種，設計時應根據應用要求合理選用。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與編程器進行數(shù)據交換，編程器把在線編制的程序或數(shù)據發(fā)送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。 　　5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(IEC61131-3 )，同時，還應支持多種語言編程形式，如C, Basi。等，以滿足特殊控制場合的控制要求。 　　3.5 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，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸人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。 　　3.6 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)據的丟失。 　　處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質量等有關。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. 2-0.4 /As，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0. 5 ms/K;大中型PLC的掃描時間不大于0. 2 ms/K. 　　4 、機型的選擇　　4. 1 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?？砂纯刂乒δ芑蜉斎溯敵鳇c數(shù)選型。 　　整體型PLC的1/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1/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1/O點數(shù)，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)?！　?.2 輸入輸出模塊的選擇 　　輸人輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統(tǒng)一。例如對輸人模塊，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。 　　可根據應用要求，合理選用智能型輸人輸出模塊，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1/O機架等?！　?.3 電源的選擇 　　PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據產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220 V AC電源，與國內電網電壓一致。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，對輸人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?！　?.4 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1/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。　　4.5 冗余功能的選擇 　　4.5.1 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1，1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。 　　4.5.2 1/O接口單元的冗余 　　1)控制回路的多點1/O卡應冗余配置。2)重要檢測點的多點1/O卡可冗余配置。3)根據需要對重要的1/O信號，可選用2重化或3重化的1/O接口單元?！　?.6 經濟性的考慮 　　選擇PLC時，應考慮性能價格比。考慮經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，最終選出較滿意的產品。 　　輸人輸出點數(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，圖1表示了總點數(shù)與價格的關系。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?！　　? 　　參考文獻: 　　1 陸德民，黃步余，張振基等石油化工自動控制設計手冊(第三版).北京:化學工業(yè)出版社，2001.789-850 　　2 劉齊忠.PLC及其與計算機的通訊.石油化工自動化，2003,(6):41-43