PLC設(shè)計(jì)選型的具體技巧詳解

在plc系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定系統(tǒng)方案，下一步工作就是PLC的設(shè)計(jì)選型。選擇PLC，主要是確定PLC的生產(chǎn)廠家和PLC的具體型號(hào)。對(duì)于系統(tǒng)方案要求有分布式系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)化通訊的要求。那么具體應(yīng)該如何選擇PLC呢?筆者認(rèn)為應(yīng)該有以下幾方面的內(nèi)容。

一、PLC生產(chǎn)廠家

確定PLC的生產(chǎn)廠家，主要應(yīng)該考慮設(shè)備用戶的要求、設(shè)計(jì)者對(duì)于不同廠家PLC的熟悉程度和設(shè)計(jì)習(xí)慣、配套產(chǎn)品的一致性以及技術(shù)服務(wù)等方面的因素。從PLC本身的可靠性考慮，原則上只要是國(guó)外大公司的產(chǎn)品，不應(yīng)該存在可靠性不好的問(wèn)題。

筆者個(gè)人認(rèn)為，一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于控制獨(dú)立設(shè)備或較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的場(chǎng)合，配套日本的PLC產(chǎn)品，相對(duì)來(lái)說(shuō)性價(jià)比有一定優(yōu)勢(shì)。對(duì)于系統(tǒng)規(guī)模較大網(wǎng)絡(luò)通訊功能要求高、開(kāi)放性的分布式控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，歐美生產(chǎn)的PLC在網(wǎng)絡(luò)通訊功能上更有優(yōu)勢(shì)。另外對(duì)于一些特殊的行業(yè)(例如：冶金、煙草等)應(yīng)選擇在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)業(yè)績(jī)、成熟可靠的PLC系統(tǒng)。二、輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)是PLC的基本參數(shù)之一。I/O點(diǎn)數(shù)的確定應(yīng)以控制設(shè)備所需的所有I/O點(diǎn)數(shù)的總和為依據(jù)。在一般情況下，PLC的I/O點(diǎn)應(yīng)該有適當(dāng)?shù)挠嗔?。通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加10％～20％的可擴(kuò)展余量后，作為輸入輸出點(diǎn)數(shù)估算數(shù)據(jù)。實(shí)際訂貨時(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行調(diào)整。三、存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)替代。 PLC存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒(méi)有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)的10～15倍，加上模擬I/O點(diǎn)數(shù)的100倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（16位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的25%考慮余量。四、控制功能該選擇包括運(yùn)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(yùn)算功能

簡(jiǎn)單PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通PLC的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC中還有模擬量的PID運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。隨著開(kāi)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(jī)的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機(jī)或上位機(jī)的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運(yùn)算功能。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測(cè)和控制時(shí)，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運(yùn)算等。還有的要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。

(二)控制功能

控制功能包括PID控制運(yùn)算、前饋補(bǔ)償控制運(yùn)算、比值控制運(yùn)算等，應(yīng)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(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)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(chǔ)器容量。例如采用PID控制單元、高速計(jì)數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)哪M單元、ASC碼轉(zhuǎn)換單元等。

（三)通信功能

大中型PLC系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（TCP/IP）相連接。通信協(xié)議應(yīng)符合ISO/IEEE通信標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)是開(kāi)放的通信網(wǎng)絡(luò)。

PLC系統(tǒng)的通信接口應(yīng)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(shè)備和電纜）應(yīng)1：1冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。

PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)中，上級(jí)的網(wǎng)絡(luò)通信速率應(yīng)大于1Mbps，通信負(fù)荷不大于60%。PLC系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式：

1）PC為主站，多臺(tái)同型號(hào)PLC為從站，組成簡(jiǎn)易PLC網(wǎng)絡(luò)；

2）1臺(tái)PLC為主站，其他同型號(hào)PLC為從站，構(gòu)成主從式PLC網(wǎng)絡(luò)；

3）PLC網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型DCS中作為DCS的子網(wǎng)；

4）專用PLC網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專用PLC通信網(wǎng)絡(luò)）。

PLC為減輕CPU通信任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組成的實(shí)際需要，應(yīng)選擇具有不同通信功能的（如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)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(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，不能進(jìn)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(jī) CPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制，并在一個(gè)掃描周期內(nèi)與編程器進(jìn)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(jī)，下一掃描周期，主機(jī)就根據(jù)新收到的程序運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語(yǔ)言和語(yǔ)句表（IL）、結(jié)構(gòu)文本（ST）兩種文本語(yǔ)言。選用的編程語(yǔ)言應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（IEC6113123），同時(shí)還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如C、Basic、Pascal等，以滿足特殊控制場(chǎng)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(guò)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(guò)軟件對(duì)PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì)PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進(jìn)行診斷是外診斷。

PLC的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。

(六)處理速度

PLC采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則PLC將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。

處理速度與用戶程序的長(zhǎng)度、CPU處理速度、軟件質(zhì)量等有關(guān)。目前，PLC接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約0.2～0.4μs，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應(yīng)滿足：小型PLC的掃描時(shí)間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時(shí)間不大于 0.2ms/K。

PLC機(jī)型PLC的類型：PLC按結(jié)構(gòu)分為整體型和模塊型兩類。

整體型PLC的I/0點(diǎn)數(shù)較少且相對(duì)固定，因此用戶選擇的余地較小，通常用于小型控制系統(tǒng)。這一類PLC的代表有：西門子公司的S7-200系列、三菱公司的FX系列、歐姆龍公司的CPM1A系列等。

模塊型PLC提供多種I/O模塊可以在PLC基板上插接，方便用戶根據(jù)需要合理地選擇和配置控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)。因此，模塊型PLC的配置比較靈活，一般用于大中型控制系統(tǒng)。例如西門子公司的S7-300系列和S7-400系列、三菱公司的Q系列、歐姆龍公司的CVM1系列等。六、各種模塊選擇(一)數(shù)字量I/O模塊

數(shù)字量輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮應(yīng)用要求。例如對(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮輸入信號(hào)的電平、傳輸距離等應(yīng)用要求。輸出模塊也有很多的種類，例如繼電器觸點(diǎn)輸出型、AC120V/23V雙向晶閘管輸出型、DC24V晶體管驅(qū)動(dòng)型、DC48V晶體管驅(qū)動(dòng)型等。

通常繼電器輸出輸出型模塊具有價(jià)格低廉、使用電壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是使用壽命較短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、在用于感性負(fù)載時(shí)需要增加浪涌吸收電路；雙向晶閘管輸出型模塊響應(yīng)時(shí)間較快適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)載能力較差。

另外，輸入輸出模塊按照輸入輸出點(diǎn)數(shù)又可以分為：8點(diǎn)、16點(diǎn)、32點(diǎn)等規(guī)格，選擇時(shí)要根據(jù)實(shí)際的需要合理配備。

(二)模擬量I/O模塊

模擬量輸入模塊，按照模擬量的輸入信號(hào)類型可以分為：電流輸入型、電壓輸入型、熱電偶輸入型等。電流輸入型通常的信號(hào)等級(jí)為4～20mA或0～20mA；電壓型輸入模塊通常信號(hào)等級(jí)為0～10V、-5V～+5V等。有些模擬量輸入模塊可以兼容電壓或電流輸入信號(hào)。模擬量輸出模塊同樣分電壓型輸出模塊和電流型輸出模塊，電流輸出的信號(hào)通常有0～20mA、4～20mA。電壓型輸出信號(hào)通常有0～10V、-10V~+10V等。模擬量輸入輸出模塊，按照輸入輸出通道數(shù)可以分為2通道、4通道、8通道等規(guī)格。

(三)功能模塊

功能模塊包括通訊模塊、定位模塊、脈沖輸出模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、PID控制模塊、溫度控制模塊等。選擇PLC時(shí)應(yīng)考率到功能模塊配套的可能性，選擇功能模塊涉及硬件與軟件兩個(gè)方面。

在硬件方面，首先應(yīng)考慮功能模塊可以方便的和PLC相連接，PLC應(yīng)該有相關(guān)的連接、安裝位置與接口、連接電纜等附件。在軟件上，PLC應(yīng)具有對(duì)應(yīng)的控制功能，可以方便的對(duì)功能模塊進(jìn)行編程。例如三菱的FX系列PLC通過(guò)“FROM”和“TO”指令可以方便的對(duì)相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行控制。

冗余功能(一)控制單元冗余1、重要的過(guò)程單元：CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)1B1冗余。

2、在需要時(shí)也可選用PLC硬件與熱備軟件構(gòu)成的熱備冗余系統(tǒng)、2重化或3重化冗余容錯(cuò)系統(tǒng)等。

(二)I/O接口單元冗余1、控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。

2、重要檢測(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對(duì)重要的I/O信號(hào)，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。

一般原則

在PLC型號(hào)和規(guī)格大體確定后，可以根據(jù)控制要求逐一確定PLC各組成部分的基本規(guī)格與參數(shù)，并選擇各組成模塊的型號(hào)。選擇模塊型號(hào)時(shí)

，應(yīng)遵循以下原則。

(一)經(jīng)濟(jì)性

選擇PLC時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比?？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮應(yīng)用的可擴(kuò)展性、可操作性、投入產(chǎn)出比等因素，進(jìn)行比較和兼顧，最終選出較滿意的產(chǎn)品。

輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)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(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。

(二)方便性

一般說(shuō)來(lái)，作為PLC，可以滿足控制要求的模塊往往有很多種，選擇時(shí)應(yīng)以簡(jiǎn)化線路設(shè)計(jì)、方便使用、盡可能減少外部控制器件為原則。例如：對(duì)于輸入模塊，應(yīng)優(yōu)先選擇可以與外部檢測(cè)元件直接連接的輸入形式，避免使用接口電路。對(duì)于輸出模塊，應(yīng)優(yōu)先選擇能夠直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的輸出模塊，盡量減少中間繼電器等元件。

(三)通用性

進(jìn)行選型時(shí)，要考慮到PLC各組成模塊的統(tǒng)一與通用，避免模塊種類過(guò)多。這樣不僅有利于采購(gòu)，減少備品備件，同時(shí)還可以增加系統(tǒng)各組成部件的互換性，為設(shè)計(jì)、調(diào)試和維修提供方便。

(四)兼容性

選擇PLC系統(tǒng)各組成模塊時(shí)，應(yīng)充分的考慮到兼容性。為避免出現(xiàn)兼容性不好的問(wèn)題，組成PLC系統(tǒng)的各主要部件的生產(chǎn)廠家不宜過(guò)多。如果可能的話，盡量選擇同一個(gè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。