PLC下的系統(tǒng)方案設(shè)計研究
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摘要：隨著社會進步及自然科學技術(shù)的發(fā)展，在日常生活及工業(yè)領(lǐng)域自動化、信息化開始普及。同時，人們對這些系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性要求也越來越高。可編程邏輯控制器件plc作為一種新出現(xiàn)的控制裝置，在解決這類問題方面具有獨特的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，可編程控制器（PLC）的優(yōu)勢在于體積小型化，高度集成，同時還有數(shù)字運算、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)通信功能。本課題對PLC作了簡要介紹，并探討基于可編程控制器的開關(guān)電路硬件設(shè)計理念，設(shè)計方法，對系統(tǒng)方案的設(shè)計進行了闡述。
關(guān)鍵詞：PLC開關(guān)電路應用
1PLC簡介
1.1PLC定義、特點
PLC控制系統(tǒng)，ProgrammableLogicController，可編程邏輯控制器，由輸入、輸出和控制器三部分組成，它采用可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計算與算術(shù)操作等面向用戶的指令，通過數(shù)字或模擬輸入/輸出控制各種類型的機械生產(chǎn)過程。在工業(yè)控制領(lǐng)域，基于繼電器設(shè)計的控制系統(tǒng)曾一度占據(jù)主導地位，但繼電器控制系統(tǒng)有很多的弱點，體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度慢、適應性差等。尤其是不具有通用性、靈活性，在面對復雜邏輯控制時設(shè)計復雜，要求器件過多。從1969年第一臺PLC問世至今，尤其是隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC在概念，設(shè)計，性能/價格比以及應用方面都有了新的突破。運行可靠、故障率低、維護費用低、能耗低，運行無噪聲。而且為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計上考慮了容錯技術(shù)和冗余技術(shù)等。
1.2輸入輸出
一般來說PLC控制器輸入信號有數(shù)字量輸入信號和模擬量輸入信號，同樣輸出信號也有數(shù)字量信號和模擬量信號之分。（1）數(shù)字輸入信號，比如按鈕開關(guān)，限位開關(guān)等開關(guān)指令，總之采集控制條件信號，通過高低電平判斷“0”“1”兩種狀態(tài)。（2）模擬輸入信號，一般為電壓信號或電流信號，根據(jù)輸入量的性質(zhì)、大小不同，分為很多種，比如4~20mA是模擬量的一種，還有0~20mA,0~10V等。（3）數(shù)字輸出信號，一般用來控制元件，比如用高低電平來控制氣缸的電磁閥門，電動機的交流接觸器吸合釋放等。（4）模擬量輸出信號，和模擬輸入信號相似，一般為電壓信號或電流信號，同樣電壓信號，輸出有0~10V，或0~5V，電流信號，輸出有4~20mA。此外，PLC的輸入輸出模塊根據(jù)需要采集和控制的信號數(shù)量多少選擇使用數(shù)目，常見的單個輸入輸出模塊可以提供16/32/64個信號端。
1.3PLC編程
PLC編程具有應用面廣、功能強大、使用方便等特點，可以用程序來改變控制功能。用戶通過某種標準編程語言，就能夠使用PLC在控制系統(tǒng)中實現(xiàn)自動化控制功能。PLC的標準編程語言有五種：梯形圖語言（LD）、指令表語言（IL）、功能模塊語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）、結(jié)構(gòu)文本化語言（ST）。這五標準編程語言符合邏輯設(shè)計思路，簡單易學，相對于其它計算機編程語言，在語句表達及語句種類等方面都進行了簡化。以使用最多的梯形圖為例，沿襲了繼電器控制電路的形式，在常用的繼電器與接觸器邏輯控制基礎(chǔ)上簡化了符號演變而來，形象、直觀、實在。PLC梯形編程示意圖如圖1所示，左、右母線類似于繼電器與接觸器控制電源線，輸出線圈類似于負載，輸入觸點類似于按鈕。梯形圖由若干階級構(gòu)成，自上而下排列，每個階級起于左母線，經(jīng)過觸點與線圈，止于右母線。用戶可用過需要控制的設(shè)備及機械動作情況，把梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關(guān)系與實際線路設(shè)備對應起來，并進行邏輯運算，得到所要求的輸出結(jié)果。目前，PLC用于開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控制、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)處理、通信及聯(lián)網(wǎng)等，廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。
1.4PLC運行方式
PLC有內(nèi)置存儲器和處理器，可以通過控制軟件下載編程好的軟件到存儲器，然后由PLC自動運行；也可以配備路由器實現(xiàn)遠程控制，在遠程用工控機相應軟件來操作使用，這樣實現(xiàn)使用方式的多樣化、方便、靈活，以匹配不同的使用環(huán)境和場景。
2PLC應用方案
2.1系統(tǒng)整體方案概述
PLC應用系統(tǒng)中常分為PLC本機，遠程工控機，本地控制，輸入信號，輸出信號這幾部分。PLC系統(tǒng)整體方案概圖如圖2所示。其中PLC本機就是系統(tǒng)核心，這里可根據(jù)實際需要選擇輸入輸出模塊的類型，是數(shù)字輸入、模擬輸入還是數(shù)字輸出、模擬輸出，需要估算輸入輸出（I/O）點數(shù)、存儲器容量以及控制功能選擇，是否需要通訊模塊與遠程工控機聯(lián)系。輸入信號就是需要采集的條件信號，可以用數(shù)字信號直接輸入，或者經(jīng)過變送器采集模擬信號后輸入。輸出信號就是經(jīng)PLC邏輯程序判斷后輸出信號，可以直接輸出數(shù)字信號，或者輸出模擬信號后再經(jīng)過變送器送到驅(qū)動端。本地控制常適用于穩(wěn)定性和可靠性更嚴格的場合要求下，在遠程控制或通訊故障時用于輔助操作。遠程工控機用于遠程操作，可通過相應的編程軟件聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)自動化和信息化、智能化。同時在具體方案設(shè)計中，應遵循以下幾點原則。（1）保證PLC本身運行安全穩(wěn)定比如采用UPS供電，盡量使用附加繼電器來實現(xiàn)PLC的輸出輸入與實際控制元器件、設(shè)備的電隔離。軟件編程上需要考慮周全，含括到非正常情況下程序的運行穩(wěn)定。（2）最大限度滿足使用要求設(shè)計系統(tǒng)時，需要事先收集好現(xiàn)場資料和使用要求，考慮完備，重復發(fā)揮PLC的性能，最大限度滿足使用要求。（3）力求簡單、使用及維修方便在設(shè)計系統(tǒng)時應要注意系統(tǒng)的簡潔和設(shè)備的安裝擺放調(diào)理，便于后期使用和維護，在選擇PLC具體性能如輸入/輸出模塊數(shù)和內(nèi)存容量時，在留有裕量和現(xiàn)有使用規(guī)模中平衡選擇。
2.2通風系統(tǒng)設(shè)計方案
作為常見的溫度控制系統(tǒng)，通風系統(tǒng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應用，下面我們介紹一個簡單的通風系統(tǒng)設(shè)計方案。PLC的通風系統(tǒng)方案概圖如圖3所示。智能通風控制系統(tǒng)可實時監(jiān)測室內(nèi)室外溫度。當室外溫度低于某個設(shè)定值，控制器開啟新風機引入室外新風，關(guān)閉機房空調(diào)達到節(jié)能效果。在確保機房環(huán)境的前提下，依據(jù)室內(nèi)外溫度，控制風機運行。當室內(nèi)外溫差達到某個設(shè)定值且室內(nèi)溫度高于某設(shè)定值，控制器開啟風機。設(shè)計要點如下。（1）為保證PLC工作環(huán)境的穩(wěn)定性，特意使用UPS對PLC進行不間斷供電。（2）PLC通常和遠程工控機端相距較遠，需要添加光電轉(zhuǎn)換器利用光纖來進行遠距離數(shù)據(jù)傳送。（3）PLC模擬量輸入通常為標準信號，而對于溫度、壓力、流量等不同的物理量，需要通過變送器將其模擬量的最小值與最大值進行變化，轉(zhuǎn)換為電壓或電流二種信號輸入。同時，輸入模塊也應選用模擬量輸入模塊。（4）因為PLC驅(qū)動功率較小，對于大功率風機來說，不能直接驅(qū)動，因此末端執(zhí)行部分大多需要中間繼電器，通過再到接觸器來完成。如果是定頻風機，可以直接選用數(shù)字量輸出模塊來控制中間繼電器，再通過接觸器來完成對風機的控制。此外，出于節(jié)能環(huán)保的理念，有的環(huán)境需要使用變頻風機，可以選用模擬量輸出模塊，通過PLC的輸出直接控制變頻器加速或減速。（5）本地控制可提供手動/自動運行模式，實現(xiàn)操作方式的多樣性，提高系統(tǒng)的保障能力。（6）出于相同的設(shè)計思路和理念，通風設(shè)計方案同樣可用于水路閥門、開關(guān)電路、信號指示等應用設(shè)計。
2.3環(huán)境控制系統(tǒng)
工業(yè)環(huán)境中，溫度，濕度都需要實時監(jiān)測，有時還為了防塵、防盜，加裝有風閥控制，或者還需要與空調(diào)進行聯(lián)動。基于PLC的濕度控制系統(tǒng)概圖如圖4所示。設(shè)計要點如下。（1）同樣采用UPS保障PLC運行環(huán)境的溫度，以防夏季雷電天氣或電壓波動影響PLC。（2）增加了濕度采集信號，溫濕度都經(jīng)過變送器送入模擬輸入模塊，這樣同時監(jiān)測溫濕度變化，滿足對環(huán)境的高要求。（3）通風閥位置和本地控制為簡單“0”“1”開關(guān)量控制，可以通過數(shù)字輸入模塊輸入。（4）風機直接設(shè)計采用變頻風機，因此需要模擬輸出模塊來控制變頻器，而通過數(shù)字輸出模塊來間接控制風機三相電輸入。（5）通風閥通過數(shù)字輸出模塊來控制，這樣可以利用室內(nèi)外的環(huán)境溫差引入室外清潔的冷空氣進行自然降溫，同時排出熱空氣，從而達到在常年大多數(shù)條件下替代空調(diào)制冷的效果，避免了空調(diào)長時間的運行所造成的電能浪費，有效降低機房空調(diào)的運行時間，降低電能消耗。（6）系統(tǒng)增加了與空調(diào)聯(lián)動的功能。通風控制系統(tǒng)優(yōu)先啟動，以保證空調(diào)的節(jié)能。當通風系統(tǒng)能夠滿足室內(nèi)熱負荷要求時，空調(diào)停止運行；在通風仍不能滿足室內(nèi)熱負荷條件下，發(fā)出信號啟動空調(diào)。至于空調(diào)控制方式，智能空調(diào)可以采用控制空點電源，非智能空調(diào)，可采用控制面板開關(guān)的方式。
作者：王立 單位： 國家廣播電視總局 572 臺