控制系统中选择PLC的一般方法

摘要：介绍了在控制系统中选择PLC的一般方法，详细说明了在PLC机型的多样性，以及在PLC的输入输出点数功能等方面作如何选择。

随着ＰＬＣ的推广普及，ＰＬＣ产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的ＰＬＣ产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。ＰＬＣ的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择ＰＬＣ，对于提高ＰＬＣ在控制系统中的应用起着重要作用。

１　机型的选择

ＰＬＣ机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。

在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的ＰＬＣ；其它情况则最好选用模块式结构的ＰＬＣ。

对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带Ａ／Ｄ转换、Ｄ／Ａ转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求。

而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全ＰＬＣ的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表１列出了ＰＬＣ的几种功能选择。

表1 PLC的功能及应用场合

序 号	应用对象	功  能  要  求	应  用  场  合
1	替代继电器	继电器触点输入/输出、逻辑线圈、定时器、计数器	替代传统使用的继电器，完成条件控制和时序控制功能
2	数学运算	四则数学运算、开方、对数、函数计算、双倍精度的数学运算	设定值控制、流量计算；PID调节、定位控制和工程量单位换算
3	数据传送	寄存器与数据表的相互传送等	数据库的生成、信息管理、BAT-CH（批量）控制、诊断和材料处理等
4	矩阵功能	逻辑与、逻辑或、异或、比较、置位（位修改）、移位和变反等	这些功能通常按“位”操作，一般用于设备诊断、状态监控、分类和报警处理等
5	高级功能	表与块间的传送、校验和、双倍精度运算、对数和反对数、平方根、PID调节等	通信速度和方式、与上位计算机的联网功能、调制解调器等
6	诊断功能	PLC的诊断功能有内诊断和外诊断两种。内诊断是PLC内部各部件性能和功能的诊断，外诊断是中央处理机与I/O模块信息交换的诊断	--
7	串行接口（RS-232C）	一般中型以上的PLC都提供一个或一个以上串行标准接口（RS-232C），以例连接打印机、CRT、上位计算机或另一台PLC	--
8	通信功能	现在的PLC能够支持多种通信协议。比如现在比较流行的工业以太网等	对通信有特殊要求的用户

对于一个大型企业系统，应尽量做到机型统一。这样，同一机型的ＰＬＣ模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各独立系统的多台ＰＬＣ联成一个多级分布式控制系统，这样便于相互通信，集中管理。

２　输入／输出的选择

ＰＬＣ是一种工业控制系统，它的控制对象是工业生产设备或工业生产过程，工作环境是工业生产现场。它与工业生产过程的联系是通过Ｉ／Ｏ接口模块来实现的。

通过Ｉ／Ｏ接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。同时通过Ｉ／Ｏ接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。ＰＬＣ从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ接口模块都具有较好的抗干扰能力。根据实际需要，一般情况下，ＰＬＣ都有许多Ｉ／Ｏ接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。

２．１ 确定Ｉ／Ｏ点数

根据控制系统的要求确定所需要的Ｉ／Ｏ点数时应再增加１０％～２０％的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，Ｉ／Ｏ点数也应有所不同。

表２列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的Ｉ／Ｏ点数。

表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数

序 号	电气设备、元件	输入点数	输出点数	序 号	电气设备、元件	输入点数	输出点数
1	Y-起动的笼型异步电动机	4	3	12	光电管开关	2	-
2	单向运行的笼型异步电动机	4	1	13	信号灯	-	1
3	可逆运行的笼型异步电动机	5	2	14	拨码开关	4	-
4	单向变极电动机	5	3	15	三档波段开关	3	-
5	可逆变极电动机	6	4	16	行程开关	1	-
6	单向运行的直流电动机	9	6	17	接近开关	1	-
7	可逆运行的直流电动机	12	8	18	制动器	-	1
8	单线圈电磁阀	2	1	19	风机	-	1
9	双线圈电磁阀	3	2	20	位置开关	2	-
10	比例阀	3	5	21	单向运行的绕线转子异步电动机	3	4
11	按钮	1	-	22	可逆运行的绕线转子异步电动机	4	5

２．２ 开关量输入／输出

通过标准的输入／输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制（开／关）设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入／输出信号为２４～２４０Ｖ，直流输入／输出信号为５～２４０Ｖ。

尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除错误信号的抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。

在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。

２．３ 模拟量输入／输出

模拟量输入／输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为－１０～＋１０Ｖ、０～＋１０Ｖ、４～２０ｍＡ或１０～５０ｍＡ。

一些制造厂家在ＰＬＣ上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号如ＲＴＤ、热电偶等　。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或ＲＴＤ混合信号。

２．４ 特殊功能输人／输出

在选择一台ＰＬＣ时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准Ｉ／Ｏ实现的Ｉ／Ｏ限定如定位、快速输入、频率等　。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于最大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使ＣＰＵ从耗时的任务处理中解脱出来。

２．５ 智能式输入／输出

当前，ＰＬＣ的生产厂家相继推出了一些智能式的输入／输出模块。一般智能式输入／输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入ＣＰＵ或直接输出，这样可提高ＰＬＣ的处理速度并节省存储器的容量。

智能式输入／输出模块有高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用作绝对编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的ＰＩＤ调节器、ＡＳＣＩＩ／ＢＡＳＩＣ处理器、ＲＳ—２３２Ｃ／４２２接口模块等。表３归纳了选择Ｉ／Ｏ模块的一般规则。

表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则

I/O模块类型	现场设备或操作（举例）	说    明
离散输入模块和I/O模块	选择开关、按钮、光电开关、限位开关、电路断路器、接近开关、液位开关、电动机起动器触点、继电器触点、拨盘开关	输入模块用于接收ON/OFF或OPENED/CLOSED（开/关）信号，离散信号可以是直流的，也可以是交流的
离散输出模块和I/O模块	报警器、控制继电器、风扇、指示灯，扬声器、阀门、电动机起动器、电磁线圈	输出模块用于将信号传递到ON/OFF或OPENED/CLOSED（开/关）设备。离散信号可以是交流或直流
模拟量输入模块	温度变送器、压力变送器、湿度变送器、流量变送器、电位器	将连续的模拟量信号转换成PLC处理器可接受的输入值
模拟量输出模块	模拟量阀门、执行机构、图表记录器、电动机驱动器、模拟仪表	将PLC处理器的输出转为现场设备使用的模拟量信号（通常是通过变送器进行）
特种I/O模块	电阻、电偶、编码器、流量计、I/O通信、ASCII、RF型设备、称重计、条形码阅读器、标签阅读器、显示设备	通常用作位置控制、PID和外部设备通信等专门用途

３　ＰＬＣ存储器类型及容量选择

ＰＬＣ系统所用的存储器基本上由ＰＲＯＭ、Ｅ-ＰＲＯＭ及ＰＡＭ三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于６ｋＢ，中型机的最大存储能力可达６４ｋＢ，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。

ＰＬＣ的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表４的公式来估算。为了使用方便，一般应留有２５％～３０％的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表４同时给出了存储器容量的估算方法。

表4 控制目的估算存储器容量的方法

控制目的	公      式	说    明
代替继电路	M=Km（10DI+5D0）	DI为数字（开关）量输入信号；Do为数字（开关）量输出信号；AI为模拟量输入信号；Km为每个接点所点存储器字节数；M为存储器容量
模拟量控制	M=Km(10DI+5Do+100AI)
多路采样控制	M=Km[10DI+5Do+100AI+(1+采样点×0.25]

４　软件选择

在系统的实现过程中，ＰＬＣ的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择ＰＬＣ产品的软件功能有所了解。通常情况下，一个系统的软件总是用于处理控制器具备的控制硬件的。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个应用系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序执行的时间。

５　支撑技术条件的考虑

选用ＰＬＣ时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：

（１）编程手段

●便携式简易编程器主要用于小型ＰＬＣ，其控制规模小，程序简单，可用简易编程器。

●ＣＲＴ编程器适用于大中型ＰＬＣ，除可用于编制和输入程序外，还可编辑和打印程序文本。

●由于ＩＢＭ—ＰＣ已得到普及推广，ＩＢＭ—ＰＣ及其兼容机编程软件包是ＰＬＣ很好的编程工具。目前，ＰＬＣ厂商都在致力于开发适用自己机型的ＩＢＭ—ＰＣ及其兼容机编程软件包，并获得了成功。

（２）进行程序文本处理

●简单程序文本处理以及图、参量状态和位置的处理，包括打印梯形逻辑；

●程序标注，包括触点和线圈的赋值名、网络注释等，这对用户或软件工程师阅读和调试程序非常有用。

●图形和文本的处理。

（３）程序储存方式

对于技术资料档案和备用资料来说，程序的储存方法有磁带、软磁盘或ＥＥＰＲＯＭ存储程序盒等方式，具体选用哪种储存方式，取决于所选机型的技术条件。

（４）通信软件包

对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用ＰＬＣ的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。

６　ＰＬＣ的环境适应性

由于ＰＬＣ通常直接用于工业控制，生产厂都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种ＰＬＣ都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。

一般ＰＬＣ及其外部电路（包括Ｉ／Ｏ模块、辅助电源等）都能在表５所列的环境条件下可靠工作。

表5 PLC的工作环境

序   号	项    目	说      明
1	湿度	工作温度范围为0～55℃，最高为60℃，贮存温度范围为-40～+85℃
2	湿度	相对湿度5%～95%*无凝结霜）
3	振动和冲击	满足国际电工委员会标准
4	电源	采用220V交流电源，允许变化范围为-15%～+15%，频率为47～53Hz，瞬间停电保持10ms
5	环境	周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

７　结束语

随着科技的不断进步，ＰＬＣ的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用ＰＬＣ的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的控制系统。

审核编辑：汤梓红