由內(nèi)至外,4招教你設(shè)計(jì)一個(gè)完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間:2016-07-07 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】設(shè)計(jì)一個(gè)完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)一般包括項(xiàng)目分析、PLC硬件選型、程序設(shè)計(jì)和調(diào)試等幾個(gè)步驟。項(xiàng)目分析需要對(duì)項(xiàng)目的生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境、硬件需求和控制要求等方面進(jìn)行全面分析。這項(xiàng)工作是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如果前期項(xiàng)目分析不到位,將會(huì)造成后面硬件選型不準(zhǔn)確,導(dǎo)致工程延期。
一、項(xiàng)目分析
1.項(xiàng)目分析
工程技術(shù)人員首先要對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行分析,即項(xiàng)目工程的控制流程和每個(gè)流程的控制類型,并對(duì)整個(gè)項(xiàng)目可能出現(xiàn)問(wèn)題做出預(yù)判。
(1)分析控制流程。分析控制流程時(shí),建議繪制相關(guān)的控制流程圖,清晰的標(biāo)注每一步工作的內(nèi)容和到下一步的條件。
(2)分析控制類型和預(yù)估PLC選型所需參數(shù)。一般PLC適用于四種控制類型,即順序控制,過(guò)程控制,運(yùn)動(dòng)(或位置)控制和網(wǎng)絡(luò)通信等。工程技術(shù)人員在分析控制要求后,根據(jù)繪制的控制流程圖,將每個(gè)控制流程的控制類型進(jìn)行分類,再根據(jù)項(xiàng)目的復(fù)雜程度將組合出控制類型,因此前期準(zhǔn)確地分析每一步的控制類型,將有助于選型的準(zhǔn)確和問(wèn)題的預(yù)估。
在分析項(xiàng)目控制類型的同時(shí),工程技術(shù)人員還要預(yù)估PLC選型所需要的重要參數(shù)值。如順序控制中的I/O點(diǎn)數(shù);若使用編碼器,要根據(jù)編碼器的參數(shù)計(jì)算其輸出脈沖的頻率值,進(jìn)而換算成PLC高速計(jì)數(shù)的脈沖頻率。再如,過(guò)程控制中模擬量數(shù)和模擬量精度、運(yùn)動(dòng)控制中PLC對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)器反饋信號(hào)的響應(yīng)速度和PLC高速脈沖輸出的數(shù)量,以及在網(wǎng)絡(luò)通信時(shí),所選PLC是否支持相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)類型等參數(shù)。
2.預(yù)估可能出現(xiàn)的問(wèn)題
對(duì)于可能出現(xiàn)問(wèn)題的預(yù)估是工程分析中較難的環(huán)節(jié)。這不僅需要工程技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境和整個(gè)項(xiàng)目控制難點(diǎn)能夠較好地把握,還要對(duì)可能出現(xiàn)的突發(fā)情況和危險(xiǎn)具有前期預(yù)判。
(1)設(shè)備工作環(huán)境的把握。工程人員需要對(duì)生產(chǎn)環(huán)境有較全面的認(rèn)識(shí)。如紡織機(jī)械所處工作環(huán)境的空氣濕度高、振動(dòng)較大,所以設(shè)計(jì)PLC系統(tǒng)時(shí)要做好防震處理。又如建材加工廠的環(huán)境溫度比較高,并且有很大的粉塵和較強(qiáng)的靜電,因此工程技術(shù)人員要在保證電氣控制柜通風(fēng)良好的前提下,進(jìn)一步做好防塵和除靜電處理。
設(shè)備工作環(huán)境的把握不僅僅局限于物理的環(huán)境,隨著PLC應(yīng)用的深入,更需考慮人員因素。如設(shè)備操作人員的素質(zhì)較低時(shí),需要開發(fā)較為簡(jiǎn)練的設(shè)備操作界面。
(2)項(xiàng)目難點(diǎn)的預(yù)期。項(xiàng)目難點(diǎn)的預(yù)期其實(shí)就是對(duì)項(xiàng)目核心問(wèn)題的把握。如噴氣織機(jī)設(shè)備的控制核心就是如何快速有序地控制電磁閥,利用壓縮空氣的摩擦力來(lái)牽引緯紗穿過(guò)紡織梭,完成紡織的引緯工作,這需要PLC具有非常快的響應(yīng)速度。在確定項(xiàng)目難點(diǎn)后,工程技術(shù)人員可以根據(jù)難點(diǎn)來(lái)對(duì)PLC進(jìn)行選型。從整個(gè)項(xiàng)目的角度出發(fā),項(xiàng)目的難點(diǎn)就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),也是PLC選型的方向。
(3)項(xiàng)目危險(xiǎn)的前期預(yù)估。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期,工程技術(shù)人員需對(duì)本項(xiàng)目可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)判。如順序控制或運(yùn)動(dòng)控制中調(diào)試設(shè)備時(shí)對(duì)于誤動(dòng)作的防護(hù);在過(guò)程控制中,測(cè)試時(shí)是否有高壓,高溫或者有毒有害物質(zhì)以及相關(guān)的防護(hù)措施。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)估有助于加強(qiáng)工程技術(shù)人員的安全意識(shí)。
二、PLC硬件選型
PLC的選型是工程技術(shù)人員根據(jù)前期項(xiàng)目分析和項(xiàng)目難點(diǎn)的預(yù)期來(lái)選擇合適PLC,主要依據(jù)以下原則。
1.先特殊后一般原則
根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),大多數(shù)工程項(xiàng)目中制約PLC選型的因素主要集中在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上,所以應(yīng)遵循先特殊后一般的原則選擇PLC。
所謂特殊即項(xiàng)目有哪些特殊的控制要求,不同控制類型有著不同的首要制約因素。如順序控制中,CPU的程序容量和I/O點(diǎn)的擴(kuò)展能力為PLC選型的主要因素。過(guò)程控制中,則以控制模擬量的數(shù)量和模擬量的精度作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行選型。在較為簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制中,PLC需要接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)編碼器送回的位置信號(hào)并相應(yīng)地發(fā)出一定頻率的脈沖來(lái)控制伺服電機(jī),因此PLC處理數(shù)據(jù)的速度、輸入端接收高速脈沖的能力和輸出端高速脈沖的發(fā)送能力將成為PLC選型的首要因素。而在大型復(fù)合項(xiàng)目中,需使用不同的PLC組網(wǎng),因此PLC支持的網(wǎng)絡(luò)類型則成為PLC選型的首要因素。
工程技術(shù)人員需按照本項(xiàng)目的核心需求,將不同的控制要求按照從特殊到一般的順序進(jìn)行排列,如此選型將事半功倍,更可降低工程的整體難度。
2.由下至上原則
由下至上原則的目的是將PLC選型的性價(jià)比最大化。目前多數(shù)廠家的PLC產(chǎn)品分成多個(gè)系列。當(dāng)工程技術(shù)人員選型時(shí),按照第一步從特殊到一般的選型順序,從最低款PLC開始,逐一對(duì)照性能參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)不滿足要求時(shí),考慮較高一款產(chǎn)品。以此類推,直至選取全部滿足要求的PLC型號(hào)。如若由上至下選型,則會(huì)使PLC功能浪費(fèi),造成大馬拉小車。
3.PLC開關(guān)量輸入/輸出單元的選擇
PLC的開關(guān)量輸入點(diǎn)是用來(lái)接受現(xiàn)場(chǎng)傳感器所輸入的電平信號(hào),開關(guān)時(shí)輸出點(diǎn)的作用根據(jù)內(nèi)部的控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。
(1)開關(guān)量輸入端子的選擇。現(xiàn)在市面上PLC輸入點(diǎn)均為晶體管輸入,使用者只需要根據(jù)前期預(yù)估的輸入點(diǎn)數(shù)量選擇即可。但是這里需要注意,因PLC端接線類型不同,分別有NPN和PNP兩種輸入方式,其意義是輸入端是以低電平有效還是以高電平有效,一旦確定輸入端的接線類型,則需選用相同類型輸入的傳感器,即NPN和PNP型的傳感器不能共用一個(gè)PLC的輸入端子。
現(xiàn)在市面上PLC輸入端子多為直流24V的輸入電壓,如果需要其將他電壓規(guī)格的傳感器接入到PLC,需用繼電器做相應(yīng)的隔離,保證接入PLC輸入端的信號(hào)為直流24V電壓。
(2)開關(guān)量輸出端子的選擇。PLC開關(guān)量輸出點(diǎn)的類型主要為繼電器型輸出和晶體管輸出兩種。
1)繼電器輸出型。繼電器輸出負(fù)載能力好,能夠短時(shí)間承受較高過(guò)電壓和過(guò)電流,有較強(qiáng)的隔離作用。但是由于繼電器內(nèi)部為機(jī)械觸點(diǎn),動(dòng)作壽命有限,所以只能用于連接動(dòng)作頻率較低且不需要高速脈沖輸出的場(chǎng)合。
2)晶體管輸出型。晶體管型輸出是以通過(guò)控制其內(nèi)部三極管的導(dǎo)通為手段,來(lái)達(dá)到控制輸出端子通斷目的,并且其內(nèi)部并沒有機(jī)械觸點(diǎn)結(jié)構(gòu),所以相比于繼電器輸出觸點(diǎn),晶體管輸出觸點(diǎn)壽命長(zhǎng),動(dòng)作頻率高,不易損壞,缺點(diǎn)為負(fù)載能力較差。
3)開關(guān)量輸出端子選型的注意事項(xiàng)
① 類似于輸入端,晶體管輸出端子也分為NPN型和PNP型兩種。一旦型號(hào)確定則只能按照同種接線方式連接負(fù)載。
② 在實(shí)際應(yīng)用中,建議工程技術(shù)人員多選用晶體管輸出型PLC,并在輸出端使用繼電器連接外部負(fù)載,形成對(duì)于下游負(fù)載設(shè)備的電氣隔離,這樣的組合綜合了晶體管壽命長(zhǎng)和繼電器負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。如果現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)電氣故障,PLC輸出端子將會(huì)因受到隔離繼電器保護(hù)而免受損壞,只需要更換損壞的繼電器即可。而一旦繼電器輸出型PLC端子損壞,將無(wú)法修復(fù)損壞端子。
4.先內(nèi)置后擴(kuò)展原則
隨著PLC的不斷更新?lián)Q代,特別是小型機(jī)功能的不斷增強(qiáng),PLC單機(jī)已內(nèi)置了許多擴(kuò)展模塊的功能,如模擬量功能,通信功能等。因此,選型時(shí)盡可能選用內(nèi)置功能多的PLC,既降低了成本,又節(jié)省控制柜空間,更可以簡(jiǎn)化設(shè)置和編程工作量。
5.PLC選型冗余量的把握
由于前期預(yù)估、現(xiàn)場(chǎng)施工改動(dòng)和后期維護(hù)升級(jí)的需要,PLC選型需考慮一定的冗余量。主要考慮I/O點(diǎn)的數(shù)量,較小的工程控制在20%的冗余范圍;較大的工程控制在5%~10%。其它如模擬量,通信和總線功能的冗余問(wèn)題,需工程技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)硬件配置靈活把握,如果控制功能均為PLC內(nèi)置的,則需更換高一級(jí)單機(jī)PLC;若控制功能是通過(guò)擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)的,則考慮冗余時(shí)僅需更新相應(yīng)模塊即可。
三、PLC編程要點(diǎn)
(1)根據(jù)控制流程圖分配程序段
根據(jù)前期控制流程圖將控制程序分解成不同的程序段,這樣可以使程序整體結(jié)構(gòu)清晰,便于后期調(diào)試程序。如果項(xiàng)目較復(fù)雜,將程序分段后便于分配給若干名編程人員同時(shí)編程和調(diào)試,從整體上提高了編程效率。
(2)編制I/O表和內(nèi)存表
編制I/O表是給每個(gè)輸入/輸出點(diǎn)分配地址并做注釋,避免編程時(shí)出現(xiàn)I/O點(diǎn)混亂的問(wèn)題。編制內(nèi)存表是分配PLC內(nèi)存地址給程序的中間變量并做注釋,便于編程時(shí)引用。
(3)簡(jiǎn)化編程
編程員在熟悉PLC指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,熟練使用高級(jí)指令編程,可以極大地減少編程工作量,節(jié)省PLC存儲(chǔ)器空間,有助于更好地發(fā)揮PLC功能。
(4)注釋清晰
為了方便后期調(diào)試程序,編程時(shí)需將每個(gè)相關(guān)點(diǎn)的注釋清晰地標(biāo)注在程序中,包括使用的特殊指令目的等。程序可讀性好,為后期項(xiàng)目維護(hù)和升級(jí)打下基礎(chǔ)。
四、PLC程序調(diào)試方法
PLC應(yīng)用程序的調(diào)試工作可以分為模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩個(gè)步驟。
1.模擬調(diào)試
模擬調(diào)試是指根據(jù)開關(guān)量I/O單元上各位對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)而不帶輸出設(shè)備進(jìn)行的調(diào)試。
設(shè)計(jì)好控制程序后,一般先作模擬調(diào)試。有的PLC廠家提供了在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行、可用來(lái)替代PLC硬件來(lái)調(diào)試程序的仿真軟件,例如歐姆龍公司與CX-Programmer編程軟件配套的CX-Simulator仿真軟件等。在仿真時(shí)按照系統(tǒng)功能的要求,將某些輸入元件位強(qiáng)制為ON或OFF,或改寫某些元件中的數(shù)據(jù),監(jiān)視系統(tǒng)的功能是否能正確實(shí)現(xiàn)。
如果連接上PLC硬件來(lái)調(diào)試程序時(shí),可以使用接在輸入端子上的小開關(guān)和按鈕來(lái)模擬PLC實(shí)際的輸入信號(hào),例如用它們發(fā)出操作指令,或者用它們模擬實(shí)際的反饋信號(hào),如行程開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開等。通過(guò)開關(guān)量輸出單元上各輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管,觀察輸出信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)的要求。
調(diào)試順序控制程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合順控圖的規(guī)定,即在某一轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)時(shí),是否發(fā)生活動(dòng)步狀態(tài)的正確變化,該轉(zhuǎn)換所有的前級(jí)步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步,所有的后續(xù)步是否變?yōu)榛顒?dòng)步,以及各步被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。在調(diào)試時(shí)應(yīng)充分考慮各種可能的情況,對(duì)系統(tǒng)各種不同的工作方式、順控圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線,都應(yīng)逐一檢查,不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)修改程序,直到在各種可能的情況下輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的關(guān)系完全符合要求。如果程序中某些定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的設(shè)定值過(guò)大,為了縮短調(diào)試時(shí)間,可以在調(diào)試時(shí)將它們減小,模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實(shí)際設(shè)定值。
總之,模擬調(diào)試是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容,它可以初步檢查程序的實(shí)際效果。模擬調(diào)試和程序編寫是密不可分的,程序的許多功能是在調(diào)試中不斷修改和逐步完善的。模擬調(diào)試既可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,也可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。如果是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行模擬調(diào)試,那就應(yīng)將PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)隔離,切斷I/O單元的外部電源,以免引起不必要的損失。
2.聯(lián)機(jī)調(diào)試
聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將PLC安裝到控制柜中,并連接輸入元件和輸出負(fù)載,運(yùn)行控制程序進(jìn)行整體調(diào)試的過(guò)程。
在對(duì)程序進(jìn)行模擬調(diào)試的同時(shí),可以設(shè)計(jì)、制作控制柜,PLC之外其他硬件的安裝、接線工作也可以同時(shí)進(jìn)行。完成控制柜內(nèi)部接線后,應(yīng)測(cè)試接線??梢栽诳刂乒竦慕泳€端子上模擬PLC外部的開關(guān)量輸入信號(hào),或操作控制柜面板上的按鈕和指令開關(guān),觀察對(duì)應(yīng)PLC輸入點(diǎn)的狀態(tài)變化是否正確。用編程器或編程軟件將PLC的輸出點(diǎn)強(qiáng)制置位或復(fù)位,觀察對(duì)應(yīng)PLC的負(fù)載(如外部的繼電器、接觸器等)動(dòng)作是否正常,或?qū)?yīng)控制柜接線端子上輸出信號(hào)的狀態(tài)變化是否正確。
對(duì)于有模擬量輸入的系統(tǒng),可以給變送器提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號(hào),通過(guò)調(diào)節(jié)單元上的電位器或程序中的參數(shù),使模擬量輸入信號(hào)和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量之間的關(guān)系滿足要求。
在現(xiàn)場(chǎng)安裝好控制柜并完成柜內(nèi)接線測(cè)試后,將外部的輸入元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入PLC,將PLC置于運(yùn)行模式,運(yùn)行控制程序,檢查控制系統(tǒng)是否能滿足要求。
在調(diào)試過(guò)程中將暴露出PLC系統(tǒng)可能存在的硬件問(wèn)題及梯形圖設(shè)計(jì)中的問(wèn)題,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后在現(xiàn)場(chǎng)加以解決,直到完全符合要求。全部調(diào)試完成后,還要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行,以檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。
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