計算機(jī)功能與選擇介紹

　　1．能流

　　a）錯誤的梯形圖 b）正確的梯形圖

　　2．母線

　　梯形圖兩側(cè)的垂直公共線稱為母線(Bus bar)，。在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時，為了借用繼電器電路圖的分析方法，可以想象左右兩側(cè)母線（左母線和右母線）之間有一個左正右負(fù)的直流電源電壓，母線之間有“能流”從左向右流動。右母線可以不畫出。

　　3．梯形圖的邏輯解算

　　根據(jù)梯形圖中各觸點(diǎn)的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進(jìn)行的。解算的結(jié)果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來進(jìn)行的。

　　PLC順序控制設(shè)計法編制梯形圖的四種方式：

　　可編程控制器PLC外部接線簡單方便，它的控制主要是程序的設(shè)計，編制梯形圖是最常用的編程方式，使用中一般有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計法，邏輯設(shè)計法，繼電器控制電路移植法和順序控制設(shè)計法，其中順序控制設(shè)計法也叫功能表圖設(shè)計法，功能表圖是一種用來描述控制系統(tǒng)的控制過程功能、特性的圖形，它主要是由步、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件、箭頭線和動作組成。這是一種先進(jìn)的設(shè)計方法，對于復(fù)雜系統(tǒng)，可以節(jié)約60%~90%的設(shè)計時間.我國1986年頒布了功能表圖的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB6988.6-86)。有了功能表圖后，可以用四種方式編制梯形圖，它們分別是:起保停編程方式、步進(jìn)梯形指令編程方式、移位寄存器編程方式和置位復(fù)位編程方式。本文以三菱公司F1系列PLC為例，說明實(shí)現(xiàn)順序控制的四種編程方式。

　　圖1 功能表圖

　　圖2 起保停電路實(shí)現(xiàn)順序控制

　　3 使用步進(jìn)梯形指令的編程方式 步進(jìn)梯形指令是專門為順序控制設(shè)計提供的指令，它的步只能用狀態(tài)寄存器S來表示，狀態(tài)寄存器有斷電保持功能，在編制順序控制程序時應(yīng)與步進(jìn)指令一起使用，而且狀態(tài)寄存器必須用置位指令SET置位，這樣才具有控制功能，狀態(tài)寄存器S才能提供STL觸點(diǎn)，否則狀態(tài)寄存器S與一般的中間繼電器M相同。在步進(jìn)梯形圖中不同的步進(jìn)段允許有雙重輸出，即允許有重號的負(fù)載輸出，在步進(jìn)觸點(diǎn)結(jié)束時要用RET指令使后面的程序返回原母線。把圖1中的0-3用狀態(tài)寄存器S600-S603代替，代替以后使用步進(jìn)梯形指令編程，對應(yīng)的梯形圖如圖3所示。這種編程方法很容易被初學(xué)者接受和掌握，對于有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也會提高設(shè)計效率，程序的調(diào)試、修改和閱讀也很容易，使用方便，程序也較短，在順序控制設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先考慮，該法在工業(yè)自動化控制中應(yīng)用較多。

　　圖3 步進(jìn)指令實(shí)現(xiàn)順序控制

　　圖4 移位寄存器實(shí)現(xiàn)順序控制

　　5 使用置位復(fù)位指令的編程方式 如圖5為使用置位復(fù)位編程方式編制的與圖1順序功能圖所對應(yīng)的梯形圖。在以置位復(fù)位指令的編程方式中，用某一轉(zhuǎn)換所有前級步對應(yīng)的輔助繼電器的常開觸點(diǎn)與轉(zhuǎn)換對應(yīng)的觸點(diǎn)或電路串聯(lián)，作為使所有后續(xù)步對應(yīng)的輔助繼電器置位和使所有前級步對應(yīng)的輔助繼電器復(fù)位的條件。對簡單順序控制系統(tǒng)也可直接對輸出繼電器置位或復(fù)位。該方法順序轉(zhuǎn)換關(guān)系明確，編程易理解，一般多用于自動控制系統(tǒng)中手動控制程序的編程。

　　圖5 置位復(fù)位指令實(shí)現(xiàn)順序控制

　　以上四種順序控制編程方式各有特點(diǎn)，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇一種來編制梯形圖，它們的一般比較見附表。教學(xué)實(shí)踐表明這些編程方式很容易被初學(xué)者接受和掌握，用它們可以得心應(yīng)手地設(shè)計出任意復(fù)雜的順序控制程序。

　　6 結(jié)束語 采用功能表圖的四種方式來編制梯形圖，可適應(yīng)于不同場合，供工程技術(shù)人員視工藝要求決定。它是一種先進(jìn)的設(shè)計方法，對于復(fù)雜系統(tǒng)，能節(jié)省(60~90)%的時間。

　　PLC的選型方法在PLC系統(tǒng)設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。PLC及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標(biāo)準(zhǔn)的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則選型所選用PLC應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運(yùn)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(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

　　一、輸入輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的估算

　　I/O點(diǎn)數(shù)估算時應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔�，通常根�?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加1

　　0%～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，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。

　　二、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(yīng)用項(xiàng)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(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)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。

　　三、控制功能的選擇

　　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

　　簡單PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計時和計數(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)算和其他高級運(yùn)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(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)計選型時應(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)用場合，只需要邏輯運(yùn)算和計時計數(shù)功能，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當(dāng)用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運(yùn)算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和PID運(yùn)算等。要顯示數(shù)據(jù)時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)省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數(shù)器、帶速度補(bǔ)償?shù)腵模擬單元、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)場總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時應(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)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。 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)對點(diǎn)、現(xiàn)場總線、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CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。完成編程后，編程器切換到運(yùn)行模式，CPU對現(xiàn)場設(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)場控制，并在一個掃描周期內(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)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(nèi)診斷和外診斷。通過軟件對PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過軟件對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，直接影響對操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時間。

　　(六)處理速度

　　PLC采用掃描方式工作。從實(shí)時性要求來看，處理速度應(yīng)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(jù)的丟失。

　　處理速度與用戶程序的長度、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)行時間約0.2～0.4Ls，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的掃描時間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時間不大于0.2ms/K。

　　四、機(jī)型的選擇

　　(一)PLC的類型 整體型PLC的I/O點(diǎn)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I/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I/O點(diǎn)數(shù)，功能擴(kuò)展方便靈活，一般用     于大中型控制系統(tǒng)。

　　(二)輸入輸出模塊的選擇

　　輸入輸出模塊的選擇應(yīng)考慮與應(yīng)用要求的統(tǒng)一。例如對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應(yīng)用要求。對輸出模塊，應(yīng)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(yīng)時間較長等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)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(yīng)用要求應(yīng)一致。

　　可根據(jù)應(yīng)用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應(yīng)用成本。

　　考慮是否需要擴(kuò)展機(jī)架或遠(yuǎn)程I/O機(jī)架等。

　　(三)電源的選擇

　　PLC的供電電源，除了引進(jìn)設(shè)備時同時引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書要求設(shè)計和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計選用220VAC電源，與國內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場合，應(yīng)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(yīng)核對提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入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。

　　(四)存儲器的選擇

　　由于計算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應(yīng)用項(xiàng)目的正常投運(yùn)，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點(diǎn)至少選8K存儲器選擇。需要復(fù)雜控制功能時，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲器。

　　(五)冗余功能的選擇

　　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(yīng)1B1冗余。

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

　　2．I/O接口單元的冗余

　　(1)控制回路的多點(diǎn)I/O卡應(yīng)冗余配置。

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

　　(六)經(jīng)濟(jì)性的考慮

　　選擇PLC時，應(yīng)考慮性能價格比�？紤]經(jīng)濟(jì)性時，應(yīng)同時考慮應(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(fèi)用。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對CPU選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時應(yīng)充分考慮，使整個控制系統(tǒng)有較合理的性能價格比。

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