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产品描述

产品规格模块式包装说明全新品牌西门子

西门子模块6ES7341-1BH02-0AE0安装调试


PLC控制系统设计概要简述

1 引言


随着plc在工业控制中的推广普及,plc产品的种类越来越多,其结构型号、性能、容量、指令系统,编程方法等各不相同,适用场合也各有侧重。因此,合理选择plc对于提高其在控制系统中的应用有着重要作用。应用plc首先要详细分析被控对象、控制过程与要求,熟悉了解工艺流程后列出控制系统的所有功能和指标要求,与继电器控制系统和工业控制计算机进行比较后加以选择。plc较适合于控制对象的工业环境较差,而安全性、可靠性要求特别高,系统工艺复杂,输入输出以开关量为多,用常规的继电器接触器难以实现,工艺流程又要经常变动的对象和现场。其次要确定控制范围,一般讲,能够反映生产过程的运行情况,能用传感器进行直接测量的参数;用人工进行控制工作量大,操作复杂出错或操作过于频繁,人工操作不满足工艺要求的往往由plc控制。


2plc的选择


2.1 机型选择


机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要,而不浪费机器容量。选择机型前,首先要对控制对象进行下面估计:有多少开关量输入,电压分别为多少,有多少开关量输出,输出功率为多少;有多少模拟量输入和模拟量输出;是否有特殊控制要求,如高速计数器;现场对控制器响应速度有何要求;机房与现场分开还是在一起等。


在功能满足要求的前提下,选择较可靠、维护使用较方便以及性能价格较优的机型。通常的做法是:在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合,选用整体式结构的plc;其他情况则较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,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;而控制比较复杂,控制功能要求比较高的(如要实现pid运算、闭环控制、通讯联网等),可根据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)。


应该注意的是,同一个企业应尽量做到机型统一,这样同一个机型的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,因此配上计算机后即可把控制各独立系统的多台plc联成一个dcs系统,这样便于相互通信,集中管理[2]。


2.2i/o的选择


plc与工业生产过程的联系是通过i/o接口模块来实现的,plc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他一些特殊模块,使用时应根据它们的特点进行选择。


(1)确定i/o点数。不同的控制对象所需要的i/o点数不同,一些典型的传动设备及常用的电气元件所需plc的i/o点数是固定的,如一个单线圈电磁阀用2个输入点,一个输出点;一个按纽需一个输入点;一个信号灯占用一个输出点等,但对于同一个控制对象,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。根据控制系统的要求确定所需的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。


(2)开关量i/o。开关量i/o接口可以从传感器和开关(如按纽、限位开关等)及控制设备(如指示灯、报警器、电动机启动器等)接收信号。典型的交流i/o信号为24~240v,直流i/o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,如用于错误信号的抖动电路等。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没有可选的隔离电路。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


   PLC是专门为工业生产服务的控制装置,通常不需要采取什么措施,就可以直接在工业环境中使用。但是,当生产环境过于恶劣,电磁干扰特别强烈,或安装使用不当,都不能保证PLC的正常运行,因此在使用中应注意以下问题。
   
    一、工作环境
   
    1. 温度
    PLC要求环境温度在0~55℃,安装时不能放在发热量大的元件下面,四周通风散热的空间应足
   
    够大,基本单元和扩展单元之间要有30mm以上间隔;开关柜上、下部应有通风的百叶窗,防止太阳光直接照射;如果周围环境超过55℃,要安装电风扇强迫通风。
   
    2. 湿度
    为了保证PLC的绝缘性能,空气的相对湿度应小于85%(无凝露)。
   
    3. 震动
    应使PLC远离强烈的震动源,防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避
   
    免震动时,必须采取减震措施,如采用减震胶等。
   
    4. 空气
    避免有腐蚀和易燃的气体,例如、等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境,可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中,并安装空气净化装置。
   
    5. 电源
    PLC供电电源为50Hz、220(1±10%)V的交流电,对于电源线来的干扰,PLC本身具有足够的抵制能力。对于可靠性要求很高的场合或电源干扰特别严重的环境,可以安装一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器,以减少设备与地之间的干扰。还可以在电源输入端串接LC滤波电路。如图1所示。
   
    FX系列PLC有直流24V输出接线端,该接线端可为输入传感器(如光电开关或接近开关)提供直流24V电源。当输入端使用外接直流电源时,应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源,由于纹波的影响,使PLC接收到错误信息。
   
    二、安装与布线
   
    1.动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线,隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双胶线连接。
    2. PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备,不能与高压电器安装在同一个开关柜内。
    3. PLC的输入与输出较好分开走线,开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线,屏蔽层应一端或两端接地,接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。
    4. PLC基本单元与扩展单元以及功能模块的连接线缆应单独敷设,以防止外界信号的干扰。
    5.交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆,输出线应尽量远离高压线和动力线,避免并行。
   
    三、I/O端的接线
   
    1.输入接线
    (1)输入接线一般不要超过30米。但如果环境干扰较小,电压降不大时,输入接线可适当长些。
    (2)输入/输出线不能用同一根电缆,输入/输出线要分开。
    (3)尽可能采用常开触点形式连接到输入端,使编制的梯形图与继电器原理图一致,便于阅读。
   
    2.输出连接
    (1)输出端接线分为独立输出和公共输出。在不同组中,可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。
    (2)由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上,并且连接至端子板,若将连接输出元件的负载短路,将烧毁印制电路板,因此,应用熔丝保护输出元件。
    (3)采用继电器输出时,所承受的电感性负载的大小,会影响到继电器的使用寿命,因此,使用电感性负载时选择继电器工作寿命要长。
    (4)PLC的输出负载可能产生干扰,因此要采取措施加以控制,如直流输出的续流管保护,交流输出的阻容吸收电路,晶体管及双向晶闸管输出的旁路电阻保护。
   
    四、外部安全电路
   
    为了确保整个系统能在安全状态下可靠工作,避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故,PLC外部应安装必要的保护电路。
   
    (1)急停电路。对于能使用户造成伤害的危险负载,除了在控制程序中加以考虑之外,还应设计外部紧急停车电路,使得PLC发生故障时,能将引起伤害的负载电源可靠切断。
    (2)保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统,要设置外部电器互锁保护;往复运行及升降移动的控制系统,要设置外部限位保护电路。
    (3)可编程控制器有监视定时器等自检功能,检查出异常时,输出全部关闭。但当可编程控制器CPU故障时就不能控制输出,因此,对于能使用户造成伤害的危险负载,为确保设备在安全状态下运行,需设计外电路加以防护。
    (4)电源过负荷的防护。如果PLC电源发生故障,中断时间少于10秒,PLC工作不受影响,若电源中断超过10秒或电源下降超过允许值,则PLC停止工作,所有的输出点均同时断开;当电源恢复时,若RUN输入接通,则操作自动进行。因此,对一些负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。
    (5)重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所,为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠的报警及防护,应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出,以使控制系统在安全状况下运行。
   
    五、PLC的接地
   
    良好的接地是保PLC可靠工作的重要条件,可以避免偶然发生的电压冲击危害。PLC的接地线与机器的接地端相接,接地线的截面积应不小于2mm2 ,接地电阻小于100Ω;如果要用扩展单元,其接地点应与基本单元的接地点接在一起。为了抑制加在电源及输入端、输出端的干扰,应给PLC接上**地线,接地点应与动力设备(如电机)的接地点分开;若达不到这种要求,也必须做到与其它设备公共接地,禁止与其它设备串连接地。接地点应尽可能靠近PLC。
   
    六、冗余系统与热备用系统
   
    在石油、化工、冶金等行业的某些系统中,要求控制装置有极高的可靠性。如果控制系统发生故障,将会造成停产、原料大量浪费或设备损坏,给企业造成极大的经济损失。但是仅靠提高控制系统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的,因为PLC本身可靠性的提高是有一定的限度。使用冗余系统或热备用系统就能够比较有效地解决上述问题。
   
    1.冗余控制系统
    在冗余控制系统中,整个PLC控制系统(或系统中较重要的部分,如CPU模块)由两套完全相同的系统组成如图2所示。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作,其中一块是主CPU,另一块是备用CPU;主CPU工作,而备用CPU的输出是被禁止的,当主CPU发生故障时,备用CPU自动投入运行。这一切换过程是由冗余处理单元RPU控制的,切换时间在1~3个扫描周期,I/O系统的切换也是由RPU完成的。
   
    2.热备用系统

    在热备用系统中,两台CPU用通讯接口连接在一起,均处于通电状态如图3所示。当系统出现故障时,由主CPU通知备用CPU,使备用CPU投入运行。这一切换过程一般不太快,但它的结构有比冗余系统简单

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PLC控制系统设计原则


1)实用性


实用性是控制系统设计的基本原则。工程师在研究被控对象的同时,还要了解控制系统的使用环境,使得所设计的控制系统能够满足用户所有的要求。硬件上要尽量的小巧灵活,软件上应简洁、方便。


2)可靠性


可靠性是控制系统极其重要的原则。对于一些可能会产生危险的系统,必须要保证控制系统能够长期稳定、安全、可靠的运行,即使控制系统本身出现问题,起码能够保不会出现人员和财产的重大损失。在系统规划初期,应充分考虑系统可能出现的问题,提出不同的设计方案,选择一种非常可靠且较实施的方案;在硬件设计时,应根据设备的重要程度,考虑适当的备份或冗余;在软件设计时,应采取相应的保护措施,在经过反复测试确保无大的疏漏之后方可联机调试运行。


3)经济性


这要求工程师在满足实用性和可靠性的前提下,应尽量使系统的软、硬件配置经济、实惠,切勿盲目追求新技术、高性能。硬件选型时应以经济、合用为准;软件应当在开发周期与产品功能之间作相应的平衡。还要考虑所使用的产品是否可以获得完备的技术资料和售后服务,以减少开发成本。


4)可扩展性


这要求工程师,在系统总体规划时,应充分考虑到用户今后生产发展和工艺改进的需要,在控制器计算能力和I/O端口数量上应当留有适当的裕量,同时对外要留有扩展的接口,以便系统扩展和监控的需要。


5)先进性


这要求工程师在硬件设计时,**选用技术先进,应用成熟广泛的产品组成控制系统,保证系统在一定时间内具有先进性,不致被市场淘汰。此原则与经济性共同考虑,使控制系统具有较高的性价比。


PLC控制系统设计流程


设计控制系统时应遵循一定的设计流程,掌握设计流程,可以增加控制系统的设计效率和正确性。




被控对象的分析与描述


分析被控对象就是要详细分析被控对象的工艺流程,了解其工作特性。此阶段一定要与用户进行深入的沟通,确析的全面而准确。在控制系统设计时,往往需要达到一些特定的指标和要求,即满足实际应用或是客户需求。在分析被控对象时,必须考虑这些指标和要求。在全面的分析之后,就需要按照一定的原则,准确地用工程化的方法描述被控对象,为控制系统设计打好基础。




1)系统规模


根据被控对象的工艺流程、复杂程度和客户的技术要求确定系统的规模,可以分为大、中、小三种规模。确保硬件资源有一定裕量而不浪费。


小规模控制系统适用于单机或小规模生产过程,以顺序控制为主,信号多为开关量,且I/O点数较少(低于128点),精度和响应时间要求不高。一般选用S7-200就可达到控制要求


中等规模控制系统适用于复杂逻辑和闭环控制的生产过程,I/O点数较多(128点到512点之间),需要完成某些特殊功能,如PID控制等。一般选用S7-300等。


大规模控制系统适用于大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制,I/O点数较多(**512点),被控对象的工艺过程较复杂,对于精度和响应时间要求较高。应选用具有智能控制、高速通信、数据库、函数运算等功能的高档PLC,如S7-400等。


2)硬件配置


根据系统规模和客户的技术对控制系统I/O点数进行估算。分析被控对象工艺过程,统计系统I/O点数和I/O类型。按照设备和生产区域的不同进行划分,明确各个I/O点的位置和功能。再加上10%~20%的备用量列出详细的I/O点清单。


3)软件配置


根据控制系统设计要求选择适合的软件,包括系统平台软件、编程软件。


上位机软件的选择。首先需考虑监控的点数限制;是否有报警显示、趋势分析、报表打印以及历史记录功能。


4)控制功能


要正确的进行控制系统的规模选择,首先要了解各家控制器的特性,比如性能参数、应用场合、行业解决方案,以及可靠性和通用性等。如何选择一个控制系统,一般遵循以下几点:


控制系统是否需要冗余、I/O信号模块是否需要冗余、通讯是否需要冗余。


控制点数有多少,包括数字量输入和输出点数、模拟量输入和输出点数。


被控对象工艺是否复杂,是否需要实现特殊功能,比如防喘控制等。


系统正常运行时,控制器的负载率是否有足够的工作裕量;I/O信号点是否需要一定的余量。


针对数字信号,是否需要继电器隔离;考虑输入信号的电压和电流等级;输出信号是否需要固态继电器输出。


针对模拟量信号,是否需要安全隔离栅;信号的类型,电压型还是电流型;电压和电流的测量范围。不一样的信号类型,需要选择不一样的I/O信号模块。


用于温度测量的信号模块,考虑是热电阻还是热电偶。


信号模块是否需要在线带电插拔更换。如果需要,还需考虑附加特殊的背板插槽。


当系统和外部出现故障时,比如信号短路或锻炉,这时信号模块是否需要将输入输出信号自动切换到预先设置的安全值。如有要求,需考虑选用故障安全型的控制器和信号模块。


当需要和第三方设备通讯时,需考虑通讯距离的长短,以及相应的通讯接口协议等,选用不同的通讯模块。


针对系统中的重要连锁信号,是否需要特殊的SOE模块,来记录信号变化的时间先后顺序。


熟悉被控对象是设计控制系统的基础。只有深入了解被控对象以及被控过程,才能够提出合理科学的控制方案。


1)分析被控对象。详细分析被控对象的工艺流程,了解其工作特性。此阶段一定要与用户进行深入的沟通,确析得全面而准确。


2)画出工艺流程图。经过第一步,应对被控对象的整个工艺流程有了深入的了解,为了更直观、简洁的表示,画出工艺流程图,为后面的系统设计做准备。


3)分析并明确控制任务。根据已经做好的工艺流程图,工程师可以把用户提出的控制要求转换为专业术语,对其逐一进行分解,并从控制的角度将其中的要求转化为多个控制回路。对于过程控制系统可用PID图来表示其中的控制关系。


PLC控制系统总体设计


在控制系统设计之前,需要对系统的方案进行论证。主要是对整个系统的可行性作一个预测性的估计。在此阶段一定要全面地考虑到设计和实施此系统将会遇到的各种问题。如果没有做过相关项目的经验,应当在实地仔细考察,并详细地论证设计此系统中的每一个步骤的可行性。特别是在硬件实施阶段中,稍有不慎,就会造成很大的麻烦,轻则系统不成功,重则会造成严重的人员和财产的损失。工程实施的过程中的阻碍,往往都是由于这一步没有做足工夫而导致的。


系统的总体设计关系到整个系统的总体构架,每个细节都必须经过反复斟酌。首先要能够满足用户提出的基本要求;其次是确保系统的可靠性,不可以经常出现故障,就算出现故障也不会造成大的损失;然后在经济性等方面予以考虑。


一般来说,在系统总体设计时,需要考虑下面几个问题:


(1)确定系统是用PLC单机控制,还是PLC联网控制;确定系统是采用远程I/O还是本地I/O。主要根据系统的大小及用户要求的功能来选择。对于一般的中小型过程控制系统来说,PLC单机控制已基本能够满足功能要求。但也可借鉴集散控制系统的理念,即将危险和控制分散,管理与监控集中。这样可以大大提高系统的可靠性。


(2)是否需要与其它部分通信。一个完整的控制系统,至少会包括三个部分:控制器、被控对象和监控系统。所以对于控制器来说,至少要跟监控系统之间进行通讯。至于是否跟另外的控制单元或部门通讯要根据用户的要求来决定。一般来说,如果用户没有要求,也都会留有这样的通讯接口。


(3)采用何种通信方式。一般来说,在现场控制层级用PROFIBUS DP;而从现场控制层级到监控系统的通讯用PROFINET。但有时候也可互相通用,根据具体情况选择合适的通信方式。


(4)是否需要冗余备份系统。根据系统的所要求的安全等级,选择不同的办法。在数据归档时,为了让归档数据不丢失,可以使用OS服务器冗余;在自动化站(Automation Station,AS),为了使系统不会因故障而导致停机或不可预知的结果,可以使用控制器冗余备份系统。选择适当的冗余备份,可以使系统的可靠性得到大幅提高。




在进行控制系统选型之前,首先考虑系统的网络结构是怎样搭建的。


确定系统的操作站、过程控制站的数目和位置,相互之间是怎样连接的。是否需要工业以太网交换机。


一般情况下,现场控制室和主控制室与电气控制柜分别安放在两个地方,且距离较远,为保信号的稳定可靠,会考虑用光缆来连接各自的交换机。同时,为了通讯线路的冗余,会考虑选用带荣誉管理功能的工业以太网交换机,将现场操作站和过程控制站组成一个光纤环网。这样,即使有一个方向的通讯断开,也可通过另一个方向继续通讯。


对于过程控制站和现场信号之间的连接,传统的连接方式是将现场信号直接通过硬件连接到过程控制站上。这样如果距离太远,信号传输会有损耗,尤其是模拟量信号。且当信号点很多时,布线也较复杂,浪费材料。所以,一般需在现场安装分布式I/O从站(如果现场为危险区,需选用本质安全型的分布式I/O从站),将现场信号直接连接到I/O从站上,在通过现场总线的方式将信号传送到过程控制站。


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