常州西门子中国授权代理商触摸屏供应商

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、引言

    在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的有效、便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。

    2、PLC系统设备选型

    PLC主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。

    目前市场上的PLC产品众多，国外有德国的SIEMENS；日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic；美国的GE；韩国的LG等。国产有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。

    2.1 确定PLC 控制系统的规模

    依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。

    小规模PLC控制系统：单机或者小规模生产过程，控制过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。

    中等规模PLC控制系统：生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。

    大规模PLC控制系统：生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数在512点以上。应该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。

    2.2 确定PLC I/O 点的类型

    根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。

    根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或品闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。

    电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，PLC输出端采用继电器输出或者固态继电器输出；各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动/停止应采用晶体管输出。

    2.3 确定PLC编程工具

    （1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器只能用商家规定语句表中的语句表（STL）编程。这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的产品比较适宜，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。

    （2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（LAD）编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高,主要用于微型PLC和中档PLC。

    （3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率的一种方式，但大部分公司的PLC 开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中PLC系统的硬件组态和软件编程。

    3、PLC控制系统的设计

    PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。

    3.1 PLC控制系统的硬件设计

    硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的性、性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。

    （1） PLC控制系统的输入电路设计。PLC供电电源一般为AC85—240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1：1隔离变压器等）；隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。

    PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电和PLC至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。

    （2） PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短；如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。

    如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。

    当PLC扫描频率为10次／min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。

    对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互锁，以加强PLC系统运行的性、性。

    对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。

    （3） PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时考虑的问题。一般采用以下几种方式：

    隔离：由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1：1隔离变压器，并将中性点经电容接地。
    屏蔽：一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。
    布线：强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔；模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。

    3.2 PLC 控制系统的软件设计

    在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。

    （1） PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。

    基本程序：既可以作为立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序；依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种：顺序结构、条件分支结构和循环结构。

    模块化程序：把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。

    （2） PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大；尽可能把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的性。

    程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配。
    在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。
彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。

    （3） PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程遵循的原则。下面介绍几点技巧。
    PLC各种触点可以多次重复使用，用复杂的程序来减少触点使用次数。

    同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者 RQ4.0）。

    如果要使PLC多个输出为固定值 1 （常闭），可以采用字传送指令完成，例如 Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同时都为1，可以使用一条指令将十六进制的数据0A9H直接传送QW2即可。

    对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端，或者通过PLC编程来减少I/O点数，节约资源。例如：我们使用一个按钮来控制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。

    模块化编程思想的应用：我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC程序中我们可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC 程序的编制。

    4、PLC控制系统程序的调试 

   PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。

    4.1 I/O端子测试
 
    用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常；反之，应检查接线或者是I/O点坏。

    我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出端子指示灯是否全亮。PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常。反之，应检查接线或者是I/O点坏。

    4.2 系统调试

    系统调试应按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。将PLC与现场设备连接。在正式调试前检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。

    把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行：

    （1） 对每一个现场信号和控制量做单测试；
    （2） 检查硬件/修改程序；
    （3） 对现场信号和控制量做综合测试；
    （4） 带设备调试；
    （5） 调试结束。

    5、结束语

    PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，要想做到熟练自如，需要反复设计和实践。本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结，在实际应用中具有良好的效果。

  在过去的几十年里，可编程逻辑控制器（PLC）一直被广泛用于自动化领域，而在可预知的未来，PLC仍将长盛。面向离散控制而设计PLC的实际上已经成为工业领域一个具有伟大意义的统治性工具。

    然而，随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加，PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经了PLC的功能范围，使得工业机器领域的工程师在自动化系统中集成多的I/O、处理和控制策略。

    新的可编程自动化控制器（PAC）硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案，能够很容易整合到PLC系统中，给工业机器增加多的功能，并提高机器的效率。

    1、需求：如何提高机器的效率

    如何提高机器的效率？让我们来看看Integrated Industrial Systems （I2S）公司是如何做的。I2S在现有的PLC系统上实现大的改进。这是一个来自美国的私有原始设备制造商，数十年以来一直致力于制造的轧制设备和控制系统，用于全世界的铁和非铁金属行业。在这一领域的雄厚技术底蕴使之成为的。

    I2S也曾经长期使用PLC来自动化和控制生产的轧制设备。近几年他们一直在试图新轧制设备控制系统，以提率和质量。为了提高炼钢设备的效率和质量，他们主要对其伽马测量系统进行了改进，以便能准确地控制金属厚度。

    数年以来，伽马测量系统一直是I2S产品家族中的标志性产品，现在依然广受欢迎，但是系统的很多硬件和软件特征都已经过时了。为了新该系统并改进其机器，I2S公司需要一个具有的模拟输入分辨率的方案，以连接伽马测量传感器和信号处理，从而从传感器中模拟信号，实现高度的厚度测量，再由PLC使用在轧制机器的控制系统中。

    2、伽马测量仪技术

    伽马测量仪使用“镅”作为恒发射源，这一发射源位于“C”框架组装的较低部。结构的部是一个和前置放大器。当通过发射源和之间的间隔时，金属带会吸收一部分辐射，吸收量视其厚度和密度而定。剩下的一部分就由进行测量，并转化成带厚度测量。

    实施改造步：现有设备试验

    为了节省时间和费用，I2S先试着在已有的PLC系统中进行模拟测量和处理。但是，PLC的模拟I/O和信号处理无法达到所需的度。I2S公司要确保运行于PLC中的控制系统不会因为额外I/O和处理的增加而减少。

    因此，他们需要这么一个系统，这个系统能够从伽马传感器中模拟信号并进行处理以计算的厚度测量值，并能将这个厚度测量插入到PLC控制系统中。但是，所用的PLC不适合处理和高速模拟I/O。

    二步：如果现有设备无法奏效，就试试其它方法

    在认识到PLC无法提供连接伽马测量传感器所需的I/O和处理后，I2S转向了PAC技术。它选择了国家仪器的CompactRIO PAC，以提供改进轧制机器质量所的附加功能。CompactRI/O是一个可重置嵌入式系统，既结合了传统PLC的优点和性，又能提供多I/O和处理。国家仪器的所有PAC都可以通过其LabVIEW图形编程工具来编程，因此可以很容易进行编程和配置。

    三步：添加I/O

    CompactRIO有一个嵌入式现场可编程门阵列（FPGA）芯片和实时处理器，可通过内置的LabVIEW功能块来编程。另外，它还拥有过30个模拟和数字I/O模块，具有内置信号调节（反锯齿、隔离、ADC、DAC等）、高速计时（模拟I/O速度达到800kHz ，数字I/O速度达到30 MHz）和高分辨率（24b ADC），可与任何工业传感器或者触发器连接。

EtherNet/IP™通讯协议

    如同DCS，PLC也曾是封闭和私有的系统。但是现在许多类似系统—比如Allen-Bradley® 、ControlLogix® 和CompactLogix® PLC—使用一个由以太网和EtherNet/IP（由A-B和开发的工业协议，当前已被开放设备供应商协会采纳支持）组成的常见通讯平台。
EtherNet/IP的主要优势在于它提供了一个在不同产品厂商间广泛使用的标准通讯通道。因此使用EtherNet/IP协议的PLC易于与其他设备进行通讯。这种互用性将给您带来多的选择。

    作为一个控制工程师能使用支持EtherNet/IP的硬件和软件如Allen-Bradley CompactLogix、ControlLogix PLC和RSLogix，但是为了特定目的需要选择其他厂商的I/O。

新选择

    PLC系统按种类不包括分布式控制。当你深刻意识到新增模拟I/O时，你为你的过程I/O增加新的梯形逻辑图。但是额外的逻辑和I/O点将消耗掉系统开销，增加的网络负荷和扫描次数的降低会影响整体系统性能。

    一个令人激动的选择—EtherNet/IP出现了，它能够扩大带I/O点的PLC系统。你可以选择对PLC系统增加DCS的分布式智能。

    Opto 22的SNAP I/O™能扩大A-B ControlLogix 或CompactLogix系统—或者另一个使用EtherNet/IP 的PLC系统—只需这么做：提供远程智能I/O卸载许多I/O功能，尤其是大部分过程控制应用中涉及迟钝的模拟信号处理。远程I/O处理类似功能如模拟量梯度设定、热电偶线性化、标定、PID回路控制，PLC能继续正常工作而几乎不受影响。

编程的方案

    在PLC系统中，许多远程I/O通过总线耦合进行通讯。过去，在I/O层放入智能处理器意味着购买另一个PLC并使用梯形逻辑或学习新的语言对其进行编程。两者都需要开发时间和费用。

    Opto 22的SNAP I/O，其优势之一也在于编程。所有I/O智能功能内置入I/O，其设备叫做智能处理器。智能处理器提供通讯，如总线耦合，但是同时也提供自动I/O处理。当I/O配置完成后，智能处理器马上开始处理。其与A-B PLC兼容的SNAP I/O由ODVA支持EtherNet/IP协议。

内置远程I/O功能

    在过程控制应用方面，以下SNAP I/O的内置模拟量功能尤其有用：

    PID回路控制（每个智能处理器拥有多达96个回路）
    小和大值
    模拟量标定
    校准
    求和
    工程单位换算
    热电偶线性化
    温度转换
    定时
    输出锁存

    另外，SNAP I/O在相同的I/O地板上提供串口和数字量功能：

    多重串行设备控制（RS 232/485）
    输入闭锁
    数字量过滤
    积分运算
    高速计数
    定时
    脉冲发生
    脉冲测量
    时间比例输出
    频率和时间测量

    在远程I/O中新增以上功能，编程也不会对整体系统造成影响，这种能力可以对您的系统增负， 并能在新的过程控制任务上获得成功。

  这种多任务的运行机制，采用了大型应用软件的模块化程序设计思想，带来了项目开发效率上的提高，有着常规PLC所无法比拟的灵活性。因为多任务的思想使得各个任务模块的功能描述趋清晰简洁，用户可以自行开发既具有自己特点而又不乏通用性的立功能模块，并将其封装以便于日后在其他应用场合中重新使用。

    1.3 强大的系统能力和高的处理速度

    （1）、全开放、集成化的CPU
     
    贝加莱的PCC主要包括2005、2003和X20 CPU三个系列，由于其在网络通信方面的开放性和结构上的模块化，这三种系列的PCC在构成控制系统的方式和规模上又是十分灵活的。贝加莱2007年推出的X20系列PCC成为了机械自动化和高性过程自动化等复杂、灵活自动化系统的通用选择。
     
    X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Inbbb X86 Processor技术，采用Runtime实时操作系统，秉承了贝加莱PCC的定性分时多任务的控制特点，可采用符合IEC61131-3标准的多种工程编程语言以及Automation Basic、ANSI C两种语言编程。
     
    X20 CPU的主板集成了多种通信接口，包括RS232、标准以太网接口TCP/IP、工业实时以太网接口Ethernet POWERbbbb、2个USB。采用可插卡式的CF卡作为存储介质。
     
    X20 CPU是一款开放性高的产品，通信模块系列包括了CAN、Ethernet POWERbbbb、Profibus、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便扩展和兼容各种目前市场上主流的现场总线，体现其开放式的网络架构。CP3486的主板具有三个通信模块接口。

    （2）CPU的多处理器结构和高的系统响应速度
     
    系统的响应速度不仅由CPU决定，还与I/O数据的传输速率有关。PCC的主CPU本身速度快，同时还借用大型计算机的结构，采用I/O-Processor单处理I/O，采用DPR-Controller双向口控制器负责网络及系统的管理。也就是说，一个PCC模块上有三个处理器，它们既各自立而又相互关联，大限度地提高了整个系统的速度。
     
    CP3486是X20 CPU系列中性能的产品，采用了Inbbb Celeron 650 处理器及附加的I/O 处理器和浮点处理器FPU。系统的单步指令处理可达到0.01μs，单个工作任务循环周期可达200μs，是当前世界上性能、运算快的PLC/PCC CPU之一。
     
    系统频率、相位测量响应速度快：主CPU内含有一个TPU, 可计算处理频率高达4MHz至6MHz的脉冲信号，因而能巧妙地解决系统的频率和相位测量问题，该功能在电力系统中可实现快速自动准同期并网。

    （3）强大的数据通讯功能
     
    PCC在远程通信方面的灵活性，是区别于常规PLC的另一显著标志，作为现场分布式控制系统的主要供应商之一，贝加莱为此提供了十分灵活多样的解决方案。除在1.3（1）中已提到的各种开放式现场总线的网络方案之外，PCC还提供了多种网络协议，用户不仅可以采用贝加莱的有网络协议，也可以方便地与其他厂家的PLC或其他工控设备联网通信（如Siemens、罗克韦尔 AB、施耐德Modicon等），在一些特殊情况下，PCC还为用户提供了创建自定义协议的帧驱动（Frame drive）工具。特别值得一提是Ethernet POWERbbbb网络协议，这是2001年贝加莱公司当竞争对手还在讨论实时工业以太网概念的时候，便在次推出实用化的实时工业以太网络，这也是个开放的级（SIL3）实时工业以太网。2007年初该公司又发布了千兆级实时工业以太网Ethernet POWERbbbb（如图4所示）。由于具备这样的技术优势，PCC常常能轻松地实现与各种不同产品，不同通信协议的互联。

图4 实时工业以太网Ethernet POWERbbbb构成的通讯网络

    1.4 软件的集成开发环境及灵活的软件开发方式

    （1）集成化软件开发工具Automation Studio
     
    PCC的编程组态软件采用Automation Studio集成化软件工具，基于同一个软件平台，全部解决整个自动化项目的集成。在该软件平台中同时集成了触摸屏画面组态、PCC编程调试、伺服驱动器编程、离线与在线测试等丰富的软件开发功能，从而可以大大地提高项目的开发效率。

    （2）灵活的软件开发方式
     
    PCC的编程器采用普通PC机，配以一套功能强大的集成化软件开发工具Automation Studio。除编制和组态应用程序以外，它还能为工程师提供源程序级的单步、断点、单周期及PCC在线错误自诊断等多种形式的调试手段，使应用程序的开发十分灵活便捷。另外，通过开发软件包所提供的多种函数，用户可在短时间内编制出而复杂的控制程序。
     
    一个项目中的各项软件可以由不同的程序员分别编制，各程序员基于共同的约定，可以灵活地选用不同的编程语言，这就意味着不仅在常规 PLC上一直为人们所熟悉的梯形图、指令表、顺序功能图、功能块图和结构化文本等符合IEC61131-3标准的工程语言可以在PCC上继续沿用，而且程序员还可采用为的语言，比如ANSI C 和Automation Basic，并可以在同一个项目中同时采用多种语言混合编程，从而较易实现复杂的数学运算功能和过程控制算法。而且所有这些编程语言，PCC都采用“符号变量”来标识外部I/O通道及内部寄存器单元 （例如用户可用motor_run来代表某开关量输出通道，button_down代表某开关量输入通道）。这样，软件开发人员毋需熟知 PCC内部的硬件资源分布，而只须集中精力于项目本身的工艺需求，即可编制出结构清晰功能明确的控制程序来。

    （3）贝加莱与亚控科技合作打造了King View for B&R定制化软件
     
    从2007年开始，贝加莱便与中国民族自动化软件的开拓者北京亚控科技合作，以亚控组态王6.53为基础，为贝加莱量身定制了Kingview for B&R软件，方便、快捷、易学易用是此款定制化软件的亮点。近该软件已正式推出，它是对Automation Studio的，可以说是如虎添翼。KingView for B&R软件除具有组态王6.53所具备的功能外，还具有以下特点：

    ＊ 以驱动的方式支持贝加莱的所有系列产品；
    ＊ 支持冗余服务器、冗余CPU、冗余网络；
    ＊ 支持自动上传PCC中的变量；
    ＊ 支持结构体和数组变量类型。
     
    目前，此产品已成功地应用于许多行业。如：在甘肃某水泥项目上的应用，受到了客户的普遍赞誉。
     
    King View for B&R软件的诞生，为于SA系统的客户提供了大的便利，客户不用再为众多不同的OPC配置方法而苦思冥想，不用再为定义两遍标签变量而烦恼。King View for B&R软件是一款真正适合中国客户使用的软件