計(jì)算機(jī)功能與選擇介紹
1．能流
a）錯(cuò)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(chēng)為母線(Bus bar)，。在分析梯形圖的邏輯關(guān)系時(shí)，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(gè)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(dòng)。右母線可以不畫(huà)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(duì)應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱(chēng)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(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行的。
PLC順序控制設(shè)計(jì)法編制梯形圖的四種方式：
可編程控制器PLC外部接線簡(jiǎn)單方便，它的控制主要是程序的設(shè)計(jì)，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(jì)法，邏輯設(shè)計(jì)法，繼電器控制電路移植法和順序控制設(shè)計(jì)法，其中順序控制設(shè)計(jì)法也叫功能表圖設(shè)計(jì)法，功能表圖是一種用來(lái)描述控制系統(tǒng)的控制過(guò)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(dòng)作組成。這是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，可以節(jié)約60%~90%的設(shè)計(jì)時(shí)間.我國(guó)1986年頒布了功能表圖的國(guó)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(shuō)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(zhuān)門(mén)為順序控制設(shè)計(jì)提供的指令，它的步只能用狀態(tài)寄存器S來(lái)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(shí)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(hào)的負(fù)載輸出，在步進(jìn)觸點(diǎn)結(jié)束時(shí)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(duì)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(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工程師，也會(huì)提高設(shè)計(jì)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(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮，該法在工業(yè)自動(dòng)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(duì)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(jí)步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)與轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)或電路串聯(lián)，作為使所有后續(xù)步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器置位和使所有前級(jí)步對(duì)應(yīng)的輔助繼電器復(fù)位的條件。對(duì)簡(jiǎn)單順序控制系統(tǒng)也可直接對(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)中手動(dòng)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(lái)編制梯形圖，它們的一般比較見(jiàn)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(jì)出任意復(fù)雜的順序控制程序。
6 結(jié)束語(yǔ) 采用功能表圖的四種方式來(lái)編制梯形圖，可適應(yīng)于不同場(chǎng)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(jì)方法，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，能節(jié)省(60~90)%的時(shí)間。
PLC的選型方法在PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設(shè)計(jì)選型。工藝流程的特點(diǎn)和應(yīng)用要求是設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)、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(yǔ)言有利于縮短編程時(shí)間，因此，工程設(shè)計(jì)選型和估算時(shí)，應(yīng)詳細(xì)分析工藝過(guò)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(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)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(jià)格比的PLC和設(shè)計(jì)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(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計(jì)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(shí)，還需根據(jù)制造廠商PLC的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)進(jìn)行圓整。
二、存儲(chǔ)器容量的估算
存儲(chǔ)器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲(chǔ)單元大小，程序容量是存儲(chǔ)器中用戶(hù)應(yīng)用項(xiàng)目使用的存儲(chǔ)單元的大小，因此程序容量小于存儲(chǔ)器容量。設(shè)計(jì)階段，由于用戶(hù)應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計(jì)選型時(shí)能對(duì)程序容量有一定估算，通常采用存儲(chǔ)器容量的估算來(lái)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(jiǎn)單PLC的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)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(jí)運(yùn)算功能。隨著開(kāi)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(jì)選型時(shí)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(chǎng)合，只需要邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)計(jì)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(cè)和控制時(shí)，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(shí)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(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)也采用專(zhuān)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(chǔ)器容量。例如采用PID控制單元、高速計(jì)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(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如TCP/IP），需要時(shí)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(kāi)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(guó)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(duì)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)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(gè)CPU，編程器在編程模式時(shí)，CPU只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制，并在一個(gè)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(guò)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(guò)軟件對(duì)PLC內(nèi)部的性能和功能進(jìn)行診斷是內(nèi)診斷，通過(guò)軟件對(duì)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(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。
(六)處理速度
PLC采用掃描方式工作。從實(shí)時(shí)性要求來(lái)看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則PLC將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。
處理速度與用戶(hù)程序的長(zhǎng)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(shí)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(shí)間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時(shí)間不大于0.2ms/K。
四、機(jī)型的選擇
(一)PLC的類(lèi)型 整體型PLC的I/O點(diǎn)數(shù)固定，因此用戶(hù)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(hù)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(duì)輸入模塊，應(yīng)考慮信號(hào)電平、信號(hào)傳輸距離、信號(hào)隔離、信號(hào)供電方式等應(yīng)用要求。對(duì)輸出模塊，應(yīng)考慮選用的輸出模塊類(lèi)型，通常繼電器輸出模塊具有價(jià)格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)等特點(diǎn)；可控硅輸出模塊適用于開(kāi)關(guān)頻繁，電感性低功率因數(shù)負(fù)荷場(chǎng)合，但價(jià)格較貴，過(guò)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(shí)同時(shí)引進(jìn)PLC應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)要求設(shè)計(jì)和選用外，一般PLC的供電電源應(yīng)設(shè)計(jì)選用220VAC電源，與國(guó)內(nèi)電網(wǎng)電壓一致。重要的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)，應(yīng)核對(duì)提供的電流是否滿足應(yīng)用要求，否則應(yīng)設(shè)計(jì)外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對(duì)輸入和輸出信號(hào)的隔離是必要的，有時(shí)也可采用簡(jiǎn)單的二極管或熔絲管隔離。
(四)存儲(chǔ)器的選擇
由于計(jì)算機(jī)集成芯片技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的價(jià)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(chǔ)器容量，按256個(gè)I/O點(diǎn)至少選8K存儲(chǔ)器選擇。需要復(fù)雜控制功能時(shí)，應(yīng)選擇容量更大，檔次更高的存儲(chǔ)器。
(五)冗余功能的選擇
1．控制單元的冗余
(1)重要的過(guò)程單元：CPU（包括存儲(chǔ)器）及電源均應(yīng)1B1冗余。
(2)在需要時(shí)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(cuò)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(cè)點(diǎn)的多點(diǎn)I/O卡可冗余配置。3）根據(jù)需要對(duì)重要的I/O信號(hào)，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(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比�？紤]經(jīng)濟(jì)性時(shí)，應(yīng)同時(shí)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(duì)價(jià)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(chǔ)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(duì)CPU選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影響。在估算和選用時(shí)應(yīng)充分考慮，使整個(gè)控制系統(tǒng)有較合理的性能價(jià)格比。
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