【導讀】設計一個完整的PLC應用系統(tǒng)一般包括項目分析、PLC硬件選型、程序設計和調(diào)試等幾個步驟。項目分析需要對項目的生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境、硬件需求和控制要求等方面進行全面分析。這項工作是整個系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)。如果前期項目分析不到位,將會造成后面硬件選型不準確,導致工程延期。
一、項目分析
1.項目分析
工程技術(shù)人員首先要對工程項目進行分析,即項目工程的控制流程和每個流程的控制類型,并對整個項目可能出現(xiàn)問題做出預判。
(1)分析控制流程。分析控制流程時,建議繪制相關(guān)的控制流程圖,清晰的標注每一步工作的內(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,過程控制,運動(或位置)控制和網(wǎng)絡通信等。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,將每個控制流程的控制類型進行分類,再根據(jù)項目的復雜程度將組合出控制類型,因此前期準確地分析每一步的控制類型,將有助于選型的準確和問題的預估。
在分析項目控制類型的同時,工程技術(shù)人員還要預估PLC選型所需要的重要參數(shù)值。如順序控制中的I/O點數(shù);若使用編碼器,要根據(jù)編碼器的參數(shù)計算其輸出脈沖的頻率值,進而換算成PLC高速計數(shù)的脈沖頻率。再如,過程控制中模擬量數(shù)和模擬量精度、運動控制中PLC對于伺服驅(qū)動器反饋信號的響應速度和PLC高速脈沖輸出的數(shù)量,以及在網(wǎng)絡通信時,所選PLC是否支持相應的網(wǎng)絡類型等參數(shù)。
2.預估可能出現(xiàn)的問題
對于可能出現(xiàn)問題的預估是工程分析中較難的環(huán)節(jié)。這不僅需要工程技術(shù)人員對現(xiàn)場的工作環(huán)境和整個項目控制難點能夠較好地把握,還要對可能出現(xiàn)的突發(fā)情況和危險具有前期預判。
(1)設備工作環(huán)境的把握。工程人員需要對生產(chǎn)環(huán)境有較全面的認識。如紡織機械所處工作環(huán)境的空氣濕度高、振動較大,所以設計PLC系統(tǒng)時要做好防震處理。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的靜電,因此工程技術(shù)人員要在保證電氣控制柜通風良好的前提下,進一步做好防塵和除靜電處理。
設備工作環(huán)境的把握不僅僅局限于物理的環(huán)境,隨著PLC應用的深入,更需考慮人員因素。如設備操作人員的素質(zhì)較低時,需要開發(fā)較為簡練的設備操作界面。
(2)項目難點的預期。項目難點的預期其實就是對項目核心問題的把握。如噴氣織機設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牽引緯紗穿過紡織梭,完成紡織的引緯工作,這需要PLC具有非??斓捻憫俣?。在確定項目難點后,工程技術(shù)人員可以根據(jù)難點來對PLC進行選型。從整個項目的角度出發(fā),項目的難點就是系統(tǒng)設計的特點,也是PLC選型的方向。
(3)項目危險的前期預估。在項目設計前期,工程技術(shù)人員需對本項目可能出現(xiàn)的危險情況進行預判。如順序控制或運動控制中調(diào)試設備時對于誤動作的防護;在過程控制中,測試時是否有高壓,高溫或者有毒有害物質(zhì)以及相關(guān)的防護措施。在項目設計前期對危險進行預估有助于加強工程技術(shù)人員的安全意識。
二、PLC硬件選型
PLC的選型是工程技術(shù)人員根據(jù)前期項目分析和項目難點的預期來選擇合適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,大多數(shù)工程項目中制約PLC選型的因素主要集中在幾個關(guān)鍵點上,所以應遵循先特殊后一般的原則選擇PLC。
所謂特殊即項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點的擴展能力為PLC選型的主要因素。過程控制中,則以控制模擬量的數(shù)量和模擬量的精度作為出發(fā)點進行選型。在較為簡單的運動控制中,PLC需要接收來自現(xiàn)場編碼器送回的位置信號并相應地發(fā)出一定頻率的脈沖來控制伺服電機,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。而在大型復合項目中,需使用不同的PLC組網(wǎng),因此PLC支持的網(wǎng)絡類型則成為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選型的性價比最大化。目前多數(shù)廠家的PLC產(chǎn)品分成多個系列。當工程技術(shù)人員選型時,按照第一步從特殊到一般的選型順序,從最低款PLC開始,逐一對照性能參數(shù)。當發(fā)現(xiàn)不滿足要求時,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。如若由上至下選型,則會使PLC功能浪費,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)量輸入點是用來接受現(xiàn)場傳感器所輸入的電平信號,開關(guān)時輸出點的作用根據(jù)內(nèi)部的控制信號來驅(qū)動外部負載。
(1)開關(guān)量輸入端子的選擇?,F(xiàn)在市面上PLC輸入點均為晶體管輸入,使用者只需要根據(jù)前期預估的輸入點數(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,需用繼電器做相應的隔離,保證接入PLC輸入端的信號為直流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。繼電器輸出負載能力好,能夠短時間承受較高過電壓和過電流,有較強的隔離作用。但是由于繼電器內(nèi)部為機械觸點,動作壽命有限,所以只能用于連接動作頻率較低且不需要高速脈沖輸出的場合。
2)晶體管輸出型。晶體管型輸出是以通過控制其內(nèi)部三極管的導通為手段,來達到控制輸出端子通斷目的,并且其內(nèi)部并沒有機械觸點結(jié)構(gòu),所以相比于繼電器輸出觸點,晶體管輸出觸點壽命長,動作頻率高,不易損壞,缺點為負載能力較差。
3)開關(guān)量輸出端子選型的注意事項
① 類似于輸入端,晶體管輸出端子也分為NPN型和PNP型兩種。一旦型號確定則只能按照同種接線方式連接負載。
② 在實際應用中,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載,形成對于下游負載設備的電氣隔離,這樣的組合綜合了晶體管壽命長和繼電器負載能力強的優(yōu)點。如果現(xiàn)場出現(xiàn)電氣故障,PLC輸出端子將會因受到隔離繼電器保護而免受損壞,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,將無法修復損壞端子。
4.先內(nèi)置后擴展原則
隨著PLC的不斷更新?lián)Q代,特別是小型機功能的不斷增強,PLC單機已內(nèi)置了許多擴展模塊的功能,如模擬量功能,通信功能等。因此,選型時盡可能選用內(nèi)置功能多的PLC,既降低了成本,又節(jié)省控制柜空間,更可以簡化設置和編程工作量。
5.PLC選型冗余量的把握
由于前期預估、現(xiàn)場施工改動和后期維護升級的需要,PLC選型需考慮一定的冗余量。主要考慮I/O點的數(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題,需工程技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場硬件配置靈活把握,如果控制功能均為PLC內(nèi)置的,則需更換高一級單機PLC;若控制功能是通過擴展模塊實現(xiàn)的,則考慮冗余時僅需更新相應模塊即可。
三、PLC編程要點
(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。如果項目較復雜,將程序分段后便于分配給若干名編程人員同時編程和調(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表是給每個輸入/輸出點分配地址并做注釋,避免編程時出現(xiàn)I/O點混亂的問題。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,便于編程時引用。
(3)簡化編程
編程員在熟悉PLC指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,熟練使用高級指令編程,可以極大地減少編程工作量,節(jié)省PLC存儲器空間,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,編程時需將每個相關(guān)點的注釋清晰地標注在程序中,包括使用的特殊指令目的等。程序可讀性好,為后期項目維護和升級打下基礎(chǔ)。
四、PLC程序調(diào)試方法
PLC應用程序的調(diào)試工作可以分為模擬調(diào)試和聯(lián)機調(diào)試兩個步驟。
1.模擬調(diào)試
模擬調(diào)試是指根據(jù)開關(guān)量I/O單元上各位對應的發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)而不帶輸出設備進行的調(diào)試。
設計好控制程序后,一般先作模擬調(diào)試。有的PLC廠家提供了在計算機上運行、可用來替代PLC硬件來調(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。在仿真時按照系統(tǒng)功能的要求,將某些輸入元件位強制為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現(xiàn)。
如果連接上PLC硬件來調(diào)試程序時,可以使用接在輸入端子上的小開關(guān)和按鈕來模擬PLC實際的輸入信號,例如用它們發(fā)出操作指令,或者用它們模擬實際的反饋信號,如行程開關(guān)觸點的接通和斷開等。通過開關(guān)量輸出單元上各輸出點對應的發(fā)光二極管,觀察輸出信號是否滿足設計的要求。
調(diào)試順序控制程序的主要任務是檢查程序的運行是否符合順控圖的規(guī)定,即在某一轉(zhuǎn)換實現(xiàn)時,是否發(fā)生活動步狀態(tài)的正確變化,該轉(zhuǎn)換所有的前級步是否變?yōu)椴换顒硬剑械暮罄m(xù)步是否變?yōu)榛顒硬?,以及各步被?qū)動的負載是否發(fā)生相應的變化。在調(diào)試時應充分考慮各種可能的情況,對系統(tǒng)各種不同的工作方式、順控圖中的每一條支路、各種可能的進展路線,都應逐一檢查,不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后及時修改程序,直到在各種可能的情況下輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系完全符合要求。如果程序中某些定時器或計數(shù)器的設定值過大,為了縮短調(diào)試時間,可以在調(diào)試時將它們減小,模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實際設定值。
總之,模擬調(diào)試是整個程序設計工作中一項很重要的內(nèi)容,它可以初步檢查程序的實際效果。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)試既可以在實驗室內(nèi)進行,也可以在現(xiàn)場實施。如果是在現(xiàn)場進行模擬調(diào)試,那就應將PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場信號隔離,切斷I/O單元的外部電源,以免引起不必要的損失。
2.聯(lián)機調(diào)試
聯(lián)機調(diào)試是指將PLC安裝到控制柜中,并連接輸入元件和輸出負載,運行控制程序進行整體調(diào)試的過程。
在對程序進行模擬調(diào)試的同時,可以設計、制作控制柜,PLC之外其他硬件的安裝、接線工作也可以同時進行。完成控制柜內(nèi)部接線后,應測試接線。可以在控制柜的接線端子上模擬PLC外部的開關(guān)量輸入信號,或操作控制柜面板上的按鈕和指令開關(guān),觀察對應PLC輸入點的狀態(tài)變化是否正確。用編程器或編程軟件將PLC的輸出點強制置位或復位,觀察對應PLC的負載(如外部的繼電器、接觸器等)動作是否正常,或?qū)刂乒窠泳€端子上輸出信號的狀態(tài)變化是否正確。
對于有模擬量輸入的系統(tǒng),可以給變送器提供標準的輸入信號,通過調(diào)節(jié)單元上的電位器或程序中的參數(shù),使模擬量輸入信號和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量之間的關(guān)系滿足要求。
在現(xiàn)場安裝好控制柜并完成柜內(nèi)接線測試后,將外部的輸入元件和執(zhí)行機構(gòu)接入PLC,將PLC置于運行模式,運行控制程序,檢查控制系統(tǒng)是否能滿足要求。
在調(diào)試過程中將暴露出PLC系統(tǒng)可能存在的硬件問題及梯形圖設計中的問題,發(fā)現(xiàn)問題后在現(xiàn)場加以解決,直到完全符合要求。全部調(diào)試完成后,還要經(jīng)過一段時間的試運行,以檢驗系統(tǒng)的可靠性。