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轻松掌握PLC控制系统设计

2016-07-19 11:36
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  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,确保分析得全面而准确。

  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P&ID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,网络结构示意图如图1-2所示。

  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,为保证信号的稳定可靠,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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