可編程序控制器系統設計的研究

李麗

（西安未來國際軟件有限公司，陜西 西安 710075）

1 PLC設計過程

PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下應用而設計，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時計數和算術運算等操作的指示，并通過數字式的和模擬式的輸入和輸出控制各種類型機械的生產過程。它由輸入部分、邏輯部分、輸出部分組成。

1.1 PLC系統設計

1.1.1 確定控制對象和控制范圍

要應用可編程控制器，首先要詳細分析被控制對象，控制過程與要求。PLC最適合于控制`對象的工業環境較差，但其安全性、可靠性要求特別高，系統工藝復雜，輸入輸出以開關量為多，用常規的繼電器接觸器難以實現，工藝流程經常變動的對象和現場。其次要確定控制范圍；要能夠反映生產過程的運行情況，能用傳感器進行直接測量的參數，用人工進行控制工作量大，操作復雜容易出錯的或操作過于頻繁，人工操作不容易滿足工藝要求的可由PC控制。

1.1.2 PLC的機型選擇

選擇機型前，首先要對控制對象進行下面估計：有多少開關量輸入，電壓分別為多少,有多少開關量輸出，輸出功率為多少；有多少模擬輸入和多少模擬量輸出，是否有特殊控制要求，現場對控制器響應速度有何要求，機房與場分開還是在一起等，機型的選擇主要是指在功能上如何滿足自己需要，而不浪費機器容量。

1.1.3 硬件與程序設計

在確定控制對象的控制任務，PLC的機型后，就可進行控制系統程序設計，畫出流程圖，說明各信息流之間的關系，然后具體安排輸入、輸出的配置，并對輸入、輸出進行地址編號，再畫出可編程控制器端子和現場信號聯絡圖表，進行系統設計進可將硬件設計，程序編寫二項工作平行地進行，編寫程序的過程就是軟件設計過程。

程序設計通常采用邏輯設計法，它是以布爾代數為理論基礎，根據生產過程中各工號之間各檢測元件狀態的不同組合和變化，確定所需的中間環節，再按各執行元件所應滿足的動作節拍表，分別列寫出各自用相應的檢測元件及中間環節狀態邏輯值表示的布爾表達式，最后用觸點的串并聯組合在電路上進行邏輯表達式的物理實現。由于硬件、軟件可平行進行，所以在進行程序設計的同時，可進行硬件配備工作，如強電設備的安裝，控制柜的制作，PLC的安裝輸入輸出線的連接等。

1.1.4 總裝統調

用戶編寫的程序在總裝統調前需進行模擬調試。用裝在PLC上的模擬開關模擬輸入信號的狀態，用輸出點的指示燈模擬被控對象，檢查程序無誤后便把PLC接到系統里，進行總裝統調，如果統調達不到指標要求則可對硬件和軟件作調整，全部調試結束后，一般將程序固化在有長久記憶功能的只讀存儲器EPROM盒中長期保存。

2 PLC的抗干擾措施

由于PLC是專為工業環境而設計的控制裝置，應該具有很強的抗擾功能，但是如果環境過于惡劣，電磁干擾特別強烈或安裝使用不當都不能保證系統的正常運行，干擾會造成PLC誤動作或使PLC內部數據丟失，甚至使系統失控，所以在系統設計時，應采取硬件措施再配合軟件措施。

2.1 硬件措施

屏蔽：對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導電，導磁通量良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。

濾波：對供電系統及輸入線路采用多種形式的濾波，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊間的相互影響。

電源調整與保護：對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調整器進行調整，以適應交流電網的波動和過電壓，欠電壓的影響。

隔離：在微處理器與I/O電路間，采用光電隔離措施，有效隔離I/O間電的聯系，減少故障誤動作。

采用模塊式結構：這種結構有助于在故障情況下短時修復。因為一旦查出某一模塊出現故障，就能迅速更換，使系統恢復正常工作，也有助于加快查找故障原因。

2.2 軟件措施

故障檢測：

PLC的本身有很完善的自診斷功能，但在工程實踐中，PLC的輸入、輸出元件如限位開關，電磁閥、接觸器等的故障率遠遠高于PLC的本身故障率，這些元件出現故障后，PLC一般不會覺察出來，不會立即停機，會導致多個故障相繼發生，嚴重時會造成人身設備事故，停機后查找故障也要花費大量時間，為方便檢測故障可用梯形圖程序實現，這里介紹一種邏輯組合判斷法；系統正常運行時，PLC的輸入輸出信號之間存在著確定的關系，因此，根據輸出信號的狀態與控制過程間的邏輯關系，判斷設備運行是否正常，如：某機械設備的二個限位開關與輸出信號間的約束關系為（XO、XI、YO、YI）；（XO、XI、YO、YI），MO、MI表示合法狀態，Y10 為報警輸出，梯形圖如圖1。

信息保護和恢復：當偶發性故障條件出現時，不破壞PC內部的信息，一旦故障條件消失，就可恢復正常繼續原來的工作。所以，PC在檢測到故障條件時，立即把現狀態存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉，一旦檢測到外界環境正常后，便可恢復到故障發生前的狀態，繼續原來的程序工作。

設置了警戒時鐘WDT：機械設備的動作時間一般是不變的，可以以這些時間為參考，當PLC發出控制信號，相應的執行機械動作，同時啟動一個定時器，定時器的設定值比正常情況下機械設備的動作時間長20%，若時間到，PLC還沒有收到執行機構動作結束信號，則啟動報警。例如：XO為機床動力頭啟動信號輸入端，XI為機床動力頭終點行程開關輸入端，設正常情況下，運行10S后到達終點，YO為動力頭輸出Y10為報警輸出，梯形圖如圖2

圖1

對程序及動態數據進行電池后備：停電后利用后備電池供電有關狀態及信息，以防止信息丟失。

提高輸出信號的可靠性：由于電磁干擾、噪聲、模擬信號誤差等因素的影響，會引起輸入信號的錯誤，引起程序判斷失誤，造成事故，例如按鈕的抖動，繼電器觸點的瞬間跳動都會引起系統誤動作，可以采用軟件延時去抖。對于模擬信號誤差的影響可采取對模擬信號連續采樣三次，采樣間隔根據A/D轉換時間，和該信號的變化頻率而定，三個數據先后存放在不同的數據寄存器中，經比較后取中間值或平均值作為當前輸入值,梯形圖如圖3:

在硬軟件方面采取各種措施后，PC的可靠性，抗干擾能力大提高。

3 結束語

隨著PLC技術的發展，PLC的功能會日趨完善，在產品規模上向大小兩個方向發展。為滿足工業自動化各種控制系統的需要，新器件，新模塊不斷推出，大大擴大了PLC的應用范圍。在軟件方面，編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標準化。PLC技術的應用范圍會越來越廣，會更好地為社會主義現代化建設服務！

[1]高欽和，PLC控制系統故障檢測與處理功能的實現（J）計算機自動測量與控制，2000，（3）：19-20.

[2]王兆義，可編程控制器教程（Z）北京，機械工業出版社，1999.