基于PLC的工控系統的設計

現代工控系統往往包含機械、電子、自動控制、計算機軟件和硬件等諸多技術，是一個典型的多學科交叉的技術領域。隨著計算機軟硬件技術的發展，在現代工控系統設計中以工業計算機——PLC為中心的特點愈發明顯，在系統的設計階段和實現過程中都離不開PLC技術的支持，特別是最終產品的性能很大程度上取決于PLC的性能。基于PLC的工控系統功能越來越強大，結構越來越復雜。如何采用適用的設計方法，縮短系統設計時間，保證系統的強大功能和可靠性，是工控系統設計師急需解決的問題。

一、現代工控系統的特點

1.實時性

控制系統需要與外部環境交互，具有較強的實時性。要求對系統的輸入信號在限定的時間內給出輸出結果，設計的復雜性比較高。

2.網絡化

現代工控系統大量使用現場總線、工業以太網等網絡控制技術，實現了安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信。

3.軟件化

現代工控系統的一個典型特征是設計重點逐漸向工業組態軟件方面轉移。這主要有兩個原因，一方面計算機的性能不斷提高，過去必須由硬件完成的實時性能可以通過實時軟件來實現，使設計的靈活性提高，成本下降；另一方面由于機械系統的產品生命周期一般是5～20年，而硬件和軟件的生命周期一般是3～5年。當一個原型產品設計完成后，后續的主要工作變成系統維護和軟件升級，要求在設計階段就要考慮軟件的可維護性、可移植性、可升級性。

二、工控系統設計方法

工控系統的總體設計從設計步驟看一般由需求分析、體系結構設計，軟、硬件設計、系統集成和系統測試5個階段構成。各個階段之間往往要求不斷地反復和修改，直至完成最終設計目標。

1.可行性調研

可行性調研的目的，是分析完成這個項目的可能性。進行這方面的工作，可參考國內外有關資料，看是否有人進行過類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進行這方面工作的，有什么優點和缺點，有什么是值得借鑒的；如果沒有，則需作進一步的調研，此時的重點應放在能否實現這個環節，首先從理論上進行分析，探討實現的可能性 ，所要求的客觀條件是否具備(如環境、測試手段、儀器設計、資金等)，然后結合實際情況，再決定能否立項的問題。

2.系統總體方案設計

在進行可行性調研后，如果可以立項，下一步工作就是系統總體方案的設計。工作的重點應放在該項目的技術難度上，此時可參考這一方面更詳細、更具體的資料，根據系統的不同部分和要實現的功能，參考國內外同類產品的性能，提出合理而可行的技術指標，編寫出設計任務書，確定設計任務和設計目標，并提煉出設計規格說明書，作為正式設計指導和驗收的標準。系統的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統的基本功能，如輸入輸出信號、操作方式等；非功能需求包括系統性能、成本、功耗、體積、重量等因素。從而完成系統總體方案設計。

3.體系結構設計

一旦總體方案決定下來，下一步的工作就是將該項目細化，即需明確哪些部分用硬件來完成 ，哪些部分用軟件來完成。由于硬件結構與軟件方案會相互影響，因此，從簡化電路結構、降低成本、減少故障率、提高系統的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實現的功能盡可能由軟件來完成；但也應考慮以軟件代硬件的實質是以降低系統實時性、增加處理進行為代價的，而且軟件設計費用、研制周期也將增加，因此系統的軟、硬件功能分配應根據系統的要求及實際情況而合理安排，統一考慮。在確定軟硬件功能的基礎上，設計者的工作就開始涉及到一些具體問題，如設備的體積及與具體技術指標相對應的硬件實現方案，軟件的總體規劃等。上面這幾部分工作是必不可少的，否則，可能導致設計方案的整體更改，甚至可能導致方案無法實現造成人力、物力的浪費。

4.硬件設計

對于PLC 工控系統的硬件設計包括兩大部分內容：一是硬件的選型，包括控制網絡的選擇，PLC、變頻器、各功能模塊的選擇，如信號測量功能模塊、信號控制功能模塊、人機對話功能模塊、通訊功能模塊等，為使系統設計更加合理，系統的設計應注意以下幾個方面：

（1）在選型的時候，因為各種PLC都有大型、中型、小型的分別，這些分別主要是由CPU模塊的性能不同造成的。在實際上，并非一定大型的功能就是合適的。除了價格方面的考量之外，主要是，如果控制點數不多，小型的CPU模塊完全可以勝任，則小型的CPU反而比大型的CPU模塊工作還要可靠一些。因為，小型的CPU所涉及的資源少，而大型CPU的資源多，在程序執行中，為處理那些程序不需用到的資源時，也要分配時間去處理，這樣不僅造成資源的浪費，可能在程序處理上不及小型CPU可以更單純和穩定地工作。

（2）在條件允許的情況下，盡可能選用功能強、集成度高的專用模塊和器件。因為采用這種模塊，不僅元件數量、接插件和相互連線減少，使系統可靠性增加。提高設計的成功率和結構的靈活性。

（3）在對硬件系統總體結構考慮時，注意選擇通用性強、市場貨源充足的元器件，尤其對需大批量生產的場合，更應注意這方面的問題。其優點是：一旦某種元器件無法獲得，也能用其他元器件直接替換或對電路稍作改動后用其它器件代替。

（4）硬件參數的設定。系統的硬件具體應用時，首要問題是進行詳細的技術論證。就硬件系統來講，電路的各部分都是緊密相關、互相協調的，任何一部分電路的考慮不充分，都會給其他部分帶來難以預料的影響，輕則使系統整體結構受破壞，重則導致硬件總體大返工，由此造成的后果是可想而知的。從時間花費上看，硬件設計的絕大部分工作量往往在最初方案的設計階段，一個好的設計方案往往會有事半功倍的效果。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就會很順利進行，即使需要作部分修改，也只是在此基礎上進行一些完善工作，而不會造成整體返工。在進行硬件的總體方案設計時，所涉及到的具體電路可借鑒他人在這方面進行的工作。

（5）系統的擴展及各功能模塊的設計。在滿足應用系統功能要求的基礎上，系統的擴展及各功能模塊應適當留有余地，以備將來修改、擴展之需。實際上，工控系統的設計一次成功而不作任何修改的情況是很少的，如果在設計之初未留有任何余地，后期很可能因為一點小小的改動或擴展而被迫進行全面返工。

（6）新技術的應用。設計時應盡可能地作些調研，采用最新的技術。因為PLC發展迅速，更新換代很快，市場上不斷推出性能更優、功能更強的設備，要時刻注意這方面的發展動態，采用這些新技術。

（7）工藝的設計。工控系統還要注意工藝的設計，包括配電箱、操作面板、配線、接插件等，這是一個初次進行系統設計人員容易疏忽但又十分重要的問題。在設計時要充分考慮到安裝、調試、維修的方便。描述系統如何實現所述的功能和非功能需求，包括對硬件、軟件系統的功能劃分。一個好的體系結構是設計成功與否的關鍵。

三、工控系統的調試

系統設計好后，必須經過軟件調試和硬件調試，才能應用到實際生產中。從實質上講，軟硬件的調試是一次綜合調試，一方面要排除軟件錯誤，同時進一步解決硬件的故障。調試時可以將系統分為模塊一個一個分開進行，再將它們連在一起統調。

到了現場后，進行系統調試前，需要考慮安裝環境是否滿足PLC的使用環境要求，這一點可以參考各類產品的使用手冊。系統中PLC常常需要與人機界面進行、變頻器需要進行通訊，或者本地CPU模塊與遠程單元模塊的通訊。系統設計中，最容易出問題的地方是通訊，現場調試最麻煩的地方也是通訊，所以對于通訊的部分，你必須清晰了解系統的框架結構，并且對需要進行通訊的東西在出發前就要全部進行一遍調試，而且要確認其中的所有需要通訊的模塊是可以通訊的。比如，操作臺電腦、觸摸屏、PLC、變頻器、其他的PLC、一些智能儀表和儀器，必須要確認它們相互之間是否可以通訊的，如果系統較大，遠程單元、本地機架數量、每個機架的模塊數量的限制，并非出于系統功能和技術上的限制，而是由于使用規范性的限制。在系統硬件組態時，要考慮這些模塊的搭配作用。發現了原來編程時的錯誤，需要對已經編好的程序進行修改。

四、系統的運行

系統經過調試通過后，就可以進行系統的運行，初次運行，首先在監控狀態下看設備的工作狀態，這時可繼續使用依次改變控制要求和帶上相應負載的方法檢查程序和控制設備及負載的運行情況是否正常。然后再進行相應的修改。直到完全能適應設計要求。

工控系統的開發、設計、調試、是一件復雜而細致的工作，經驗必需在實踐中不斷積累。很多設計理念和控制方法是具有可重用性的。通過重用，并應用在系統開發中可以充分地利用已有的開發成果，減少了包括需求分析、設計、編碼、測試等在內的許多重復勞動，提高了軟件生產率，同時，通過復用已測試過的高質量的己有產品，避免了重新開發可能引入的錯誤和不當，從而提高設計的質量，有利于復雜系統的結構分析，模塊劃分和集成管理，也易于以后的重復使用和二次開發。

（作者單位：廣東省機械高級技工學校）