基于PLC的現場控制站系統設計研究

蔣國輝

摘 要：科學技術的發展使工業自動化技術得到了飛速發展，目前PLC技術以其高度的可靠性和強大的功能性，在工業自動化控制領域中廣泛使用。以PLC為基礎組成的現場控制站，具有多種優點，為工業生產的安全穩定運行提供了保障。

關鍵詞：現場控制站;PLC技術;通信;觸摸屏

0 引言

現場控制站屬于計算機控制系統的一種類型。現場控制級與現場各類裝置直接相連進行控制，如記錄儀表、執行器、傳感器等，可完成包括系統測試與診斷、直接數字控制、過程數據采集、設備監測等任務，通過數據采集站和現場控制站實現此功能。數據采集站和現場控制站亦可稱作數據采集器和現場控制器，在分散控制系統體系中被稱作下位機或分機[1-2]。

1 系統構成

該系統包括PLC、工控機、控制屏、通信網絡、系統軟件等各種軟件，現場各種各級儀表由與其連接的現場控制站為其提供電源，如圖1所示。

2 一般性能描述

現場控制站的任務為過程控制和獲取各級數據。為實現各PLC系統的正常運行，需要包含保證系統正常所需的全部模塊，主要包括CPU模塊、輸入/輸出模塊、通訊模塊、電源模塊等，數量根據需要確定。

輸入輸出模塊均需具備隔離性能，所有電源模塊、? ? ? ? ?I/O模塊、通訊模塊（包括CPU主站、CPU從站）均帶電插拔（RIUP）。系統內模塊均屬于獨立安裝式固態電路，具有低散熱量性能、標準化、模塊化結構，具有通道級故障診斷功能和LED顯示功能。整個PLC系統的可使用率至少為99.9%，MTBF不可低于8 000小時，系統應具有不會死機特性。

PLC設計遵循以下安全準則：

（1）控制系統單一故障不會導致運行設備與備用設備同時不能運行。

（2）控制系統某個區域的故障只表現為降低整個控制系統的部分控制功能，并可通過人為干預處理。

（3）單一故障不致引起系統的誤動作或拒動作及PLC系統的整體故障。為達到以上安全準則要求，控制系統應具有自診斷手段，以便在出現內部故障造成影響之前被檢測出來。

為整套設備提供所需設備和內部連線是PLC控制站的任務。控制站PLC在安裝時必須保證其正常的運行散熱，所以在設計時要滿足在當地現場環境下能夠長時間運行。相關設備的電源運行條件為：單相交流電源電壓220 V，單相交流電源頻率50 Hz。根據接入電源的實際情況，為了對相關設備起到保護作用，可通過加裝不間斷電源及穩壓電源，以避免突然斷電等危害對儀表不適當的危害。

內部電纜：在控制柜內提供各部分之間的連接電纜及附件。所有模板均通過權威機構的安全認證，包括：UL，CE等。輸入輸出模塊均具備隔離性能。

3? ? CPU

各主站PLC采用硬件冗余，即CPU模塊、電源模塊均冗余配置。為備用系統的開啟裝置，當出現任何部件的故障或者異常關斷時都能夠自動切換到備用系統。

為實現系統的無擾動切換，CPU應滿足以下條件，運算指令速度小于8 ns。控制器任務不小于32個，用戶內存不小于32 M，運行內存不小于8 M。

CPU與冗余CPU具有獨立的電源和通信接口，而冗余CPU可以安裝在不同的背板總線上。數據存貯的后備電源為電池，且當電池電量到達閾值有報警提示。

冗余配置的處理器模塊可以同時對系統進行詢問并且具有相同的資料和狀態。當出現處理器模塊故障時能自動切換到備用處理器模塊，并且在相應操作員站顯示故障警示。當數據通信總線出現故障時，處理器模塊可正常運行，并出現通訊故障報警[3]。

對任一個處理器模塊進行如下操作如切除、修改、恢復投運等，應保證不影響其他處理器模件的功能及正常運行[4]。

冗余配置的處理器模塊應具有針對電源故障可自動恢復的特性，供電重新恢復后，處理器模塊應具有自動恢復正常工作的功能[5]。

冗余配置的處理器模塊具有完善的控制和運算功能，包括脈沖量的輸入和輸出，數字量，開關量，計數器/定時器，邏輯運算，中斷控制，算術運算，函數運算，數據轉換，傳送和比較，PID調節等。

4 電源模塊

電源電壓：200～240 VAC，50/60 Hz;

工作電壓范圍：170～264 VAC;

功率消耗：150 VA max;

浪涌電流：40 A max./200～240 VAC;

輸出電流：7 A，5 VDC;

輸出功率：35 W;

絕緣電阻：20 MΩ min;

抗干擾：符合IEC 61000-4-4， 2 kV （電源線）;

接地：小于100 Ω。

5 通信

通信系統的構成應屬于開放式結構，應具有超長壽命結構，即兼容性。能夠方便擴展并且適應生產規模的不斷變化。支持全廠管控一體化系統的數據采集以及完整OPC開放數據通信功能。

PLC應提供至少兩種通信接口：

（1）工業以太網通信接口，可與其他PLC、計算機通信。

（2）符合IEC標準的Profibus等現場總線方式的通信接口，能夠與任何可提供現場總線方式設備控制柜通信。

6 輸入/輸出模塊

所有的I/O模塊采用和CPU對應同一系列的模塊。

輸入/輸出某單個模塊故障時，運行設備應不會受此影響。負載和后備的輸入/輸出模塊不連接在同一個模塊上。輸入/輸出提供了外部信號的隔離功能。

各種輸入/輸出模塊提供不少于兩成的備用容量，并完成線接到各端子。輸入/輸出處理系統具有“智能化”特點[4]，從而達到減輕控制系統處理負荷的目的。

各輸入/輸出模塊都應有標明I/O狀態的LED指示和其他診斷顯示。各接點的輸入模塊都有防抖動濾波處理。如果輸入接點的信號抖動大于4 ms，模件能自動切除該接點信號。

能夠自動進行零飄和增益的校正，這種操作可以設置校正時間，周期性進行，所有輸入/輸出模塊能滿足ANSI/IEEE472“沖擊電壓承受能力試驗導則（SWC）”的規定。

每個模擬量輸入或輸出模件點數不超過8點。每一塊開關量輸入或輸出模件前多不超過16點。此外，所有的輸入通道、輸出通道及其工作電源，均互相隔離。

模擬量輸入：信號為4～20mA的直流電流信號，最大允許輸入阻抗為260 Ω，系統提供4～20 mA二線制變送器的直流24 V電源。對1～5 VDC直流電壓輸入信號，輸入阻抗應大于500 KΩ。

模擬量輸出：4～20 mA的直流電流信號或1～5 VDC直流電壓信號，能夠驅動回路阻抗750 Ω以上的負載。系統需提供24 V直流的回路電源。

數字量輸入：直流24 V輸入，所有輸入/輸出通道，均使用光電隔離。

數字量輸出：數字量輸出模件應使用每個通道單獨隔離輸出，隔離電壓應不小于250 V。輸出繼電器接點容量為? ?250 VAC/5 A、220 VDC/3 A。繼電器可常帶電。

PLC與各執行機構等采用模擬量信號相連接時，二端對接地和浮空等相關要求應相匹配，否則需要采取電隔離的措施。PLC要采取有效措施，以對輸入/輸出模塊過壓或過流進行保護。

7 觸摸屏

所有屏均有統一的尺寸大小，以方便安裝，另外，為便于后期項目修改或增加元件，每個屏要有20%的空間。全部的屏都應該在生產制造廠完成裝配，包括設備的安裝和內部的接線，屏的結構和全部接線都應該符合IEC的具體要求。

內部線路要求：內部線路具有銅線構成。線應有線卡，且線槽填充度在45%以內。提供單相交流220 V電源的插座，每個需要使用單相交流220 V電源的設備，均應通過接地線與電源插座的接地線相連接。

8? ? 結語

PLC系統現場控制站是各類生產型企業中非常重要的控制系統，特別是一些大中型規模的企業，它們對產品質量都有很高的要求。必須通過不同的控制環境以及工藝條件，并使用PLC技術對控制系統單元進行正確地選擇及設置，確保控制過程更加完整、協調和具有高效性[6]。

[參考文獻]

[1]周渡海，魏東，陳志新.基于以太網現場總線的模擬量輸入數據采集系統[J].中國住宅設施，2006（3）：100-103.

[2]任建勛，尹作重，郭棟，等.工業控制系統及其互操作研究[J].制造業自動化，2020（4）：11-12.

[3]李光帥.ROCKWELL集成架構自動化設備在興澄特鋼燒結廠中的應用[J].黑龍江科技信息，2011（3）：5-6.

[4]傅國軒.格爾木燃氣電站DCS系統的設計與應用[D].西安：西安理工大學，2007（8）：46-47.

[5]孫勇.DCS系統過程控制功能的設計與實現[D].廈門：廈門大學，2013（10）：34-35.

[6]李潔蘭.水務公司PLC系統控制站冗余熱備改造技術[J].中國新技術新產品，2017（4）：68-69.

（編輯 何 琳）