PLC及其在工程设计中的选型研究

摘要：计算机技术和控制技术相组合的产物是PLC，它是一种用于控制的特殊计算机，它的基础是CPU，所以可编程控制器的重要结构和普通计算机系统是相差无几的。工程设计选型的重要依据是在符合基本控制要求和大小的条件下，能够确保控制可靠、维护操作方便以及最优的功能比。

关键词：PLC；工程设计选型；计算机技术；控制技术；可编程控制器 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2015）11-0086-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.11.043

1 PLC简介

可编程控制器的硬件主要由寄存器、中央处理器、I/O接口、扩展接口电路、通讯接口等单元构成。PLC的基础是CPU，实现连接现场I/O设备与CPU之间的是输入单元与输出单元，通讯单元是用来跟编程器与工控机等这些外部单元连接。

1.1 中央处理单元（CPU，中央处理器）

和普通的计算机设备一样，中央处理器是PLC的核心。可编程控制器中所配置处理器随机型而异，小型通常选择单片微处理器和8位微处理器；多数中型选择单片微处理器或16位微处理器；多数大型选择高速位片式微处理器。

1.2 存储器主要有两种类型的记忆

随机存取存储器的读写操作是其中一个，另一个只读存储器PROM、ROM、EPROM和EPROME。在PLC中，功能是用来存储重要程序、系统程序及通讯信息。

由可编程控制器的厂商编写的重要程序，与PLC的硬件结构相关。用于实现命令解释、排除故障、语言运算、功能子程序调用管理、通讯及各种相关参数调节等特点，为可编程控制器的可靠控制提供展示空间。可编程控制器的性能与用户程序系统关联，在可编程控制器使用过程当中数据不会有所更改，因此在只读存储器PROM、ROM或EPROM中是由制造者完全固化，用户是不能够随便访问和修改的。

1.3 输入/输出单元

输入/输出接口一般被称作I/O模块或I/O单元，是可编程控制器与生产控制现场两者的衔接结构。可编程控制器能够检测被控单元的各种信息是通过I/O单元的，这些信息是被控单元被PLC进行控制的根据，并且可编程控制器再选择输出单元将处理数据传输被控制单元，用来达到控制的目的。

1.4 通信接口

PLC利用通讯模块可以完成通信与监控、打印机、电脑和其他装置。PLC与显示器连接，可以操作图像的显示形式；和其他的可编程控制器连接时，能构成联成网络或多机局域网，还能够完成大范围的控制。当PLC与工控机连接时，可以构成多层集散控制系统，能够达到操作与管理相结合效果。远程I/O系统也一定要配备有这些通信接口模块。

1.5 智能单元模块

智能单元模块是个独立的控制系统，其有独立的中央处理器、存储器、系统程序和与可编程控制器连接的接口。它是作为可编程控制器的一个单元，经过接口与可编程控制器连接信息来进行交换，并且在可编程控制器的协调管理下完成控制。

1.6 编程装置

编程、调试、输入用户程序是编程设备的功能，还能够在线监控可编程控制器的参数和在可编程控制器内部的情况，和可编程控制器进行人机对话。编程设备是维护、开发、应用可编程控制器不可缺少的软件。编程设备可以是一个特殊的程序，也可以是一个通用的计算机系统配备了一个特殊的编程软件包。由PLC专用编程器，一些可编程控制器产品的制造商使用，这主要是由一个键盘，显示器和外置存储器插座和其他单元组成。专用编程一般分为智能型编程和简易型编程两种。

可编程逻辑控制器通用性强，使用方便；编程软件简易，容易掌握；功能性强，适应面广；可靠性高，抗干扰能力强；控制系统的设计、安装、调试和维护方便；体积小，质量轻，功耗低的特性和优势，迅速而广泛应用于各种工业领域。但可编程控制器种类繁多，它的电源、性能、大小、指令功能、编程语言等有自己的特点，控制要求也各有不同。

在实现可编程控制器控制设计时，先合理选择技术方案，而后对PLC工程设计选型。工艺流程的特征和控制要求是PLC选型的重要根据，选择的可编程控制器的系统硬件、软件工具及性能应与设备规模和控制条件相符合，着重掌握生产过程的特点、控制条件，确定控制要求和区域，确定生产的任务和动作，再依照控制设计，计算I/O接口量、测试存储器大小、掌握可编程控制器的功能、外部装置特性等，最终采用有较高性能价格比的可编程控制器和设计满足要求的控制系统。

2 工程设计选型

工程设计选型的重要依据是在符合基本控制要求和大小的条件下，能够确保控制可靠、维护操作方便以及最优的功能比。下面根据型号设计，介绍说明PLC的选型、输入输出单元、容量等选择：

2.1 PLC类型的选择

可编程控制器按结构分有整体式和模块式两种，整体型可编程控制器的全部I/O接口的均价格比模块型的低廉，且体积小重量轻，因此通常应用在系统工艺生产较为严格的小型控制系统中；模块式可编程控制器的配置灵活，功能扩展方便，提供多种输入输出接口或插槽，所以用户能够准确地选择和配置控制系统的输入输出接口量，维修时只要更换单元，排除故障的设计也很简单，所以模块型可编程控制器通常应用在很复杂系统和大中型控制系统。

2.2 输入输出模块的选择

I/O单元的选择应满足与应用控制的匹配。比如对输入单元，应满足数据电平、数据传输距离、数据隔离、数据供电方式等控制需求。对输出单元，应满足选择的输出单元类型，一般继电器输出单元价格便宜，能完成启动交流控制，也能够应用直流控制，且选择电压范围很大、过载能力较强，其归为有触点元件，其操作速度不高、寿命不长，所以只能完成不经常通断的控制；对于经常通断的控制，应选择晶闸管输出或晶体管输出单元，其归为无触点元件，但晶闸管输出仅可以完成交流负载，而晶体管输出单元仅可以完成直流控制，过载能力不强。还要满足系统是否有模拟量I/O等条件，可依照控制要求，准确选择I/O单元，以便提高控制质量和降低投资成本。

2.3 PLC容量的选择

PLC容量大小的选择包含输入输出接口量和用户存储大小两个内容，输入输出接口量估算时要考虑控制的余量，一般依照记录的I/O接口量，再扩展l0%～20%的可发展余量后，作为I/O点数估算信息。在准备定货时，还需依照制造者可编程控制器的产品功能，对I/O接口量进行分配。用户存储大小通常依照数字量输入输出接口量的10～15倍，再算上模拟输入输出接口量的百倍完成估算，此外再依照这个数据的1/4考虑余量，当控制单元较为复杂、信息采集量较多时，则依照实际情况再扩展些。

2.4 通信功能的确定

在具体控制中，要求选择的可编程控制器与工控机完成通信，因此网络协议要满足国际标准，通信距离要符合设备控制要求；也要满足维持通讯网络的通用性和相互兼容性。

2.5 经济性的选择

选择经济性时，要用满足控制的可扩展性、可控制性、投入产出比等要求，结合参考条件，最后采用经济较突出的PLC。I/O点数对价格有很多影响。每建立一块I/O单元就需提高一些投资。当接口量建立到固定的数量后，匹配的存储器大小、机架、母板等也要持续变多，所以点数的升高对处理器选择、存储器大小、控制功能要求等因素都有影响。在估算和选择时应全面考虑，使全部控制系统得到最优的性能价格比。

参考文献

[1] 廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 秦益霖.西门子S7-400PLC应用技术[M].北京：电子工业出版社，2007.

作者简介：庞玉（1984-），女，山东聊城人，济宁技师学院讲师，硕士，研究方向：电气自动化。

（责任编辑：黄银芳）