果断收藏丨PLC的选型方法和经验总结

显示全部楼层 · 2024-6-2 21:39:22

导读：

在PLC系统设计过程中，首先需要确定系统方案。接下来，进行PLC的设计选型。选择PLC时，主要考虑生产厂家和具体型号。对于系统方案，需要满足分布式系统和远程I/O系统的要求，同时还要考虑网络化通讯的需求。那么，如何具体选择PLC呢？

我们总结了以下八个方面的内容：

一、PLC生产厂家

在选择PLC的生产厂家时，应考虑以下因素：设备用户的要求、设计者对不同厂家PLC的熟悉程度和设计习惯、配套产品的一致性以及技术服务。另外，从PLC本身的可靠性考虑，一般来说，国外大公司的产品应具备较高的可靠性。

一般来说，在控制独立设备或较简单的控制系统的场合，配套日本的PLC产品具有较高的性价比。对于规模较大的系统、需要高网络通讯功能的开放式分布式控制系统以及远程I/O系统，欧美生产的PLC在网络通讯功能方面更具优势。此外，对于某些特殊行业（如冶金、烟草等），应选择在相关行业领域有成熟可靠业绩的PLC系统。

二、输入输出（I/O）点数

PLC的输入/输出点数是其核心参数之一，直接关系到控制系统的设计和功能实现。在确定I/O点数时，必须综合考虑控制任务所需的全部输入与输出点，以确保系统的完整性和可靠性。

为了保障系统的灵活性和未来的扩展性，建议在统计得出的输入输出点数基础上，预留额外的余量。具体而言，通常推荐在初步统计值上增加10%至20%的余量，以作为最终的输入输出点数估算基准。这一做法旨在为可能出现的变更或未来系统升级提供必要的缓冲空间。

在实际采购PLC设备时，除了根据上述原则进行点数估算外，还应充分考虑制造商提供的产品特性。这包括但不限于PLC的处理能力、响应速度、兼容性以及网络通讯功能等。根据这些特性，可能需要对原先估算的输入输出点数进行调整，以确保所选PLC能够满足特定应用的需求。

总之，在制定PLC的I/O点数配置时，应遵循严谨的专业标准，确保系统的高效运行和长期稳定。

三、存储容量

存储器容量是指可编程逻辑控制器（PLC）所提供的硬件存储单元的总大小，而程序容量则是指存储器中分配给用户应用程序的存储单元的大小。显然，程序容量不会超过存储器容量。在设计阶段，由于用户应用程序尚未开发完成，因此程序容量是未知的，只有在程序调试完成后才能确定。为了在设计选型时对程序容量进行预估，通常会使用存储器容量的估算值作为参考。

关于PLC存储器内存容量的估算，并没有统一的计算公式。不同的文献和资料提出了多种估算方法，但大体上，这些方法都是基于数字量I/O点数的10至15倍，以及模拟I/O点数的100倍来进行计算，以此来确定内存的总字数（以16位为一个单位）。此外，还需在此基础上增加约25%的余量，以确保系统的稳定运行和未来的扩展需求。

四、控制功能

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

(一)运算功能

简单PLC的运算功能主要包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC则还具备数据移位和比较等运算功能。复杂PLC具有代数运算和数据传送等高级运算功能。大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，现在的PLC都具备通信功能。有些产品能与下位机通信，有些能与同位机或上位机通信，还有些能与工厂或企业网进行数据通信。设计选型时，应从实际应用需求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合只需逻辑运算、计时和计数功能；有些应用需要数据传送和比较；模拟量检测和控制时，则需使用代数运算、数值转换和PID运算等。另外，显示数据时还需进行译码和编码等运算。

(二)控制功能

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，需要根据控制要求来决定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，在大多数情况下，我们会采用单回路或多回路控制器来解决模拟量的控制问题。有时，我们也会使用专门的智能输入输出单元来完成所需的控制功能，这样可以提高PLC的处理速度并节省存储器容量。例如，我们可以使用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

（三)通信功能

在设计大中型PLC系统时，必须确保其具备对多种现场总线和标准通信协议（例如TCP/IP）的支持能力。当需要与工厂管理网络（基于TCP/IP）进行连接时，PLC系统应能够无缝集成。所有通信协议均需遵循ISO/IEEE的国际通信标准，并且构建为开放式的通信网络架构。

PLC系统的通信接口应当涵盖各类必要的串行和并行端口，包括但不限于RS232C/422A/423/485、RIO通信端口、工业以太网以及常见的DCS接口等。对于大中型PLC的通信总线（包含相关接口设备和电缆），应实施1:1冗余配置以确保系统的可靠性和稳定性。同时，这些通信总线必须符合国际标准，并能满足装置在实际运行中对通信距离的要求。

在PLC系统的通信网络设计中，上层网络的通信速率应不低于1Mbps，且通信负荷不应超过60%。PLC系统的通信网络主要采取以下几种形式：

1. 以PC作为主站，多台同型号PLC作为从站，构建起一个基础的PLC网络；

2. 以一台PLC作为主站，其他同型号PLC作为从站，形成一种主从式的PLC网络结构；

3. 将PLC网络通过特定的网络接口连接到大型DCS系统中，使其成为DCS的一个子网络；

4. 采用专用的PLC网络——这是由各制造商提供的专有PLC通信网络解决方案。

为了减轻CPU的通信处理负担，应根据网络的实际组成和需求，选择配备不同通信功能（如点对点、现场总线、工业以太网）的通信处理器。这样的设计旨在优化整个PLC系统的通信效率和性能。

(四)编程功能

在工业自动化控制系统中，PLC的编程方式主要分为离线编程和在线编程两种模式。

对于离线编程方式，PLC与编程器共享同一CPU资源。在这种模式下，当编程器处于编程状态时，CPU专注于为编程器提供服务，不参与对现场设备的直接控制。编程任务完成后，编程器会切换到运行模式，此时CPU则转而执行对现场设备的控制任务，而不再进行编程操作。该方式的优点在于可以降低系统的整体成本，然而，它在实际使用及调试过程中可能会带来一定的不便。

相对地，在线编程方式则涉及两个独立的CPU：一个属于主机PLC，负责现场设备的实时控制；另一个则内置于编程器中。在这种配置下，编程器在一个扫描周期内与主机PLC进行数据交换，将新编制的程序或数据发送给主机。接下来的扫描周期中，主机PLC便根据接收到的最新程序执行相应的控制逻辑。尽管在线编程方式在成本上相对较高，但它提供了更为便捷和高效的系统调试及操作体验，因此，在大中型PLC系统中得到了广泛应用。

综上所述，离线编程与在线编程各有利弊，选择合适的编程方式需根据实际应用场景、成本预算以及操作便利性等因素综合考量。

(五)五种标准编程语言：

：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时还应支持多种语言编程形式，如C、Basic、Pascal等，以满足特殊控制场合的控制要求。

(六)处理速度

可编程逻辑控制器（PLC）通过扫描周期的方式执行其操作。在考虑实时性要求时，处理速度显得尤为重要；理想情况下，该速度应尽可能地快。然而，如果输入信号的持续时间低于PLC的扫描周期，那么PLC可能会错过该信号，导致数据的丢失。

处理速度受多种因素的影响，包括用户程序的长度、中央处理单元（CPU）的处理能力以及软件的整体质量。目前，PLC技术已经实现了快速的接点响应和高处理速度，每条二进制指令的执行时间大约在0.2至0.4微秒之间，这使得PLC能够满足那些对控制精度和响应速度要求较高的应用需求。

对于扫描周期（即处理器的扫描周期），行业标准建议如下：小型PLC的扫描时间不应超过0.5毫秒/千字节（ms/K）；而对于大中型PLC，扫描时间则不应超过0.2毫秒/千字节（ms/K）。这些标准确保了PLC系统能够在各种工业应用中提供可靠和高效的性能。

五、PLC机型

PLC的类型：PLC按结构分为整体型和模块型两类。

整体式PLC具备的输入/输出（I/O）点数相对较少且固定不变，这限制了用户在系统配置上的选择空间。由于其紧凑和一体化的特性，整体式PLC通常被应用于规模较小的自动化控制领域。属于这一类别的典型产品包括西门子公司的S7-200系列、三菱电机的FX系列以及欧姆龙的CPM1A系列等。

模块化PLC则提供了广泛的I/O模块选项，这些模块可以根据需要灵活插接在PLC的底板上。这种设计使得用户能够根据具体的应用需求来定制和扩展控制系统的I/O容量。模块化PLC因其高度的配置灵活性而更适合用于中到大型的自动化控制项目。

六、各种模块选择

(一)数字量I/O模块

在选择数字量输入输出模块时，我们需要细致地考虑应用需求。针对输入模块，我们需要权衡输入信号的电平以及传输距离等关键因素。而对于输出模块，其种类繁多，包括继电器触点输出型、AC120V/23V双向晶闸管输出型、DC24V晶体管驱动型、DC48V晶体管驱动型等。

一般来说，继电器输出型模块具有价格亲民和使用电压范围广的优势，然而它的使用寿命相对较短，响应时间也较长。此外，当用于感性负载时，可能需要增加浪涌吸收电路。而双向晶闸管输出型模块，其响应速度快，适用于开关频繁和电感性低功率因数负荷的场合。但请注意，它的价格较高且过载能力较弱。

除此之外，输入输出模块还可以根据输入输出点数来分类，具体包括8点、16点、32点等规格。因此，在选择时，我们需要根据实际需求进行合理的配置，确保模块的功能与我们的应用场景相匹配。

(二)模拟量I/O模块

模拟量输入模块，如同语言的不同表达方式，可以根据输入信号类型细分为电流型、电压型以及热电偶型等。其中，电流型通常以4至20毫安或者0至20毫安的等级呈现，而电压型则以0至10伏特、-5伏特至+5伏特的幅度展现。令人惊奇的是，部分模拟量输入模块能够兼具电压与电流的输入信号。

模拟量输出模块同样拥有电压型与电流型两大类。电流型输出的信号常见的有0至20毫安与4至20毫安，而电压型输出的信号通常分布在0至0伏特、-10伏特至+10伏特的区间。模拟量输入输出模块，如同人的多重身份，可以根据输入输出通道数细分为2通道、4通道以及8通道等多种规格。

(三)功能模块

功能模块的家族包括了通讯模块、定位模块、脉冲输出模块、高速计数模块、PID控制模块以及温度控制模块等。在挑选PLC时，我们需要预见到功能模块的配套可能性。这其中涉及的硬件与软件，就如同交响乐中的乐器与乐谱，缺一不可。

在硬件的乐谱上，首先，功能模块需要能够与PLC和谐地连接。这需要PLC提供相关的连接装置、明确的安装位置和接口，以及配套的连接电缆等附件。这些细节，就如同音乐中的音符，虽小却重要。

而在软件的乐器选择上，PLC应具备对应的控制功能，以便对功能模块进行编程。例如，三菱的FX系列PLC，它通过“FROM”和“TO”指令，能够轻松驾驭对各功能模块的控制。这就像乐队中的指挥，能够引领各个乐器的和谐演奏。

七、冗余功能

(一) 控制单元冗余

重要的过程单元，如CPU（包括存储器）和电源，应实现1B1冗余。

根据需要，可以选择使用由PLC硬件与热备软件构成的冗余系统，如热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。

(二) I/O接口单元冗余

控制回路的多个I/O卡应进行冗余配置。

对于重要的检测点，可以考虑使用冗余配置的多个I/O卡。

根据需要，对于重要的I/O信号，可以选择使用2重化或3重化的I/O接口单元。

八、一般原则

在确定了PLC的型号和规格后，接下来是根据控制需求逐一确定PLC各个组成部分的基本规格与参数，并挑选相应的组成模块型号。在进行模块型号选择时，应遵循以下四个原则：

（一）经济性原则

在选择PLC时，应充分考虑性能与成本的平衡。在追求经济性的同时，还需考虑应用的可扩展性、操作便利性以及投资回报率等因素，进行全面比较和权衡，以选出最符合需求的产品。

输入输出点数直接影响成本。每增加一块I/O卡件都会带来额外的费用。当点数达到一定数量后，相应的存储器容量、机架、母板等也需要相应增加，因此，点数的增加将对CPU选择、存储器容量、控制功能范围等产生重要影响。在预算和选择过程中应充分考虑这些因素，以确保整个控制系统具有合理的性能成本比。

（二）方便性原则

通常情况下，满足控制要求的PLC模块有多种选择，应以简化线路设计、便于使用、尽可能减少外部控制器件为准则。例如，对于输入模块，应优先选择能够直接与外部检测元件相连的输入类型，避免使用额外的接口电路。对于输出模块，应优先选择能够直接驱动负载的类型，尽量减少中间继电器等元件的使用。

（三）通用性原则

在进行选型时，应考虑到PLC各组成模块的统一性和通用性，避免模块种类过多。这样不仅有利于采购管理，减少备品备件的种类和数量，同时也增强了系统各部件的互换性，为设计、调试和维修工作提供了便利。

（四）兼容性原则

在选择PLC系统的各组成模块时，应充分考虑其兼容性。为避免兼容性问题，构成PLC系统的主要部件应尽量选择同一生产厂家的产品。如果可能，尽量避免使用过多不同厂家的产品，以确保系统的整体兼容性和稳定性。

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