理论教育 PLC机型选取的原则与方法

PLC机型选取的原则与方法

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:PLC机型的选取原则遵循I/O容量、存储器容量及运行速度等三个主要指标,具体原则与方法如下。系统程序由PLC生产厂家编写并写入ROM之中,用户不能读取。在实际选取PLC机型时,对于存储器容量的指标通常主要考虑用户程序存储器的容量,用户程序占用内存量与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等诸多因素有关。2)不同型号PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异,会影响存储器的需求量。

PLC机型选取的原则与方法

PLC机型的选取原则遵循I/O容量、存储器容量及运行速度等三个主要指标,具体原则与方法如下。

(1)I/O容量

根据控制对象的工艺要求可以统计出PLC控制系统的开关量I/O点数与模拟量I/O通道数,以及开关量和模拟量的信号类型。由于考虑到程序设计中I/O点数可能存在疏漏、I/O端子的分组情况及隔离与接地的要求等因素,所以应在统计出的I/O总点数的基础上,增加10%~15%的余量。考虑余量后的I/O总点数即为I/O点数估算值,该值是PLC选型的主要技术指标。

为了方便以后对PLC控制系统进行调整与扩充,要求候选的各种PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数的估算值,并应尽量避免使PLC带I/O点的能力接近饱和,一般应留有30%左右的余量。

(2)存储器容量

PLC的存储器通常包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。

系统程序存储器存放管理程序、标准子程序、调用程序、监控程序、检查程序,以及用户指令解释程序,一般存储在ROM或可擦可编程只读存储器(简称EPROM)之中。系统程序由PLC生产厂家编写并写入ROM之中,用户不能读取。

用户程序是指用户使用编程器输入的程序语句或用户使用编程软件从上位计算机下载的梯形图程序。用户存储器是指存放用户程序的RAM、EPROM及电可擦可编程只读存储器(简称EEPROM)。用户存储器容量的大小决定了PLC可以容纳用户程序的大小和控制系统的水平。该存储器容量通常以字为单位,每个字由16位二进制数组成。但是欧姆龙公司的CS/CJ系列PLC的用户存储器容量以步为单位,程序是按“步”存放的,每条指令长度一般为1~7步。1“步”占用一个地址单元,一个地址单元占2个字节。例如,LD和OUT等逻辑指令每个仅需要1步,但MOV等高级指令则需要3步。程序容量表示程序中全部指令的总步数。

数据存储器(以下简称DM)是存放除用户程序外的控制参数等数据的存储器,也可以采用RAM、EPROM及EEPROM。为了防止RAM中的信息在掉电时丢失,通常用后备锂电池做保护,保存用户程序和数据。有些PLC采用了高性能闪存作为内置存储器和外置扩展存储器。

PLC厂家预留的存储器容量是与所带I/O点数相适应的,通常在资料中都给出用户程序存储器和数据存储器的容量,如欧姆龙C200HE-CPU11型CPU单元,用户程序存储器容量为3.2KB,数据存储器容量为4KB,支持的I/O最大点数为640点;C200HE-CPU42型CPU单元,用户程序存储器容量为7.2KB,数据存储器容量为6KB,支持的I/O最大点数为880点;CJ1G-CPU45型CPU单元,用户程序存储器容量为60K步,数据存储器容量为128K字,支持的I/O最大点数为2560点,等等。

在实际选取PLC机型时,对于存储器容量的指标通常主要考虑用户程序存储器的容量,用户程序占用内存量与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等诸多因素有关。因此,在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验,每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下:

●开关量输入所需存储器字数=输入点数(DI)×10。

●开关量输出所需存储器字数=输出点数(DO)×8。

定时器/计数器所需存储器字数=定时器/计数器数量×2。

●模拟量所需存储器字数=模拟量(AI/AO)通道数×100。

通信接口所需存储器字数=接口个数(CP)×300。

存储器的总字数再加上一个备用量即为存储器容量。例如,一般情况下的经验公式是:所需存储器容量(www.daowen.com)

(K字)=(1~1.25)×(DI×10+DO×8+AI/AO×100+CP×300)/1024

其中,DI为开关量输入总点数;DO为开关量输出总点数;AI/AO为模拟量I/O通道总数;CP为通信接口总数。

根据上面的经验公式得到的存储器容量估算值仅具有参考价值,还应考虑其他因素对其进行修正。需要考虑的因素如下:

1)经验公式仅是对一般控制系统,而且主要是针对设备的直接控制功能而言的,特殊功能可能需要更大的存储器容量。

2)不同型号PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异,会影响存储器的需求量。

3)程序编写水平对存储器的需求量有较大的影响。由于存储器容量估算时不确定因素较多,因此很难估算准确。工程实践中大多采用粗略估算,加大冗余量,实际选型时可参考以上估值并以“就高不就低”为选型原则。

(3)运行速度

PLC的运行速度应满足实时控制的要求,CPU运行速度越快,则扫描周期越短,系统响应越快,控制更加及时。通常以执行1条基本逻辑指令(1步或1B)所占用的时间(μs/步或μs/B)或执行1K步或1KB用户程序所占用的时间(ms/K步或ms/KB)来反映PLC的运行速度。例如,欧姆龙C200Hα系列PLC的运行速度是1.1ms/KB(假设程序中基本逻辑指令占50%,MOV指令占30%,算术指令占20%),而CJ系列PLC仅为0.04ms/K步,运行速度提高了30倍。在选用CPU单元时,应根据工艺要求选择合适的PLC。

PLC工作时,从读取输入信号到发出输出控制信号存在着延迟现象,即输入量的变化,一般要在1~2个扫描周期之后才能反映到输出端,这对于一般的工业控制是允许的。但在实时性要求较高的场合,不允许有较大的滞后时间。例如,PLC的I/O点数从几十到几千点的范围,此时用户程序的长短对系统的响应速度会产生较大的影响。滞后时间需控制在几十毫秒之内,一般应小于普通继电器的动作时间(普通继电器的动作时间约为100ms),否则就没有意义了。为了提高PLC的运行速度,可以采用以下几种方法:

1)选取运算速度快的CPU,使执行1条基本逻辑指令的时间不超过0.5μs。

2)优化控制程序结构,缩短PLC扫描周期。

3)采用高速响应单元,例如高速计数单元,其响应时间可以不受扫描周期的影响,而只取决于硬件的延时。

在遵循以上选型三原则的同时需要特别注意的是,PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的CPU、I/O单元及电源放在一块电路板上,省去插接环节,体积小,每一个I/O点的平均价格比模块式结构的便宜,适用于工程比较固定、控制速度要求不高的开关量对象。小型PLC(如欧姆龙CP1系列PLC,西门子S7-200系列PLC等)一般为整体式结构,可以解决诸如小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等问题。

中大型PLC一般为模块式结构,其控制功能的扩展、I/O点数的增减、I/O比例的调整等都比整体式PLC方便灵活,维修更换单元、判断与处理故障快捷,适合工艺过程变化较多、控制要求较复杂的系统。因此,对于以开关量控制为主,带有部分模拟量控制的系统,例如化工生产中常见的温度、压力流量、物位等连续量的控制,可以选取运算功能较强的中型PLC(如欧姆龙CJ系列PLC,西门子S7-300系列PLC等),配备具有A-D转换功能的模拟量输入单元及带有D-A转换功能的模拟量输出单元,并配接相应的传感器、变送器(对温控系统可以选用将温度传感器直接输入的温度单元)和驱动装置等。

对于比较复杂的中大型控制系统,如闭环控制、PID调节与通信联网等,可以选用中大型PLC(如欧姆龙CS系列PLC,西门子S7-400系列PLC等)。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时,应根据各部分的具体要求来选择PLC,以便组成一个分布式的控制系统。

在一个单位或一个企业中,应尽量使用同一厂家、同一系列的PLC,这不仅使单元通用性好,减少备件量,而且还会给编程和维修带来极大的方便,利于系统的扩展升级。

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