自动监测系统中的PLC控制

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1　引言

　　利用可编程序控制器(PLC)组成远程自动监测系统时，首先遇到的是PLC的选型问题。在选用PLC时，除把可靠性、环境适应性放在首位外，还要根据具体应用场合尽量选用合适的可编程序控制器。
　　关于可编程控制器选型的一般原则可从以下几方面考虑：
　　(1) 明确控制对象要求。本系统要求改善信息管理，把PLC与上位微机的通讯能力远程I/O与微机通讯方式和手段作为选择的依据。PLC响应时间的影响因素有：输入信息时，CPU读解用户逻辑网络时间和输出时间。PLC的实时响应性还受到系统中最慢仪器的限制，与上位机的通讯也将增加服务时间。
　　(2) 功能选择要根据不同的控制对象确定。具体有：替代继电器、数学运算、数据传递、矩阵功能、高级功能、诊断功能以及串行接口。
　　(3) 输入输出模块选择。输入/输出模块是PLC与被控对象之间的接口，模块选择得当否直接影响控制系统的可靠性。
　　(4) 存储器类型及其容量选择。小型PLC作为单机小规模控制使用时，由于工艺简单、程序固定，多数使用EPROM或EPROM加RAM。对于中、大规模的PLC，往往用于工艺比较复杂，且多变的场合，程序改变较多，因此一般都使用CMOSRAM存储器，且有后备电池，以便关机时保存存储信息。根据控制规模和应用目的，我们按下列公式进行估算：
　　① 代替继电器　M＝Km［（10×DI）＋（5×DO）］
　　② 模拟量控制　M＝Km［（10×DI）＋（5×DO）＋（100×AI）］
　　③ 多路采样控制　M＝Km｛［（10×DI）＋（5×DO）＋（100×AI）］＋（1+采样点×0．25）｝
　　式中DI为数字(开关)量输入信号；
　　DO为数字(开关)量输出集中；
　　AI为模拟量输入信号；
　　Km为每个节点所占存储器字节数；
　　M为存储器容量。
　　我们还可在编完程序以后精确地计算出存储器实际使用容量。
　　(5) 控制系统结构和方式的选择。用PLC构成的控制系统有集中控制、远程I/O控制和分布式控制等三种方式。
　　(6)支持技术条件。在选用PLC时，有无支持技术条件也是重要的选择依据。支持技术条件主要有：编程手段、程序文本处理、程序贮存方式和通讯软件包。通讯软件包往往是和通讯硬件一起使用的，如调制解调器等。

2　PLC构成的控制系统

　　PLC构成的控制系统流程图如图1所示：

图1　PLC构成的控制系统设计步骤

　　此种设计方法与常用的继电器控制逻辑设计比较，组件的选择代替了原来的部件选择，程序设计代替了原来的硬件设计。
　　我们采用一台PLC控制多台监测仪器的集中控制系统。该系统用于监测对象(仪器)所处的地理位置比较接近，且相互之间有一定联系的场合。如图2所示。

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图2　集中控制系统

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该系统采用的PLC(SZ-4)模块是：
　　① 8点DC12/24输入模块Z-8ND1
　　② 8点集电极开路输出模块Z-8TD1
　　③ 4通道12位模拟量输入模块Z-4AD1
　　④ SZ毓CPU模块(2端口通讯、CCM协议、从机功能)以及S-20P指令编程器、S-10D通用操作面板等。
　　I/O点数是指要求PLC能够输入输出开关量、模拟量总的个数，它与继电器触点适当留有余量。同时要注意尽可能简化I/O点数来降低成本。
　　用PLC构成的监测控制系统，有自动、半自动和手动三种运行方式。在进行完总体设计以及具体的硬件系统设计和软件系统设计后，除要分别对其进行调试外，必须对整个系统进行联合调试和试运行，反复进行硬件系统和软件系统的修改调整，使整个系统全部投入正常工作为止。

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　　PLC在监测系统中要完成信号实时采样、脉冲量累计、预警报信号监测与报警输 出等，并通过各种传感变送器与传感器连接。PLC作为一种控制设备，用它单独构成一个监测系统是有局限性的，主要是无法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。这些不足，我们选用上位微机来弥补。上位微机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或警报信息，驱动打印机实时打印各种图表。
　　系统的设计步骤如图3所示。

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图3

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3　控制软件

　　PLC梯形图所用逻辑符号与继电器、接触器系统原理图的相应符号极其相似，人们能迅速熟悉该种编程语言。一般设计梯形图程序大都采用继电器系统电路图的设计方法。对于复杂的系统，在梯形图设计中采用大量的中间单元来完成记忆、联锁、互锁等功能，由于需要考虑的问题较多，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些该考虑的问题，且修改和阅读也很困难。根据功能图表设计PLC的梯形图程序，可以有效地解决以上问题，达到事半功倍的效果。
　　我们在课题研究中下位机PLC采用梯形图来编制程序。
　　下位PLC软件用来实现数据采集、脉冲计数转换、限值逻辑判断及声光报警输出、通信数据格式的转换。
　　数据通讯与分离模块完成PLC与微机间数据和命令的双向传送，并将得到的数据按系统要求的格式分离成系统变量。
　　显示模块将实时数据显示在屏幕上，以图形或表格形式分屏循环显示。在手动方式下可固定监视画面并可显示历史趋势图等。
　　定时存贮模块按每十分钟将实时数据存贮到相应的数据库中，每天整理一次历史数据。
　　系统维护模块可用来修改定值参数、口令及限值等。
　　报警模块不论软件工作在何种方式下，一旦出现超值，系统确认后并发出报警，屏幕上显示报警内容和地点，以便采取措施。
　　为提高PLC及系统的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。
　　在软件设计和编程上，加上一些抗干扰模块。
　　系统从开始到运行的流程如下：
　　A)　把CPU的动作方式设定为STOP方式，(不在STOP方式时)

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S—20P的操作和显示
*在在线方式下，CPU处于STOP或TEST—STOP方式时可进行编程。
*在显示程序时可进行编程。
*平时，显示命令语不显示程序地址，必要时，用?键显示程序地址
S—20P操作次序

　　编程器S-20P即使不和SZ-4 CPU模块连接，也可进行编程(离线编程)。在S-20P上编程时，
通常是要连在CPU模块上进行(在线编程)。

4　结论

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　　根据远程自动监测系统的要求，完全可以采用PLC来实现对系统的控制。以PLC为核心的自动监测系统下位机的控制设备，具有体积小、接线简单、测试精确，特别是可实现脱机工作。该系统运行高速、简单、可靠，实现了上位机与下位机的互连和实时通讯任务。【MechNet】