基于PLC的工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代工控系統(tǒng)往往包含機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)軟件和硬件等諸多技術(shù)，是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉的技術(shù)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，在現(xiàn)代工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以工業(yè)計(jì)算機(jī)——PLC為中心的特點(diǎn)愈發(fā)明顯，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段和實(shí)現(xiàn)過程中都離不開PLC技術(shù)的支持，特別是最終產(chǎn)品的性能很大程度上取決于PLC的性能。基于PLC的工控系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。如何采用適用的設(shè)計(jì)方法，縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間，保證系統(tǒng)的強(qiáng)大功能和可靠性，是工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)師急需解決的問題。

一、現(xiàn)代工控系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.實(shí)時(shí)性

控制系統(tǒng)需要與外部環(huán)境交互，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。要求對(duì)系統(tǒng)的輸入信號(hào)在限定的時(shí)間內(nèi)給出輸出結(jié)果，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性比較高。

2.網(wǎng)絡(luò)化

現(xiàn)代工控系統(tǒng)大量使用現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信。

3.軟件化

現(xiàn)代工控系統(tǒng)的一個(gè)典型特征是設(shè)計(jì)重點(diǎn)逐漸向工業(yè)組態(tài)軟件方面轉(zhuǎn)移。這主要有兩個(gè)原因，一方面計(jì)算機(jī)的性能不斷提高，過去必須由硬件完成的實(shí)時(shí)性能可以通過實(shí)時(shí)軟件來實(shí)現(xiàn)，使設(shè)計(jì)的靈活性提高，成本下降；另一方面由于機(jī)械系統(tǒng)的產(chǎn)品生命周期一般是5～20年，而硬件和軟件的生命周期一般是3～5年。當(dāng)一個(gè)原型產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，后續(xù)的主要工作變成系統(tǒng)維護(hù)和軟件升級(jí)，要求在設(shè)計(jì)階段就要考慮軟件的可維護(hù)性、可移植性、可升級(jí)性。

二、工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

工控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)步驟看一般由需求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟、硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)測試5個(gè)階段構(gòu)成。各個(gè)階段之間往往要求不斷地反復(fù)和修改，直至完成最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.可行性調(diào)研

可行性調(diào)研的目的，是分析完成這個(gè)項(xiàng)目的可能性。進(jìn)行這方面的工作，可參考國內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進(jìn)行這方面工作的，有什么優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，有什么是值得借鑒的；如果沒有，則需作進(jìn)一步的調(diào)研，此時(shí)的重點(diǎn)應(yīng)放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實(shí)現(xiàn)的可能性 ，所要求的客觀條件是否具備(如環(huán)境、測試手段、儀器設(shè)計(jì)、資金等)，然后結(jié)合實(shí)際情況，再?zèng)Q定能否立項(xiàng)的問題。

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在進(jìn)行可行性調(diào)研后，如果可以立項(xiàng)，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，此時(shí)可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同部分和要實(shí)現(xiàn)的功能，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理而可行的技術(shù)指標(biāo)，編寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書，確定設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)，并提煉出設(shè)計(jì)規(guī)格說明書，作為正式設(shè)計(jì)指導(dǎo)和驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)的需求一般分功能性需求和非功能性需求兩方面。功能性需求是系統(tǒng)的基本功能，如輸入輸出信號(hào)、操作方式等；非功能需求包括系統(tǒng)性能、成本、功耗、體積、重量等因素。從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。

3.體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一旦總體方案決定下來，下一步的工作就是將該項(xiàng)目細(xì)化，即需明確哪些部分用硬件來完成 ，哪些部分用軟件來完成。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)相互影響，因此，從簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減少故障率、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成；但也應(yīng)考慮以軟件代硬件的實(shí)質(zhì)是以降低系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、增加處理進(jìn)行為代價(jià)的，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟、硬件功能分配應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求及實(shí)際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。在確定軟硬件功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者的工作就開始涉及到一些具體問題，如設(shè)備的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。上面這幾部分工作是必不可少的，否則，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案的整體更改，甚至可能導(dǎo)致方案無法實(shí)現(xiàn)造成人力、物力的浪費(fèi)。

4.硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于PLC 工控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括兩大部分內(nèi)容：一是硬件的選型，包括控制網(wǎng)絡(luò)的選擇，PLC、變頻器、各功能模塊的選擇，如信號(hào)測量功能模塊、信號(hào)控制功能模塊、人機(jī)對(duì)話功能模塊、通訊功能模塊等，為使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）在選型的時(shí)候，因?yàn)楦鞣NPLC都有大型、中型、小型的分別，這些分別主要是由CPU模塊的性能不同造成的。在實(shí)際上，并非一定大型的功能就是合適的。除了價(jià)格方面的考量之外，主要是，如果控制點(diǎn)數(shù)不多，小型的CPU模塊完全可以勝任，則小型的CPU反而比大型的CPU模塊工作還要可靠一些。因?yàn)椋⌒偷腃PU所涉及的資源少，而大型CPU的資源多，在程序執(zhí)行中，為處理那些程序不需用到的資源時(shí)，也要分配時(shí)間去處理，這樣不僅造成資源的浪費(fèi)，可能在程序處理上不及小型CPU可以更單純和穩(wěn)定地工作。

（2）在條件允許的情況下，盡可能選用功能強(qiáng)、集成度高的專用模塊和器件。因?yàn)椴捎眠@種模塊，不僅元件數(shù)量、接插件和相互連線減少，使系統(tǒng)可靠性增加。提高設(shè)計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。

（3）在對(duì)硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)考慮時(shí)，注意選擇通用性強(qiáng)、市場貨源充足的元器件，尤其對(duì)需大批量生產(chǎn)的場合，更應(yīng)注意這方面的問題。其優(yōu)點(diǎn)是：一旦某種元器件無法獲得，也能用其他元器件直接替換或?qū)﹄娐飞宰鞲膭?dòng)后用其它器件代替。

（4）硬件參數(shù)的設(shè)定。系統(tǒng)的硬件具體應(yīng)用時(shí)，首要問題是進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)論證。就硬件系統(tǒng)來講，電路的各部分都是緊密相關(guān)、互相協(xié)調(diào)的，任何一部分電路的考慮不充分，都會(huì)給其他部分帶來難以預(yù)料的影響，輕則使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)受破壞，重則導(dǎo)致硬件總體大返工，由此造成的后果是可想而知的。從時(shí)間花費(fèi)上看，硬件設(shè)計(jì)的絕大部分工作量往往在最初方案的設(shè)計(jì)階段，一個(gè)好的設(shè)計(jì)方案往往會(huì)有事半功倍的效果。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就會(huì)很順利進(jìn)行，即使需要作部分修改，也只是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些完善工作，而不會(huì)造成整體返工。在進(jìn)行硬件的總體方案設(shè)計(jì)時(shí)，所涉及到的具體電路可借鑒他人在這方面進(jìn)行的工作。

（5）系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)。在滿足應(yīng)用系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊應(yīng)適當(dāng)留有余地，以備將來修改、擴(kuò)展之需。實(shí)際上，工控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一次成功而不作任何修改的情況是很少的，如果在設(shè)計(jì)之初未留有任何余地，后期很可能因?yàn)橐稽c(diǎn)小小的改動(dòng)或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工。

（6）新技術(shù)的應(yīng)用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地作些調(diào)研，采用最新的技術(shù)。因?yàn)镻LC發(fā)展迅速，更新?lián)Q代很快，市場上不斷推出性能更優(yōu)、功能更強(qiáng)的設(shè)備，要時(shí)刻注意這方面的發(fā)展動(dòng)態(tài)，采用這些新技術(shù)。

（7）工藝的設(shè)計(jì)。工控系統(tǒng)還要注意工藝的設(shè)計(jì)，包括配電箱、操作面板、配線、接插件等，這是一個(gè)初次進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員容易疏忽但又十分重要的問題。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到安裝、調(diào)試、維修的方便。描述系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)所述的功能和非功能需求，包括對(duì)硬件、軟件系統(tǒng)的功能劃分。一個(gè)好的體系結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。

三、工控系統(tǒng)的調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，必須經(jīng)過軟件調(diào)試和硬件調(diào)試，才能應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。從實(shí)質(zhì)上講，軟硬件的調(diào)試是一次綜合調(diào)試，一方面要排除軟件錯(cuò)誤，同時(shí)進(jìn)一步解決硬件的故障。調(diào)試時(shí)可以將系統(tǒng)分為模塊一個(gè)一個(gè)分開進(jìn)行，再將它們連在一起統(tǒng)調(diào)。

到了現(xiàn)場后，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試前，需要考慮安裝環(huán)境是否滿足PLC的使用環(huán)境要求，這一點(diǎn)可以參考各類產(chǎn)品的使用手冊(cè)。系統(tǒng)中PLC常常需要與人機(jī)界面進(jìn)行、變頻器需要進(jìn)行通訊，或者本地CPU模塊與遠(yuǎn)程單元模塊的通訊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最容易出問題的地方是通訊，現(xiàn)場調(diào)試最麻煩的地方也是通訊，所以對(duì)于通訊的部分，你必須清晰了解系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，并且對(duì)需要進(jìn)行通訊的東西在出發(fā)前就要全部進(jìn)行一遍調(diào)試，而且要確認(rèn)其中的所有需要通訊的模塊是可以通訊的。比如，操作臺(tái)電腦、觸摸屏、PLC、變頻器、其他的PLC、一些智能儀表和儀器，必須要確認(rèn)它們相互之間是否可以通訊的，如果系統(tǒng)較大，遠(yuǎn)程單元、本地機(jī)架數(shù)量、每個(gè)機(jī)架的模塊數(shù)量的限制，并非出于系統(tǒng)功能和技術(shù)上的限制，而是由于使用規(guī)范性的限制。在系統(tǒng)硬件組態(tài)時(shí)，要考慮這些模塊的搭配作用。發(fā)現(xiàn)了原來編程時(shí)的錯(cuò)誤，需要對(duì)已經(jīng)編好的程序進(jìn)行修改。

四、系統(tǒng)的運(yùn)行

系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試通過后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)行，初次運(yùn)行，首先在監(jiān)控狀態(tài)下看設(shè)備的工作狀態(tài)，這時(shí)可繼續(xù)使用依次改變控制要求和帶上相應(yīng)負(fù)載的方法檢查程序和控制設(shè)備及負(fù)載的運(yùn)行情況是否正常。然后再進(jìn)行相應(yīng)的修改。直到完全能適應(yīng)設(shè)計(jì)要求。

工控系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試、是一件復(fù)雜而細(xì)致的工作，經(jīng)驗(yàn)必需在實(shí)踐中不斷積累。很多設(shè)計(jì)理念和控制方法是具有可重用性的。通過重用，并應(yīng)用在系統(tǒng)開發(fā)中可以充分地利用已有的開發(fā)成果，減少了包括需求分析、設(shè)計(jì)、編碼、測試等在內(nèi)的許多重復(fù)勞動(dòng)，提高了軟件生產(chǎn)率，同時(shí)，通過復(fù)用已測試過的高質(zhì)量的己有產(chǎn)品，避免了重新開發(fā)可能引入的錯(cuò)誤和不當(dāng)，從而提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量，有利于復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，模塊劃分和集成管理，也易于以后的重復(fù)使用和二次開發(fā)。

（作者單位：廣東省機(jī)械高級(jí)技工學(xué)校）