可编程控制器的选择

5.2.1　可编程控制器的选择

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。不同厂家、不同系列、不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各不相同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

1）PLC机型的选择

PLC机型选择的基本原则应是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护使用方便，力争具有最佳的性能价格比，具体选择时应主要考虑以下几个方面：

（1）结构合理、机型统一

PLC主要有整体式、模块式、叠装式几种结构型式。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，因此在控制规模不大、工艺过程固定、环境条件较好的场合应优先考虑采用整体式PLC。但模块式PLC在功能扩展方面优于整体式，例如，在I/O点数量、I/O点的比例、I/O模块的种类等方面，模块式PLC的选择余地都比整体式PLC大，维修更换模块、判断故障较方便，因此一般用于控制功能较复杂的控制系统。

在大量使用PLC的部门，应在满足控制要求的前提下尽量选择相同型号的PLC。这样可以简化配置，同时由于功能和使用方法的统一，便于功能的开发、技术力量的培训、备品备件的采购和备份、资源共享等，便于用上位计算机构成多级分布式控制系统或实现工厂自动化（FA）。

（2）功能与任务相适应

对于只有开关量控制的场合，当对控制速度要求不高时，可选用一般的低档小型机（如三菱FX系列、西门子S7-200系列、欧姆龙C系列CPM1A/2A），具有逻辑运算、定时、计数等基本功能，能满足相应的控制要求。

对于以开关量为主带有模拟量控制的应用系统，如工业生产中经常遇到的温度、压力、流量、液位等，则应选用带有A/D、D/A转换的模拟量输入、输出模块，选择运算功能较强的中小型PLC（如西门子S7 300系列、欧姆龙CQM型）或能支持模拟量扩展单元的小型机，其指令系统中有数据传送、算术运算等指令。

对于控制比较复杂、控制要求较高的大中型控制系统，例如，要求实现闭环控制、PID调节、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用扫描速度快、控制功能强、联网通信能力强的中高档PLC（如三菱Q系列、西门子S7 400系列、欧姆龙C200系列）。

（3）响应速度要求

系统响应时间是指输入信号产生时刻到输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。它由输入滤波时间、输出滤波时间、扫描时间三部分组成。PLC厂家一般给出了输入电路和输出电路的延迟时间和PLC的扫描速度，并作为技术指标衡量机器性能，扫描速度一般在10 ms/1KB左右。

由于现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数的工业控制来说，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。

如果设备的实时性要求高，或者某些功能及信号有特殊的速度要求时，则应考虑PLC的响应速度或响应时间，可选用扫描速度高的PLC，使用具有高速I/O处理这一类功能指令，或选用具有快速响应模块如高速计数模块和中断响应处理功能的PLC等。

（4）其他特殊要求

对可靠性要求极高的场合，应考虑是否采用冗余或热备系统。

如果要将PLC纳入工厂自动控制网络，应选具有通信联网功能的PLC。一般中型以上的PLC提供数个串行标准接口RS 232C或PLC间的通信模块或Ethernet通信模块，以便连接打印机或CRT等外设、上位计算机以及其他PLC、Ethernet网络。

是否在线编程，应根据被控设备工艺要求的不同来选择。对于产品定型的设备和工艺不常变动的设备，应选用离线编程的PLC；反之，可考虑选用在线编程的PLC。中、小型PLC多采用离线编程，大型PLC多采用在线编程。

由于目前PLC的价格随功能强弱有较大的差异，因此在选用时特别注意不要大材小用，以避免造成太多的硬件资源浪费。

2）PLC容量的选择

PLC的容量包括两个方面：一是I/O点数，二是用户存储器容量。

（1）I/O点数的选择

首先根据被控对象的I/O设备，对所需的I/O点数进行统计，开关量输入点数与开关量输出点数之比一般可按3∶2估算。在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点数最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据统计的点数数据，再加上10%～15%的裕量来确定，以防系统方案的修改或功能的扩展。

（2）存储器容量的估算

用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的I/O点数、运算处理量、程序结构、控制要求等因素有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。为了设计时对程序容量有一定的估算，通常采用经验估算方法来估算，经验估算方法是根据每个功能器件类型和I/O点数统计所需程序容量的。估算公式是：

存储容量（字节）＝开关量I/O点数×10＋模拟量I/O通道数×100

另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器类型的选择。

3）I/O模块的选择

（1）开关量输入模块

开关量输入模块用来接收现场输入设备的开关信号（如按钮、行程开关、温控开关、液位开关等），将信号转换为PLC内部的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几个方面：

①输入信号的类型

开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等进行考虑。直流输入模块延迟时间较短，还可直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

②输入信号的工作电压

开关量输入信号的工作电压常用的有：直流5V、12V、24V；交流110V、230V等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。

一般24V及以下属于低电平安全电压，用于传输距离较近场合或现场有防火、防爆等安全要求的场合，如12V输入模块最远不得超过10m。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

国内设备多为交流220V和380V工作电压，国外常用110V工作电压。用230V电压等级时，一般允许其工作电压在184～276V之间。对于国内的电网来说，采用220V交流电的工作现场，信号采集方便，传输距离限制较小，它适用于一般环境下的机械设备所在的现场。

③输入模块密度

按输入点数来分，常用的有8点、16点、32点等。对于32点及以上的高密度输入模块，同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。

④输入接线方式

开关量输入模块主要有汇点式和分隔式两种接线方式。汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分隔式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

（2）开关量输出模块

开关量输出模块是把CPU处理过的内部数字量信号，转换成驱动外部输出设备、执行机构、显示灯等负载的开关信号，并实现PLC内外信号电气隔离的模块。选择时主要应考虑以下几个方面：

①输出方式

开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

继电器输出的价格便宜，可驱动交流或直流负载，而且适用的电压范围广、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢、寿命较短，只能适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1Hz。

对于频繁通断、驱动电流不大、功率因数低的场合，应选用晶闸管或晶体管输出方式，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于驱动交流负载，而晶体管输出只能用于驱动直流负载。

感性负载在断开瞬间会产生较高的反向电压，必须采取抑制措施。若是直流感性负载，在负载两端并联二极管，如图5-2（a）所示。并联的二极管可选1A的管子，其耐压值大于负载电源电压的5～10倍，接线时要注意二极管的极性。若是交流感性负载，在负载两端并接电容电阻抑制器来抵御反向电压，如图5-2（b）所示，阻容吸收电路的电阻可选51～120Ω，功率在2W以上，电容可取0.1～0.47μF，耐压应大于电源的峰值电压。

图5-2　感性输出负载的抗干扰措施

②输出接线方式

开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。分组式输出是几个输出点为一组，一组有一公共端，各组之间分隔，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。PLC的输出方式及连接示意图如图5-3所示。

③驱动能力

开关量输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于负载的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。对于容性负载、电阻性负载在接通时有冲击电流，应留有足够的裕量。

图5-3　PLC的输出方式及连接示意图

在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负荷能力，即输出模块的各个输出通道同时接通点数的总电流不得超过模块规定的最大允许电流。一般同时接通点数不超过同一COM端输出点数的60%。

（3）模拟量I/O模块及特殊功能模块

除了开关量信号外，工业控制中经常涉及温度、压力、流量、液位、开度等连续的非电量，以及电压、电流、功率因素、有功或无功功率等电量信号。

PLC的模拟量I/O模块的主要功能是数据转换。模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测或变送器等产生的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出（D/A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出至变频器、阀门等装置。典型模拟量I/O模块的量程为-10～10V、0～10V、1～5V电压型及0～20mA、4～20mA电流型等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。设计者要结合工程实际，在选用外部控制设备的同时，合理选用合适的模块。

（4）电源模块及其他外设的选择

①电源模块的选择

电源模块的选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。

电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其他特殊模块等消耗电流总和，同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。

②编程器、编程软件的选择

对于小型控制系统或缺乏计算机的场合，可选用编程器。随着科技进步及经济的发展，计算机已得到普及，因此在选好机型后，用户或开发人员往往更多使用生产厂家提供的功能强大的PLC编程软件，不但可在PC（个人计算机）或IPC（工业计算机）上完全实现编程器的所有功能，而且可以大大提高编程的效率和质量。例如，三菱电机的FXGP/WIN编程软件、西门子的STEP 7Micro/WIN、欧姆龙的CX Programmer编程软件等。

③写入器的选择

为了防止由于环境干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就具有EPROM写入的功能。