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第7章可编程控制器的典型工程应用可编程计算机控制器不仅用于开关量控制系统，还可应用于既有开关量又有模拟量的控制系统，并且在各种智能化的功能模块配合下，已从替代继电器控制扩展到整个过程控制领域。伴随着这些变化，对可编程计算机控制器控制系统进行系统设计的时候，需要综合考虑的因素也越来越多。系统设计的要求、观念、手段也有了较大的发展和进步。可编程计算机控制器分为大、中、小型，它们的控制对象和应用范围也有所不同。简单地说，小型可编程计算机控制器主要应用于单机控制或复杂程度较低的控制对象；中型可编程计算机控制器主要应用于复杂程度较高的控制对象和过程控制系统；大型可编程计算机控制器主要应用于过程控制并可以组成集散控制系统。大、中、小型可编程控制器在性能和控制对象上的差异，使得其控制系统设计内容也有所不同。本章以贝加莱公司的PCC2000系列的可编程控制器为背景，结合多个工程实例介绍PCC控制系统的设计方法和PCC的典型工程应用。7.1PCC控制系统的设计用户在使用PCC进行实际系统的设计过程中，会自觉或不自觉地遵循一定的方法及步骤，有的按自我习惯方法，有的按普通计算机应用设计方法。应该说，普通计算机应用设计方法在PCC的应用设计中是可以运用的，但由于PCC是一种特殊的计算机，其体系结构、运行方式、编程语言等都有别于普通计算机，因此在设计方法及步骤上有其特殊性。虽然不能严格要求先做什么后做什么，但也必须遵循某些共同的规则，使PCC系统的设计方法及步骤更符合科学化、过程化和标准化。7.1.1PCC控制系统的类型PCC构成的控制系统可分为四种类型：单机控制系统、集中控制系统、分布式控制系统和远程I/O控制系统。1．单机控制系统这种系统的被控对象往往是一台机器或一条生产流水线，如注塑机、机床、矿山皮带运输机、简易生产流水线等，其控制是用一台PCC来实现对被控对象的控制。图7-1是典型的单机控制结构图。这种PCC系统的输入/输出点数较少，对存储器的容量要求较小，控制系统的构成简单明了。此种控制系统在选用PCC模块时，多种品牌的PCC基本上都可以满足，但不宜将功能和I/O点数、存储器容量选得过大，以免造成浪费。虽然这类系统一般不需要与其他控制器或计算机进行通信，但设计者还应考虑将来是否有通信连网的需要，如果有的话，则应选择具有通信功能的PCC，以备以后系统功能的增加。可编程计算机控制器技术312PCC控制系统被控对象图7-1典型的单机控制系统2．集中控制系统这种系统的被控对象通常是由一台或数台机器、一条或数条流水线构成，该系统是用一台PCC控制多台被控设备。图7-2是集中控制结构示意图。每个被控对象与PCC的指定I/O相连接。由于采用一台PCC控制，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另设专门的通信线路。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。如果各控制对象之间的地理位置比较远，而且大多数的输入、输出线都要引入控制器，这时需要的电缆线、施工量使系统成本增加，在这种情况下，建议使用远程I/O控制系统。虽然集中控制系统比单机控制系统经济，但是当控制对象的控制程序需要改变或PCC出现故障必须停止整个系统的工作时，集中控制系统的缺点就体现出来。由此可见，对于大型的集中控制系统，可以采用冗余系统克服上述缺点。采用此种系统时，必须注意将I/O点数和存储器容量选择大一些，以便增加控制对象。图7-2集中式控制系统3．分布式控制系统这类系统的被控对象比较多，它们分布在一个较大的区域内，相互之间的距离较远，而且被控对象之间要求经常地交换数据和信息。这种系统的控制由若干个相互之间具有通信连网功能的PCC构成，系统的上位机可以采用PCC，也可以采用计算机，其系统结构如图7-3所示。PCC控制系统上位计算机系统被控对象2被控对象1被控对象3可编程控制器2可编程控制器1可编程控制器3被控对象2被控对象1被控对象3图7-3分布式控制系统第7章可编程控制器的典型工程应用313在分布式控制系统中，每一台PCC控制一个被控对象，各控制器之间可以通过信号传递进行内部联锁、响应或发令等，或由上位机通过数据总线进行通信。分布式控制系统多用于多台机械生产线的控制，各生产线间有数据连接。由于各控制对象都有自己的PCC，当某一台PLC停运时，不需要停运其他的PCC。当此系统与集中控制系统具有相同的I/O点时，虽然多用了一台或几台PCC，导致系统总体价格偏高，但从维护、试运转或增设控制对象等方面看，其灵活性要大得多。4．远程I/O控制系统远程I/O控制系统实际上是集中式控制系统的特殊情况。远程I/O系统就是I/O模块不与PCC放在一起，而是远距离地放在被控设备旁。图7-4所示为远程I/O控制系统的构成示意图，系统中使用了三个远程I/O通道和一个本地I/O通道。被控对象1可编程控制器被控对象2被控对象3被控对象0远程I/O通道图7-4远程I/O控制系统远程I/O通道与PCC之间通过通信电缆传递信息。由于不同厂家的不同型号的PCC所能驱动的通信电缆长度不同，因此必须按照控制系统的需要选用。有时某种型号的PCC虽能满足功能要求，但仅由于能驱动通信电缆长度限制而不得不改用其他型号的PCC。远程I/O控制系统使用于被控制对象远离集中控制室的场合。一个控制系统需要设置多少个远程I/O通道，要视被控对象的分散程度和距离而定。5．由PCC构成的本地（LOCAL）I/O控制系统远程I/O通道控制系统中，远程I/O通道仅装I/O模块，没有程序，所有控制程序都存储在控制器的存储器中。如果用多台控制器代替远程I/O通道，则构成了本地控制器控制系统（LocalControllerControlSystrm），如图7-5所示。它与分布式控制系统有些类似。本地I/O通道主PCC本地PCC1被控对象A输入/输出本地PCC2被控对象B输入/输出本地PCC3被控对象C输入/输出同轴电缆图7-5本地控制器控制系统在这个控制系统中，每个控制对象（或邻近的几个控制对象）设置一台具有控制程序的可编程计算机控制器，然后用一台主控制器通过同轴电缆与本地控制器连接。本地控制器的功能是执行控制任务，并将控制信息传给主控制器。主控制器接收各本地控制器的信可编程计算机控制器技术314息后，进行管理性质的综合控制，而不直接控制对象。本地控制器控制系统适用于如图7-6所示那样的加工或装配生产线的控制。在这个系统中本地控制器控制各子线的机械动作，而主控制器则跟踪主线上的目标，同时按照主线和子线的关系进行综合控制。该控制系统还可用于检查各子线机械故障或异常情况。主PCC本地PCC1现场现场现场输入/输出主生产线本地PCC2现场现场输入/输出图7-6加工或装配生产线控制系统6．由PCC构成的网络控制系统如果用管理计算机作为主控制器，用高速数据通信通道作为各本地控制器连接线路，则本地控制器控制系统就变成了网络控制系统。网络控制系统主要用于大规模的控制场合，如工厂自动化、数据处理和综合管理等场合。在这种系统中，管理计算机的主要功能是：（1）生产管理，生产流程指示（画面生成）；（2）库管理，数据生成；（3）各类报表（如班报表、日报表、月报表、季报表和年报表等）的生成；（4）控制对象的工况（异常情况预告和故障）指示；（5）其他所需的工程管理。7．由PCC构成的冗余控制系统所谓冗余控制就是用两台完全相同的可编程计算机控制器构成的一种控制系统。其中一台可编程计算机控制器起控制作用，同时把控制信息传递给备用控制器。冗余监控器实时监视两台可编程计算机控制器的工况，并比较它们的执行结果。当起控制作用的工作机出现故障时，监控器把控制权转交给备用控制器，并关断工作机的控制，指示出现“故障”。这种冗余控制叫双机双工热储备控制。也有把备用机作为冷储备的，即冷备机平时不通电，只有工作机出故障时人为接通备用机电源，并切除原工作机。冷储备的优点是不需要冗余监控器，节省投资。缺点是当工作机出现故障时，需停运系统，并人为加载备用机程序，因而系统可靠性比热储备方式差。冗余控制系统主要用于那些要求生产连续不断、人工无法干预和维护时间要求极短的场合。这些场合中当PCC出现故障时，不允许停止生产和更换PCC。冗余控制系统一般是指双机双工热后储备，在要求极高的场合，可使用三取二或五取三的冗余控制系统，这样的系统其控制的可靠性很高，但MBTF（平均故障间隔时间）并第7章可编程控制器的典型工程应用315不比双机系统高。另外，从提高整个控制系统的可靠性和正确性看，对那些重要的输入/输出点和连接电缆昀好也采取冗余措施，当然这样做的结果将导致系统造价提高。并非所有可编程计算机控制器都能构成冗余控制系统，只有那些提供了冗余控制器的中高档PCC才能构成冗余控制系统，用户在选型时必须慎重权衡。8．由PCC构成的混合控制系统以上介绍了用PCC构成的几种控制系统，实际应用时可能是上述几种方案的混合型，如分布或本地控制器与远程I/O的混合，冗余系统与远程I/O的混合等。7.1.2PCC控制系统设计的基本原则进行PCC控制系统设计时应遵循以下原则：（1）昀大限度地满足被控对象的控制要求。（2）在满足控制要求的前提下，力求控制系统简单、经济，使用及维护方便。（3）保证控制系统的安全和可靠。（4）选择PCC容量时，为系统今后的扩展和改进留有一定余量。7.1.3PCC控制系统设计的基本内容PCC控制系统设计的基本内容如下：（1）选择输入设备（按键、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）、输出设备驱动的扩展对象（电机、电磁阀等）。（2）PCC模块的选择。PCC模块是控制系统的核心部件，其选择包括机型、容量、I/O模块、CPU模块、电源模块等。（3）分配I/O点，绘制接线图。（4）设计控制程序。控制程序是保障系统可靠运行的关键，需反复调试修改，直至满足要求。（5）编制控制系统技术文件，文件包括电气图、元件明细表、设计报告、软件使用说明书等。7.1.4PCC控制系统设计的步骤按照前述“设计任务”中所列的八点，基本上依次进行便可以完成控制系统的设计。PCC控制系统的设计步骤为：（1）深入、详细了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求；（2）根据被控对象的控制要求，确定整个系统的输入、输出设备的数量，从而确定PCC的I/O点数，包括开关量I/O点数、模拟量I/O点数，以及特殊功能模块等；（3）充分估计被控对象今后发展的需要，所选的PCC的点数应留有一定的余量。另外，在性能价格比变化不大的情况下，尽可能选用同类型中功能强的新一代PCC；（4）确定选用的PCC机型；可编程计算机控制器技术316（5）建立I/O分配表，绘制PCC控制系统的输入、输出接线图并接线施工，完成硬件设计；（6）根据生产工艺要求，绘出工序循环图，对于较复杂的控制系统，如有必要可再绘出详细的控制系统用户程序的流程图；（7）根据工序循环图或用户程序的流程图，选择合适的编程语言，完成软件设计；（8）用编程器或计算机输入用户程序，并将用户程序下载到PCC的用户程序存储器中；（9）在实验室中模拟调试用户程序；（10）进入现场联机调试用户程序；（11）测试程序并提交测试报告；（12）整个系统的调试测试工作结束后，编制技术文件；（13）交付使用。上述第（2），（3），（4），（5）步为硬件设计，而第（6），（7）步为软件设计，其他步骤将涉及软硬件两方面的问题。有关PCC选型，以及软件设计的问题已在前面详细讲述过了，在此不再重复。PCC控制系统的设计步骤如图7-7所示。以上是设计一个PCC控制系统的大致步骤，具体系统设计时要考虑系统规模的大小、要求的复杂程度等，有的步骤可以省略，也可做适当的调整。7.1.5PCC程序设计步骤（1）对于复杂系统，绘制系统控制流程图，用以说明动作的顺序和条件。对于简单控制系统，可以省略这一步。（2）选定程序语言，编写控制程序。（3）调试、修改程序，直至满足要求。（4）控制柜及现场施工完成后，进行联机调试。（5）编写技术文件。（6）交付使用。7.1.6PCC控制系统设计