如何使用PLC实现自动化、网络化、信息化和智能化？

使用PLC，实际也就是使PLC能在系统自动化、网络化、信息化及智能化上有所应用。这里的关键是要做两个工作：一是进行PLC系统配置；二是进行PLC应用编程。这涉及PLC使用的硬件与软件两大方面。

1.系统配置

PLC系统配置就是根据现场需要选用性能合适的PLC，确定PLC硬件系统的构成。

（1）系统配置类型

主要有如下几种类型：

1）基本配置。对箱体式PLC，则仅用一个CPU箱体。CPU箱体含有电源、内装CPU板、I/O板及接线器、显示面板、内存块等，是一台完整的PLC。

CPU箱体依CPU性能分成若干型号，并依I/O点数，在型号下又有若干规格。基本配置就是选择一种满足实际要求的箱体。

对模块式PLC，基本配置选择的项目要多些。要选的内容如下：

CPU模块：它确定了可进行控制的规模、工作速度、内存容量等。选的合适与否至关重要，是系统配置中首先要进行的。

内存模块：它可在CPU规定的范围内选择，以满足存储用户程序的容量及其它性能的要求。

电源模块：有的PLC是与CPU模块合二而一的，有的是分开的。但这两者选的原则相同，都是依PLC用的工作电源种类、规格，和要否为I/O模块提供工作及信号电源，以及容量需要作选择。

I/O模块：依I/O点数确定模块规格及数量。I/O模块数量可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置所限制。

底板或机架：基本配置仅用一个底板或机架。但底板也有不同规格。所以，还要依I/O模块数作不同选择。有的PLC，如欧姆龙公司的CJ1机，无底板。这样的PLC就没有什么底板或机架可选择了。

2）扩展配置。箱体式PLC扩展配置是增加I/O箱体。I/O箱体有不同的型号和规格。可按所需增加的点数，选用相应的I/O箱体。

模块式PLC的扩展配置有两种：一种为当地扩展，另一种为远程扩展。

当地扩展配置：在基本配置的基础上，于当地增加I/O模块及相应底板或机架，这可使PLC的控制规模有较可观地扩大。

远程扩展配置：这种配置所增加的机架可远离当地，近的几百米，远的可达数千米。远程配置可简化系统配线，而且有的还可扩大控制规模。

3）特殊配置。特殊配置是指增加特殊（有的称功能或智能模块）I/O模块的配置。特殊配置后的PLC可进行哪些方面的控制，与所配置的特殊模块紧密相关。较常见的特殊模块按功能划分以下几种：

高速计数模块：可计入与处理高频脉冲信号，从处理几十kHz到几百kHz，甚至更高频率的都有。

位置控制模块：可通过输出脉冲控制位置移动量及位置移动速度。有单坐标控制的，双坐标控制的，还有多坐标控制的。双坐标或多坐标的还可实现两坐标运动协调。这实际是数控技术通过PLC特殊单元予以实现。

模入、模出模块：可把模拟量转换成数字量存于输入通道中，或把输出通道的数字量转换成模拟量输出。可对一路信号作转换，也可对多路信号转换。有的既有模入，又有模出。

温度检测控制模块：温度也是模拟量，温度检测控制模块只是它做了更多的预处理工作，如可适用不同的温度传感器，可测的温度范围也可相应选择，用起来更方便。检测模块只能用于读温度值并显示，也可用做处理，但要另编程序。而控制模块可自成控制回路，无须编程，也无须PLC运行相关程序，即可实现温度控制。

回路控制模块：用于进行模拟量的回路控制。有的自身带模拟量输入、输出点。如上述温度控制模块一样，既能采集模拟量数据，又能进行数据计算、处理，进而产生控制输出，可完整地实现模拟量控制。而有的自身没有模拟量输入、输出点，只用于进行有关控制算法计算。使用它，虽然必须与别的模拟量输入、输出模块配合，但它的控制计算能力很强，可完成几十、几百路的有关控制运算，使PLC实现很复杂的模拟量控制。

其它特殊模块：如计算机模块，可把有关个人计算机的主板、外设做成PLC的模块，插在底板上，可直接与PLC通信。再如ASCII单元，也具有运算与通信功能，可协助PLC的CPU作数据处理。

更特殊的配置算是多CPU配置，即一个PLC系统或机架中可配置多个CPU模块。这多个CPU可以是不同功能的，也可以是同一功能的。这些CPU模块共享系统I/O总线，但各控制各的I/O模块或对象。同时，各CPU间又可方便地交换数据，进行控制协调。这样的系统，将极大地提升PLC控制规模与功能，是目前大型PLC发展的新动向。

4）安全配置。是为了确保系统安全而进行的配置。可选用安全PLC，也可使用冗余配置。后者指的是除所需的模块之外，还附加有多余模块的配置。目的是提高系统的可靠性。能否进行冗余配置，可进行什么样的冗余配置，代表着一种PLC适应特殊需要的能力，是高性能PLC的一个体现。一般的PLC是不具备这个性能的。

冗余配置的目的是提高整个系统的可靠性。冗余配置能提高可靠性是因为：PLC是由各种模块组成的，而各模块都有其统计出的可靠度及失效率。在PLC非冗余配置时，任一模块出现故障，都会影响PLC工作。按若干独立事件构成的事件概率计算原则，PLC的可靠度应为组成它的各模块可靠度的乘积。即

R=R₁R₂R₃…R_n

式中 R——PLC的可靠度；

R₁～R_n——各模块的可靠度。

如有10个模块组成，各模块的失效率（以规定寿命计）为万分之一，则其可靠度为1-1/10000=9999/10000。这10个模块构成的系统的可靠度近似为（9999/10000）10≈999/1000。其失效率为1-999/1000=1/1000。

若为100个模块构成的系统，其失效率将为1/100。可知，系统越大，组成的模块越多，出现故障的几率也越大。

但若为冗余配置，情况就不同了。热备也好，表决系统也好，必须至少有两个模块出现故障系统才不能工作。这两个模块同时出现故障这种独立事件，构成系统出故障的合成事件，其概率关系也是乘，只是失效率的乘。同样以上例作讨论，若这100个模块均为热备，或三选一，则只有在两个相同的模块同时出现故障时，系统才失效。其故障率的计算可先分别算出各模块的失效率，再合成算PLC的可靠度。即

由于各模块为热备或三选一，两个同时失效，模块才失效。两个模块同时失效的几率为（同样以单模块失效率为万分之一计）：（1/10000）×（1/10000）=1/10⁸。即亿分之一的几率。

再算PLC失效率的几率为1-（9999999/10⁸）100≈1/1000000。为百万分之一。确实是万无一失。

当然，实际上不会所有的模块都三取一或热备，所以失效率会比这个大。

5）连网配置。为提高控制性能，往往要把在地理上处于不同位置的PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它控制装置或智能装置通过传送介质连接起来，实现通信，以构成功能更强、性能更好的控制系统。

要不要组网，如何组网，选用什么样的通信模块，是在配置PLC时要考虑的重要侧面。连网是PLC技术发展中的活跃领域，内容非常丰富，并不断有新的技术及系统推出。

6）附加配置。附加配置是为PLC配备外部设备。目的是为PLC程序的编制、调试、存储，以及数据的显示、存储及打印提供条件。

附加配置就是按需要选用这些外设，以使所配置的PLC系统合乎设计要求。

（2）系统配置方法

系统配置方法与配置类型有关。如不考虑网络配置，可以用类比法、估算法、计算法及测试法。这4个方法不互相排斥，而是互相兼容与补充。为了正确地进行系统配置，这4个方法可能都要用到。

1）类比法。类比法也就是经验法。用自己的或别人的经验与所要配置的系统作类比。从类比中初步确定要选用什么厂商的PLC，用什么型号，用哪些模块等。

类比法虽不很准确，但由于有经验作借鉴，对一些较为简单的系统倒是一种简便的方法，既快而又有把握。

当然，一些复杂的系统，由于共同性少一些，不大好类比。但类比也仍可作粗略参考，特别可用以确定用什么厂商的PLC，什么类型的PLC。

要注意的是，在类比时一定要考虑PLC的发展，应使用新的机型替代旧机型。

2）估算法。估算法主要用于算I/O点数，以粗略确定PLC的型别，用大型机、中型机、小型机还是微型机。因为机型与厂商有关，还与PLC的结构相联系，估算好了可较有把握地进行配置。

估算法首先算所需的I/O点数。I点数N_i为

式中 E_i——系统所使用的某类输入器件的总数，如用了5个按钮，则为5；

P_i——该类器件可能处于的工作状态，如按钮，一般处于按下与松开两种状态。再如多位开关，可处于多种状态；

I——输入器件类型总数。

O点数N_o为

式中 E_i——所使用的某类输出元件总数；如用了一台正、反转电机即为1；

P_i——该类输出器件可能处于的工作状态，如电机要求其正、反转则有3种状态，即

正转、反转及停车；

J——输出器件的类型总数。

开关量总数N=N_i+N_o。

另外，模拟量也要估算。有多少监视量就有多少路输入。有多少控制输出，就有多少路输出。比较好算。

估算出I/O点数及模拟量路数后，可依大、中、小型机划分的大致标准，估算要选用的PLC机型。

一般大、中、小机型间点数均有搭接，没有把握不妨都作考虑，再用计算法进一步确定。

3）计算法。它是估算的再精确一步。要确定用什么模块，用多少模块。一般要作4方面的计算：

（a）模块数计算。确定了I/O点数，还要按I/O的物理要求，确定各用什么样的模块。(www.xing528.com)

对输入点，要依输入信号电压区分，是交流的，还是直流的？信号间有什么隔离要求？进而确定选用多少种，各有多少输入点的模块。

对输出模块要考虑输出型式，是继电器、半导体，还是晶闸管？还有就是公共回路。一般点数多的模块，其公共回路就少，反之则多。选用公共回路多的模块便于电路配线，但要用的模块多。

选定了模块类型，再依I/O总数计算模块数。

模拟量也有相应的模块要选择。如有的是4路入或8路入，有的是2路出或1路出，有的有入还有出等。选了合适的模块之后，再根据总的路数计算模块数。

I/O模块数计算之后，再计算要使用的机架槽位数，进而确定机架数。

（b）电源容量计算。必要时，PLC电源容量也要作计算。箱体式PLC的电源容量一般为自动满足，可不考虑。只是在确定隔离变压器（市电电源经隔离变压器再加载到PLC，以减少电网对PLC的干扰）时，对变压器的容量要稍作计算。模块式的电源种类较多，要作相应计算，然后再选型。

（c）响应时间计算。一般信号响应时间与PLC的循环时间有关，而循环时间与PLC的程序量有关。要计算不大容易。没有编好程序，则无法知道程序有多长？而且，同样长的程序，用的指令不同，循环时间也不相同。当然，计算也可能，只是得放在编程之后。

有的PLC厂商提供经验公式：大体的关系是内存总量与要使用的点数有关，这既可用以确定选多大容量的内存，也可大体确定循环时间。算出循环时间后，就可进一步计算响应时间了。

特殊输入量的响应时间更要分别计算。有的可查有关模块的特性。

（d）投入费用计算。在模块种类及数量确定后，一般还要依报价进行投入费用的计算。

如果配置的方案多，对每个方案的投入费用也都要计算。

费用计算精确有利于依经济性原则对系统进行配置。

4）测试法。系统配置时，一些重要的数据不仅要计算，有的还要进行实际测试。如循环时间，可把编完的程序送入到PLC进行实际测定。有的数据可由厂方提供，或委托厂方作测试。

类比、估算、计算及测试运用得好，可使所配置的系统建立在科学与经验的基础之上，将有助于使系统配置得更为完善。

（3）系统配置步骤

一般讲，不考虑网络配置，其配置步骤如下：

1）用类比法 大致确定可选用的厂商产品及机型，确定时要遵循发展性及继承性原则。

2）用估算法 估算I/O点数及模拟量路数，并确定要选用的机型。

3）用计算法 依完整性原则计算所需的模块数。这里可能有多个方案，那就应计算出各个方案的结果。

4）再依可靠性要求，考虑必要的冷备份、热备份或冗余配置。若为一般系统，这个步骤可省略。

5）计算各个方案的投入费用，并依经济性原则选其中最优者。

6）必要时再进一步作性能计算或进行实物测试。再根据计算或测试结果，对原有的配置作修正。

网络配置相对要复杂一些，可参阅作者另一专著《PLC网络系统配置指南》。在此就不具体介绍了。

2.程序设计

PLC程序只能由用户编制，厂商不提供。而PLC若没有程序，则什么事情也干不了。以下分别对程序设计步骤及程序设计方法予以介绍。

（1）程序设计步骤

仅就单机系统而言，程序设计的步骤大体如下：

1）弄清工艺。首先要弄清使用PLC的目的，要用到PLC的哪些功能。其次，要弄清两方面情况：一为输入、输出部件的特性与分布，即系统的空间情况；二为系统工艺过程，即系统的工作进程。

（a）空间情况。弄清各输入部件的性能、特点，并分配相应的输入点与其连接。分配时，既要考虑布线简单，还要避免信号受外界干扰；弄清各输出部件的性能、特点，分配相应的输出点与其接线；如可能，接输出部件的模块最好能与输入部件的模块适当隔开，以避免输出信号对输入的干扰；此外，还要考虑在编程时地址使用的方便。弄清了这些，才便于合理地分配I/O地址。

（b）进程情况。弄清被控对象的工作要求、工艺过程及各种关系；弄清其工艺过程，看它是怎么开始的，怎么展开的，怎么终止的；弄清输出与输入的对应关系；如果存在时序关系时，两者的时序是怎么对应的。弄清要采集、存储、传送哪些数据；弄清有哪些互锁、连锁关系；有哪些特殊要求。弄清这些问题才能着手设计算法，也才能进一步进行程序设计。

2）配置与设定硬件。为了PLC能按要求工作，在使用PLC之前，要对PLC的硬件作必要的配置与设定。如配置什么CPU及其它模块。设定特殊模块的机号、PLC上电时工作模式（是运行、监控还是编程）等。有的厂商的PLC还可对PLC的内部器件（如要使用多少定时器、计数器等）进行分配或指定。

PLC出厂时，厂商多有其默认设定。但对较复杂的系统，用户必须有合乎自己情况的设定。一般说，硬件设定在开始编程之前是必须进行的。

3）分配I/O。分配I/O指的是给每一个I/O模块、每一个输入、输出点分配地址。这是编程所绝对必需的。

4）设计程序。选择编程语言，逐一编写指令。要一条条指令的编，若为梯形图编程，则应一个图形符号一个图形符号的画，最终要形成一个指令集，或完整的梯形图。

5）调试程序。编写PLC程序是很细致的工作，差错总是难免的。而任何一点差错，即使是一小点，都可能导致PLC工作出现故障。所以，编写程序后，还要进行调试，纠正种种差错。

6）存储程序。把程序录入计算机后，就要作存储。甚至开始编程时，编一部分就要存储一部分。随着程序调试通过及试运行过程的不断完善，还要不时地作存储。

7）程序保护。可以用硬件，也可软件保护。

硬件：有的PLC用硬件开关设置程序保护。读写DIP开关ON保护，否则，不保护。

软件：有的用软件设定保护，如欧姆龙CPM机是DM6602字的0位，设为1，保护；0不保护。

8）程序加密。程序保护可保证程序不被删除或修改。但其它人可读它，重用它。为了保护知识产权，可对程序加密。

PLC程序加密的方法有用指令加密、用编程软件加密。可全程序加密，也可局部加密。

9）程序加锁。除了程序保护、加密，对程序还可加锁。可做到即使PLC程序正常运行，但不产生控制输出。加锁可用置位PLC的输出禁止位实现，也可用自编的一段小程序，使相应的输出禁止。

（2）程序设计方法

PLC编程方法很多。但归纳起来，主要是经验编程与算法编程两种。

1）经验编程。是运用自己的或别人的经验编程。有三个层次：

用作工程设计模板：设计新系统时，选用一个或几个与现有工程类似的、已取得成功的工程作样板进行设计。这可减轻设计工作量，增加设计成功率。这也是信息可重用的一大好处。

用作编程参考：在无成功的工程可作样板时，在新设计的逻辑中，仍有相当一部分控制逻辑，可采用或借用已有典型逻辑，这也可减少设计工作量，增加设计成功率。

用作算法设计参考：在既无样板可参照，又无典型逻辑可借用时，还可运用过去的一些成功的算法。

经验是宝贵的，但是，经验、特别是个人经验总是有限的。所以，经验的应用也还要与编程理论相结合。而本书所做的就是结合作者积累的编程经验，开展编程理论及相关算法研究，为与读者经验相结合提供参考。

2）算法编程。针对问题首先要设计算法，再根据所设计的算法编程。

算法（Algorithm）原是数学计算的名词。在公元前200多年，欧几里得根据自然数的理论，在他的《几何原本》（Euclid＇s Elements，第VII卷，命题i和ii）一书中，提出了求解两个自然数最大公因数的“辗转相除算法”，使得这个最大公因数的求解变得很容易了。这说明算法对于解决计算问题的重要性。

数学计算算法可用文字、公式、图形表达。应该是有限的、明确的及可实现的步骤。对照数学计算算法，PLC算法则是用文字、公式、图形表达的、实现输入输出变换的、有限的、明确的及可实现的步骤。

正如数学计算算法不等于数学计算一样，PLC算法也不是PLC程序。只是PLC程序的原型、雏形、思路，PLC无法执行。而程序则是算法的具体化，PLC可以执行。

（a）算法设计。PLC算法设计与PLC的应用有关。用于顺序控制有顺序控制算法，用于模拟量控制有模拟量控制算法等。同时，算法设计还要用到相关控制的理论。

算法设计是问题的综合，可能有很多解决方案。所以，算法设计还有个算法优化问题。为此，需要对算法进行分析或评价。评价数学算法的主要依据是算法的时间复杂度与空间复杂度。PLC算法评价也类似，也要看时间复杂度，看算法步骤多少及执行各步骤的时间。也要看空间复杂度，看算法预计要使用的硬件资源。显然，所用的步骤越少、时间越短、使用的硬件资源越少，这个算法就越好。

本书以后各章的内容，主要是根据相关理论研究实际应用的种种算法，并且，还要探讨怎样用目前国内最常用的PLC去实现这些算法。

（b）算法实现。就是根据算法要求编写相应PLC程序。它涉及的问题有指令选用及资源利用等问题。

指令选用与PLC编程语言的选择、编程软件或编程工具的使用密切相关。至于具体选用什么指令，应做到：先用、多用高效率和执行时间短的指令。要使所编的程序比较简练、运行时间短、程序的可读性好。

资源利用涉及I/O分配及内部器件，如定时器、计数器、存储器的运用。I/O分配除了考虑实现算法的方便，还要考虑硬件接线及防止输入信号受干扰。一般讲，PLC的内部器件是足够多的，但也要运用得当，要有规律性，便于理解、查找和调整等。

至于针对种种问题如何设计算法，如何实现算法，则是本书的任务。