基于PLC的现场控制站系统设计研究

蒋国辉

摘 要：科学技术的发展使工业自动化技术得到了飞速发展，目前PLC技术以其高度的可靠性和强大的功能性，在工业自动化控制领域中广泛使用。以PLC为基础组成的现场控制站，具有多种优点，为工业生产的安全稳定运行提供了保障。

关键词：现场控制站;PLC技术;通信;触摸屏

0 引言

现场控制站属于计算机控制系统的一种类型。现场控制级与现场各类装置直接相连进行控制，如记录仪表、执行器、传感器等，可完成包括系统测试与诊断、直接数字控制、过程数据采集、设备监测等任务，通过数据采集站和现场控制站实现此功能。数据采集站和现场控制站亦可称作数据采集器和现场控制器，在分散控制系统体系中被称作下位机或分机[1-2]。

1 系统构成

该系统包括PLC、工控机、控制屏、通信网络、系统软件等各种软件，现场各种各级仪表由与其连接的现场控制站为其提供电源，如图1所示。

2 一般性能描述

现场控制站的任务为过程控制和获取各级数据。为实现各PLC系统的正常运行，需要包含保证系统正常所需的全部模块，主要包括CPU模块、输入/输出模块、通讯模块、电源模块等，数量根据需要确定。

输入输出模块均需具备隔离性能，所有电源模块、         I/O模块、通讯模块（包括CPU主站、CPU从站）均带电插拔（RIUP）。系统内模块均属于独立安装式固态电路，具有低散热量性能、标准化、模块化结构，具有通道级故障诊断功能和LED显示功能。整个PLC系统的可使用率至少为99.9%，MTBF不可低于8 000小时，系统应具有不会死机特性。

PLC设计遵循以下安全准则：

（1）控制系统单一故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。

（2）控制系统某个区域的故障只表现为降低整个控制系统的部分控制功能，并可通过人为干预处理。

（3）单一故障不致引起系统的误动作或拒动作及PLC系统的整体故障。为达到以上安全准则要求，控制系统应具有自诊断手段，以便在出现内部故障造成影响之前被检测出来。

为整套设备提供所需设备和内部连线是PLC控制站的任务。控制站PLC在安装时必须保证其正常的运行散热，所以在设计时要满足在当地现场环境下能够长时间运行。相关设备的电源运行条件为：单相交流电源电压220 V，单相交流电源频率50 Hz。根据接入电源的实际情况，为了对相关设备起到保护作用，可通过加装不间断电源及稳压电源，以避免突然断电等危害对仪表不适当的危害。

内部电缆：在控制柜内提供各部分之间的连接电缆及附件。所有模板均通过权威机构的安全认证，包括：UL，CE等。输入输出模块均具备隔离性能。

3    CPU

各主站PLC采用硬件冗余，即CPU模块、电源模块均冗余配置。为备用系统的开启装置，当出现任何部件的故障或者异常关断时都能够自动切换到备用系统。

为实现系统的无扰动切换，CPU应满足以下条件，运算指令速度小于8 ns。控制器任务不小于32个，用户内存不小于32 M，运行内存不小于8 M。

CPU与冗余CPU具有独立的电源和通信接口，而冗余CPU可以安装在不同的背板总线上。数据存贮的后备电源为电池，且当电池电量到达阈值有报警提示。

冗余配置的处理器模块可以同时对系统进行询问并且具有相同的资料和状态。当出现处理器模块故障时能自动切换到备用处理器模块，并且在相应操作员站显示故障警示。当数据通信总线出现故障时，处理器模块可正常运行，并出现通讯故障报警[3]。

对任一个处理器模块进行如下操作如切除、修改、恢复投运等，应保证不影响其他处理器模件的功能及正常运行[4]。

冗余配置的处理器模块应具有针对电源故障可自动恢复的特性，供电重新恢复后，处理器模块应具有自动恢复正常工作的功能[5]。

冗余配置的处理器模块具有完善的控制和运算功能，包括脉冲量的输入和输出，数字量，开关量，计数器/定时器，逻辑运算，中断控制，算术运算，函数运算，数据转换，传送和比较，PID调节等。

4 电源模块

电源电压：200～240 VAC，50/60 Hz;

工作电压范围：170～264 VAC;

功率消耗：150 VA max;

浪涌电流：40 A max./200～240 VAC;

输出电流：7 A，5 VDC;

输出功率：35 W;

绝缘电阻：20 MΩ min;

抗干扰：符合IEC 61000-4-4， 2 kV （电源线）;

接地：小于100 Ω。

5 通信

通信系统的构成应属于开放式结构，应具有超长寿命结构，即兼容性。能够方便扩展并且适应生产规模的不断变化。支持全厂管控一体化系统的数据采集以及完整OPC开放数据通信功能。

PLC应提供至少两种通信接口：

（1）工业以太网通信接口，可与其他PLC、计算机通信。

（2）符合IEC标准的Profibus等现场总线方式的通信接口，能够与任何可提供现场总线方式设备控制柜通信。

6 输入/输出模块

所有的I/O模块采用和CPU对应同一系列的模块。

输入/输出某单个模块故障时，运行设备应不会受此影响。负载和后备的输入/输出模块不连接在同一个模块上。输入/输出提供了外部信号的隔离功能。

各种输入/輸出模块提供不少于两成的备用容量，并完成线接到各端子。输入/输出处理系统具有“智能化”特点[4]，从而达到减轻控制系统处理负荷的目的。

各输入/输出模块都应有标明I/O状态的LED指示和其他诊断显示。各接点的输入模块都有防抖动滤波处理。如果输入接点的信号抖动大于4 ms，模件能自动切除该接点信号。

能够自动进行零飘和增益的校正，这种操作可以设置校正时间，周期性进行，所有输入/输出模块能满足ANSI/IEEE472“冲击电压承受能力试验导则（SWC）”的规定。

每个模拟量输入或输出模件点数不超过8点。每一块开关量输入或输出模件前多不超过16点。此外，所有的输入通道、输出通道及其工作电源，均互相隔离。

模拟量输入：信号为4～20mA的直流电流信号，最大允许输入阻抗为260 Ω，系统提供4～20 mA二线制变送器的直流24 V电源。对1～5 VDC直流电压输入信号，输入阻抗应大于500 KΩ。

模拟量输出：4～20 mA的直流电流信号或1～5 VDC直流电压信号，能够驱动回路阻抗750 Ω以上的负载。系统需提供24 V直流的回路电源。

数字量输入：直流24 V输入，所有输入/输出通道，均使用光电隔离。

数字量输出：數字量输出模件应使用每个通道单独隔离输出，隔离电压应不小于250 V。输出继电器接点容量为   250 VAC/5 A、220 VDC/3 A。继电器可常带电。

PLC与各执行机构等采用模拟量信号相连接时，二端对接地和浮空等相关要求应相匹配，否则需要采取电隔离的措施。PLC要采取有效措施，以对输入/输出模块过压或过流进行保护。

7 触摸屏

所有屏均有统一的尺寸大小，以方便安装，另外，为便于后期项目修改或增加元件，每个屏要有20%的空间。全部的屏都应该在生产制造厂完成装配，包括设备的安装和内部的接线，屏的结构和全部接线都应该符合IEC的具体要求。

内部线路要求：内部线路具有铜线构成。线应有线卡，且线槽填充度在45%以内。提供单相交流220 V电源的插座，每个需要使用单相交流220 V电源的设备，均应通过接地线与电源插座的接地线相连接。

8    结语

PLC系统现场控制站是各类生产型企业中非常重要的控制系统，特别是一些大中型规模的企业，它们对产品质量都有很高的要求。必须通过不同的控制环境以及工艺条件，并使用PLC技术对控制系统单元进行正确地选择及设置，确保控制过程更加完整、协调和具有高效性[6]。

[参考文献]

[1]周渡海，魏东，陈志新.基于以太网现场总线的模拟量输入数据采集系统[J].中国住宅设施，2006（3）：100-103.

[2]任建勋，尹作重，郭栋，等.工业控制系统及其互操作研究[J].制造业自动化，2020（4）：11-12.

[3]李光帅.ROCKWELL集成架构自动化设备在兴澄特钢烧结厂中的应用[J].黑龙江科技信息，2011（3）：5-6.

[4]傅国轩.格尔木燃气电站DCS系统的设计与应用[D].西安：西安理工大学，2007（8）：46-47.

[5]孙勇.DCS系统过程控制功能的设计与实现[D].厦门：厦门大学，2013（10）：34-35.

[6]李洁兰.水务公司PLC系统控制站冗余热备改造技术[J].中国新技术新产品，2017（4）：68-69.

（编辑 何 琳）