市政工程PLC控制系统设计.pdf
建 箍电乞。 ___--_● _ BUI LDI NG 2口1 5 年 第 3期 l EI - ECTRI Cl TV 市政 工程 P L C控 制 系 统设 计 钱中阳 中国市政工程西北设计研 究院有限公 司,兰州市7 3 0 0 0 0 尚群勇 中国市政工程西北设计研究院有 限公 司,兰州市 7 3 0 0 0 0 王吉双 北京 中鸿建筑工程设计有限公 司,北京市 1 0 0 0 8 0 De s i g n o f M u n i c i pa l En g i n e e r i n g P LC Co n t r o l S y s t e m Q N Z h o n g y a n g C S C E C A E C O M C o n s u l t a n t s C o . ,L t d ,L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 ,C h i n a S HA NG Qu n y o n g C S C E C A E C O M C o n s u l t a n t s C o . ,L t d ,L a n z h o u 7 3 0 0 0 0 ,C h i n a WA N G J i s h u a n g B e i j i n g Z o n e A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri n g D e s i g n C o . ,L t d ,B e i j i n g 1 0 0 0 8 0 ,C h i n a Ab s t r a c t Re g a r d i n g t h e e x t e ns i v e u s e o f P LC a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m i n mu n i c i p a l e n g i n e e r i n g, t h i s p a p e r d e a l s wi t h d e s i g n e r s ’ ma i n wo r k i n g c o n t e n t s a n d PL C k n o wl e dg e t h e y n e e d t o ma i n l y g r a s p i n a u t o ma t i c c o n t r o l s y s t e m e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d k e y p o i n t s o f t e c h n o l o g y c o o r d i n a t i o n wo r k e t c . Ke y wo r d s mu n i c i p a l e n g i n e e r i n g;p r o g r a mma b l e c o n t r o l ; a ut o ma t i c c o n t r o l s y s t e m ; s y s t e m i n t e g r a t o r ; P LC;I / O p o i n t ;mo d ul e;CP U c o mp o s i t i o n 摘 要 针 对 市政 工程 大量采 用 P L C 自控 系统 的情 况 .梳理 设计 院在 P L C 自控 系统工程 中,设 计 师 完成 自控 系统 工程设 计的 主要 工作 内容 、需要 重 点掌握 的 P L C 知识 ,以及技 术协调 工作要 点等。 关键 词 市政 工 程 ;可编 程控 制 ; 自控 系统 ; 系统集成商 ;P L C;I / 0点 ;模块 ;C P U构成 中图分 类号 T U 9 9 文献标识码 A d o i 1 0 . 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 38 4 9 3 . 2 0 1 5 . 0 3 . 0 0 8 O 引言 市政 工程 与市 民生 活息 息相关 ,主要包 括 给 水 、排水 、城市防洪 、城 市道路 、城 市隧道 、燃 气 、 热力 、环境 卫生 、园林 和景 观等 。市 政工 程 中有很 多 场站工程 ,如 给水 、排 水 、燃 气 、热力 等都 属 于 工业项 目。工业项 目需要实现特定的工艺过程控制 目标 ,在 工艺设 备较 多 ,控制 逻 辑 比较 复杂 的情 况 下 ,继 电器操作 或人 工操作 往往无法实现工 艺过程控 制要 求 .在 工程对节 能减排 和人力成本要求较 高的情 况下 ,越 来越 多 的市 政工 程 使用 可 编程 控制 器 P L C 系统实现工厂的 自动化控制 。 市政 工程 P L C 自控系统 工程 中 ,设计 院可参 与 到方案 、设计 、安装 、调试 、设备采 购各 个环节 ,设 计人 员对 P L C系统 的 了解 程 度和 应用 能力 直接 关 系 P L C自控 系统完成 的质量 。本文结合笔者 多年 自控 系 统工程设计实践经验和对工程 的理解 ,谈 谈设计院 自 控 系统工 程师在 P L C应 用 中需完 成 的主要 工作 内容 和在工程 中的工作定位 ,及需重点掌握 的 P L C知识 。 1 P L C控 制系统设计 中设计院的工作 内容 作 为一 个完 整 的 P L C控 制工程 ,其设 计工 作 绝 不仅仅局 限于设计 院的设计 ,在设 计院完成 自控 系统 初步设计 或施 工图之后 ,P L C厂商 、系统集成商介 入 参 与元件选 型 ,系统 集成商 编程调试 、上 位机组态 , 板 厂介入加 工制作 ,建设运 营方参 与调试 、试运行 、 验收 。整个 过程 中 ,控制 系统 方 案需 要不 断 充实 完 善 。设计 院作 为工艺 、土建 、电气 、 自控方 案的全面 设计者 ,应该 对工程 有深 入的 了解 。一个合 格的 自控 系统设 计 人员 .应该 有 能力 参与 到工 程 建设 的全 过 程 ,充 分发挥 指导作 用 ,将 各方意见统筹协 调 ,形 成 一 个完整的 自动控制系统工程设计。 市政 工程 P L C 自控 系统 工程 遵循 的 主要 规范 和 作者信息 钱 中阳,男 ,中国市政工程西北设计研究院有限公司 ,高级工程 师,分 院电气总工程师。 尚群勇 ,男 ,中国市政工程西北设计研究院有限公司 ,教授 级高级工程师 ,院 电气总工程师。 王吉双 ,男 ,北京市 中鸿建筑工程设计有 限公司 ,高级工程师 ,院电气总工程师 。 4 2 I丛 型 1 1 8 2 h t t p , / W W W .j z d q .n e t .c a 手册有 ① H G/ T 2 0 7 0 0 2 0 0 0 可编程控制器系统 设计规定 ;② H G/ T 2 0 5 7 32 0 1 2 分散型控制系 统工程设计规范 ;③ 市政公用工程设计文件编制 深度规定 2 0 1 3年版 ;④ 给排水设计手册 第 8 册 电气与自控第 3 版;⑤ 石油化工自动控制设 计手册第 3 版 ;⑥ P L C技术产品手册 、编程手册; ⑦ H G/ T 2 0 6 3 6 2 0 6 3 9 化工装置 自控工程设计规 定等 。市政工程 领域中工艺过程技术和 自控 理论一 般较 为成熟 ,但 是随着技术发展 的 日新 月异 和工程具 体情况 的千变万化 ,使得 自控工程 随时都会 遇到意想 不到 的问题需要解 决 。因此 ,对于规范和手册 的掌握 需要理解精髓 而不能生搬硬套 。每一个行业 的 自控系 统都有通 常工程做法和习惯 ,丰 富的工程经验 和对行 业发展 的掌握也是一个合格 自控工程师 的基本 素质 。 设计院基本设计工作 ① P L C控制系统的设计; ② I / O点的统计 ;③ P L C控制柜的设计 ;④ 设备机 房的设计 ⑤ 线路敷设的设计;⑥ 防雷接地系统的 设计 ;⑦ 控制功能要求的设计。其 中① 、② 、③ 、 ⑦ 项为 P L C自控系统的软硬件实现基础。设计院的 咨询 工作 硬件选型 比选 ,设备 厂商考察 ,软件界面 设计 ,专用设备接 口协调 ,控制方案确定 ,用户程序 审核 .调试 、试车协调和运行方案制定 等。 P L C硬件设 计工作 包括 产品选 型 、控 制柜设 计 、 控制 功能的设计 。设计工作不需要 细化 到控制柜 内每 个 I / O点 的接线和控制盘 内部布置 ,但需要将主要 的 电器元 件进 行统 计 ,如 控制 柜 系统 含 电源 、C P U、 信号模块 、功能模块 、接 口模块 、通讯模块 、连接器 、 HMI 、交换机等 ,电源系统 断路器、熔断器 、U P s 、 电涌保护器 、稳压器 、开关 电源 、柜 内照明插座等 , I / O系统 含 中间继 电器 、信号 隔离模块 、安 全栅 、 接线 端子等 ,柜体布置 考虑控制器机架 间距要求 , 以及线槽和接线端子布置等 ,可以简化柜体盘面 、盘 内的详细布置 由盘柜 厂家完成 。 软件设计工作并不要求设计 院完成控制器编程 和 上位机组态工作 .但是需要完成 对主要控制功能 实现 的设计 。通过控制框 图或控 制说 明形式 将工艺过程对 控 制 的 要求 完 整 转 化 为 P L C控 制 系统 的编 程 要 求 , 由系统集成商完成 ,这项工作 的顺 利与否 ,直接关 系 到控 制系统 的软件质量 ,目前 由于软件 编程主要依靠 系统集成商工程经验 和设计水平 。依 据控制器编程手 册而没有 国家统一规 范 ,软件质 量参差不齐 。没有统 一 验收标准 ,竣工后 因为 工程质量问题的法律纠纷不 断。作为一项智力劳动 ,由于 国内对知识 产权重视不 足 ,多数 国内 自动控制 系统合 同没有详 细的软件编程 调试 和技术 服务收费条款 。自控系统集成商的利润在 于硬件设备 报价 、配套工具软件报价 .以及对设备 的 P L C软件加密而独享 的后期 升级 改造费用 。由此对建 设方今后竣 工验收和升级改造带来诸多不利影响 。 2 P L C控 制 系统设计 中设 计 院应掌 握的技 术 知 识 设计院作为建设方聘用 的技术服务单位 .特别是 当前设计 院也开始承接 E P C工程 ,要求对上述 工作 内 容深入 了解 ,需要对 P L C做 深入学 习和掌握 。根据设 计 院设计工作 的深度要求 。总结需 了解 的 P L C知识点 及 工程需要 的注意事项。下面以 S i e m e n s S 7 3 0 0 / 4 0 0 为例介绍设计院需要 了解 、掌握的 P L C知识 。 2 .1 设计 院对 PL C厂家的 了解 当今 P L C厂家非常 多 ,主要有德 国西 门子公 司 、 美国罗克韦尔公 司、美 国通用 电气公 司、法 国施 耐德 公 司 、瑞士 AB B公 司 、奥地 利 贝加莱公 司 、 日本 欧 姆龙公 司 、 日本三菱 公 司 、韩 国 L S产 电集 团 、中国 和利时公司等。各厂家总体实现功能相差不多 ,在一 些软 件 、硬件 细节 规定 和 专用通 讯协 议方 面有 些 区 别 。通常设计师无法做到全 面掌握各家产 品的技 术细 节 ,即使是系统集成商也是在工程应用 中了解产 品特 点 ,故设计师能掌握其 中一种行业应用和市场应用 较 多的产 品,完全可 以胜任工作 。 2 .2设计 院对 PL C硬件的 了解 P L C系统一般采用模 块式结构 .主要构成元 件包 括 电源模块 P s 、中央 处理器 模块 f C P U 、信号 模 块 S M 、功能模 块 F M 、接 口模 块 I M 、通 讯 模块 C P 等 a . P S模 块负 责给 P L C的 C P U供 电 .按 照输 入 交直流 电源分两类 。 b . C P U模块按照工作频率分类 ,再按照存储器 、 通讯 口配置、定时器 / 计数器通道数等功能细分型号 。 C . 信 号模块 S M负责 I / 0点的信号处理 。主要 按照 I / O类型分 6类 开关量输 入 D I 、开关量输 出 D O、开关 量输入输 出 D I / D O、模 拟量输入 A I 、模 拟 量输 出 A O、模拟量输入输出 A I / A O。 d . 功能模块 F M按 照实现 的特定 功能分类 .其 内置 C P U实现相 应控制 功能 .可以节省 P L C的 C P U 模块 工 作时 间 。如计 数器 模块 ,位 置控 制 、检测 模 块 ,闭环控制模块 ,称重模块等 。 e . 接 口模块 I M 主要 负 责扩展 模块 .应 按照 扩 童 黧 堡呈 攘 篓 熙 苎曼 墨 查 璺 ■ _ ● h t W www.I z c l q .n e 1 .c n 1 83 建 驻电乞。 -___-____-●__一I BU‘ LDI NG 2r - t 1 5 年 第 3 期 l EL ECTRl CI TY 展总线方式分类按照工程要求选择扩展模块 。 f 通讯 模块 C P实现 P L C设 备之 间通讯 ,根据 通讯方式分类 ,如 P r o f i b u s D P总线 ,以太网总线模 块等 。必要时需增加 网络设备 ,如交换 机和中继器。 g . 机架 分 为 主机 架 和扩 展 机 架 ,根 据 模块 数 量 ,选择不 同长度 的机架 ,最长可 以选择 1 1 的模数。 h . 前连接器用于信号模 块端子接线 ,前连接器 根据模块 内 I / O点数 不同分 为 4 0 针 和 2 0针两种 。 i . H M1 人 机 界 面 ,用 于 P L C柜现 场 操作 ,有 文本显示器 、触摸按键面板 、触摸多功能面板等 。 设 计 院完成 P L C柜 的设计 ,需 要根 据工 艺专 业 控 制要 求 ,结合 电气 专业 控制 箱控 制接 口电路 ,对 P L C元器件 进行 选 型 ,配 置 P L C系统供 电回路 、仪 表供 电 回路 .还要进行必要 的控 制回路设计 .如控制 节点扩展回路 、电磁阀门控制回路及器件选 型。还需 要根据工程对装置安全运 行和信 号干扰的要 求 ,考虑 如何设置信号隔离器件 。 柜 内接线和盘面布置可 以由自控系统集成商 和盘 柜厂完成设计和组装 。 2 _3设计 院对 CPU内部构成 的了解 了解 C P U内部 功能 ,便 于设 备 的选 型和 对软件 编程 的理解 a . 存储器 分为系统存储器 、装载存储 器和工作 存储器三部分 。系统存储器存储 P L C系统的系统程序 和系统参数 ,这些 数据 主要完成 P L C的管理工作 ,如 同电脑 中的操 作系统。装载存储器存贮 由编程器或计 算 机 P G/ P C下载到 P L C的用户程序 和数据块 ,如 同 电脑中的硬盘 、U盘 。工作存储器存放用 户程序 、数 据块 和临时数据等。这些存储 内容是 由 P L C系统程序 从装载存储器安装到工作存储器 ,然后 由系统程序逐 条解释执行用户程序。工作存储器如同电脑 中的内存。 b . 寄存器是 用于在系统存储 器 中存放重 要系统 参数 的高速存储器 。主要有 输 入过程 映像 I 对应 s M模块输人信号的映像地址 、输出过程映像 Q 对 应 S M模 块输 出信号 的 映像 地址 、位 存储器 M 存 放用户程序运算 中间结果 、定时器 T 、计数器 C 、 地址 寄 存 器 A R、标 志 寄 存 器 P S W 和 累 加器 A C C。 另外还有本地或分布式输入输 出模块 的外设输 出 P Q、 外设输入 P I 。以上数据地址为系统内 固定地址。 C . 数据存储器是 在工作寄存 器 中存放重要 工作 参数 的高 速存 储器 ,包括共享 数据块 D B 、背景 数据 块 D I 、局部数据 L 。这些数据存储器安装位置 也 叫 地址 由系统程序 自动分配 。 2 .4设计院对 P L C软件 的了解 了解 P L C工作 原理 和软 件编 程方式 ,便 于 工程 调试 、试 车配合 工作 a . 数据类 型。数 据类型分 为基本数据 、复合数 据 ,与计算机基本原理或计算机高级语言 内容相似 。 b . 参 数类 型 。用 于 规定 逻 辑 块 相 当于 子程 序 中形式参数和实际参数之间传递的参数形式 。有 4类 定时器 / 计数器参数 、块参数 、指针参数和任 意数据 A N Y类 型。 c . P L C的循环处理过程 。P L C由 s T O P模式切换 到 R U N模式时.由 P L C操作系统程序控制 ,C P U执行 启动操作 。清除没有保持功能的位存储器 、定时器 和计 数器 ,清除中断堆找和块堆栈的内容 ,复位保存的硬件 中断等 ,开始用户程序。先执 行一次用 户编写 的系统 启 动组 织块 O B 1 0 0完成初 始化 操作 ,然 后进 入 P L C 采用循环扫描工作方式。步骤顺序为 ① 操作系统启 动循环时间监控;② C P U将输出过程映像区的数据写 到输出模块;③ C P U读取输入模块的输入状态,并存 入输入过程映像区;④ C P U处理用户程序,执行用户 主程序 O B 1 ;在循环结束时 。操作系统执行所有挂起的 任务 ,例如下载和删除块 ,接收和发送全局 ;C P U返回 第一 阶段 ,重新启动循环时间监控。 d . S T E P 7编程 软件 和用户程 序设计 。S T E P 7编 程软件具有 以下功能 硬件 配置 和参数设 置 、通信组 态 、编程 、测试 、启动和维护 、文件建档 、运行 和诊 断等 。在 S T E P 7中用项 目方式 来 管理 自动化 系 统 的 硬 件和 软件 ,采 用 S I MA T I C管理 器对 项 目进 行 集 中 管 理 。其 主要功 能硬 件组 态 采用 H W C o n fi g 模 块完 成 .用 户程序设 计采 用软 件编程 L A D/ S T L/ F B D程 序块模块完成 ,通信组态采用 N e t P r o 模块 完成 ,软件 仿真采用 P L C S I M 仿真模 块完成 。掌握 S T E P 7 有 助于 对 P L C自控系统 项 目软硬件的有机结合有深入 了解 。 用户程序设 计应掌握 P L C编程语言 和指令系统 。 编程 语言 最常 用 的为梯形 图 L AD,梯 形 图与继 电器 电路图很相似 ,直观易懂 ,很容易被熟悉继 电器 控制 的电气人员掌握 。指令 系统包括位逻辑指令 、定时器 和计数器指令 、数据处理指令 、逻辑控制 指令 、程序 控制指令 等。掌握 以上内容 后 ,了解梯形 图编程规则 就可对用户程 序中程 序段的控制功能进行阅读 。 深入了解 用户程序整体构成需要学习用户程序 的 基本结构 。S 7 3 0 0用户程序 由组织块 O B 、功能 F C、 功能块 F B 、系统功能 S F C 、系统功能块 S F B、共享 数 据块 D B和背景 功能块 D I 组 成 。其 中 O B、F C 、F B 、 “ 葛I w 。I∥ S F C、S F B统称为逻辑块 。O B分为 3 种 第一 次启动 时运行的组织块 O B 1 0 0 ,主程序组织块 O B 1 和时 间中 断处理组织 块 。其他逻辑块相 当于高级语 言中的子程 序 。功能 F C和功能块 F B都 是用户 编写子程序 ,功能 块有 自己的局部数据 块用于数 据传递 ,而 功能没 有 。 系 统功 能 S F C和 系统功 能块 S F B均为 系统 自带 程序 块 。用户不用 自己编写 。共享数 据块 D B属于 主程序 O B的全局 数据块 ,程序 中所 有逻辑 块都 可 以读 写其 中的数据 。背景功能块 D I 属于对其定义 的功能块 的局 部数据 ,用 于和上一级程序传递参数 。 e . WI N C C组态 软件和组态设计 。组态软件 ,又 称组态 监 控软件 ,通 常采 用 P L C厂家 配套 软件 ,如 西门子 的 Wi n C C、AB的 RS L o g i x 、GE的 i F I X等 ,国 内外其 他知名 品牌 有 I n T o u c h 、组 态王 K i n g V i e w 、三 维力控 等 。西 门子 Wi n C C控 制系统 中上 位机 的人 机 界面组态软件 ,主要 功能是 利用各种协议 主要是 西 门子 自己的 与现场 控制 设备 P L C 、数字 调节 器 等交 换数 据 ,将 生产 现场 的重 要数 据 如 液位 、温 度 、浓度 、压力等 通过 画面方式 显示 在计算机屏 幕 上 .供操 作人 员 检查 和操 作 。其 内容 包括 变 量 组 态 、画面组态 、报警组态 、趋势 组态 、用 户组态 、冗 余控制 、网页发 布等 ,功能 比较强大 。掌握组态 软件 基本功能 和基 本操作 ,有利于对编程人员 的组态 实现 和运行提 出合 理化的要求 。 2 .5设计 院对 P L C通 讯的了解 P L C通 讯 主 要 涉及 计 算 机通 讯 网 络知 识 和 P L C 通讯功 能的了解 .作为 自控技术人员应掌握计算 机通 讯方式 .了解计算 机通讯 国际标准 ,尤其是 开放系统 互联模 型 ,以此 为基 础 了解现场总线通讯标 准。针对 具体 P L C产品 ,需 了解 不 同应 用 中的总线通讯机 制 , 女 口S 7系列的 AS i 、P P I 、MP I 、P r o f i b u s D P 、P r o fi n e t 以及 Mo d b u s 、以太 网等标准。工程实践应结合不 同网 络组态要 求 .设计合理 的网络拓扑结构 和通讯 方式 。 3 P L C设计 院技术协调工作要点 a . 自控设计 工作 。对于 自动控 制系统设 计 ,设 计 院全 程参与 ,从前期 自控方案制定 、初 步设计 、施 工 图设计 .到设备招标 、施工安装 、调试 、试车 、竣 工验 收 ,这样 有利于 自控功能 的顺利实现 。 b . 设计 院内协调工作 。设计 院 自控专业协 调设 计 院相关 专业 ,完成 自控系统设计 和设备用 房 、电缆 敷设 的设计工作 。与工艺专业充分 沟通 ,了解工艺控 制要求 ,了解 仪表信 号类 型 、工艺设备 性能参 数等 ; 与 电气 专业 配合 确定 P L C供 电方案 ,优化 控制 系统 二次 回路 的设计 ;充分 考虑 土建专业 配合设备 布置 , 基础 、孔洞预 留,专用设备用房 的设置等 。确定 I / O 点信号数量 、信号类型 、信号来源 ,考虑 电缆布线 和 控制柜的设计 ,考虑 电缆布线安装 问题 。 c . 相关单位 协调工作 。了解建设单 位投资意 向 和对控 制技术水平 的基本要 求 ;与 自控 系统 集成商 、 控制器供货商 、盘柜厂家 、安装单位密切配合 ,完 成 P L C控制 的设计 、生产 、安装 、接线 、软件调试 、试 车 等工作 .共 同研究 讨论 P L C系统 硬件 配置 和 软件 设计 了解运 营部 门操作维 护人员 的技术水 平和操作 习惯等 。各方对 系统构成都会产生 影响 ,如何保证安 全可靠、经济适用、技术先进需要考虑。 d . 软件标准 。要求 自控系统 集成商编制简 洁易 懂 的参数表 ,采用用 户程序 的结构 化编程 方式 .设置 统一数据块 D B数据 库块 ,运用 先进的控制算 法。 4 结语 本 文对 P L C 自控工 程 中设计 院 的工作 内容 进行 梳理 ,根据 工程具体 要求 ,设计 人员应 以控制功能 的 实现为原则做深化补充或者简化设计 。希望通过在工 程设计 实践中不断的总结 ,与业 内同行充分交流 .实 现将 P L C自动控 制工程设计规范化的 目标。 盏 『 1 ] 中 国天辰 化 学工 程 公 司. 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