4th International DAAAM Conference
'INDUSTRIAL ENGINEERING – INNOVATION AS COMPETITIVE EDGE FOR SME'
29 - 30th April 2004, Tallinn, Estonia
PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS IN
PROCESS AUTOMATION
Ahti Mikkor, Lembit Roosimouml;lder
Department of Product Development, Institute of Machinery,
Tallinn Technical University, Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Estonia
ahti.mikkor@siemens.com
Abstract: Nowadays, control problems are solved using operating components from a wide variety of technologies: electronics, hydraulics, pneumatics and mechanics. Functio-nality, reliability and price of the controlled system are deter-mined by the quality of the solution made.
The paper concentrates on practical use of programmable logic controllers (PLC) that is based on the five years project development experience in this area. Successful solutions and problems are under focus.
Specific hardware, controller programming problems, data/signals exchange and human machine interfaces are considered. As a result the method for selecting programmable controllers according to specific needs is developed. Practical suggestions, possible hazards and warnings are proposed that could help to avoid mistakes.
Key words: programmable controllers, PLC, automation, automation systems, process automation.
1. INTRODUCTION
Modern machinery consists of both mechanical and electronic parts. Overall functionality is determined by “balance” between these components. Initial planning and solution selection plays critical role in final result.
In control methods the selection has to be made between relay-based circuits, special devices, programmable logic controllers (PLC) and new development electronics. This article is concentrated on PLC-s and experience that has collected over 5-year practical work with PLC-s. Strong and weak sides, positive and negative practices are discussed. Suggestions weather to use programmable controllers or not have been formed to help decision making.
The most important decision in planning PLC-based system is selecting processor type. Mistakes mean extra costs for modifications or even need for completely new devices. The most common error is overestimating programming possibilities of small-sized processors. There are several methods for selecting PLC. Unfortunately most of them focus on electrical side of PLC-s and maximum count of signals allowed. They donrsquo;t involve analysis to determine possible special needs for user program or communications.
Based on several existing methods, practical experience and future trends a new method for selecting PLC was developed. Ahti Mikkor has gained his experience by taking part in more than 15 big-scale automation projects. These projects include development of power consumption monitoring system in AS Kunda Nordic Cement factory, renewing testing rig for flowmeters, building Ahtme powerplant turbine safety systems, water treatment plants in towns Rakvere and Potilde;lva, waste water treatment plant in town Jotilde;geva and development of monitoring system for central heating network in Tartu.
2. PROS AND CONS IN USING PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLERS
2.1 Positive arguments
The main advantage that programmable controllers provide is flexibility (Jack, 2003). Behaviour of the system can be easily changed via program without any other alterations. Special devices for example make any changes in control algorithm very hard to implement. Flexibility makes PLC-s well suitable for frequently changed applications, for example in robotics.
In PLC-s the relations between inputs and outputs are determined by user program. By using advanced programming technologies it is much easier to implement complex control algorithms than in any hard-wired solutions. It makes PLC-s very competitive for complex tasks, for example in controlling chemical processes.
Special modules allow vast amount of different signals to be connected to the PLC system. Use of PLC-s should be considered in applications that require some “special” input or output signals. Typical example would be positioning using reference data from high-speed input.
Typically PC visualization software packages are made for PLC-s. Some special devices have also PC software packages. Wide range of communication options between PLC-s makes it possible to gather all information from field devices into one central control point.
Communication lines between PLC-s allow using information collected from other parts of the system in local process control. Modern communication technologies enable remote diagnostics and configuration (Jack, 2003). These two significantly reduce overall maintenance costs of the system.
2.2 Negative arguments
Programmable controllers are not equipped with enough memory to store big amounts of data. Although future trends show growth in PLC memory sizes, special devices (recorders) are still better suited for standalone datalogging applications. For networked solutions there is possibility to use visualization software packages together with PLC-s to archive collected data in any database format necessary. If logged data amounts are small or there are also control functions included, itrsquo;s reasonable to still use PLC-s. About visualization software packages itrsquo;s good to know that in standard versions most of them do not support offline recording so that after communication breakdown it is not possible to acquire data backwards from PLC.
Modern communication options for PLC-s include standard protocols for example Ethernet. It is tempting to use existing office networks also as data carrier for automation system communications. Time has shown that it is better practi
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摘自《可编程控制器在过程自动化中的应用》
Ahti Mikkor, Lembit Roosimolder
Department of Product Development, Institute of Machinery, Tallinn technical University, Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Estonia
摘要：目前，使用各种各样的技术（如电子，液压，气动和机械）操作组合解决了控制问题。控制系统的功能、可靠性和价格取决于解决方案的质量。本文基于五年的在这一领域的发展经验集中于介绍可编程逻辑控制器（PLC）的实际应用。成功的解决方案是问题重点。就具体的硬件，控制器编程的问题、数据/信号的交换和人机界面进行考虑。选择可编程控制器的方法是根据具体需求。实用的建议，对于可能出现的错误和警告，提出可以帮助避免方法。
关键词：可编程控制器；PLC；自动；、自动化系统；过程自动化
1引言
现代的机器包括电子和机械两部分。整体功能是由这些组件之间的“平衡”。初步设计和方案选择在最终结果中扮演着至关重要的作用。
在控制方法的选择方面有继电器，专用设备，可编程逻辑控制器（PLC）和新发展的电子技术。这篇文章主要是基于PLC – S并且拥有超过5年的PLC - S的实际工作经验。对强和弱，积极和消极的实践进行了讨论。建议是否使用可编程控制器来帮助决策。
在规划基于PLC系统中最重要的决定是选择处理器类型。错误意味着修改所需的额外成本，甚至扩展完全新设备的需要。最常见的错误是高估小型处理器编程的可能性。有选择PLC的几种方法。不幸的是，他们大多集中在电气方面的PLC - S和允许的最大计数信号。他们不涉及分析，以确定用户程序或通信可能的特殊需要。
基于几个现有的方法、实践经验和未来趋势，为选择PLC的开发提供新的方法。阿赫蒂瓦尔Mikkor通过参加在超过15个大型自动化项目的获得了丰富的经验，这些项目包括电力消耗在AS昆达北欧水泥工厂监控系统的开发，更新测试流量计钻机，建设Ahtme涡轮动力装置安全系统,建设城镇污水处理厂，污水处理厂在塔尔图监测网络系统的集中供热。
2可编程控制器的优缺点
2.1积极的观点
可编程控制器的主要优点是提供了灵活性，在没有任何其他的改动的情况下，该系统的行为可以很容易通过程序改。例如特殊装置使控制算法很难实现任何改变。灵活性使得PLC的- S适用于经常更换应用的情形比如机器人。
PLC - S的输入和输出之间的关系是由用户程序决定。通过使用先进的编程技术实现复杂的控制算法比任何硬连接解决方案容易得多。它使PLC在复杂的任务很有竞争力。例如，在控制化学过程。
特殊模块允许大量不同的信号连接到PLC系统。PLC - S的使用，应考虑需要一些“特殊”的输入或输出信号。典型的例子是利用定位高速输入参考的数据。
通常个人电脑的可视化软件是由可编程序控制器PLC- S控制，也有一些特殊设备的PC软件包。宽的PLC - S的通信选择范围使得它能够收集到一个中央控制点。
搜集现场的所有设备的信息。窄的PLC - S的通讯线路允许使用从本地过程控制系统的其他部分中收集信息。现代通讯技术实现远程诊断和配置（杰克，2003年）。这两方面显着降低了系统的总体维护成本。
2.2消极的观点
可编程控制器没有配备足够的内存来存储大量数据。虽然未来的趋势在PLC内存大小，专用设备（记录机）的增长仍然是更适合于独立的数据记录应用。对于网络解决方案，有可能使用可视化软件包一起与PLC - s在任何必要的数据库格式档案收集的数据。如果记录的数据量小或者有控制功能也包括在内，采用PLC - S是合理的。关于它的可视化软件，知道他们在标准版本的大多数不支持脱机录音通讯，所以在故障后，我们无法从PLC的后台获得数据。
PLC的现代通讯选项包括例如以太网标准协议。人们很容易使用现有办公自动化系统通信网络也作为数据载体。时间已经证明，如果有一个需要经常上网的通信需求，最好的做法是保持这两方面分离的。很难追溯网络过载的时间，也可能引起自动化系统通信问题。所有的PLC - S的需要进行编程，所有的编程工作包括在控制算法和意外错误的风险。并且特种设备通常解决这类问题是行之有效的。如果有的话，使用特殊设备是合理经济的。
安全应用需要最高的可靠性程度，应该包含最简单的设备和电路。有一个规则，每一个链的新环节可能降低整体的可靠性。在小型系统应用中，经常节省成本使用中继电路，而不是使用PLC- S的。
3今后的趋势
过程自动化系统的发展是针对所谓的完全自动化，所有的人所要做的就是进入该产品的参数和其他一切工作由机器（松香，2000年）进行。虽然目标遥遥领先，但表明在这个方向的趋势运动。
首先，系统变得越来越规范。大型制造商组织自己的产品进入家庭。其目的是减少对来自同一公司不同的设备配置和维护工作所需的知识量。同样重要的是这种方式构建的应用程序很容易扩展。
其次，沟通的重要性正在上升（休斯，2000）。这里有很多原因，更多的要领有：
（1）更好的系统是不同部分的合作。
（2）降低布线的成本。减布线结果增加了故障率，也增加了那些故障发生的严重程度。
（3）如果使用常规的方法，传感器与执行器可以可以比处理器模块覆盖更远的距离。
（4）提高了系统的可扩展性。可以以低成本的价格增加新设备。
（5）在某些情况下，最好是使用许多小型的独立模块和网络架构。尽管一些部分失效，但该解决方案可使系统继续工作，。
（6）方便的通信网络故障诊断为远程管理提供了可能性。中央操作站的形成相对容易。
（7）可将不同的生产厂家设备连接起来（OPC基金会，2003）。
第三个重要趋势是散布所谓的软件控制器或软PLC - S的（西门子股份公司，2003年）的使用。这些都是以电脑软件为基础的解决方案，通过通信网络与现场设备连接。这里不需要使用需要处理器模块PC资源。有些软PLC –S 软件仍然为PC处理器卡（图1）。可靠的通信网络是必不可少的。PLC – S软件是非常适合于个人电脑的数据存储数据采集应用的。
图1西门子的SIMATIC WinAC插槽式PLC 412
第四，组合装置（图2）同时包含操作员面板和中等规模的得到普及的处理器模块（西门子股份公司，2002）。这个解决方案的可能性很低，一些组件的重用使整个组合便宜。
图2 西门子SIMATIC组合设备的C7 – 613
第五，处理器软件从PC软件属性。收集的数据可以很容易地从生产到办公应用程序转移（西门子股份公司，2000）。
4 可编程控制器的选择方法
一种形成选择可编程控制器性能要求的应用程序特定列表分析方法。有九个准则，其结果如表1所示。通过比较控制器的技术数据做出选择。以下是每一个涉及标准的简短描述。
自然的解决方案决定是否这完全是旧系统或新发展的扩展。第一个案例系统的体系结构和硬件需求受限于现有的解决方案。使用来自同一公司的硬件，使维修更方便，避免了使用不同的生产厂家产品整合的问题。例如，许多硬件制造商结合自己的具体通信接口，直接为每一个特殊要求模块（西门子股份公司，2003）将处理器模块和通用协议组合。在系统全部采用同一类型的硬件下，这种方法也可以减少备件库存金额。
最大允许的电流输入输出是典型的来确定处理器的等级。如果复杂的控制算法和非标准功能是必需的，它就不是最重要的参数了。一般来说，使用一个更大的输入输出信号处理器模块比使用几个小的处理器模块省钱。在这种情况下，不需要通信网络，也将会使编程更加容易。
特殊信号和模块通常为中型和大型控制器只提供家庭使用。许多微控制器甚至没有可能性加上模拟输出（西门子股份公司，2003）。在某些情况下是使用特殊的模块是唯一途径，其他的（定位）这只是一个省钱的机会。传感器和执行器的布局可有很大差异，有时传感器远离执行器（中长管抽吸液体）数公里。在这种情况下，特殊的通讯网络（现场总线，AS接口）可能是唯一的解决办法。如果不是，它至少可以节省成本，减少布线工程。并非所有可编程控制器有接口通信协议。
处理器的性能在复杂的应用中有非常重要的作用。最常见的问题是程序内存不足，有时也是数据内存不足。内存要求可估计的输入和输出信号的数量。但在实际中100个数字输入输出点程序系统通常有小于10个数字输入输出点系统的三倍。依靠以前的经验是准确地估计项目的规模的唯一方法。
特殊程序包括特殊的程序功能要求。不同的应用领域有一些典型的使用功能，例如，在楼宇自动化温度控制中。如果这些功能已经进入系统软件中内置的处理器，编程要简单得多。在过程自动化2个数字输出（上下）闭环PID调节是很常用的。这可能是一个惊喜，但它不包括大多数微控制器（西门子股份公司，2003），并且对于一般的程序员使用标准功能开创自己的调节器太复杂。基本上有2个解决方案：以避免这方面的情况或者使用适用的控制器。
表1 方法的结果
|
标准 |
选择 |
评论 |
|
1.自然解决方案 |
|
新旧系统的兼容性 |
|
2.数字信号 |
输入 ____ |
信号数量 |
|
输出 继电器 ____ 晶体管 ____ |
||
|
3.模拟信号 |
输入 电流 ____ 电压 ____ 温度 ____ |
信号数量 |
|
输出 电流 ____ 电压 ____ |
||
|
4.特殊信号和模块 |
高速信号 ____
其它：____________ |
不是每个PLC都有特殊模块 |
|
5.传感器和驱动器布局 |
|
外围意味着通讯网络 |
|
6.处理器性能 |
程序存储器 ____KB 数据存储器 ____KB |
规则：10字节数字量输入和25字节模拟量输入 |
|
7.特殊程序 |
PID ____ 集成PID ____
其它：____________ |
只有部分模块才有集成PID 许多微型控制器并不支持浮点数学 |
|
8.通讯 |
|
每个PLC都有通讯的可能性 |
|
9.工作条件 |
|
极端环境需要特殊的模块 |
通讯在当今的自动化系统应用越来越重要。在某些情况下,非标准化设备协议的条形码阅读器或电子重量必须包含到系统中。然后，它的协议有至关重要的编程（自由口编程）功能。标准化协议存在具体模块需求。
工作条件，通常可以使用特殊柜来克服，但也有具体系列可编程序控制器,改善了抵抗电磁干扰、湿度和振动。在非常恶劣的环境中所有的冷却风扇都必须配备过滤器。
5结论
可编程控制器的主要好处是：
- 灵活
- 实现方便的沟通
- 实现复杂的控制算法
- 可靠性
替代方案应该考虑如果:
- 系统是非常简单的
- 特殊设备是可用的
- 数据记录是必要的
适当的解决方案和硬件的选择对最终结果有很大的影响。如果这一步失误，一些项目的总体预算方案可能显著增加因为一些程序要发生变化和一些硬件要更换。
根据他的实际经验，笔者已经形成了一个选择可编程控制器的方法。它有9个标准的：
- 解决方案的本质(新的或现有的)
- 最大数量的电流输入输出允许(数字、模拟、输入、输出)
- 需要特殊模块(高速数字输出)
- 传感器和致动器的布局(本地或周边)
- 处理器性能(程序和数据存储器)
-
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