PLC控制系统设计

限制系统设计PLCPLC限制系统设计的一般步骤可以分为以下几步熟识限制对象并计算输入/输出设备、PLC选型与确定硬件配置、设计电气原理图、设计限制台（柜）、编制限制程序、程序调试和编制技术文件

一、明确限制要求，了解被控对象的生产工艺过程熟识限制对象设计工艺布置图这一步是系统设计的基础首先应具体了解被控对象的工艺过程和它对限制系统的要求，各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统工作方式（如自动、半自动、手动等），PLC与系统中其他智能装置之间的关系，人机界面的种类，通信联网的方式，报警的种类与范围，电源停电与紧急状况的处理等等此阶段，还要选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号指示灯等执行元件），以与由输出设备驱动的限制对象（电动机、电磁阀等）同时，还应确定哪些信号须要输入给PLC,哪些负载由PLC驱动,并分类统计出各输入量和输出量的性质与数量，是数字量还是模拟量，是直流量还是沟通量，以与电压的大小等级，为PLC的选型和硬件配置供应依据、熟识编程语言和编程软件3熟识编程语言和编程软件是进行程序设计的前提这一步骤的主要任务是依据有关手册具体了解所运用的编程软件与其操作系统，选择一种或几种合适的编程语言形式，并熟识其指令系统和参数分类，尤其留意那些在编程中可能要用到的指令和功能熟识编程语言最好的方法就是上机操作，并编制一些试验程序，在模拟平台上进行试运行，以便详尽地了解指令的功能和用途，为后面的程序设计打下良好的基础，避开走弯路、定义参数表4参数表的定义包括对输入/输出、中间标记、定时器、计数器和数据区的定义参数表的定义格式和内容依据系统和个人爱好的状况有所不同，但所包含的内容基本是相同的总的设计原则是便于运用，尽可能具体程序编制起先以前必需首先定义输入/输出信号表主要依据是PLC输入/输出电气原理图每一种PLC的输入点编号和输出点编号都有自己明确的规定，在确定了PLC型号和配置后，要对输入/输出信号安排PLC的输入/输出编号（地址），并编制成表一般状况下，输入/输出信号表要明显地标出模板的位置、输入/输出地址号、信号名称和信号类型等尤其输入/输出定义表注释注解内容应尽可能具体地址尽量按由小到大的依次排列，没有定义或备用的点也不要漏掉，这样便于在编程、调试和修改程序时查找运用而中间标记、定时器、计数器和数据区编程以前可能不太好定义，一般是在编程过程中随运用随定义，在程序编制过程中间或编制完成后连同输入/输出信号表统一整理、程序的编写5假如有操作系统支持，尽量运用编程语言高级形式，如梯形图语言在编写过程中，依据实际须要，对中间标记信号表和存储单元表进行逐个定义，要留意留出足够的公共暂存区，以节约内存的运用由于很多小型PLC运用的是简易编程器，只能输入指令代码梯形图设计好后，还须要将梯形图按指令语句编出代码程序，列出程序清单在熟识所选的PLC指令系统后，可以很简洁地依据梯形图写出语句表程序编写程序过程中要与时对编出的程序进行注释，以免遗忘其间的相互关系注释应包括程序段功能、逻辑关系、设计思想、信号的来源和去向等的说明，以便于程序的阅读和调试、程序的测试6程序的测试是整个程序设计工作中的一项重要的内容，它可以初步检查程序的实际运行效果程序测试和程序编写是分不开的，程序的很多功能是在测试中修改和完善的测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，视察输入信号的变更对系统的作用，必要时可以借助仪器仪表各功能单元测试完成后，再连通全部程序，测试各部分的接口状况，直到满足为止程序测试可以在试验室进行，也可以在现场进行假如是在现场进行程序测试，那就要将PLC与现场信号隔离，以免引起事故、程序说明书的编写7程序说明书是整个程序内容的综合性说明文档，是整个程序设计工作的总结编写的主要目的是让程序的运用者了解程序的基本结构和某些问题的处理方法，以与程序阅读方法和运用中应留意的事项程序说明书一般包括程序设计的依据、程序的基本结构、各功能单元分析、运用的公式和原理、各参数的来源和运算过程、程序的测试状况等上面流程中各个步骤都是应用程序设计中不行缺少的环节，要设计一个好的应用程序，必需做好每一个环节的工作但是，应用程序设计中的核心是程序的编写，其他步骤都是为其服务的、常用编程方法8PLC的编程方法主要有阅历设计法和逻辑设计法逻辑设计是以逻辑代数为理论基础，通过列写输入与输出的逻辑表达式，再转换成梯形图由于一般逻辑设计过程比较困难，而且周期较大，大多采纳阅历设计的方法假如限制系统比较困难，可以借助流程图所谓阅历设计是在一些典型应用基础上，依据被控对象对限制系统的具体要求，选用一些基本环节，适当组合、修改、完善，使其成为符合限制要求的程序一般阅历设计法没有一般的规律可以遵循，只有在大量的程序设计中不断地积累、丰富自己，并且渐渐形成自己的设计风格一个程序设计的质量，以与所用的时间往往与编程者的阅历有很大关系所谓常用基本环节很多是借鉴继电接触器限制线路转换而来的它与继电接触器线路图画法非常相像，信号输入、输出方式与限制功能也大致相同o对于熟识继电接触器限制系统设计原理的工程技术人员来讲,驾驭梯形图语言设计无疑是非常便利和快捷的

四、限制系统的抗干扰性设计PLC尽管PLC是专为工业生产环境而设计，有较强的抗干扰实力，但是假如环境过于恶劣，电磁干扰特殊剧烈或PLC的安装和运用方法不当,还是有可能给PLC限制系统的平安和牢靠性带来隐患因此，在PLC限制系统设计中，还须要留意系统的抗干扰性设计、抗电源干扰的措施1实践证明，因电源引入的干扰造成PLC限制系统故障的状况很多PLC系统的正常供电电源均由电网供电由于电网覆盖范围广，它将受到全部空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流尤其是电网内部的变更，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源实行以下措施以削减因电源干扰造成的PLC限制系统故障

（1）采纳性能优良的电源，抑制电网引入的干扰在PLC限制系统中，电源占有极重要的地位电网干扰串入PLC限制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有干脆电气连接的仪表供电电源等耦合进入的现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采纳隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有干脆电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然实行了肯定的隔离措施，但普遍还不够，主要是运用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰实力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采纳多次隔离和屏蔽与漏感技术）的配电器，以削减PLC系统的干扰此外，为保证电网馈电不中断，可采纳不间断供电电源UPS供电，提高供电的平安牢靠性并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC限制系统的志向电源

2.硬件滤波措施在干扰较强或牢靠性要求较高的场合，应当运用带屏蔽层的隔离变压器对PLC系统供电还可以在隔离变压器一次侧串接滤波器，如图所示3正确选择接地点，完善接地系统滤波器和隔离变压器同时运用、限制系统的接地设计2良好的接地是保证PLC牢靠工作的重要条件，可以避开偶然发生的电压冲击危害接地的目的通常有两个，其一为了平安，其二是为了抑制干扰完善的接地系统是PLC限制系统抗电磁干扰的重要措施之一接地系统的接地方式一般可分为3种方式串联式单点接地、并联式单点接地、多分支单点接地即第3种接地方式PLC采纳第3种接地方式即单独接地PLC限制系统的地线包括系统地、屏蔽地、沟通地和爱护地等接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作例如电缆屏蔽层必需一点接地，假如电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异样状态如雷击时，地线电流将更大此外,屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变更磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰简洁影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严峻失真和误动作、防干扰的措施3I/O由信号引入干扰会引起I/O信号工作异样和测量精度大大降低，严峻时招引起元器件损伤对于隔离性能差的系统，还将导致信号间相互干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变更、误动作或死机可实行以下措施以减小I/O干扰对PLC系统的影响I从抗干扰角度选择I/O模块2安装与布线时留意

①动力线、限制线以与PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采纳双绞线连接将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必需在同一线槽内，可加隔板，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度

②PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内在柜内PLC应远离动力线二者之间距离应大于200mmo与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC电路

③PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设模拟量信号的传送应采纳屏蔽线，屏蔽层应一端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的l/10o

④沟通输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避开并行3考虑I/O端的接线输入接线一般不要太长，但假如环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些输入/输出线要分开尽可能采纳常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一样，便于阅读但急停、限位爱护等状况例外输出端接线分为独立输出和公共输出，在不同组中，可采纳不同类型和电压等级的输出电压但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板采纳继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的运用寿命，因此，运用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器4正确选择接地点，完善接地系统5对变频器干扰的抑制

五、限制系统的调试PLC系统调试是系统在正式投入运用之前的必经步骤与继电器限制系统不同，PLC限制系统既有硬件部分的调试还有软件的调试，与继电器限制系统相比，PLC限制系统的硬件调试要相对简洁，主要是PLC程序的编制和调试一般可按以下几个步骤进行应用程序的编制和离线调试、限制系统硬件检查、应用程序在线调试、现场调试、总结整理相关资料、系统正式投入运用限制系统设计实例:PLC在恒压供水系统中的应用PLC

1.任务描述某水厂160kW水泵电机三台，要求采纳PLC、变频器来实现恒压供水

2.系统组成变频调速恒压供水系统主要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力与限制线路以与泵组组成用户通过限制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和限制系统的运行，通过安装在出水管网上的压力变送器，把出口压力信号变成4〜20mA标准信号送入变频器内置的PID调整器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到4〜20mA信号送至变频器限制系统由变频器限制水泵的转速以调整供水量，在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器快速上升到上限频率，输出一个上限频率开关信号给PLC;当用水处于低峰时，变频器输出达到下限频率，输出一个下限频率开关信号给PLC当产生任何一个信号时，信号即反馈给PLC,PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换沟通接触器组，以此协调投入工作的水泵电机台数，并完成电机的启停、变频与工频的切换通过调整投入工作的电机台数和限制电机组中一台电机的变频转速，使系统管网的工作压力始终稳定，进而达最终，将限制对象和限制功能进行分类，可按信号用途或按限制区域进行划分，确定检测设备和限制设备的物理位置，分析每一个检测信号和限制信号的形式、功能、规模、相互之间的关系信号点确定后，设计出工艺布置图或信号图

二、限制系统的硬件设计PLC随着PLC的推广普与，PLC产品的种类和数量越来越多近年来,从国外引进的PLC产品、国内厂家或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，运用场合也各有侧重因此，合理选择PLC对于提高PLC限制系统的技术经济指标起着重要作用、机型的选择1PLCPLC机型的选择应是在满足限制要求的前提下，保证牢靠、维护运用便利以与最佳的性能价格比具体应考虑以下几方面1性能与任务相适应对于小型单台、仅须要数字量限制的设备,一般的小型PLC如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等都可以满足要求对于以数字量限制为主，带少量模拟量限制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的限制，应选用带有A/D转换到恒压供水的目的

3.系统限制要求系统变频调速由PLC与变频器共同完成，该系统有手动和自动两种运行方式手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可依据须要分别限制1#〜3#泵的启停，该方式主要供设备调试、自动有故障和检修时运用自动运行时，首先由1#水泵变频运行，变频器输出频率从OHZ上升，同时PID调整器把接收的信号与给定压力比较运算后送给变频器限制如压力不够，则频率上升到50HZ,变频器输出一个上限频率到达信号给PLC,PLC接收到信号后经延时，1#泵变频快速切换为工频，2#泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2#泵由变频切换成工频,3#泵变频启动；如用水量削减，PLC限制从先起的泵起先切除，同时依据PID调整参数使系统平稳运行，始终保持管网压力若有电源瞬时停电的状况，则系统停机，待电源复原正常后，系统自动复原到初始状态起先运行变频自动功能是该系统最基本的功能,系统自动完成对多台泵的启动、停止、循环变频的全部操作过程这种方式保证恒久有一台水泵在变频运行，三台水泵中的任一台都可能变频运行这样，才能做到不论用水量如何变更都可保持管网压力基本恒定，且各台水泵运行的时间基本相同，这给维护和检修带来便利,并提高了系统的运用寿命的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度限制系统可选用温度传感器干脆输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC（如西门子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON的公司的CQM1/CQM1H系列等）对于限制比较困难，限制功能要求更高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环限制、通信联网等功能时，可视限制规模与困难程度，选用中档或高档机（如西门子公司的S7-300或S7-400系歹I」、OMRON的公司的C200H@或CV/CVM1系列、A-B公司的Control Logix系列等）

（2）结构上合理、安装要便利、机型上应统一依据物理结构，PLC分为整体式和模块式整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型限制系统中采纳整体式PLCo但是模块式PLC的功能扩展便利敏捷，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的运用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，修理时更换模块、推断故障范围也很便利因此,对于较困难的和要求较高的系统一般应选用模块式PLCo依据I/O设备距PLC之间的距离和分布范围确定PLC的安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网的分布式对于一个企业，限制系统设计中应尽量做到机型统一因为同一机型的PLC,其模块可互为备用，便于备品备件的选购与管理；其功能与编程方法统一，有利于技术力气的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享同一机型PLC的另一个好处是，在运用上位计算机对PLC进行管理和限制时，通信程序的编制比较便利这样，简洁把限制各独立的多台PLC联成一个多级分布式系统，相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势3是否满足响应时间的要求由于现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说,PLC的响应时间并不是主要的问题然而，对于某些个别的场合，则要求考虑PLC的响应时间为了削减PLC的I/O响应延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC,运用高速I/O处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块4对联网通信功能的要求近年来，随着工厂自动化的快速发展,企业内小到一块温度限制仪表的RS-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应当说一般的电气限制产品都有了通信功能PLC作为工厂自动化的主要限制器件,大多数产品都具有通信联网实力选择时应依据须要选择通信方式⑸其他特殊要求考虑被控对象对于模拟量的闭环限制、高速计数、运动限制和人机界面HMI等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC对牢靠性要求极高的系统，应考虑是否采纳冗余限制系统或热备份系统、容量估算2PLCPLC的容量指I/O点数和用户存储器的存储容量两方面的含义在选择PLC型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足限制系统要求外，还应留有余量，以做备用或系统扩展时运用1I/O点数的确定PLC的I/O点数的确定以系统实际的输入输出点数为基础确定在I/O点数的确定时，应留有适当余量通常I/O点数可按实际须要的10〜15%考虑余量；当I/O模块较多时，一般按上述比例留出备用模块2存储器容量的确定用户程序占用多少存储容量与很多因素有关，如I/O点数、限制要求、运算处理量、程序结构等因此在程序编制前只能粗略的估算、模块的选择3I/O在PLC限制系统中，为了实现对生产过程的限制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLCPLC经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行限制的量所以，在PLC和生产过程之间，必需设置信息的传递和变换装置这个装置就是输入/输出I/O模块不同的信号形式，须要不同类型的I/O模块对PLC来讲，信号形式可分为四类1数字量输入信号生产设备或限制系统的很多状态信息，如开关、按钮、继电器的触点等，它们只有两种状态通或断，对这类信号的拾取须要通过数字量输入模块来实现输入模块最常见的为24V直流输入，还有直流5V、12V、48V,沟通115V/220V等按公共端接入正负电位不同分为漏型和源型有的PLC即可以源型接线，也可以漏型接线，比如S7-200o当公共端接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线有的PLC只能接成其中一种2数字量输出信号还有很多限制对象，如指示灯的亮和灭、电机的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，对它们的限制只需通过二值逻辑“1”和“”来实现这种信号通过数字量输出模块去驱动数字量输出模块按输出方式不同分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等此外，输出电压值和输出电流值也各有不同3模拟量输入信号生产过程的很多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过不同的检测装置转换为相应的模拟量信号，然后再将其转换为数字信号输入PLCo完成这一任务的就是模拟量输入模块

（4）模拟量输出信号生产设备或过程的很多执行机构，往往要求用模拟信号来限制，而PLC输出的限制信号是数字量，这就要求有相应的模块将其转换为模拟量这种模块就是模拟量输出模块典型模拟量模块的量程为-10V〜+10V、〜+10V、4〜20mA等,可依据实际须要选用，同时还应考虑其辨别率和转换精度等因素一些PLC制造厂家还供应特殊模拟量输入模块，可用来干脆接收低电平信号（如热电阻RTD、热电偶等信号）此外，有些传感器如旋转编码器输出的是一连串的脉冲，并且输出的频率较高（20kHz以上），尽管这些脉冲信号也可算作数字量，但一般数字量输入模块不能正确的检测之，应选择高速计数模块不同的I/O模块，其电路和性能不同，它干脆影响着PLC的应用范围和价格，应当依据实际状况合理选择、安排输入/输出点4PLC机型与输入/输出（I/O）模块选择完毕后，首先，设计出PLC系统总体配置图然后依据工艺布置图，参照具体的PLC相关说明书或手册将输入信号与输入点、输出限制信号与输出点一一对应画出I/O接线图即PLC输入/输出电气原理图PLC机型选择完后输入/输出点数的多少是确定限制系统价格与设计合理性的重要因素，因此在完成同样限制功能的状况下可通过合理设计以简化输入/输出点数、平安回路设计5平安回路是爱护负载或限制对象以与防止操作错误或限制失败而进行连锁限制的回路在干脆限制负载的同时，平安爱护回路还给PLC输入信号，以便于PLC进行爱护处理平安回路一般考虑以下几个方面1短路爱护应当在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路爱护最好在每个负载的回路中都装上熔断器2互锁与联锁措施除在程序中保证电路的互锁关系，PLC外部接线中还应当实行硬件的互锁措施，以确保系统平安牢靠地运行3失压爱护与紧急停车措施PLC外部负载的供电线路应具有失压爱护措施，当临时停电再复原供电时，不按下“启动”按钮PLC的外部负载就不能自行启动这种接线方法的另一个作用是，当特殊状况下须要紧急停机时，按下“急停”按钮就可以切断负载电源，同时“急停”信号输入PLCo4极限爱护在有些如提升机类超过限位就有可能产生危急的状况下，设置极限爱护，当极限爱护动作时干脆切断负载电源，同时将信号输入PLCo

三、限制系统的软件设计PLC软件设计是PLC限制系统设计的核心要设计好PLC的应用软件,必需充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、限制要求等通过PLC的应用软件完成系统的各项限制功能、应用软件设计的内容1PLCPLC的应用软件设计是指依据限制系统硬件结构和工艺要求，运用相应的编程语言，对用户限制程序的编制和相应文件的形成过程主要内容包括确定程序结构；定义输入/输出、中间标记、定时器、计数器和数据区等参数表；编制程序；编写程序说明书PLC应用软件设计还包括文本显示器或触摸屏等人机界面（HMI）设备与其它特殊功能模块的组态、熟识被限制对象制定设备运行方案2在系统硬件设计基础上，依据生产工艺的要求，分析各输入/输出与各种操作之间的逻辑关系，确定检测量和限制方法并设计出系统中各设备的操作内容和操作依次对于较困难的系统，可按物理位置或限制功能将系统分区限制较困难系统一般还需画出系统限制流程图，用以清晰表明动作的依次和条件，简洁系统一般不用。