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PLC

模块四可编程控制器控制系统的设计

在对PLC的基本工作原理和编程技术有了一定的了解之后，我们就可以用PLC来构成一个实际的控制系统。

PLC控制系统的设计主要包括系统设计、程序设计、施工设计和安装调试等四方面的内容。

本章主要介绍PLC控制系统的设计步骤和内容、设计与实施过程中应该注意的事项，使读者初步掌握PLC控制系统的设计方法。

要达到能顺利地完成PLC控制系统的设计，更重要的是需要不断地实践。

第一节PLC控制系统设计的基本原则与内容

____

一、PLC控制系统设计的基本原则

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

__1.最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。

这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。

同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。

这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。

例如：

应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。

3.力求简单、经济、使用及维修方便

__一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。

因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。

这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

_4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。

这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

__二、PLC控制系统设计与调试的步骤：

__如图4-1所示为PLC控制系统设计与调试的一般步骤。

__________________________

图4-1_PLC控制系统设计与调试的一般步骤

（一）分析被控对象并提出控制要求

___详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

（二）确定输入／输出设备

__根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：

按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：

接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。

_（三）选择PLC

___PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择，详见本章第二节。

（四）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路

___1.分配I/O点

画出PLC的I/O点与输入／输出设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第２步中进行。

2.设计PLC外围硬件线路

画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。

到此为止系统的硬件电气线路已经确定。

__（五）程序设计

___1.程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。

程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。

除此之外，程序通常还应包括以下内容：

1）初始化程序。

在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动作必要的准备，避免系统发生误动作。

初始化程序的主要内容有：

对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等等。

2）检测、故障诊断和显示等程序。

这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

3）保护和连锁程序。

保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。

它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，。

___2.程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是，以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。

根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。

模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

___（六）硬件实施

硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。

主要内容有：

___1）设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。

___2）_设计系统各部分之间的电气互连图。

___3）_根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。

___由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。

（七）联机调试

__联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。

联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。

如不符合要求，则对硬件和程序作调整。

通常只需修改部份程序即可。

___全部调试完毕后，交付试运行。

经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

___（八）整理和编写技术文件

___技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。

第二节_PLC的选择

____

随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。

不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。

因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。

___PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。

_一、PLC机型的选择

___PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。

选择时主要考虑以下几点：

__

（一）合理的结构型式

___PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。

_

（二）安装方式的选择

_PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。

集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程I／O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I／O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通讯模块。

__（三）_相应的功能要求

___一般小型（_低档）_PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。

___对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A转换单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。

___对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。

但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。

__（四）_响应速度要求

__PLC是为工业自动化设计的通用控制器，不同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用范围内的需要。

如果要跨范围使用PLC，或者某些功能或信号有特殊的速度要求时，则应该慎重考虑PLC的响应速度，可选用具有高速I／O处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。

__（五）_系统可靠性的要求

___对于一般系统PLC的可靠性均能满足。

对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。

__（六）_机型尽量统一

___一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。

主要考虑到以下三方面问题：

___１）机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。

___２）机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。

３）机型统一，其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。

___二、PLC容量的选择

___PLC的容量包括I／O点数和用户存储容量两个方面。

__

（一）_I／O点数的选择

___PLC平均的I／O点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I／O点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有一定的裕量。

___通常I／O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10％~15％的裕量来确定。

__

（二）存储容量的选择

___用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。

一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。

___PLC的I／O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％~30％的裕量。

___存储容量（字节）＝开关量I／O点数×10＋模拟量I／O通道数×100

___另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。

___三、I／O模块的选择

___一般I／O模块的价格占PLC价格的一半以上。

PLC的I／O模块有开关量I／O模块、模拟量I／O模块及各种特殊功能模块等。

不同的I／O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。

（一）开关量I／O模块的选择

__1.开关量输入模块的选择

___开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接受的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。

选择时主要应考虑以下几个方面：

___1）输入信号的类型及电压等级

___开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。

选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。

直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。

___开关量输入模块的输入信号的电压等级有：

直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。

选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。

一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过１０米。

距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。

___2）输入接线方式

___开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，如图4-2所示。

__

_图6-2__开关量输入模块的接线方式

a）_汇点式输入_____b）_分组式输入

____汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。

分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。

___3）注意同时接通的输入点数量

___对于选用高密度的输入模块（_如32点、48点等）_，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。

___4）输入门槛电平

___为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。

门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。

__2.开关量输出模块的选择

___开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。

选择时主要应考虑以下几个方面：

___1）输出方式

___开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。

___继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。

_

___对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。

但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

___2）输出接线方式

___开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，如图4-3所示。

_

__

图4-3__开关量输出模块的接线方式

a）分组式输出____b）分隔式输出_

___分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。

选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。

一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。

__3）驱动能力

__开关量输出模块的输出电流（_驱动能力）_必须大于PLC外接输出设备的额定电流。

用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。

如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。

__4）注意同时接通的输出点数量

___选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。

同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的８点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A（8×2A）_，通常要比此值小得多。

一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。

__5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关

开关量输出模块的技术指标，它与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。

另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。

（二）模拟量I／O模块的选择

模拟量I／O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。

模拟量输入（A／D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出（D／A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。

典型模拟量I／O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。

一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。

（三）特殊功能模块的选择

目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。

四、电源模块及其它外设的选择

_1．电源模块的选择

__电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。

电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。

电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I／O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I／O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。

_2．编程器的选择

_对于小型控制系统或不需要在线编程的系统，一般选用价格便宜的简易编程器。

对于由中、高档PLC构成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统，可以选配功能强、编程方便的智能编程器，但智能编程器价格较贵。

如果有现成的个人计算机，也可以选用PLC的编程软件，在个人计算机上实现编程器的功能。

__3．写入器的选择

为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。

有些PLC或其编程器本身就具有EPROM写入的功能。

___________

第三节PLC与输入输出设备的连接

PLC常见的输入设备有按钮、行程开关、接近开关、转换开关、拨码器、各种传感器等，输出设备有继电器、接触器、电磁阀等。

正确地连接输入和输出电路，是保证PLC安全可靠工作的前提。

一、PLC与常用输入设备的连接

1.PLC与主令电器类设备的连接

如图4-4所示是与按钮、行程开关、转换开关等主令电器类输入设备的接线示意图。

图中的PLC为直流汇点式输入，即所有输入点共用一个公共端COM，同时COM端内带有DC24V电源。

若是分组式输入，也可参照图4-4的方法进行分组连接。

图4-4PLC与主令电器类输入设备的连接

2.PLC与拨码开关的连接

如果PLC控制系统中的某些数据需要经常修改，可使用多位拨码开关与PLC连接，在PLC外部进行数据设定。

如图4-5所示为一位拨码开关的示意图，一位拨码开关能输入一位十进制数的0～9，或一位十六进制数的0～F。

图4-5一位拨码开关的示意图

如图4-6所示4位拨码开关组装在一起，把各位拨码开关的COM端连在一起，接在PLC输入侧的COM端子上。

每位拨码开关的4条数据线按一定顺序接在PLC的4个输入点上。

由图可见，使用拨码开关要占用许多PLC输入点，所以不是十分必要的场合，一般不要采用这种方法。

图4-64位拨码开关与PLC的连接

输入采用拨码开关时，可采用下节将介绍的分组输入法或矩阵输入法，以提高PLC输入点的利用率。

3.PLC与旋转编码器的连接

旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。

因些可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。

不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。

如图4-7所示是输出两相脉冲的旋转编码器与FX系列PLC的连接示意图。

编码器有4条引线，其中2条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线。

编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。

电源“-”端要与编码器的COM端连接，“+”与编码器的电源端连接。

编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，连接时要注意PLC输入的响应时间。

有的旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地。

图4-7旋转编码器与PLC的连接

4．PLC与传感器类设备的连接

传感器的种类很多，其输出方式也各不相同。

当采用接近开关、光电开关等两线式传感器时，由于传感器的漏电流较大，可能出现错误的输入信号而导致PLC的误动作，此时可在PLC输入端并联旁路电阻Ｒ，如图4-8所示。

当漏电流不足lmA时可以不考虑其影响。

图4-8PLC与两线式传感器的连接

旁路电阻Ｒ的估算公式如下：

式中：

I为传感器的漏电流（mA），UOFF为PLC输入电压低电平的上限值（V），RC为PLC的输入阻抗（KΩ），RC的值根据输入点不同有差异。

二、PLC与常用输出设备的连接

1.PLC与输出设备的一般连接方法

PLC与输出设备连接时，不同组（不同公共端）的输出点，其对应输出设备（负载）的电压类型、等级可以不同，但同组（相同公共端）的输出点，其电压类型和等级应该相同。

要根据输出设备电压的类型和等级来决定是否分组连接。

如图4-9所示以FX2N为例说明PLC与输出设备的连接方法。

图中接法是输出设备具有相同电源的情况，所以各组的公共端连在一起，否则要分组连接。

图中只画出Y0-Y7输出点与输出设备的连接，其它输出点的连接方法相似。

图4-9PLC与输出设备的连接

2.PLC与感性输出设备的连接

PLC的输出端经常连接的是感性输出设备（感性负载），为了抑制感性电路断开时产生的电压使PLC内部输出元件造成损坏。

因此当PLC与感性输出设备连接时，如果是直流感性负载，应在其两端并联续流二极管；如果是交流感性负载，应在其两端并联阻容吸收电路。

如图4-10所示。

图4-10_PLC与感性输出设备的连接

_图中，续流二极管可选用额定电流为1A_、额定电压大于电源电压的3倍；电阻值可取50~120Ω，电容值可取0.1~0.47μF_，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。

接线时要注意续流二极管的极性。

3．PLC与七段LED显示器的连接

PLC可直接用开关量输出与七段LED显示器的连接，但如果PLC控制的是多位LED七段显示器，所需的输出点是很多的。

如图4-11所示电路中，采用具有锁存、译码、驱动功能的芯片CD4513驱动共阴极LED七段显示器，两只CD4513的数据输入端A～D共用PLC的4个输出瑞，其中A为最低位，D为最高位。

LE是锁存使能输入端，在LE信号的上升沿将数据输入端输入的BCD数锁存在片内的寄存器中，并将该数译码后显示出来。

如果输入的不是十进制数，显示器熄灭。

LE为高电平时，显示的数不受数据输入信号的影响。

显然，N个显示器占用的输出点数为P=4＋N。

图4-11PLC与两位七段LED显示器的连接

如果PLC使用继电器输出模块，应在与CD4513相连的PLC各输出端接一下拉电阻，以避免在输出继电器的触点断开时CD4513的输入端悬空。

PLC输出继电器的状态变化时，其触点可能抖动，因此应先送数据输出信号，待该信号稳定后，再用LE信号的上升沿将数据锁存进CD4513。

4.PLC与输出设备连接的其它注意事项

1）除了PLC输入和输出共用同一电源外，输入公共端与输出公共端一般不能接在一起；

2）PLC的晶体管和晶闸管型输出都有较大的漏电流，尤其是晶闸管输出，将可能会出现输出设备的误动作。

所以要在负载两端并联一个旁路电阻，旁路电阻R的阻值估算可由下式确定：

其中UON是负载的开启电压（V），I是输出漏电流（mA）。

第四节减少I/O点数的措施

___PLC在实际应用中常碰到这样两个问题：

一是PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提高成本；二是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限，无法再增加。

因此，在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的。

下面将介绍几种常用的减少I/O点数的措施。

_一、减少输入点数的措施

__1.分组输入

_一般系统都存在多种工作方式，但系统同时又只选择其中一种工作方式运行，也就是说，各种工作方式的程序不可能同时执行。

因此，可将系统输入信号按其对应的工作方式不同分成若干组，PLC运行时只会用到其中的一组信号,所以各