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1、第六章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：
2、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
3、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
4、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6-1所示为PLC控制系统设计与调试的一般步骤。图6-1 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
5、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PLCPLC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（见第六章）来设计PL
6、C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
7、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
8、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、
9、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3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。
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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X10 +模拟量I/O通道数X100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
15、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6-2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
