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1、PLC控制系统的设计主要包括系统分析、系统设计和安装调试等方面的内容。本章主要介绍设计PLC控制系统的步骤和方法，达到学以致用的目的。8.1 PLC控制系统设计的基本原则与步骤1.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（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
2、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（4）适应发展的需要要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。2.PLC控制系统设计与调试的步骤：（1）分析被控对象并提出控制要求（2）确定输入输出设备（3）选择PLC4.2 S7-200系列PLC的硬件配置 （4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路分配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，该部分也可在第步中进行。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
3、的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。（5）程序设计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：I）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。II）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。I
4、II）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，。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。I）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。II）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
5、功能。（6）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： 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。设计系统各部分之间的电气互连图。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。 （7）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
6、到EPROM中，以防程序丢失。（8）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。8.2PLC的选择的选择 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。1.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：(1) 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IO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
7、PLC的功能扩展灵活方便,在IO点数、输入点数与输出点数的比例、IO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。(2) 安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程IO硬件，系统反应快、成本低；远程IO式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程IO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IO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。(3)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
8、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AD和DA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。(4)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IO处理功能的PLC，或选用具有快速响应模块
9、和中断输入模块的PLC等。(5)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。(6)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：机型统一，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。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。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。2.PLC容量的选择PLC的容量包括IO点数和用户存储容量两个方面。(1)IO点数的选择PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点
10、的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的裕量。通常IO点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上1015的裕量来确定。(2) 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。3.IO模块的选择一般IO模块的价格占PLC价格的一半以上。（1）开关量IO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
11、隔离。选择时主要应考虑：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。 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：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。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
12、数一般不要超过输入点数的60。输入门槛电平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，具体可参阅高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。说明书。（2）开关量输出模块的选择）开关量输出模块的选择输出方式输出方式输出接线方式输出接线方式驱动能力驱动能力注意同时接通的输出点数量注意同时接通的输出点数量输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关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，特别是开关量输出模
13、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。低，在实际使用中也应注意。（2）模拟量）模拟量IO模块的选择模块的选择模拟量模拟量IO模块的主要功能是数据转换，并与模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（AD）模块是将现场）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内部可接受的数内部可
14、接受的数字量；模拟量输出字量；模拟量输出(DA)模块是将模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信内部的数字量转换为模拟量信号输出。号输出。典型模拟量典型模拟量IO模块的量程为模块的量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，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。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（如平信号（如RTD、热电偶等信号）。、热电偶等信号）。（3）特殊功能模块的选择）特殊功能模块的选择目前，目前，PLC制造厂家
15、相继推出了一些具有特殊功能的制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的IO模块，有的模块，有的还推出了自带还推出了自带CPU的智能型的智能型IO模块，如高速计数器、凸轮模拟器、模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。控制模块、通信模块等。4、电源模块及其它外设的选择、电源模块及其它外设的选择（1）电源模块的选择）电源模块的选择电源模块选择仅对于模块式结构的电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式而言，对于整体式PLC不存在电源的不存在电源的选择。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。电源模块的输电源模块的选择主要考虑电
16、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出额定电流必须大于CPU模块、模块、IO模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后同时还应考虑今后IO模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。际需要而定。（2）编程器的选择）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、高档器。对于由中、高档PLC构成的复杂系统或需要在线编程的构成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统
17、，可以系统，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的编程软件，在个人计算机上实现编程器的功能。功能。（3）写入器的选择）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，可选用中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。有些中。有些PLC或其编程器或其编程器本身就具有本身就具有EPR
18、OM 写入的功能。写入的功能。8.3 提高提高PLC控制系统可靠性的措施控制系统可靠性的措施 1.适合的工作环境（1）环境温度适宜（2）环境湿度适宜（3）注意环境污染（4）远离振动和冲击源（5）远离强干扰源PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC还应该远离强电磁场和强放射源，以及易产生强静电的地方。 2.合理的安装与布线（1）注意电源安装（2）远离高压（3）合理的布线3.正确的接地为了抑制干扰，PLC一般最好单独接地，与其它设备分别使用各自的接地装置；也可以采用公共接地；但禁止使用串联接地方式，因为这种接地方式会产生PLC与设备之间的电位差。PLC的接地线
19、应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。同时，接地电阻要小于100，接地线的截面应大于mm2。另外，PLC的CPU单元必须接地，若使用了I/O扩展单元等，则CPU单元应与它们具有共同的接地体，而且从任一单元的保护接地端到地的电阻都不能大于100。4.必须的安全保护环节（）短路保护当PLC输出设备短路时，为了避免PLC内部输出元件损坏，应该在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。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外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行，如电动机正、反转控制，要利用接触器KM1、KM2常闭触点在PLC
20、外部进行互锁。在不同电机或电器之间有联锁要求时，最好也在PLC外部进行硬件联锁。采用PLC外部的硬件进行互锁与联锁，这是PLC控制系统中常用的做法。（3）失压保护与紧急停车措施PLC外部负载的供电线路应具有失压保护措施，当临时停电再恢复供电时，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，当特殊情况下需要紧急停机时，按下“停止”按钮就可以切断负载电源，而与PLC毫无关系。5.必要的软件措施有时硬件措施不一定完全消除干扰的影响，采用一定的软件措施加以配合，对提高PLC控制系统的抗干扰能力和可靠性起到很好的作用。（1）消除开关量输入信号抖动（2）故障的检测与诊断超时
21、检测 逻辑错误检测（3）消除预知干扰6.采用冗余系统或热备用系统（1）冗余系统（2）热备用系统7.PLC控制系统的维护和故障诊断（1）PLC控制系统的维护PLC的可靠性很高，但环境的影响及内部元件的老化等因素，也会造成PLC不能正常工作。如果等到PLC报警或故障发生后再去检查、修理，总归是被动的。如果能经常定期地做好维护、检修，就可以做到系统始终工作在最佳状态下。因此，定期检修与做好日常维护是非常重要的。一般情况下检修时间以每6个月至一年1次为宜，当外部环境条件较差时，可根据具体情况缩短检修间隔时间。再根据PLC基本单元上设置的各种LED的指示灯状况，以检查PLC自身和外部有无异常。输入指示不
22、管输入单元的LED灯亮还是灭，请检查输入信号开关是否确实在ON或OFF状态。如果输入开关的额定电流容量过大或由于油侵入等原因，容易产生接触不良。当输入开关与LED灯亮用电阻并联时，即使输入开关OFF但并联电路仍导通，仍可对PLC进行输入。如果使用光传感器等输入设备，由于发光受光部位粘有污垢等，引起灵敏度变化，有可能不能完全进入“ON”状态。在比PLC运算周期短的时间内，不能接收到ON和OFF的输入。如果在输入端子上外加不同的电压时，会损坏输入回路。输出指示不管输出单元的LED灯亮还是灭，如果负载不能进行ON或OFF时，主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等，引起继电器输出接点粘合，或接点接触面不好导致接触不良。
