1.5　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則與步驟

1.5.1　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用環(huán)境

由于PLC是一種計(jì)算機(jī)化了的高科技產(chǎn)品，相對繼電器來說價(jià)格較高，因此在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，就要考慮是否有必要使用PLC。

通常在以下情況可以考慮使用PLC：

① 控制系統(tǒng)的數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)較多，控制要求復(fù)雜。若使用繼電器控制，則需要大量的中間繼電器、時(shí)間繼電器等器件；

② 對控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，繼電器控制系統(tǒng)難以滿足控制要求；

③ 由于生產(chǎn)工藝流程或產(chǎn)品的變化，需要經(jīng)常改變控制系統(tǒng)的控制關(guān)系或控制參數(shù)；

④ 可以用一臺PLC控制多個(gè)生產(chǎn)設(shè)備。

對于控制系統(tǒng)簡單、I/O點(diǎn)數(shù)少，控制要求并不復(fù)雜的情況，則無需使用PLC控制，使用繼電器控制就完全可以了。

1.5.2　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，任何一種控制都是以滿足生產(chǎn)工藝的控制要求、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率為目的的，因此在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循以下基本原則。

① 最大限度地滿足生產(chǎn)工藝的控制要求。這是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要前提。這就需要設(shè)計(jì)人員深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，同時(shí)要注意與操作員和工程管理人員密切配合，共同討論，解決設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。

② 確保控制系統(tǒng)的工作安全可靠。這是設(shè)計(jì)的重要原則。這就要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面的考慮控制系統(tǒng)硬件和軟件。

③ 力求使系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，使用和維修方便。在滿足生產(chǎn)工藝的控制要求前提下，要注意降低工程成本，提高工程效益，符合用戶的操作習(xí)慣和方便維修。

④ 應(yīng)考慮生產(chǎn)的發(fā)展和改進(jìn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)留有裕量。

1.5.3　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1-37所示。

（1）深入了解被控系統(tǒng)的工藝過程和控制要求

深入了解被控系統(tǒng)的工藝過程和控制要求是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這一步的好壞，直接影響著系統(tǒng)設(shè)計(jì)和施工的質(zhì)量。首先應(yīng)該詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對象機(jī)、電、液之間的關(guān)系，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的要求。控制要求包括：

① 控制的基本方式：行程控制、時(shí)間控制、速度控制、電流和電壓控制等；

② 需要完成的動作：動作及其順序、動作條件；

③ 操作方式：手動（點(diǎn)動、回原點(diǎn)）、自動（單步、單周、自動運(yùn)行）以及必要的保護(hù)、報(bào)警、連鎖和互鎖；

④ 確定軟硬件分工；根據(jù)控制工藝的復(fù)雜程度，確定軟硬件分工，可從技術(shù)方案、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面做好軟硬件的分工。

（2）確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)說明書

在分析完被控對象的控制要求基礎(chǔ)上，可以確定控制方案。通常有以下幾種方案供參考。

① 單控制器系統(tǒng)：單控制器系統(tǒng)指采用一臺PLC控制一臺或多臺被控設(shè)備的控制系統(tǒng)，如圖1-38所示。

② 多控制器系統(tǒng)：多控制器系統(tǒng)即分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中每個(gè)控制對象都是由一臺PLC控制器來控制的，各臺PLC控制器之間可以通過信號傳遞進(jìn)行內(nèi)部連鎖，或由上位機(jī)通過總線進(jìn)行通信控制，如圖1-39所示。

③ 遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)：遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)是I/O模塊，不與控制器放在一起，而是遠(yuǎn)距離放在被控設(shè)備附近，如圖1-40所示。

（3）PLC硬件選型

PLC硬件選型的基本原則：在功能滿足的條件下，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，盡量兼顧價(jià)格。具體應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。

① PLC的硬件功能

對于開關(guān)量控制系統(tǒng)，主要考慮PLC的最大I/O點(diǎn)數(shù)是否滿足要求，如有特殊要求，如通信控制、模擬量控制等，則應(yīng)考慮是否有相應(yīng)的特殊功能模塊。

此外還要考慮擴(kuò)展能力、程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器的容量等。

② 確定輸入輸出點(diǎn)數(shù)

確定輸入輸出點(diǎn)數(shù)前，應(yīng)確定哪些信號需要輸入給PLC，哪些負(fù)載需要PLC來驅(qū)動，還要確定哪些是數(shù)字量，哪些是模擬量，哪些是直流量，哪些是交流量，電壓等級以及是否有特殊要求。在確定時(shí)，應(yīng)考慮今后系統(tǒng)改進(jìn)和擴(kuò)充的需求，應(yīng)留有一定的裕量。

③ PLC供電電源類型、輸入和輸出模塊的類型

PLC供電電源類型一般有兩種，分別為交流型和直流型。交流型供電通常為220V，直流型供電通常為24V。

數(shù)字量輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V。直流輸入電路的延遲時(shí)間較短，可直接與光電開關(guān)、接近開關(guān)等電子輸入設(shè)備直接相連。

如有模擬量還需考慮變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的量程與模擬量輸入輸出模塊的量程是否匹配等。

繼電器型輸出模塊的工作電壓范圍廣，觸點(diǎn)導(dǎo)通電壓降小，承受瞬間過電壓和瞬間過電流能力強(qiáng)，但觸點(diǎn)壽命有限制，動作速度較慢。若系統(tǒng)的輸出信號變化不是很頻繁，建議優(yōu)先選擇繼電器輸出型模塊。繼電器型輸出模塊可用于交直流負(fù)載。

晶體管輸出型用于直流負(fù)載，它們具有可靠性高、執(zhí)行速度快、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但過載能力較差。

④ PLC的結(jié)構(gòu)及安裝方式

PLC分為整體式和模塊式兩種，整體式每點(diǎn)的價(jià)格比模塊式的便宜。模塊式的功能擴(kuò)展靈活，安裝方便，特殊模塊選擇的余地大，一般較復(fù)雜的系統(tǒng)選擇模塊式PLC。

（4）硬件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括I/O地址分配、系統(tǒng)主回路和控制回路的設(shè)計(jì)、PLC輸入輸出電路的設(shè)計(jì)、控制柜或操作臺電氣元件安裝布置設(shè)計(jì)等。

① I/O地址分配

輸入點(diǎn)和輸入信號、輸出點(diǎn)和輸出控制是一一對應(yīng)的。通常按系統(tǒng)配置通道與觸點(diǎn)號來分配每個(gè)輸入輸出信號，即進(jìn)行編號。在編號時(shí)要注意，不同型號的PLC，其輸入輸出通道范圍不同，要根據(jù)所選PLC的型號進(jìn)行確定，切不可“張冠李戴”。

② 系統(tǒng)主回路和控制回路設(shè)計(jì)

a．系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)：主回路通常是指電流較大的電路，如電動機(jī)主電路、控制變壓器的一次側(cè)輸入回路、控制系統(tǒng)的電源輸入和控制電路等。

在設(shè)計(jì)主電路時(shí)，主要要考慮以下幾個(gè)方面。

◆ 總開關(guān)的類型、容量、分段能力和所用的場合等。

◆ 保護(hù)裝置的設(shè)置。短路保護(hù)要設(shè)置熔斷器或斷路器，過載保護(hù)要設(shè)置熱繼電器，漏電保護(hù)要設(shè)置漏電保護(hù)器等。

◆ 接地。從安全的角度考慮，控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置保護(hù)接地。

b．系統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)：控制回路通常是指電流較小的電路。控制回路設(shè)計(jì)一般包括保護(hù)電路、安全電路、信號電路和控制電路設(shè)計(jì)等。

③ PLC輸入輸出電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輸入輸出電路通常考慮以下問題。

◆ 輸入電路可由PLC內(nèi)部提供DC24V電源，也可外接電源；輸出點(diǎn)需根據(jù)輸出模塊類型選擇電源。

◆ 為了防止負(fù)載短路損壞PLC，輸入輸出電路公共端需加熔斷器保護(hù)。

◆ 為了防止接觸器相間短路，通常要設(shè)置互鎖電路，例如正反轉(zhuǎn)電路。

◆ 輸出電路有感性負(fù)載，為了保證輸出點(diǎn)的安全和防止干擾，直流電路需在感性負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，交流電路需在感性負(fù)載兩端并聯(lián)阻容電路，如圖1-41所示。

◆ 應(yīng)減少輸入輸出點(diǎn)數(shù)，具體方法可參考4.2節(jié)。

④ 控制柜或操作臺電氣元件安裝布置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的目的是用于指導(dǎo)、規(guī)范現(xiàn)場生產(chǎn)和施工，并提高可靠性和標(biāo)準(zhǔn)化程度。

（5）軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)之前，S7-200 SMART PLC需先對硬件進(jìn)行組態(tài)，看該系統(tǒng)需要的CPU模塊、信號板和擴(kuò)展模塊都是哪些，對應(yīng)選擇相應(yīng)的型號。硬件組態(tài)完后，可以對軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)了。

軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)初始化程序、主程序、子程序、中斷程序等，小型數(shù)字量控制系統(tǒng)往往只有主程序。

軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾步。

① 首先應(yīng)根據(jù)總體要求和控制系統(tǒng)的具體情況，確定程序的基本結(jié)構(gòu)。

② 繪制控制流程圖或順序功能圖。

③ 根據(jù)控制流程圖或順序功能圖設(shè)計(jì)梯形圖；簡單系統(tǒng)可用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，復(fù)雜系統(tǒng)可用順序控制設(shè)計(jì)法。

（6）軟、硬件調(diào)試

調(diào)試分為模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試。

在軟件設(shè)計(jì)完成后一般作模擬調(diào)試。模擬調(diào)試可以通過仿真軟件來代替PLC硬件，在計(jì)算機(jī)上調(diào)試程序。若有PLC硬件，可以用小開關(guān)和按鈕模擬PLC的實(shí)際輸入信號，再通過輸出模塊上個(gè)輸出位對應(yīng)的指示燈，觀察輸出信號是否滿足設(shè)計(jì)要求。若需要模擬信號I/O時(shí)，可用電位器和萬用表配合進(jìn)行。

硬件模擬調(diào)試主要是對控制柜或操作臺的接線進(jìn)行測試，可在操作臺的接線端子上模擬PLC外部數(shù)字輸入信號，或者操作按鈕指令開關(guān)，觀察對應(yīng)PLC輸入點(diǎn)的狀態(tài)。

在聯(lián)機(jī)調(diào)試時(shí)，把編制好的程序下載到現(xiàn)場的PLC中，調(diào)試時(shí)，主電路一定要斷電，只對控制電路進(jìn)行調(diào)試。通過現(xiàn)場聯(lián)機(jī)調(diào)試，還會發(fā)現(xiàn)新的問題或需要對某些控制功能進(jìn)行改進(jìn)。

如軟硬件調(diào)試均沒問題，就可以整體調(diào)試了。

（7）編制控制系統(tǒng)的使用說明書

系統(tǒng)交付使用后，應(yīng)根據(jù)調(diào)試的最終結(jié)果整理出完整的技術(shù)文件，單位存檔，部分資料提供給用戶，以利于系統(tǒng)的維修和改進(jìn)。

編制的文件有：PLC的硬件接線圖和其他的電氣樣圖，PLC編程元件表和帶有文字說明的梯形圖。此外若使用的是順序控制法，順序功能圖也需要加以整理。