PLC控制系统硬件设计

可编程控制器控制系统的硬件设计当设计以可编程控制器为核心的控制系统时，应考虑：1、设备的正常运行；2.合理有效的资本投资；3.在满足可靠性和经济性的前提下，它具有一定的优势，可以根据生产过程的变化扩展某些功能。一、控制系统的设计步骤1、分析受控对象，明确控制要求2、制定电气控制计划3、确定输入/输出设备和信号特征4、选择可编程控制器5.分配输入/输出点地址6.设计电路7.设计控制程序8.调试(包括模拟调试和在线调试)9.技术文件的安排1)分析受控对象，提出控制要求详细分析了被控对象的工艺流程和工作特点，了解了被控对象的机、电、液三者之间的协调关系，提出了被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定了控制方案，并编制了设计任务书。2)确定输入/输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的所有输入设备(如按钮、位置开关、转换开关和各种传感器)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示器和其他执行器)，从而确定与可编程逻辑控制器相关的输入/输出设备，并确定可编程逻辑控制器的输入/输出点。3)选择可编程逻辑控制器可编程控制器的选择包括可编程控制器型号、容量、输入/输出模块、电源等的选择。4)分配输入输出点，设计可编程控制器外围硬件电路分配输入输出点：绘制PLC输入输出点与输入输出设备的连接图或对应关系表。PLC外围硬件电路：绘制系统其他部分的电路图，包括不进入PLC的主电路和控制电路。系统电气原理图由可编程序控制器输入输出连接图和可编程序控制器外围电路图组成。到目前为止，系统的硬件和电路已经确定。5)编程编程：1)控制程序；2)初始化过程；3)检测、故障诊断和显示程序；4)保护和联锁程序。模拟调试：根据产生现场信号的不同方式，模拟调试有两种形式：硬件模拟法和软件模拟法。6)硬件实现设计电气设备布局和控制柜、操作台等部件的安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸，进行现场接线和详细检查。由于程序设计和硬件实现可以同时进行，因此可以大大缩短PLC控制系统的设计周期。7)在线调试在线调试是通过仿真调试对程序进行进一步的在线统一调试。在线调试过程应逐步进行，从PLC只连接输入设备，然后连接输出设备，再连接实际负载等。如果不符合要求，应调整硬件和程序。通常只有一些程序需要修改。所有调试完成后，设备应交付试运行。运行一段时间后，如果程序工作正常，不需要修改，程序应该固化到EPROM中，以防止程序丢失。8)组织编制技术文件技术文件包括设计说明、硬件原理图、安装接线图、电气元件清单、PLC程序和操作说明等。二、可编程控制器的选择随着可编程控制器技术的发展，可编程控制器产品种类越来越多。不同类型的PLC也有不同的结构、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等。它们在适用场合也有不同的侧重点。因此，合理选择PLC对提高PLC控制系统的技术经济指标具有重要意义。可编程控制器的选择应从可编程控制器的型号、容量、输入输出模块、电源模块、特殊功能模块、通信组网能力等方面综合考虑。1可编程控制器的选型可编程控制器选型的基本原则是在满足功能要求、保证可靠性和维护方便的前提下，争取最佳的性价比。以下要点对于可靠性要求高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。6)模型应尽可能统一易于采购和管理备件；有利于技术力量的培养和技术水平的提高。外部设备是通用的，资源可以共享，网络通信也很容易。2.教学系统的选择1)指令总数2)指令类型3)表达方式4)编程工具3.输入输出模块的选择3.1开关量输入模块的选择1)输入信号的类型和电压电平有三种类型的DC输入，交流输入和交流/DC输入。选择主要基于现场输入信号和周围环境因素。DC输入模块延迟时间短，可以直接与接近开关和光电开关等电子输入设备相连。交流输入模块具有良好的可靠性，适用于有油雾和灰尘的恶劣环境。开关量输入模块的电压等级有：DC 5V、12V、24V、48V、60V等。交流110 v、220 v等。选择主要基于现场输入设备和输入模块之间的距离。一般情况下，5V、12V和24V用于传输距离较近的场合。例如，5V输入模块最多不超过10m。对于距离较远的，应选择输入电压电平较高的。2)输入接线模式主要有两种连接方式：点连接和分组连接3)注意同时连接的输入点的数量对于选择高密度输入模块(如30点和40点)，应考虑同时连接到模块的点数不应超过输入点数的60%。4)输入阈值水平阈值越高，抗干扰能力越强，传输距离越远。详情请参考可编程逻辑控制器手册。3.2开关输出模块的选择1)输出模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：价格便宜，可驱动交流和DC负载，适用电压范围广，导通压降小，耐受瞬时过电压和过电流能力强，但动作速度慢(驱动感性负载时接触动作频率不超过1HZ)，使用寿命短，可靠性差，只能应用于不频繁通断的场合。对于频繁的开关负载，应选择晶闸管输出或晶体管输出，它们属于非接触式元件。然而，晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于DC负载。2)输出连接模式开关量输出模块主要有分组式和分离式两种连接方式3)驾驶能力输出模块的输出电流应根据实际输出设备的电流大小来选择。如果实际输出设备的电流较大，则不能直接驱动输出模块，可以增加中间放大环节。4)注意同时连接的输出点的数量同时，连接的输出设备的累积电流值必须小于允许通过公共端子的电流值。一般来说，同时连接的点数不应超过同一公共端输出点数的60%。5)最大输出电流与负载类型、环境温度和其他因素有关。它与不同的负载类型密切相关，尤其是最大电流输出。晶闸管的最大输出电流会随着环境温度的升高而降低，在实际使用中也应注意这一点。3.3模拟输入/输出模块的选择模拟输入(A/D)模块将现场传感器产生的连续模拟信号转换为可编程逻辑控制器可接受的数字量。模拟输出模块将可编程逻辑控制器内部的数字量转换成模拟信号输出。典型的模拟输入/输出模块的测量范围为-10V 10V、0 10V、420mA等。他们可以根据实际需要选择。同时，还应考虑分辨率和转换精度等因素。一些可编程逻辑控制器制造商还提供特殊的模拟输入模块，可用于直接接收低电平信号(如RTD、热电偶等)。)。3.4特殊功能模块的选择可编程控制器制造商先后推出了一些具有特殊功能的输入输出模块，也有一些引入了带中央处理器的智能输入输出模块，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。3.5选择1)电源模块的选择电源模块选择仅适用于模块化结构的可编程控制器，整体可编程控制器没有电源选择。电源模块的选择主要考虑电源输出的额定电流和电源的输入电压。2)程序员选择3)作家的选择为了防止用户程序在随机存取存储器中由于锂电池的干扰或电压不足而被破坏，可以选择电子顺磁共振写入器来固化电子顺磁共振中的用户程序。一些可编程逻辑控制器或其程序本身具有可编程只读存储器写功能。4.可编程控制器容量的选择4.1点的选择(1)在满足控制要求的前提下，尽量使用最少的输入输出点。(2)应增加10% 15%的余量。存储容量的选择存储容量不仅与PLC系统的功能有关，还与实现功能的方法和编程水平有关。当一个有经验的程序员和一个初学者完成相同的复杂功能时，程序的数量可能相差25%。基于I/o点的确定，在根据以下公式估计存储容量后，添加20% 30%的余量。存储容量(字节)=开关量输入输出点10模拟量输入输出通道100选择存储容量时，请注意存储类型的选择。5.其他选项(1)性价比(2)产品系列(3)售后服务5.2系统硬件设计1.系统设计总体规划控制系统的硬件设计、模型的性能指标和各功能模块的选择是控制系统设计中非常重要的问题。1)类型1)可编程控制器控制系统它可以分为集中控制系统和分散控制系统。2)系统运行模式四种类型：自动、半自动、单步和手动。3)系统停止模式正常停机、临时停机和紧急停机。2.系统硬件设计基础系统硬件设计必须根据控制对象的要求来确定，包括过程要求、设备条件、控制功能、输入输出点和控制对象的类型，从而形成一个相对先进的控制系统。3.系统硬件设计文档1)系统硬件配置图系统硬件配置图给出了整个系统硬件组成的完整画面，包括：系统组成层次、系统组网、网络上的可编程序控制器站数、每个可编程序控制器站上的中央处理器单元和扩展单元的组成以及每个可编程序控制器中模块的组成。2)模块统计便于了解整个系统的硬件设备状况和硬件设备投资计算，包括模块名称、模块类型、模块订单号、所需模块数量等。3)输入输出地址分配表4)输入/输出硬件接线图5.3可编程逻辑控制器输入/输出电路设计1.输入电路的设计1)根据输入信号类型合理选择输入模块2)输入元件的连接方式3)减少输入点的方法可编程逻辑控制器在实际应用中经常遇到这两个问题：(1)可编程逻辑控制器没有足够的输入输出点，需要扩展。但是，增加输入/输出点会增加成本；(2)所选可编程逻辑控制器的可扩展输入/输出点有限，不能增加。在满足系统控制要求的前提下，合理使用输入输出点，尽量减少所需的输入输出点是非常有意义的。减少输入点的方法：分组输入矩阵输入1)矩阵输入法需要软硬件的配合才能完成2)因为矩阵输入的输入信号是一系列间歇的脉冲信号。3)输入信号的宽度应确保大于Y0、Y1和Y2的开启时间组合输入对于不会同时开启的输入信号，可以通过组合编码输入。多功能输入设备例如合并输入一些具有相同功能的开关量输入设备组合在一起进行输入。如果是几个常闭触点，输入串联；如果有几个常开触点，输入并联连接。一些输入设备可能无法进入可编程逻辑控制器有些输入信号功能很简单，覆盖面很窄，有时没有必要。作为可编程逻辑控制器的输入，将其放入外部电路也能满足要求。2输出电路的设计1)根据负载类型确定输出方法2)输出负载的连接方式3)选择输出电流和电压输出模块的额定输出电流和电压必须大于所需的电流和电压。4)输出电路保护保险丝被添加到输出负载电路，用于短路保护。5)减少输出点的方法减少输出点的方法数据包输出当两组输出设备或负载不同时工作时，可以通过外部开关或由可编程逻辑控制器控制的电触点进行切换，这样可编程逻辑控制器的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载。矩阵输出注意：当使用矩阵输出时，在同一时间段开启的负载必须排列在同一行或同一列，否则无法控制。并行输出请注意，当可编程逻辑控制器输出点同时驱动多个负载时，应考虑可编程逻辑控制器输出点的驱动能力是否足够。多功能输出设备利用可编程逻辑控制器的逻辑处理功能，一个输出设备可以实现多种用途。一些输出设备可能无法进入可编程逻辑控制器系统中一些相对独立和简单的控制部分可以由PLC外部硬件电路直接控制。需要注意的问题上述一些常用的减少输入输出点数的措施仅供参考，在实际应用中应根据具体情况灵活使用。同时，应注意不要过多地减少可编程逻辑控制器的输入/输出点，以免使外部附加电路复杂化，从而影响系统的可靠性。5.4系统电源和接地设计一、系统电源设计系统供电设计是指PLC要求的供电系统设计，包括供电系统的一般保护措施、PLC供电模块的选择和典型供电系统的设计。1、供电系统保护措施PLC一般采用工频电能，电网的冲击和频率波动直接影响实时控制系统的准确性和可靠性。因此，为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，隔离变压器、交流稳压器、不间断电源、晶体管开关电源等。可广泛应用于可编程控制器供电系统。2.电源模块的选择可编程控制器中央处理器所需的工作电源一般为5V DC电源，而通用编程接口和通信模块需要5.2V和24V DC电源，由可编程控制器自身的电源模块提供。因此，应该考虑电源模块的扩展单元