PLC控制系统的应用与设计

1、PLC控制系统的应用与设计1.1PLC设计的基本原则和步骤一个实际的PLC控制系统是以PLC为核心组成的电气控制系统，实现对生产设备和工业过程的自动控制。PLC控制系统设计的好坏直接影响中这产品的质量和企业的生产效率，关系到企业的经济效益。英雌，在设计PLC控制系统时要全面了解被控制对象的组成、特点、要求，同时力求使控制系统简单、经济，并且使用及维护方便，同时还要保证控制系统安全可靠。PLC是一种特殊的计算机，在体系结构、运行，方式和编程语言等方面有别于普通计算机，因此在设计方法和步骤上有特殊性。用户在使用PLC进行实际系统设计的过程中，会自觉地遵循一定的方法和步骤。虽然不能要求必须先做什么，

2、后做什么，具体应该怎么做，但必须遵循一些共同的原则，是PLC应用系统的设计方法和步骤符合科学化、工程化和标准化的要求。1.1.1设计原则及方法1. 系统设计的基本原则在进行PLC控制系统的设计时，一般应遵循以下几个原则（1） 完全满足对象的要求。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控制系统最基本和最重要的要求，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，收集现场的资料和相关的国内、国外的先进资料。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） 在满足

3、控制要求和技术指标的前提下，尽量是控制系统简单、经济。保证PLC抠门男之系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计系统控制的重要原则。这就要设计者在系统设计、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。列如，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） 控制系统要安全可靠。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，设备的维护夜间个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，另一方面也要注意尽量降低工程的成本。这就要求

4、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面、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。（4） 在设计是要给控制系统的容量和功能预留一定的裕度，便于以后的调整和扩充。由于技术的不断发展，控制系统的性能要求也会不断的提高，设计时要适当考虑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 。2.设计的主要内容PLC控制系统的设计主要包括分析设计要求与工艺流程、PLC选型、程序设计与调试等几个方面。（1） 更具被控对象的特性及用户要求，拟定PLC控制系统的技术条件和设计指标，并写出详细的设计任

5、务书，作为整个控制系统设计的依据。（2） 参考相关产品资料，选择开关种类、传感器类型、电气传动形式、继电器/接触器的容量以及电磁阀等执行机构。（3） 选择PLC的型号及成宿存储容量，确定各种模块的数量。（4） 绘制PLXC的输入/输出端子接线图。（5） 设计PLC控制系统的监控程序。（6） 输入程序并调试，根据设计任务书进行测试，提交测试报告。（7） 根据要求设计电气柜、模拟显示盘和非标准电气元部件。（8） 编写设计说明书等设计文档。3.设计的主要内容（1）详细了解和分析被控对象的工艺条件，根据生产设备和生产过程的控制要求，分析被控对象的机构和运行过程，明确动作的逻辑关系（动作顺序、动作条件）

6、和必须要加入的连锁保护及系统的操作方式（手动、自动）等。（2）根据被控对象对PLC控制系统的技术指标，确定所需输入/输出信号点数，选配适当的PLC。（3）根据控制要求有规则、有目的地输入输/出点（I/O分配），设计PLC的I/O电气接口图（PLC的I/O口输入/输出设备的连接图）。绘出接线图并接线施工，完成硬件设计。（4）根据生产工艺的要求画出系统的工艺流程图。（5）根据系统的工艺流程图设计出梯形图，同时可进行电气控制柜的设计和施工。（6）如用编程器，需将梯形图转换成相应的指令并输入到PLC在中。（7）调试程序，先进行模拟调试，然后在进行系统调试。调试时可模拟用户输入设备的信号给PLC，输出设

7、备科暂时 不接，输出信号可通过PLC主机的输出指示灯监控通断变化，对于内部数据的变化和个输出点的变化顺序，可在上位计算机上运行软件的监控功能，查看运行动作时序图，或者借助于编程器的监控功能。（8）程序模拟调试通过后，接入现场实际控制系统与输入/输出设备联机调试，如不满足求，再修改程序或检查更改接线，直至满足要求。调试成功后做程序备份，同时提交测试报告。（9）编写有关技术文件（包括系统的操作方法、I/O电气接口图、流程图、程序及注释文件、故障分析及排除方法等），完成整个PLC控制系统的设计。以上是设计一个PLC控制系统的大致步骤。具体的系统设计要根据系统规模的大小、控制要求的复杂程度、控制程序步

8、数的多少来灵活处理，有的步骤可以省略，也可以进行适当的调整。4.设计任务书的确定生产工艺流程的特点和要求是设计PLC控制系统的主要依据，所以必须详细了解和分析对象的特性。设计任务计划书一般应包括一家几个方面:（1） 控制系统的名称（2） 控制系统的任务和范围。再设计任务书中指明控制对象的范围，必须完成的动作，包括动作时序和方式（手动/自自动、点动、间断、连续等）等。（3） 检测和控制的参数表（I/0分配表）。根据工艺指标、操作要求和安全措施等确定检测点和控制点的含义、数量、量程、精度、特性、安装位置等。一般在满足控制要求和技术指标的前提下，检测点和控制点应尽可能地少，冰球精度要求也应以满足实际

9、需要为准，否则将使控制系统复杂化，增加系统成本。（4） 确定系统中参水之间的关系。明确在控制过程中各输入/输出量之间的先后顺序和逻辑关系。1.1.2 PLC的选型PLC是一种通用的智能化工业控制设备，其档次和功能能面向各种的应用，众多的生产厂家提供了各种系列且功能各异的产品。目前常见的国内外PLC产品的型号有几百种。这为用户提供了广泛的选择余地，但也给一般用户的选型带来一些不便，下面简要介绍了如何合理的进行选型，以组成经济适用的控制系统。1.PLC的形式与规模的选择PLC的选型前提是在功能上应满足生产过程的工艺要求。对于只含有开关量控制的系统，一般的小型PLC即可满足要求，不需要特别考虑PLC

10、的扫描速度。如果被控对象以开关量控制为主只有少量的模拟量控制，则可考虑少容量、高性能的机型。这类PLC除了开关量控制处理，还具有较强算数运算和数据处理等功能。对于模拟量控制的系统选型时，就需要考虑PLC的扫描速度。复杂的控制系统一般含有较多的开关量输入/输出、PID运算、闭环控制和快速响应等功能，但价格较高。对于更复杂的控制系统，其控制点既多又分散，一般要求较快的响应速度，并具有数据处理、文件管理、分析决策等功能，就要选用具有通信联网等功能的PLC系统，已组成分布式工业控制网络。2.PLC的选型与容量的选择（1）PLC机型的选择根据控制系统的功能要求和容量来选择PLC ，首先是PLC生产厂家的

11、选择，在完成相同功能的情况下，选择厂家在考虑可靠性的同时兼顾经济性。接下来根据生产厂家提供的技术资料选择机型，注意考虑输出类型（如晶体管型、继电器型和晶闸管型）、I/O点数和工作电源等。如果电气控制柜还需与其它控制柜联网运行，选型时还需考虑有无联网功能。对于工艺过程相对稳定、使用环境相对较差的场合，宜选用整体式PLC。对于较复杂的系统，可选用模块式PLC，以便于调整、扩充以及快速方便地判断与处理故障。此外，对于一个生产企业而言，应尽量使用机型统一，以便于系统的设计、管理、使用、扩展和维护。（2）PLC容量的选择1.I/O点数的估算根据被控对象的输入信号的总点数，再考虑15%20%的备用容量，以

12、便以后的调整和扩充。2.用户程序存储器容量的估算用户程序存储器容量与许多因素有关，如I/O点数、运算处理量以及程序的结构等，因此不可能预先准确的估算出程序容量，只能作粗略的估算。一些项目所占用的存储空间可根据表7-1中的原则进行估算。表7-1程序存储器容量的配置原则项目配置容量项目配置容量开关量输入510步/点定时器/计数器35步/个开挂量输出35步/点通信接口200步/点模拟量输入/输出5080步/通道数据处理510步/量最后按所所估算的总步数在加100%的备用量。需要注意的是，有些小型PLC的用户程序存储器容量时固定的，在选择使要充分考虑。3.开挂量输入/输出模块的选择不同的开关量I/O模

13、块的电路组成不同，开挂量I/O模块的选择主要是依据点数、电路结构、电压形式、电压范围等方面。（1） 开关量输入模块的选择PLC的开关量输入模块用来检测来自现场（如按键、行程开关、接近开挂等）的通断信号，并经过隔离。对开关量输入模块，主要是选择点数和输入电压形式，输入电压一般有24V的直流和110V或220V的交流。选择输入模块应考虑一下几点：1） 输入模块的工作电压应尽量与现场的输入设备（有源的）一致，这样就可以省掉转换环节。2）高密度的输入模块，如32点或64点，应受工作电压，工作电流和环境温度的限制一般可同时接通的点数不得超过该模块输入点数的60%。3） 注意输入信号的类型及电压等级。开关

14、量输入模块有直流输入、交流输入好和交流/直流输入三种类型，选择时主要考虑现场的输入信号的周五环境等因素。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；交流输入模块的可靠性好，适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。开关量输入模块的输入电压等级有直流5V、12V、24V、48V、60V等以及交流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用在传输距离较近的场合，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。4）注意输入接线方式。开关量输入模块主要有汇点式的开关量输入模块的所有输入点共

15、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，各组之间是分割的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间要分隔，一般选用汇点式的。5）注意同时接通点数量。UI与选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑莫开同时接通的点数一般不要超过点数的60%.6）注意输入门槛电平。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的使用手册。（2）开关量输入模块的选择PLC的输出模块是将其内部的低电平控制信号经隔离后转换成外部所需电平的输出信号以驱动外部负载，并实现

16、PLC内部信号的电气隔离。对开关量输出模块，主要是选择其点数和输出方式。选择时主要应考虑一下几个方面:1） 输出方式继电器输出可使用任意交流或直流工作电源，价格相对便宜，输出电压适应范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，具有隔离作用。但继电器触点的响应速度慢，工作寿命较短，适用于动作不频繁的交直流负载，在驱动感性负载时，最高通断频率不超过1Hz。晶体管（使用直流工作电源）和晶闸管输出（使用交流工作电源）都为无触点开挂输出，适用于驱动频繁的负载。此外还要注意具体的输出方式。开挂量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式。分组式输出低几个输出点为一组，一组有一个公共端，各输出点之间相

17、互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型的电压等级而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。2） 输出电压（电流）输出模块的输出电压（电流）必须大于负载电压（电流）的额定值，并留有足够的余量。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外接输出设备的而定电流。用户根据实际输出设备的电流的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的，输出模块无法直接驱动，可在增大中间放大环节，常见的放大环节可采用接触器、晶闸管多固态继电器。4） 允许同时接通的输出点数选择开关量输出模块时，还应考虑同时接通的输出的数量。不但要看一个输出点的驱动能力，还要保证不超过公

18、共端（COM端）所允许的电流值。同时接通输出设备的累积电流值必须小于公共端所允通过的电流值，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个公共端输出点数的60%。4.模拟量输入/输出模块的选择1）模拟量输入模块的选择电源模块的选择仅对于模块式PLC而言，对于整体式PLC不存在这样的情况。电源模块的选择主要考虑电源输出而定电流的电源输入电压。电源模块的输出而定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等小号电流的总和，同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入

19、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够成的复杂系统或需要在线编程的PLC系统，可选配功能强、编程方便的智能编程器，但智能编程器价格较高。如果有现成的计算机，也可以选用PLC的编程软件，在计算机上实现编程、调试和监控的功能。3） 写入器的选择为了防止有与干扰器或锂电池电压不足而破坏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/EEPROM中。当然有些PLC货其他编程器本身就具有EPROM/EEPROM写入的功能。以上简要的介绍了PLC选型的一般依据和通常需考虑的

20、几个因素，设计者应根据实际的需要综合考虑，选择性能价格比较社和的产品，完全满足被控对象的控制要求，充分发挥PLC 的功能，并兼顾到系统的可扩充性。7.机型尽量统一对于生茶企业而言，应尽量做到PLC的机型统一，主要是基于以下3个方面的考虑。（1） 机型统一时模块可以互为备用，便于备品、备件的采购和管理。（2） 机型统一则功能和使用方法类似，有利于技术人员的培训和技术水平的提高。（3） 机型统一时其外部设备通用，资源科共享，易于互联网通信，配置上位计算机易于够成分布式控制系统。7.1.3系统设设计PLC应用系统的设计一般包括硬件设计和软件设计两部分，硬件设计一般相对比较简单，通常在输入/输出选型后

21、将外部设备连到PLC即可。软件设计通常是用梯形图将控制任务描述出来，实现相应的控制功能。所以画梯形图（即软件设计）是PLC应用系统设计的核心任务，在设计时可以从以下几个方面考虑：1. PLC程序的内容PLC应用程序应最大限度地满足被控对象的控制要求，在构思程序主题的框架后，要以它为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序。进过不断的调整和完善。使程序能完成所有功能的控制功能。PLC应用程序通常应包括以下价格方面的内容：（1）在PLC上电后，一般都要最一些初始化的操作。其作用是为启动做必要的准备，并避免系统发生误动作。初始化程序的主要能容包括将某些数据去和计数器进行清零、是某些数据去回复所有

22、数据、对某些输出量置位或复位一件显示某些初始状态等。（2）检测、故障和显示程序应用程序一般都设有检测、故障诊断和显示程序等内容。这些内容可以在程序设计基本完成时在进行添加，也可以是相对独立的程序段。（3）保护和连锁程序在各种应用系统中，保护和连锁是不可缺少的部分。它可以杜绝由非法操作而硬气的控制逻辑混乱，保证系统的运行更安全、更可靠。因此在程序设计中要认真考虑保护和连锁的问题。同时在PLC外部通常也需要设置连锁和保护措施，如电动机正反转控制中两个接触器的互锁等。2. PLC程序设计的要求对你同一个控制要求，即使选用同一个机型的PLC，用不同的设计方法所编写的程序，其结构也可能不同。尽管几种程序

23、都可以实现同一控制功能，但程序的质量却可能差别很大。一个陈工序的质量可以由一下几个方面来衡量：（1） 程序正确性应用程序的好坏，UI根本的一条就是正确。所谓正确的程序必须能经得起系统运行实践的考验，离开这一条对成需所做的评价都是没有意义的。（2） 程序的可靠性好的应用程序可以保证系统在正常和非正常（短时掉电再上电、某些被控量超标、某个环节出故障等）工作条件下都能安全可靠的运行，也能保证在出现非法操作（如按动或误触动不该动作的按钮）等情况下不至于出现系统控制失误。（3） 参数的调整性PLC控制的优越性之一就是灵活性好，容易通过修改程序或参数而改变系统的某些功能。例如，有的系统在一定情况下需要变动

24、某些控制量的参数（如定时器或计数器的设定值等），在设计程序时必须考虑怎样编写才易于修改。（4） 程序的简练编写的程序尽可能地简练，减少程序的语句，一般可以减少程序的扫描时间，提高PLC对输入信号的响应速度。当然，如果过多的使用那些执行时间较长的指令，有事虽然程序的语句较少，但是其执行时间也不一定短。（5）程序的可读性 程序不仅个设计者看，系统的维护人员也要看。另外，为了有利于交流，也要求程序有一定的可读性。3. PLC程序的设计方法在确定了PLC的程序结构后，就要具体地设计程序了。编写PLC控制程序的方法很多，这里主要的介绍了鸡枞典型的编程方法。（1） 图解法编程图解法是靠画图来进行PLC 程

25、序设计。常见的主要有梯形图法、逻辑流程图、时序流程图和步进顺控法。1）梯形图法：梯形图法是梯形图语言去编程PLC程序。这时一种模仿继电器控制系统的编程方法。其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。这种方法很容易就把原继电器控制方法移植成PLC的梯形语言。对于熟悉继电器控制方法的人来说，这时最方便的一种编程方法。2）逻辑流程图法：逻辑流程图法是用逻辑框图来表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。逻辑流程图法是吧系统的工艺流程用逻辑框图来表示出来。这种方法编写PLC控制程序逻辑思路清晰，输入与输出的因果关系及连锁条件明确。逻辑流程图会使整个陈谷脉络清楚，便于分析控制程序、查找故障点和

26、调试程序。有事对一个复杂的程序，直接用语句表和用梯形图编写相应的程序。3）时序流程图法：时序流程图法是首先画出控制系统的时序图（即带某个时间应该进行哪项控制的控制时序图），在根据时序关系画出对应的控制人物的程序框图，最后把程序框图转换成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程。4）步进顺控法：步进顺控法是在顺空指令的配合下设计复杂的控制程序。一般比较复杂的程序都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从总体上看，一个复杂的控制过程是由这样若干个环节组成的。控制系统的任务可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个环节的控制。为此，不少P

27、LC生产厂家在自的PLC中怎家了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便的编写控制程序。（2）经验编程法经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。多数的设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“实验程序”。结合自己工程的实际情况，对这些“实验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说及经验，有的是来自自己的经验的总结，有的可能是别人的设计实验，需要日积月累，善于不断总结。（3）计算机辅助设计编程计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、在线调试。很多制造商能提供计算机上进行软件仿真的软件包，是程序色设计和调试

28、更加简便、此外，使用编程软件可以十分方便地在计算机上实现程序的存取、加密等文件的管理功能。（4）移植设计法移植设计法是指在原来的继电器控制系统原理图的基础上经过等效处理而得到的梯形图的方法，相应的步骤编程包括以下几个方面：1）分析原有系统的工作原理，了解被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。2）PLC的I/O分配。确定系统的输入设备和输出设备，进行PLC的I/O分配，画出PLC 的外部接线图。3）建立与其他元件的对应关系。确定继电器电路图中的中间继电器、时间继电器等各器件与PLC中的辅助继电器和定时的对应关系。以上2）和3）两步建立了继电器电路图中所有元器件与PLC内部编程元件的对应关系，对于移植设计法而言，这非常重要。在这个过程中应该处理好以下几个问题：继电器电路中执行元件应与PLC的输出继电器对应，如交直流接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯等；继电器电路中的中间继电器与PL的输入继电器对应，如按钮、位置开关、选择开关等。热继电器的触点可作为PLC的输入，也可接在PLC的外部电路中，主要是看PLC的输入点是否吗“富裕”。其中特别需要注意处理好PLC的辅助继电器对应；继电器电路中的中间继电器与PLC的辅助继电器对应；继电器电路中的时