PLC控制系统的结构与设计课件

1、PLC控制系统的结构与设计中南大学本科生学术研修论文题 目PLC控制系统的结构与设计学生姓名指导教师学 院专业班级学 号完成时间2012年2月16日目 录摘 要3第一章 PLC系统概述3第二章 PLC的结构组成与工作原理32.1 PLC的结构组成32.2 PLC的工作原理 4第三章 系统设备选型43.1 PLC 机型的选择53.2 I/O的选择53.3 存储器类型及容量选择63.4 控制柜的内外布线6第四章 PLC控制系统的设计64.1 PLC控制系统的硬件设计64.2 PLC控制系统的软件设计7第五章 PLC控制系统的可靠性分析与设计85.1 影响PLC控制系统可靠性的因素85.2 可靠性设

2、计8第六章 PLC的优点10第七章 结束语11参考文献11摘要：近些年来，工业生产的发展速度逐步增快，生产过程中的操作控制难度也随之增加。PCL=Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器，这是一款专门针对工业生产而设计以微处理器为核心的电子操控系统。本文首先简单介绍PLC程序的设计的基本结构、特点以及PLC的工作原理，探讨了PLC控制系统的总体结构与硬件设计，最后再简单分析我国目前有关PLC的应用情况。关键词：PLC基本结构；PLC原理；PLC应用；PLC选型；硬件设计。第一章、 PLC系统概述可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Co

3、ntrorler，简称PLC）是以微处理器为基础发展起来的，集自动化技术、计算机技术、通信技术、先进制造技术为一体的新型工业自动控制装置。由于其抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性能价格比高，可以通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、功能强、可靠性高、抗干扰能力强以及应用安装方便等优点，已成为当代工业自动化领域中的主导，是现代工业自动化的三大支柱（PLC 技术、机器人、计算机辅助设计和制造）之一。PLC 是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。在现代化工业生产设备中，有

4、大量数字量及模拟量的控制装置。如电机的启停，电磁阀的开关，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC 技术是解决上述问题最有效、最便捷的工具，因此PLC 在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC 控制系统设计中的问题进行探讨。第二章、PLC的结构组成与工作原理2.1 PLC的结构组成（1）进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作的中央处理器。（2）用于存放系统的监控程序、用户程序、逻辑变量和一些其他信息的存储器。（3）接口电路。它是PLC 与现场设备以及外围设备的联系通道，如输入/输出接口、键盘/显示接口、通信接口和扩展接口等。（4）输入/输出电路。输入电路用来对输入信号进行隔离和电平

5、转换；输出电路用来对PLC 的输出结果进行放大和电平转换，驱动现场设备。（5）电源。包括系统电源、备用电源和掉电保护电源等。2.2 PLC 的工作原理PLC 采用了一种顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即扫描方式。它不同于一般的微型计算机的运行方式，它在一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开时，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等到扫描到该触点时才会动作。通常包括三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。（1）输入采样阶段在此阶段PLC 以扫描的方式顺序读入各个接口的状态和数据，并将它们存入I/O 映像区中的相应单元内。并在用户程序运行阶段和输出刷新阶段保持不变，只有到了下一个周期的采样阶段才会

6、根据实际的变化对I/O 映像区作相应的改变。因此若输入的是一个脉冲信号，则必须保证脉冲信号的宽度大于一个扫描周期，才能保证脉冲的有效输入。（2）用户程序执行阶段PLC 总是按照由上而下的顺序依次扫描用户程序，在每一条梯形图中，又总是按照先左后右、先上后下的顺序对各触点构成的控制线路进行逻辑运算。然后根据运算结果，对输出点的逻辑线圈在系统RAM中的存储状态或I/O 映像区状态进行刷新，而且在本扫描周期内只对排在梯形图下面的线圈或数据起作用，排在上面的线圈或数据只能在下一个扫描周期才会进行刷新，这就是扫描技术的最大特点。（3）输出刷新阶段在一个扫描周期结束后，CPU 根据用户程序执行完后I/O映像

7、区内的各个模块对应的状态和数据对所有的输出锁存电路进行刷新，然后驱动输出电路输出到相应的外设，此时才是PLC一个控制周期的结束。第三章、系统设备选型虽然PLC是专门为工业现场设计的，抗干扰性、可靠性已得到充分的保证，但在实践中发现，各种牌号的PLC抗干扰能力还是有区别的。有些品牌PLC的抗干扰能力差强人意，设计系统时就要加强电源的滤波与接地。PLC的选用应尽量避免选用新出品的型号，因为新型号的PLC未经长时间的实践应用，有些设计的缺陷不容易在试验中反应出来。就象电脑软件中的BUG一样。控制系统遇到的这种问题是可大可小的。经过3年市场考验的PLC是比较可靠的。PLC的选型要尽量系统化、通用化。不

8、同厂家的PLC固然不能通用，就是有些同一厂家的不同系列PLC之间的通用性也很差。相同的编程器、通信接口、编程软件和通信协议会给设计者、使用者带来很大方便。PLC的选型要注意输入输出点数留有一定的余量，特别是新设计的系统。新设计的系统可能由于考虑欠周到，或者出于新增某些功能都需要额外的输入输出点。没有足够输入输出的PLC会导致控制系统的大改变，在时间上的损失往往比更换PLC浪费的费用大许多倍。另外接线端子亦需留出一定的余量。PLC 最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器、机群或一个生产过程。不同型号的PLC 有不同的适用范围。3.1 PLC 机型的选择PLC 机型选择的基本原则是在满

9、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）合理的结构形式PLC 主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式PLC 每个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,且维修方便，一般用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；多台PLC 联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又

10、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PLC 具有逻辑运算、定时、计数等功能，对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。（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。（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。3.2 I/O 的选择PLC 与工业生产过程的联系是通过I/O 接

11、口模块来实现的。PLC 有许多I/O 接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。确定I/O 点数：根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O 点数和I/O点的类型统计，列出清单。控制系统要求确定所需要的I/O 点数时，应再增加10% -20% 的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O 点数也有所不同。3.3 存储器类型及容量选择PLC 系统所用的存储器基本上由PR O M 、EPR O M 及R A M 三种类型组成。使用时可以根据程序及数据的

12、存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。PLC 存储器容量选择和计算的一种方法是根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照经验公式来估算。3.4 控制柜的内外布线布线对PLC系统的影响是很大的。布线不好很容易把外界干扰引入PLC内，从而导致系统故障。柜外布线要避免强电与弱电混合走线。弱电输出线与信号输入线要分开。如果在实际操作中没有办法分开，信号输入线则应采用屏蔽线并可靠接地。无论是地沟走线或者是管道走线都应留有足够的备份线，各条线要做好标记。柜内布线同样要避免不同功能线的混布，不同功能的线应该用不同颜色区分，以便

13、检查、维护保养。模拟信号线应用屏蔽线。控制柜的接地也是不能忽略的，良好的接地能有效地减少干扰信号。第四章、 PLC控制系统的设计4.1 PLC 控制系统的硬件设计硬件设计是PLC 控制系统至关重要的一个环节，这关系着PLC 控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。大功率感性负载的通断会引起火花，火花的频带包含低频到高频，容易对PLC造成干扰。消火花电路可有效减少火花带来的干扰，直流电路可在负载并联继流二极管，交流电路可在负载并联阻容或压敏电阻。大功率电动机起动时会对电网造成干扰，多个电机同时起动时尤甚。干扰信号通过电网进入PLC，不利于系统可靠稳定运行。除了加强电源滤波外，如果允许，在程序设计时

14、应该错开几个电机的起动时间。当PLC发生异常或者故障时，需要保证系统也能安全地停止工作。主要包括输入和输出电路两部分。4.1.1 PLC 控制系统输入电路设计PLC 输入电路电源一般采用24V D C,同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC 安全至关重要，因为该电源过载或短路都将影响PLC 的运行，一般选用电源容量为输入电路功率的两倍，PLC 输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。4.1.2 PLC 控制系统输出电路设计根据生产工艺要求，各种指示灯、变频器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短，如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，

15、应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。4.2 PLC 控制系统的软件设计在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC 应用最关键的问题，程序编写是软件设计的具体表现。在软件设计方面，可以采取输入点滤波、输出点备份、增加工艺流程冗余、通信数据校核、停电记忆等措施提高系统运行的可靠性。4.2.1 PLC 控制系统的程序设计思想由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序和模块化程序。基本程序既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序。模块化

16、程序是把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。4.2.2 PLC 控制系统程序设计要点PLC 控制系统I/O 分配，依据生产流水线从前至后，I/O 点数由小到大。尽可能把一个系统、设备或部件的I/O 信号集中编址，以便于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC 工作运行的可靠性。程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位，也要统一编号，进行分配。在地址分配完成后，应列出I/O 分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排

17、。4.2.3 PLC 控制系统编程技巧PLC 程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程必须遵循的原则。PLC 各种触点可以多次重复使用，无需用复杂的程序来减少触点使用次数。同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必须是双线圈输出，可以采用置位和复位操作。模块化编程思想的应用，我们可以把正反自锁互锁程序封装成为一个模块，正反转点动封装成为一个模块，在PLC 程序中可以重复调用该模块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC 程序的编制。第五章、 PLC控制系统的

18、可靠性分析与设计5.1 影响PLC控制系统可靠性的因素PLC控制系统通常由PLC和生产现场设备组成。PLC包括中央处理器、主机箱、扩展机箱及相关的网络与外部设备；生产现场设备包括继电器、接触器、各种开关、极限位置、安全保护、传感器、仪表、接线盒、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。它们当中任何一个出现故障都会影响系统正常工作。因此，分析其对系统可靠性影响的程度，是进行可靠性设计、提高控制系统工作可靠性的重要依据。就PLC本身而言其工作可靠性是非常高的。以三菱的F1，F2，FX系列为例。据称其平均无故障工作时间可达30万小时。有资料表明，在PLC控制系统故障中，PLC的故障仅占系统故障的5

19、 ，PLC控制系统的故障主要发生在生产现场设备中，通常占系统故障的95 ；与PLC相接的输入、输出设备的可靠性是影响PLC控制系统可靠性的主要因素。5.2 可靠性设计对于一个电控系统来说，可靠性设计的主要任务是预测和预防系统所有可能发生的故障，确定系统潜在的隐患和薄弱环节，通过设计预防和设计改进，有效地消除隐患和薄弱环节，使系统达到规定的可靠性要求。可靠性设计的方法通常包括：制定和贯彻可靠性设计准则、元器件、零部件的正确选择与使用、降额设计、冗余设计、耐环境设计、热设计、电磁兼容设计、动态设计(健壮设计)等内容。PLC作为一种高可靠性的控制装置，在其所组成的控制系统中，系统的可靠性主要取决于与

20、它的输入、输出端相连接，处于生产现场的输入信号元件、输出执行元件的可靠性。因此，采用高质量的元器件，对故障率较高的元器件进行状态监控和故障诊断，充分利用PLC内部丰富的软元件代替某些元器件或者屏蔽输入的误信号，对关键部位采用冗余设计以确保工作可靠等，都是提高PLC控制系统可靠性的有效措施。（1）尽量使用成熟技术和高质量元器件。防范和化解故障风险所谓“成熟技术”，是指所选用的PLC和类似的系统设计，经历过一定的生产实践考验，设计人员对需使用的技术有经验或有掌握它的能力。一般来说，设计一个PLC控制系统，使用的成熟技术要占75 以上。因为控制系统一旦投入运行，就很难有机会反复修改。在设计的硬件电路

21、和软件程序中，如果存在某种欠缺，可能一直隐藏在系统中，不为人知。当遇到使其发生破坏作用的条件时，后果就非常严重了。只有选择高质量的元器件，才能使系统达到高的可靠性要求。元器件的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性主要靠元器件的设计和制造来保证，使用可靠性则靠设计者正确的选择和使用来保证。因此，必须重视正确选择和使用元器件，优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途且供应渠道可靠的标准元器件。（2）设计故障检测程序。提高系统工作可靠性1）时间故障检测法控制系统工作循环各工步的运行一般都有严格的时间规定，以这些时间为参数，在要检测的工步动作开始的同时，起动一个定时器，监测其工作状态。

22、定时器的设定值，为该工步动作所需要的最大可能时间。若动作在规定时间内完成，发出一个完成信号，使定时器清零，表明监控对象工作正常；否则，发出报警信号，停止正常工作循环程序。2）逻辑错误检测法在PLC控制系统工作正常时，各输入、输出信号和中间记忆装置之间存在确定的逻辑关系，一旦出现异常逻辑关系，必定是控制系统出现故障。因此，可以预先编写一些常见故障的异常逻辑程序加到用户程序中。当这种逻辑关系实现状态为“1”时，必然是出现了相应的设备故障，即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，实现报警、停机等控制。（3）利用PLC内部定时器屏蔽输入的误信号PLC经常用于控制生产机械的运动。有些机械的运动速度均匀

23、，运动行程与时间关系确切。以自动循环控制中某行程开关为例，在每一个循环中，它总是在同一时刻动作，发出信号。由于现场工作条件恶劣，实际操作中可能因为振动等原因产生误信号，使系统误动作。如果编程时，用两个内部定时器，限定PLC只在该开关正常发信号的时间内采样，屏蔽掉其他时间内可能发出的误信号，就可提高PLC输入信号的可靠性。（4）PLC内部定时器与外部元器件结合，某些关键部位进行双重保护为了提高PLC控制系统的可靠性，对关键的故障或关键的部位要在硬件和软件上设置双重保护。以某自动焊接机的燃烧供气系统控制为例，燃气(乙炔或丙烷)的关火顺序(先关燃气，后关氧气)不能颠倒，否则可能回火，引起爆炸。通常氧

24、气延时关断的时间由外接的时间继电器KT来调定。但是，如果该时间继电器本身故障或操作失误导致氧气关断延时太少，就可能颠倒关气顺序。为确保燃烧供气系统安全可靠，可设定一个PLC内部定时器Tn作氧气延时关断的双重保护。正常时，氧气电磁阀由外部继电器KT控制，若KT发生故障或设定时间太短，T0会自动使氧气电磁阀延时关断，起到双重保护的作用。（5）合理配置PLC及其硬件和软件资源冗余在设计中大型PLC控制系统时，可能要采取多种方式的冗余，以确保系统运行可靠。如在核电站、有毒有害的化工生产环境，中央处理器的双机热备、冷备冗余，是最常见方式。另外，双系统冗余即中央处理器和全部输A输出、组网通信完全冗余，有时

25、也是必不可少的。对于设计的新系统，硬件和软件资源不能占用耗尽，硬件上至少保留15左右的冗余。在编制软件时，同样要注意估计用户软件对PLC和计算机资源的需要与用量。尤其是中间继电器、中间数据如计数器、定时器的使用，要留有余地。因为程序在调试运行后，难免会提出修改、补充意见，有时甚至重新编写。在PLC本身可靠性很高的情况下，影响PLC控制系统可靠性的主要因素是与PLC接口的输入信号元件和输出执行元件。通过采用成熟技术和高质量元器件，充分利用PLC内部软元件，设计PLC控制系统故障检测与诊断程序，屏蔽输入元件的误信号，防止输出元件误动作，对关键元器件实行软、硬件双重保护，合理配置PLC及其硬件和软件资源的冗余等措施，就可以确保控制系统安全可靠地运行。第六章、PLC的优点（1）成本低PLC成本低的主要原因是不需要额外布线，因其内部配置