PLC的应用开发基础

电气控制与PLC应用技术——第7章PLC的应用开发基础本章主要内容7.1PLC控制系统设计的基本原则与步骤7.2PLC的选型及硬件配置7.3PLC外部电路的设计7.4PLC系统的抗干扰措施

7.1PLC控制系统设计的基本原则与步骤7.1.1PLC控制系统设计的基本原则1、最大限度地满足控制要求2、力求简单、经济、使用与维修方便3、保证系统的安全可靠

4、适应发展的需要7.1.2PLC控制系统设计的一般步骤7.1.2PLC控制系统设计的一般步骤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PLC

4.分配I/O点并设计PLC外围硬件线路5.程序设计

6.硬件实施

7.联机调试

8.整理和编写技术文件，交付用户使用7.2PLC的选型及硬件配置7.2.1PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则应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.合理的结构形式2.安装方式的选择

3.相应的功能要求4.响应速度的要求

5.系统可靠性的要求

6.机型尽量统一7.2.2PLC容量的确定1.I／O点数的选择PLC的I/O点的价格还比较高，因此在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少，但必须留有10％～15％的裕量。2.存储容量的选择在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％～30％的裕量。存储容量(字节)＝开关量I/O点数×10＋模拟量I/O通道数×1007.2.3PLC模块的选择1.I/O模块的选择

（1）开关量输入模块的选择①输入信号的类型及电压等级的选择常用的开关量输入模块的信号类型有三种：直流输入、交流输入和交流／直流输入。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等来考虑。PLC的开关量输入模块按输入信号的电压大小分类有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；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。7.2.3PLC模块的选择

②输入接线方式选择

图2输入的接线方式7.2.3PLC模块的选择③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数一般不要超过输入点数的60％。④输入门槛电平

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说明书。7.2.3PLC模块的选择（2）开关量输出模块的选择①输出方式的选择开关量输出模块有三种输出方式：继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。◆继电器输出的价格便宜，可以驱动交、直流负载，适用的电压大小范围较宽、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但它属于有触点元件，其动作速度较慢、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。◆对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

7.2.3PLC模块的选择

②输出接线方式的选择图3输出的接线方式7.2.3PLC模块的选择③输出电流的选择应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流（驱动能力）。④注意同时接通的输出点数量同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值。一般而言，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。

⑤输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关PLC的输出技术性能指标与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。7.2.3PLC模块的选择(3)模拟量I/O模块的选择

模拟量输入(A/D)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PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量I/O模块的量程为-10V～+10V、0～+10V、4～20mA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。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平信号（如RTD、热电偶等信号）。

7.2.3PLC模块的选择2.特殊功能模块的选择3.电源模块及其它外设的选择

★电源模块的选择

★编程器的选择

★写入器的选择7.2.4PLC的扩展及I/O地址1.扩展设备的组成方式FX2N系列PLC各种扩展设备的组合方式有如下几种：①FX2N系列的扩展单元、扩展模块。②FX0N系列扩展模块、特殊模块（不能接FX0N系列的扩展单元）。③“FX2N—CNV—IF型转换电缆”＋“FX1、FX2系列的扩展单元、扩展模块、特殊单元、特殊模块”。④可用“方式①＋方式②”，“方式①＋方式②＋方式③”（注意：“方式③”后面不能再挂“方式①”或“方式②”）。7.2.4PLC的扩展及I/O地址

图4FX2N系列PLC扩展设备配置实例7.2.4PLC的扩展及I/O地址2.扩展设备台数的确定（1）I/O总点数的确定基本单元上连接了扩展设备后应满足以下要求：①输入点数小于184点；②输出点数小于184点；③输入、输出的总点数不超过256点。若基本单元上还接了特殊单元、特殊模块，则输入、输出总点数限定在n点以内。n＝256（最大总点数）－8（每台特殊单元、特殊模块占有的点数为8，但不占I/O地址号）×使用台数7.2.4PLC的扩展及I/O地址（2）电源容量的计算

PLC的基本单元和扩展单元以及特殊单元都自带电源，扩展模块则需要由外部供给24VDC电源，特殊模块需要由外部供给5VDC电源。基本单元和扩展单元在连接扩展模块或特殊模块时，要注意将连接的台数控制在基本单元和扩展单元电源容量能承受的范围内。即：各模块消耗的电源容量必须小于供给的电源容量。

7.2.4PLC的扩展及I/O地址3.I/O地址号的分配当PLC的基本单元加入扩展单元或扩展模块后，其输入继电器（X）和输出继电器（Y）的地址从基本单元开始，按扩展单元或扩展模块的连接顺序，用八进制数顺序编号。4.特殊功能模块的地址分配特殊功能模块使用FROM（78）/TO（79）应用指令，进行数据交换。它们不占输入继电器（X）和输出继电器（Y）的地址编号。它们的地址分配是从距离基本单元最近的特殊功能模块开始，按NO.0～NO.7的顺序分配编号。每个FX2N基本单元最多可连8个特殊功能模块。7.2.4PLC的扩展及I/O地址5.扩展设备的配置实例图4为FX2N系列PLC扩展设备的配置实例。通过对上述各项指标进行计算，以验证该配置是否可行。

（1）I/O点数的验证（2）24VDC电源容量的验证（3）5VDC电源容量的验证

7.3PLC外部电路的设计■

7.3.1I/O连接设计1．开关量输入连接PLC的输入灵敏度与接口电路的设计以及限流电阻的选择有关，一般来说，光电混合器件的一次侧驱动电流在4.5mA以上。为了保证输入的可靠性，当PLC的输入线路中串联(或并联)有二极管、电阻时，需要保证信号为ON时的电流在5～7mA，信号为OFF时，输入漏电流在1.5mA以下。开关量输入主要有直流输入与交流输入两种形式，并以直流输入最为常用。开关量输入可以分“漏型输入”与“源型输入”

两种类型。一般来说．日本生产的PLC采用“漏型输入”的形式居多，而欧洲各国生产的PLC习惯上采用“源型输入”的形式。7.3.1I/O连接设计（1）直流负端共用汇点输入（漏型输入）图5漏型输入接线图7.3.1I/O连接设计

(2)直流正端共用汇点输入（源型输入）图6源型输入接线图7.3.1I/O连接设计

(3)交流源型输入图7交流输入点电路原理图7.3.1I/O连接设计2．开关量输出连接（1）继电器触点输出继电器触点输出可以用于驱动交流负载和驱动直流负载；允许负载电压一般为AC250V、DC50V以下，负载电流可达2A，容量可达80～100VA(决定于负载性质)。图8继电器接感性负载时的接线图7.3.1I/O连接设计（2）直流晶体管输出主要优点是响应时间快(一般在0.2ms以下)、使用寿命长，与系统其他控制装置进行电子线路连接时，采用晶体管输出可以显著提高处理速度。图9直流晶体管输出接线图

7.3.1I/O连接设计（3）双向晶闸管输出双向晶间管输出用于驱动交流负载，可以实现“无触点通/断”。输出的响应速度比继电器触点高。图10双向晶体管输出接线图7.3PLC外部电路的设计■7.3.2可靠性设计1．供电系统可靠性设计（1）PLC基本电源设计

PLC的基本电源一般有ACl00V／240V和DC24V两种类型。为了抑制线路干扰，对于交流ACl00V／240V供电的PLC，原则上应在电源输入回路加入隔离变压器、浪涌吸收器或者采取稳压措施。PLC的输入电源要与设备动力电源、交流控制回路电源、交流输出电源分离配线，并具有独立的保护回路与独立的隔离变压器。对于直流DC24V供电的PLC，原则上应采用稳压电源供电；PLC输入电源要与设备直流动力电源、直流控制回路电源、直流输出电源分离配线。当系统采用模块化结构时，电源模块的容量应保证满足PLC系统对电源容量的要求，并且留有20％～30％的余量。■7.3.2可靠性设计（2）I／O装置外部电源

I/O外部电源是指用于PLC源型输入模块、PLC输出模块、输入传感器、输出执行元件的电源。用于PLC输出信号的外部电源与PLC的输出形式与负载要求有关，可以是交流，也可以是直流。特别在当采用继电器接点输出时，电源要求完全决定于负载。（3）PLC总供电系统PLC总供电系统基本设计应注意如下几个方面：①在系统中，与PLC有关的全部电源，均可以通过设备的总电源开关进行分断，实现与电网的隔离。②在设备总电源接通后，无须其他启动操作即可立即投入工作，以便控制系统对控制对象实施有效的监控。②对于同时使用基本单元与扩展单元的控制系统，扩展单元的电源应与基本单元的电源同时接通。■7.3.2可靠性设计④用于PLC输入信号的外部电源，可以与PLC基本电源共用，但回路中必须安装独立的保护器件(如断路器等)。⑤当用于PLC输入信号的外部电源独立设置时，此电源应在设备总电源接通后，立即投入工作。⑥用于PLC输出信号的外部电源，可以与输入电源共用或进行独立设置。对于组成复杂、执行元件较多的控制系统，根据需要可设置多个电源。⑦当PLC输出使用公用外部电源时，应根据输出对象的不同，分类设置多路保护，且每一类输出的电源接通次序应有所区别。设计时，应保证PLC的各类输出电源的通断受强电控制回路“互锁”条件的约束与控制。⑧用于系统中的其他控制回路用电源，在电压相同时可以与PLC的输入或输出电源共用，但必须安装有独立的保护元件。■7.3.2可靠性设计2．接地系统可靠性设计（1）接地系统的基本要求①系统接地必须良好，接地电阻应小于4Ω；②接地线必须有足够大的线径，独立安装的PLC基本单元，至少应使用2.5mm2以上的黄／绿线与系统保护接地线连接。③模块化结构的PLC，各模块与机架间一般可以通过模块本身的接地连接端，使得各模块与机架间保持良好的接地，但机架与系统保护地之间应保证接地良好，至少应使用2.5mm2以上的黄／绿线与系统保护接地线(PE)连接。④系统中的其他控制装置(如驱动器、变频器等)的接地必须同样符合规范，并独立接地。⑤系统中的各类屏蔽电缆的屏蔽层、金属软管、走线槽(管)、分线盒等均必须保证接地良好。

■7.3.2可靠性设计■7.3.2可靠性设计（2）各类不同接地的处理

①数字信号地数字信号地是指系统中各种开关量(数字量)的0V端。在PLC控制系统中，原则上只需要按照PLC规定的输入输出连接方式进行连接即可。

②模拟信号地对于信号间各自独立模拟信号地，不允许进行相互间的连接，通常也不允许与系统的PE线进行连接。用于模拟量输入/输出的连接线，原则上应使用带有屏蔽的“双绞”电缆，屏蔽层根据不同的要求与系统的PE线连接。

③保护地保护地是指系统中各控制装置、用电设备的外壳接地。保护地必须直接与电柜内的接地母线(PE母线)连接，不允许控制装置、用电设备的PE线进行“互连”。7.3PLC外部电路的设计④直流电源地a.当PLC输入/输出直流电源分离时，用于PLC输入的直流电源的0V与PLC的0V公共线进行连接。用于PLC输出的直流电源，根据需要，可以不与PLC的0V公共端连接。b.当PLC输入／输出电流电源共用时，直流电源的0V必须与PLC的0V公共线连接。c.单独用于PLC系统执行元件的直流电源0V，原则上不与PLC的0V连接，但一般需要与系统的接地(PE)线进行连接。⑤交流电源地使用隔离变压器时，出于“电击防护”等方面的考虑，原则上不应将交流电源的0V端与系统接地(PE)线相连。从抗干扰的角度考虑，控制系统的PE线原则上也不应与电网的N线相连。PLC控制系统通常采用“单点接地”的接地方式。7.3PLC外部电路的设计■7.3.3安装与接线设计PLC的安装与连接设计通常包括如下内容：①电气柜、操作台(包括分线盒、走线槽、电线夹等加工件)等安装部件的设计。②设备、电气控制柜、操作台上的各电器元件的布置、安装位置以及安装方法设计。③设备的电气连接、连接图、插接件的布置、电缆布置等设计。1．PLC的安装要求7.3.3安装与接线设计（1）安装环境的基本要求①安装必须牢固，避免在设备使用与运输过程中的跌落与震动。②安装有PLC的电气柜，应尽量避免布置在有强烈震动与冲击的场所。③避免在周围有腐蚀性气体、可燃气体的场所安装。④避免在周围有灰尘、导电粉尘、油雾、烟雾、盐雾的场所安装。⑥避免在高温、多湿的场所或者低温的环境安装。⑥尽量避免PLC与高压电器设备(3000V以上)布置于同一电气柜内。⑦尽量避免PLC与容易产生干扰的电气设备置于同一电气柜内，以及使用同一电源。⑧避免在周围有强磁场、强电场的场所安装PLC。7.3.3安装与接线设计（2）温度、湿度、震动、冲击的要求①温度：PLC使用时的环境温度一般应在0～55℃，同时应防止在阳光直接照射的场合使用。②湿度：PLC使用的环境相对湿度一般允许为20％～90％，应避免温度变化过快所造成的结露。③震动：PLC对安装环境的震动有一定的要求，而且抗震动性能与PLC的型号(结构形式)与安装形式等因素有关。在安装方式上，利用螺钉安装的PLC，其抗震动的性能要优于导轨安装的PLC。④冲击：PLC对安装环境的冲击同样有一定的要求，而且冲击性能与安装方式等因素有关。在具有强烈震动与冲击的场合，应采取必要的防震措施。当环境条件无法满足以上要求时，应采取相应的措施。7.3.3安装与接线设计2．PLC的连接与布线要求（1）连接的基本要求①PLC的全部连接必须正确无误，尤其对于电源电压、控制电压的种类、电压大小、极性等必须仔细检查，确保正确。②PLC的连接必须保证牢固、可靠、符合规范。③连接导线的绝缘等级、线径必须与负载的电压与规定相符。④PLC的接线作业必须在断电的情况下，由具备相应专业资格的人员负责实施。⑤PLC模块、连接电线的插／拔应在PLC断电的情况下，按照规定的方法与步骤进行。⑥接触PLC前，应通过接触接地金属部件，放掉人体上的静电。7.3.3安装与接线设计⑤当输入/输出连线无法与动力线分开敷设时，尽可能采用屏蔽电线，并在PLC侧将屏蔽层接地；⑥输入信号与输出信号也不宜布置在同一电缆内，应采用单独的连接电缆。⑦当输入电源可能存在较大的干扰时，应采取必要的抗干扰措施。⑧当大于I/O连接线不应超过20m，应采取必要的措施，以减少线路的压降。⑨扩展单元的电缆是容易受到干扰的部位，连接时应保证它与动力线的距离在50mm以上。7.3.3安装与接线设计（2）连接线的布置在“走线槽”外部，通过金属屏蔽外壳予以密封。对于动力电缆与控制电缆、信号电线以分开敷设为宜，在电气柜内，也尽可能予以“分槽”布置。（3）电源连接①PLC的供电电源、I／O电源与设备的其他电源，原则上也应分开布线。②采用隔离变压器时，隔离变压器到PLC电源之间的连线应尽可能短。③PLC的电源连接线应有足够的线径，以减小线路的压降。④DC回路与AC回路应尽可能分开布线。

7.4PLC系统的抗干扰措施■7.4.1屏蔽措施1．导线屏蔽在控制系统中使用较多的往往是低电平信号导线，这些导线对外部辐射电磁波很敏感，因此有必要将这些导线屏蔽起来，防止电磁干扰。导线屏蔽大致分为以下两种：

(1)铠装电缆。

(2)铜丝编织屏蔽线；2．外壳屏蔽电磁屏蔽体结构材料制作选取应当遵循以下原则：(1)采用金属良导体作底板和机壳的材料，如铜、铝等，可以屏蔽电场，主要的屏蔽机理是反射信号而不是吸收；

■7.4.1屏蔽措施(2)对磁场的屏蔽采用铁磁材料，如高磁导率合金和纯铁等，主要的屏蔽机理是吸收而不是反射；(3)在强电磁环境中，采用双层屏蔽，同时屏蔽电场和磁场两种成分；(4)对于塑料外壳，为了使其具有屏蔽作用，通常用喷涂、真空沉积和贴金属膜技术，让机箱上包一层导电薄膜，这种屏蔽称作薄膜屏蔽。由于薄膜屏蔽的导电层很薄，吸收损耗可以忽略不计，以反射损耗为主。7.4PLC系统的抗干扰措施■7.4.2接地措施所谓接地是指将一个点与某个电位基准面用导体连接起来建立低电阻的导电通道。接地主要有：接“大地”(安全地)和“系统基准地”(信号地)。1．安全接地将高压设备的外壳与大地连接，可有效防止设备外壳上由于电荷积累、电压上升或者设备本身绝缘损坏而造成人身伤害。另外，还有一种防雷接地也属于安全接地。在接“大地”的接地系统中，接地导体电阻要小，接地深度要尽量深，这样才能保证接地电阻小，从而降低系统的共阻抗，减小共模干扰。根据接地规范要求，各接地系统的距离要大于20m，并且它们的接地极与地线之间要保持绝缘，绝缘电阻应在2MΩ以上，接地电阻要小于4Ω。■7.4.2接地措施2．抑制干扰接地将设备机壳或导线屏蔽层接地，双绞线一根作信号线，另一根接地，给高频干扰电压形成低阻通路，以防止其对测控系统的于扰。3．工作接地在系统中为电路正常工作提供一个基准导体或基准电位点，该基准可以设定为系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，不会随着外界电磁场的变化而变化。正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制系统向外发出干扰；而错误的接地会引入严重的干扰信号，使系统无法工作。工作接地常用方式如下：■7.4.2接地措施（1）单点接地图11控制系统的单点接地（2）多点接地图12控制系统的多点接地■7.4.2接地措施（3）悬浮接地

图13控制系统的悬浮接地■7.4.2接地措施4．屏蔽接地（1）屏蔽电缆接地屏蔽与接地配合使用，才能起到良好的屏蔽效果。考虑电磁兼容的需要，典型的屏蔽是对变电磁场的屏蔽和静电屏蔽。①屏蔽层单端接地屏蔽电缆导线的屏蔽外皮必须采取接地措施后才能够抑制外界传来的干扰。如果将电缆屏蔽层每隔一段距离就接地，在某些场合确实有效。但容易构成干扰通路，使屏蔽层上产生干扰电流，屏蔽层各处电位就产生了差异并由此而引起了干扰。由于接地导体本身的天线效应，当接地不完善时，就会辐射大量干扰波。多点接地存在一定的缺点。一般采用屏蔽层单端接地方式，并遵循接地点靠