PLC应用系统设计开发步骤

    学习了PLC的硬件系统、指令系统和编程方法以后，对设计—个较大的PLC控制系统时，要全面考虑许多因素，不管所设计的控制系统的大小，一般都要按图所示的设计步骤进行系统设计。

图1 PLC应用系统设计开发步骤

    随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备(PLC、单片机、DCS或IPC)来完成该任务最合适。比如仪器仪表装置、家电的控制器就要用单片机来做；大型的过程控制系统大部分要用DCS来完成。而PLC最适合的控制对象是：工业环境较差，而对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入／输出以开关量为主的工业自控系统或装置。其实，现在的可编程序控制器不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。所以在很多情况下，已可取代工业控制计算机(IPC)作为主控制器，来完成复杂的工业自动控制任务。

    控制对象及控制装置(选定为PLC)确定后．还要进一步确定PLC的控制范围。一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器进行直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC完成。另外一部分，如紧急停车等环节，对主要控制对象还要加上手动控制功能，这就需要在设计电气系统原理图与编程时统一考虑。

    当某一个控制任务决定由PLC来完成后，选择PLC就成为最重要的事情。一方面是选择多大容量的PLC，另一方面是选择什么公司的PLC及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I／O点找出来，包括开关量I／O和模拟量I／O以及这些I／O点的性质。I／O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，电压多大，输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们被交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。一般情况下，继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。知道了这些以后，就可以定下选用多少点和I/O是什么类型的PLC了。对第二个问题，则有以下几个方面要考虑：

    （1）功能方面

    所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通讯要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以做出正确的选择。

    （2）价格方面

    不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I／O点数相当的PLC的价格能相差40％以上。在使用PLC较多的情况下，这样的差价是必须考虑的因素。

    （3）个人喜好方面

    有些工程技术人员对某种品牌的PLC熟悉，所以一般比较喜欢使用这种产品。另外，甚至一些政治因素或个人情绪有时也会成为选择的理由。PLC的主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。如模拟量单元、显示设定单元、位置控制单元或热电偶单元等。

    （4）输出接口电路

    若模块的输出为继电器型，其输出电路的等效电路如图7.5所示。外部电源及负载与PLC内部是充分隔离的，内外绝缘要求为1 500VAC一分钟，继电器的响应时间为10 ms，在5～30VDC／150VAC电压下的最大负载电流为2A／点。但要注意，驱动电感性负载时，要降低额定值使用，以免烧坏触点，尤其是直流感性负载；要并联浪涌吸收器，以延长触点的寿命。但并联浪涌吸收器后，整个开关延时会加长。该模块输出端中有一个公共点，当输出点较多时，会有多个输出公共端，一般4个或8个输出端公用一个公共端，由于公共端是相互隔离的，因此不同组的负载可以有不同的驱动电源。

    对晶体管型输出，在环境温度40度以下时，最大负载电流为0.7 A／点；若环境温度上升则，应该减低负载的电流。使用晶体管输出的好处是其响应速度快，约为25 μs(通)和120μs (断)。

    （5）输入接口电路

    PLC所有的输入都与内部电路之间有光电隔离电路，其等效的电路如图7.4所示。

    （6）I／O点数扩展和编址

    CPU 22*系列的每种主机所提供的本机I／O点的I／O地址是固定的，进行扩展时，可以在CPU右边连接多个扩展模块，每个扩展模块的组态地址编号取决于各模块的类型和该模块在I／O链中所处的位置。编址方法是同种类型输入或输出点的模块在链中按与主机的位置而递增，其他类型模块的有无以及所处的位置不影响本类型模块的编号。

    输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I／O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I／O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。分配输出点地址时，要注意前文提到的负载类型问题。

在进行I／O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。

    系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。软件系统设计主要指编制PLC控制程序。

    选定PLC及其扩展模块(如需要的话)、分配完I／O地址后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。电气控制系统原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括PLC的I／O接线和自动部分、手动部分的详细连接等，有时还要在电气原理图中标上器件代号或另外配上安装图、端子接线图等，以方便控制柜的安装。电气元器件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯和电磁阀等。

    控制系统软件设计的难易程度因控制任务而异，也因人而异。对经验丰富的工程技术人员来说，在长时间的专业工作中，受到过各种各样的磨练，积累了许多经验，除了一般的编程方法外，更有他自己的编程技巧和方法。但不管怎么说，平时多注意积累和总结是很重要的。

    在程序设计时，除I／O地址列表外，有时还要把在程序中用到的中间继电器(M)、定时器(T)、计数器(C)和存储单元(V)以及它们的作用或功能列写出来，以便编写程序和阅读程序。

    在编程语言的选择上，用梯形图编程还是用语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：

    (1)有些PLC使用梯形图编程不是很方便(例如书写不便)，则可用语句表编程；但梯形图总比语句表直观。

    (2)经验丰富的人员可用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。

    (3)如果是清晰的单顺序、选择顺序或并发顺序的控制任务，则最好是用功能图来设计程序。

    系统调试分模拟调试和联机调试。

    硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下，主要试一试手动控制部分是否正确。

    软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的输出指示灯进行；需要模拟量信号I／O时，可用电位器和万用表配合进行。调试时，可利用上述外围设备模拟各种现场开关和传感器状态，然后观察PLC的输出逻辑是否正确。如果有错误则修改后反复调试。现在PLC的主流产品都可在PC机上编程，并可在电脑上直接进行模拟调试。

    联机调试时，可把编制好的程序下载到现场的PLC中。有时PLC也许只有这一台，这时就要把PLC安装到控制柜相应的位置上。调试时一定要先将主电路断电，只对控制电路进行联调即可。通过现场联调信号的接入常常还会发现软硬件中的问题，有时厂家还要对某些控制功能进行改进，这种情况下，都要经过反复测试系统后，才能最后交付使用。

    系统完成后一定要及时整理技术材料并存档，不然日后会需要几倍的辛苦来做这件事。这也是工程技术人员良好的习惯之一。