PLC的自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析

杜銀川 李磊 李海鋒

摘要 ?本文就PLC控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方面需要注意的問題進行了簡要地闡述，同時對PLC控制系統(tǒng)程序調(diào)試中的問題作了分析。

關(guān)鍵詞 ?PLC 硬件設(shè)計 軟件設(shè)計 程序調(diào)試

1前言

可編程序控制器（PLC） 的硬件和軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)的核心都分，硬件部分根據(jù)工藝要求選型、抗干擾設(shè)計是必須考慮的重要方面，軟件設(shè)計在滿足工藝要求的前提下，程序要簡潔、嚴謹、可靠。因此，這兩部分直接關(guān)系著PLC控制系統(tǒng)運行的速度以及可靠性、安全性、穩(wěn)定性等。

2 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)主要包括輸入和輸出電路兩部分。

2.1 PLC控制系統(tǒng)的輸入電路設(shè)計

PLC供電電源服為 220VAC±10%， 適應(yīng)電源范圍較寬但為了抗干擾，應(yīng)加裝電源凈化元件（如電源濾波器，1：1隔離變壓器等）;隔離變壓器也可以采用雙隔離技術(shù)，即變壓器的初、次級線圈屏蔽層與初級電氣中性點接大地，次級線圈屏蔽層接PLC輸人電路的地，以減小高低頻脈沖干擾。

PLC輸入電路電源一般應(yīng)采用DC 24V ，同時其帶負載時要注意容量，并作好防短路措施，這對系統(tǒng)供電安全和PLC安全至關(guān)重要，因為該電源的過載或短路都將影響PLC的運行，一般選用電源的容量為輸人電路功率的兩倍，PLC輸人電路電源支路加裝適宜的熔絲或小型斷路器，防止短路。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計

依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，各種指示燈，變頻器/數(shù)字直流調(diào)速器的啟動停止應(yīng)采用晶體管輸出，它適應(yīng)于高頻動作，并且響應(yīng)時間短;如果PLC系統(tǒng)輸出須率為每分鐘6次以下，應(yīng)首選繼電器輸出。

采用這種方法.輸出電路的設(shè)計簡單，抗干擾和帶負載能力強。

2.3 PLC輸出帶電磁線圈等感性負載

負載斷電時會對PLC的輸出造成浪涌電流的沖擊，為此，對直流感性負載應(yīng)在其旁邊并接續(xù)流二極管，對交流感性負載應(yīng)并接浪涌吸收電路，可有效保護PLC。

當(dāng)PLC掃描額率為10次/min以下時，既可以采用繼電器輸出方式，也可以采用PLC輸出驅(qū)動中間繼電器或者固態(tài)繼電器 （SSR），再驅(qū)動負載。

對于兩個相互關(guān)聯(lián)的重要輸出量，不僅在PLC內(nèi)部互鎖，建議在PLC外部也進行硬件上的互鎖，以加強PLC系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。

對于常見的AC 220V交流開關(guān)類負載，例如交流接觸器、電磁閥等、應(yīng)該通過DC 24V小型中間繼電器驅(qū)動，避免PLC的DO接點直接驅(qū)動，盡管PLC手冊標(biāo)稱具有AC 220V交流開關(guān)類負載驅(qū)動能力。

3 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

隨著工業(yè)自動化技術(shù)的日新月異的發(fā)展，晶閘管可控整流和變頻調(diào)速裝置使用日益廣泛，這帶來了交流電網(wǎng)的污染，也給控制系統(tǒng)帶來了許多干擾問題。

防干擾是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮的問題。一般采用以下幾種方式：

（1）隔離。由于電網(wǎng)中的高頻干擾主要是原、副邊繞組之間的分布電容耦合而成，所以建議采用1：1超隔離變壓器，并將中性點經(jīng)電容接地。

（2）屏蔽。一般采用金屬外殼屏蔽，將PLC系統(tǒng)內(nèi)置于金屬柜之內(nèi)。金屬柜外殼可靠接地，能起到良好的靜電、磁場屏蔽作用，防止空間輻射干擾

布線：強電動力線路、弱電信號線分開走線，并且要有一定的間隔：模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

4 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在進行硬件設(shè)計的同時可以著手軟件的設(shè)計工作。軟件設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求將工藝流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用的最關(guān)鍵的問題，程序的編寫是軟件設(shè)計的具體表現(xiàn)。在控制工程的應(yīng)用中，良好的軟件設(shè)計思想是關(guān)鍵，優(yōu)秀的軟件設(shè)計便于工程技術(shù)人員理解掌握、調(diào)試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護。

4.1 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計思想

由于生產(chǎn)過程控制要求的復(fù)雜程度不同，可將程序按結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序。

基本程序：既可以作為獨立程序控制簡單的生產(chǎn)工藝過程，也可以作為組合模塊結(jié)構(gòu)中的單元程序：依據(jù)計算機程序的設(shè)計思想，基本程序的結(jié)構(gòu)方式只有三種：順序結(jié)構(gòu)、條件分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。

模塊化程序：把一個總的控制目標(biāo)程序分成多個具有明確子任務(wù)的程序模塊，分別編寫和調(diào)試，最后組合成一個完成總?cè)蝿?wù)的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設(shè)計。建議經(jīng)常采用這種程序設(shè)計思想，因為各模塊具有相對獨立性，相互連接關(guān)系簡單，程序易于調(diào)試修改。特別是用于復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)過程。

4.2 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計要點

PLC控制系統(tǒng)I/O分配，依據(jù)生產(chǎn)流水線從前至后， I/O點數(shù)由小到大;盡可能把一個系統(tǒng)、設(shè)備或部件的I/O信號集中編址，以利于維護。定時器、計數(shù)器要統(tǒng)一編號，不可重復(fù)使用同一編號，以確保PLC工作運行的可靠性。

程序中大量使用的內(nèi)部繼電器或者中間標(biāo)志位（不是I/O位），也要統(tǒng)-編號，進行分配。

在地址分配完成后，應(yīng)列出I/O分配表和內(nèi)部繼電器或者中間標(biāo)志位分配表。

彼此有關(guān)的輸出器件，如電機的正/反轉(zhuǎn)等，其輸出地址應(yīng)連續(xù)安排，如Q2.0/Q2.1等。

4.3 PLC 控制系統(tǒng)編程技巧

PLC程序設(shè)計的原則是邏輯關(guān)系簡單明了，易于編程輸入，少占內(nèi)存，減少掃描時間，這是PLC編程必須遵循的原則。下面介紹幾點編程技巧：

（1）PLC各種觸點可以多次重復(fù)使用，無需用復(fù)雜的程序來減少觸點使用次數(shù)。

（2）同一個繼電器線圈在同一個程序中使用兩次稱為雙線圈輸出，雙線圈輸出容易引起誤動作，在程序字中盡量要避免線圈重復(fù)使用。如果必須是雙線圈輸出，以采用置位和復(fù)位操作（以S7-300為何如（S）Q4.0或者（R） Q4.0）。如果要使PLC多個輸出為固定值1（常閉），可以采用字傳送指令完成。

（3）對于非重要設(shè)備?？梢酝ㄟ^硬件上多個觸點串聯(lián)后再接人PLC輸人增，或者通過PLC編程來減少I/O點數(shù)，節(jié)約資源。在使用一個按鈕來控制設(shè)備的啟動/停止時，就可以采用二分頻來實見。模塊化編程思想的應(yīng)用：把正、反轉(zhuǎn)自鎖、互鎖長動程序封裝成為一個功能塊，正反轉(zhuǎn)點動封裝成為一個功能塊，在PLC程序中可以重復(fù)調(diào)用該功能塊，不但減少編程量，而且減少內(nèi)存占用量，有利于大型PLC程序的編制。

5 PLC控制系統(tǒng)程序的調(diào)試

PLC控制系統(tǒng)程序的調(diào)試一般包括I/O端子測試和系統(tǒng)調(diào)試兩部分內(nèi)容，良好的調(diào)試步驟有利于加速總裝調(diào)試的過程。

（1） I/O端子測試。用手動開關(guān)暫時代替現(xiàn)場輸入信號，以手動方式逐一對 PLC輸入端子進行檢查、驗證，PLC輸人端子的指示燈點亮，表示正常;反之，應(yīng)檢查接線是否錯誤或者I/O點連接有無問題。

（2）系統(tǒng)調(diào)試。把PLC控制單元的工作方式設(shè)置為"RUN"開始運行。反復(fù)調(diào)試以消除可能出現(xiàn)的各種問題。在調(diào)試過程中也可以根據(jù)實際需求對硬件作適當(dāng)修改以配合軟件的調(diào)試。應(yīng)保持足夠長的運行時間使問題充分暴露并加以糾正。

（3）調(diào)試中多數(shù)是控制程序問題。一般分以下幾步進行：對每一個現(xiàn)場信號和控制量做單獨測試;檢查硬件/修改程序;對現(xiàn)場信號和控制量做綜合測試;帶設(shè)備調(diào)試;調(diào)試結(jié)束。

6結(jié)束語

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電機的啟停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，而PLC技術(shù)是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。