PLC控制系統設計

　　摘 要：隨著PLC在工業控制中的推廣普及，PLC產品的種類越來越多，例如電機的啟停，電磁閥的開閉，產品的計數，溫度、壓力、流量的設定與控制等，而PLC技術是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工業控制領域得到了廣泛的應用。本文就PLC工業控制系統設計中的問題進行探討。

　　關鍵詞：PLC;控制系統;設計

　　1、概述

　　可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡稱PLC或PC)是專為在工業環境下應用而設計的一種數字運算操作電子系統。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

　　PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物，它克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優點。

　　PLC的主要特點如下：

　　A.用內部已定義的各種輔助繼電器代替機械觸點繼電器，通過軟件編程方式用內部邏輯關系代替實際的硬件連接導線，這些內部繼電器的節點變位時間可理想化地認為等于零，因此只需考慮它的0-1狀態而無需考慮傳統繼電器所固有的返回系數。

　　B.可靠性高，抗干擾能力強，適用于復雜的工業環境。

　　C.配套齊全，功能完善，適用性強，易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充其功能。

　　D.易學易用，照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制采用簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學。

　　經過30多年的發展，PLC已十分成熟與完善，尤其在順序控制、開關量邏輯運算和處理這兩方面具有顯著優勢，而模擬量閉環控制也已非常成熟。 PLC技術自從引入我國的電力行業后就得到了廣泛應用，并發展壯大。

　　2、PLC控制系統的設計

　　PLC控制系統設計包括硬件設計和軟件設計。

　　2.1 PLC控制系統的硬件設計

　　硬件設計是PLC控制系統的至關重要的一個環節，這關系著PLC控制系統運行的可靠性、安全性、穩定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。

　　2.2.1 PLC控制系統的輸入電路設計。PLC供電電源一般為AC85-240V，適應電源范圍較寬，但為了抗干擾，應加裝電源凈化元件(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，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 輸入電路的地，以減小高低頻脈沖干擾。

　　PLC輸入電路電源一般應采用DC 24V, 同時其帶負載時要注意容量，并作好防短路措施，這對系統供電安全和PLC安全至關重要，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入電路功率的兩倍，PLC輸入電路電源支路加裝適宜的熔絲，防止短路。

　　2.2.2 PLC控制系統的輸出電路設計。依據生產工藝要求，各種指示燈、變頻器/數字直流調速器的啟動停止應采用晶體管輸出，它適應于高頻動作，并且響應時間短;如果PLC系統輸出頻率為每分鐘6 次以下，應首選繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。

　　如果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，對直流感性負載應在其旁邊并接續流二極管，對交流感性負載應并接浪涌吸收電路，可有效保護PLC。

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

　　對于兩個重要輸出量，不僅在PLC內部互鎖，建議在PLC外部也進行硬件上的互鎖，以加強PLC系統運行的安全性、可靠性。

　　對于常見的AC220V交流開關類負載，例如交流接觸器、電磁閥等，應該通過DC24V微小型中間繼電器驅動，避免PLC的DO接點直接驅動，盡管PLC手冊標稱具有AC220V交流開關類負載驅動能力。

　　2.2.3 PLC控制系統的抗干擾設計。隨著工業自動化技術的日新月異的發展，晶閘管可控整流和變頻調速裝置使用日益廣泛，這帶來了交流電網的污染，也給控制系統帶來了許多干擾問題，防干擾是PLC控制系統設計時必須考慮的問題。一般采用以下幾種方式:

　　隔離：由于電網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，并將中性點經電容接地。

　　屏蔽：一般采用金屬外殼屏蔽，將PLC系統內置于金屬柜之內。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。

　　2.2 PLC控制系統的軟件設計

　　在進行硬件設計的同時可以著手軟件的設計工作。軟件設計的主要任務是根據控制要求將工藝流程圖轉換為梯形圖，這是PLC應用的最關鍵的問題，程序的編寫是軟件設計的具體表現。在控制工程的應用中，良好的軟件設計思想是關鍵，優秀的軟件設計便于工程技術人員理解掌握、調試系統與日常系統維護。

　　2.2.1 PLC控制系統的程序設計思想。由于生產過程控制要求的復雜程度不同，可將程序按結構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工藝過程，也可以作為組合模塊結構中的單元程序;依據計算機程序的設計思想，基本程序的結構方式只有三種:順序結構、條件分支結構和循環結構。

　　模塊化程序:把一個總的控制目標程序分成多個具有明確子任務的程序模塊，分別編寫和調試，最后組合成一個完成總任務的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設計。我們建議經常采用這種程序設計思想，因為各模塊具有相對獨立性，相互連接關系簡單，程序易于調試修改。特別是用于復雜控制要求的生產過程。

　　2.2.2 PLC控制系統的程序設計要點。PLC控制系統I/O分配，依據生產流水線從前至后，I/O點數由小到大;盡可能把一個系統、設備或部件的I/O信號集中編址，以利于維護。定時器、計數器要統一編號，不可重復使用同一編號，以確保PLC工作運行的可靠性。

　　程序中大量使用的內部繼電器或者中間標志位(不是I/O位)，也要統一編號，進行分配。

　　在地址分配完成后，應列出I/O分配表和內部繼電器或者中間標志位分配表。

　　彼此有關的輸出器件，如電機的正/反轉等，其輸出地址應連續安排，如Q2.0/Q2.1等。

　　3、PLC設計的幾點技巧

　　PLC各種觸點可以多次重復使用，無需用復雜的程序來減少觸點使用次數。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，在程序中盡量要避免線圈重復使用。如果必須是雙線圈輸出，可以采用置位和復位操作(以S7-300為例如SQ4.0或者RQ4.0)。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，例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同時都為1，可以使用一條指令將十六進制的數據0A9H直接傳送QW2即可。對于非重要設備，可以通過硬件上多個觸點串聯后再接入PLC輸入端，或者通過PLC編程來減少I/O點數，節約資源。例如:我們使用一個按鈕來控制設備的啟動/停止，就可以采用二分頻來實現。模塊化編程思想的應用:我們可以把正反自鎖互鎖轉程序封裝成為一個模塊，正反轉點動封裝成為一個模塊，在PLC程序中我們可以重復調用該模塊，不但減少編程量，而且減少內存占用量,有利于大型PLC程序的編制。

　　結束語

　　PLC控制系統的設計是一個步驟有序的系統工程，要想做到熟練自如，需要反復設計和實踐。本文是PLC控制系統的設計和實踐經驗的總結，在實際應用中具有良好的效果。

　　參考文獻：

　　[1]陳延奎.淺談PLC控制系統的設計方法[J].中國科技信息，2009-10-15.

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