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PLC控制系统硬件设计

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2020年4月19日
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PLC控制系统的硬件设计
设计以PLC为核心的控制系统，要考虑：
1、设备的正常运行；
2、合理、有效的资金投入；
3、在满足可靠性和经济性的前提下，具有一定的先进性，能根据生产工艺的变化扩展部分功能。
一、控制系统的设计步骤
1、分析被控对象、明确控制要求
2、制定电气控制方案
3、确定输入/输出设备及信号特点
4、选择可编程控制器
5、分配输入/输出点地址
6、设计电气线路
7、设计控制程序
8、调试（包括模拟调试和联机调试）
9、技术文件整理
1）分析被控对象并提出控制要求
详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。
2）确定输入／输出设备
根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。
3）选择PLC
PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。
4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路
分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。
PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。
由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。
5）程序设计
程序设计：1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和连锁程序。
模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
6）硬件实施
设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；
设计系统各部分之间的电气互连图；
根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。
由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。
7）联机调试
联机调试是将经过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。一般只需修改部份程序即可。
全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
8）整理和编写技术文件
技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
二、可编程控制器的选择
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。
因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。
PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
1可编程控制器的机型选择
PLC机型选择的基本原则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）合理的结构型式
PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。
2）安装方式的选择
安装方式有集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。
3）相应的功能要求
4）响应速度要求
5）系统可靠性的要求
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
6）机型尽量统一
便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高，外部设备通用，资源可共享，易于联网通信。

2、指令系统的选择
1）总指令数
2）指令种类
3）表示方式
4）编程工具
3、I/O模块的选择
3.1 开关量输入模块的选择
1）输入信号的类型及电压等级
有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。
直流输入模块的延迟时间较短，还能够直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；
交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。
开关量输入模块的电压等级有：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。
一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过１０米。距离较远的应选用输入电压等级较高的。
2）输入接线方式
主要有汇点式和分组式两种接线方式

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30点、40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。
3.2 开关量输出模块的选择
1）输出方式
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式：
继电器输出：价格便宜，能够驱动交、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，但动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不超过1HZ）、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。

2）输出接线方式
开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式

3）驱动能力
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。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。
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经过的电流值。
一般来讲，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
与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。
3.3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）。
3.4 特殊功能模块的选择
PLC厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。
3.5 电源模块及其它外设的选择
1）电源模块的选择
电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。
电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。
2）编程器的选择
3）写入器的选择
为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，经过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就具有EPROM 写入的功能。
4、PLC容量的选择
4.1 I／O点数的选择
（1）在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少。
（2）需要加上10％~15％的裕量。
存储容量的选择
存储容量大小不但与PLC系统的功能有关，还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多。
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×100
存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。
5、其它的选择
（1）性价比
（2）系列产品
（3）售后服务
5.2 系统硬件的设计方案
1、系统设计的总体方案
控制系统的硬件设计、机型的性能指标和各种功能模块的选择对于控制系统的设计是非常重要的问题
1）PLC控制系统的类型
可分为集中控制系统和分布式控制系统。
2）系统的运行方式
四种：自动、半自动、单步、手动方式。
3）系统的停止方式
正常停止、暂时停止、紧急停止三种。
2、系统硬件设计依据
系统硬件设计必须根据控制对象的要求决定，包括控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I/O点数和种类，以构成比较先进的控制系统。
3、系统硬件设计文件
1）系统硬件配置图
系统硬件配置图完整地给出整个系统硬件组成，包括：系统构成级别、系统联网情况、网上PLC站数、每个PLC站上CPU单元和扩展单元构成情况、每个PLC中各模块构成情况。
2）模块统计表
便于了解整个系统硬件设备状况和硬件设备投资计算，包括：模块名称、模块类型、模块订货号、所需模块个数等。
3）I/O地址分配表
4）I/O硬件接线图
5.3 PLC输入/输出电路设计

1、 输入电路的设计
1）根据输入信号类型合理选择输入模块
2）输入元件的接线方式
3）减少输入点的方法
PLC在实际应用中常碰到这样两个问题：
（1）PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提高成本；
（2）是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限，无法再增加。
在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的。
减少输入点数方法：
分组输入

矩阵输入

1）矩阵输入方法需要硬件与软件相配合来完成
2）由于矩阵输入的输入信号为一系列断续的脉冲信号。
3）应保证输入信号的宽度要大于Y0、Y1、Y2轮流导通一遍的时间

组合输入
对于不会同时接通的输入信号，可采用组合编码的方式输入。

输入设备多功能化
例如

合并输入
将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。如果是几个常闭触点，则串联输入；如果是几个常开触点，则并联输入。
某些输入设备可不进PLC
有些输入信号功能简单、
涉及面很窄，有时就没有必要
作为PLC的输入，将它们放在
外部电路中同样能够满足要求。

2输出电路的设计
1）根据负载类型确定输出方法
2）输出负载的接线方式
3）选择输出电流、电压
输出模块的额定输出电流、电压必须大于所需求的电流和电压。
4）输出电路的保护
在输出负载回路加装熔断器，进行短路保护。
5）减少输出点的方法
减少输出点数方法
分组输出
当两组输出设备或负载不会同时工作，可经过外部转换开关或经过受PLC控制的电器触点进行切换，因此PLC的每个输出点能够控制两个不同时工作的负载。

矩阵输出
注意：采用矩阵输出时，必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中，否则无法控制。

并联输出
注意PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑PLC输出点的驱动能力是否足够。
输出设备多功能化
利用PLC的逻辑处理功能，一个输出设备可实现多种用途。
某些输出设备可不进PLC
系统中某些相对独立、比较简单的控制部分，可直接采用PLC外部硬件电路实现控制。
注意的问题
以上一些常见的减少I/0点数的措施，仅供参考，实际应用中应该根据具体情况，灵活使用。
同时应该注意不要过份去减少PLC的I/0点数，而使外部附加电路变得复杂，从而影响系统的可靠性。
5.4 系统供电及接地设计
一、系统供电设计
系统供电设计是指PLC所需电源系统的设计，包括供电系统的一般性保护措施、PLC电源模块的选择和典型供电系统的设计。
1、供电系统保护措施
PLC一般使用工频电，电网的冲击、频率波动直接影响到实时控制系统的精度和可靠性，因此，为提高系统的可靠性和抗干扰性能，在PLC供电系统中一般可采取隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等。
2、电源模块的选择
PLC的CPU所需工作电源一般是5V直流电源，一般的编程接口和通信模块需5.2V和24V直流电源，由PLC本身电源模块供给。因此要考虑电源模块的输入电压、输出功率、接线、扩展单元的电源等问题。
3、供电系统的设计
典型的动力部分、PLC供电及I/O的电源要分别供电。
二、接地设计
1、接地的要求
（1）接地电阻要在要求的范围内。
（2）要保证足够的机械强度。
（3）要进行防腐处理。
（4）PLC控制系统要单独设计接地。
2、接地的种类
大致有六种地线：数字地、模拟地、信号地、交流地、直流地、屏蔽地。

3、接地的处理方法
（1）一般情况，高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。
（2）交流地和信号地不能共用。
（3）浮地与接地的不同
（4）模拟地与屏蔽地的接线。
PLC一般最好单独接地，也能够采用公共接地，但禁止使用串联接地方式 。
PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。同时，接地电阻要小于4Ω，接地线的截面应大于２mm2。