PLC控制系统设计样本.doc

PLC控制系统设计普通环节可以分为如下几步：熟悉控制对象并计算输入/输出设备、PLC选型及拟定硬件配备、设计电气原理图、设计控制台（柜）、编制控制程序、程序调试和编制技术文献。 PLC控制系统设计PLC控制系统设计普通环节可以分为如下几步：熟悉控制对象并计算输入/输出设备、PLC选型及拟定硬件配备、设计电气原理图、设计控制台（柜）、编制控制程序、程序调试和编制技术文献。一、明确控制规定，理解被控对象生产工艺过程熟悉控制对象设计工艺布置图 这一步是系统设计基本。一方面应详细理解被控对象工艺过程和它对控制系统规定，各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间关系，系统工作方式（如自动、半自动、手动等），PLC与系统中其她智能装置之间关系，人机界面种类，通信联网方式，报警种类与范畴，电源停电及紧急状况解决等等。此阶段，还要选取顾客输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号批示灯等执行元件），以及由输出设备驱动控制对象（电动机、电磁阀等）。同步，还应拟定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，并分类记录出各输入量和输出量性质及数量，是数字量还是模仿量，是直流量还是交流量，以及电压大小级别，为PLC选型和硬件配备提供根据。最后，将控制对象和控制功能进行分类，可按信号用途或按控制区域进行划分，拟定检测设备和控制设备物理位置，分析每一种检测信号和控制信号形式、功能、规模、互相之间关系。信号点拟定后，设计出工艺布置图或信号图。二、PLC控制系统硬件设计随着PLC推广普及，PLC产品种类和数量越来越多。近年来，从国外引进PLC产品、国内厂家或自行开发产品已有几十个系列，上百种型号。PLC品种繁多，其构造形式、性能、容量、指令系统、编程办法、价格等各有不同，使用场合也各有侧重。因而，合理选取PLC对于提高PLC控制系统技术经济指标起着重要作用。1、PLC机型选取PLC机型选取应是在满足控制规定前提下，保证可靠、维护使用以便以及最佳性能价格比。详细应考虑如下几方面：（1）性能与任务相适应 对于小型单台、仅需要数字量控制设备，普通小型PLC（如西门子公司S7-200系列、OMRON公司CPM1/CPM2系列、三菱FX系列等）都可以满足规定。对于以数字量控制为主，带少量模仿量控制应用系统，如工业生产中常遇到温度、压力、流量等持续量控制，应选用带有A/D转换模仿量输入模块和带D/A转换模仿量输出模块，配接相应传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入温度模块）和驱动装置，并选取运算、数据解决功能较强小型PLC（如西门子公司S7-200或S7-300系列、OMRON公司CQM1/CQM1H系列等）。对于控制比较复杂，控制功能规定更高工程项目，例如规定实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂限度，选用中档或高档机（如西门子公司S7-300或S7-400系列、OMRON公司C200H或CV/CVM1系列、A-B公司Control Logix系列等）。（2）构造上合理、安装要以便、机型上应统一 按照物理构造，PLC分为整体式和模块式。整体式每一I/O点平均价格比模块式便宜，因此人们普通倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。但是模块式PLC功能扩展以便灵活，I/O点数多少、输入点数与输出点数比例、I/O模块种类和块数、特殊I/O模块使用等方面选取余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范畴也很以便。因而，对于较复杂和规定较高系统普通应选用模块式PLC。依照I/O设备距PLC之间距离和分布范畴拟定PLC安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网分布式。对于一种公司，控制系统设计中应尽量做到机型统一。由于同一机型PLC，其模块可互为备用，便于备品备件采购与管理；其功能及编程办法统一，有助于技术力量培训、技术水平提高和功能开发；其外部设备通用，资源可共享。同一机型PLC另一种好处是，在使用上位计算机对PLC进行管理和控制时，通信程序编制比较以便。这样，容易把控制各独立多台PLC联成一种多级分布式系统，互相通信，集中管理，充分发挥网络通信优势。（3）与否满足响应时间规定 由于当代PLC有足够高速度解决大量I/O数据和解算梯形图逻辑，因而对于大多数应用场合来说，PLC响应时间并不是重要问题。然而，对于某些个别场合，则规定考虑PLC响应时间。为了减少PLCI/O响应延迟时间，可以选用扫描速度高PLC，使用高速I/O解决这一类功能指令，或选用迅速响应模块和中断输入模块。（4）对联网通信功能规定 近年来，随着工厂自动化迅速发展，公司内小到一块温度控制仪表RS-485串行通信、大到一套制造系统以太网管理层通信，应当说普通电气控制产品均有了通信功能。PLC作为工厂自动化重要控制器件，大多数产品都具备通信联网能力。选取时应依照需要选取通信方式。(5)其她特殊规定 考虑被控对象对于模仿量闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（HMI）等方面特殊规定，可以选用有相应特殊I/O模块PLC。对可靠性规定极高系统，应考虑与否采用冗余控制系统或热备份系统。2、PLC容量估算PLC容量指I/O点数和顾客存储器存储容量两方面含义。在选取PLC型号时不应盲目追求过高性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统规定外，还应留有余量，以做备用或系统扩展时使用。（1） I/O点数拟定PLCI/O点数拟定以系统实际输入输出点数为基本拟定。在I/O点数拟定期，应留有恰当余量。普通I/O点数可按实际需要1015%考虑余量；当I/O模块较多时，普通按上述比例留出备用模块。（2） 存储器容量拟定顾客程序占用多少存储容量与许多因素关于，如I/O点数、控制规定、运算解决量、程序构造等。因而在程序编制前只能粗略估算。3、I/O模块选取在PLC控制系统中，为了实现对生产过程控制，要将对象各种测量参数，按规定方式送入PLC。PLC通过运算、解决后，再将成果以数字量形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制量。因此，在PLC和生产过程之间，必要设立信息传递和变换装置。这个装置就是输入/输出（I/O）模块。不同信号形式，需要不同类型I/O模块。对PLC来讲，信号形式可分为四类。（1）数字量输入信号 生产设备或控制系统许多状态信息，如开关、按钮、继电器触点等，它们只有两种状态：通或断，对此类信号拾取需要通过数字量输入模块来实现。输入模块最常用为24V直流输入，尚有直流5V、12V、48V，交流115V/220V等。按公共端接入正负电位不同分为漏型和源型。有PLC即可以源型接线，也可以漏型接线，例如S7-200。当公共端接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线。有PLC只能接成其中一种。 （2）数字量输出信号 尚有许多控制对象，如批示灯亮和灭、电机启动和停止、晶闸管通和断、阀门打开和关闭等，对它们控制只需通过二值逻辑“1”和“0”来实现。这种信号通过数字量输出模块去驱动。数字量输出模块按输出方式不同分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等。此外，输出电压值和输出电流值也各有不同。（3）模仿量输入信号 生产过程许多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过不同检测装置转换为相应模仿量信号，然后再将其转换为数字信号输入PLC。完毕这一任务就是模仿量输入模块。（4）模仿量输出信号 生产设备或过程许多执行机构，往往规定用模仿信号来控制，而PLC输出控制信号是数字量，这就规定有相应模块将其转换为模仿量。这种模块就是模仿量输出模块。典型模仿量模块量程为-10V+10V、0+10V、420mA等，可依照实际需要选用，同步还应考虑其辨别率和转换精度等因素。某些PLC制造厂家还提供特殊模仿量输入模块，可用来直接接受低电平信号（如热电阻RTD、热电偶等信号）此外，有些传感器如旋转编码器输出是一连串脉冲，并且输出频率较高（20kHz以上），尽管这些脉冲信号也可算作数字量，但普通数字量输入模块不能对的检测之，应选取高速计数模块。不同I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC应用范畴和价格，应当依照实际状况合理选取。4、分派输入/输出点PLC机型及输入/输出（I/O）模块选取完毕后，一方面，设计出PLC系统总体配备图。然后根据工艺布置图，参照详细PLC有关阐明书或手册将输入信号与输入点、输出控制信号与输出点一一相应画出I/O接线图即PLC输入/输出电气原理图。PLC机型选取完后输入/输出点数多少是决定控制系统价格及设计合理性重要因素，因而在完毕同样控制功能状况下可通过合理设计以简化输入/输出点数。5、安全回路设计安全回路是保护负载或控制对象以及防止操作错误或控制失败而进行连锁控制回路。在直接控制负载同步，安全保护回路还给PLC输入信号，以便于PLC进行保护解决。安全回路普通考虑如下几种方面。（1）短路保护 应当在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最佳在每个负载回路中都装上熔断器。（2）互锁与联锁办法 除在程序中保证电路互锁关系，PLC外部接线中还应当采用硬件互锁办法，以保证系统安全可靠地运营。（3）失压保护与紧急停车办法 PLC外部负载供电线路应具备失压保护办法，当暂时停电再恢复供电时，不按下“启动”按钮PLC外部负载就不能自行启动。这种接线办法另一种作用是，当特殊状况下需要紧急停机时，按下“急停”按钮就可以切断负载电源，同步“急停”信号输入PLC。（4）极限保护 在有些如提高机类超过限位就有也许产生危险状况下，设立极限保护，当极限保护动作时直接切断负载电源，同步将信号输入PLC。三、PLC控制系统软件设计软件设计是PLC控制系统设计核心。要设计好PLC应用软件，必要充分理解被控对象生产工艺、技术特性、控制规定等。通过PLC应用软件完毕系统各项控制功能。1、PLC应用软件设计内容PLC应用软件设计是指依照控制系统硬件构造和工艺规定，使用相应编程语言，对顾客控制程序编制和相应文献形成过程。重要内容涉及：拟定程序构造；定义输入/输出、中间标志、定期器、计数器和数据区等参数表；编制程序；编写程序阐明书。PLC应用软件设计还涉及文本显示屏或触摸屏等人机界面（HMI）设备及其他特殊功能模块组态。2、熟悉被控制对象制定设备运营方案 在系统硬件设计基本上，依照生产工艺规定，分析各输入/输出与各种操作之间逻辑关系，拟定检测量和控制办法。并设计出系统中各设备操作内容和操作顺序。对于较复杂系统，可按物理位置或控制功能将系统分区控制。较复杂系统普通还需画出系统控制流程图，用以清晰表白动作顺序和条件，简朴系统普通不用。3、熟悉编程语言和编程软件熟悉编程语言和编程软件是进行程序设计前提。这一环节重要任务是依照关于手册详细理解所使用编程软件及其操作系统，选取一种或几种适当编程语言形式，并熟悉其指令系统和参数分类，特别注意那些在编程中也许要用到指令和功能。熟悉编程语言最佳办法就是上机操作，并编制某些实验程序，在模仿平台上进行试运营，以便详尽地理解指令功能和用途，为背面程序设计打下良好基本，避免走弯路。4、定义参数表参数表定义涉及对输入/输出、中间标志、定期器、计数器和数据区定义。参数表定义格式和内容依照系统和个人兴趣状况有所不同，但所包括内容基本是相似。总设计原则是便于使用，尽量详细。程序编制开始此前必要一方面定义输入/输出信号表。重要根据是PLC输入/输出电气原理图。每一种PLC输入点编号和输出点编号均有自己明确规定，在拟定了PLC型号和配备后，要对输入/输出信号分派PLC输入/输出编号（地址），并编制成表。普通状况下，输入/输出信号表要明显地标出模板位置、输入/输出地址号、信号名称和信号类型等。特别输入/输出定义表注释注解内容应尽量详细。地址尽量按由小到大顺序排列，没有定义或备用点也不要漏掉，这样便于在编程、调试和修改程序时查找使用。而中间标志、定期器、计数器和数据区编程此前也许不太好定义，普通是在编程过程中随使用随定义，在程序编制过程中间或编制完毕后连同输入/输出信号表统一整顿。5、程序编写如果有操作系统支持，尽量使用编程语言高档形式，如梯形图语言。在编写过程中，依照实际需要，对中间标志信号表和存储单元表进行逐个定义，要注意留出足够公共暂存区，以节约内存使用。由于许多小型PLC使用是简易编程器，只能输入指令代码。梯形图设计好后，还需要将梯形图按指令语句编出代码程序，列出程序清单。在熟悉所选PLC指令系统后，可以很容易地依照梯形图写出语句表程序。编写程序过程中要及时对编出程序进行注释，以免忘掉其间互有关系。注释应涉及程序段功能、逻辑关系、设计思想、信号来源和去向等阐明，以便于程序阅读和调试。6、程序测试程序测试是整个程序设计工作中一项重要内容，它可以初步检查程序实际运营效果。程序测试和程序编写是分不开，程序许多功能是在测试中修改和完善。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观测输入信号变化对系统作用，必要时可以借助仪器仪表。各功能单元测试完毕后，再连通所有程序，测试各某些接口状况，直到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将PLC与现场信号隔离，以免引起事故。7、程序阐明书编写程序阐明书是整个程序内容综合性阐明文档，是整个程序设计工作总结。编写重要目是让程序使用者理解程序基本构造和某些问题解决办法，以及程序阅读办法和使用中应注意事项。程序阐明书普通涉及程序设计根据、程序基本构造、各功能单元分析、使用公式和原理、各参数来源和运算过程、程序测试状况等。上面流程中各个环节都是应用程序设计中不可缺少环节，要设计一种好应用程序，必要做好每一种环节工作。但是，应用程序设计中核心是程序编写，其她环节都是为其服务。8、惯用编程办法PLC编程办法重要有经验设计法和逻辑设计法。逻辑设计是以逻辑代数为理论基本，通过列写输入与输出逻辑表达式，再转换成梯形图。由于普通逻辑设计过程比较复杂，并且周期较大，大多采用经验设计办法。如果控制系统比较复杂，可以借助流程图。所谓经验设计是在某些典型应用基本上，依照被控对象对控制系统详细规定，选用某些基本环节，恰当组合、修改、完善，使其成为符合控制规定程序。普通经验设计法没有普通规律可以遵循，只有在大量程序设计中不断地积累、丰富自己，并且逐渐形成自己设计风格。一种程序设计质量，以及所用时间往往与编程者经验有很大关系。所谓惯用基本环节诸多是借鉴继电接触器控制线路转换而来。它与继电接触器线路图画法十分相似，信号输入、输出方式及控制功能也大体相似。对于熟悉继电接触器控制系统设计原理工程技术人员来讲，掌握梯形图语言设计无疑是十分以便和快捷。四、PLC控制系统抗干扰性设计尽管PLC是专为工业生产环境而设计，有较强抗干扰能力，但是如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈或PLC安装和用法不当，还是有也许给PLC控制系统安全和可靠性带来隐患。因而，在PLC控制系统设计中，还需要注意系统抗干扰性设计。1、抗电源干扰办法实践证明，因电源引入干扰导致PLC控制系统故障状况诸多。PLC系统正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范畴广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。特别是电网内部变化，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源。采用如下办法以减少因电源干扰导致PLC控制系统故障。 （1）采用性能优良电源，抑制电网引入干扰 在PLC控制系统中，电源占有极重要地位。电网干扰串入PLC控制系统重要通过PLC系统供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具备直接电气连接仪表供电电源等耦合进入。当前，对于PLC系统供电电源，普通都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电电源和PLC系统有直接电气连接仪表供电电源，并没受到足够注重，虽然采用了一定隔离办法，但普遍还不够，重要是使用隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。因此，对于变送器和共用信号仪表供电应选取分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）配电器，以减少PLC系统干扰。此外，为保证电网馈电不中断，可采用不间断供电电源（UPS）供电，提高供电安全可靠性。并且UPS还具备较强干扰隔离性能，是一种PLC控制系统抱负电源。（2）硬件滤波办法 在干扰较强或可靠性规定较高场合，应当使用带屏蔽层隔离变压器对PLC系统供电。还可以在隔离变压器一次侧串接滤波器，如图所示。(3)对的选取接地点，完善接地系统滤波器和隔离变压器同步使用2、控制系统接地设计良好接地是保证PLC可靠工作重要条件，可以避免偶尔发生电压冲击危害。接地目普通有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰重要办法之一。接地系统接地方式普通可分为3种方式：串联式单点接地、并联式单点接地、多分支单点接地即第3种接地方式。PLC采用第3种接地方式即单独接地。PLC控制系统地线涉及系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统干扰重要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必要一点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地有也许构成闭合环路，在变化磁场作用下，屏蔽层内又会浮现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间耦合，干扰信号回路。若系统地与其他接地解决混乱，所产生地环流就也许在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模仿电路正常工作。PLC工作逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位分布干扰容易影响PLC逻辑运算和数据存贮，导致数据混乱、程序跑飞或死机。模仿地电位分布将导致测量精度下降，引起对信号测控严重失真和误动作。3、防I/O干扰办法由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大减少，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，导致逻辑数据变化、误动作或死机。可采用如下办法以减小I/O干扰对PLC系统影响。（1）从抗干扰角度选取I/O模块 （2）安装与布线时注意：动力线、控制线以及PLC电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLCI/O线和大功率线分开走线，如必要在同一线槽内，可加隔板，分槽走线最佳，这不但能使其有尽量大空间距离，并能将干扰降到最低限度。PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一种开关柜内。在柜内PLC应远离动力线（两者之间距离应不不大于200mm）。与PLC装在同一种柜子内电感性负载，如功率较大继电器、接触器线圈，应并联RC电路。PLC输入与输出最佳分开走线，开关量与模仿量也要分开敷设。模仿量信号传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端接地，接地电阻应不大于屏蔽层电阻1/10。交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。 （3）考虑I/O端接线：输入接线普通不要太长，但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可恰当长些。 输入/输出线要分开。尽量采用常开触点形式连接到输入端，使编制梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。但急停、限位保护等状况例外。输出端接线分为独立输出和公共输出，在不同组中，可采用不同类型和电压级别输出电压。但在同一组中输出只能用同一类型、同一电压级别电源。由于PLC输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件负载短路，将烧毁印制电路板。 采用继电器输出时，所承受电感性负载大小，会影响到继电器使用寿命，因而，使用电感性负载时应合理选取，或加隔离继电器。（4）对的选取接地点，完善接地系统（5）对变频器干扰抑制五、PLC控制系统调试系统调试是系统在正式投入使用之前必经环节。与继电器控制系统不同，PLC控制系统既有硬件某些调试尚有软件调试，与继电器控制系统相比，PLC控制系统硬件调试要相对简朴，重要是PLC程序编制和调试。普通可按如下几种环节进行：应用程序编制和离线调试、控制系统硬件检查、应用程序在线调试、现场调试、总结整顿有关资料、系统正式投入使用。PLC控制系统设计实例：PLC在恒压供水系统中应用1.任务描述某水厂160 kW水泵电机三台，规定采用PLC、变频器来实现恒压供水。2.系统构成变频调速恒压供水系统重要由PLC、变频器、压力变送器、液位传感器、动力及控制线路以及泵组构成。顾客通过控制柜面板上批示灯和按钮、转换开关来理解和控制系统运营，通过安装在出水管网上压力变送器，把出口压力信号变成420mA原则信号送入变频器内置PID调节器，经PID运算与给定压力参数进行比较，得到420mA信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵转速以调节供水量，在变频器设立中设定一种上限频率和下限频率检测，当用水量大时，变频器迅速上升到上限频率，输出一种上限频率开关信号给PLC；当用水处在低峰时，变频器输出达到下限频率，输出一种下限频率开关信号给PLC。当产生任何一种信号时，信号即反馈给PLC，PLC通过设定内部程序驱动I/O端口开关量输出来实现切换交流接触器组，以此协调投入工作水泵电机台数，并完毕电机启停、变频与工频切换。通过调节投入工作电机台数和控制电机组中一台电机变频转速，使系统管网工作压力始终稳定，进而达到恒压供水目。3. 系统控制规定系统变频调速由PLC 与变频器共同完毕，该系统有手动和自动两种运营方式。手动方式时，按下按钮启动和停止水泵，可依照需要分别控制1#3#泵启停，该方式重要供设备调试、自动有故障和检修时使用。自动运营时，一方面由1#水泵变频运营，变频器输出频率从0HZ上升，同步PID调节器把接受信号与给定压力比较运算后送给变频器控制。如压力不够，则频率上升到50HZ，变频器输出一种上限频率到达信号给PLC，PLC接受到信号后经延时，1泵变频迅速切换为工频，2泵变频启动，若压力仍达不到设定压力，则2泵由变频切换成工频，3泵变频启动；如用水量减少，PLC控制从先起泵开始切除，同步依照PID调节参数使系统平稳运营，始终保持管网压力。若有电源瞬时停电状况，则系统停机，待电源恢复正常后，系统自动恢复到初始状态开始运营。变频自动功能是该系统最基本功能，系统自动完毕对多台泵启动、停止、循环变频所有操作过程。这种方式保证永远有一台水泵在变频运营，三台水泵中任一台都也许变频运营。这样，才干做到无论用水量如何变化都可保持管网压力基本恒定，且各台水泵运营时间基本相似，这给维护和检修带来以便，并提高了系统使用寿命。