PLC控制系统的结构与设计样本.doc

中南大学本科生学术研修论文题 目 PLC控制系统构造与设计学生姓名 指引教师学 院专业班级学 号完毕时间2月16日 目 录摘 要3第一章 PLC系统概述3第二章 PLC构造构成与工作原理32.1 PLC构造构成32.2 PLC工作原理 4第三章 系统设备选型43.1 PLC 机型选取53.2 I/O选取53.3 存储器类型及容量选取63.4 控制柜内外布线6第四章 PLC控制系统设计64.1 PLC控制系统硬件设计64.2 PLC控制系统软件设计7第五章 PLC控制系统可靠性分析与设计85.1 影响PLC控制系统可靠性因素85.2 可靠性设计8第六章 PLC长处10第七章 结束语11参照文献11摘要：近些年来，工业生产发展速度逐渐增快，生产过程中操作控制难度也随之增长。PCL=Programmable Logic Controller,即可编程逻辑控制器，这是一款专门针对工业生产而设计以微解决器为核心电子操控系统。本文一方面简朴简介PLC程序设计基本构造、特点以及PLC工作原理，探讨了PLC控制系统总体构造与硬件设计，最后再简朴分析国内当前关于PLC应用状况。核心词：PLC基本构造；PLC原理；PLC应用；PLC选型；硬件设计。第一章、 PLC系统概述可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controrler，简称PLC）是以微解决器为基本发展起来，集自动化技术、计算机技术、通信技术、先进制造技术为一体新型工业自动控制装置。由于其抗干扰能力强，可靠性高，编程简朴，性能价格比高，可以通过软件来变化控制过程，并且具备体积小、功能强、可靠性高、抗干扰能力强以及应用安装以便等长处，已成为当代工业自动化领域中主导，是当代工业自动化三大支柱（PLC 技术、机器人、计算机辅助设计和制造）之一。PLC 是微机技术与老式继电接触控制技术相结合产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差缺陷，充分运用了微解决器长处。在当代化工业生产设备中，有大量数字量及模仿量控制装置。如电机启停，电磁阀开关，温度、压力、流量设定与控制等，而PLC 技术是解决上述问题最有效、最便捷工具，因而PLC 在工业控制领域得到了广泛应用。下面就PLC 控制系统设计中问题进行探讨。第二章、PLC构造构成与工作原理2.1 PLC构造构成（1）进行逻辑和数学运算，控制整个系统，使之协调工作中央解决器。（2）用于存储系统监控程序、顾客程序、逻辑变量和某些其她信息存储器。（3）接口电路。它是PLC 与现场设备以及外围设备联系通道，如输入/输出接口、键盘/显示接口、通信接口和扩展接口等。（4）输入/输出电路。输入电路用来对输入信号进行隔离和电平转换；输出电路用来对PLC 输出成果进行放大和电平转换，驱动现场设备。（5）电源。涉及系统电源、备用电源和掉电保护电源等。2.2 PLC 工作原理PLC 采用了一种顺序逻辑扫描顾客程序运营方式，即扫描方式。它不同于普通微型计算机运营方式，它在一种输出线圈或逻辑线圈被接通或断开时，该线圈所有触点不会及时动作，必要等到扫描到该触点时才会动作。普通涉及三个阶段，即输入采样、顾客程序执行和输出刷新。（1）输入采样阶段在此阶段PLC 以扫描方式顺序读入各个接口状态和数据，并将它们存入I/O 映像区中相应单元内。并在顾客程序运营阶段和输出刷新阶段保持不变，只有到了下一种周期采样阶段才会依照实际变化对I/O 映像区作相应变化。因而若输入是一种脉冲信号，则必要保证脉冲信号宽度不不大于一种扫描周期，才干保证脉冲有效输入。（2）顾客程序执行阶段PLC 总是按照由上而下顺序依次扫描顾客程序，在每一条梯形图中，又总是按照先左后右、先上后下顺序对各触点构成控制线路进行逻辑运算。然后依照运算成果，对输出点逻辑线圈在系统RAM中存储状态或I/O 映像区状态进行刷新，并且在本扫描周期内只对排在梯形图下面线圈或数据起作用，排在上面线圈或数据只能在下一种扫描周期才会进行刷新，这就是扫描技术最大特点。（3）输出刷新阶段在一种扫描周期结束后，CPU 依照顾客程序执行完后I/O映像区内各个模块相应状态和数据对所有输出锁存电路进行刷新，然后驱动输出电路输出到相应外设，此时才是PLC一种控制周期结束。第三章、系统设备选型虽然PLC是专门为工业现场设计，抗干扰性、可靠性已得到充分保证，但在实践中发现，各种牌号PLC抗干扰能力还是有区别。有些品牌PLC抗干扰能力差强人意，设计系统时就要加强电源滤波与接地。PLC选用应尽量避免选用新出品型号，由于新型号PLC未经长时间实践应用，有些设计缺陷不容易在实验中反映出来。就象电脑软件中BUG同样。控制系统遇到这种问题是可大可小。通过3年市场考验PLC是比较可靠。PLC选型要尽量系统化、通用化。不同厂家PLC固然不能通用，就是有些同一厂家不同系列PLC之间通用性也很差。相似编程器、通信接口、编程软件和通信合同会给设计者、使用者带来很大以便。PLC选型要注意输入输出点数留有一定余量，特别是新设计系统。新设计系统也许由于考虑欠周到，或者出于新增某些功能都需要额外输入输出点。没有足够输入输出PLC会导致控制系统大变化，在时间上损失往往比更换PLC挥霍费用大许多倍。此外接线端子亦需留出一定余量。PLC 最重要目是控制外部系统。这个系统也许是单个机器、机群或一种生产过程。不同型号PLC 有不同合用范畴。3.1 PLC 机型选取PLC 机型选取基本原则是在满足功能规定及保证可靠、维护以便前提下，力求最佳性能价格比。选取时重要考虑如下几点：（1）合理构造形式PLC 重要有整体式和模块式两种构造形式。整体式PLC 每个I/O点平均价格比模块式便宜，且体积相对较小，普通用于系统工艺过程较为固定小型控制系统中；而模块式PLC 功能扩展灵活以便,且维修以便，普通用于较复杂控制系统。（2）安装方式选取PLC 系统安装方式分为集中式、远程I/O 式以及多台PLC 联网分布式。集中式不需要设立驱动远程I/O 硬件，系统反映快、成本低；远程I/O 式合用于大型系统，系统装置分布范畴很广；多台PLC 联网分布式合用于多台设备分别独立控制，又要互相联系场合，可以选用小型PLC，但必要要附加通讯模块。（3）相应功能规定普通小型PLC 具备逻辑运算、定期、计数等功能，对只需要开关量控制设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模仿量控制系统，可选用带A /D 和D /A 转换单元，具备加减算术运算、数据传送功能增强型低档PLC。（4）响应速度规定PLC 是为工业自动化设计通用控制器，不同档次PLC 响应速度普通都能满足其应用范畴内需要。（5）系统可靠性规定对于普通系统PLC 可靠性均能满足。对可靠性规定很高系统，应考虑与否采用冗余系统或热备用系统。3.2 I/O 选取PLC 与工业生产过程联系是通过I/O 接口模块来实现。PLC 有许多I/O 接口模块，涉及开关量输入模块、开关量输出模块、模仿量输入模块、模仿量输出模块以及其她某些特殊模块，使用时应依照它们特点进行选取。拟定I/O 点数：依照生产工艺规定，分析被控对象复杂限度，进行I/O 点数和I/O点类型记录，列出清单。控制系统规定拟定所需要I/O 点数时，应再增长10% -20% 备用量，以便随时增长控制功能。对于一种控制对象，由于采用控制办法不同或编程水平不同，I/O 点数也有所不同。3.3 存储器类型及容量选取PLC 系统所用存储器基本上由PR O M 、EPR O M 及R A M 三种类型构成。使用时可以依照程序及数据存储需要来选用适当机型，必要时也可专门进行存储器扩充设计。PLC 存储器容量选取和计算一种办法是依照编程使用节点数精准计算存储器实际使用容量。第二种为估算法，顾客可依照控制规模和应用目，按照经验公式来估算。3.4 控制柜内外布线布线对PLC系统影响是很大。布线不好很容易把外界干扰引入PLC内，从而导致系统故障。柜外布线要避免强电与弱电混合走线。弱电输出线与信号输入线要分开。如果在实际操作中没有办法分开，信号输入线则应采用屏蔽线并可靠接地。无论是地沟走线或者是管道走线都应留有足够备份线，各条线要做好标记。柜内布线同样要避免不同功能线混布，不同功能线应当用不同颜色区别，以便检查、维护保养。模仿信号线应用屏蔽线。控制柜接地也是不能忽视，良好接地能有效地减少干扰信号。第四章、PLC控制系统设计4.1 PLC 控制系统硬件设计硬件设计是PLC 控制系统至关重要一种环节，这关系着PLC 控制系统运营可靠性、安全性、稳定性。大功率感性负载通断会引起火花，火花频带包括低频到高频，容易对PLC导致干扰。消火花电路可有效减少火花带来干扰，直流电路可在负载并联继流二极管，交流电路可在负载并联阻容或压敏电阻。大功率电动机起动时会对电网导致干扰，各种电机同步起动时尤甚。干扰信号通过电网进入PLC，不利于系统可靠稳定运营。除了加强电源滤波外，如果容许，在程序设计时应当错开几种电机起动时间。当PLC发生异常或者故障时，需要保证系统也能安全地停止工作。重要涉及输入和输出电路两某些。4.1.1 PLC 控制系统输入电路设计PLC 输入电路电源普通采用24V D C,同步其带负载时要注意容量，并作好防短路办法，这对系统供电安全和PLC 安全至关重要，由于该电源过载或短路都将影响PLC 运营，普通选用电源容量为输入电路功率两倍，PLC 输入电路电源支路加装适当熔丝，防止短路。4.1.2 PLC 控制系统输出电路设计依照生产工艺规定，各种批示灯、变频器启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短，如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次如下，应首选继电器输出，采用这种办法，输出电路设计简朴，抗干扰和带负载能力强。4.2 PLC 控制系统软件设计在进行硬件设计同步可以着手软件设计工作。软件设计重要任务是依照控制规定将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC 应用最核心问题，程序编写是软件设计详细体现。在软件设计方面，可以采用输入点滤波、输出点备份、增长工艺流程冗余、通信数据校核、停电记忆等办法提高系统运营可靠性。4.2.1 PLC 控制系统程序设计思想由于生产过程控制规定复杂限度不同，可将程序按构造形式分为基本程序和模块化程序。基本程序既可以作为独立程序控制简朴生产工艺过程，也可以作为组合模块构造中单元程序。模块化程序是把一种总控制目的程序提成各种具备明确子任务程序模块，分别编写和调试，最后组合成一种完毕总任务完整程序。这种办法叫做模块化程序设计。4.2.2 PLC 控制系统程序设计要点PLC 控制系统I/O 分派，根据生产流水线从前至后，I/O 点数由小到大。尽量把一种系统、设备或部件I/O 信号集中编址，以便于维护。定期器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以保证PLC 工作运营可靠性。程序中大量使用内部继电器或者中间标志位，也要统一编号，进行分派。在地址分派完毕后，应列出I/O 分派表和内部继电器或者中间标志位分派表。彼此关于输出器件，如电机正/反转等，其输出地址应持续安排。4.2.3 PLC 控制系统编程技巧PLC 程序设计原则是逻辑关系简朴明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程必要遵循原则。PLC 各种触点可以多次重复使用，无需用复杂程序来减少触点使用次数。同一种继电器线圈在同一种程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用。如果必要是双线圈输出，可以采用置位和复位操作。模块化编程思想应用，咱们可以把正反自锁互锁程序封装成为一种模块，正反转点动封装成为一种模块，在PLC 程序中可以重复调用该模块，不但减少编程量，并且减少内存占用量,有助于大型PLC 程序编制。第五章、PLC控制系统可靠性分析与设计5.1 影响PLC控制系统可靠性因素PLC控制系统普通由PLC和生产现场设备构成。PLC涉及中央解决器、主机箱、扩展机箱及有关网络与外部设备；生产现场设备涉及继电器、接触器、各种开关、极限位置、安全保护、传感器、仪表、接线盒、接线端子、电动机、电源线、地线、信号线等。它们当中任何一种浮现故障都会影响系统正常工作。因而，分析其对系统可靠性影响限度，是进行可靠性设计、提高控制系统工作可靠性重要根据。就PLC自身而言其工作可靠性是非常高。以三菱F1，F2，FX系列为例。据称其平均无端障工作时间可达30万小时。有资料表白，在PLC控制系统故障中，PLC故障仅占系统故障5 ，PLC控制系统故障重要发生在生产现场设备中，普通占系统故障95 ；与PLC相接输入、输出设备可靠性是影响PLC控制系统可靠性重要因素。5.2 可靠性设计对于一种电控系统来说，可靠性设计重要任务是预测和防止系统所有也许发生故障，拟定系统潜在隐患和薄弱环节，通过设计防止和设计改进，有效地消除隐患和薄弱环节，使系统达到规定可靠性规定。可靠性设计办法普通涉及：制定和贯彻可靠性设计准则、元器件、零部件对的选取与使用、降额设计、冗余设计、耐环境设计、热设计、电磁兼容设计、动态设计(健壮设计)等内容。PLC作为一种高可靠性控制装置，在其所构成控制系统中，系统可靠性重要取决于与它输入、输出端相连接，处在生产现场输入信号元件、输出执行元件可靠性。因而，采用高质量元器件，对故障率较高元器件进行状态监控和故障诊断，充分运用PLC内部丰富软元件代替某些元器件或者屏蔽输入误信号，对核心部位采用冗余设计以保证工作可靠等，都是提高PLC控制系统可靠性有效办法。（1）尽量使用成熟技术和高质量元器件。防范和化解故障风险所谓“成熟技术”，是指所选用PLC和类似系统设计，经历过一定生产实践考验，设计人员对需使用技术有经验或有掌握它能力。普通来说，设计一种PLC控制系统，使用成熟技术要占75 以上。由于控制系统一旦投入运营，就很难有机会重复修改。在设计硬件电路和软件程序中，如果存在某种欠缺，也许始终隐藏在系统中，不为人知。当遇到使其发生破坏作用条件时，后果就非常严重了。只有选取高质量元器件，才干使系统达到高可靠性规定。元器件可靠性分为固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性重要靠元器件设计和制造来保证，使用可靠性则靠设计者对的选取和使用来保证。因而，必要注重对的选取和使用元器件，优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前程且供应渠道可靠原则元器件。（2）设计故障检测程序。提高系统工作可靠性1）时间故障检测法控制系统工作循环各工步运营普通均有严格时间规定，以这些时间为参数，在要检测工步动作开始同步，起动一种定期器，监测其工作状态。定期器设定值，为该工步动作所需要最大也许时间。若动作在规定期间内完毕，发出一种完毕信号，使定期器清零，表白监控对象工作正常；否则，发出报警信号，停止正常工作循环程序。2）逻辑错误检测法在PLC控制系统工作正常时，各输入、输出信号和中间记忆装置之间存在拟定逻辑关系，一旦浮现异常逻辑关系，必然是控制系统浮现故障。因而，可以预先编写某些常用故障异常逻辑程序加到顾客程序中。当这种逻辑关系实现状态为“1”时，必然是浮现了相应设备故障，即可将异常逻辑关系状态输出作为故障信号，实现报警、停机等控制。（3）运用PLC内部定期器屏蔽输入误信号PLC经惯用于控制生产机械运动。有些机械运动速度均匀，运动行程与时间关系确切。以自动循环控制中某行程开关为例，在每一种循环中，它总是在同一时刻动作，发出信号。由于现场工作条件恶劣，实际操作中也许由于振动等因素产生误信号，使系统误动作。如果编程时，用两个内部定期器，限定PLC只在该开关正常发信号时间内采样，屏蔽掉其她时间内也许发出误信号，就可提高PLC输入信号可靠性。（4） PLC内部定期器与外部元器件结合，某些核心部位进行双重保护为了提高PLC控制系统可靠性，对核心故障或核心部位要在硬件和软件上设立双重保护。以某自动焊接机燃烧供气系统控制为例，燃气(乙炔或丙烷)关火顺序(先关燃气，后关氧气)不能颠倒，否则也许回火，引起爆炸。普通氧气延时关断时间由外接时间继电器KT来调定。但是，如果该时间继电器自身故障或操作失误导致氧气关断延时太少，就也许颠倒关气顺序。为保证燃烧供气系统安全可靠，可设定一种PLC内部定期器Tn作氧气延时关断双重保护。正常时，氧气电磁阀由外部继电器KT控制，若KT发生故障或设定期间太短，T0会自动使氧气电磁阀延时关断，起到双重保护作用。（5）合理配备PLC及其硬件和软件资源冗余在设计中大型PLC控制系统时，也许要采用各种方式冗余，以保证系统运营可靠。如在核电站、有毒有害化工生产环境，中央解决器双机热备、冷备冗余，是最常用方式。此外，双系统冗余即中央解决器和所有输A输出、组网通信完全冗余，有时也是必不可少。对于设计新系统，硬件和软件资源不能占用耗尽，硬件上至少保存15左右冗余。在编制软件时，同样要注意预计顾客软件对PLC和计算机资源需要与用量。特别是中间继电器、中间数据如计数器、定期器使用，要留有余地。由于程序在调试运营后，难免会提出修改、补充意见，有时甚至重新编写。在PLC自身可靠性很高状况下，影响PLC控制系统可靠性重要因素是与PLC接口输入信号元件和输出执行元件。通过采用成熟技术和高质量元器件，充分运用PLC内部软元件，设计PLC控制系统故障检测与诊断程序，屏蔽输入元件误信号，防止输出元件误动作，对核心元器件实行软、硬件双重保护，合理配备PLC及其硬件和软件资源冗余等办法，就可以保证控制系统安全可靠地运营。第六章、PLC长处（1）成本低PLC成本低重要因素是不需要额外布线，因其内部配备配电网络可以直接作为传播线路应用，因而使投资成本得以大大减低。（2）范畴广电力线规模之大始终是其她任何网络都无法与之相比拟，其覆盖范畴更是最为广泛。它可以毫不费力地渗入到各个家庭内部，并且无论在家里哪个角落，只要将其连接到电源插座上，就可以及时享有PLC所带来上网高速率，这为互联网事业发展与进步创造了很大发展空间。（3）速率高PLC传播速率极高，并且可以轻松地支持各种网络上应用。第七章、结束语始终以来，国产PLC应用市场都不是很大，重要因素是技术以及制造工艺等方面不能达到一定原则，另一方面就是资金短缺。随着市场需求限度逐渐加强，国内国产PLC产业技术水平及生产工艺都在应需逐渐走向成熟，PLC产品设计、制造以及质量监控方面都以具备了一定规模，生产质量也得到了很大提高。总之，工厂自动化及产品设备自动控制，是后来工业公司发展一种方向。PLC 基于其控制优势、运用灵活性及其模块化设计思想等，将在后来工业控制领域中得到充分和大量应用。参照文献【1】李康乐.PLC控制系统设计.中华人民共和国核电工程有限公司，；【2】周金慧.可编程控制器及其系统.重庆大学出版社， 年；【3】宫淑贞.可编程控制器原理及应用.人民邮电出版社，；【4】马骥.基于PLC控制系统安全可靠运营办法分析.大庆炼化公司机电仪器厂，；【5】陈华.PLC程序设计与应用.石家庄钢铁责任有限公，；【6】张学辉.西门子PLC程序设计办法研究.机械工程与自动化,(7):22-25；【7】陈义锋.PLC应用及控制系统设计J .湖南农机，(5):33-40；【8】王明亮 王庆君 曾进.可靠PLC系统设计.黑龙江烟草工业公司绥化卷烟厂，；【9】谢克明.可编程逻辑控制器和程序设计.北京电子工业出版社，；【10】黄葵.浅谈PLC在控制系统中应用.广西汉和建筑规划设计有限公司，。