可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計方法
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一、問題提出
可編程控制器技術(shù)最主要是應(yīng)用于自動化控制工程中，如何綜合地運(yùn)用前面學(xué)過知識點(diǎn)，根據(jù)實際工程要求合理組合成控制系統(tǒng)， 在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法。
二、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟
1 ．系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容
（ 1 ）擬定控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計任務(wù)書的形式來確定，它是整個設(shè)計的依據(jù)；
（ 2 ）選擇電氣傳動形式和電動機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；
（ 3 ）選定 PLC 的型號；
（ 4 ）編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪制輸入 / 輸出端子接線圖；
（ 5 ）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言（常用梯形圖）進(jìn)行程序設(shè)計；
（ 6 ）了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計，增強(qiáng)人與機(jī)器之間的友善關(guān)系；
（ 7 ）設(shè)計操作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件；
（ 8 ）編寫設(shè)計說明書和使用說明書；
根據(jù)具體任務(wù)，上述內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)整。
2 ． 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟
可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟，如圖 1 所示。
圖 1 可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟
（ 1 ）深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求
a ．被控對象就是受控的機(jī)械、電氣設(shè)備、生產(chǎn)線或生產(chǎn)過程。
b ．控制要求主要指控制的基本方式、應(yīng)完成的動作、自動工作循環(huán)的組成、必要的保護(hù)和聯(lián)鎖等。對較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，還可將控制任務(wù)分成幾個獨(dú)立部分，這種可化繁為簡，有利于編程和調(diào)試。
（ 2 ）確定 I/O 設(shè)備
根據(jù)被控對象對 PLC 控制系統(tǒng)的功能要求，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、傳感器等，常用的輸出設(shè)備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。
（ 3 ）選擇合適的 PLC 類型
根據(jù)已確定的用戶 I/O 設(shè)備，統(tǒng)計所需的輸入信號和輸出信號的點(diǎn)數(shù)，選擇合適的 PLC 類型，包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、 I/O 模塊的選擇、電源模塊的選擇等。
（ 4 ）分配 I/O 點(diǎn)
分配 PLC 的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入 / 輸出分配表或者畫出輸入 / 輸出端子的接線圖。接著九可以進(jìn)行 PLC 程序設(shè)計，同時可進(jìn)行控制柜或操作臺的設(shè)計和現(xiàn)場施工。
（ 5 ）設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序
根據(jù)工作功能圖表或狀態(tài)流程圖等設(shè)計出梯形圖即編程。這一步是整個應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的最核心工作，也是比較困難的一步，要設(shè)計好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時還要有一定的電氣設(shè)計的實踐經(jīng)驗。
（ 6 ）將程序輸入 PLC
當(dāng)使用簡易編程器將程序輸入 PLC 時，需要先將梯形圖轉(zhuǎn)換成指令助記符，以便輸入。當(dāng)使用可編程序控制器的輔助編程軟件在計算機(jī)上編程時，可通過上下位機(jī)的連接電纜將程序下載到 PLC 中去。
（ 7 ）進(jìn)行軟件測試
程序輸入 PLC 后，應(yīng)先進(jìn)行測試工作。因為在程序設(shè)計過程中，難免會有疏漏的地方。因此在將 PLC 連接到現(xiàn)場設(shè)備上去之前，必需進(jìn)行軟件測試，以排除程序中的錯誤，同時也為整體調(diào)試打好基礎(chǔ)，縮短整體調(diào)試的周期。
（ 8 ）應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試
在 PLC 軟硬件設(shè)計和控制柜及現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行整個系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試，如果控制系統(tǒng)是由幾個部分組成，則應(yīng)先作局部調(diào)試，然后再進(jìn)行整體調(diào)試；如果控制程序的步序較多，則可先進(jìn)行分段調(diào)試，然后再連接起來總調(diào)。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題，要逐一排除，直至調(diào)試成功。
（ 9 ）編制技術(shù)文件
系統(tǒng)技術(shù)文件包括說明書、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細(xì)表、 PLC 梯形圖。
三、 PLC 硬件系統(tǒng)設(shè)計
1 ． PLC 型號的選擇
在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前，要詳細(xì)了解被控對象的控制要求，從而決定是否選用 PLC 進(jìn)行控制。
在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜（需要大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等）、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和信息管理（有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬量的控制、 PID 調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準(zhǔn)備實現(xiàn)工廠自動化聯(lián)網(wǎng)等情況下，使用 PLC 控制是很必要的。
目前，國內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的 PLC 產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以全面權(quán)衡利弊、合理地選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實用的目的。一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng)功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設(shè)備資源的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個方面來考慮。
（ 1 ）對輸入 / 輸出點(diǎn)的選擇
盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會造成一定浪費(fèi)。
要先弄清除控制系統(tǒng)的 I/O 總點(diǎn)數(shù)，再按實際所需總點(diǎn)數(shù)的 15 ～ 20 ％留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數(shù)。
另外要注意，一些高密度輸入點(diǎn)的模塊對同時接通的輸入點(diǎn)數(shù)有限制，一般同時接通的輸入點(diǎn)不得超過總輸入點(diǎn)的 60 ％； PLC 每個輸出點(diǎn)的驅(qū)動能力（ A/ 點(diǎn)）也是有限的，有的 PLC 其每點(diǎn)輸出電流的大小還隨所加負(fù)載電壓的不同而異；一般 PLC 的允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。在選型時要考慮這些問題。
PLC 的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級，但這種 PLC 平均每點(diǎn)的價格較高。如果輸出信號之間不需要隔離，則應(yīng)選擇前兩種輸出方式的 PLC 。
（ 2 ）對存儲容量的選擇
對用戶存儲容量只能作粗略的估算。在僅對開關(guān)量進(jìn)行控制的系統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘 10 字 / 點(diǎn)＋輸出總點(diǎn)數(shù)乘 5 字 / 點(diǎn)來估算；計數(shù)器 / 定時器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個估算；有運(yùn)算處理時按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的系統(tǒng)中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲容量來估算；有通信處理時按每個接口 200 字以上的數(shù)量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 ～ 100 ％留有裕量。對缺乏經(jīng)驗的設(shè)計者，選擇容量時留有裕量要大些。
（ 3 ）對 I/O 響應(yīng)時間的選擇
PLC 的 I/O 響應(yīng)時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時間延遲（一般在 2 ～ 3 個掃描周期）等。對開關(guān)量控制的系統(tǒng)， PLC 和 I/O 響應(yīng)時間一般都能滿足實際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應(yīng)問題。但對模擬量控制的系統(tǒng)、特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個問題。
（ 4 ）根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型
不同的負(fù)載對 PLC 的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷的感性負(fù)載，應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應(yīng)選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動作不頻繁的交、直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型的 PLC 。
（ 5 ）對在線和離線編程的選擇
離線編程示指主機(jī)和編程器共用一個 CPU ，通過編程器的方式選擇開關(guān)來選擇 PLC 的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時， CPU 只為編程器服務(wù)，而不對現(xiàn)場進(jìn)行控制。專用編程器編程屬于這種情況。在線編程是指主機(jī)和編程器各有一個 CPU ，主機(jī)的 CPU 完成對現(xiàn)場的控制，在每一個掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機(jī)，在下一個掃描周期主機(jī)將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場進(jìn)行控制。計算機(jī)輔助編程既能實現(xiàn)離線編程，也能實現(xiàn)在線編程。在線編程需購置計算機(jī)，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。
（ 6 ）據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型
若 PLC 控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動化網(wǎng)絡(luò)，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要求 PLC 應(yīng)具有連接其他 PLC 、上位計算機(jī)及 CRT 等的接口。大、中型機(jī)都有通信功能，目前大部分小型機(jī)也具有通信功能。
（ 7 ）對 PLC 結(jié)構(gòu)形式的選擇
在相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價格低。但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實際需要選擇 PLC 的結(jié)構(gòu)形式。
2 ．分配輸入 / 輸出點(diǎn)
一般輸入點(diǎn)和輸入信號、輸出點(diǎn)和輸出控制是一一對應(yīng)的。
分配好后，按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號，分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進(jìn)行編號。
在個別情況下，也有兩個信號用一個輸入點(diǎn)的，那樣就應(yīng)在接入輸入點(diǎn)前，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個觸點(diǎn)先串聯(lián)或并聯(lián)），然后再接到輸入點(diǎn)。
（ 1 ）確定 I/O 通道范圍
不同型號的 PLC ，其輸入 / 輸出通道的范圍是不一樣的，應(yīng)根據(jù)所選 PLC 型號，查閱相應(yīng)的編程手冊，決不可“張冠李戴”。必須參閱有關(guān)操作手冊。
（ 2 ）部輔助繼電器
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
