淺析ＰＬＣ控制系統的構成及其設計

摘要：在現代化的工業生產設備中，有大量的數字量及模擬量的控制裝置，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。下面就PLC工業控制系統設計中的問題進行探討。

關鍵詞：PLC 系統 特點 要求 設計

1 PLC系統特點

第一，可靠性高、抗干擾能力強，平均故障時間為幾十萬小時。而且PLC采用了許多硬件和軟件抗干擾措施。第二，編程簡單、使用方便目前大多數PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式，很容易被操作人員接受。一些PLC還根據具體問題設計了如步進梯形指令等，進一步簡化了編程。第三，設計安裝容易，維護工作量少。第四，適用于惡劣的工業環境，采用封裝的方式，適合于各種震動、腐蝕、有毒氣體等的應用場合。第五，與外部設備連接方便，采用統一接線方式的可拆裝的活動端子排，提供不同的端子功能適合于多種電氣規格。第六，功能完善、通用性強、體積小、能耗低、性能價格比高。

在應用PLC系統設計時，應遵循以下的基本原則，才能保證系統工作的穩定。①最大限度地滿足被控對象的控制要求；②系統結構力求簡單；③系統工作要穩定、可靠；④控制系統能方便的進行功能擴展、升級；⑤人機界面友好。

這里，為了實現能源的充分利用和生產的需要，需要對電機進行轉速調節，考慮到電機的啟動、運行、調速和制動的特性，采用ABB公司的ABB ACS800變頻器，系統中由S7-200系列PLC完成數據的采集和對變頻器、電機等設備的控制任務。基于S7-200 PLC的編程軟件，采用模塊化的程序設計方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發和維護。系統利用對PLC軟件的設計，實現變頻器的參數設置、故障診斷和電機的啟動和停止。

2 PLC系統控制要求

2.1 系統要求用戶能夠的直觀了解現場設備的工作狀態及水位的變化；

2.2 要求用戶能夠遠程控制變頻器的啟動和停止；

2.3 用戶可自行設置水位的高低，以控制變頻器的起停；

2.4 變頻器及其他設備的故障信息能夠及時反映在遠程PLC上；

2.5 具有水位過高、過低報警和提示用戶功能；

3 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。

3.1 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。

3.1.1 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。

3.1.2 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。

3.1.3 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。

3.2 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。

3.2.1 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。

3.2.2 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。

3.2.3 PLC控制系統編程技巧。PLC程序設計的原則是邏輯關系簡單明了，易于編程輸入，少占內存，減少掃描時間，這是PLC 編程必須遵循的原則。

4 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。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。