基于PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

摘要：隨著PLC在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類(lèi)越來(lái)越多，例如電機(jī)的啟停，電磁閥的開(kāi)閉，產(chǎn)品的計(jì)數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，而PLC技術(shù)是解決上述問(wèn)題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文就PLC工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：PLC；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U291.4+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC或PC）是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。

PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)。

PLC的主要特點(diǎn)如下：

A.用內(nèi)部已定義的各種輔助繼電器代替機(jī)械觸點(diǎn)繼電器，通過(guò)軟件編程方式用內(nèi)部邏輯關(guān)系代替實(shí)際的硬件連接導(dǎo)線，這些內(nèi)部繼電器的節(jié)點(diǎn)變位時(shí)間可理想化地認(rèn)為等于零，因此只需考慮它的0-1狀態(tài)而無(wú)需考慮傳統(tǒng)繼電器所固有的返回系數(shù)。

B.可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適用于復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。

C.配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)，易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能。

D.易學(xué)易用，照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制采用簡(jiǎn)單指令形式，使用戶(hù)程序編制形象、直觀、方便易學(xué)。

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，PLC已十分成熟與完善，尤其在順序控制、開(kāi)關(guān)量邏輯運(yùn)算和處理這兩方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，而模擬量閉環(huán)控制也已非常成熟。 PLC技術(shù)自從引入我國(guó)的電力行業(yè)后就得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)展壯大。

2PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

2.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是PLC控制系統(tǒng)的至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這關(guān)系著PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。

2.2.1 PLC控制系統(tǒng)的輸入電路設(shè)計(jì)。PLC供電電源一般為AC85-240V，適應(yīng)電源范圍較寬，但為了抗干擾，應(yīng)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(shù)，即變壓器的初、次級(jí)線圈屏蔽層與初級(jí)電氣中性點(diǎn)接大地，次級(jí)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(yīng)采用DC 24V， 同時(shí)其帶負(fù)載時(shí)要注意容量，并作好防短路措施，這對(duì)系統(tǒng)供電安全和PLC安全至關(guān)重要，因?yàn)樵撾娫吹倪^(guò)載或短路都將影響PLC的運(yùn)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。

2.2.2 PLC控制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計(jì)。依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，各種指示燈、變頻器/數(shù)字直流調(diào)速器的啟動(dòng)停止應(yīng)采用晶體管輸出，它適應(yīng)于高頻動(dòng)作，并且響應(yīng)時(shí)間短;如果PLC系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6 次以下，應(yīng)首選繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾和帶負(fù)載能力強(qiáng)。

如果PLC輸出帶電磁線圈等感性負(fù)載，負(fù)載斷電時(shí)會(huì)對(duì)PLC的輸出造成浪涌電流的沖擊，為此，對(duì)直流感性負(fù)載應(yīng)在其旁邊并接續(xù)流二極管，對(duì)交流感性負(fù)載應(yīng)并接浪涌吸收電路，可有效保護(hù)PLC。

當(dāng)PLC掃描頻率為10次/min 以下時(shí)，既可以采用繼電器輸出方式，也可以采用PLC輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器或者固態(tài)繼電器（SSR），再驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

對(duì)于兩個(gè)重要輸出量，不僅在PLC內(nèi)部互鎖，建議在PLC外部也進(jìn)行硬件上的互鎖，以加強(qiáng)PLC系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。

對(duì)于常見(jiàn)的AC220V交流開(kāi)關(guān)類(lèi)負(fù)載，例如交流接觸器、電磁閥等，應(yīng)該通過(guò)DC24V微小型中間繼電器驅(qū)動(dòng)，避免PLC的DO接點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)，盡管PLC手冊(cè)標(biāo)稱(chēng)具有AC220V交流開(kāi)關(guān)類(lèi)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

2.2.3 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的日新月異的發(fā)展，晶閘管可控整流和變頻調(diào)速裝置使用日益廣泛，這帶來(lái)了交流電網(wǎng)的污染，也給控制系統(tǒng)帶來(lái)了許多干擾問(wèn)題，防干擾是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。一般采用以下幾種方式:

隔離：由于電網(wǎng)中的高頻干擾主要是原副邊繞組之間的分布電容耦合而成，所以建議采用1:1超隔離變壓器，并將中性點(diǎn)經(jīng)電容接地。

屏蔽：一般采用金屬外殼屏蔽，將PLC系統(tǒng)內(nèi)置于金屬柜之內(nèi)。金屬柜外殼可靠接地，能起到良好的靜電、磁場(chǎng)屏蔽作用，防止空間輻射干擾。

布線：強(qiáng)電動(dòng)力線路、弱電信號(hào)線分開(kāi)走線，并且要有一定的間隔;模擬信號(hào)傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

2.2 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)可以著手軟件的設(shè)計(jì)工作。軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求將工藝流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用的最關(guān)鍵的問(wèn)題，程序的編寫(xiě)是軟件設(shè)計(jì)的具體表現(xiàn)。在控制工程的應(yīng)用中，良好的軟件設(shè)計(jì)思想是關(guān)鍵，優(yōu)秀的軟件設(shè)計(jì)便于工程技術(shù)人員理解掌握、調(diào)試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護(hù)。

2.2.1 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思想。由于生產(chǎn)過(guò)程控制要求的復(fù)雜程度不同，可將程序按結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序。

基本程序:既可以作為獨(dú)立程序控制簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝過(guò)程，也可以作為組合模塊結(jié)構(gòu)中的單元程序;依據(jù)計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)思想，基本程序的結(jié)構(gòu)方式只有三種:順序結(jié)構(gòu)、條件分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。

模塊化程序:把一個(gè)總的控制目標(biāo)程序分成多個(gè)具有明確子任務(wù)的程序模塊，分別編寫(xiě)和調(diào)試，最后組合成一個(gè)完成總?cè)蝿?wù)的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設(shè)計(jì)。我們建議經(jīng)常采用這種程序設(shè)計(jì)思想，因?yàn)楦髂K具有相對(duì)獨(dú)立性，相互連接關(guān)系簡(jiǎn)單，程序易于調(diào)試修改。特別是用于復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)過(guò)程。

2.2.2 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。PLC控制系統(tǒng)I/O分配，依據(jù)生產(chǎn)流水線從前至后，I/O點(diǎn)數(shù)由小到大;盡可能把一個(gè)系統(tǒng)、設(shè)備或部件的I/O信號(hào)集中編址，以利于維護(hù)。定時(shí)器、計(jì)數(shù)器要統(tǒng)一編號(hào)，不可重復(fù)使用同一編號(hào)，以確保PLC工作運(yùn)行的可靠性。

程序中大量使用的內(nèi)部繼電器或者中間標(biāo)志位（不是I/O位），也要統(tǒng)一編號(hào)，進(jìn)行分配。

在地址分配完成后，應(yīng)列出I/O分配表和內(nèi)部繼電器或者中間標(biāo)志位分配表。

彼此有關(guān)的輸出器件，如電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)等，其輸出地址應(yīng)連續(xù)安排，如Q2.0/Q2.1等。

3PLC設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)技巧

PLC各種觸點(diǎn)可以多次重復(fù)使用，無(wú)需用復(fù)雜的程序來(lái)減少觸點(diǎn)使用次數(shù)。同一個(gè)繼電器線圈在同一個(gè)程序中使用兩次稱(chēng)為雙線圈輸出，雙線圈輸出容易引起誤動(dòng)作，在程序中盡量要避免線圈重復(fù)使用。如果必須是雙線圈輸出，可以采用置位和復(fù)位操作（以S7-300為例如SQ4.0或者RQ4.0）。如果要使PLC多個(gè)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(shí)都為1，可以使用一條指令將十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)0A9H直接傳送QW2即可。對(duì)于非重要設(shè)備，可以通過(guò)硬件上多個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)后再接入PLC輸入端，或者通過(guò)PLC編程來(lái)減少I(mǎi)/O點(diǎn)數(shù)，節(jié)約資源。例如:我們使用一個(gè)按鈕來(lái)控制設(shè)備的啟動(dòng)/停止，就可以采用二分頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊化編程思想的應(yīng)用:我們可以把正反自鎖互鎖轉(zhuǎn)程序封裝成為一個(gè)模塊，正反轉(zhuǎn)點(diǎn)動(dòng)封裝成為一個(gè)模塊，在PLC程序中我們可以重復(fù)調(diào)用該模塊，不但減少編程量，而且減少內(nèi)存占用量，有利于大型PLC程序的編制。

結(jié)束語(yǔ)

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)步驟有序的系統(tǒng)工程，要想做到熟練自如，需要反復(fù)設(shè)計(jì)和實(shí)踐。本文是PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]陳延奎.淺談PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)科技信息，2009-10-15.