基于自動化生產過程中PLC控制系統的設計

師玲萍

（西安鐵路職業技術學院　陜西　西安　710014）

基于自動化生產過程中PLC控制系統的設計

師玲萍

（西安鐵路職業技術學院陜西西安710014）

基于應用PLC控制系統提高自動化生產的效率，減少錯誤的發生的目的，通過PLC選型、PLC系統分析等具體工作，設計出了完善的PLC控制系統。設計PLC控制系統必須要完成輸入/輸出回路的設計、"COM"點的設計、外部驅動電路的設計、擴展模塊的設計、PLC網絡設計等一系列的工作。對相關部分的設計進行詳細描述，通過該設計使PLC系統能更好地運用在自動化生產中，相對于以前的技術，能較大地提高自動化生產效率。

自動化生產；PLC控制系統；設計；PLC網絡；驅動電路

PLC技術在近年來得到了迅速發展，目前已經成為工業化生產的支柱性技術。隨著計算機功能的不斷完善，PLC系統也在不斷被更新，為自動化生產提供了更大的保障。將PLC控制系統應用于現代工作生產中，能夠使復雜的工業過程得到良好的控制。可以說，PLC控制系統作為工業控制的計算機，具有強大的控制功能和管理能力。由此可見，設計出功能完善的PLC控制系統是保證自動化生產的重要前提。

1　PLC控制系統的設計原則

1.1PLC控制系統概述

PLC（Program mable Logic Controller）即為可編程邏輯控制器，在國際電工委員會中，將其定義為專為工業應用設計的數字操作電子系統。PLC的存儲器能夠完成編程操作，對內部的邏輯問題進行計算，控制操作的順序并下達相應的指令。同時還能完成模擬輸入、輸出等工作，以此來控制生產的過程。可編程邏輯控制器的開發要追溯到在20世紀60年代，當時美國研發完成了第一代PLC，開啟了工業自動化時代。目前，全球的PLC收入已逾百億元，PLC控制系統也成為當代工業生產的重要支柱。

1.2PLC機型選擇的原則

PLC控制系統的結構中包含輸出和輸入設備，系統設計工作的主要內容是PLC機型的選擇以及內部程序的設計。在實際生產中，PLC會被應用與不同的工藝流程和不同的場合中，這些工藝過程對控制功能的要求也有所不同，因此在機型的選擇上很難達成統一的標準，需根據不同的生產內容完成機型的選擇。但機型的選擇要始終滿足以下幾個基本要求。一是PLC機型的選擇要以I/O點數為主。根據控制系統的要求確定I/O點數。在此過程中要保留10%左右的裕量，為工藝的改進留下空間。二是要加強對小機型的應用。隨著技術的不斷完善，小機型逐漸取代了大機型。在PLC功能選擇上，只要使其滿足I/O點數即可，大多數的小機型都能夠滿足這一要求。三是要對內存容量進行合理的選擇。在一般情況下，I/O點數不同，內容容量也會存在很大的差異。在內存的選擇上要考慮到裕量的保留，留下實際運行程序的25%作為裕量。在內存的選擇上不要盲目貪大，要以夠用為基本原則。同城點數滿足I/O的PLC其內存也能得到要求。四是在PLC的選擇上，要考慮其結構與控制系統間的合理性。如果生產為單機系統控制，所需的I/O點數較少，無需進行PLC通信，但對模擬信號的處理能力要求很高，則可以考慮選擇整體式機。如OMRON C200H系列以及松下FPI系列等。如果系統將開關量作為控制的關鍵，可為其選擇西門子 S7-200、OMRON C系列等機型。五是一個生產企業應選用統一類型的機型，提高設備的互用率，為生產提供便利。

2　PLC控制系統的設計

2.1輸入回路的設計

1）設計電源回路

在PLC控制系統的設計上，首先要設計出電源回路（圖1）。選用80至240VAC的電源作為PLC的供電裝置。由于適用于PLC的電源較多，其對電源的適應范圍較廣，因此在安裝電源時要加裝電源凈化元件，以此來達到抗干擾的目的。抗干擾元件選擇1:1的隔離變壓器、電源濾波器等裝置。

圖1　PLC電源回路

2）設計PLC直流電源

在對PLC直流電源進行設計時要嚴格考慮電源的使用。本次設計選用24 V的直流電源。但由于該種電源一般只有幾十至幾百毫安的電容，電容量相對較小。如果電源出現過載或短路等情況會直接影響到PLC的運行，因此在設計中采取防短路等安全措施對電源進行保護。

3）設計外部直流電源

在完成直流電源的設計后，要進行外部直流電源的設計（圖2）。由于PLC上的直流電源電容達不到要求，因此在設計中選用外部24 V直流電源為其提供支持。但是在使用的過程中，外部電源的負極不能直接與PLC24V直流電源的負極相連，以免對PLC的運行造成不良影響。

圖2　外部直流電源

4）設計輸入靈敏度

靈敏度的設計也是PLC系統設計中的重要內容。由于不同的生產廠家對PLC的輸入端電流有著不同的要求，當輸入回路中有電阻時，就會出現誤操作現象，因此在本次設計中會對這種情況采取相應的措施。此外，一旦輸入電流大于PLC最大輸入電流，就會出現錯誤動作，因此將弱電流作為輸入的器件，減少誤操作現象的發生。

2.2輸出回路的設計

從繼電器的輸出上來看，其優點是不同的公共點之間電壓可以各不相同，帶負載時電流能夠達到2 A/點。但繼電器在輸出方式上有所限制，不能用于高頻動作的負載。繼電器的壽命會隨著負載電流的增加而有所減少。從晶閘管的輸出上來看。其帶負載的能力可達到0.2 A/點，但是只能攜帶交流的負載。晶閘管能夠適應高頻的動作，其相應的時間可達到為1ms。從晶體管的輸出上來看，其優勢為響應時間較短，只需0.2ms左右，可適應高頻的工作。但是晶體管只能攜帶5至30VDC的負載，負載電流最大為0.5 A/點。

在輸出回路的設計上，如果系統的輸出頻率低于6次/分，則應選擇繼電器輸出，由于繼電器輸出的設計相對簡單、抗干擾能力強，在系統中能夠更好的發揮其作用。如果系統的輸出頻率低于10次/分，可以選擇PLC輸出驅動達林頓三極管完成負載的驅動，也可以選用繼電器輸出。

2.3“COM”點的設計

在“COM”點的設計上，要對其數量進行特別關注。對于不同的PLC產品來說，其“COM”點的數量也有所不同。部分“COM”點攜帶有8個輸出點，而有的“COM”點則只攜帶4個輸出點，也有些“COM”點只攜帶1至2個輸出點。當系統的電流較大、負載的種類較多時，可以選用“COM”點攜帶1至2個輸出線的PLC。

2.4外部驅動電路的設計

如果PLC在輸出的過程中不能帶動負載，則要通過外部驅動電路的幫助來完成生產。在設計中，可以采用三極管或固態繼電器作為外部驅動電路，同時完成保護電路和浪涌吸收電路的設計，保證每一路都有二極管作為指示。在印制板的制作上，應盡量將其設計為插拔式，便于維修工作的開展。在PLC的輸入/輸出布線上，要嚴格按照說明書的要求來完成，保證系統的完整性和合理性。

2.5擴展模塊的設計

在擴展模塊（圖4）的設計中，如果PLC系統較小，則不需要對其進行擴展。當PLC系統較大時，需要對其進行一定成程度的擴展。由于不同的產品對系統總點數的要求有所不同，當擴展條件不足時們可以使用網絡結構來完成系統的擴展。有部分廠家的系統會排斥擴展模塊，在此類系統的編制上，要給予特別的關注。擴展工作應嚴格按照技術手冊上的相關要求來執行，保證擴展內容符合系統的要求。

2.6PLC網絡的設計

由于PLC網絡的設計較PLC單機設計難度大，因此在設計時要注意各個步驟間的配合。首先，要對機型的信息進行全面的了解，掌握制定的執行速度個程序的儲存容量。其次要對通信的接口和數據傳輸速度進行完整的考慮，避免在設計的過程中系統出現崩塌。另外，還要向PLC商家尋求詳細的技術資料，保證設計工作的準確性［7-8］。

2.7軟件的編制

在軟件編制工作開始之前，要對產品說明書進行詳細的閱讀。在進行軟件的編程時們可以先畫出梯形圖，再完成編程工作，減少錯誤的發生，提高編程的速度。編程的基本步驟可分為幾點，一是要根據系統的要求確定控制的手法，生成動作，設置保護和連鎖，對控制參數進行精準的設定。二是要根據現場的要求完成按鈕、開關。指示燈等具體元件的設計和分類，分配好輸入和輸出的地址。三是要完成復雜系統的控制，繪制出流程圖，嚴格按照圖表完成設計工作。四是要完成程序的模擬調試工作，保證程序的良好運行。五是要完成設計后期的在線統籌工作，在不帶負載的情況下進行調試，在確定其運行正常后再讓其負載運行。

圖3　PLC輸出回路

圖4　PLC擴展模塊

3　PLC控制系統設計注意事項

在電源線的選擇上，應盡量選擇雙絞線，保證線徑在2mm2以上。如果選用擴展單元作為控制系統的電源，則要保證擴展單元和主機所用的開關為同一開關。不要將PLC的接地端接地，如果必須完成接地工作，則要選用專用的接地線。保證接地線徑為2mm，接地的電阻在4Ω以下。輸出信號線的長度要保持在30m之內，將輸入和輸出的線路分開，保證其與動力線的距離在200mm以上。如果在實際生產中要將PLC安裝在金屬板上，則必須在其底部防止絕緣墊，防止金屬裝置為對系統工作造成干擾。在對系統進行調試時，不可使用帶有插拔編程的電纜，避免其對器件造成損壞。將PLC的負載電源外接，加強對器具的保護。在PLC帶有感性負載時，繼電器斷開瞬間產生幾千伏的高壓，易對繼電器造成損壞，此時可在系統中增加浪涌吸收電路（圖5），加強對繼電器的保護。

圖5　浪涌吸收電路

4　結束語

PLC作為一種數字操作電子系統，在工業生產中得到了廣泛的應用。在具體設計中，要完成輸入/輸出回路的設計、“COM”點的設計、外部驅動電路的設計、擴展模塊的設計、PLC網絡設計等一系列的工作。設計要根據生產的要求來進行，同時也要加強對器具的保護，使PLC系統更好的發揮其作用。

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Design of PLC control system based on automatic production process

SHILing-ping
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Based on the application of PLC control system to improve the efficiency of the automatic production，reduce the error，the purpose of through the type selection of PLC，PLC system analysis and so on concrete work，perfect PLC control system are designed.It is concluded that the design of PLC control system mustbe completed to finish the design of the input/output circuit，".com"pointof design.The design of the related part is described in detail，and the PLC system can be used in the automatic production better，compared with the previous technology，itcan improve the automation production efficiency.

automatic production；PLC controlling system；design；PLC net；drive circuit

TN0

A

1674-6236（2016）19-0113-04

2015-08-26稿件編號：201508138

師玲萍（1987—），女，甘肅臨洮人，碩士，助教。研究方向：車輛工程。