基于PLC的實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭魯平+陳連忠+董永暉+陳海群

摘 要 隨著PLC在工業(yè)控制中的廣泛使用，其方便快捷的控制方式和穩(wěn)定可靠的運(yùn)行性能在實(shí)驗(yàn)室的控制系統(tǒng)使用也越來(lái)越多，本文從實(shí)驗(yàn)室PLC控制系統(tǒng)設(shè)備選型、PLC編程工具、WinCC組態(tài)軟件以及控制系統(tǒng)硬軟件的設(shè)計(jì)等四個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹了實(shí)驗(yàn)室PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】PLC 控制系統(tǒng) 組態(tài)軟件 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

可編程序控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）是在程序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，比一般計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的輸入輸出接口，并已成為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本裝置。PLC融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、即時(shí)通信技術(shù)以及繼電器控制技術(shù)等，使其具備了很高的操作靈活性尤其是運(yùn)行可靠性。

PLC依照存儲(chǔ)器內(nèi)部的特定邏輯程序?qū)τ脩?hù)程序和各種工作數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理；對(duì)于用戶(hù)程序當(dāng)中的各種錯(cuò)誤進(jìn)行診斷并警示；對(duì)于系統(tǒng)當(dāng)中的可編輯存儲(chǔ)器、警戒定時(shí)器、I/O 接口以及電源設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)掃描并接收系統(tǒng)輸入設(shè)備的各種數(shù)據(jù)和其他信息，將數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行讀取和邏輯運(yùn)算再通過(guò)控制程序?qū)?shù)據(jù)傳輸給輸出裝置。

1 明確設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的功能要求

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先要明確系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的具體目的和所要完成的目的控制動(dòng)作。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，首先應(yīng)弄清系統(tǒng)中所有控制機(jī)構(gòu)的特征，主要包括被控設(shè)備的結(jié)構(gòu)部分以及各個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力特性，以及返回狀態(tài)信號(hào)的顯示方式；同時(shí)需要考慮各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備控制點(diǎn)模擬量信號(hào)的測(cè)量和傳輸路徑設(shè)計(jì)和選擇。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要根據(jù)其可能性與可行性對(duì)原有設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)之上，將各個(gè)功能要求分別列出，細(xì)化各個(gè)功能要求到每一個(gè)控制參數(shù)下。

2 PLC 系統(tǒng)設(shè)備選型

目前，PLC相關(guān)的品種和類(lèi)型很多，相關(guān)產(chǎn)品的編程模式、指令系統(tǒng)、運(yùn)算性能、設(shè)備容量以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面也存在著較大的差異，實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)作為一類(lèi)特殊的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在部分范圍內(nèi)有別于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式和方法。為了提高PLC實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能，要在控制精度、運(yùn)行速度和運(yùn)算處理等方面考慮合理選擇PLC。首先PLC的選擇必須滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)室控制所需要的實(shí)際性能為核心，而后參考性能可靠、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、性?xún)r(jià)比高等幾個(gè)因素?fù)駜?yōu)選擇。同時(shí)需要為系統(tǒng)的升級(jí)預(yù)留一定的空間，為了滿(mǎn)足日后增加外圍設(shè)備的需求，選型時(shí)系統(tǒng)應(yīng)該具有相應(yīng)的通信接口；實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)連接的普遍使用，會(huì)為將來(lái)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸和共享提供極大地便利。

3 PLC輸入輸出模塊的選取

輸入輸出模塊是PLC的主要控制結(jié)構(gòu)，主要分為數(shù)字量模塊和模擬量模塊。PLC輸入模塊的工作原理是：將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC可以識(shí)別的內(nèi)部電平信號(hào)。輸入模塊依照電路形式的差異，可以將其分為分隔輸入式和匯點(diǎn)輸入式，依照電壓的差異，可以將其分為直流式和交流式。在選取輸入模塊時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)因素：供電方式（是外部供電還是內(nèi)部供電）、隔離方式（是否需要進(jìn)行隔離以及隔離方式的選擇）、傳輸距離（短距離傳輸還是長(zhǎng)距離傳輸）以及電壓大小。輸出模塊的工作方式則正好與輸入模塊的工作方式相反，主要是將PLC內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠吭O(shè)備的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)作用。輸入輸出模塊在設(shè)計(jì)使用時(shí)，應(yīng)該根據(jù)元件和模塊之間的實(shí)際距離來(lái)確定工作電壓等級(jí)；根據(jù)信號(hào)動(dòng)作的時(shí)間和信號(hào)的多少來(lái)確定I/O模塊的密度；盡量提高門(mén)檻電平，以提高PLC控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性；在輸入端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙莺碗娮瑁档洼斎氲目偪棺瑁瑫r(shí)采用穩(wěn)壓電源，控制好輸入端的電流水平；合理確定I/O 的點(diǎn)數(shù)。

4 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

由于PLC的所有控制功能都是以程序的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的大量工作都集中在軟件程序設(shè)計(jì)上，即體現(xiàn)在梯形圖的設(shè)計(jì)上。根據(jù)系統(tǒng)的控制流程圖設(shè)計(jì)PLC 梯形圖程序是整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。常用的編程方法有根據(jù)繼電器的電路原理圖設(shè)計(jì)PLC 的梯形圖，用功能流程圖法設(shè)計(jì)PLC 的梯形圖。其中繼電器的電路原理圖設(shè)計(jì)方法適用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，流程圖設(shè)計(jì)法適用于按條件步進(jìn)控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

PLC具有良好的設(shè)備驅(qū)動(dòng)能力和相對(duì)豐富的I/O 接口，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)室控制需要針對(duì)具體的設(shè)備控制進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，本文從PLC 系統(tǒng)設(shè)備選型、輸入輸出模塊的選取、以及控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)等方面分析了PLC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，作為實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院 北京市豐臺(tái)區(qū) 100074