PLC的自動化控制系統的設計與分析

杜銀川 李磊 李海鋒

摘要 ?本文就PLC控制系統的硬件和軟件設計方面需要注意的問題進行了簡要地闡述，同時對PLC控制系統程序調試中的問題作了分析。

關鍵詞 ?PLC 硬件設計 軟件設計 程序調試

1前言

可編程序控制器（PLC） 的硬件和軟件設計是控制系統的核心都分，硬件部分根據工藝要求選型、抗干擾設計是必須考慮的重要方面，軟件設計在滿足工藝要求的前提下，程序要簡潔、嚴謹、可靠。因此，這兩部分直接關系著PLC控制系統運行的速度以及可靠性、安全性、穩定性等。

2 PLC控制系統的硬件設計

PLC控制系統主要包括輸入和輸出電路兩部分。

2.1 PLC控制系統的輸入電路設計

PLC供電電源服為 220VAC±10%， 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輸人電路的地，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人電路功率的兩倍，PLC輸人電路電源支路加裝適宜的熔絲或小型斷路器，防止短路。

2.2 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系統輸出須率為每分鐘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。

2.3 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掃描額率為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。

對于兩個相互關聯的重要輸出量，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。

對于常見的AC 220V交流開關類負載，例如交流接觸器、電磁閥等、應該通過DC 24V小型中間繼電器驅動，避免PLC的DO接點直接驅動，盡管PLC手冊標稱具有AC 220V交流開關類負載驅動能力。

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。一般采用以下幾種方式：

（1）隔離。由于電網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，并將中性點經電容接地。

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

布線：強電動力線路、弱電信號線分開走線，并且要有一定的間隔：模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

4 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。

4.1 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。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。

4.2 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-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。

4.3 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。下面介紹幾點編程技巧：

（1）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。

（2）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，在程序字中盡量要避免線圈重復使用。如果必須是雙線圈輸出，以采用置位和復位操作（以S7-300為何如（S）Q4.0或者（R） Q4.0）。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。

（3）對于非重要設備。可以通過硬件上多個觸點串聯后再接人PLC輸人增，或者通過PLC編程來減少I/O點數，節約資源。在使用一個按鈕來控制設備的啟動/停止時，就可以采用二分頻來實見。模塊化編程思想的應用：把正、反轉自鎖、互鎖長動程序封裝成為一個功能塊，正反轉點動封裝成為一個功能塊，在PLC程序中可以重復調用該功能塊，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。

5 PLC控制系統程序的調試

PLC控制系統程序的調試一般包括I/O端子測試和系統調試兩部分內容，良好的調試步驟有利于加速總裝調試的過程。

（1） I/O端子測試。用手動開關暫時代替現場輸入信號，以手動方式逐一對 PLC輸入端子進行檢查、驗證，PLC輸人端子的指示燈點亮，表示正常;反之，應檢查接線是否錯誤或者I/O點連接有無問題。

（2）系統調試。把PLC控制單元的工作方式設置為"RUN"開始運行。反復調試以消除可能出現的各種問題。在調試過程中也可以根據實際需求對硬件作適當修改以配合軟件的調試。應保持足夠長的運行時間使問題充分暴露并加以糾正。

（3）調試中多數是控制程序問題。一般分以下幾步進行：對每一個現場信號和控制量做單獨測試;檢查硬件/修改程序;對現場信號和控制量做綜合測試;帶設備調試;調試結束。

6結束語

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。