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第6部分PLC控制系统的设计可编程序控制器（PLC）应用技术6.1PLC控制系统设计的基本原则与内容6.1.1PLC控制系统设计的基本原则在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：最大限度地满足控制要求充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。保证系统的安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。力求简单、经济、使用与维修方便在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。适应发展的需要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。6.1PLC控制系统设计的基本原则与内容6.1.2PLC控制系统设计的步骤1）分析被控对象并提出控制要求详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。2）确定输入／输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。6.1PLC控制系统设计的基本原则与内容6.1.2PLC控制系统设计的步骤3）选择PLCPLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。6.1PLC控制系统设计的基本原则与内容6.1.2PLC控制系统设计的步骤5）程序设计程序设计：1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和连锁程序。模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。6）硬件实施设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。6.1PLC控制系统设计的基本原则与内容6.1.2PLC控制系统设计的步骤7）联机调试联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。8）整理和编写技术文件技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。6.2PLC的选择随着PLC技术的发展，PLC产品的种类也越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。6.2PLC的选择6.2.1PLC机型的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。安装方式的选择安装方式有集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。相应的功能要求响应速度要求系统可靠性的要求对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统机型尽量统一便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高，外部设备通用，资源可共享，易于联网通信。6.2PLC的选择6.2.2PLC容量的选择I／O点数的选择在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少。需要加上10％~15％的裕量。存储容量的选择存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多。在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％~30％的裕量。存储容量(字节)＝开关量I/O点数×10＋模拟量I/O通道数×100存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择开关量输入模块的选择1）输入信号的类型及电压等级有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。开关量输入模块的电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过１０米。距离较远的应选用输入电压等级较高的。6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择开关量输入模块的选择2）输入接线方式主要有汇点式和分组式两种接线方式6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择开关量输入模块的选择3）注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。4）输入门槛电平门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择开关量输出模块的选择1）输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式继电器输出：价格便宜，可以驱动交、直流负载，适用的电压大小范围较宽、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择开关量输出模块的选择2）输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择开关量输出模块的选择3）驱动能力应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。4）注意同时接通的输出点数量同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择模拟量I/O模块的选择模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量I/O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择特殊功能模块的选择PLC厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。6.2PLC的选择6.2.3I／O模块的选择电源模块及其它外设的选择1）电源模块的选择电源模块选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。2）编程器的选择3）写入器的选择为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EPROM写入器，通过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就具有EPROM写入的功能。6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.1PLC与常用输入设备的连接PLC与主令电器类设备的连接6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.1PLC与常用输入设备的连接PLC与拨码开关的连接6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.1PLC与常用输入设备的连接PLC与旋转编码器的连接6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.1PLC与常用输入设备的连接PLC与传感器类设备的连接I----传感器的漏电流（mA）UOFF----PLC输入电压低电平的上限值（V）RC----PLC的输入阻抗（KΩ）6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.2PLC与常用输出设备的连接PLC与输出设备的一般连接方法6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.2PLC与常用输入设备的连接PLC与感性输出设备的连接续流二极管的额定电流为1A、额定电压大于电源电压的3倍；电阻值可取50~120Ω电容值可取0.1~0.47μF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压。接线时要注意续流二极管的极性6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.2PLC与常用输入设备的连接PLC与七段LED显示器的连接6.3PLC与输入输出设备的连接6.3.2PLC与常用输入设备的连接PLC与输出设备连接的其它注意事项1）除了PLC输入和输出共用同一电源外，输入公共端与输出公共端一般不能接在一起；2）PLC的晶体管和晶闸管型输出都有较大的漏电流，尤其是晶闸管输出，将可能会出现输出设备的误动作。所以要在负载两端并联一个旁路电阻，旁路电阻R的阻值估算可由下式确定：UON是负载的开启电压（V），I是输出漏电流（mA）6.4减少I/O点数的措施PLC在实际应用中常碰到这样两个问题：1）PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提高成本；2）是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限，无法再增加。在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的。本节将介绍几种实用的减少I/O点数的措施。6.4减少I/O点数的措施6.4.1减少输入点数的措施分组输入6.4减少I/O点数的措施6.4.1减少输入点数的措施矩阵输入1）矩阵输入方法需要硬件与软件相配合来完成2）由于矩阵输入的输入信号为一系列断续的脉冲信号。3）应保证输入信号的宽度要大于Y0、Y1、Y2轮流导通一遍的时间6.4减少I/O点数的措施6.4.1减少输入点数的措施组合输入对于不会同时接通的输入信号，可采用组合编码的方式输入6.4减少I/O点数的措施6.4.1减少输入点数的措施输入设备多功能化例如6.4减少I/O点数的措施6.4.1减少输入点数的措施合并输入将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。如果是几个常闭触点，则串联输入；如果是几个常开触点，则并联输入。某些输入设备可不进PLC有些输入信号功能简单、涉及面很窄，有时就没有必要作为PLC的输入，将它们放在外部电路中同样可以满足要求。6.4减少I/O点数的措施6.4.2减少输出点数的措施矩阵输出注意：采用矩阵输出时，必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中，否则无法控制。6.4减少I/O点数的措施6.4.2减少输出点数的措施分组输出当两组输出设备或负载不会同时工作，可通