贵港西门子模块总代理商PLC

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PLC控制系统设计规划

PLC控制技术是一种用于工程实际的应用技术，系统设计的水平将直接影响控制系统、设备的运行可靠性。如何根据不同的控制要求，设计出运行稳定、动作可靠、安全实用、操作简单、调试方便、维护容易的控制系统，是广大读者学习PLC技术的根本目的。

  与绝大多数计算机控制系统设计一样，PLC控制系统设计也可以分为系统规划、硬件设计、软件设计等基本的步骤、每一部分的设计都有不同的要求。本章将按照实际工程设计的步骤，对规划PLC控制系统的基本方法与步骤作系统、完整的介绍，然后再介绍有关控制系统的硬件设计、软件设计调试等方面的内容与实例。

  出于内容性，方便读者阅读进口设备图纸，以及与国际技术标准接轨等方面的考虑、本章中的全部电气技术要求、电路图形符号、文字代号均执行DIN标准，并与IEC、ANSI、BS标准保持广泛的一致性。

  1. 系统设计原则

  电气控制系统是实现生产自动化的，也是机电一体化系统安全、准确、可靠运行的前提条件。控制系统设计以满足生产工艺要求，系统安全、准确、可靠运行为准则，并通过科学的方法与现代化的手段，进行合理的规划与认真的设计。

  PLC控制系统的工程设计，一段可以分为系统规划、硬件设计、软件设计、系统调试、技术文件编制五个基本的步骤。

  在PLC控制系统的设计中应遵循如下基本设计原则：

  1) 实现设备、生产机械、生产工艺的全部动作。

  2) 满足设备、生产机械对产品的加工质量以及生产效率的要求。

  3) 确保系统安全、稳定、可靠地工作。

  4) 尽可能地简化控制系统的结构，降低生产、制造成本。

  5) 充分提高自动化程度，减轻劳动强度。

  6) 改善操作性能，方便维修等。

  在上述系统设计原则中，为重要的是要满足系统控制要求、确保系统安全可靠性、简化系统结构这三方面。

  (1) 满足系统控制要求。作为一种工业控制系统、PLC控制系统是为了满足控制对象(设备、生产机械、生产工艺等)的各项控制要求，使其达到设计规定的性能指标，而采用的一种现代化的控制方法与手段。系统设计确保能实现对象的全部动作，满足对象的各项技术要求。

  在系统设计前，设计人员深入生产现场或通过认真调研被控对象的机械、气动、液压的组成和工作原理；充分了解设备、生产机械需要实现的动作和应具备的功能及对电控的要求；详尽掌握设备中各种执行元件的性能与参数；以便有的放矢地开展设计工作。

  在此基础上，设计人员应首行控制系统的规划，确定系统的总体方案与控制系统的类型，明确为了实现不同的控制要求，需要在系统中所采取的措施，并选定主要的组成部件。

  总体方案设计完成后，设计人员应会同机械、气动、液压设计人员、操作者，用户、供应商等、对总体方案设计进行评审，并取得项目相关部门与技术人员、操作者的认可。在充分听取各方面意见的基础上，设计者决定是否需要对总体设计方案进行修改。当方案有重大更改，在修改方案完成后，还应再次进行总体方案的评审。

  (2) 确保系统安全可靠性。在系统总体打方确定后的具体技术设计阶段，设计人员考虑系统的安全性与可靠性，确保控制系统能够长期安全、稳定、可靠地上作。

  控制系统的安全性包括确保操作人员人身安全与设备安全两大方面。

  系统的设计符合各种相关安全标准(如CE标准)的规定。在设计中应充分考虑各种安全防护措施，如安全电路、安全防护等。而且对于涉及人身安全的部件，在电气控制系统设计时进行严格的动作“互锁”，严防发生危及操作者安全的事故。

  设备安全是电气设计人员考虑的问题。尤其应重视设备运行过程中出现部件故障或其他原因的紧急停机的情况，控制系统的动作迅速、可靠、安全。

  系统设计中，采用符合EN标准要求的安全电路；应充分考虑到PLC本身发生故障的可能性；安全电路利用电磁动作元件组成，并且满足"强制执行"条件。

  对于某些执行元件的动作，如电机的正/反转接触器等，应进行可靠的动作"互锁"。这些"互锁"不能仅在PLC用户程序中进行，还在强电控制线路中同样得到，以防发生危及设备安全的事故，做到万无一失。

  控制系统运行的稳定性与可靠性是系统设计成败的关键。控制系统的动作不可靠，不仅会导致设备的运行故障，影响加工产品的质量和生产效率，而从可能引发安全事故。

  在安全性与可靠性要求的前提下，简化系统结构、简化操作、简化线路、简化程序不仅可以降低成本，而且也是提高系统可靠性的重要措施。严格按照PLC的设计规范与要求进行设计;按照PLC的安装要求进行安装；按规范进行布线与施工；对用户程序进行多方检查与试验；采取正确的抗干扰措施等，都是提高系统可靠件的重要手段。

  (3)简化系统结构。在能够完全满足控制对象的各项控制要求，确保系统安全性、可靠性，不影响系统自动化程度与功能的前提下，系统的设计应尽可能简单、实用。简化系统结构不仅仅是降低生产制造成本的需要，而且也是提高系统可靠性的重要措施。

  简化系统包括简化操作、简化线路、简化程序等方面。

  系统设计应具有良好的操作性能，为操作者提供友好的界面，尽可能为操作、使用提供便利。设计不但要考虑人机工程学，而且应尽可能减少不必要的控制按钮等操作元件的数量(有关安全的除外)，简化操作过程。设备的操作过程应简洁、明了、方便、容易。

  系统控制线路的设计简单、可靠，应尽可能减少不必要的控制器件与连线。简单、实用的控制线路不仅可以降低生产制造成本，更重要的是它可以提高系统工作的安全可靠性，方便用户使用与维修。

  PLC用户程序也要尽量简化，使用的指令应越简洁、越明了越好；要杜绝人为地使程序复杂化，从而为他人理解程序增加困难的现象。

  采用梯形图编程时，应尽可能减少不必要的辅助继电器、触点的使用数量。过多的辅助继电器、触点不仅影响程序的执行速度，延长循环扫描时间，而且会给程序的检查、阅读带来不必要的麻烦，影响调试、维修进度。

  2. 系统设计步骤

  PLC控制系统的设计(调试)可以按照图5-1所示进行。设计可分为系统规划、硬件设计、软件设计系统调试及技术文件的编制五个阶段。

  (1) 系统规划。系统规划为设计的步，内容包括确定控制系统方案与总体设计两部分。确定控制系统方案时，应明确控制对象所需要实现的动作与功能、生产工艺要求与设备的现场布置情况；在此基础上确定系统的技术实现手段，选择系统的总体结构形式与组成部件。

  系统规划的具体内容包括：明确控制要求，确定系统类型，确定硬件配置要求；选择PLC的型号、规格，确定I/O模块的数量与规格，选择特殊功能模块；选择人机界面、伺服驱动器、变频器、调速装置等。

  (2) 硬件设计。硬件设计是在系统规划与总体设计完成后的技术设计。在这一阶段，设计人员需要根据总体方案完成电气控制原理图、连接图、元件布置图等基本图样的设计工作。

  图5-1 PLC控制系统的设计步骤

  在此基础上，应汇编完整的电器元件目录与配套件清单，提供给采购供应部门购买相关的组成部件。同时，根据PLC的安装要求与用户的环境条件，结合所设计的电气原理图与连接、布置图，完成用于安装以上电器元件的控制柜、操纵台等零部件的设计。

  设计完成后，将全部图样与外购元器件、标准件等汇编成统一的基本件、外购件、标准件明细表(目录)，提供给生产、供应部门组织生产与采购。

  (3) 软件设计。PLC控制系统的软件设计主要是编制PLC用户程序、特殊功能模块控制软件、确定PLC 以及功能模块的设定参数(如需要)等。它可以与系统电器元件安装柜、操纵台的制作、元器件的采购同步进行。

  软件设计应根据所确定的总体方案与已经完成的电气控制原理图，按照原理图所确定的I/O地址，编写实现控制要求与功能的PLC用户程序。为了方便调试、维修，通常需要在软件设计阶段同时编写出程序说明书、I/O地址表、注释表等辅助文件。

  在程序设计完成后，一般应通过PLC编程软件所具备的自诊断功能对PLC程序进行基本的检查，排除程序中的电路与语法错误。在有条件时，应通过必要的模拟与仿真手段，对程序进行模拟与仿真试验。对于初次使用的伺服驱动器、变频器等部件，可以通过检查与运行的方法，事行离线调整与测试，以缩短现场调试的周期。

PLC的编程及使用特点

 1．编程方法简单易学 

    梯形图是使用得多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

    梯形图语言实际上是一种面向用户的语言，PLC在执行梯形图程序时，将它“翻译”成汇编语言后再去执行。

  2．功能强，性能价格比高     

  一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非    常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。 

  3．硬件配套，用户使用方便，适应性强 

  PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。 

  硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。 

  4．可靠性高，抗干扰能力强 

    传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一到百分之一，因触点接触不良造成的故障大为减少。   

    PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC大用户公认为可靠的工业控制设备之一。 

  5．系统的设计、安装、调试工作量少 

    PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 

    PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，如果掌握了正确的设计方法，设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。 

    可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，输入信号用小开关来模拟，可通过PLC发光二极管观察输出信号的状态。完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统少得多。 

  6．维修工作量小，维修方便 

    PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。 

  7．体积小，能耗低 

    对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PIC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的l/2~1/10。 

    PLC控制系统的配线比继电器控制系统的少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少很多安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。