PLC控制系统设计的一般步骤与内容

    PLC系统的设计流程图如图6-1所示。
    图6-1    PLC系统设计流程图    1．分析控制对象，明确设计任务和要求    PLC控制系统设计前首先要详细分析生产工艺流程，确定被控制对象。被控制对象包括机械传动系统、电气传动系统、液压传动系统、气动传动系统等。根据被控制对象的工作特点，传动方案的技术指标，确定对PLC控制系统的控制要求，具体要求包括以下内容：    (1)控制的基本方式，包括行程控制、时间控制、速度控制、电流电压控制等。    (2)需要完成的动作，包括动作及其顺序、动作条件。    (3)操作方式，包括手动（手动，点动，手动回原点）、自动（单步运行、单周期运行、自动运行）以及必要的保护与报警、连锁与互锁、现场显示、故障诊断等。    (4)确定软件与硬件分工，根据控制系统工艺复杂性、控制复杂性确定软件与硬件分工，某些功能可以用硬件实现，也可以用软件实现，可以按照技术方案、经济性、可靠性等指标，选择硬件实现，或者选用软件实现，或者同时选用。    2．可编程控制器的选择    PLC种类繁多，结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用，PLC的选择应包括机型的选择、容量的选择、I/O与电源模块的选择等几个方面。    (1) PLC机型的选择。由于生产PLC的厂家众多，实现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言却有较大差异，因此，PLC机型选择的基本原则是在功能满足要求的前提下，保证可靠、维护方便以及最佳的性能价格比，具体应考虑以下几个方面：    1)结构选择合理，安装方式方便，PLC在结构上有整体式、模块式和叠装式。整体式的每一I/O端子的平均价格比模块式和叠装式的便宜，所以一般倾向于在小型控制系统中选择整体式PLC。但是，模块式和叠装式PLC的功能扩展方便灵活，I/O端子数的多少、输入端子数与输出端子数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便。因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应采用模块式或叠装式PLC。    根据PLC的安装方式，控制系统分为集中式、远程I/O式和多台PI_C联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O的硬件，系统反应快、成本低。大多数常用远程I/O式，因为它们的I/O装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在I/O装置附近，I/O连线比集中式的短，但需要增设驱动器和远程I/O电源。多台联网的分布式适用于多台设备独立控制和相互联系，可以采用小型PLC，但是要附加通信模块。    2)功能适中，符合控制条件。对于小型单台、仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC都可以满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的工程项目，可选用带A/D、D/A转换，具有加减运算、数据传递功能的低档机。对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可根据控制规模及复杂程度，选用中档或高档机。其中高等级主要用于大规模远程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。    3)价格方面。不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格相差40倍以上，在使用PLC较多的情况下，性价比是一个很重要的因素。    4)机型统一，方便管理控制。用户应考虑相关的技术支持，统一型号以方便维护、系统改进、升级等因素。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备用和备件的采购与管理，其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发。其外部设备通用，资源可共享。    5)响应时间短，满足控制要求。现代PLC有足够高的速度处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，对大多数应用场合，PLC的响应时间并不是主要的问题。但是，对于某些个别的场合，则要求考虑PLC的响应时间。为了减少PLC的I/O响应延迟时间，可以选用快扫描速度的PLC，使用高速I/O处理这一类的功能指令，或选用快速响应模块和中断处理模块。    6)具备联网通信功能，能组网控制。近年来，工厂自动化得到了迅速发展，企业的可编程设备，如工控机、PLC、机器人、柔性制造系统等已经很多了，将不同厂家生产的这些设备连在一个网络上，互相之间进行数据通信，由企业集中管理，已经是很多企业必须面对的问题。因此，在设计或改进控制系统时，选用的PLC应尽可能有联网通信功能。有利于企业组网，实现集中管理控制。如S7 - 200 PLC提供一个或一个以上的串口RS - 232C、RS - 485等各种通信模块，以便连接打印机、CRT、上位机或其他PLC。    (2) PLC容量的确定。首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。I/O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220 V的指示灯等。一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。知道这些以后，就可以定下选用多少点和I/O是什么类型的PLC了。    然后要对用户存储器容量进行估算。以后程序所需内存容量受到内存利用率、开关量输入／输出点数、模拟量输入／输出点数和用户编程水平等几个因素的影响。把一个程序段中的节点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的内存利用率给以后带来好处，同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外，同样的程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应。PLC开关量输入／输出总点数是计算所需内存容量的主要依据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6:4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的，即    所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数×10    具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算等功能指令，这些功能指令的内存利用率较低，因此所占的内存数较多。在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读人、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入和输出同时存在的情况下，运算较为复杂，内存需要量大。一般情况下经验公式为：    只有模拟量输入时：所需内存字数=模拟量点数×100    模拟量输入／输出同时存在时：所需内存字数=模拟量点数×200    这些经验公式的算法是在10个模拟量左右，当点数小于10时，内存字节数要适当加大，点数多时，可适当减少。    对于同样的系统，不同用户编写的程序可能会使程序长短和执行时间差距很大，一般情况下，初学者应为内存多留一些余量，经验丰富的编程人员可少留一些余量。经验计算公式如下：    总存储字数=（开关量输入点数十开关量输出点数）×10+模拟量点数×150。然后按计算存储器字数的25%考虑余量。    PLC常用的内存有EPROM、EEPROM和带锂电池供电的RAM。一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1～2KB之间。用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存大致如下：    开关量输入元件：10～20B/点；    开关量输出元件：5～10B/点；    定时器／计速器：2B／个；    模拟量：100～150B/点；    通信接口：一个接口一般需要300B以上；    根据上面算出的总字节数再考虑25%左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。    (3) I/O模块与电源模块的选择。I/O端子或模块的价格占PLC价格的一半以上，不同的I/O模块，其电路和性能不同，直接影响着PLC的应用范围和价格，所以应根据实际情况合理选择。    1)输入模块的选择。输入模块的作用是接收现场的输入信号，并将输入的高电平信号转换为PLC内部的低电平信号。输入模块的种类，按电压分类有直流5、12、24V等，交流110、220V。按电路形式不同分为汇点输入式和分隔输入式两种。选择输入模块应注意以下几点：    ①电压的选择。根据现场设备与模块之间的举例来考虑，一般5、12、24V属于低电平，传输距离不易太远。如5V模块最远传输距离不得超过10m，距离较远的设备应选用较高电压的模块。    ②同时接通的端子数。高密度的输入模块，如32个端子，64个端子等，同时接通的端子数与输入电压的高低及环境温度有关，不宜过多，一般情况下，同时接通的端子数不要超过输入端子数的60%。    ③门槛电压。为提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电压的大小。门槛电压越高，抗干扰能力越强，传输距离越远。    2)输出模块的选择。输出模块的作用是将PLC的输出信号传递给外部负载，并将PLC内部的低电平转换为外部所需电平的输出信号。    输出模块按输出方式不同分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等几种，其输出电压值和输出电流值也各不相同。    选择输出模块应注意以下几个方面：    ①输出方式。继电器输出型模块适用于驱动较大电流负载，其价格较便宜，适用电压范围较宽，导通压降小。但它属于有端子元件，动作速度较慢、寿命较短，因此适用于不频繁通断的负载；当驱动感性负载时，最大通断频率不得超过1Hz。对于频繁通断的低功率因数的电感负载，应采用无端子开关元件，即选用晶体管输出（直流输出）或晶闸管输出（交流输出）。    ②输出电流。输出模块的输出电流必须大于负载电流的额定值。用户应根据实际负载电流的大小来选择模块的输出电流。    ③同时接通的端子数。输出模块同时接通端子数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。一般情况下，同时接通的端子数不应超过输出端子数的60%。    3)电源模块的选择。电源模块的选择比较简单，只需考虑输出电流。电源模块的额定输出电流必须大于CPU模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。    3．硬件设计    在确定控制系统的控制任务和选择好PLC后，就可以进行控制系统流程设计，画出流程图，进一步说明信息流之间的关系，然后具体确定输入／输出的匹配，对输入／输出信号进行地址编码，画出控制系统硬件图。主要内容包括以下几点：    (1)网络结构图。如果系统是由一台计算机和多台PLC或由多台PLC组成“集中管理，分散控制”的分布式控制网络，应首先画出网络结构图。    (2) PLC模块安装图。若选用的PLC的结构形式为模块式结构，则要根据安装要求，首先画出模块安装图以确定各模块的地址。    (3) PLC输入／输出接线图。所有的外部检测信号和操作按钮作为可编程控制器的输入信号连接在输入端子上，其中，行程开关、电源触头、按钮、多位开关等无源信号可直接接在PLC的输入端子上。而压力信号或其他有源信号需要外接电源并经过滤波后接入PLC的输入端子上。PLC的输出端子与外部输出信号连接时，按外界信号的工作电压分类分别接在PLC的输出端子上，同一个电压级别的输出组件接一个公共端。对于大容量的输出组件，当不能直接接入PLC的输出端子上时，要采用中间存储器和接触器作为放大装置。输出端子上接电感负载时，要并接续流二极管续流；指示灯接直流电压时，要串接电阻。    (4)模拟量输入／输出模块接线图。若选用了模拟量输入／输出模块，则按要求将外部模拟量与PLC的模拟量输入、数字量输出模块相连接，主要电量的类型、大小要与模拟量输入／输出模块的类型、大小匹配。    (5)功能模块连接图。如果选用了诸如步进电动机驱动、伺服电动机驱动等功能模块，则要画出这些与步进电动机驱动器、伺服放大等的接线图。    (6)供电电路图。其作用主要用来控制整个系统的通电和断电以及为输入检测元件、输出执行元件以及其他装置或设备提供各种交直流电源。    硬件设计完成后，可根据设计图进入现场安装程序，现场安装时应充分考虑软件设计开发与调试结果。    4．软件设计    用户编写程序的过程就是软件设计过程。设计者根据选用的PLC程序设计方法进行程序设计。用户程序一般按功能的不同划分为如下模块：    (1)输入信号采集模块。将所有与PLC输入端子相连接的输入信号输入到PLC的中间存储器的程序段。该程序段使一个外部输入信号与一个中间存储器相对应，保证在外部输入信号与PLC输入端子发生变化时，程序修改简单且不易出错。    (2)输出信号控制模块。控制与PLC输出端子相连接的所有执行元件和所有指示灯的程序段。    (3)手动控制模块。手动操纵时所有输入、输出之间的逻辑运算指令，对应的外部输出信号用一组中间存储器代替。    (4)自动循环控制模块。自动循环操作时所有输入／输出之间的逻辑运算指令，对应的外部输出信号分别用一组中间存储器代替。    (5)功能模块的控制模块。功能模块的初始化、数据的发送和采集等程序段。    (6)故障诊断与显示模块。PLC自诊断信号的输出显示以及被控制对象的故障诊断和输出显示程序段。    各程序模块设计完成后一般先在实验室进行模拟调试，对程序的运行进行监控、调试。实际的输入信号可以用开关盒按钮来模拟，各输出量的通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载（如接触器、电磁阀等）。实际的反馈信号（如限位开关的接通等）可以根据流程图，在适当的时候用开关或按钮来模拟。在调试时应充分考虑各种可能的情况，系统各种不同的方式，有选择序列的流程图中的每一个支路，各种可能的进展线路，都应该逐一检查，不能遗漏，进行反复调试，发现问题及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合要求。如果程序中某些定时器或计数器的设置值过大，为缩短调试时间，可以在调试时将该设置值减小，模拟调试结束后再把实际设置值输入。有条件的情况下，可以使用离线模拟软件调试。    5．总装与联调    存粹制软件、硬件离线模拟调试基础上，然后到现场进行联机总装调试。联调时可以运用单步、监控、跟踪等方法调试，发现软件、硬件设计的不合理性和各种配线错误，反复调试，排除所发现的问题，直到满足控制要求，系统才可以投入运行。    6．编写设计说明书和操作使用说明书    设计说明书是对整个设计过程的综合说明，一般包括设计的依据、基本结构、各个功能单元的分析、使用的公式和原理、各参数的来源和运算过程、程序调试情况等内容。操作使用说明书主要是提供给使用者和现场调试人员使用的，一般包括操作规程、步骤及常见故障问题。