PLC控制系统设计

PLC控制系统设计的一般步骤可以分为以下几步：熟悉控制对象并计算输入/输出设备、PLC选型及确定硬件配置、设计电气原理图、设计控制台（柜）、编制控制程序、程序调试和编制技术文件。

一、明确控制要求，了解被控对象的生产工艺过程

熟悉控制对象设计工艺布置图 这一步是系统设计的基础。首先应详细了解被控对象的工艺过程和它对控制系统的要求，各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统工作方式（如自动、半自动、手动等），PLC与系统中其他智能装置之间的关系，人机界面的种类，通信联网的方式，报警的种类与范围，电源停电及紧急情况的处理等等。

此阶段，还要选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号指示灯等执行元件），以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

同时，还应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，并分类统计出各输入量和输出量的性质及数量，是数字量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小等级，为PLC的选型和硬件配置提供依据。

最后，将控制对象和控制功能进行分类，可按信号用途或按控制区域进行划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，分析每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、互相之间的关系。信号点确定后，设计出工艺布置图或信号图。

二、PLC控制系统的硬件设计

随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多。近年来，从国外引进的PLC产品、国内厂家或自行开发的产品已有几十个系列，上百种型号。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各有不同，使用场合也各有侧重。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。

1、 PLC机型的选择

PLC机型的选择应是在满足控制要求的前提下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体应考虑以下几方面：

（1）性能与任务相适应 对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC（如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱的FX系列等）都可以满足要求。

对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，如工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器（对温度控制系统可选用温度传感器直接输入的温度模块）和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC（如西门子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON的公司的CQM1/CQM1H系列等）。

对于控制比较复杂，控制功能要求更高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度，选用中档或高档机（如西门子公司的S7-300或S7-400系列、OMRON的公司的C200H@或CV/CVM1系列、A-B公司的Control Logix系列等）。

（2）结构上合理、安装要方便、机型上应统一 按照物理结构，PLC分为整体式和模块式。整体式每一I/O点的平均价格比模块式的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。但是模块式PLC的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、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选用模块式PLC。

根据I/O设备距PLC之间的距离和分布范围确定PLC的安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网的分布式。

对于一个企业，控制系统设计中应尽量做到机型统一。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购与管理；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。同一机型PLC的另一个好处是，在使用上位计算机对PLC进行管理和控制时，通信程序的编制比较方便。这样，容易把控制各独立的多台PLC联成一个多级分布式系统，相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势。

（3）是否满足响应时间的要求 由于现代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，因此对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间并不是主要的问题。然而，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，可以选用扫描速度高的PLC，使用高速I/O处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块。

（4）对联网通信功能的要求 近年来，随着工厂自动化的迅速发展，企业内小到一块温度控制仪表的RS-485串行通信、大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有了通信功能。PLC作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择时应根据需要选择通信方式。

(5)其他特殊要求 考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面（HMI）等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。

2、 PLC容量估算

PLC的容量指I/O点数和用户存储器的存储容量两方面的含义。在选择PLC型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有余量，以做备用或系统扩展时使用。

（1） I/O点数的确定

PLC的I/O点数的确定以系统实际的输入输出点数为基础确定。在I/O点数的确定时，应留有适当余量。通常I/O点数可按实际需要的10～15%考虑余量；当I/O模块较多时，一般按上述比例留出备用模块。

（2） 存储器容量的确定

用户程序占用多少存储容量与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序编制前只能粗略的估算。

3、 I/O模块的选择

在PLC控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数，按要求的方式送入PLC。PLC经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时也要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以，在PLC和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就是输入/输出（I/O）模块。不同的信号形式，需要不同类型的I/O模块。对PLC来讲，信号形式可分为四类。

（1）数字量输入信号 生产设备或控制系统的许多状态信息，如开关、按钮、继电器的触点等，它们只有两种状态：通或断，对这类信号的拾取需要通过数字量输入模块来实现。输入模块最常见的为24V直流输入，还有直流5V、12V、48V，交流115V/220V等。按公共端接入正负电位不同分为漏型和源型。有的PLC即可以源型接线，也可以漏型接线，比如S7-200。当公共端接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线。有的PLC只能接成其中一种。 

（2）数字量输出信号 还有许多控制对象，如指示灯的亮和灭、电机的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，对它们的控制只需通过二值逻辑“1”和“0”来实现。这种信号通过数字量输出模块去驱动。数字量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。此外，输出电压值和输出电流值也各有不同。

（3）模拟量输入信号 生产过程的许多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过不同的检测装置转换为相应的模拟量信号，然后再将其转换为数字信号输入PLC。完成这一任务的就是模拟量输入模块。

（4）模拟量输出信号 生产设备或过程的许多执行机构，往往要求用模拟信号来控制，而PLC输出的控制信号是数字量，这就要求有相应的模块将其转换为模拟量。这种模块就是模拟量输出模块。

典型模拟量模块的量程为-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（如热电阻RTD、热电偶等信号）

此外，有些传感器如旋转编码器输出的是一连串的脉冲，并且输出的频率较高（20kHz以上），尽管这些脉冲信号也可算作数字量，但普通数字量输入模块不能正确的检测之，应选择高速计数模块。

不同的I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应该根据实际情况合理选择。

4、 分配输入/输出点

PLC机型及输入/输出（I/O）模块选择完毕后，首先，设计出PLC系统总体配置图。然后依据工艺布置图，参照具体的PLC相关说明书或手册将输入信号与输入点、输出控制信号与输出点一一对应画出I/O接线图即PLC输入/输出电气原理图。

PLC机型选择完后输入/输出点数的多少是决定控制系统价格及设计合理性的重要因素，因此在完成同样控制功能的情况下可通过合理设计以简化输入/输出点数。

5、 安全回路设计

安全回路是保护负载或控制对象以及防止操作错误或控制失败而进行连锁控制的回路。在直接控制负载的同时，安全保护回路还给PLC输入信号，以便于PLC进行保护处理。安全回路一般考虑以下几个方面。

（1）短路保护 应该在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最好在每个负载的回路中都装上熔断器。

（2）互锁与联锁措施 除在程序中保证电路的互锁关系，PLC外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行。

（3）失压保护与紧急停车措施 PLC外部负载的供电线路应具有失压保护措施，当临时停电再恢复供电时，不按下“启动”按钮PLC的外部负载就不能自行启动。这种接线方法的另一个作用是，当特殊情况下需要紧急停机时，按下“急停”按钮就可以切断负载电源，同时“急停”信号输入PLC。

（4）极限保护 在有些如提升机类超过限位就有可能产生危险的情况下，设置极限保护，当极限保护动作时直接切断负载电源，同时将信号输入PLC。

三、 PLC控制系统的软件设计

软件设计是PLC控制系统设计的核心。要设计好PLC的应用软件，必须充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、控制要求等。通过PLC的应用软件完成系统的各项控制功能。

1、 PLC应用软件设计的内容

PLC的应用软件设计是指根据控制系统硬件结构和工艺要求，使用相应的编程语言，对用户控制程序的编制和相应文件的形成过程。主要内容包括：确定程序结构；定义输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区等参数表；编制程序；编写程序说明书。PLC应用软件设计还包括文本显示器或触摸屏等人机界面（HMI）设备及其它特殊功能模块的组态。

2、熟悉被控制对象制定设备运行方案

  在系统硬件设计基础上，根据生产工艺的要求，分析各输入/输出与各种操作之间的逻辑关系，确定检测量和控制方法。并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。对于较复杂的系统，可按物理位置或控制功能将系统分区控制。较复杂系统一般还需画出系统控制流程图，用以清楚表明动作的顺序和条件，简单系统一般不用。

3、 熟悉编程语言和编程软件

熟悉编程语言和编程软件是进行程序设计的前提。这一步骤的主要任务是根据有关手册详细了解所使用的编程软件及其操作系统，选择一种或几种合适的编程语言形式，并熟悉其指令系统和参数分类，尤其注意那些在编程中可能要用到的指令和功能。

熟悉编程语言最好的办法就是上机操作，并编制一些试验程序，在模拟平台上进行试运行，以便详尽地了解指令的功能和用途，为后面的程序设计打下良好的基础，避免走弯路。

4、 定义参数表

参数表的定义包括对输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区的定义。参数表的定义格式和内容根据系统和个人爱好的情况有所不同，但所包含的内容基本是相同的。总的设计原则是便于使用，尽可能详细。

程序编制开始以前必须首先定义输入/输出信号表。主要依据是PLC输入/输出电气原理图。每一种PLC的输入点编号和输出点编号都有自己明确的规定，在确定了PLC型号和配置后，要对输入/输出信号分配PLC的输入/输出编号（地址），并编制成表。

一般情况下，输入/输出信号表要明显地标出模板的位置、输入/输出地址号、信号名称和信号类型等。尤其输入/输出定义表注释注解内容应尽可能详细。地址尽量按由小到大的顺序排列，没有定义或备用的点也不要漏掉，这样便于在编程、调试和修改程序时查找使用。

而中间标志、定时器、计数器和数据区编程以前可能不太好定义，一般是在编程过程中随使用随定义，在程序编制过程中间或编制完成后连同输入/输出信号表统一整理。

5、程序的编写

如果有操作系统支持，尽量使用编程语言高级形式，如梯形图语言。在编写过程中，根据实际需要，对中间标志信号表和存储单元表进行逐个定义，要注意留出足够的公共暂存区，以节省内存的使用。

由于许多小型PLC使用的是简易编程器，只能输入指令代码。梯形图设计好后，还需要将梯形图按指令语句编出代码程序，列出程序清单。在熟悉所选的PLC指令系统后，可以很容易地根据梯形图写出语句表程序。

编写程序过程中要及时对编出的程序进行注释，以免忘记其间的相互关系。注释应包括程序段功能、逻辑关系、设计思想、信号的来源和去向等的说明，以便于程序的阅读和调试。

6、程序的测试

程序的测试是整个程序设计工作中的一项重要的内容，它可以初步检查程序的实际运行效果。程序测试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在测试中修改和完善的。

测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输入信号的变化对系统的作用，必要时可以借助仪器仪表。各功能单元测试完成后，再连通全部程序，测试各部分的接口情况，直到满意为止。

程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那就要将PLC与现场信号隔离，以免引起事故。

7、 程序说明书的编写

程序说明书是整个程序内容的综合性说明文档，是整个程序设计工作的总结。编写的主要目的是让程序的使用者了解程序的基本结构和某些问题的处理方法，以及程序阅读方法和使用中应注意的事项。

程序说明书一般包括程序设计的依据、程序的基本结构、各功能单元分析、使用的公式和原理、各参数的来源和运算过程、程序的测试情况等。

上面流程中各个步骤都是应用程序设计中不可缺少的环节，要设计一个好的应用程序，必须做好每一个环节的工作。但是，应用程序设计中的核心是程序的编写，其他步骤都是为其服务的。

8、常用编程方法

PLC的编程方法主要有经验设计法和逻辑设计法。逻辑设计是以逻辑代数为理论基础，通过列写输入与输出的逻辑表达式，再转换成梯形图。由于一般逻辑设计过程比较复杂，而且周期较大，大多采用经验设计的方法。如果控制系统比较复杂，可以借助流程图。所谓经验设计是在一些典型应用基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，选用一些基本环节，适当组合、修改、完善，使其成为符合控制要求的程序。一般经验设计法没有普通的规律可以遵循，只有在大量的程序设计中不断地积累、丰富自己，并且逐渐形成自己的设计风格。一个程序设计的质量，以及所用的时间往往与编程者的经验有很大关系。

所谓常用基本环节很多是借鉴继电接触器控制线路转换而来的。它与继电接触器线路图画法十分相似，信号输入、输出方式及控制功能也大致相同。对于熟悉继电接触器控制系统设计原理的工程技术人员来讲，掌握梯形图语言设计无疑是十分方便和快捷的。

四、PLC控制系统的抗干扰性设计

尽管PLC是专为工业生产环境而设计，有较强的抗干扰能力，但是如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈或PLC的安装和使用方法不当，还是有可能给PLC控制系统的安全和可靠性带来隐患。因此，在PLC控制系统设计中，还需要注意系统的抗干扰性设计。

1、 抗电源干扰的措施

实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多。PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源。采取以下措施以减少因电源干扰造成的PLC控制系统故障。

（1）采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰  在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在，对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没受到足够的重视，虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以，对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大（如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术）的配电器，以减少PLC系统的干扰。此外，为保证电网馈电不中断，可采用不间断供电电源（UPS）供电，提高供电的安全可靠性。并且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。

   （2）．硬件滤波措施  在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该使用带屏蔽层的隔离变压器对PLC系统供电。还可以在隔离变压器一次侧串接滤波器，如图所示。

(3)正确选择接地点，完善接地系统

滤波器和隔离变压器同时使用

2、控制系统的接地设计

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。接地系统的接地方式一般可分为3种方式：串联式单点接地、并联式单点接地、多分支单点接地即第3种接地方式。PLC采用第3种接地方式即单独接地。

PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 

3、防I/O干扰的措施

由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作或死机。可采取以下措施以减小I/O干扰对PLC系统的影响。

（1）从抗干扰角度选择I/O模块

（2）安装与布线时注意：

①动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，可加隔板，分槽走线最好，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。

②PLC应远离强干扰源如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内PLC应远离动力线（二者之间距离应大于200mm）。与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈，应并联RC电路。

③PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

④交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。  

（3）考虑I/O端的接线：

输入接线一般不要太长，但如果环境干扰较小，电压降不大时，输入接线可适当长些。 输入/输出线要分开。尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，便于阅读。但急停、限位保护等情况例外。

输出端接线分为独立输出和公共输出，在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组中的输出只能用同一类型、同一电压等级的电源。由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将烧毁印制电路板。 采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。

（4）正确选择接地点，完善接地系统

（5）对变频器干扰的抑制

五、PLC控制系统的调试

系统调试是系统在正式投入使用之前的必经步骤。与继电器控制系统不同，PLC控制系统既有硬件部分的调试还有软件的调试，与继电器控制系统相比，PLC控制系统的硬件调试要相对简单，主要是PLC程序的编制和调试。一般可按以下几个步骤进行：应用程序的编制和离线调试、控制系统硬件检查、应用程序在线调试、现场调试、总结整理相关资料、系统正式投入使用。