PLC控制系統設計
摘 要：隨著(zhù)PLC在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類(lèi)越來(lái)越多，例如電機的啟停，電磁閥的開(kāi)閉，產(chǎn)品的計數，溫度、壓力、流量的設定與控制等，而PLC技術(shù)是解決上述問(wèn)題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。本文就PLC工業(yè)控制系統設計中的問(wèn)題進(jìn)行探討。
關(guān)鍵詞：PLC;控制系統;設計
1、概述
可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC或PC)是專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的一種數字運算操作電子系統。它采用了可編程序的存儲器，用來(lái)在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作的指令，并通過(guò)數字量、模擬量的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機械或生產(chǎn)過(guò)程。
PLC是微機技術(shù)與傳統的繼電接觸控制技術(shù)相結合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點(diǎn)的接線(xiàn)復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)。
PLC的主要特點(diǎn)如下：
A.用內部已定義的各種輔助繼電器代替機械觸點(diǎn)繼電器，通過(guò)軟件編程方式用內部邏輯關(guān)系代替實(shí)際的硬件連接導線(xiàn)，這些內部繼電器的節點(diǎn)變位時(shí)間可理想化地認為等于零，因此只需考慮它的0-1狀態(tài)而無(wú)需考慮傳統繼電器所固有的返回系數。
B.可靠性高，抗干擾能力強，適用于復雜的工業(yè)環(huán)境。
C.配套齊全，功能完善，適用性強，易于與工業(yè)控制系統聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴充其功能。
D.易學(xué)易用，照顧到現場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習慣，特別是PLC的程序編制采用簡(jiǎn)單指令形式，使用戶(hù)程序編制形象、直觀(guān)、方便易學(xué)。
經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，PLC已十分成熟與完善，尤其在順序控制、開(kāi)關(guān)量邏輯運算和處理這兩方面具有顯著(zhù)優(yōu)勢，而模擬量閉環(huán)控制也已非常成熟。 PLC技術(shù)自從引入我國的電力行業(yè)后就得到了廣泛應用，并發(fā)展壯大。
2、PLC控制系統的設計
PLC控制系統設計包括硬件設計和軟件設計。
2.1 PLC控制系統的硬件設計
硬件設計是PLC控制系統的至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節，這關(guān)系著(zhù)PLC控制系統運行的可靠性、安全性、穩定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。
2.2.1 PLC控制系統的輸入電路設計。PLC供電電源一般為AC85-240V，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(shù)，即變壓器的初、次級線(xiàn)圈屏蔽層與初級電氣中性點(diǎn)接大地，次級線(xiàn)圈屏蔽層接PLC 輸入電路的地，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(shí)其帶負載時(shí)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(guān)重要，因為該電源的過(guò)載或短路都將影響PLC的運行，一般選用電源的容量為輸入電路功率的兩倍，PLC輸入電路電源支路加裝適宜的熔絲，防止短路。
2.2.2 PLC控制系統的輸出電路設計。依據生產(chǎn)工藝要求，各種指示燈、變頻器/數字直流調速器的啟動(dòng)停止應采用晶體管輸出，它適應于高頻動(dòng)作，并且響應時(shí)間短;如果PLC系統輸出頻率為每分鐘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(jiǎn)單，抗干擾和帶負載能力強。
如果PLC輸出帶電磁線(xiàn)圈等感性負載，負載斷電時(shí)會(huì )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掃描頻率為10次/min 以下時(shí)，既可以采用繼電器輸出方式，也可以采用PLC輸出驅動(dòng)中間繼電器或者固態(tài)繼電器(SSR)，再驅動(dòng)負載。
對于兩個(gè)重要輸出量，不僅在PLC內部互鎖，建議在PLC外部也進(jìn)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(jiàn)的AC220V交流開(kāi)關(guān)類(lèi)負載，例如交流接觸器、電磁閥等，應該通過(guò)DC24V微小型中間繼電器驅動(dòng)，避免PLC的DO接點(diǎn)直接驅動(dòng)，盡管PLC手冊標稱(chēng)具有AC220V交流開(kāi)關(guān)類(lèi)負載驅動(dòng)能力。
2.2.3 PLC控制系統的抗干擾設計。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的日新月異的發(fā)展，晶閘管可控整流和變頻調速裝置使用日益廣泛，這帶來(lái)了交流電網(wǎng)的污染，也給控制系統帶來(lái)了許多干擾問(wèn)題，防干擾是PLC控制系統設計時(shí)必須考慮的問(wèn)題。一般采用以下幾種方式:
隔離：由于電網(wǎng)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(diǎn)經(jīng)電容接地。
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(chǎng)屏蔽作用，防止空間輻射干擾。
布線(xiàn)：強電動(dòng)力線(xiàn)路、弱電信號線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)，并且要有一定的間隔;模擬信號傳輸線(xiàn)采用雙絞線(xiàn)屏蔽電纜。
2.2 PLC控制系統的軟件設計
在進(jìn)行硬件設計的同時(shí)可以著(zhù)手軟件的設計工作。軟件設計的主要任務(wù)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(guān)鍵的問(wèn)題，程序的編寫(xiě)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(guān)鍵，優(yōu)秀的軟件設計便于工程技術(shù)人員理解掌握、調試系統與日常系統維護。
2.2.1 PLC控制系統的程序設計思想。由于生產(chǎn)過(guò)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(jiǎn)單的生產(chǎn)工藝過(guò)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(huán)結構。
模塊化程序:把一個(gè)總的控制目標程序分成多個(gè)具有明確子任務(wù)的程序模塊，分別編寫(xiě)和調試，最后組合成一個(gè)完成總任務(wù)的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設計。我們建議經(jīng)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(guān)系簡(jiǎn)單，程序易于調試修改。特別是用于復雜控制要求的生產(chǎn)過(guò)程。
2.2.2 PLC控制系統的程序設計要點(diǎn)。PLC控制系統I/O分配，依據生產(chǎn)流水線(xiàn)從前至后，I/O點(diǎn)數由小到大;盡可能把一個(gè)系統、設備或部件的I/O信號集中編址，以利于維護。定時(shí)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)，也要統一編號，進(jìn)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(guān)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。
3、PLC設計的幾點(diǎn)技巧
PLC各種觸點(diǎn)可以多次重復使用，無(wú)需用復雜的程序來(lái)減少觸點(diǎn)使用次數。同一個(gè)繼電器線(xiàn)圈在同一個(gè)程序中使用兩次稱(chēng)為雙線(xiàn)圈輸出，雙線(xiàn)圈輸出容易引起誤動(dòng)作，在程序中盡量要避免線(xiàn)圈重復使用。如果必須是雙線(xiàn)圈輸出，可以采用置位和復位操作(以S7-300為例如SQ4.0或者RQ4.0)。如果要使PLC多個(gè)輸出為固定值1(常閉)，可以采用字傳送指令完成，例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同時(shí)都為1，可以使用一條指令將十六進(jìn)制的數據0A9H直接傳送QW2即可。對于非重要設備，可以通過(guò)硬件上多個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)后再接入PLC輸入端，或者通過(guò)PLC編程來(lái)減少I(mǎi)/O點(diǎn)數，節約資源。例如:我們使用一個(gè)按鈕來(lái)控制設備的啟動(dòng)/停止，就可以采用二分頻來(lái)實(shí)現。模塊化編程思想的應用:我們可以把正反自鎖互鎖轉程序封裝成為一個(gè)模塊，正反轉點(diǎn)動(dòng)封裝成為一個(gè)模塊，在PLC程序中我們可以重復調用該模塊，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。
結束語(yǔ)
PLC控制系統的設計是一個(gè)步驟有序的系統工程，要想做到熟練自如，需要反復設計和實(shí)踐。本文是PLC控制系統的設計和實(shí)踐經(jīng)驗的總結，在實(shí)際應用中具有良好的效果。
參考文獻：
[1]陳延奎.淺談PLC控制系統的設計方法[J].中國科技信息，2009-10-15.
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