LC控制系统的设计概述

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1、5 PLC系统设计概述 5.1 PLC控制系统设计的基本原则与内容 5.2 PLC的选择 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.5 减少 I/O点数的措施 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 引言 PLC控制系统与电器控制系统的比较 例： 三相异步电动机单向运行电器控制系统 输入设备 输出设备 引言 PLC控制系统与电器控制系统的比较 三相异步电动机单向运行 PLC控制系统 引言 PLC工作原理 检查 CPU等内部硬件，对监视定时 器（ WDT） 复位以及其它工作 与其它智能装置（如编程器、 计算机等）实现通信 按顺序对所有输入端的状态进 行采样，并存入相应寄存器 对用户程序扫描执行

2、，并将结 果存入相应的寄存器 将寄存器中与输出有关状态，转到 输出锁存器，输出驱动外部负载 引言 PLC工作原理 整个过程包括内部处理 、 通信服 务 、 输入处理 、 程序执行 、 输出处 理五个阶段 整个过程扫描执行一遍所需的时 间称为 扫描周期 扫描周期与 CPU运行速度 、 PLC 硬件配置及用户程序长短有关 。 典型值为 1 100ms 引言 升降机上升控制例 货物升降机上升的连续运动电器控制 货物升降机上升的 PLC控制 5.1 PLC控制系统设计的基本原则与内容 5.1.1 PLC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

3、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 。 5.1

4、 PLC控制系统设计的基本原则与内容 5.1.2 PLC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 。 5.1 PLC

5、控制系统设计的基本原则与内容 5.1.2 PLC控制系统设计的步骤 3） 选择 PLC PLC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 。 5.1 PLC控制系统设计的基本原则与内容 5.1.2 PLC控制系统设计的步骤 5

6、） 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； 5） 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 。 5.1 PLC控制系统设计的基本原则与内容 5.1.2 PLC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

7、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 。 5.2 PLC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，

8、 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。 5.2 PLC的选择 5.2.1 PLC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

9、 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 。 5.2 PLC的选择 5.2.2 PLC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

10、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。 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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

11、油雾 、 粉尘的恶劣环境 。 开关量输入模块的 电压等级 有：直流 5 、 12 、 25 、 58 、 50等；交流 110 、 220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 5 、 12 、 25用于传输距离较近场合 ， 如 5输入 模块最远不得超过米 。 距离较远的应选用输入电压等级较 高的 。 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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

12、 (如 32点 、 58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 50 。 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 。 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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

13、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。 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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

14、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 50 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。 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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

15、程为 -10V+10V、 0+10V、 520mA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 ） 5.2 PLC的选择 5.2.3 I 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 。 5.2 PLC的选择 5.2.3 I O模块的选择 电源模块及其它外设的选择 1） 电

16、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 。 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.1 PLC与常用输入设备的连接 PLC与主令电器类设备的连接 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.1 PLC与常用输入设备的连接 PLC与拨码

17、开关的连接 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.1 PLC与常用输入设备的连接 PLC与旋转编码器的连接 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.1 PLC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（ K） 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.2 PLC与常用输出设备的连接 PLC与输出设备的一般连接方法 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.2 PLC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

18、3 倍； 电阻值可取 50120 电容值可取 0.10.57F， 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 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.2 PLC与常用输入设备的连接 PLC与七段 LED显示器的连接 5.3 PLC与输入输出设备的连接 5.3.2 PLC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 ，

19、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） 5.4 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。 5.4 减少 I/O点数的措施 5.4.1 减少输入点数的措施 分组输入 5.4 减少 I/O点数的措施 5.4.1 减少输入点数的措施 合并输入

20、 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。 5.4 减少 I/O点数的措施 5.4.2 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， 可通过外部转换开关 或通过受 PLC控制的 电器触点进行切换， 所以 PLC的每个输出 点可以控制两个不同 时工作的负载。 5.4 减少 I/O点数的措施 5.4.2 减少输出点数的措施 并联输出 注意 PLC输出点同时驱

21、动多个负载时 ， 应考虑 PLC 输出点的驱动能力是否足够 。 输出设备多功能化 利用 PLC的逻辑处理功能 ， 一个输出设备可实现多 种用途 。 某些输出设备可不进 PLC 系统中某些相对独立、比较简单的控制部分，可直 接采用 PLC外部硬件电路实现控制。 5.4 减少 I/O点数的措施 5.4.3 注意的问题 以上一些常用的减少 I/0点数的措施， 仅供参考 ，实际应 用中应该根据具体情况，灵活使用。 同时应该注意 不要过份去减少 PLC的 I/0点数，而使外部 附加电路变得复杂， 从而影响系统的可靠性。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 PLC具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰

22、能力，但 在过于恶劣的环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起 PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损 坏。为了提高 PLC系统运行的可靠性，应注意以下问题： 适合的工作环境 合理的安装与布线 正确的接地 必须的 安全 保护环节 必要的软件措施 采用 冗余系统或热备用系统 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.1 适合的工作环境 环境温度适宜 通常 PLC允许的环境温度约在 055 C。 安装时不要 把发热量大的元件放在 PLC的下方； PLC四周要有足够 的通风散热空间；不要把 PLC安装在阳光直接照射或离 暖气 、 加热器 、 大功率电源等发热器件很近的场所；安

23、 装 PLC的控制柜最好有通风的百叶窗 ， 如果控制柜温度 太高 ， 应该在柜内安装风扇强迫通风 。 环境湿度适宜 PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于 85 ， 以保证 PLC的绝缘性能 。 湿度太大也会影响模拟量输入 /输出装置的精度 。 因此 ， 不能将 PLC安装在结露 、 雨 淋的场所 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.1 适合的工作环境 注意环境污染 不宜把 PLC安装在有大量污染物 （ 如灰尘 、 油烟 、 铁粉 等 ） 、 腐烛性气体和可燃性气体的场所 ， 尤其是有腐蚀性 气体的地方 ， 易造成元件及印刷线路板的腐蚀 。 远离振动和冲击源 远离有强烈振动和冲

24、击场所 ， 尤其是连续 、 频繁的振动 。 必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响 。 远离强干扰源 PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设 备和大型动力设备等，同时 PLC还应该远离强电磁场和强 放射源，以及易产生强静电的地方。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.2 合理的安装与布线 注意电源安装 PLC的 I O电路都具有滤波 、 隔离功能 ， 所以对外部电源要求不高 内部电源的性能好坏直接影响到 PLC的可靠性 ， 对其要求较高 在干扰较强或可靠性要求较高的场合 ， 应该用 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二次侧 串接

25、 LC滤波 电路 。 同时 ， 在安装时还应注意以下问题： 1） 隔离变压器与 PLC和 I/O电源之间最好采用双绞线连接 ， 以 抑制串模干扰； 2） 系统的动力线应足够粗 ， 以降低大容量设备起动时引起的线 路压降； 3） PLC输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保 证正确的输入信号。否则可能使 PLC接收到错误的信号。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.2 合理的安装与布线 远离高压 PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装 ， 更不能与高压电器 安装在同一个控制柜内 。 在柜内 PLC应远离高压电源线 ， 二者间距 离应大于 200mm。 合理的布线 1)

26、I/O线 、 动力线及控制线应分开走线 ， 尽量不要在同一线槽中 。 2) 交流线与直流线 、 输入线与输出线最好分开走线 。 3) 开关量与模拟量的 /线最好分开走线 ， 传送模拟量信号的 / 线最好用屏蔽线 ， 且屏蔽线的屏敝层应一端接地 。 5) PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小 、 频率高 ， 很 容易受干扰 ， 不能与其它的连线敷埋在同一线槽内 。 5） PLC的 I/O回路配线 ， 必须使用压接端子或单股线 。 6) 与 PLC安装在同一控制柜内的感性元件 ， 最好有消弧电路 。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.3 正确的接地 PLC一般最好单独接地

27、，也可以采用公共接地，但禁止 使用串联接地方式 PLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近 PLC。 同时， 接地电阻要小于 100， 接地线的截面应大于 mm2。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.4 必须的 安全 保护环节 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 。 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 。 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

28、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 “ 停止 ” 按钮就可以切断负载电源 ， 而与 PLC 毫无关系 。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.5 必要的软件措施 消除开关量 输入信号抖 动 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.5 必要的软件措施 故障的检测与诊断 超时检测 ：设备在各工步的动作所需的时间一般是不变的 ， 即使变 化也不会太大 ， 因此可以以这些时间为参考 ， 在 PLC发出输出信号 ， 相应的外部执行机构开始动作时启动一个定时器定时 ， 定时器的设 定值比正常情况

29、下该动作的持续时间长 20 左右 。 逻辑错误检测 ：编制一些常见故障的异常逻辑关系 ， 一旦异常逻辑 关系为 ON状态 ， 就应按故障处理 。 消除预知干扰 ： 某些干扰是可以预知的 ， 如 PLC的输出命令使执行 机构 （ 如大功率电动机 、 电磁铁 ） 动作 ， 常常会伴随产生火花 、 电 弧等干扰信号 ， 它们产生的干扰信号可能使 PLC接收错误的信息 。 在容易产生这些干扰的时间内 ， 可用软件封锁 PLC的某些输入信号 ， 在干扰易发期过去后 ， 再取消封锁 。 5.5 提高 PLC控制系统可靠性的措施 5.5.5 采用 冗余系统或热备用系统 冗余系统 冗余系统是指系统中有多余的 部分，在系统出现故障时，这多余 的部分能立即替代故障部分而使系 统继续正常运行。 热备用系统 热备用系统的结构较冗余系统 简单，虽然也有两个 CPU模块在同 时运行一个程序，但没有冗余处理 单元 RPU。 系统两个 CPU模块的切 换，是由主 CPU模块通过通信口与 备用 CPU模块进行通信来完成的。