基于PLC的自控系統優化設計

在現代化的工業生產設備中，有大量的數字量及模擬量的控制裝置，例如電機的啟停，電磁閥的開閉，產品的計數，溫度、壓力、流量的設定與控制等，而PLC技術是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工業控制領域得到了廣泛的應用。下面就PLC工業控制系統設計中的問題進行探討。

2 PLC系統設備選型

PLC最主要的目的是控制外部系統。這個系統可能是單個機器，機群或一個生產過程。不同型號的PLC有不同的適用范圍。根據生產工藝要求，分析被控對象的復雜程度，進行I/O點數和I/O點的類型(數字量、模擬量等)統計，列出清單。適當進行內存容量的估計，確定適當的留有余量而不浪費資源的機型(小、中、大形機器)。并且結合市場情況，考察PLC生產廠家的產品及其售后服務、技術支持、網絡通信等綜合情況，選定價格性能比較好的PLC機型。

目前市場上的PLC產品眾多，國外知名品牌有德國的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美國的GE;韓國的LG等。國產品牌有研華、研祥、合力時等。近幾年，PLC產品的價格有較大的下降，其性價比越來越高。PLC 的選型應從以下幾個方面入手。

2.1 確定PLC 控制系統的規模

依據工廠生產工藝流程和復雜程度確定系統規模的大小?？煞譃榇蟆⒅?、小三種規模。

小規模PLC控制系統:單機或者小規模生產過程，控制過程主要是條件、順序控制，以開關量為主，并且I/O點數小于128 點。一般選用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。

中等規模PLC控制系統:生產過程是復雜邏輯控制和閉環控制，I/O點數在128--512 點之間。應該選用具有模擬量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。

大規模PLC控制系統:生產過程是大規模過程控制、DCS系統和工廠自動化網絡控制，I/O點數在512點以上。應該選用具有通信聯網、智能控制、數據庫、中斷控制、函數運算的高檔PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工業現場總線結合實現工廠工業網絡的通訊和控制。

2.2 確定PLC I/O 點的類型

根據生產工藝要求，分析被控對象的復雜程度，進行I/O點數和I/O點的類型(數字量、模擬量等)統計，列出清單。適當進行內存容量的估計，確定適當的留有軟硬件資源余量而不浪費資源的機型(小、中、大型機器)。

根據PLC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負載選用不同的輸出方式，對系統的穩定運行是很重要的。

電磁閥的開閉、大電感負載、動作頻率低的設備，PLC輸出端采用繼電器輸出或者固態繼電器輸出;各種指示燈、變頻器/數字直流調速器的啟動/停止應采用晶體管輸出。

2.3 確定PLC編程工具

(1) 一般的手持編程器編程。 手持編程器只能用商家規定語句表中的語句表(STL)編程。這種方式效率低，但對于系統容量小、用量小的產品比較適宜，具有體積小、價格低、易于現場調試等優點。 這主要用于微型PLC的編程。

(2) 圖形編程器編程。圖形編程器采用梯形圖(LAD)編程，方便直觀，一般的電氣人員短期內就可應用自如，但該編程器價格較高,主要用于微型PLC和中檔PLC。

(3) 計算機加PLC軟件包編程 。這種方式是效率最高的一種方式，但大部分公司的PLC 開發軟件包價格昂貴，并且該方式不易于現場調試，主要用于中高檔PLC系統的硬件組態和軟件編程。

3PLC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。

3.1 PLC控制系統的硬件設計

硬件設計是PLC控制系統的至關重要的一個環節，這關系著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。

(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，即變壓器的初、次級線圈屏蔽層與初級電氣中性點接大地，次級線圈屏蔽層接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, 同時其帶負載時要注意容量，并作好防短路措施，這對系統供電安全和PLC安全至關重要，因為該電源的過載或短路都將影響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) PLC控制系統的輸出電路設計。依據生產工藝要求，各種指示燈、變頻器/數字直流調速器的啟動停止應采用晶體管輸出，它適應于高頻動作，并且響應時間短;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，輸出電路的設計簡單，抗干擾和帶負載能力強。

如果PLC輸出帶電磁線圈等感性負載，負載斷電時會對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，既可以采用繼電器輸出方式，也可以采用PLC輸出驅動中間繼電器或者固態繼電器(SSR)，再驅動負載。

對于兩個重要輸出量，不僅在PLC內部互鎖，建議在PLC外部也進行硬件上的互鎖，以加強PLC系統運行的安全性、可靠性。

對于常見的AC220V交流開關類負載，例如交流接觸器、電磁閥等，應該通過DC24V微小型中間繼電器驅動，避免PLC的DO接點直接驅動，盡管PLC手冊標稱具有AC220V交流開關類負載驅動能力。

(3) PLC控制系統的抗干擾設計。隨著工業自動化技術的日新月異的發展，晶閘管可控整流和變頻調速裝置使用日益廣泛，這帶來了交流電網的污染，也給控制系統帶來了許多干擾問題，防干擾是PLC控制系統設計時必須考慮的問題。一般采用以下幾種方式:

隔離:由于電網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，并將中性點經電容接地。
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、磁場屏蔽作用，防止空間輻射干擾。
布線:強電動力線路、弱電信號線分開走線，并且要有一定的間隔;模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

3.2 PLC 控制系統的軟件設計

在進行硬件設計的同時可以著手軟件的設計工作。軟件設計的主要任務是根據控制要求將工藝流程圖轉換為梯形圖，這是PLC應用的最關鍵的問題，程序的編寫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鍵，優秀的軟件設計便于工程技術人員理解掌握、調試系統與日常系統維護。

(1) PLC控制系統的程序設計思想。由于生產過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單的生產工藝過程，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結構。

模塊化程序:把一個總的控制目標程序分成多個具有明確子任務的程序模塊，分別編寫和調試，最后組合成一個完成總任務的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設計。我們建議經常采用這種程序設計思想，因為各模塊具有相對獨立性，相互連接關系簡單，程序易于調試修改。特別是用于復雜控制要求的生產過程。

(2) PLC控制系統的程序設計要點。PLC控制系統I/O分配，依據生產流水線從前至后，I/O點數由小到大;盡可能把一個系統、設備或部件的I/O信號集中編址，以利于維護。定時器、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控制系統編程技巧。PLC程序設計的原則是邏輯關系簡單明了，易于編程輸入，少占內存，減少掃描時間，這是PLC 編程必須遵循的原則。下面介紹幾點技巧。
PLC各種觸點可以多次重復使用，無需用復雜的程序來減少觸點使用次數。

同一個繼電器線圈在同一個程序中使用兩次稱為雙線圈輸出，雙線圈輸出容易引起誤動作，在程序中盡量要避免線圈重復使用。如果必須是雙線圈輸出，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同時都為1，可以使用一條指令將十六進制的數據0A9H直接傳送QW2即可。

對于非重要設備，可以通過硬件上多個觸點串聯后再接入PLC輸入端，或者通過PLC編程來減少I/O點數，節約資源。例如:我們使用一個按鈕來控制設備的啟動/停止，就可以采用二分頻來實現。

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模塊，正反轉點動封裝成為一個模塊，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。

4PLC控制系統程序的調試

PLC控制系統程序的調試一般包括I/O端子測試和系統調試兩部分內容，良好的調試步驟有利于加速總裝調試的過程。

4.1 I/O端子測試

用手動開關暫時代替現場輸入信號，以手動方式逐一對PLC輸入端子進行檢查、驗證，PLC輸入端子的指示燈點亮，表示正常;反之，應檢查接線或者是I/O點壞。

我們可以編寫一個小程序，在輸出電源良好的情況下，檢查所有PLC輸出端子指示燈是否全亮。PLC輸入端子的指示燈點亮，表示正常。反之，應檢查接線或者是I/O點壞。

4.2 系統調試

系統調試應首先按控制要求將電源、外部電路與輸入輸出端子連接好，然后裝載程序于PLC中，運行PLC進行調試。將PLC與現場設備連接。在正式調試前全面檢查整個PLC控制系統，包括電源、接地線、設備連接線、I/O連線等。在保證整個硬件連接正確無誤的情況下即可送電。

把PLC控制單元的工作方式設置為“RUN”開始運行。反復調試消除可能出現的各種問題。在調試過程中也可以根據實際需求對硬件作適當修改以配合軟件的調試。應保持足夠長的運行時間使問題充分暴露并加以糾正。調試中多數是控制程序問題。一般分以下幾步進行:

(1) 對每一個現場信號和控制量做單獨測試;
(2) 檢查硬件/修改程序;
(3) 對現場信號和控制量做綜合測試;
(4) 帶設備調試;
(5) 調試結束。

5結束語

PLC控制系統的設計是一個步驟有序的系統工程，要想做到熟練自如，需要反復設計和實踐。本文是PLC控制系統的設計和實踐經驗的總結，在實際應用中具有良好的效果