可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計方法

1、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計方法一、問題提出可編程控制器技術(shù)最主要是應(yīng)用于自動化控制工程中， 如何綜合 地運(yùn)用前面學(xué)過知識點(diǎn)，根據(jù)實際工程要求合理組合成控制系 統(tǒng)， 在此介紹組成可編程控制器控制系統(tǒng)的一般方法。二、可編程控制器控制系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟1系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容（1）擬定控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計任 務(wù)書的形式來確定，它是整個設(shè)計的依據(jù)；（2）選擇電氣傳動形式和電動機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；3）選定PLC的型號；（4）編制PLC的輸入/輸出分配表或繪制輸入/輸出端子 接線圖；（5）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相 應(yīng)的編程語言（常用梯形圖）進(jìn)行程序設(shè)計；（6）了解

2、并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計，增 強(qiáng)人與機(jī)器之間的友善關(guān)系；（7）設(shè)計操作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件；（8）編寫設(shè)計說明書和使用說明書； 根據(jù)具體任務(wù)，上述內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)整。2 系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟圖1可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟 （1）深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求a被控對象就是受控的機(jī)械、電氣設(shè)備、生產(chǎn)線或生產(chǎn)過程。b控制要求主要指控制的基本方式、應(yīng)完成的動作、自動工作 循環(huán)的組成、必要的保護(hù)和聯(lián)鎖等。對較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，還可 將控制任務(wù)分成幾個獨(dú)立部分， 這種可化繁為簡， 有利于編程和 調(diào)試。（2）確定I/O設(shè)備根據(jù)被控對象對PLC控制系統(tǒng)的功能要求，確

3、定系統(tǒng)所需的用 戶輸入、輸出設(shè)備。常用的輸入設(shè)備有按鈕、選擇開關(guān)、行程開 關(guān)、傳感器等，常用的輸出設(shè)備有繼電器、接觸器、指示燈、電 磁閥等。（3）選擇合適的PLC類型根據(jù)已確定的用戶I/O設(shè)備，統(tǒng)計所需的輸入信號和輸出信號 的點(diǎn)數(shù)，選擇合適的PLC類型，包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等?？删幊炭刂破鲬?yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試的主要步驟，如圖1所示。（4）分配I/O點(diǎn)分配PLC的輸入輸出點(diǎn)， 編制出輸入/輸出分配表或者畫出輸 入/輸出端子的接線圖。 接著九可以進(jìn)行PLC程序設(shè)計， 同時 可進(jìn)行控制柜或操作臺的設(shè)計和現(xiàn)場施工。（5）設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序根據(jù)工作功能圖表或狀態(tài)

4、流程圖等設(shè)計出梯形圖即編程。 這一步 是整個應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的最核心工作， 也是比較困難的一步， 要設(shè) 計好梯形圖， 首先要十分熟悉控制要求， 同時還要有一定的電氣 設(shè)計的實踐經(jīng)驗。（6）將程序輸入PLC當(dāng)使用簡易編程器將程序輸入PLC時，需要先將梯形圖轉(zhuǎn)換成 指令助記符， 以便輸入。 當(dāng)使用可編程序控制器的輔助編程軟件 在計算機(jī)上編程時，可通過上下位機(jī)的連接電纜將程序下載到PLC中去。7）進(jìn)行軟件測試 程序輸入PLC后，應(yīng)先進(jìn)行測試工作。 因為在程序設(shè)計過程中， 難免會有疏漏的地方。 因此在將PLC連接到現(xiàn)場設(shè)備上去之前， 必需進(jìn)行軟件測試， 以排除程序中的錯誤， 同時也為整體調(diào)試打 好基礎(chǔ)，縮

5、短整體調(diào)試的周期。（8）應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試在PLC軟硬件設(shè)計和控制柜及現(xiàn)場施工完成后，就可以進(jìn)行整 個系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試， 如果控制系統(tǒng)是由幾個部分組成， 則應(yīng)先作 局部調(diào)試，然后再進(jìn)行整體調(diào)試；如果控制程序的步序較多，則 可先進(jìn)行分段調(diào)試，然后再連接起來總調(diào)。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題， 要逐一排除，直至調(diào)試成功。（9）編制技術(shù)文件系統(tǒng)技術(shù)文件包括說明書、 電氣原理圖、 電器布置圖、 電氣元件 明細(xì)表、PLC梯形圖。三、PLC硬件系統(tǒng)設(shè)計1PLC型號的選擇在作出系統(tǒng)控制方案的決策之前， 要詳細(xì)了解被控對象的控制要 求，從而決定是否選用PLC進(jìn)行控制。在控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系較復(fù)雜 （需要大量中間繼電器、 時間繼電

6、器、 計數(shù)器等）、工藝流程和產(chǎn)品改型較頻繁、需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和 信息管理（有數(shù)據(jù)運(yùn)算、模擬量的控制、PID調(diào)節(jié)等）、系統(tǒng)要 求有較高的可靠性和穩(wěn)定性、準(zhǔn)備實現(xiàn)工廠自動化聯(lián)網(wǎng)等情況 下，使用PLC控制是很必要的。目前，國內(nèi)外眾多的生產(chǎn)廠家提供了多種系列功能各異的PLC產(chǎn)品，使用戶眼花繚亂、無所適從。所以全面權(quán)衡利弊、合理地 選擇機(jī)型才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)實用的目的。 一般選擇機(jī)型要以滿足系統(tǒng) 功能需要為宗旨， 不要盲目貪大求全， 以免造成投資和設(shè)備資源 的浪費(fèi)。機(jī)型的選擇可從以下幾個方面來考慮。（1）對輸入/輸出點(diǎn)的選擇盲目選擇點(diǎn)數(shù)多的機(jī)型會造成一定浪費(fèi)。要先弄清除控制系統(tǒng)的I/O總點(diǎn)數(shù)，再按實際所需總點(diǎn)

7、數(shù)的1520%留出備用量（為系統(tǒng)的改造等留有余地）后確定所需PLC的點(diǎn)數(shù)。另外要注意，一些高密度輸入點(diǎn)的模塊對同時接通的輸入點(diǎn)數(shù)有 限制，一般同時接通的輸入點(diǎn)不得超過總輸入點(diǎn)的60%；PLC每個輸出點(diǎn)的驅(qū)動能力（A/點(diǎn)）也是有限的，有的PLC其每 點(diǎn)輸出電流的大小還隨所加負(fù)載電壓的不同而異；一般PLC的 允許輸出電流隨環(huán)境溫度的升高而有所降低等。 在選型時要考慮 這些問題。PLC的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、 分組式和隔離式幾種接法。 隔離式 的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類和電壓等級， 但這種PLC平均每點(diǎn)的價格較高。 如果輸出信號之間不需要隔離， 則應(yīng) 選擇前兩種輸出方式的PLC。（2）對存

8、儲容量的選擇對用戶存儲容量只能作粗略的估算。 在僅對開關(guān)量進(jìn)行控制的系 統(tǒng)中，可以用輸入總點(diǎn)數(shù)乘10字/點(diǎn)輸出總點(diǎn)數(shù)乘5字/點(diǎn)來估算；計數(shù)器/定時器按（35）字/個估算；有運(yùn) 算處理時按（510）字/量估算；在有模擬量輸入/輸 出的系統(tǒng)中， 可以按每輸入/（ 或輸出）一路模擬量約需 （80100）字左右的存儲容量來估算； 有通信處理時按每個接口200字以上的數(shù)量粗略估算。最后，一般按估算容量的50100% 留有裕量。對缺乏經(jīng)驗的設(shè)計者，選擇容量時留有裕量要大些。（3）對I/O響應(yīng)時間的選擇PLC的I/O響應(yīng)時間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描 工作方式引起的時間延遲 （一般在23個掃描周期

9、） 等。 對 開關(guān)量控制的系統(tǒng)，PLC和I/O響應(yīng)時間一般都能滿足實際工 程的要求， 可不必考慮I/O響應(yīng)問題。 但對模擬量控制的系統(tǒng)、 特別是閉環(huán)系統(tǒng)就要考慮這個問題。（4）根據(jù)輸出負(fù)載的特點(diǎn)選型不同的負(fù)載對PLC的輸出方式有相應(yīng)的要求。例如，頻繁通斷 的感性負(fù)載， 應(yīng)選擇晶體管或晶閘管輸出型的， 而不應(yīng)選用繼電 器輸出型的。但繼電器輸出型的PLC有許多優(yōu)點(diǎn)，如導(dǎo)通壓降 小，有隔離作用，價格相對較便宜，承受瞬時過電壓和過電流的 能力較強(qiáng)，其負(fù)載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍 大等。 所以動作不頻繁的交、 直流負(fù)載可以選擇繼電器輸出型的PLC5）對在線和離線編程的選擇 離線編程示指主

10、機(jī)和編程器共用一個CPU，通過編程器的方式 選擇開關(guān)來選擇PLC的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。編程狀態(tài) 時，CPU只為編程器服務(wù)，而不對現(xiàn)場進(jìn)行控制。專用編程器 編程屬于這種情況。 在線編程是指主機(jī)和編程器各有一個CPU，主機(jī)的CPU完成對現(xiàn)場的控制， 在每一個掃描周期末尾與編程 器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機(jī)， 在下一個掃描周期主機(jī) 將按新的程序?qū)ΜF(xiàn)場進(jìn)行控制。 計算機(jī)輔助編程既能實現(xiàn)離線編 程，也能實現(xiàn)在線編程。在線編程需購置計算機(jī)，并配置編程軟 件。采用哪種編程方法應(yīng)根據(jù)需要決定。（6）據(jù)是否聯(lián)網(wǎng)通信選型若PLC控制的系統(tǒng)需要聯(lián)入工廠自動化網(wǎng)絡(luò)， 則PLC需要有通 信聯(lián)網(wǎng)功能， 即要求

11、PLC應(yīng)具有連接其他PLC、上位計算機(jī)及CRT等的接口。大、中型機(jī)都有通信功能，目前大部分小型機(jī)也 具有通信功能。（7）對PLC結(jié)構(gòu)形式的選擇 在相同功能和相同I/O點(diǎn)數(shù)據(jù)的情況下，整體式比模塊式價格 低。 但模塊式具有功能擴(kuò)展靈活， 維修方便 （換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實際需要選擇PLC的結(jié)構(gòu)形式。2分配輸入/輸出點(diǎn)一般輸入點(diǎn)和輸入信號、輸出點(diǎn)和輸出控制是一一對應(yīng)的。分配好后， 按系統(tǒng)配置的通道與接點(diǎn)號， 分配給每一個輸入信號和輸出信號，即進(jìn)行編號。在個別情況下， 也有兩個信號用一個輸入點(diǎn)的， 那樣就應(yīng)在接入輸入點(diǎn)前，按邏輯關(guān)系接好線（如兩個觸點(diǎn)先串聯(lián)或并聯(lián)） ，然后再接到輸入點(diǎn)。

12、（1）確定I/O通道范圍不同型號的PLC， 其輸入/輸出通道的范圍是不一樣的，應(yīng)根 據(jù)所選PLC型號， 查閱相應(yīng)的編程手冊， 決不可“張冠李戴”。 必須參閱有關(guān)操作手冊。2）部輔助繼電器內(nèi)部輔助繼電器不對外輸出， 不能直接連接外部器件， 而是在控 制其他繼電器、定時器/計數(shù)器時作數(shù)據(jù)存儲或數(shù)據(jù)處理用。從功能上講，內(nèi)部輔助繼電器相當(dāng)于傳統(tǒng)電控柜中的中間繼電器。未分配模塊的輸入/輸出繼電器區(qū)以及未使用1：1鏈接時 的鏈接繼電器區(qū)等均可作為內(nèi)部輔助繼電器使用。 根據(jù)程序設(shè)計 的需要，應(yīng)合理安排PLC的內(nèi)部輔助繼電器，在設(shè)計說明書中 應(yīng)詳細(xì)列出各內(nèi)部輔助繼電器在程序中的用途，避免重復(fù)使用。 參閱有關(guān)操

13、作手冊。（3）分配定時器/計數(shù)器PLC的定時器/計數(shù)器數(shù)量分別見有關(guān)操作手冊。PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計方法及步驟PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計的方法在了解了PLC程序結(jié)構(gòu)之后， 就要具體地編制程序了。 編制PLC控制程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。1.圖解法編程 圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC程序設(shè)計。常見的主要有梯形圖法、 邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進(jìn)順控法。(1)梯形圖法：梯形圖法是用梯形圖語言去編制PLC程序。這 是一種模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方法。 其圖形甚至元件名稱都 與繼電器控制電路十分相近。 這種方法很容易地就可以把原繼電 器控制電路移植成PLC的梯形圖語言。這對于熟悉繼電器控制 的

14、人來說，是最方便的一種編程方法。(2)邏輯流程圖法：邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示PLC程序 的執(zhí)行過程， 反應(yīng)輸入與輸出的關(guān)系。 邏輯流程圖法是把系統(tǒng)的 工藝流程， 用邏輯框圖表示出來形成系統(tǒng)的邏輯流程圖。 這種方 法編制的PLC控制程序邏輯思路清晰、輸入與輸出的因果關(guān)系 及聯(lián)鎖條件明確。 邏輯流程圖會使整個程序脈絡(luò)清楚， 便于分析 控制程序，便于查找故障點(diǎn)，便于調(diào)試程序和維修程序。有時對 一個復(fù)雜的程序， 直接用語句表和用梯形圖編程可能覺得難以下 手，則可以先畫出邏輯流程圖， 再為邏輯流程圖的各個部分用語 句表和梯形圖編制PLC應(yīng)用程序。(3)時序流程圖法： 時序流程圖法使首先畫出控制系統(tǒng)的

15、時序圖 (即到某一個時間應(yīng)該進(jìn)行哪項控制的控制時序圖) ，再根據(jù)時 序關(guān)系畫出對應(yīng)的控制任務(wù)的程序框圖，最后把程序框圖寫成PLC程序。時序流程圖法很適合于以時間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編 程方法。(4)步進(jìn)順控法： 步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設(shè)計復(fù)雜的 控制程序。一般比較復(fù)雜的程序，都可以分成若干個功能比較簡 單的程序段，一個程序段可以看成整個控制過程中的一步。 從整 個角度去看，一個復(fù)雜系統(tǒng)的控制過程是由這樣若干個步組成 的。系統(tǒng)控制的任務(wù)實際上可以認(rèn)為在不同時刻或者在不同進(jìn)程 中去完成對各個步的控制。為此，不少PLC生產(chǎn)廠家在自己的PLC中增加了步進(jìn)順控指令。在畫完各個步進(jìn)的狀態(tài)流程圖之 后

16、，可以利用步進(jìn)順控指令方便地編寫控制程序。2.經(jīng)驗法編程經(jīng)驗法是運(yùn)用自己的或別人的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計。 多數(shù)是設(shè)計前先選 擇與自己工藝要求相近的程序， 把這些程序看成是自己的“試驗 程序”。結(jié)合自己工程的情況， 對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。這里所說的經(jīng)驗，有的是來自自己的 經(jīng)驗總結(jié)，有的可能是別人的設(shè)計經(jīng)驗，就需要日積月累，善于總結(jié)。3.計算機(jī)輔助設(shè)計編程計算機(jī)輔助設(shè)計是通過PLC編程軟件在計算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè) 計、離線或在線編程、離線仿真和在線調(diào)試等等。使用編程軟件 可以十分方便地在計算機(jī)上離線或在線編程、 在線調(diào)試， 使用編 程軟件可以十分方便地在計算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、

17、加密以及形 成EXE運(yùn)行文件。PLC軟件系統(tǒng)設(shè)計的步驟在了解了程序結(jié)構(gòu)和編程方法的基礎(chǔ)上，就要實際地編寫PLC程序了。編寫PLC程序和編寫其他計算機(jī)程序一樣，都需要經(jīng) 歷如下過程。1.對系統(tǒng)任務(wù)分塊分塊的目的就是把一個復(fù)雜的工程， 分解成多個比較簡單的小任 務(wù)。這樣就把一個復(fù)雜的大問題化為多個簡單的小問題。 這樣可 便于編制程序。2.編制控制系統(tǒng)的邏輯關(guān)系圖從邏輯關(guān)系圖上， 可以反應(yīng)出某一邏輯關(guān)系的結(jié)果是什么， 這一 結(jié)果又英國導(dǎo)出哪些動作。這個邏輯關(guān)系可以是以各個控制活動 順序為基準(zhǔn)，也可能是以整個活動的時間節(jié)拍為基準(zhǔn)。 邏輯關(guān)系 圖反映了控制過程中控制作用與被控對象的活動， 也反應(yīng)了輸入

18、與輸出的關(guān)系。3.繪制各種電路圖繪制各種電路的目的，是把系統(tǒng)的輸入輸出所設(shè)計的地址和名稱 聯(lián)系起來。這是很關(guān)鍵的一步。在繪制PLC的輸入電路時，不 僅要考慮到信號的連接點(diǎn)是否與命名一致， 還要考慮到輸入端的 電壓和電流是否合適， 也要考慮到在特殊條件下運(yùn)行的可靠性與 穩(wěn)定條件等問題。特別要考慮到能否把高壓引導(dǎo)到PLC的輸入 端，把高壓引入PLC輸入端，會對PLC造成比較大的傷害。在 繪制PLC的輸出電路時，不僅要考慮到輸出信號的連接點(diǎn)是否 與命名一致， 還要考慮到PLC輸出模塊的帶負(fù)載能力和耐電壓 能力。此外，還要考慮到電源的輸出功率和極性問題。在整個電 路的繪制中，還要考慮設(shè)計的原則努力提高其穩(wěn)定性和可靠性。 雖然用PLC進(jìn)行控制方便、靈活。但是在電路的設(shè)計上仍然需 要謹(jǐn)慎、全面。因此，在繪制電路