PLC控制系統(tǒng)的結構與設計樣本

中南大學本科生學術研修論文題目PLC控制系統(tǒng)構造與設計學生姓名指引教師學院專業(yè)班級學號完畢時間2月16日目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 3第一章PLC系統(tǒng)概述 3第二章PLC構造構成與工作原理 32.1PLC構造構成 32.2PLC工作原理 4第三章系統(tǒng)設備選型 43.1PLC機型選取 53.2I/O選取 53.3存儲器類型及容量選取 63.4控制柜內外布線 6第四章PLC控制系統(tǒng)設計 64.1PLC控制系統(tǒng)硬件設計 64.2PLC控制系統(tǒng)軟件設計 7第五章PLC控制系統(tǒng)可靠性分析與設計 85.1影響PLC控制系統(tǒng)可靠性因素 85.2可靠性設計 8第六章PLC長處 10第七章結束語 11參照文獻 11摘要：近些年來，工業(yè)生產發(fā)展速度逐漸增快，生產過程中操作控制難度也隨之增長。PCL=ProgrammableLogicController,即可編程邏輯控制器，這是一款專門針對工業(yè)生產而設計以微解決器為核心電子操控系統(tǒng)。本文一方面簡樸簡介PLC程序設計基本構造、特點以及PLC工作原理，探討了PLC控制系統(tǒng)總體構造與硬件設計，最后再簡樸分析國內當前關于PLC應用狀況。核心詞：PLC基本構造；PLC原理；PLC應用；PLC選型；硬件設計。PLC系統(tǒng)概述可編程序邏輯控制器（ProgrammableLogicControrler，簡稱PLC）是以微解決器為基本發(fā)展起來，集自動化技術、計算機技術、通信技術、先進制造技術為一體新型工業(yè)自動控制裝置。由于其抗干擾能力強，可靠性高，編程簡樸，性能價格比高，可以通過軟件來變化控制過程，并且具備體積小、功能強、可靠性高、抗干擾能力強以及應用安裝以便等長處，已成為當代工業(yè)自動化領域中主導，是當代工業(yè)自動化三大支柱（PLC技術、機器人、計算機輔助設計和制造）之一。PLC是微機技術與老式繼電接觸控制技術相結合產物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中機械觸點接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差缺陷，充分運用了微解決器長處。在當代化工業(yè)生產設備中，有大量數字量及模仿量控制裝置。如電機啟停，電磁閥開關，溫度、壓力、流量設定與控制等，而PLC技術是解決上述問題最有效、最便捷工具，因而PLC在工業(yè)控制領域得到了廣泛應用。下面就PLC控制系統(tǒng)設計中問題進行探討。第二章、PLC構造構成與工作原理2.1PLC構造構成（1）進行邏輯和數學運算，控制整個系統(tǒng)，使之協(xié)調工作中央解決器。（2）用于存儲系統(tǒng)監(jiān)控程序、顧客程序、邏輯變量和某些其她信息存儲器。（3）接口電路。它是PLC與現場設備以及外圍設備聯(lián)系通道，如輸入/輸出接口、鍵盤/顯示接口、通信接口和擴展接口等。（4）輸入/輸出電路。輸入電路用來對輸入信號進行隔離和電平轉換；輸出電路用來對PLC輸出成果進行放大和電平轉換，驅動現場設備。（5）電源。涉及系統(tǒng)電源、備用電源和掉電保護電源等。2.2PLC工作原理PLC采用了一種順序邏輯掃描顧客程序運營方式，即掃描方式。它不同于普通微型計算機運營方式，它在一種輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開時，該線圈所有觸點不會及時動作，必要等到掃描到該觸點時才會動作。普通涉及三個階段，即輸入采樣、顧客程序執(zhí)行和輸出刷新。（1）輸入采樣階段在此階段PLC以掃描方式順序讀入各個接口狀態(tài)和數據，并將它們存入I/O映像區(qū)中相應單元內。并在顧客程序運營階段和輸出刷新階段保持不變，只有到了下一種周期采樣階段才會依照實際變化對I/O映像區(qū)作相應變化。因而若輸入是一種脈沖信號，則必要保證脈沖信號寬度不不大于一種掃描周期，才干保證脈沖有效輸入。（2）顧客程序執(zhí)行階段PLC總是按照由上而下順序依次掃描顧客程序，在每一條梯形圖中，又總是按照先左后右、先上后下順序對各觸點構成控制線路進行邏輯運算。然后依照運算成果，對輸出點邏輯線圈在系統(tǒng)RAM中存儲狀態(tài)或I/O映像區(qū)狀態(tài)進行刷新，并且在本掃描周期內只對排在梯形圖下面線圈或數據起作用，排在上面線圈或數據只能在下一種掃描周期才會進行刷新，這就是掃描技術最大特點。（3）輸出刷新階段在一種掃描周期結束后，CPU依照顧客程序執(zhí)行完后I/O映像區(qū)內各個模塊相應狀態(tài)和數據對所有輸出鎖存電路進行刷新，然后驅動輸出電路輸出到相應外設，此時才是PLC一種控制周期結束。第三章、系統(tǒng)設備選型雖然PLC是專門為工業(yè)現場設計，抗干擾性、可靠性已得到充分保證，但在實踐中發(fā)現，各種牌號PLC抗干擾能力還是有區(qū)別。有些品牌PLC抗干擾能力差強人意，設計系統(tǒng)時就要加強電源濾波與接地。PLC選用應盡量避免選用新出品型號，由于新型號PLC未經長時間實踐應用，有些設計缺陷不容易在實驗中反映出來。就象電腦軟件中BUG同樣?？刂葡到y(tǒng)遇到這種問題是可大可小。通過3年市場考驗PLC是比較可靠。PLC選型要盡量系統(tǒng)化、通用化。不同廠家PLC固然不能通用，就是有些同一廠家不同系列PLC之間通用性也很差。相似編程器、通信接口、編程軟件和通信合同會給設計者、使用者帶來很大以便。PLC選型要注意輸入輸出點數留有一定余量，特別是新設計系統(tǒng)。新設計系統(tǒng)也許由于考慮欠周到，或者出于新增某些功能都需要額外輸入輸出點。沒有足夠輸入輸出PLC會導致控制系統(tǒng)大變化，在時間上損失往往比更換PLC揮霍費用大許多倍。此外接線端子亦需留出一定余量。PLC最重要目是控制外部系統(tǒng)。這個系統(tǒng)也許是單個機器、機群或一種生產過程。不同型號PLC有不同合用范疇。3.1PLC機型選取PLC機型選取基本原則是在滿足功能規(guī)定及保證可靠、維護以便前提下，力求最佳性能價格比。選取時重要考慮如下幾點：（1）合理構造形式PLC重要有整體式和模塊式兩種構造形式。整體式PLC每個I/O點平均價格比模塊式便宜，且體積相對較小，普通用于系統(tǒng)工藝過程較為固定小型控制系統(tǒng)中；而模塊式PLC功能擴展靈活以便,且維修以便，普通用于較復雜控制系統(tǒng)。（2）安裝方式選取PLC系統(tǒng)安裝方式分為集中式、遠程I/O式以及多臺PLC聯(lián)網分布式。集中式不需要設立驅動遠程I/O硬件，系統(tǒng)反映快、成本低；遠程I/O式合用于大型系統(tǒng)，系統(tǒng)裝置分布范疇很廣；多臺PLC聯(lián)網分布式合用于多臺設備分別獨立控制，又要互相聯(lián)系場合，可以選用小型PLC，但必要要附加通訊模塊。（3）相應功能規(guī)定普通小型PLC具備邏輯運算、定期、計數等功能，對只需要開關量控制設備都可滿足。對于以開關量控制為主，帶少量模仿量控制系統(tǒng)，可選用帶A/D和D/A轉換單元，具備加減算術運算、數據傳送功能增強型低檔PLC。（4）響應速度規(guī)定PLC是為工業(yè)自動化設計通用控制器，不同檔次PLC響應速度普通都能滿足其應用范疇內需要。（5）系統(tǒng)可靠性規(guī)定對于普通系統(tǒng)PLC可靠性均能滿足。對可靠性規(guī)定很高系統(tǒng)，應考慮與否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)。3.2I/O選取PLC與工業(yè)生產過程聯(lián)系是通過I/O接口模塊來實現。PLC有許多I/O接口模塊，涉及開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模仿量輸入模塊、模仿量輸出模塊以及其她某些特殊模塊，使用時應依照它們特點進行選取。擬定I/O點數：依照生產工藝規(guī)定，分析被控對象復雜限度，進行I/O點數和I/O點類型記錄，列出清單?？刂葡到y(tǒng)規(guī)定擬定所需要I/O點數時，應再增長10%-20%備用量，以便隨時增長控制功能。對于一種控制對象，由于采用控制辦法不同或編程水平不同，I/O點數也有所不同。3.3存儲器類型及容量選取PLC系統(tǒng)所用存儲器基本上由PROM、EPROM及RAM三種類型構成。使用時可以依照程序及數據存儲需要來選用適當機型，必要時也可專門進行存儲器擴充設計。PLC存儲器容量選取和計算一種辦法是依照編程使用節(jié)點數精準計算存儲器實際使用容量。第二種為估算法，顧客可依照控制規(guī)模和應用目，按照經驗公式來估算。3.4控制柜內外布線布線對PLC系統(tǒng)影響是很大。布線不好很容易把外界干擾引入PLC內，從而導致系統(tǒng)故障。柜外布線要避免強電與弱電混合走線。弱電輸出線與信號輸入線要分開。如果在實際操作中沒有辦法分開，信號輸入線則應采用屏蔽線并可靠接地。無論是地溝走線或者是管道走線都應留有足夠備份線，各條線要做好標記。柜內布線同樣要避免不同功能線混布，不同功能線應當用不同顏色區(qū)別，以便檢查、維護保養(yǎng)。模仿信號線應用屏蔽線?？刂乒窠拥匾彩遣荒芎鲆?，良好接地能有效地減少干擾信號。第四章、PLC控制系統(tǒng)設計4.1PLC控制系統(tǒng)硬件設計硬件設計是PLC控制系統(tǒng)至關重要一種環(huán)節(jié)，這關系著PLC控制系統(tǒng)運營可靠性、安全性、穩(wěn)定性。大功率感性負載通斷會引起火花，火花頻帶包括低頻到高頻，容易對PLC導致干擾。消火花電路可有效減少火花帶來干擾，直流電路可在負載并聯(lián)繼流二極管，交流電路可在負載并聯(lián)阻容或壓敏電阻。大功率電動機起動時會對電網導致干擾，各種電機同步起動時尤甚。干擾信號通過電網進入PLC，不利于系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運營。除了加強電源濾波外，如果容許，在程序設計時應當錯開幾種電機起動時間。當PLC發(fā)生異?；蛘吖收蠒r，需要保證系統(tǒng)也能安全地停止工作。重要涉及輸入和輸出電路兩某些。4.1.1PLC控制系統(tǒng)輸入電路設計PLC輸入電路電源普通采用24VDC,同步其帶負載時要注意容量，并作好防短路辦法，這對系統(tǒng)供電安全和PLC安全至關重要，由于該電源過載或短路都將影響PLC運營，普通選用電源容量為輸入電路功率兩倍，PLC輸入電路電源支路加裝適當熔絲，防止短路。4.1.2PLC控制系統(tǒng)輸出電路設計依照生產工藝規(guī)定，各種批示燈、變頻器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(tǒng)輸出頻率為每分鐘6次如下，應首選繼電器輸出，采用這種辦法，輸出電路設計簡樸，抗干擾和帶負載能力強。4.2PLC控制系統(tǒng)軟件設計在進行硬件設計同步可以著手軟件設計工作。軟件設計重要任務是依照控制規(guī)定將工藝流程圖轉換為梯形圖，這是PLC應用最核心問題，程序編寫是軟件設計詳細體現。在軟件設計方面，可以采用輸入點濾波、輸出點備份、增長工藝流程冗余、通信數據校核、停電記憶等辦法提高系統(tǒng)運營可靠性。4.2.1PLC控制系統(tǒng)程序設計思想由于生產過程控制規(guī)定復雜限度不同，可將程序按構造形式分為基本程序和模塊化程序?；境绦蚣瓤梢宰鳛楠毩⒊绦蚩刂坪啒闵a工藝過程，也可以作為組合模塊構造中單元程序。模塊化程序是把一種總控制目的程序提成各種具備明確子任務程序模塊，分別編寫和調試，最后組合成一種完畢總任務完整程序。這種辦法叫做模塊化程序設計。4.2.2PLC控制系統(tǒng)程序設計要點PLC控制系統(tǒng)I/O分派，根據生產流水線從前至后，I/O點數由小到大。盡量把一種系統(tǒng)、設備或部件I/O信號集中編址，以便于維護。定期器、計數器要統(tǒng)一編號，不可重復使用同一編號，以保證PLC工作運營可靠性。程序中大量使用內部繼電器或者中間標志位，也要統(tǒng)一編號，進行分派。在地址分派完畢后，應列出I/O分派表和內部繼電器或者中間標志位分派表。彼此關于輸出器件，如電機正/反轉等，其輸出地址應持續(xù)安排。4.2.3PLC控制系統(tǒng)編程技巧PLC程序設計原則是邏輯關系簡樸明了，易于編程輸入，少占內存，減少掃描時間，這是PLC編程必要遵循原則。PLC各種觸點可以多次重復使用，無需用復雜程序來減少觸點使用次數。同一種繼電器線圈在同一種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。如果必要是雙線圈輸出，可以采用置位和復位操作。模塊化編程思想應用，咱們可以把正反自鎖互鎖程序封裝成為一種模塊，正反轉點動封裝成為一種模塊，在PLC程序中可以重復調用該模塊，不但減少編程量，并且減少內存占用量,有助于大型PLC程序編制。第五章、PLC控制系統(tǒng)可靠性分析與設計5.1影響PLC控制系統(tǒng)可靠性因素PLC控制系統(tǒng)普通由PLC和生產現場設備構成。PLC涉及中央解決器、主機箱、擴展機箱及有關網絡與外部設備；生產現場設備涉及繼電器、接觸器、各種開關、極限位置、安全保護、傳感器、儀表、接線盒、接線端子、電動機、電源線、地線、信號線等。它們當中任何一種浮現故障都會影響系統(tǒng)正常工作。因而，分析其對系統(tǒng)可靠性影響限度，是進行可靠性設計、提高控制系統(tǒng)工作可靠性重要根據。就PLC自身而言其工作可靠性是非常高。以三菱F1，F2，FX系列為例。據稱其平均無端障工作時間可達30萬小時。有資料表白，在PLC控制系統(tǒng)故障中，PLC故障僅占系統(tǒng)故障5％，PLC控制系統(tǒng)故障重要發(fā)生在生產現場設備中，普通占系統(tǒng)故障95％；與PLC相接輸入、輸出設備可靠性是影響PLC控制系統(tǒng)可靠性重要因素。5.2可靠性設計對于一種電控系統(tǒng)來說，可靠性設計重要任務是預測和防止系統(tǒng)所有也許發(fā)生故障，擬定系統(tǒng)潛在隱患和薄弱環(huán)節(jié)，通過設計防止和設計改進，有效地消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)達到規(guī)定可靠性規(guī)定?？煽啃栽O計辦法普通涉及：制定和貫徹可靠性設計準則、元器件、零部件對的選取與使用、降額設計、冗余設計、耐環(huán)境設計、熱設計、電磁兼容設計、動態(tài)設計(健壯設計)等內容。PLC作為一種高可靠性控制裝置，在其所構成控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)可靠性重要取決于與它輸入、輸出端相連接，處在生產現場輸入信號元件、輸出執(zhí)行元件可靠性。因而，采用高質量元器件，對故障率較高元器件進行狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，充分運用PLC內部豐富軟元件代替某些元器件或者屏蔽輸入誤信號，對核心部位采用冗余設計以保證工作可靠等，都是提高PLC控制系統(tǒng)可靠性有效辦法。（1）盡量使用成熟技術和高質量元器件。防范和化解故障風險所謂“成熟技術”，是指所選用PLC和類似系統(tǒng)設計，經歷過一定生產實踐考驗，設計人員對需使用技術有經驗或有掌握它能力。普通來說，設計一種PLC控制系統(tǒng)，使用成熟技術要占75％以上。由于控制系統(tǒng)一旦投入運營，就很難有機會重復修改。在設計硬件電路和軟件程序中，如果存在某種欠缺，也許始終隱藏在系統(tǒng)中，不為人知。當遇到使其發(fā)生破壞作用條件時，后果就非常嚴重了。只有選取高質量元器件，才干使系統(tǒng)達到高可靠性規(guī)定。元器件可靠性分為固有可靠性和使用可靠性。固有可靠性重要靠元器件設計和制造來保證，使用可靠性則靠設計者對的選取和使用來保證。因而，必要注重對的選取和使用元器件，優(yōu)先選用經實踐證明質量穩(wěn)定、可靠性高、有發(fā)展前程且供應渠道可靠原則元器件。（2）設計故障檢測程序。提高系統(tǒng)工作可靠性1）時間故障檢測法控制系統(tǒng)工作循環(huán)各工步運營普通均有嚴格時間規(guī)定，以這些時間為參數，在要檢測工步動作開始同步，起動一種定期器，監(jiān)測其工作狀態(tài)。定期器設定值，為該工步動作所需要最大也許時間。若動作在規(guī)定期間內完畢，發(fā)出一種完畢信號，使定期器清零，表白監(jiān)控對象工作正常；否則，發(fā)出報警信號，停止正常工作循環(huán)程序。2）邏輯錯誤檢測法在PLC控制系統(tǒng)工作正常時，各輸入、輸出信號和中間記憶裝置之間存在擬定邏輯關系，一旦浮現異常邏輯關系，必然是控制系統(tǒng)浮現故障。因而，可以預先編寫某些常用故障異常邏輯程序加到顧客程序中。當這種邏輯關系實現狀態(tài)為“1”時，必然是浮現了相應設備故障，即可將異常邏輯關系狀態(tài)輸出作為故障信號，實現報警、停機等控制。（3）運用PLC內部定期器屏蔽輸入誤信號PLC經慣用于控制生產機械運動。有些機械運動速度均勻，運動行程與時間關系確切。以自動循環(huán)控制中某行程開關為例，在每一種循環(huán)中，它總是在同一時刻動作，發(fā)出信號。由于現場工作條件惡劣，實際操作中也許由于振動等因素產生誤信號，使系統(tǒng)誤動作。如果編程時，用兩個內部定期器，限定PLC只在該開關正常發(fā)信號時間內采樣，屏蔽掉其她時間內也許發(fā)出誤信號，就可提高PLC輸入信號可靠性。（4）PLC內部定期器與外部元器件結合，某些核心部位進行雙重保護為了提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，對核心故障或核心部位要在硬件和軟件上設立雙重保護。以某自動焊接機燃燒供氣系統(tǒng)控制為例，燃氣(乙炔或丙烷)關火順序(先關燃氣，后關氧氣)不能顛倒，否則也許回火，引起爆炸。普通氧氣延時關斷時間由外接時間繼電器KT來調定。但是，如果該時間繼電器自身故障或操作失誤導致氧氣關斷延時太少，就也許顛倒關氣順序。為保證燃燒供氣系統(tǒng)安全可靠，可設定一種PLC內部定期器Tn作氧氣延時關斷雙重保護。正常時，氧氣電磁閥由外部繼電器KT控制，若KT發(fā)生故障或設定期間太短，T0會自動使氧氣電磁閥延時關斷，起到雙重保護作用。（5）合理配備PLC及其硬件和軟件資源冗余在設計中大型PLC控制系統(tǒng)時，也許要采用各種方式冗余，以保證系統(tǒng)運營可靠。如在核電站、有毒有害化工生產環(huán)境，中央解決器雙機熱備、冷備冗余，是最常用方式。此外，雙系統(tǒng)冗余即中央解決器和所有輸A／輸出、組網通信完全冗余，有時也是必不可少。對于設計新系統(tǒng)，硬件和軟件資源不能占用耗盡，硬件上至少保存15％左右冗余。在編制軟件時，同樣要注意預計顧客軟件對PLC和計算機資源需要與用量。特別是中間繼電器、中間數據如計數器、定期器使用，要留有余地。由于程序在調試運營后，難免會提出修改、補充意見，有時甚至重新編寫。在PLC自身可靠性很高狀況下，影響PLC控制系統(tǒng)可靠性重要因素是與PLC接口輸入信號元件和輸出執(zhí)行元件。通過采用成熟技術和高質量元器件，充分運用PLC內部軟元件，設計PLC控制系統(tǒng)故障檢測與診斷程序，屏蔽輸入元件誤信號，防止輸出元件誤動作，對核心元器件實行軟、硬件雙重保護，合理配備PLC及其硬件和軟件資源冗余等辦法，就可以保證控制系統(tǒng)安