1.5　PLC控制系統設計的基本原則與步驟

1.5.1　PLC控制系統設計的應用環境

由于PLC是一種計算機化了的高科技產品，相對繼電器來說價格較高，因此在PLC控制系統設計之前，就要考慮是否有必要使用PLC。

通常在以下情況可以考慮使用PLC：

① 控制系統的數字量I/O點數較多，控制要求復雜。若使用繼電器控制，則需要大量的中間繼電器、時間繼電器等器件；

② 對控制系統的可靠性要求較高，繼電器控制系統難以滿足控制要求；

③ 由于生產工藝流程或產品的變化，需要經常改變控制系統的控制關系或控制參數；

④ 可以用一臺PLC控制多個生產設備。

對于控制系統簡單、I/O點數少，控制要求并不復雜的情況，則無需使用PLC控制，使用繼電器控制就完全可以了。

1.5.2　PLC控制系統設計的基本原則

在實際生產過程中，任何一種控制都是以滿足生產工藝的控制要求、提高產品質量和生產效率為目的的，因此在PLC控制系統的設計時，應遵循以下基本原則。

① 最大限度地滿足生產工藝的控制要求。這是PLC控制系統設計的首要前提。這就需要設計人員深入現場進行調查研究，收集資料，同時要注意與操作員和工程管理人員密切配合，共同討論，解決設計中出現的問題。

② 確保控制系統的工作安全可靠。這是設計的重要原則。這就要求設計者在設計時，應全面的考慮控制系統硬件和軟件。

③ 力求使系統簡單、經濟，使用和維修方便。在滿足生產工藝的控制要求前提下，要注意降低工程成本，提高工程效益，符合用戶的操作習慣和方便維修。

④ 應考慮生產的發展和改進，在設計時應適當留有裕量。

1.5.3　PLC控制系統設計的一般步驟

PLC控制系統設計的流程圖如圖1-37所示。

（1）深入了解被控系統的工藝過程和控制要求

深入了解被控系統的工藝過程和控制要求是系統設計的關鍵，這一步的好壞，直接影響著系統設計和施工的質量。首先應該詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的關系，提出被控對象對PLC控制系統的要求。控制要求包括：

① 控制的基本方式：行程控制、時間控制、速度控制、電流和電壓控制等；

② 需要完成的動作：動作及其順序、動作條件；

③ 操作方式：手動（點動、回原點）、自動（單步、單周、自動運行）以及必要的保護、報警、連鎖和互鎖；

④ 確定軟硬件分工；根據控制工藝的復雜程度，確定軟硬件分工，可從技術方案、經濟性、可靠性等方面做好軟硬件的分工。

（2）確定控制方案，擬定設計說明書

在分析完被控對象的控制要求基礎上，可以確定控制方案。通常有以下幾種方案供參考。

① 單控制器系統：單控制器系統指采用一臺PLC控制一臺或多臺被控設備的控制系統，如圖1-38所示。

② 多控制器系統：多控制器系統即分布式控制系統，該系統中每個控制對象都是由一臺PLC控制器來控制的，各臺PLC控制器之間可以通過信號傳遞進行內部連鎖，或由上位機通過總線進行通信控制，如圖1-39所示。

③ 遠程I/O控制系統：遠程I/O系統是I/O模塊，不與控制器放在一起，而是遠距離放在被控設備附近，如圖1-40所示。

（3）PLC硬件選型

PLC硬件選型的基本原則：在功能滿足的條件下，保證系統安全可靠運行，盡量兼顧價格。具體應考慮以下幾個方面。

① PLC的硬件功能

對于開關量控制系統，主要考慮PLC的最大I/O點數是否滿足要求，如有特殊要求，如通信控制、模擬量控制等，則應考慮是否有相應的特殊功能模塊。

此外還要考慮擴展能力、程序存儲器與數據存儲器的容量等。

② 確定輸入輸出點數

確定輸入輸出點數前，應確定哪些信號需要輸入給PLC，哪些負載需要PLC來驅動，還要確定哪些是數字量，哪些是模擬量，哪些是直流量，哪些是交流量，電壓等級以及是否有特殊要求。在確定時，應考慮今后系統改進和擴充的需求，應留有一定的裕量。

③ PLC供電電源類型、輸入和輸出模塊的類型

PLC供電電源類型一般有兩種，分別為交流型和直流型。交流型供電通常為220V，直流型供電通常為24V。

數字量輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V。直流輸入電路的延遲時間較短，可直接與光電開關、接近開關等電子輸入設備直接相連。

如有模擬量還需考慮變送器、執行機構的量程與模擬量輸入輸出模塊的量程是否匹配等。

繼電器型輸出模塊的工作電壓范圍廣，觸點導通電壓降小，承受瞬間過電壓和瞬間過電流能力強，但觸點壽命有限制，動作速度較慢。若系統的輸出信號變化不是很頻繁，建議優先選擇繼電器輸出型模塊。繼電器型輸出模塊可用于交直流負載。

晶體管輸出型用于直流負載，它們具有可靠性高、執行速度快、壽命長等優點，但過載能力較差。

④ PLC的結構及安裝方式

PLC分為整體式和模塊式兩種，整體式每點的價格比模塊式的便宜。模塊式的功能擴展靈活，安裝方便，特殊模塊選擇的余地大，一般較復雜的系統選擇模塊式PLC。

（4）硬件設計

PLC控制系統的硬件設計主要包括I/O地址分配、系統主回路和控制回路的設計、PLC輸入輸出電路的設計、控制柜或操作臺電氣元件安裝布置設計等。

① I/O地址分配

輸入點和輸入信號、輸出點和輸出控制是一一對應的。通常按系統配置通道與觸點號來分配每個輸入輸出信號，即進行編號。在編號時要注意，不同型號的PLC，其輸入輸出通道范圍不同，要根據所選PLC的型號進行確定，切不可“張冠李戴”。

② 系統主回路和控制回路設計

a．系統主回路設計：主回路通常是指電流較大的電路，如電動機主電路、控制變壓器的一次側輸入回路、控制系統的電源輸入和控制電路等。

在設計主電路時，主要要考慮以下幾個方面。

◆ 總開關的類型、容量、分段能力和所用的場合等。

◆ 保護裝置的設置。短路保護要設置熔斷器或斷路器，過載保護要設置熱繼電器，漏電保護要設置漏電保護器等。

◆ 接地。從安全的角度考慮，控制系統應設置保護接地。

b．系統控制回路設計：控制回路通常是指電流較小的電路。控制回路設計一般包括保護電路、安全電路、信號電路和控制電路設計等。

③ PLC輸入輸出電路的設計

設計輸入輸出電路通常考慮以下問題。

◆ 輸入電路可由PLC內部提供DC24V電源，也可外接電源；輸出點需根據輸出模塊類型選擇電源。

◆ 為了防止負載短路損壞PLC，輸入輸出電路公共端需加熔斷器保護。

◆ 為了防止接觸器相間短路，通常要設置互鎖電路，例如正反轉電路。

◆ 輸出電路有感性負載，為了保證輸出點的安全和防止干擾，直流電路需在感性負載兩端并聯續流二極管，交流電路需在感性負載兩端并聯阻容電路，如圖1-41所示。

◆ 應減少輸入輸出點數，具體方法可參考4.2節。

④ 控制柜或操作臺電氣元件安裝布置設計

設計的目的是用于指導、規范現場生產和施工，并提高可靠性和標準化程度。

（5）軟件設計

在軟件設計之前，S7-200 SMART PLC需先對硬件進行組態，看該系統需要的CPU模塊、信號板和擴展模塊都是哪些，對應選擇相應的型號。硬件組態完后，可以對軟件進行設計了。

軟件設計包括系統初始化程序、主程序、子程序、中斷程序等，小型數字量控制系統往往只有主程序。

軟件設計主要包括以下幾步。

① 首先應根據總體要求和控制系統的具體情況，確定程序的基本結構。

② 繪制控制流程圖或順序功能圖。

③ 根據控制流程圖或順序功能圖設計梯形圖；簡單系統可用經驗設計法，復雜系統可用順序控制設計法。

（6）軟、硬件調試

調試分為模擬調試和聯機調試。

在軟件設計完成后一般作模擬調試。模擬調試可以通過仿真軟件來代替PLC硬件，在計算機上調試程序。若有PLC硬件，可以用小開關和按鈕模擬PLC的實際輸入信號，再通過輸出模塊上個輸出位對應的指示燈，觀察輸出信號是否滿足設計要求。若需要模擬信號I/O時，可用電位器和萬用表配合進行。

硬件模擬調試主要是對控制柜或操作臺的接線進行測試，可在操作臺的接線端子上模擬PLC外部數字輸入信號，或者操作按鈕指令開關，觀察對應PLC輸入點的狀態。

在聯機調試時，把編制好的程序下載到現場的PLC中，調試時，主電路一定要斷電，只對控制電路進行調試。通過現場聯機調試，還會發現新的問題或需要對某些控制功能進行改進。

如軟硬件調試均沒問題，就可以整體調試了。

（7）編制控制系統的使用說明書

系統交付使用后，應根據調試的最終結果整理出完整的技術文件，單位存檔，部分資料提供給用戶，以利于系統的維修和改進。

編制的文件有：PLC的硬件接線圖和其他的電氣樣圖，PLC編程元件表和帶有文字說明的梯形圖。此外若使用的是順序控制法，順序功能圖也需要加以整理。