淺談基于PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)專業(yè)

淺談基于PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要PLC 作為通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，正在成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界工業(yè)控制中發(fā)揮著越來越大的作用。在PLC 實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，我們要進(jìn)行各種各樣的PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文探討了PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，主要介紹了設(shè)計(jì)所包含的基本內(nèi)容、設(shè)計(jì)工作的一般步驟、PLC的選擇標(biāo)準(zhǔn)和方法，以及PLC 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，作為設(shè)計(jì)人員在PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的參考和思路。關(guān)鍵詞：PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；原則；內(nèi)容；步驟；PLC 選擇；軟件設(shè)計(jì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程序控制器（PLC）的功能越來越強(qiáng)，適用越來越方便，已經(jīng)成為工業(yè)控制領(lǐng)域的主流控制設(shè)備，在世界工業(yè)控制中發(fā)揮著越來越大的作用。在PLC實(shí)際應(yīng)用中，要對(duì)PLC控制系統(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)行準(zhǔn)確、恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，本文就基于PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了一個(gè)概述，主要從設(shè)計(jì)所包含的基本內(nèi)容、設(shè)計(jì)工作的一般步驟、PLC的選擇標(biāo)準(zhǔn)和方法，以及PLC軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。一、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容PLC 控制系統(tǒng)是由PLC 與用戶輸入、輸出設(shè)備連接而成的。因此，PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容應(yīng)包括：1 、擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式來確定，它是整個(gè)設(shè)計(jì)的依據(jù)。2 、選擇用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等）、輸入設(shè)備（繼電器、接觸器、信號(hào)燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象（ 電動(dòng)機(jī)、電磁閥等）。3、PLC 的選擇。PLC 是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC 對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)起著重要的作用。4、編制PLC 的I/ O 分配表，繪制輸入I /O 端子接線圖。5、根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)。6、了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)人與機(jī)器之間的友善關(guān)系。7、設(shè)計(jì)操作臺(tái)、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器部件。8 、編寫設(shè)計(jì)說明書和使用說明書。二、PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟設(shè)計(jì)PLC 控制系統(tǒng)的一般步驟如圖1所示。1、根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。如需要完成的動(dòng)作（動(dòng)作順序、動(dòng)作條件、必須的保護(hù)和聯(lián)鎖等）、操作方式（手動(dòng)、自動(dòng)；連續(xù)、單周期、單步等）。2、確定輸入輸出設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，從而確定與PLC 有關(guān)的輸入/ 輸出設(shè)備，以確定PLC 的I/O 點(diǎn)數(shù)。3 、選擇P L C 。4、分配PC 的I /O 點(diǎn)，設(shè)計(jì)I /O 連接圖。5 、進(jìn)行PC 程序設(shè)計(jì)。6、硬件實(shí)施。硬件實(shí)施方面主要是進(jìn)行控制柜（臺(tái)）等硬件的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工。由于程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)施可同時(shí)進(jìn)行，因此PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短。7、聯(lián)機(jī)調(diào)試。聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC 只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部分程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM 中，以防程序丟失。8、整理和編寫技術(shù)文件。技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC 程序以及使用說明書等。圖1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟三.PLC的選擇隨著PLC在工業(yè)控制中的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類越來越多，其結(jié)構(gòu)、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方法等各不相同，適用場(chǎng)合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC對(duì)于提高其在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用有著重要作用。選擇PLC時(shí)應(yīng)從以下幾方面入手：3.1機(jī)型選擇機(jī)型的選擇原則是“在功能上滿足需要的同時(shí)不浪費(fèi)機(jī)器容量”。選擇機(jī)型時(shí)，首先要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行下面估計(jì)：有多少開關(guān)量輸入、電壓分別為多少、有多少開關(guān)量輸出、輸出功率為多少，有多少模擬量輸入和模擬量輸出，是否有特殊控制要求，縣城對(duì)控制器相應(yīng)速度有何要求，機(jī)房與現(xiàn)場(chǎng)分開還是在一起等。選擇機(jī)型的通常做法是：在工藝過程比較固定、環(huán)境條件較好的場(chǎng)合，選用整體式結(jié)構(gòu)的PLC；其他情況最好選用模塊式結(jié)構(gòu)的PLC；對(duì)于開關(guān)量控制以及開關(guān)量控制為主、帶少量模擬量控制的，一般其控制速度無須考慮，因此選用帶A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，加減運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送功能的低檔機(jī)就能滿足要求；而控制比較復(fù)雜，控制功能要求比較高的，可根據(jù)控制規(guī)模及復(fù)雜程度來選用中檔或高檔機(jī)。3.2I/O的選擇PLC有許多I/O接口模塊，適用時(shí)應(yīng)根據(jù)它們的特點(diǎn)進(jìn)行選擇。3.2.1確定I/O點(diǎn)數(shù)不通的控制對(duì)象所需要的I/O點(diǎn)數(shù)不同，一些典型的傳動(dòng)設(shè)備及產(chǎn)用的電氣元件所需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)是固定的，但對(duì)于同一控制對(duì)象，由于采用的控制方法不同或編程水平不同，I/O點(diǎn)數(shù)也應(yīng)有所不同。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定所需I/O點(diǎn)數(shù)時(shí)，應(yīng)再增加10%-20%的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能。3.2.2開關(guān)量I/O典型的交流I/O信號(hào)為24240V，直流I/O信號(hào)為5240V。在評(píng)估離散輸出時(shí)，應(yīng)考慮熔絲、瞬時(shí)浪涌保護(hù)和電源與邏輯電路間的隔離電路。3.2.3模擬量I/O模擬量I/O的典型量程為-10+10V、0+11V、420mA或1050mA。一些制造廠家在PLC上設(shè)計(jì)有特殊模擬接口，因而可以接受低電平信號(hào)，這類接口模塊可用于接收同一模塊上不通類型的熱點(diǎn)偶或RTD混合信號(hào)。3.2.4特殊功能I/O在選擇一臺(tái)PLC時(shí)，用戶可能會(huì)面臨一些特殊類型且不能用標(biāo)準(zhǔn)I/O實(shí)現(xiàn)的I/O限定，此時(shí)應(yīng)考慮供銷廠商是否提供特殊的有助于最大限度減小控制作用的模塊。3.2.5智能式I/O大型PLC的生產(chǎn)廠家相繼推出了解決典型工藝過程的智能式I/O模塊，它們本身帶有處理器，能夠提高PLC的處理速度并節(jié)省存儲(chǔ)器的容量。3.3存儲(chǔ)器類型及容量選擇適用存儲(chǔ)器時(shí)可根據(jù)程序及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需要來選用合適的機(jī)型，必要時(shí)也可專門進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)充設(shè)計(jì)。PLC的存儲(chǔ)器容量計(jì)算的方法有兩種：（1）根據(jù)編程使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)精確計(jì)算存儲(chǔ)器的實(shí)際使用容量;(2)用戶根據(jù)控制規(guī)模和應(yīng)用目的來估算，總存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)=(開關(guān)量輸入點(diǎn)+開關(guān)量輸出點(diǎn))*10+模擬量點(diǎn)數(shù)*150，然后按計(jì)算存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)的25%考慮裕量。為了使用方便，一般應(yīng)留有25%-30%的裕量。3.4編程器和電源模塊選擇小型控制系統(tǒng)一般選用價(jià)格便宜的簡(jiǎn)易編程器，如果系統(tǒng)較大或多臺(tái)PLC共用，可以選用功能強(qiáng)，編程方便的圖形編輯器。個(gè)人計(jì)算機(jī)，可以選用能再個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件包。對(duì)于模塊式的PLC，電源模塊和額定電流必須大于或等于主機(jī)、I/O模塊、專用模塊等總的消耗電流之和。3.5程序設(shè)計(jì)和總裝統(tǒng)調(diào)程序設(shè)計(jì)是安排流程、說明各信息流之間關(guān)系、具體安排I/O配置并對(duì)I/O進(jìn)行抵制編號(hào)，畫出PLC端子和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)聯(lián)絡(luò)圖標(biāo)等的過程。用戶編寫的程序在總裝統(tǒng)調(diào)前需要進(jìn)行模擬調(diào)試。四、PLC 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法編制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。4.1 圖解法編程圖解法是靠畫圖進(jìn)行PLC 程序設(shè)計(jì)。常見的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。4.1.1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(duì)于熟悉繼電器控制的人來說，是最方便的一種編程方法。4.1.2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(huì)使整個(gè)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。4.1.3時(shí)序流程圖法：時(shí)序流程圖法是首先畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應(yīng)該進(jìn)行哪一項(xiàng)控制的控制時(shí)序圖），再根據(jù)時(shí)序關(guān)系畫出對(duì)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(shí)序流程圖法很適合于以時(shí)間為基準(zhǔn)的控制系統(tǒng)的編程方法。4.1.4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(jì)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(gè)功能比較簡(jiǎn)單的程序段，一個(gè)程序段可以看成整個(gè)控制過程中的一步。從整個(gè)角度去看，一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的控制過程是由這樣若干個(gè)步組成的。系統(tǒng)控制的任務(wù)實(shí)際上可以認(rèn)為在不同時(shí)刻或者在不同進(jìn)程中去完成對(duì)各個(gè)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(gè)步進(jìn)的狀態(tài)流程圖之后，可以利用步進(jìn)順控指令方便地編寫控制程序。4.2經(jīng)驗(yàn)法編程經(jīng)驗(yàn)法是運(yùn)用自己的或別人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。多數(shù)是設(shè)計(jì)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(yàn)程序”。結(jié)合自己工程的情況，對(duì)這些“試驗(yàn)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(yàn)，有的是來自自己的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，有的可能是別人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就需要日積月累，善于總結(jié)。4.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是通過PLC 編程軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)算機(jī)上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成EXE 運(yùn)行文件。五、結(jié)束語本文探討的PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)過程中具有指導(dǎo)意義。實(shí)際的設(shè)計(jì)方法并不是固定不變，而是多種多樣的，要靠廣大設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)工作中去總結(jié)。參考文獻(xiàn)1李長久.PLC 原理及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20062丁慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì).M.北京：清華大學(xué)出版社.20043李道霖.電氣控制與PLC原理及應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社.20044袁任光.可編程序控制器基礎(chǔ)及應(yīng)用M.重慶：重慶大學(xué)出版社.19925王衛(wèi)兵等 可編程序控制器原理及應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.19976 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