1.6 PLC控制系统设计基本原则与步骤

1.6.1 PLC控制系统设计的应用环境

由于PLC是一种计算机化的高科技产品，相对继电器来说价格较高，因此在进行PLC控制系统设计之前，就要考虑是否有必要使用PLC。

通常在以下情况可以考虑使用PLC：

1）控制系统的数字量I/O点数较多，控制要求复杂，若使用继电器控制，则需要大量的中间继电器、时间继电器等器件。

2）对控制系统的可靠性要求较高，继电器控制系统难以满足控制要求。

3）由于生产工艺流程或产品的变化，需要经常改变控制系统的控制关系或控制参数。

4）可以用一台PLC控制多个生产设备。

1.6.2 PLC控制系统设计的基本原则

在实际生产过程中，任何一种控制都是以满足生产工艺的控制要求，提高生产质量和效率为目的的，因此在PLC控制系统的设计时，应遵循以下基本原则：

1）最大限度地满足生产工艺的控制要求。充分发挥PLC强大的控制功能，最大限度地满足生产工艺的控制要求，是PLC控制系统设计的首要前提。这就需要设计人员深入现场进行调查研究，收集资料，同时要注意与操作员和工程管理人员密切的配合，共同讨论，解决设计中出现的问题。

2）确保控制系统的工作安全可靠。确保控制系统的工作安全可靠，是设计的重要原则。这就要求设计者在设计时，应全面地考虑控制系统硬件和软件。

3）力求使系统简单、经济、使用和维修方便。在满足生产工艺的控制要求前提下，要注意降低工程成本，提高工程效益，符合用户的操作习惯和方便维修。

4）应考虑生产的发展和改进，在设计时应适当留有裕量。

1.6.3 PLC控制系统设计的一般步骤

PLC控制系统设计的流程图，如图1-45所示。

1.深入了解被控系统的工艺过程和控制要求

深入了解被控系统的工艺过程和控制要求是系统设计的关键，这一步的好坏，直接影响着系统设计和施工的质量。首先应该详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的关系，提出被控对象对PLC控制系统的要求。具体控制要求包括：

1）控制的基本方式：行程控制、时间控制、速度控制、电流和电压控制等。

2）需要完成的动作：动作及其顺序、动作条件。

3）操作方式：手动（点动、回原点）、自动（单步、单周、自动运行），以及必要的保护、报警、连锁和互锁等。

4）确定软硬件分工：根据控制工艺的复杂程度，确定软硬件分工，可从技术方案、经济型、可靠性等方面做好软硬件的分工。

2.确定控制方案，拟定设计任务书

在分析完被控对象的控制要求基础上，可以确定控制方案。通常有以下几种方案供参考：

1）单控制器系统：单控制系统是指采用一台PLC作为控制器控制一台被控设备或多台被控设备的控制系统，如图1-46所示。

2）多控制器系统：多控制器系统即分布式控制系统，该系统中每个控制对象都是由一台PLC作为控制器来控制的，各台PLC之间可以通过信号传递进行内部连锁，或由上位机通过总线进行通信控制，如图1-47所示。

3）远程I/O控制系统：远程I/O系统是I/O模块不与控制器放在一起而是远距离放在被控设备附近，如图1-48所示。

3.PLC硬件选型

PLC硬件选型的基本原则是，在功能满足的条件下，保证系统安全可靠运行，尽量兼顾价格。具体应考虑以下几个方面：

（1）PLC的硬件功能

对于开关量控制系统，主要考虑PLC的最大I/O点数是否满足要求；如有特殊要求（如通信控制、模拟量控制等），则应考虑是否有相应的特殊功能模块。

此外，还要考虑扩展能力、程序存储器与数据存储器的容量等。

（2）确定输入、输出点数

在确定输入、输出点数前，应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载需要PLC来驱动，还要确定哪些是数字量，哪些是模拟量，哪些是直流量，哪些是交流量，以及电压等级和是否有特殊要求。在确定时，还应考虑今后系统改进和扩充的需求，留有一定的裕量。

（3）PLC供电电源类型、输入和输出模块的类型

PLC供电电源类型一般有两种，分别为交流型和直流型。交流型供电通常为220V，直流型供电通常为24V。

数字量输入模块的输入电压一般为DC24V。直流输入电路的延迟时间较短，可直接与光电开关、接近开关等电子输入设备直接相连。

如有模拟量还需考虑变送器、执行机构的量程与模拟量输入/输出模块的量程是否匹配等。

继电器输出型模块的工作电压范围广，触点导通的电压降小，承受瞬间过电压和瞬间过电流能力强，但触点寿命有限制，动作速度较慢。若系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选择继电器输出型模块。继电器输出型模块可用于交直流负载。

晶体管输出型用于直流负载，其具有可靠性高，执行速度快，寿命长等优点，但过载能力较差。

（4）PLC的结构及安装方式

PLC分为整体式和模块式两种，整体式每点的价格比模块式的要便宜，但模块式的功能扩展灵活，安装方便，特殊模块选择的余地大，一般较复杂的系统选择模块式PLC。

4.硬件设计

PLC控制系统的硬件设计主要包括I/O地址分配、系统主电路和控制电路的设计、PLC输入输出电路的设计、控制柜或操作台电气元件安装布置设计等。

（1）I/O地址分配

输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。通常按系统配置通道与触点号，分配每个输入、输出信号，即进行编号。在编号时要注意，不同型号的PLC，其输入、输出通道范围不同，要根据所选PLC的型号进行确定，切不可“张冠李戴”。

（2）系统主电路和控制电路设计

1）系统主电路设计：主电路通常是指电流较大的电路，如电动机主电路、控制变压器的一次侧输入电路、控制系统的电源输入和控制电路等。

在设计主电路时，主要要考虑以下几个方面：

① 总开关的类型、容量、分段能力和所用的场合等。

② 保护装置的设置。短路保护要设置熔断器或断路器，过载保护要设置热继电器，漏电保护要设置漏电保护器等。

③ 接地。从安全的角度考虑，控制系统应设置保护接地。

2）系统控制电路设计：控制电路通常是指电流较小的电路。控制电路设计一般包括保护电路、安全电路、信号电路和控制电路设计等。

（3）PLC输入、输出电路的设计

设计输入、输出电路通常要考虑以下问题：

1）输入电路可由PLC内部提供DC24V电源，也可外接电源；输出点需根据输出模块类型选择电源。

2）为了防止负载短路损坏PLC，输入、输出电路公共端需加熔断器保护。

3）为了防止接触器相间短路，通常要设置互锁电路。

4）输出电路有感性负载，为了保证输出点的安全和防止干扰，直流电路需在感性负载两端并联续流二极管；交流电路需在感性负载两端并联阻容电路，如图1-49所示。

5）应减少输入输出点数，具体方法可参考本书2.3节。

（4）控制柜或操作台电气元件安装布置设计

其设计目的是用于指导、规范现场生产和施工，并提高可靠性和标准化程度。

5.软件设计

在进行软件设计之前，S7-200 SMART PLC需先对硬件进行组态，看该系统所需的CPU模块、信号板和扩展模块都是哪些，并对应选择相应的型号。硬件组态完后，可以对软件进行设计了。

软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序等，小型数字量控制系统往往只有主程序。

软件设计主要包括以下几步：

1）首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定程序的基本结构。

2）绘制控制流程图或顺序功能图。

3）根据控制流程图或顺序功能图，设计梯形图：简单系统可用经验设计法，复杂系统可用顺序控制设计法。

6.软、硬件调试

调试分为模拟调试和联机调试。

在软件设计完成后一般需进行模拟调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替PLC硬件在计算机上调试程序。若有PLC硬件，可以用小开关和按钮模拟PLC的实际输入信号，在通过输出模块上个输出位对应的指示灯，观察输出信号是否满足设计要求。若需要模拟信号I/O时，可用电位器和万用表配合进行。

硬件模拟调试主要是对控制柜或操作台的接线进行测试，可在操作台的接线端子上模拟PLC外部数字输入信号，或者操作按钮指令开关，观察对应PLC输入点的状态。

在联机调试时，把编制好的程序下载到现场的PLC中。调试时，主电路一定要断电，只对控制电路进行调试。通过现场联机调试，还会发现新的问题或需要对某些控制功能进行改进。

如软硬件调试均没问题，就可以进行整体调试了。

7.编制控制系统的使用说明书

系统交付使用后，应根据调试的最终结果整理出完整的技术文件，单位存档，部分资料提供给用户，以利于系统的维修和改进。

编制的文件主要有：PLC的硬件接线图和其他的电气样图、PLC编程元件表和带有文字说明的梯形图。此外，若使用的是顺序控制法，顺序功能图也需要进行整理。