PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)以PLC為核心的控制系統(tǒng)，要考慮：1、設(shè)備的正常運(yùn)行；2、合理、有效的資金投入；3、在滿足可靠性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，具有一定的先進(jìn)性，能根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化擴(kuò)展部分功能。一、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1、分析被控對(duì)象、明確控制要求2、制定電氣控制方案3、確定輸入/輸出設(shè)備及信號(hào)特點(diǎn)4、選擇可編程控制器5、分配輸入/輸出點(diǎn)地址6、設(shè)計(jì)電氣線路7、設(shè)計(jì)控制程序8、調(diào)試（包括模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試）9、技術(shù)文件整理1）分析被控對(duì)象并提出控制要求 詳細(xì)分析被控對(duì)象的工藝過(guò)程及工作特點(diǎn)，了解被控對(duì)象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對(duì)象對(duì)PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。

2、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（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號(hào)指示燈及其它執(zhí)行器等），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PLC PLC選擇包括對(duì)PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路 分配I/O點(diǎn)：畫出PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。 PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。 由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的

3、硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)：1）控制程序；2）初始化程序；3）檢測(cè)、故障診斷和顯示等程序；4）保護(hù)和連鎖程序。 模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實(shí)施 設(shè)計(jì)控制柜和操作臺(tái)等部分的電器布置圖及安裝接線圖； 設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖； 根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查。 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(guò)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(guò)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，

4、則對(duì)硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。 全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)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(shuō)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(shuō)明書等。二、可編程控制器的選擇隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來(lái)越多。不同型號(hào)的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場(chǎng)合也各有側(cè)重。 因此，合理選用PLC，對(duì)于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。 PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊

5、功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。1可編程控制器的機(jī)型選擇 PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭(zhēng)最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：1）合理的結(jié)構(gòu)型式 PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。2）安裝方式的選擇 安裝方式有集中式、遠(yuǎn)程IO式以及多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。3）相應(yīng)的功能要求4）響應(yīng)速度要求5）系統(tǒng)可靠性的要求 對(duì)可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)6）機(jī)型盡量統(tǒng)一 便于備品備件的采購(gòu)和管理；有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高，外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信。2、指令系統(tǒng)的選擇1）總指令數(shù)2）指令種類3

6、）表達(dá)方式4）編程工具3、I/O模塊的選擇3.1 開關(guān)量輸入模塊的選擇 1）輸入信號(hào)的類型及電壓等級(jí) 有直流輸入、交流輸入和交流直流輸入三種類型。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)和周圍環(huán)境因素等。 直流輸入模塊的延遲時(shí)間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接； 交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境。 開關(guān)量輸入模塊的電壓等級(jí)有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。 選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來(lái)考慮。 一般5、12、24用于傳輸距離較近場(chǎng)合，如5輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過(guò)米。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級(jí)較高的。2）輸入接線方式主要有匯點(diǎn)式

7、和分組式兩種接線方式 3）注意同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量 對(duì)于選用高密度的輸入模塊(如30點(diǎn)、40點(diǎn)等)，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過(guò)輸入點(diǎn)數(shù)的60。 4）輸入門檻電平 門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱PLC說(shuō)明書。3.2 開關(guān)量輸出模塊的選擇1）輸出方式 開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式： 繼電器輸出：價(jià)格便宜，可以驅(qū)動(dòng)交、直流負(fù)載，適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，但動(dòng)作速度較慢（驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)動(dòng)作頻率不超過(guò)1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場(chǎng)合。 對(duì)于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選

8、用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無(wú)觸點(diǎn)元件。但晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，而晶體管輸出只能用于直流負(fù)載。 2）輸出接線方式 開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式3）驅(qū)動(dòng)能力 應(yīng)根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)備的電流大小來(lái)選擇輸出模塊的輸出電流。如果實(shí)際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，可增加中間放大環(huán)節(jié)。 4）注意同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)量 同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過(guò)的電流值。 一般來(lái)講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的60 5）輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān) 與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，特別是輸出的最大電流。晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會(huì)降

9、低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。3.3模擬量I/O模塊的選擇 模擬量輸入（A/D）模塊是將現(xiàn)場(chǎng)由傳感器檢測(cè)而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可接受的數(shù)字量； 模擬量輸出(D/A)模塊是將PLC內(nèi)部的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)輸出。 典型模擬量I/O模塊的量程為-10V+10V、0+10V、420mA等，可根據(jù)實(shí)際需要選用，同時(shí)還應(yīng)考慮其分辨率和轉(zhuǎn)換精度等因素。 一些PLC制造廠家還提供特殊模擬量輸入模塊，可用來(lái)直接接收低電平信號(hào)（如RTD、熱電偶等信號(hào)）。3.4 特殊功能模塊的選擇 PLC廠家相繼推出了一些具有特殊功能的I/O模塊，有的還推出了自帶CPU的智能型I/O模塊，如高速計(jì)數(shù)器、凸輪模擬器

10、、位置控制模塊、PID控制模塊、通信模塊等。3.5 電源模塊及其它外設(shè)的選擇 1）電源模塊的選擇 電源模塊選擇僅對(duì)于模塊式結(jié)構(gòu)的PLC而言，對(duì)于整體式PLC不存在電源的選擇。 電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓。 2）編程器的選擇 3）寫入器的選擇 為了防止由于干擾或鋰電池電壓不足等原因破壞RAM中的用戶程序，可選用EPROM寫入器，通過(guò)它將用戶程序固化在EPROM中。有些PLC或其編程器本身就具有EPROM 寫入的功能。4、PLC容量的選擇4.1 IO點(diǎn)數(shù)的選擇（1）在滿足控制要求的前提下力爭(zhēng)使用的IO點(diǎn)最少。（2）需要加上1015的裕量。存儲(chǔ)容量的選擇 存儲(chǔ)容量大小不僅與

11、PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，還與功能實(shí)現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的程序員和一個(gè)初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時(shí)，其程序量可能相差25之多。 在IO點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲(chǔ)容量后，再加2030的裕量。 存儲(chǔ)容量(字節(jié))開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)10 模擬量I/O通道數(shù)100 存儲(chǔ)容量選擇的同時(shí)，注意對(duì)存儲(chǔ)器的類型的選擇。 5、其他的選擇（1）性價(jià)比（2）系列產(chǎn)品（3）售后服務(wù)5.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、機(jī)型的性能指標(biāo)和各種功能模塊的選擇對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的問(wèn)題1）PLC控制系統(tǒng)的類型 可分為集中控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)。2）系統(tǒng)的運(yùn)行方式 四種：

12、自動(dòng)、半自動(dòng)、單步、手動(dòng)方式。3）系統(tǒng)的停止方式 正常停止、暫時(shí)停止、緊急停止三種。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)依據(jù) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)必須根據(jù)控制對(duì)象的要求決定，包括控制對(duì)象的工藝要求、設(shè)備狀況、控制功能、I/O點(diǎn)數(shù)和種類，以構(gòu)成比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)。3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)文件1）系統(tǒng)硬件配置圖 系統(tǒng)硬件配置圖完整地給出整個(gè)系統(tǒng)硬件組成，包括：系統(tǒng)構(gòu)成級(jí)別、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)情況、網(wǎng)上PLC站數(shù)、每個(gè)PLC站上CPU單元和擴(kuò)展單元構(gòu)成情況、每個(gè)PLC中各模塊構(gòu)成情況。2）模塊統(tǒng)計(jì)表 便于了解整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備狀況和硬件設(shè)備投資計(jì)算，包括：模塊名稱、模塊類型、模塊訂貨號(hào)、所需模塊個(gè)數(shù)等。3）I/O地址分配表4）I/O硬件接線圖5.

13、3 PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì)1、 輸入電路的設(shè)計(jì) 1）根據(jù)輸入信號(hào)類型合理選擇輸入模塊2）輸入元件的接線方式3）減少輸入點(diǎn)的方法 PLC在實(shí)際應(yīng)用中常碰到這樣兩個(gè)問(wèn)題： （1）PLC的I/O點(diǎn)數(shù)不夠，需要擴(kuò)展，然而增加I/O點(diǎn)數(shù)將提高成本； （2）是已選定的PLC可擴(kuò)展的I/O點(diǎn)數(shù)有限，無(wú)法再增加。 在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下，合理使用I/O點(diǎn)數(shù)，盡量減少所需的I/O點(diǎn)數(shù)是很有意義的。減少輸入點(diǎn)數(shù)方法：分組輸入矩陣輸入 1）矩陣輸入方法需要硬件與軟件相配合來(lái)完成2）由于矩陣輸入的輸入信號(hào)為一系列斷續(xù)的脈沖信號(hào)。3）應(yīng)保證輸入信號(hào)的寬度要大于Y0、Y1、Y2輪流導(dǎo)通一遍的時(shí)間組合輸入 對(duì)于不會(huì)同

14、時(shí)接通的輸入信號(hào)，可采用組合編碼的方式輸入。輸入設(shè)備多功能化例如合并輸入 將某些功能相同的開關(guān)量輸入設(shè)備合并輸入。如果是幾個(gè)常閉觸點(diǎn)，則串聯(lián)輸入；如果是幾個(gè)常開觸點(diǎn)，則并聯(lián)輸入。某些輸入設(shè)備可不進(jìn)PLC 有些輸入信號(hào)功能簡(jiǎn)單、 涉及面很窄，有時(shí)就沒(méi)有必要 作為PLC的輸入，將它們放在 外部電路中同樣可以滿足要求。 2輸出電路的設(shè)計(jì)1）根據(jù)負(fù)載類型確定輸出方法2）輸出負(fù)載的接線方式3）選擇輸出電流、電壓輸出模塊的額定輸出電流、電壓必須大于所需求的電流和電壓。4）輸出電路的保護(hù)在輸出負(fù)載回路加裝熔斷器，進(jìn)行短路保護(hù)。5）減少輸出點(diǎn)的方法減少輸出點(diǎn)數(shù)方法分組輸出 當(dāng)兩組輸出設(shè)備或負(fù)載不會(huì)同時(shí)工作，可

15、通過(guò)外部轉(zhuǎn)換開關(guān)或通過(guò)受PLC控制的電器觸點(diǎn)進(jìn)行切換，所以PLC的每個(gè)輸出點(diǎn)可以控制兩個(gè)不同時(shí)工作的負(fù)載。 矩陣輸出 注意：采用矩陣輸出時(shí)，必須要將同一時(shí)間段接通的負(fù)載安排在同一行或同一列中，否則無(wú)法控制。 并聯(lián)輸出 注意PLC輸出點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮PLC輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力是否足夠。輸出設(shè)備多功能化 利用PLC的邏輯處理功能，一個(gè)輸出設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多種用途。某些輸出設(shè)備可不進(jìn)PLC 系統(tǒng)中某些相對(duì)獨(dú)立、比較簡(jiǎn)單的控制部分，可直接采用PLC外部硬件電路實(shí)現(xiàn)控制。 注意的問(wèn)題 以上一些常用的減少I/0點(diǎn)數(shù)的措施，僅供參考，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)具體情況，靈活使用。 同時(shí)應(yīng)該注意不要過(guò)份去減少PLC

16、的I/0點(diǎn)數(shù)，而使外部附加電路變得復(fù)雜，從而影響系統(tǒng)的可靠性。 5.4 系統(tǒng)供電及接地設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)供電設(shè)計(jì) 系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)是指PLC所需電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括供電系統(tǒng)的一般性保護(hù)措施、PLC電源模塊的選擇和典型供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1、供電系統(tǒng)保護(hù)措施 PLC一般使用工頻電，電網(wǎng)的沖擊、頻率波動(dòng)直接影響到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的精度和可靠性，因此，為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能，在PLC供電系統(tǒng)中一般可采取隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、UPS電源、晶體管開關(guān)電源等。2、電源模塊的選擇 PLC的CPU所需工作電源一般是5V直流電源，一般的編程接口和通信模塊需5.2V和24V直流電源，由PLC本身電源模塊供給。因此要考慮電源模塊的輸入電壓、輸出功率、接線、擴(kuò)展單元的電源等問(wèn)題。3、供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 典型的動(dòng)力部分、PLC供電及I/O的電源要分別供電。二、接地設(shè)計(jì)1、接地的要求（1）接地電阻