PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1、PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計設(shè)計以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)計步驟1、分析被控對象、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)計電氣線路7、設(shè)計控制程序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）分析被控對象并提出控制要求詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合， 提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計

2、任務(wù)書。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 PLCPLC 選擇包括對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。

3、至吐匕為止系統(tǒng) 的硬件電氣線路已經(jīng)確定。5）程序設(shè)計程序設(shè)計： 1）控制程序； 2）初始化程序； 3）檢測、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)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩 種形式。6）硬件實施設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖； 根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查。由于程序設(shè)計與硬件實施可同時進(jìn)行，因此 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計周期可大大縮短。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、再接上實際負(fù)載等逐步

4、進(jìn)行調(diào)試。如不符合 要求，則對硬件和程序作調(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)過一段時間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修 改，應(yīng)將程序固化到EPRO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。、可編程控制器的選擇隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的 PLC其結(jié)構(gòu)形式、 性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對于提高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

5、模塊、電源模塊、特殊功能模塊、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，力爭最 佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點(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I /O式以及多臺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

6、1）總指令數(shù)2）指令種類3）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 ）輸入信號的類型及電壓等級 有直流輸入、交流輸入和交流直流輸入三種類型。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信 號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，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有：直流 5V、12V、24V、48V、60V等；交流110 V、220V等。選擇時主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5V、12V、24V用于傳輸距離較近場合，如5V輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過1 0米。距離較遠(yuǎn)

7、的應(yīng)選用輸入電壓等級較高的。2）輸入接線方式 主要有匯點(diǎn)式和分組式 兩種接線方式3）注意同時接通的輸入點(diǎn)數(shù)量對于選用高密度的輸入模塊 （如 30點(diǎn)、 40點(diǎn)等），應(yīng)考慮該模塊同時接通 的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(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：價格便宜，可以驅(qū)動交、直流負(fù)載，適用的電壓大小范圍較 寬、導(dǎo)通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，但動作速度較慢（驅(qū)動感性負(fù) 載時，觸點(diǎn)動作頻率不超過1HQ、壽命較短

8、、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場 合。對于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸 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)動能力應(yīng)根據(jù)實際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸 出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無法直接驅(qū)動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。4、注意同時接通的輸出點(diǎn)數(shù)量 同時接通輸出設(shè)備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值。 一般來講，同時接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的605、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)

9、，特別是輸出的最大電流。晶閘管的最大輸出 電流隨環(huán)境溫度升高會降低，在實際使用中也應(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)場由傳感器檢測而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉(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)實際 需要選用，同時還應(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，可用來直接接收低電平信 號（如RTD熱電偶等信號）。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

10、，有的還推出了自帶 CPU的智能型I/O模塊，如高速計數(shù)器、凸輪模擬器、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于模塊式結(jié)構(gòu)的 PLC而言，對于整體式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EPRO寫入器，通過它將用戶程序固化在 EPRO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 I / O點(diǎn)數(shù)的選擇（1）在滿足控制要求的前提下力爭使用的

11、I /O點(diǎn)最少。（2）需要加上 1015的裕量。存儲容量的選擇存儲容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，還與功能實現(xiàn)的方法、程序編寫水平 有關(guān)。一個有經(jīng)驗的程序員和一個初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時，其程序量可能相差 25之多。在I /O點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲容量后，再加20%30%的裕量。存儲容量（字節(jié)）=開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)X 10 +模擬量I/O通道數(shù)X 100 存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。5、其他的選擇（1）性價比（2）系列產(chǎn)品（3）售后服務(wù)5.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案1、系統(tǒng)設(shè)計的總體方案控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計、機(jī)型的性能指標(biāo)和各種功能模塊的選擇對于控制系統(tǒng)的設(shè)計是非常

12、重要的問題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：自動、半自動、單步、手動方式。3）系統(tǒng)的停止方式正常停止、暫時停止、緊急停止三種。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計依據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計必須根據(jù)控制對象的要求決定， 包括控制對象的工藝要求、 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系統(tǒng)硬件組成，包括：系統(tǒng)構(gòu)成級別、系統(tǒng)聯(lián) 網(wǎng)情況、網(wǎng)上PLC站數(shù)、每個PLC站上CPU單元和擴(kuò)展單元構(gòu)成情況、每個 PLC中各模 塊構(gòu)成情況。2）模塊統(tǒng)計表便于了解整個系統(tǒng)硬件設(shè)備狀況和硬件設(shè)備投

13、資計算，包括：模塊名稱、模塊 類型、模塊訂貨號、所需模塊個數(shù)等。3）I/O 地址分配表4）I/O 硬件接線圖5.3 PLC輸入/輸出電路設(shè)計1、輸入電路的設(shè)計1 ）根據(jù)輸入信號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 在實際應(yīng)用中常碰到這樣兩個問題：（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完成2）由于矩陣輸入的輸入

14、信號為一系列斷續(xù)的脈沖信號。3）應(yīng)保證輸入信號的寬度要大于 Y0、Y1、 Y2 輪流導(dǎo)通一遍的時間 組合輸入對于不會同時接通的輸入信號，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。如果是幾個常閉觸點(diǎn)，則串聯(lián) 輸入；如果是幾個常開觸點(diǎn)，則并聯(lián)輸入。某些輸入設(shè)備可不進(jìn) PLC 有些輸入信號功能簡單、 涉及面很窄，有時就沒有必要 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

15、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)載不會同時工作，可通過外部轉(zhuǎn)換開關(guān)或通過受PLC控制的電器觸點(diǎn)進(jìn)行切換，所以PLC的每個輸出點(diǎn)可以控制兩個不同時工作的負(fù)載。矩陣輸出 注意：采用矩陣輸出時，必須要將同一時間段接通的負(fù)載安排在同一行或同一列 中，否則無法控制。并聯(lián)輸出注意PLC輸出點(diǎn)同時驅(qū)動多個負(fù)載時，應(yīng)考慮PLC輸出點(diǎn)的驅(qū)動能力是否足夠。 輸出設(shè)備多功能化利用PLC的邏輯處理功能，一個輸出設(shè)備可實現(xiàn)多種用途。 某些輸出設(shè)備可不進(jìn) PLC系統(tǒng)中某些相對獨(dú)立、比較簡單的控制部分，可直接采用PLC外部硬件電路實現(xiàn)控制。注意的

16、問題以上一些常用的減少 I/0 點(diǎn)數(shù)的措施，僅供參考，實際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)具體情 況，靈活使用。同時應(yīng)該注意不要過份去減少 PLC的I/O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)計一、系統(tǒng)供電設(shè)計系統(tǒng)供電設(shè)計是指PLC所需電源系統(tǒng)的設(shè)計，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。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、頻率波動直接影響到實時控制系統(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)展單元的電源等問題。3、供電系統(tǒng)的設(shè)計典型的動力部分、PLC供電及I/O的電源要分別供電。二、接地設(shè)計1、接地的要求（1）接地