PLC控制系统设计的步骤

    系统设计时应严格按照一定的步骤进行，这样有助于设计工作顺利开展，也可以有效地减少设计过程中出现的失误。总的思路是由大到小、由粗到细、由分到合。必须熟悉被控对象，将系统分块，每一部分的各个方面进行先粗后细的描述，最后编写控制程序。

    可编程序控制器的系统设计，一般应按以下的步骤进行。

    1．熟悉被控对象

    熟悉被控对象，首先全面详尽地了解被控对象的机械工作性能、基本结构特点、生产工艺和生产过程。对于机械设备，应了解它的可动部分，而且掌握各可动部分的动作内容、动作形式和步骤，必要时画出工作循环图或工艺流程图及有关信号的时序图。

    充分了解被控对象后先明确控制任务和设计要求，了解工艺过程和部件运动与电气执行机构之间的关系，掌握设备对电气控制系统的控制要求。例如机械运动部件的传动与驱动，各运动部件之间的关系，液压、电气的控制，传感器、仪表等的连接与驱动等。如果是自动往复工作的机械设备，归纳出电气执行元件的节拍或时序图，这一节拍或时序就是电气控制系统要实现的根本任务。

    2．制定控制方案

    制定控制方案有以下几方面的工作：

   (1)分解被控对象。

    系统设计应树立模块化的思想，对极小规模的被控对象，可以用单模块．采用单机系统设计实现控制任务。对大规模或位置分散的被控对象，应用系统图和框图的方式把被控对象或机械分解成若干相对独立的模块，采用多机联网的控制系统。这种分解决定了各部分的控制权限，并将决定各模块的功能描述和资源的分配。

    掌握各个模块之间的相互联系，可用多机网络来实现这些联系。然后对各模块的控制设计进行分工负责。如果模块规模仍比较大，则可进一步细化，由此可将工业网络分为更多级。

   (2)确定控制系统的工作方式。

    根据设备的生产工艺和对机械各部分的控制要求，确定控制系统的工作方式，如自动、半自动、手动等一种或多种方案。

   (3)安全可靠性设计。

    控制系统的安全性是最首要的方面，在这方面应不惜代价。实际生产中，控制设备在不安全状态下出现故障，会造成机器出现意外的动作，结果将导致意外的人员伤亡和重大财产损失。为保证系统的安全可靠性，应当采用和可编程序控制器独立的机电冗余来避免控制系统的不安全操作。

    设计对人身安全至关重要的安全回路，在很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的规定。例如美国国家电气制造商协会(NEMA)的ICS3-304可编程控制器标准中对确保操作人员人身安全的推荐意见为：应考虑使用独立于可编程控制器的紧急停机功能。在操作人员易受机器影响的地方，例如在装卸机器工具时，或者机器自动转动的地方，应考虑使用一个机电式过载器或其他独立于可编程控制器的冗余工具，用于起动和中止转动，确保系统安全的硬接线逻辑回路，在PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时、PLC失控时和操作人员需要紧急干预时发挥安全保护作用。

    安全可靠性设计的任务包括：

   (1)确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系。

   (2)设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段。

   (3)确定其他与安全和完善运行有关的要求。

   (4)为PLC定义故障形式和重新启动特性

   PLC安全可靠性设计包括软件和硬件两方面。

    硬件设计主要采取硬件互锁电路。为了防止各种原因（如电流过大、接触器故障、接触器主触点故障等）导致两个接触器线圈同时通电而引发的电源短路故障，如图8.1中PLC外部接线图中所示，将接触器KM1和KM2的辅助常闭触点分别串联到对方的线圈电路中。这样两个接触器的线圈电路因辅助常闭触点而相互制约，避免出现两个接触器的主触点同时闭合的情况。

    图8.1    自动往返主电路和PLC外部接线图

    软件设计中如果采取一定的措施使得Q0.0和Q0.1无法同时“通电”，也可以达到避免电源短路的目的，引入安全设计的梯形图如图8.2所示。

    在梯形图中，将Q0.0和Q0.1的常闭触点分别串联到对方的线圈控制电路中，形成了两个控制电路的“互锁”，在软件上保证Q0.0和Q0.1不能同时“得电”。将两个起动按钮的常闭触点串联到对方的线圈控制电路中，形成“按钮联锁”，这样即使两个按钮因为误操作同时按下也不会导致Q0.0和Q0.1同时“得电”。

    图8.2    自动往返控制梯形图

    3．详细描述控制对象

    将被控对象分为多个模块之后，艾特贸易小编详细描述每个模块及模块之间的关系，建立功能规范，主要有以下几方面的内容：

   (1)输入输出点的明细表。

   (2)各点操作的功能描述，如节拍图或时序图等。

   (3)确定线圈、电机和驱动器等每个执行部件执行前所要满足的允许状态。

   (4)操作接口的详细描述。

   (5)与被控对象的其他部分的接口。

    4．详细描述操作员站

    操作员站是操作人员与控制系统的接口，根据上一步对被控对象的功能详细说明，建立完成各功能的操作员站的详细配置，包括以下内容：

   (1)建立每个与被控对象有关的操作员站的位置总图。

   (2)操作员站的控制面板图，包括显示、开关、按钮和指示灯等元件。

   (3)与主机或扩展模块有关的电气图。

    5．配置可编程序控制器

    根据以上步骤所得到的各要求和信息，建立PLC控制设备的配置图。主要包括以下几方面内容：

   (1)建立用以对各模块进行控制的每个PLC主机模块的位置图。

   (2)建立各主机和相应扩展模块的机械布局图，图中也包括控制柜、扩展模板和导轨等其他辅助设备。

   (3)建立每个PLC主机和扩展模块的电气图，内容包括：设备选型、说明通信地址和各输入输出地址。

   (4)建立现场信号与PLC的符号地址和PLC的直接地址的对照表。对照表不只包括物理输入输出信号，也包含程序中用到的其他元件，如通用辅助继电器、定时器、特殊标志继电器等编程元件。

    6．程序设计

    程序设计是系统设计的核心工作，结合艾特贸易小编前几步所收集到的信息选择一种编程方法，选用某种编程语言，编写出用户控制程序。编写控制程序时通常需要注意以下几点：

   (1)必须遵守梯形图语言中的语法规定。

   (2)设计梯形图时以线圈为单位，分别考虑每个线圈的控制触点（或电路），然后画出相应的等效梯形图电路。

   (3)设计输入电路时，注意外部触点和梯形图中触点的对应关系。

   (4)尽量减少PLC的输入信号和输出信号。比如在梯形图中，如果多个线圈都受某一触点串并联电路的控制，在梯形图中可设置用该电路控制的辅助继电器（类似于继电器电路中的中间继电器）。

   (5)注意PLC输出模块的驱动能力能否满足外部负载的要求。

   (6)在梯形图中设置对应的输出继电器线圈串联的常闭触点组成的软件互锁，在PLC外部设置硬件互锁电路，避免发生互相冲突的动作，保证系统工作的可靠性。

   (7)根据系统中可能出现的故障及异常情况，增加相应的保护环节。

    程序设计过程中需要注意的事项远不止于上面列出的内容，在处理实际问题时，需要根据具体情况具体对待，设计出符合系统功能要求的控制程序。

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