由內至外，4招教你設計一個(gè)完整的PLC應用系統

一、項目分析

1．項目分析

工程技術(shù)人員首先要對工程項目進(jìn)行分析，即項目工程的控制流程和每個(gè)流程的控制類(lèi)型，并對整個(gè)項目可能出現問(wèn)題做出預判。

（1）分析控制流程。分析控制流程時(shí)，建議繪制相關(guān)的控制流程圖，清晰的標注每一步工作的內容和到下一步的條件。

（2）分析控制類(lèi)型和預估PLC選型所需參數。一般PLC適用于四種控制類(lèi)型，即順序控制，過(guò)程控制，運動(dòng)（或位置）控制和網(wǎng)絡(luò )通信等。工程技術(shù)人員在分析控制要求后，根據繪制的控制流程圖，將每個(gè)控制流程的控制類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，再根據項目的復雜程度將組合出控制類(lèi)型，因此前期準確地分析每一步的控制類(lèi)型，將有助于選型的準確和問(wèn)題的預估。

在分析項目控制類(lèi)型的同時(shí)，工程技術(shù)人員還要預估PLC選型所需要的重要參數值。如順序控制中的I/O點(diǎn)數；若使用編碼器，要根據編碼器的參數計算其輸出脈沖的頻率值，進(jìn)而換算成PLC高速計數的脈沖頻率。再如，過(guò)程控制中模擬量數和模擬量精度、運動(dòng)控制中PLC對于伺服驅動(dòng)器反饋信號的響應速度和PLC高速脈沖輸出的數量，以及在網(wǎng)絡(luò )通信時(shí)，所選PLC是否支持相應的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型等參數。

2．預估可能出現的問(wèn)題

對于可能出現問(wèn)題的預估是工程分析中較難的環(huán)節。這不僅需要工程技術(shù)人員對現場(chǎng)的工作環(huán)境和整個(gè)項目控制難點(diǎn)能夠較好地把握，還要對可能出現的突發(fā)情況和危險具有前期預判。

（1）設備工作環(huán)境的把握。工程人員需要對生產(chǎn)環(huán)境有較全面的認識。如紡織機械所處工作環(huán)境的空氣濕度高、振動(dòng)較大，所以設計PLC系統時(shí)要做好防震處理。又如建材加工廠(chǎng)的環(huán)境溫度比較高，并且有很大的粉塵和較強的靜電，因此工程技術(shù)人員要在保證電氣控制柜通風(fēng)良好的前提下，進(jìn)一步做好防塵和除靜電處理。

設備工作環(huán)境的把握不僅僅局限于物理的環(huán)境，隨著(zhù)PLC應用的深入，更需考慮人員因素。如設備操作人員的素質(zhì)較低時(shí)，需要開(kāi)發(fā)較為簡(jiǎn)練的設備操作界面。

（2）項目難點(diǎn)的預期。項目難點(diǎn)的預期其實(shí)就是對項目核心問(wèn)題的把握。如噴氣織機設備的控制核心就是如何快速有序地控制電磁閥，利用壓縮空氣的摩擦力來(lái)牽引緯紗穿過(guò)紡織梭，完成紡織的引緯工作，這需要PLC具有非?？斓捻憫俣?。在確定項目難點(diǎn)后，工程技術(shù)人員可以根據難點(diǎn)來(lái)對PLC進(jìn)行選型。從整個(gè)項目的角度出發(fā)，項目的難點(diǎn)就是系統設計的特點(diǎn)，也是PLC選型的方向。

（3）項目危險的前期預估。在項目設計前期，工程技術(shù)人員需對本項目可能出現的危險情況進(jìn)行預判。如順序控制或運動(dòng)控制中調試設備時(shí)對于誤動(dòng)作的防護；在過(guò)程控制中，測試時(shí)是否有高壓，高溫或者有毒有害物質(zhì)以及相關(guān)的防護措施。在項目設計前期對危險進(jìn)行預估有助于加強工程技術(shù)人員的安全意識。

二、PLC硬件選型

PLC的選型是工程技術(shù)人員根據前期項目分析和項目難點(diǎn)的預期來(lái)選擇合適PLC，主要依據以下原則。

1．先特殊后一般原則

根據工程經(jīng)驗，大多數工程項目中制約PLC選型的因素主要集中在幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)上，所以應遵循先特殊后一般的原則選擇PLC。

所謂特殊即項目有哪些特殊的控制要求，不同控制類(lèi)型有著(zhù)不同的首要制約因素。如順序控制中，CPU的程序容量和I/O點(diǎn)的擴展能力為PLC選型的主要因素。過(guò)程控制中，則以控制模擬量的數量和模擬量的精度作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行選型。在較為簡(jiǎn)單的運動(dòng)控制中，PLC需要接收來(lái)自現場(chǎng)編碼器送回的位置信號并相應地發(fā)出一定頻率的脈沖來(lái)控制伺服電機，因此PLC處理數據的速度、輸入端接收高速脈沖的能力和輸出端高速脈沖的發(fā)送能力將成為PLC選型的首要因素。而在大型復合項目中，需使用不同的PLC組網(wǎng)，因此PLC支持的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型則成為PLC選型的首要因素。

工程技術(shù)人員需按照本項目的核心需求，將不同的控制要求按照從特殊到一般的順序進(jìn)行排列，如此選型將事半功倍，更可降低工程的整體難度。

2．由下至上原則

由下至上原則的目的是將PLC選型的性?xún)r(jià)比最大化。目前多數廠(chǎng)家的PLC產(chǎn)品分成多個(gè)系列。當工程技術(shù)人員選型時(shí)，按照第一步從特殊到一般的選型順序，從最低款PLC開(kāi)始，逐一對照性能參數。當發(fā)現不滿(mǎn)足要求時(shí)，考慮較高一款產(chǎn)品。以此類(lèi)推，直至選取全部滿(mǎn)足要求的PLC型號。如若由上至下選型，則會(huì )使PLC功能浪費，造成大馬拉小車(chē)。

3．PLC開(kāi)關(guān)量輸入/輸出單元的選擇

PLC的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)是用來(lái)接受現場(chǎng)傳感器所輸入的電平信號，開(kāi)關(guān)時(shí)輸出點(diǎn)的作用根據內部的控制信號來(lái)驅動(dòng)外部負載。

（1）開(kāi)關(guān)量輸入端子的選擇?，F在市面上PLC輸入點(diǎn)均為晶體管輸入，使用者只需要根據前期預估的輸入點(diǎn)數量選擇即可。但是這里需要注意，因PLC端接線(xiàn)類(lèi)型不同，分別有NPN和PNP兩種輸入方式，其意義是輸入端是以低電平有效還是以高電平有效，一旦確定輸入端的接線(xiàn)類(lèi)型，則需選用相同類(lèi)型輸入的傳感器，即NPN和PNP型的傳感器不能共用一個(gè)PLC的輸入端子。

現在市面上PLC輸入端子多為直流24V的輸入電壓，如果需要其將他電壓規格的傳感器接入到PLC，需用繼電器做相應的隔離，保證接入PLC輸入端的信號為直流24V電壓。

（2）開(kāi)關(guān)量輸出端子的選擇。PLC開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)的類(lèi)型主要為繼電器型輸出和晶體管輸出兩種。

1）繼電器輸出型。繼電器輸出負載能力好，能夠短時(shí)間承受較高過(guò)電壓和過(guò)電流，有較強的隔離作用。但是由于繼電器內部為機械觸點(diǎn)，動(dòng)作壽命有限，所以只能用于連接動(dòng)作頻率較低且不需要高速脈沖輸出的場(chǎng)合。

2）晶體管輸出型。晶體管型輸出是以通過(guò)控制其內部三極管的導通為手段，來(lái)達到控制輸出端子通斷目的，并且其內部并沒(méi)有機械觸點(diǎn)結構，所以相比于繼電器輸出觸點(diǎn)，晶體管輸出觸點(diǎn)壽命長(cháng)，動(dòng)作頻率高，不易損壞，缺點(diǎn)為負載能力較差。

3）開(kāi)關(guān)量輸出端子選型的注意事項

① 類(lèi)似于輸入端，晶體管輸出端子也分為NPN型和PNP型兩種。一旦型號確定則只能按照同種接線(xiàn)方式連接負載。

② 在實(shí)際應用中，建議工程技術(shù)人員多選用晶體管輸出型PLC，并在輸出端使用繼電器連接外部負載，形成對于下游負載設備的電氣隔離，這樣的組合綜合了晶體管壽命長(cháng)和繼電器負載能力強的優(yōu)點(diǎn)。如果現場(chǎng)出現電氣故障，PLC輸出端子將會(huì )因受到隔離繼電器保護而免受損壞，只需要更換損壞的繼電器即可。而一旦繼電器輸出型PLC端子損壞，將無(wú)法修復損壞端子。

4．先內置后擴展原則

隨著(zhù)PLC的不斷更新?lián)Q代，特別是小型機功能的不斷增強，PLC單機已內置了許多擴展模塊的功能，如模擬量功能，通信功能等。因此，選型時(shí)盡可能選用內置功能多的PLC，既降低了成本，又節省控制柜空間，更可以簡(jiǎn)化設置和編程工作量。

5．PLC選型冗余量的把握

由于前期預估、現場(chǎng)施工改動(dòng)和后期維護升級的需要，PLC選型需考慮一定的冗余量。主要考慮I/O點(diǎn)的數量，較小的工程控制在20%的冗余范圍；較大的工程控制在5%～10%。其它如模擬量，通信和總線(xiàn)功能的冗余問(wèn)題，需工程技術(shù)人員根據現場(chǎng)硬件配置靈活把握，如果控制功能均為PLC內置的，則需更換高一級單機PLC；若控制功能是通過(guò)擴展模塊實(shí)現的，則考慮冗余時(shí)僅需更新相應模塊即可。

三、PLC編程要點(diǎn)

（1）根據控制流程圖分配程序段

根據前期控制流程圖將控制程序分解成不同的程序段，這樣可以使程序整體結構清晰，便于后期調試程序。如果項目較復雜，將程序分段后便于分配給若干名編程人員同時(shí)編程和調試，從整體上提高了編程效率。

（2）編制I/O表和內存表

編制I/O表是給每個(gè)輸入/輸出點(diǎn)分配地址并做注釋?zhuān)苊饩幊虝r(shí)出現I/O點(diǎn)混亂的問(wèn)題。編制內存表是分配PLC內存地址給程序的中間變量并做注釋?zhuān)阌诰幊虝r(shí)引用。

（3）簡(jiǎn)化編程

編程員在熟悉PLC指令系統的基礎上，熟練使用高級指令編程，可以極大地減少編程工作量，節省PLC存儲器空間，有助于更好地發(fā)揮PLC功能。

（4）注釋清晰

為了方便后期調試程序，編程時(shí)需將每個(gè)相關(guān)點(diǎn)的注釋清晰地標注在程序中，包括使用的特殊指令目的等。程序可讀性好，為后期項目維護和升級打下基礎。

四、PLC程序調試方法

PLC應用程序的調試工作可以分為模擬調試和聯(lián)機調試兩個(gè)步驟。

1．模擬調試

模擬調試是指根據開(kāi)關(guān)量I/O單元上各位對應的發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)而不帶輸出設備進(jìn)行的調試。

設計好控制程序后，一般先作模擬調試。有的PLC廠(chǎng)家提供了在計算機上運行、可用來(lái)替代PLC硬件來(lái)調試程序的仿真軟件，例如歐姆龍公司與CX-Programmer編程軟件配套的CX-Simulator仿真軟件等。在仿真時(shí)按照系統功能的要求，將某些輸入元件位強制為ON或OFF，或改寫(xiě)某些元件中的數據，監視系統的功能是否能正確實(shí)現。

如果連接上PLC硬件來(lái)調試程序時(shí)，可以使用接在輸入端子上的小開(kāi)關(guān)和按鈕來(lái)模擬PLC實(shí)際的輸入信號，例如用它們發(fā)出操作指令，或者用它們模擬實(shí)際的反饋信號，如行程開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開(kāi)等。通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸出單元上各輸出點(diǎn)對應的發(fā)光二極管，觀(guān)察輸出信號是否滿(mǎn)足設計的要求。

調試順序控制程序的主要任務(wù)是檢查程序的運行是否符合順控圖的規定，即在某一轉換實(shí)現時(shí)，是否發(fā)生活動(dòng)步狀態(tài)的正確變化，該轉換所有的前級步是否變?yōu)椴换顒?dòng)步，所有的后續步是否變?yōu)榛顒?dòng)步，以及各步被驅動(dòng)的負載是否發(fā)生相應的變化。在調試時(shí)應充分考慮各種可能的情況，對系統各種不同的工作方式、順控圖中的每一條支路、各種可能的進(jìn)展路線(xiàn)，都應逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現問(wèn)題后及時(shí)修改程序，直到在各種可能的情況下輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系完全符合要求。如果程序中某些定時(shí)器或計數器的設定值過(guò)大，為了縮短調試時(shí)間，可以在調試時(shí)將它們減小，模擬調試結束后再寫(xiě)入它們的實(shí)際設定值。

總之，模擬調試是整個(gè)程序設計工作中一項很重要的內容，它可以初步檢查程序的實(shí)際效果。模擬調試和程序編寫(xiě)是密不可分的，程序的許多功能是在調試中不斷修改和逐步完善的。模擬調試既可以在實(shí)驗室內進(jìn)行，也可以在現場(chǎng)實(shí)施。如果是在現場(chǎng)進(jìn)行模擬調試，那就應將PLC系統與現場(chǎng)信號隔離，切斷I/O單元的外部電源，以免引起不必要的損失。

2．聯(lián)機調試

聯(lián)機調試是指將PLC安裝到控制柜中，并連接輸入元件和輸出負載，運行控制程序進(jìn)行整體調試的過(guò)程。

在對程序進(jìn)行模擬調試的同時(shí)，可以設計、制作控制柜，PLC之外其他硬件的安裝、接線(xiàn)工作也可以同時(shí)進(jìn)行。完成控制柜內部接線(xiàn)后，應測試接線(xiàn)?？梢栽诳刂乒竦慕泳€(xiàn)端子上模擬PLC外部的開(kāi)關(guān)量輸入信號，或操作控制柜面板上的按鈕和指令開(kāi)關(guān)，觀(guān)察對應PLC輸入點(diǎn)的狀態(tài)變化是否正確。用編程器或編程軟件將PLC的輸出點(diǎn)強制置位或復位，觀(guān)察對應PLC的負載（如外部的繼電器、接觸器等）動(dòng)作是否正常，或對應控制柜接線(xiàn)端子上輸出信號的狀態(tài)變化是否正確。

對于有模擬量輸入的系統，可以給變送器提供標準的輸入信號，通過(guò)調節單元上的電位器或程序中的參數，使模擬量輸入信號和轉換后的數字量之間的關(guān)系滿(mǎn)足要求。

在現場(chǎng)安裝好控制柜并完成柜內接線(xiàn)測試后，將外部的輸入元件和執行機構接入PLC，將PLC置于運行模式，運行控制程序，檢查控制系統是否能滿(mǎn)足要求。

在調試過(guò)程中將暴露出PLC系統可能存在的硬件問(wèn)題及梯形圖設計中的問(wèn)題，發(fā)現問(wèn)題后在現場(chǎng)加以解決，直到完全符合要求。全部調試完成后，還要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運行，以檢驗系統的可靠性。