4招教你設(shè)計一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)

設(shè)計一個完整的PLC應(yīng)用系統(tǒng)一般包括項(xiàng)目分析、PLC硬件選型、程序設(shè)計和調(diào)試等幾個步驟。

一、項(xiàng)目分析

項(xiàng)目分析需要對項(xiàng)目的生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境、硬件需求和控制要求等方面進(jìn)行全面分析。這項(xiàng)工作是整個系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。如果前期項(xiàng)目分析不到位，將會造成后面硬件選型不準(zhǔn)確，導(dǎo)致工程延期。

1.項(xiàng)目分析

工程技術(shù)人員首先要對工程項(xiàng)目進(jìn)行分析，即項(xiàng)目工程的控制流程和每個流程的控制類型，并對整個項(xiàng)目可能出現(xiàn)問題做出預(yù)判。

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

(2)分析控制類型和預(yù)估PLC選型所需參數(shù)。一般PLC適用于四種控制類型，即順序控制，過程控制，運(yùn)動(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(jù)繪制的控制流程圖，將每個控制流程的控制類型進(jìn)行分類，再根據(jù)項(xiàng)目的復(fù)雜程度將組合出控制類型，因此前期準(zhǔn)確地分析每一步的控制類型，將有助于選型的準(zhǔn)確和問題的預(yù)估。

在分析項(xiàng)目控制類型的同時，工程技術(shù)人員還要預(yù)估PLC選型所需要的重要參數(shù)值。如順序控制中的I/O點(diǎn)數(shù);若使用編碼器，要根據(jù)編碼器的參數(shù)計算其輸出脈沖的頻率值，進(jìn)而換算成PLC高速計數(shù)的脈沖頻率。再如，過程控制中模擬量數(shù)和模擬量精度、運(yùn)動控制中PLC對于伺服驅(qū)動器反饋信號的響應(yīng)速度和PLC高速脈沖輸出的數(shù)量，以及在網(wǎng)絡(luò)通信時，所選PLC是否支持相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)類型等參數(shù)。

2.預(yù)估可能出現(xiàn)的問題

對于可能出現(xiàn)問題的預(yù)估是工程分析中較難的環(huán)節(jié)。這不僅需要工程技術(shù)人員對現(xiàn)場的工作環(huán)境和整個項(xiàng)目控制難點(diǎn)能夠較好地把握，還要對可能出現(xiàn)的突發(fā)情況和危險具有前期預(yù)判。

(1)設(shè)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(rèn)識。如紡織機(jī)械所處工作環(huán)境的空氣濕度高、振動較大，所以設(shè)計PLC系統(tǒng)時要做好防震處理。又如建材加工廠的環(huán)境溫度比較高，并且有很大的粉塵和較強(qiáng)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(shè)備工作環(huán)境的把握不僅僅局限于物理的環(huán)境，隨著PLC應(yīng)用的深入，更需考慮人員因素。如設(shè)備操作人員的素質(zhì)較低時，需要開發(fā)較為簡練的設(shè)備操作界面。

(2)項(xiàng)目難點(diǎn)的預(yù)期。項(xiàng)目難點(diǎn)的預(yù)期其實(shí)就是對項(xiàng)目核心問題的把握。如噴氣織機(jī)設(shè)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牽引緯紗穿過紡織梭，完成紡織的引緯工作，這需要PLC具有非?？斓捻憫?yīng)速度。在確定項(xiàng)目難點(diǎn)后，工程技術(shù)人員可以根據(jù)難點(diǎn)來對PLC進(jìn)行選型。從整個項(xiàng)目的角度出發(fā)，項(xiàng)目的難點(diǎn)就是系統(tǒng)設(shè)計的特點(diǎn)，也是PLC選型的方向。

(3)項(xiàng)目危險的前期預(yù)估。在項(xiàng)目設(shè)計前期，工程技術(shù)人員需對本項(xiàng)目可能出現(xiàn)的危險情況進(jìn)行預(yù)判。如順序控制或運(yùn)動控制中調(diào)試設(shè)備時對于誤動作的防護(hù);在過程控制中，測試時是否有高壓，高溫或者有毒有害物質(zhì)以及相關(guān)的防護(hù)措施。在項(xiàng)目設(shè)計前期對危險進(jìn)行預(yù)估有助于加強(qiáng)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(jù)前期項(xiàng)目分析和項(xiàng)目難點(diǎn)的預(yù)期來選擇合適PLC，主要依據(jù)以下原則。

1.先特殊后一般原則

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)工程項(xiàng)目中制約PLC選型的因素主要集中在幾個關(guān)鍵點(diǎn)上，所以應(yīng)遵循先特殊后一般的原則選擇PLC。

所謂特殊即項(xiàng)目有哪些特殊的控制要求，不同控制類型有著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(kuò)展能力為PLC選型的主要因素。過程控制中，則以控制模擬量的數(shù)量和模擬量的精度作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行選型。在較為簡單的運(yùn)動控制中，PLC需要接收來自現(xiàn)場編碼器送回的位置信號并相應(yīng)地發(fā)出一定頻率的脈沖來控制伺服電機(jī)，因此PLC處理數(shù)據(jù)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(fù)合項(xiàng)目中，需使用不同的PLC組網(wǎng)，因此PLC支持的網(wǎng)絡(luò)類型則成為PLC選型的首要因素。

工程技術(shù)人員需按照本項(xiàng)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選型的性價比最大化。目前多數(shù)廠家的PLC產(chǎn)品分成多個系列。當(dāng)工程技術(shù)人員選型時，按照第一步從特殊到一般的選型順序，從最低款PLC開始，逐一對照性能參數(shù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)不滿足要求時，考慮較高一款產(chǎn)品。以此類推，直至選取全部滿足要求的PLC型號。如若由上至下選型，則會使PLC功能浪費(fèi)，造成大馬拉小車。

3.PLC開關(guān)量輸入/輸出單元的選擇

PLC的開關(guān)量輸入點(diǎn)是用來接受現(xiàn)場傳感器所輸入的電平信號，開關(guān)時輸出點(diǎn)的作用根據(jù)內(nèi)部的控制信號來驅(qū)動外部負(fù)載。

(1)開關(guān)量輸入端子的選擇?，F(xiàn)在市面上PLC輸入點(diǎn)均為晶體管輸入，使用者只需要根據(jù)前期預(yù)估的輸入點(diǎn)數(shù)量選擇即可。但是這里需要注意，因PLC端接線類型不同，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類型，則需選用相同類型輸入的傳感器，即NPN和PNP型的傳感器不能共用一個PLC的輸入端子。

現(xiàn)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(guī)格的傳感器接入到PLC，需用繼電器做相應(yīng)的隔離，保證接入PLC輸入端的信號為直流24V電壓。

(2)開關(guān)量輸出端子的選擇。PLC開關(guān)量輸出點(diǎn)的類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(fù)載能力好，能夠短時間承受較高過電壓和過電流，有較強(qiáng)的隔離作用。但是由于繼電器內(nèi)部為機(jī)械觸點(diǎn)，動作壽命有限，所以只能用于連接動作頻率較低且不需要高速脈沖輸出的場合。

2)晶體管輸出型。晶體管型輸出是以通過控制其內(nèi)部三極管的導(dǎo)通為手段，來達(dá)到控制輸出端子通斷目的，并且其內(nèi)部并沒有機(jī)械觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，所以相比于繼電器輸出觸點(diǎn)，晶體管輸出觸點(diǎn)壽命長，動作頻率高，不易損壞，缺點(diǎn)為負(fù)載能力較差。

3)開關(guān)量輸出端子選型的注意事項(xiàng)

① 類似于輸入端，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方式連接負(fù)載。

② 在實(shí)際應(yīng)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(fù)載，形成對于下游負(fù)載設(shè)備的電氣隔離，這樣的組合綜合了晶體管壽命長和繼電器負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。如果現(xiàn)場出現(xiàn)電氣故障，PLC輸出端子將會因受到隔離繼電器保護(hù)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，將無法修復(fù)損壞端子。

4.先內(nèi)置后擴(kuò)展原則

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

5.PLC選型冗余量的把握

由于前期預(yù)估、現(xiàn)場施工改動和后期維護(hù)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(shù)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，通信和總線功能的冗余問題，需工程技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場硬件配置靈活把握，如果控制功能均為PLC內(nèi)置的，則需更換高一級單機(jī)PLC;若控制功能是通過擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)的，則考慮冗余時僅需更新相應(yīng)模塊即可。

三、PLC編程要點(diǎn)

(1)根據(jù)控制流程圖分配程序段

根據(jù)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(jié)構(gòu)清晰，便于后期調(diào)試程序。如果項(xiàng)目較復(fù)雜，將程序分段后便于分配給若干名編程人員同時編程和調(diào)試，從整體上提高了編程效率。

(2)編制I/O表和內(nèi)存表

編制I/O表是給每個輸入/輸出點(diǎn)分配地址并做注釋，避免編程時出現(xiàn)I/O點(diǎn)混亂的問題。編制內(nèi)存表是分配PLC內(nèi)存地址給程序的中間變量并做注釋，便于編程時引用。

(3)簡化編程

編程員在熟悉PLC指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，熟練使用高級指令編程，可以極大地減少編程工作量，節(jié)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(diào)試程序，編程時需將每個相關(guān)點(diǎn)的注釋清晰地標(biāo)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(xiàng)目維護(hù)和升級打下基礎(chǔ)。

四、PLC程序調(diào)試方法

PLC應(yīng)用程序的調(diào)試工作可以分為模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試兩個步驟。

1.模擬調(diào)試

模擬調(diào)試是指根據(jù)開關(guān)量I/O單元上各位對應(yīng)的發(fā)光二極管的顯示狀態(tài)而不帶輸出設(shè)備進(jìn)行的調(diào)試。

設(shè)計好控制程序后，一般先作模擬調(diào)試。有的PLC廠家提供了在計算機(jī)上運(yùn)行、可用來替代PLC硬件來調(diào)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。在仿真時按照系統(tǒng)功能的要求，將某些輸入元件位強(qiáng)制為ON或OFF，或改寫某些元件中的數(shù)據(jù)，監(jiān)視系統(tǒng)的功能是否能正確實(shí)現(xiàn)。

如果連接上PLC硬件來調(diào)試程序時，可以使用接在輸入端子上的小開關(guān)和按鈕來模擬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，如行程開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開等。通過開關(guān)量輸出單元上各輸出點(diǎn)對應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號是否滿足設(shè)計的要求。

調(diào)試順序控制程序的主要任務(wù)是檢查程序的運(yùn)行是否符合順控圖的規(guī)定，即在某一轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)時，是否發(fā)生活動步狀態(tài)的正確變化，該轉(zhuǎn)換所有的前級步是否變?yōu)椴换顒硬剑械暮罄m(xù)步是否變?yōu)榛顒硬剑约案鞑奖或?qū)動的負(fù)載是否發(fā)生相應(yīng)的變化。在調(diào)試時應(yīng)充分考慮各種可能的情況，對系統(tǒng)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，都應(yīng)逐一檢查，不能遺漏。發(fā)現(xiàn)問題后及時修改程序，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器或計數(shù)器的設(shè)定值過大，為了縮短調(diào)試時間，可以在調(diào)試時將它們減小，模擬調(diào)試結(jié)束后再寫入它們的實(shí)際設(shè)定值。

總之，模擬調(diào)試是整個程序設(shè)計工作中一項(xiàng)很重要的內(nèi)容，它可以初步檢查程序的實(shí)際效果。模擬調(diào)試和程序編寫是密不可分的，程序的許多功能是在調(diào)試中不斷修改和逐步完善的。模擬調(diào)試既可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，也可以在現(xiàn)場實(shí)施。如果是在現(xiàn)場進(jìn)行模擬調(diào)試，那就應(yīng)將PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場信號隔離，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(jī)調(diào)試

聯(lián)機(jī)調(diào)試是指將PLC安裝到控制柜中，并連接輸入元件和輸出負(fù)載，運(yùn)行控制程序進(jìn)行整體調(diào)試的過程。

在對程序進(jìn)行模擬調(diào)試的同時，可以設(shè)計、制作控制柜，PLC之外其他硬件的安裝、接線工作也可以同時進(jìn)行。完成控制柜內(nèi)部接線后，應(yīng)測試接線?？梢栽诳刂乒竦慕泳€端子上模擬PLC外部的開關(guān)量輸入信號，或操作控制柜面板上的按鈕和指令開關(guān)，觀察對應(yīng)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(qiáng)制置位或復(fù)位，觀察對應(yīng)PLC的負(fù)載(如外部的繼電器、接觸器等)動作是否正常，或?qū)?yīng)控制柜接線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(tǒng)，可以給變送器提供標(biāo)準(zhǔn)的輸入信號，通過調(diào)節(jié)單元上的電位器或程序中的參數(shù)，使模擬量輸入信號和轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量之間的關(guān)系滿足要求。

在現(xiàn)場安裝好控制柜并完成柜內(nèi)接線測試后，將外部的輸入元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入PLC，將PLC置于運(yùn)行模式，運(yùn)行控制程序，檢查控制系統(tǒng)是否能滿足要求。

在調(diào)試過程中將暴露出PLC系統(tǒng)可能存在的硬件問題及梯形圖設(shè)計中的問題，發(fā)現(xiàn)問題后在現(xiàn)場加以解決，直到完全符合要求。全部調(diào)試完成后，還要經(jīng)過一段時間的試運(yùn)行，以檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。