黑龍江省齊齊哈爾市西門子辦事處---東北Siemens(授權)總代理

在進行PLC控制系統設計，盡管有著不同的被控對象和設計任務，設計內容可能涉及諸多方面，又需要和大量的現場輸入、輸出設備相連接，但是基本內容應包括以下幾個方面：

1、明確設計任務和技術條件

設計任務和技術條件一般以設計任務書的方式給出，在設計任務書中，應明確各項設計要求、約束條件及控制方式。因此，設計任務書是整個系統設計的依據。

2、確定用戶輸入設備和輸出設備

用戶的輸入、輸出設備是構成PLC控制系統中，除了作為控制器的PLC本身以外的硬件設備，是進行機型選擇和軟件設計的依據。因此，要明確輸入設備的類型(如控制按鈕、行程開關、操作開關、檢測元件、保護器件、傳感器等)和數量，輸出設備的類型(如信號燈、接觸器、繼電器等執行元件)和數量，以及由輸出設備驅動的負載(如電動機、電磁閥等)。并進行分類、匯總。

3、選擇PLC的機型

PLC是整個控制系統的核心部件，正確、合理的選擇機型對于保證整個系統的技術經濟性能指標起著重要的作用。

PLC的選型應包括機型的選擇、存儲器容量的選擇、I／O模板的選擇等。

4、分配I／O地址，繪制I／O接線圖

通過對用戶輸入、輸出設備的分析、分類和整理，進行相應的I／O地址分配，并據此繪制I／O接線圖。

至此，基本完成了PLC控制系統的硬件設計。

5、設計控制程序

根據控制任務和所選擇的機型以及I／O接線圖，一般采用梯形圖語言設計系統的控制程序。設計控制程序就是設計應用軟件，這對于保證整個系統安全可靠的運行至關重要，必須經過反復調試，使之滿足控制要求。

6、必要時設計非標準設備

在進行設備選型時，應盡量選用標準設備。如無標準設備可選，還可能需要設計操作臺、控制柜、模擬顯示屏等非標準設備。

7、編制控制系統的技術文件

在設計任務完成后，要編制系統的技術文件。技術文件一般應包括設計說明書、使用說明書、I／O接線圖和控制程序(如梯形圖等)。

在PLC系統設計時，首先應確定控制方案，下一步工作就是PLC工程設計選型。工藝流程的特點和應用要求是設計選型的主要依據。PLC及有關設備應是集成的、標準的，按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用PLC應是在相關工業領域有投運業績、成熟可靠的系統，PLC的系統硬件、軟件配置及功能應與裝置規模和控制要求相適應。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設備特性等，Zui后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。

 1、輸入輸出（I/O）點數的估算

    I/O點數估算時應考慮適當的余量，通常根據統計的輸入輸出點數，再增加10%～20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數估算數據。實際訂貨時，還需根據制造廠商PLC的產品特點，對輸入輸出點數進行圓整。

   2、存儲器容量的估算

存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。

 存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，以此數為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。

    3、控制功能的選擇

該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處理速度等特性的選擇。

    (一)運算功能

簡單PLC的運算功能包括邏輯運算、計時和計數功能；普通PLC的運算功能還包括數據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數運算、數據傳送等；大型PLC中還有模擬量的PID運算和其他gaoji運算功能。隨著開放系統的出現，目前在PLC中都已具有通信功能，有些產品具有與下位機的通信，有些產品具有與同位機或上位機的通信，有些產品還具有與工廠或企業網進行數據通信的功能。設計選型時應從實際應用的要求出發，合理選用所需的運算功能。大多數應用場合，只需要邏輯運算和計時計數功能，有些應用需要數據傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數運算，數值轉換和PID運算等。要顯示數據時需要譯碼和編碼等運算。

    (二)控制功能

 控制功能包括PID控制運算、前饋補償控制運算、比值控制運算等，應根據控制要求確定。PLC主要用于順序邏輯控制，因此，大多數場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高PLC的處理速度和節省存儲器容量。例如采用PID控制單元、高速計數器、帶速度補償的模擬單元、ASC碼轉換單元等。

    (三)通信功能

 大中型PLC系統應支持多種現場總線和標準通信協議（如TCP/IP），需要時應能與工廠管理網（TCP/IP）相連接。通信協議應符合ISO/IEEE通信標準，應是開放的通信網絡。

PLC系統的通信接口應包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工業以太網、常用DCS接口等；大中型PLC通信總線（含接口設備和電纜）應1：1冗余配置，通信總線應符合guojibiaozhun，通信距離應滿足裝置實際要求。

  PLC系統的通信網絡中，上級的網絡通信速率應大于1Mbps，通信負荷不大于60%。PLC系統的通信網絡主要形式有下列幾種形式：1）PC為主站，多臺同型號PLC為從站，組成簡易PLC網絡；2）1臺PLC為主站，其他同型號PLC為從站，構成主從式PLC網絡；3）PLC網絡通過特定網絡接口連接到大型DCS中作為DCS的子網；4）專用PLC網絡（各廠商的專用PLC通信網絡）。

 為減輕CPU通信任務，根據網絡組成的實際需要，應選擇具有不同通信功能的（如點對點、現場總線、工業以太網）通信處理器。

    (四)編程功能

離線編程方式：PLC和編程器公用一個CPU，編程器在編程模式時，CPU只為編程器提供服務，不對現場設備進行控制。完成編程后，編程器切換到運行模式，CPU對現場設備進行控制，不能進行編程。離線編程方式可降低系統成本，但使用和調試不方便。在線編程方式：CPU和編程器有各自的CPU，主機CPU負責現場控制，并在一個掃描周期內與編程器進行數據交換，編程器把在線編制的程序或數據發送到主機，下一掃描周期，主機就根據新收到的程序運行。這種方式成本較高，但系統調試和操作方便，在大中型PLC中常采用。

    五種標準化編程語言：順序功能圖（SFC）、梯形圖（LD）、功能模塊圖（FBD）三種圖形化語言和語句表（IL）、結構文本（ST）兩種文本語言。選用的編程語言應遵守其標準（IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如C，Basic等，以滿足特殊控制場合的控制要求。

    (五)診斷功能

    PLC的診斷功能包括硬件和軟件的診斷。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。通過軟件對PLC內部的性能和功能進行診斷是內診斷，通過軟件對PLC的CPU與外部輸入輸出等部件信息交換功能進行診斷是外診斷。

    PLC的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。

    (六)處理速度

    PLC采用掃描方式工作。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續時間小于掃描時間，則PLC將掃描不到該信號，造成信號數據的丟失。

處理速度與用戶程序的長度、CPU處理速度、軟件質量等有關。目前，PLC接點的響應快、速度高，每條二進制指令執行時間約0.2～0.4Ls，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。掃描周期（處理器掃描周期）應滿足：小型PLC的掃描時間不大于0.5ms/K；大中型PLC的掃描時間不大于0.2ms/K。

4、機型的選擇

    (一)PLC的類型

    PLC按結構分為整體型和模塊型兩類，按應用環境分為現場安裝和控制室安裝兩類；按CPU字長分為1位、4位、8位、16位、32位、64位等。從應用角度出發，通常可按控制功能或輸入輸出點數選型。

    整體型PLC的I/O點數固定，因此用戶選擇的余地較小，用于小型控制系統；模塊型PLC提供多種I/O卡件或插卡，因此用戶可較合理地選擇和配置控制系統的I/O點數，功能擴展方便靈活，一般用于大中型控制系統。

    (二)輸入輸出模塊的選擇

    輸入輸出模塊的選擇應考慮與應用要求的統一。例如對輸入模塊，應考慮信號電平、信號傳輸距離、信號隔離、信號供電方式等應用要求。對輸出模塊，應考慮選用的輸出模塊類型，通常繼電器輸出模塊具有價格低、使用電壓范圍廣、壽命短、響應時間較長等特點；可控硅輸出模塊適用于開關頻繁，電感性低功率因數負荷場合，但價格較貴，過載能力較差。輸出模塊還有直流輸出、交流輸出和模擬量輸出等，與應用要求應一致。

    可根據應用要求，合理選用智能型輸入輸出模塊，以便提高控制水平和降低應用成本。

    考慮是否需要擴展機架或遠程I/O機架等。

    (三)電源的選擇

    PLC的供電電源，除了引進設備時同時引進PLC應根據產品說明書要求設計和選用外，一般PLC的供電電源應設計選用220VAC電源，與國內電網電壓一致。重要的應用場合，應采用不間斷電源或穩壓電源供電。

    如果PLC本身帶有可使用電源時，應核對提供的電流是否滿足應用要求，否則應設計外接供電電源。為防止外部高壓電源因誤操作而引入PLC，對輸入和輸出信號的隔離是必要的，有時也可采用簡單的二極管或熔絲管隔離。

    (四)存儲器的選擇

    由于計算機集成芯片技術的發展，存儲器的價格已下降，因此，為保證應用項目的正常投運，一般要求PLC的存儲器容量，按256個I/O點至少選8K存儲器選擇。需要復雜控制功能時，應選擇容量更大，檔次更高的存儲器。

    (五)冗余功能的選擇

    1．控制單元的冗余

    (1)重要的過程單元：CPU（包括存儲器）及電源均應1B1冗余。

    (2)在需要時也可選用PLC硬件與熱備軟件構成的熱備冗余系統、2重化或3重化冗余容錯系統等。

    2．I/O接口單元的冗余

    (1)控制回路的多點I/O卡應冗余配置。

    (2)重要檢測點的多點I/O卡可冗余配置。3）根據需要對重要的I/O信號，可選用2重化或3重化的I/O接口單元。

    (六)經濟性的考慮

    選擇PLC時，應考慮性能價格比?？紤]經濟性時，應同時考慮應用的可擴展性、可操作性、投入產出比等因素，進行比較和兼顧，Zui終選出較滿意的產品。

簡單的估算公式：

內存字數＝(開關量I／O總點數＋模擬量I／O點數 X 16) X 10

式中：每個模擬量通道(或I／O點)相當16個開關量I／O點。在此基礎上，可考慮留有20～25％的裕量。對于工藝比較復雜的系統，應適當增加存儲器的容量，否則，當控制較復雜、數據處理量大時，可能出現存儲器容量不夠的問題。

PLC編程的應用面廣、功能強大、使用方便，已經成為當代工業自動化的主要裝置之一，在工業生產的所有領域得到了廣泛的使用，在其他領域(例如民用和家庭自動化)的應用也得到了迅速的發展。

國際電工委員會(IEC)在1985年的PLC標準草案第3稿中，對PLC作了如下定義：“是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。”從上述定義可以看出，PLC是一種用程序來改變控制功能的工業控制計算機，除了能完成各種各樣的控制功能外，還有與其他計算機通信聯網的功能。

PLC編程的推廣應用在我國得到了迅猛的發展，它已經大量地應用在各種機械設備和生產過程的電氣控制裝置中，各行各業也涌現出了大批應用PLC改造設備的成果。了解PLC的工作原理，具備設計、調試和維護PLC控制系統的能力，已經成為現代工業對電氣技術人員和工科學生的基本要求