PLC控制系统设计规划

  PLC控制技术是一种用于工程实际的应用技术，系统设计的水平将直接影响控制系统、设备的运行可靠性。如何根据不同的控制要求，设计出运行稳定、动作可靠、安全实用、操作简单、调试方便、维护容易的控制系统，是广大读者学习PLC技术的根本目的。

  与绝大多数计算机控制系统设计一样，PLC控制系统设计也可以分为系统规划、硬件设计、软件设计等基本的步骤、每一部分的设计都有不同的要求。本章将首先按照实际工程设计的步骤，对规划PLC控制系统的基本方法与步骤作系统、完整的介绍，然后再介绍有关控制系统的硬件设计、软件设计调试等方面的内容与实例。

  出于内容先进性，方便读者阅读进口设备图纸，以及与国际先进技术标准接轨等方面的考虑、本章中的全部电气技术要求、电路图形符号、文字代号均执行DIN标准，并与IEC、ANSI、BS标准保持广泛的一致性。

  1. 系统设计原则

  电气控制系统是实现生产自动化的保证，也是机电一体化系统安全、准确、可靠运行的前提条件。控制系统设计必须以满足生产工艺要求，保证系统安全、准确、可靠运行为准则，并通过科学的方法与现代化的手段，进行合理的规划与认真的设计。

  PLC控制系统的工程设计，一段可以分为系统规划、硬件设计、软件设计、系统调试、技术文件编制五个基本的步骤。

  在PLC控制系统的设计中应遵循如下基本设计原则：

  1) 实现设备、生产机械、生产工艺的全部动作。

  2) 满足设备、生产机械对产品的加工质量以及生产效率的要求。

  3) 确保系统安全、稳定、可靠地工作。

  4) 尽可能地简化控制系统的结构，降低生产、制造成本。

  5) 充分提高自动化程度，减轻劳动强度。

  6) 改善操作性能，方便维修等。

  在上述系统设计原则中，最为重要的是要满足系统控制要求、确保系统安全可靠性、简化系统结构这三方面。

  (1) 满足系统控制要求。作为一种工业控制系统、PLC控制系统是为了满足控制对象(设备、生产机械、生产工艺等)的各项控制要求，使其达到设计规定的性能指标，而采用的一种现代化的控制方法与手段。系统设计必须确保能实现对象的全部动作，满足对象的各项技术要求。

  在系统设计前，设计人员必须深入生产现场或通过认真调研被控对象的机械、气动、液压的组成和工作原理；充分了解设备、生产机械需要实现的动作和应具备的功能及对电控的要求；详尽掌握设备中各种执行元件的性能与参数；以便有的放矢地开展设计工作。

  在此基础上，设计人员应首先进行控制系统的规划，确定系统的总体方案与控制系统的类型，明确为了实现不同的控制要求，需要在系统中所采取的措施，并选定主要的组成部件。

  总体方案设计完成后，设计人员应会同机械、气动、液压设计人员、操作者，用户、供应商等、对总体方案设计进行评审，并取得项目相关部门与技术人员、操作者的认可。在充分听取各方面意见的基础上，设计者决定是否需要对总体设计方案进行修改。当方案有重大更改，在修改方案完成后，还应再次进行总体方案的评审。

  (2) 确保系统安全可靠性。在系统总体打方确定后的具体技术设计阶段，设计人员必须首先考虑系统的安全性与可靠性，确保控制系统能够长期安全、稳定、可靠地上作。

  控制系统的安全性包括确保操作人员人身安全与设备安全两大方面。

  系统的设计必须符合各种相关安全标准(如CE标准)的规定。在设计中应充分考虑各种安全防护措施，如安全电路、安全防护等。而且对于涉及人身安全的部件，必须在电气控制系统设计时进行严格的动作“互锁”，严防发生危及操作者安全的事故。

  设备安全是电气设计人员必须考虑的问题。尤其应重视设备运行过程中出现部件故障或其他原因的紧急停机的情况，控制系统的动作必须迅速、可靠、安全。

  系统设计中，必须采用符合EN标准要求的安全电路；应充分考虑到PLC本身发生故障的可能性；安全电路必须利用电磁动作元件组成，并且满足"强制执行"条件。

  对于某些执行元件的动作，如电机的正/反转接触器等，应进行可靠的动作"互锁"。这些"互锁"不能仅在PLC用户程序中进行，还必须在强电控制线路中同样得到保证，以防发生危及设备安全的事故，做到万无一失。

  控制系统运行的稳定性与可靠性是系统设计成败的关键。控制系统的动作不可靠，不仅会导致设备的运行故障，影响加工产品的质量和生产效率，而从可能引发安全事故。

  在保证安全性与可靠性要求的前提下，简化系统结构、简化操作、简化线路、简化程序不仅可以降低成本，而且也是提高系统可靠性的重要措施。严格按照PLC的设计规范与要求进行设计;按照PLC的安装要求进行安装；按规范进行布线与施工；对用户程序进行多方检查与试验；采取正确的抗干扰措施等，都是提高系统可靠件的重要手段。

  (3)简化系统结构。在能够完全满足控制对象的各项控制要求，确保系统安全性、可靠性，不影响系统自动化程度与功能的前提下，系统的设计应尽可能简单、实用。简化系统结构不仅仅是降低生产制造成本的需要，而且也是提高系统可靠性的重要措施。

  简化系统包括简化操作、简化线路、简化程序等方面。

  系统设计应具有良好的操作性能，为操作者提供友好的界面，尽可能为操作、使用提供便利。设计不但要考虑人机工程学，而且应尽可能减少不必要的控制按钮等操作元件的数量(有关安全的除外)，简化操作过程。设备的操作过程应简洁、明了、方便、容易。

  系统控制线路的设计必须简单、可靠，应尽可能减少不必要的控制器件与连线。简单、实用的控制线路不仅可以降低生产制造成本，更重要的是它可以提高系统工作的安全可靠性，方便用户使用与维修。

  PLC用户程序也要尽量简化，使用的指令应越简洁、越明了越好；要杜绝人为地使程序复杂化，从而为他人理解程序增加困难的现象。

  采用梯形图编程时，应尽可能减少不必要的辅助继电器、触点的使用数量。过多的辅助继电器、触点不仅影响程序的执行速度，延长循环扫描时间，而且会给程序的检查、阅读带来不必要的麻烦，影响调试、维修进度。

  2. 系统设计步骤

  PLC控制系统的设计(调试)可以按照图5-1所示进行。设计可分为系统规划、硬件设计、软件设计系统调试及技术文件的编制五个阶段。

  (1) 系统规划。系统规划为设计的第一步，内容包括确定控制系统方案与总体设计两部分。确定控制系统方案时，应首先明确控制对象所需要实现的动作与功能、生产工艺要求与设备的现场布置情况；在此基础上确定系统的技术实现手段，选择系统的总体结构形式与组成部件。

  系统规划的具体内容包括：明确控制要求，确定系统类型，确定硬件配置要求；选择PLC的型号、规格，确定I/O模块的数量与规格，选择特殊功能模块；选择人机界面、伺服驱动器、变频器、调速装置等。

  (2) 硬件设计。硬件设计是在系统规划与总体设计完成后的技术设计。在这一阶段，设计人员需要根据总体方案完成电气控制原理图、连接图、元件布置图等基本图样的设计工作。

  图5-1 PLC控制系统的设计步骤

  在此基础上，应汇编完整的电器元件目录与配套件清单，提供给采购供应部门购买相关的组成部件。同时，根据PLC的安装要求与用户的环境条件，结合所设计的电气原理图与连接、布置图，完成用于安装以上电器元件的控制柜、操纵台等零部件的设计。

  设计完成后，将全部图样与外购元器件、标准件等汇编成统一的基本件、外购件、标准件明细表(目录)，提供给生产、供应部门组织生产与采购。

  (3) 软件设计。PLC控制系统的软件设计主要是编制PLC用户程序、特殊功能模块控制软件、确定PLC 以及功能模块的设定参数(如需要)等。它可以与系统电器元件安装柜、操纵台的制作、元器件的采购同步进行。

  软件设计应根据所确定的总体方案与已经完成的电气控制原理图，按照原理图所确定的I/O地址，编写实现控制要求与功能的PLC用户程序。为了方便调试、维修，通常需要在软件设计阶段同时编写出程序说明书、I/O地址表、注释表等辅助文件。

  在程序设计完成后，一般应通过PLC编程软件所具备的自诊断功能对PLC程序进行基本的检查，排除程序中的电路与语法错误。在有条件时，应通过必要的模拟与仿真手段，对程序进行模拟与仿真试验。对于初次使用的伺服驱动器、变频器等部件，可以通过检查与运行的方法，事先进行离线调整与测试，以缩短现场调试的周期。

  (4) 现场调试。PLC的现场调试是检查、优化PLC控制系统硬件、软件设计，提高控制系统安全可靠性的重要步骤。为了防止调试过程中可能出现的问题，确保调试工作的顺利进行，现场调试应在完成控制系统的安装、连接、用户程序编制后，按照调试前的检查、硬件调试、软件调试、空运行试验、可靠性试验、实际运行试验等规定的步骤进行。

  在调试阶段，一切均应以满足控制要求，确保系统安全、可靠运行为最高准则，它是检验硬件、软件设计正确性的唯一标准，任何影响系统安全性与可靠性的设计，都必须予以修改，绝不能遗留事故隐患，以免导致严重后果。

  (5) 编制技术文件。在设备安全、可靠运行得到确认后，设计人员可以着手进行系统技术文件的编制工作，诸如修改电气原理图、连接图，编写设备操作、使用说明书，备份PLC用户程序，记录调整、设定参数等。

  文件的编写应正确、全面，必须保证图与实物一致，电气原理图、用户程序、设定参数必须为调试完成后的最终版本。文件的编写应规范、系统，尽可能为设备使用者及今后的维修工作提供方便。