1 引言
      在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電機的啟停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，而PLC技術(shù)是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。下面就PLC工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計中的問題進(jìn)行探討。

      2 PLC系統(tǒng)設(shè)備選型

      PLC最主要的目的是控制外部系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可能是單個機器，機群或一個生產(chǎn)過程。不同型號的PLC有不同的適用范圍。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，分析被控對象的復(fù)雜程度，進(jìn)行I/O點數(shù)和I/O點的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計，列出清單。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計，確定適當(dāng)?shù)牧粲杏嗔慷焕速M資源的機型（小、中、大形機器）。并且結(jié)合市場情況，考察PLC生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品及其售后服務(wù)、技術(shù)支持、網(wǎng)絡(luò)通信等綜合情況，選定價格性能比較好的PLC機型。

      目前市場上的PLC產(chǎn)品眾多，國外知名品牌有德國的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美國的GE;韓國的LG等。國產(chǎn)品牌有研華、研祥、合力時等。近幾年，PLC產(chǎn)品的價格有較大的下降，其性價比越來越高。PLC 的選型應(yīng)從以下幾個方面入手。

      2.1 確定PLC 控制系統(tǒng)的規(guī)模

      依據(jù)工廠生產(chǎn)工藝流程和復(fù)雜程度確定系統(tǒng)規(guī)模的大小。可分為大、中、小三種規(guī)模。

      小規(guī)模PLC控制系統(tǒng):單機或者小規(guī)模生產(chǎn)過程，控制過程主要是條件、順序控制，以開關(guān)量為主，并且I/O點數(shù)小于128 點。一般選用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。

      中等規(guī)模PLC控制系統(tǒng):生產(chǎn)過程是復(fù)雜邏輯控制和閉環(huán)控制，I/O點數(shù)在128——512 點之間。應(yīng)該選用具有模擬量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。

      大規(guī)模PLC控制系統(tǒng):生產(chǎn)過程是大規(guī)模過程控制、DCS系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡(luò)控制，I/O點數(shù)在512點以上。應(yīng)該選用具有通信聯(lián)網(wǎng)、智能控制、數(shù)據(jù)庫、中斷控制、函數(shù)運算的高檔PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工業(yè)現(xiàn)場總線結(jié)合實現(xiàn)工廠工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通訊和控制。

      2.2 確定PLC I/O 點的類型

      根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，分析被控對象的復(fù)雜程度，進(jìn)行I/O點數(shù)和I/O點的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計，列出清單。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計，確定適當(dāng)?shù)牧粲熊浻布Y源余量而不浪費資源的機型（小、中、大型機器）。

      根據(jù)PLC輸出端所帶的負(fù)載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或品閘管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是很重要的。

      電磁閥的開閉、大電感負(fù)載、動作頻率低的設(shè)備，PLC輸出端采用繼電器輸出或者固態(tài)繼電器輸出;各種指示燈、變頻器/數(shù)字直流調(diào)速器的啟動/停止應(yīng)采用晶體管輸出。

      2.3 確定PLC編程工具

      （1） 一般的手持編程器編程。 手持編程器只能用商家規(guī)定語句表中的語句表（STL）編程。這種方式效率低，但對于系統(tǒng)容量小、用量小的產(chǎn)品比較適宜，具有體積小、價格低、易于現(xiàn)場調(diào)試等優(yōu)點。 這主要用于微型PLC的編程。

      （2） 圖形編程器編程。圖形編程器采用梯形圖（LAD）編程，方便直觀，一般的電氣人員短期內(nèi)就可應(yīng)用自如，但該編程器價格較高,主要用于微型PLC和中檔PLC。

      （3） 計算機加PLC軟件包編程 。這種方式是效率最高的一種方式，但大部分公司的PLC 開發(fā)軟件包價格昂貴，并且該方式不易于現(xiàn)場調(diào)試，主要用于中高檔PLC系統(tǒng)的硬件組態(tài)和軟件編程。

      3 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計

      PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

      3.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

      硬件設(shè)計是PLC控制系統(tǒng)的至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，這關(guān)系著PLC控制系統(tǒng)運行的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。

      （1） PLC控制系統(tǒng)的輸入電路設(shè)計。PLC供電電源一般為AC85—240V，適應(yīng)電源范圍較寬，但為了抗干擾，應(yīng)加裝電源凈化元件（如電源濾波器、1:1隔離變壓器等）;隔離變壓器也可以采用雙隔離技術(shù)，即變壓器的初、次級線圈屏蔽層與初級電氣中性點接大地，次級線圈屏蔽層接PLC 輸入電路的地，以減小高低頻脈沖干擾。

      PLC輸入電路電源一般應(yīng)采用DC 24V, 同時其帶負(fù)載時要注意容量，并作好防短路措施，這對系統(tǒng)供電安全和PLC安全至關(guān)重要，因為該電源的過載或短路都將影響PLC的運行，一般選用電源的容量為輸入電路功率的兩倍，PLC輸入電路電源支路加裝適宜的熔絲，防止短路。

      （2） PLC控制系統(tǒng)的輸出電路設(shè)計。依據(jù)生產(chǎn)工藝要求，各種指示燈、變頻器/數(shù)字直流調(diào)速器的啟動停止應(yīng)采用晶體管輸出，它適應(yīng)于高頻動作，并且響應(yīng)時間短;如果PLC 系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6 次以下，應(yīng)首選繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設(shè)計簡單，抗干擾和帶負(fù)載能力強。

      如果PLC輸出帶電磁線圈等感性負(fù)載，負(fù)載斷電時會對PLC的輸出造成浪涌電流的沖擊，為此，對直流感性負(fù)載應(yīng)在其旁邊并接續(xù)流二極管，對交流感性負(fù)載應(yīng)并接浪涌吸收電路，可有效保護(hù)PLC。

      當(dāng)PLC掃描頻率為10次／min 以下時，既可以采用繼電器輸出方式，也可以采用PLC輸出驅(qū)動中間繼電器或者固態(tài)繼電器（SSR），再驅(qū)動負(fù)載。

      對于兩個重要輸出量，不僅在PLC內(nèi)部互鎖，建議在PLC外部也進(jìn)行硬件上的互鎖，以加強PLC系統(tǒng)運行的安全性、可靠性。

      對于常見的AC220V交流開關(guān)類負(fù)載，例如交流接觸器、電磁閥等，應(yīng)該通過DC24V微小型中間繼電器驅(qū)動，避免PLC的DO接點直接驅(qū)動，盡管PLC手冊標(biāo)稱具有AC220V交流開關(guān)類負(fù)載驅(qū)動能力。

      （3） PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計。隨著工業(yè)自動化技術(shù)的日新月異的發(fā)展，晶閘管可控整流和變頻調(diào)速裝置使用日益廣泛，這帶來了交流電網(wǎng)的污染，也給控制系統(tǒng)帶來了許多干擾問題，防干擾是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮的問題。一般采用以下幾種方式:

      隔離:由于電網(wǎng)中的高頻干擾主要是原副邊繞組之間的分布電容耦合而成，所以建議采用1:1超隔離變壓器，并將中性點經(jīng)電容接地。

      屏蔽:一般采用金屬外殼屏蔽，將PLC系統(tǒng)內(nèi)置于金屬柜之內(nèi)。金屬柜外殼可靠接地，能起到良好的靜電、磁場屏蔽作用，防止空間輻射干擾。

      布線:強電動力線路、弱電信號線分開走線，并且要有一定的間隔;模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

      3.2 PLC 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

      在進(jìn)行硬件設(shè)計的同時可以著手軟件的設(shè)計工作。軟件設(shè)計的主要任務(wù)是根據(jù)控制要求將工藝流程圖轉(zhuǎn)換為梯形圖，這是PLC應(yīng)用的最關(guān)鍵的問題，程序的編寫是軟件設(shè)計的具體表現(xiàn)。在控制工程的應(yīng)用中，良好的軟件設(shè)計思想是關(guān)鍵，優(yōu)秀的軟件設(shè)計便于工程技術(shù)人員理解掌握、調(diào)試系統(tǒng)與日常系統(tǒng)維護(hù)。

      （1） PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計思想。由于生產(chǎn)過程控制要求的復(fù)雜程度不同，可將程序按結(jié)構(gòu)形式分為基本程序和模塊化程序。

      基本程序:既可以作為獨立程序控制簡單的生產(chǎn)工藝過程，也可以作為組合模塊結(jié)構(gòu)中的單元程序;依據(jù)計算機程序的設(shè)計思想，基本程序的結(jié)構(gòu)方式只有三種:順序結(jié)構(gòu)、條件分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。

      模塊化程序:把一個總的控制目標(biāo)程序分成多個具有明確子任務(wù)的程序模塊，分別編寫和調(diào)試，最后組合成一個完成總?cè)蝿?wù)的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設(shè)計。我們建議經(jīng)常采用這種程序設(shè)計思想，因為各模塊具有相對獨立性，相互連接關(guān)系簡單，程序易于調(diào)試修改。特別是用于復(fù)雜控制要求的生產(chǎn)過程。

      （2） PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計要點。PLC控制系統(tǒng)I/O分配，依據(jù)生產(chǎn)流水線從前至后，I/O點數(shù)由小到大;盡可能把一個系統(tǒng)、設(shè)備或部件的I/O信號集中編址，以利于維護(hù)。定時器、計數(shù)器要統(tǒng)一編號，不可重復(fù)使用同一編號，以確保PLC工作運行的可靠性。

      程序中大量使用的內(nèi)部繼電器或者中間標(biāo)志位（不是I/O位），也要統(tǒng)一編號，進(jìn)行分配。

      在地址分配完成后，應(yīng)列出I/O分配表和內(nèi)部繼電器或者中間標(biāo)志位分配表。 
      彼此有關(guān)的輸出器件，如電機的正/反轉(zhuǎn)等，其輸出地址應(yīng)連續(xù)安排，如Q2.0/Q2.1等。

      （3） PLC控制系統(tǒng)編程技巧。PLC程序設(shè)計的原則是邏輯關(guān)系簡單明了，易于編程輸入，少占內(nèi)存，減少掃描時間，這是PLC 編程必須遵循的原則。下面介紹幾點技巧。
PLC各種觸點可以多次重復(fù)使用，無需用復(fù)雜的程序來減少觸點使用次數(shù)。

      同一個繼電器線圈在同一個程序中使用兩次稱為雙線圈輸出，雙線圈輸出容易引起誤動作，在程序中盡量要避免線圈重復(fù)使用。如果必須是雙線圈輸出，可以采用置位和復(fù)位操作（以S7-300為例如SQ4.0或者 RQ4.0）。

      如果要使PLC多個輸出為固定值 1 （常閉），可以采用字傳送指令完成，例如 Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同時都為1，可以使用一條指令將十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)0A9H直接傳送QW2即可。

      對于非重要設(shè)備，可以通過硬件上多個觸點串聯(lián)后再接入PLC輸入端，或者通過PLC編程來減少I/O點數(shù)，節(jié)約資源。例如:我們使用一個按鈕來控制設(shè)備的啟動/停止，就可以采用二分頻來實現(xiàn)。

      模塊化編程思想的應(yīng)用:我們可以把正反自鎖互鎖轉(zhuǎn)程序封裝成為一個模塊，正反轉(zhuǎn)點動封裝成為一個模塊，在PLC程序中我們可以重復(fù)調(diào)用該模塊，不但減少編程量，而且減少內(nèi)存占用量,有利于大型PLC 程序的編制。

      4 PLC控制系統(tǒng)程序的調(diào)試

      PLC控制系統(tǒng)程序的調(diào)試一般包括I/O端子測試和系統(tǒng)調(diào)試兩部分內(nèi)容，良好的調(diào)試步驟有利于加速總裝調(diào)試的過程。

      4.1 I/O端子測試

      用手動開關(guān)暫時代替現(xiàn)場輸入信號，以手動方式逐一對PLC輸入端子進(jìn)行檢查、驗證，PLC輸入端子的指示燈點亮，表示正常;反之，應(yīng)檢查接線或者是I/O點壞。

      我們可以編寫一個小程序，在輸出電源良好的情況下，檢查所有PLC輸出端子指示燈是否全亮。PLC輸入端子的指示燈點亮，表示正常。反之，應(yīng)檢查接線或者是I/O點壞。

      4.2 系統(tǒng)調(diào)試

      系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)首先按控制要求將電源、外部電路與輸入輸出端子連接好，然后裝載程序于PLC中，運行PLC進(jìn)行調(diào)試。將PLC與現(xiàn)場設(shè)備連接。在正式調(diào)試前全面檢查整個PLC控制系統(tǒng)，包括電源、接地線、設(shè)備連接線、I/O連線等。在保證整個硬件連接正確無誤的情況下即可送電。

      把PLC控制單元的工作方式設(shè)置為“RUN”開始運行。反復(fù)調(diào)試消除可能出現(xiàn)的各種問題。在調(diào)試過程中也可以根據(jù)實際需求對硬件作適當(dāng)修改以配合軟件的調(diào)試。應(yīng)保持足夠長的運行時間使問題充分暴露并加以糾正。調(diào)試中多數(shù)是控制程序問題。一般分以下幾步進(jìn)行:

      （1） 對每一個現(xiàn)場信號和控制量做單獨測試; 
      （2） 檢查硬件/修改程序; 
      （3） 對現(xiàn)場信號和控制量做綜合測試; 
      （4） 帶設(shè)備調(diào)試; 
      （5） 調(diào)試結(jié)束。

      5 結(jié)束語

      PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計是一個步驟有序的系統(tǒng)工程，要想做到熟練自如，需要反復(fù)設(shè)計和實踐。本文是PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，在實際應(yīng)用中具有良好的效果。