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(jī)的啟停，電磁閥的開閉，產(chǎn)品的計(jì)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、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(jì)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(gè)系統(tǒng)可能是單個(gè)機(jī)器，機(jī)群或一個(gè)生產(chǎn)過程。不同型號(hào)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(diǎn)數(shù)和I/O點(diǎn)的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計(jì)，列出清單。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計(jì)，確定適當(dāng)?shù)牧粲杏嗔慷焕速M(fèi)資源的機(jī)型（小、中、大形機(jī)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(jià)格性能比較好的PLC機(jī)型。

    目前市場上的PLC產(chǎn)品眾多，國外品牌有德國的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(shí)等。近幾年，PLC產(chǎn)品的價(jià)格有較大的下降，其性價(jià)比越來越高。PLC 的選型應(yīng)從以下幾個(gè)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(jī)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(diǎn)數(shù)小于128 點(diǎn)。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(diǎn)數(shù)在128——512 點(diǎn)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(dòng)化網(wǎng)絡(luò)控制，I/O點(diǎn)數(shù)在512點(diǎn)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(yùn)算的高檔PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工業(yè)現(xiàn)場總線結(jié)合實(shí)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)和I/O點(diǎn)的類型（數(shù)字量、模擬量等）統(tǒng)計(jì)，列出清單。適當(dāng)進(jìn)行內(nèi)存容量的估計(jì)，確定適當(dāng)?shù)牧粲熊浻布Y源余量而不浪費(fèi)資源的機(jī)型（小、中、大型機(jī)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(diǎn)動(dòng)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(yùn)行是很重要的。

    電磁閥的開閉、大電感負(fù)載、動(dòng)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(dòng)/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(jià)格低、易于現(xiàn)場調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。 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(jià)格較高,主要用于微型PLC和中檔PLC。

    （3） 計(jì)算機(jī)加PLC軟件包編程 。這種方式是高的一種方式，但大部分公司的PLC 開發(fā)軟件包價(jià)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(jì)

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

3.1 PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    硬件設(shè)計(jì)是PLC控制系統(tǒng)的至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這關(guān)系著PLC控制系統(tǒng)運(yùn)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(jì)。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(jí)線圈屏蔽層與初級(jí)電氣中性點(diǎn)接大地，次級(jí)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(shí)其帶負(fù)載時(shí)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?yàn)樵撾娫吹倪^載或短路都將影響PLC的運(yùn)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(jì)。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(dòng)停止應(yīng)采用晶體管輸出，它適應(yīng)于高頻動(dòng)作，并且響應(yīng)時(shí)間短;如果PLC 系統(tǒng)輸出頻率為每分鐘6 次以下，應(yīng)繼電器輸出，采用這種方法，輸出電路的設(shè)計(jì)簡單，抗干擾和帶負(fù)載能力強(qiáng)。

    如果PLC輸出帶電磁線圈等感性負(fù)載，負(fù)載斷電時(shí)會(huì)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(shí)，既可以采用繼電器輸出方式，也可以采用PLC輸出驅(qū)動(dòng)中間繼電器或者固態(tài)繼電器（SSR），再驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

    對于兩個(gè)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(qiáng)PLC系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)，避免PLC的DO接點(diǎn)直接驅(qū)動(dòng)，盡管PLC手冊標(biāo)稱具有AC220V交流開關(guān)類負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

    （3） PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)。隨著工業(yè)自動(dòng)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(jì)時(shí)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(diǎn)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(qiáng)電動(dòng)力線路、弱電信號(hào)線分開走線，并且要有一定的間隔;模擬信號(hào)傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。