PLC控制系统设计

轻松掌握PLC控制系统设计(一)

2016-07-18

工控技术人员需要的干货来了!!!本篇文章能让读者了解PLC控制系统设计的原则和一般流程；理解控制系统可靠性设计方法和调试方法；掌握硬件系统选型的方法。由于内容较多,我们分为三个片断。

PLC控制系统设计原则

PLC控制系统设计原则

1）实用性

实用性是控制系统设计的基本原则。工程师在研究被控对象的同时，还要了解控制系统的使用环境，使得所设计的控制系统能够满足用户所有的要求。硬件上要尽量的小巧灵活，软件上应简洁、方便。

2）可靠性

可靠性是控制系统极其重要的原则。对于一些可能会产生危险的系统，必须要保证控制系统能够长期稳定、安全、可靠的运行，即使控制系统本身出现问题，起码能够保证不会出现人员和财产的重大损失。在系统规划初期，应充分考虑系统可能出现的问题，提出不同的设计方案，选择一种非常可靠且较容易实施的方案；在硬件设计时，应根据设备的重要程度，考虑适当的备份或冗余；在软件设计时，应采取相应的保护措施，在经过反复测试确保无大的疏漏之后方可联机调试运行。

3）经济性

这要求工程师在满足实用性和可靠性的前提下，应尽量使系统的软、硬件配置经济、实惠，切勿盲目追求新技术、高性能。硬件选型时应以经济、合用为准；软件应当在开发周期与产品功能之间作相应的平衡。还要考虑所使用的产品是否可以获得完备的技术资料和售后服务，以减少开发成本。

4）可扩展性

这要求工程师，在系统总体规划时，应充分考虑到用户今后生产发展和工艺改进的需要，在控制器计算能力和I/O端口数量上应当留有适当的裕量，同时对外要留有扩展的接口，以便系统扩展和监控的需要。

5）先进性

这要求工程师在硬件设计时，优先选用技术先进，应用成熟广泛的产品组成控制系统，保证系统在一定时间内具有先进性，不致被市场淘汰。此原则与经济性共同考虑，使控制系统具有较高的性价比。

PLC控制系统设计流程

设计控制系统时应遵循一定的设计流程，掌握设计流程，可以增加控制系统的设计效率和正确性。PLC控制系统的一般设计流程如图1-1所示：

图1-1 PLC控制系统设计流程图

被控对象的分析与描述

分析被控对象就是要详细分析被控对象的工艺流程，了解其工作特性。此阶段一定要与用户进行深入的沟通，确保分析的全面而准确。在控制系统设计时，往往需要达到一些特定的指标和要求，即满足实际应用或是客户需求。在分析被控对象时，必须考虑这些指标和要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原则，准确地用工程化的方法描述被控对象，为控制系统设计打好基础。

1）系统规模

根据被控对象的工艺流程、复杂程度和客户的技术要求确定系统的规模，可以分为大、中、小三种规模。确保硬件资源有一定裕量而不浪费。

小规模控制系统适用于单机或小规模生产过程，以顺序控制为主，信号多为开关量，且I/O点数较少（低于128点），精度和响应时间要求不高。一般选用S7-200就可达到控制要求

中等规模控制系统适用于复杂逻辑和闭环控制的生产过程，I/O点数较多（128点到512点之间），需要完成某些特殊功能，如PID控制等。一般选用S7-300等。

大规模控制系统适用于大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，I/O点数较多（高于512点），被控对象的工艺过程较复杂，对于精度和响应时间要求较高。应选用具有智能控制、高速通信、数据库、函数运算等功能的高档PLC，如S7-400等。

2）硬件配置

根据系统规模和客户的技术对控制系统I/O点数进行估算。分析被控对象工艺过程，统计系统I/O点数和I/O类型。按照设备和生产区域的不同进行划分，明确各个I/O点的位置和功能。再加上10%～20%的备用量列出详细的I/O点清单。

3）软件配置

根据控制系统设计要求选择适合的软件，包括系统平台软件、编程软件。

上位机监控软件的选择。首先需考虑监控的点数限制；是否有报警显示、趋势分析、报表打印以及历史记录功能。

4）控制功能

要正确的进行控制系统的规模选择，首先要了解各家控制器的特性，比如性能参数、应用场合、行业解决方案，以及可靠性和通用性等。如何选择一个控制系统，一般遵循以下几点：

控制系统是否需要冗余、I/O信号模块是否需要冗余、通讯是否需要冗余。

控制点数有多少，包括数字量输入和输出点数、模拟量输入和输出点数。

被控对象工艺是否复杂，是否需要实现特殊功能，比如防喘控制等。

系统正常运行时，控制器的负载率是否有足够的工作裕量；I/O信号点是否需要一定的余量。

针对数字信号，是否需要继电器隔离；考虑输入信号的电压和电流等级；输出信号是否需要固态继电器输出。

针对模拟量信号，是否需要安全隔离栅；信号的类型，电压型还是电流型；电压和电流的测量范围。不一样的信号类型，需要选择不一样的I/O信号模块。

用于温度测量的信号模块，考虑是热电阻还是热电偶。

信号模块是否需要在线带电插拔更换。如果需要，还需考虑附加特殊的背板插槽。

当系统和外部出现故障时，比如信号短路或锻炉，这时信号模块是否需要将输入输出信号自动切换到预先设置的安全值。如有要求，需考虑选用故障安全型的控制器和信号模块。

当需要和第三方设备通讯时，需考虑通讯距离的长短，以及相应的通讯接口协议等，选用不同的通讯模块。

针对系统中的重要连锁信号，是否需要特殊的SOE模块，来记录信号变化的时间先后顺序。

熟悉被控对象是设计控制系统的基础。只有深入了解被控对象以及被控过程，才能够提出合理科学的控制方案。

1）分析被控对象。详细分析被控对象的工艺流程，了解其工作特性。此阶段一定要与用户进行深入的沟通，确保分析得全面而准确。

2）画出工艺流程图。经过第一步，应对被控对象的整个工艺流程有了深入的了解，为了更直观、简洁的表示，画出工艺流程图，为后面的系统设计做准备。

3）分析并明确控制任务。根据已经做好的工艺流程图，工程师可以把用户提出的控制要求转换为专业术语，对其逐一进行分解，并从控制的角度将其中的要求转化为多个控制回路。对于过程控制系统可用P&ID图来表示其中的控制关系。

PLC控制系统总体设计

在控制系统设计之前，需要对系统的方案进行论证。主要是对整个系统的可行性作一个预测性的估计。在此阶段一定要全面地考虑到设计和实施此系统将会遇到的各种问题。如果没有做过相关项目的经验，应当在实地仔细考察，并详细地论证设计此系统中的每一个步骤的可行性。特别是在硬件实施阶段中，稍有不慎，就会造成很大的麻烦，轻则系统不成功，重则会造成严重的人员和财产的损失。工程实施的过程中的阻碍，往往都是由于这一步没有做足工夫而导致的。

系统的总体设计关系到整个系统的总体构架，每个细节都必须经过反复斟酌。首先要能够满足用户提出的基本要求；其次是确保系统的可靠性，不可以经常出现故障，就算出现故障也不会造成大的损失；然后在经济性等方面予以考虑。

一般来说，在系统总体设计时，需要考虑下面几个问题：

（1）确定系统是用PLC单机控制，还是PLC联网控制；确定系统是采用远程I/O还是本地I/O。主要根据系统的大小及用户要求的功能来选择。对于一般的中小型过程控制系统来说，PLC单机控制已基本能够满足功能要求。但也可借鉴集散控制系统的理念，即将危险和控制分散，管理与监控集中。这样可以大大提高系统的可靠性。

（2）是否需要与其它部分通信。一个完整的控制系统，至少会包括三个部分：控制器、被控对象和监控系统。所以对于控制器来说，至少要跟监控系统之间进行通讯。至于是否跟另外的控制单元或部门通讯要根据用户的要求来决定。一般来说，如果用户没有要求，也都会留有这样的通讯接口。

（3）采用何种通信方式。一般来说，在现场控制层级用PROFIBUS DP；而从现场控制层级到监控系统的通讯用PROFINET。但有时候也可互相通用，根据具体情况选择合适的通信方式。

（4）是否需要冗余备份系统。根据系统的所要求的安全等级，选择不同的办法。在数据归档时，为了让归档数据不丢失，可以使用OS服务器冗余；在自动化站（Automation Station，AS），为了使系统不会因故障而导致停机或不可预知的结果，可以使用控制器冗余备份系统。选择适当的冗余备份，可以使系统的可靠性得到大幅提高。

在进行控制系统选型之前，首先考虑系统的网络结构是怎样搭建的，网络结构示意图如图1-2所示。

确定系统的操作站、过程控制站的数目和位置，相互之间是怎样连接的。是否需要工业以太网交换机。

一般情况下，现场控制室和主控制室与电气控制柜分别安放在两个地方，且距离较远，为保证信号的稳定可靠，会考虑用光缆来连接各自的交换机。同时，为了通讯线路的冗余，会考虑选用带荣誉管理功能的工业以太网交换机，将现场操作站和过程控制站组成一个光纤环网。这样，即使有一个方向的通讯断开，也可通过另一个方向继续通讯。

对于过程控制站和现场信号之间的连接，传统的连接方式是将现场信号直接通过硬件连接到过程控制站上。这样如果距离太远，信号传输会有损耗，尤其是模拟量信号。且当信号点很多时，布线也较复杂，浪费材料。所以，一般需在现场安装分布式I/O从站（如果现场为危险区，需选用本质安全型的分布式I/O从站），将现场信号直接连接到I/O从站上，在通过现场总线的方式将信号传送到过程控制站。

图1-2 表示网络结构示意图

本文摘自：《西门子S7-300/400 PLC工程应用技术》；IT有得聊

轻松掌握PLC控制系统设计(二)

2016-07-22

1.4 PLC控制系统硬件设计

1传感器与执行器的确定

1. 传感器的确定

传感器相当于整个系统的“眼睛”，它的确定对系统有着至关重要的影响。一般来说，选择一个传感器时，应注意下面几个问题：①测量范围；②测量精度；③可靠性；④接口类型。

2. 执行器的确定

执行器相当于整个系统的“手臂”，其重要性不言而喻。与选择传感器相对应，在选择执行器时，应考虑到下面几个问题：①输出范围；②输出精度；③可靠性；④接口类型。

2PLC控制系统模块的选择

在硬件设计中，对输入、输出点进行估算是一个重要的工作，控制系统总的输入、输出点数可以根据实际设备的I/O点汇总，然后另加10%至20%的备用量估算。

1. 数字量I/O点数的确定

一般来说，一个按钮要占一个输入点；一个光电开关要占一个输入点；而对于选择开关来说，一般有几个位置就要占几个输入点；对各种位置开关一般占一个或两个输入点；一个信号灯占一个输出点。一般可用下式进行估算：

2. 模拟量I/O点数的确定

模拟量I/O点数的确定，一般应根据实际需要来确定，并预留出适当的备用点即可。

3. 存储器容量的估算

这里所说的存储器容量与用户程序所需的内存容量不同，前者指的是硬件存储器容量，而后者指的是存储器中为用户开放的部分。用户程序所需的内存容量只能做粗略的估算，它与PLC的输入/输出点数成正比，此外，还受通信数据量、编程人员水平等因素的影响。一般内存容量估算经验公式如下：

4. 控制模块的选择

确定了PLC的输入/输出点数及存储器的容量后，下一步进行的是PLC模块的选择，主要包括CPU模块，数字量和模拟量输入/输出模块等；

（1）对于CPU模块选择，一般要考虑到以下几个问题：

1）通信端口类型

2）运算速度

3）特殊功能（如高速计数等）

4）存储器（卡）容量

5）对采样周期、响应速度的要求

（2）在选择扩展模块时，一般应注意以下方面：

1）模块的电压等级。可根据现场设备与模块间的距离来确定。当外部线路较长时，可选用交流220V电源；当外部线路较短，且控制设备相对较集中时，可选用DC24V 电源。

2）数字量输出模块的输出类型。数字量输出有继电器、晶闸管、晶体管三种形式。在通断不频繁的场合应该选用继电器输出；在通断频繁的场合，应该选用晶闸管或晶体管输出，注意晶闸管只能用于交流负载，晶体管只能用于直流负载。

3）模拟量信号类型。模拟量信号传输应尽量采用电流型信号传输。因为电压量信号极易引入干扰，一般电压信号仅用于控制设备柜内电位器的设置，或者距离较近、电磁环境好的场合。

3 控制柜设计

在大多数系统中，都需要设计控制柜，它可以将工业现场的恶劣环境与控制器隔离，使系统可靠的运行。一般来说，设计控制柜时应考虑到下面几个问题：

（1）尺寸大小。要根据现场的安装位置和空间，设计合适的尺寸大小。切忌在设计完工之后才发现在现场不能安装。而在外观方面没什么太严格的要求，只要看得简洁明了就好。

（2）电路图。在设计控制柜的电路图时，一方面要考虑到工业现场的环境，另一方面要考虑到系统的安全性。

（3）电源。在充分计算好系统所需的功率后，选择合适的电源。并根据系统需要，选择是否需要电源的备份。

（4）紧急停止。紧急停止与正常的停止运行有很大的不同，紧急停止主要从硬件的方式上确保了系统在出问题时的可靠和安全。

（5）其他。对于接线方式、接地保护、接线排的余量等问题，在设计时都要予以详细的考虑。

4 I/O模块原理图设计

I/O模块原理图是传感器、执行器与I/O模块连接原理图。在设计时，应多查阅相关的I/O模块以及传感器和执行器的手册资料，对其连接的方式应予以充分的了解。这样在设计时才不会出现问题。同时还应考虑到裕量问题，即留出一部分I/O端口作备用，以便以后维修或者扩展之用。

1.5 PLC控制系统软件设计

1控制软件设计

控制软件是整个控制系统的“思想”。经过工程师们漫长的摸索，总结出许多有用的开发方法。下面就其设计原则和流程进行探讨。

1. 设计原则

控制软件的设计应该遵循以下几个原则：

（1）正确性。首先要保证能够完成用户所要求的各项功能，确保程序不会出现人为的错误。

（2）可靠性。在满足正确性的同时，也不可忽视。在设计时要设置事故报警、联锁保护等。还要对不同的工作设备和不同的工作状态做互锁设计，以防止用户的误操作；在有信号干扰的系统中，程序设计还应考虑滤波和校正功能，以消除干扰的影响。

（3）可调整性。程序设计应采用模块化设计方式。要借鉴软件工程中的“高内聚，低耦合”的思想。这样，即便是程序出现了问题，或用户想另增加功能时，能够很容易的对其进行调整。

（4）可读性强。在系统维护和技术改造时，一般都要在原始程序的基础上改造。所以要求在编写程序时，应力求语句简单、条件清楚、可读性强，以便系统的改进和移植。

2. 设计流程

控制软件设计流程可大体上遵照图1-3。

2监控软件设计

一个很好的监控系统能够使操作员更加轻松、方便和安全。监控软件的发展也非常迅速，不仅功能强大，而且开发周期明显缩短，节省了开发的成本。一般来说，监控软件在设计时，应该包括以下几个方面：

（1）工艺流程界面。针对系统的总体流程，给操作员一个直观的操作环境，同时对系统的各项运行数据也能实时的显示。

（2）操作控制界面。操作员可能对系统进行开车、停车、手动/自动等一系列的操作，通过此界面可以很容易的操作。

（3）趋势曲线界面。在过程控制中，许多过程变量的变化趋势对系统的运行起着重要的影响，因此趋势曲线在过程控制中尤为重要。

（4）历史数据归档。为了方便用户查找以往的系统运行数据，需要将系统运行状态进行归档保存。

（5）报警信息提示。当出现报警时，系统会以非常明显的方式来告诉操作员，同时对报警的信息也进行归档。

（6）相关参数设置。有些系统随着时间的运行，会一些参数会发生改变，操作员可根据自己的经验对相应的参数进行一些调整。

轻松掌握PLC控制系统设计(三)

2016-07-27工控论坛

本篇文章能让读者了解PLC控制系统设计的原则和一般流程；理解控制系统可靠性设计方法和调试方法；掌握硬件系统选型的方法。由于内容较多,我们分为三个片断。这是最后一个片段，重点讲述可靠性、冗余、供电系统设计。

1.6 PLC控制系统的可靠性设计

1环境技术条件设计

1. 可编程控制器的环境适应性

由于可编程控制器是直接用于工业控制的工业控制器，生产厂家都把它设计成能在恶劣的环境条件下可靠地工作。尽管如此，每种控制器都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。

一般可编程控制器及其外部电路（I/O模块、辅助电源等）都能在下列环境条件下可靠地工作：

温度工作温度0-55℃，最高为60℃

保存温度-40℃- +85℃

湿度相对湿度5%-95%（无凝结霜）

振动和冲击满足国际电工委员会标准

电源AC200V允许变化范围-15%—+15%,频率

47-53 Hz 瞬间停电保持10 ms

环境周围空气不能混有可燃性、爆炸性和腐蚀性气体

2. 环境条件对可编程控制器的影响

（1）温度的影响

可编程控制器及其外部电路都是由半导体集成电路（简称IC）、晶体管和电阻、电容等元器件构成的，温度的变化将直接影响这些元器件的可靠性和寿命。

温度高时容易产生下列问题：IC、晶体管等半导体器件性能恶化，故障率增加和寿命降低；电容器件等漏电流增大，故障率增大，寿命降低；模拟回路的漂移变大，精度降低等。如果温度偏低，除模拟回路精度降低外，回路的安全系数变小，超低温时可能引起控制系统的动作不正常。特别是温度的急剧变化（高低温冲击）时，由于电子器件热胀冷缩，更容易引起电子器件的恶化和温度特性变坏。

（2）湿度的影响

在湿度大的环境中，水分容易通过模块上IC 的金属表面缺陷浸入内部，引起内部元件的恶化，印刷板可能由于高压或高浪涌电压而引起短路。

在极干燥的环境下，绝缘物体上可能带静电，特别是MOS集成电路，由于输入阻抗高，可能由于静电感应而损坏。

控制器不运行时，由于温度、湿度的急骤变化可能引起结露。结露后会使绝缘电阻大大降低，由于高压的泄漏，可使金属表面生锈。特别是AC220V、AC110V的输入/输出模块，由于绝缘的恶化可能产生预想不到的事故。

（3）振动和冲击的影响

一般可编程控制器能耐的振动和冲击频率为10~55Hz，振幅为0.5mm，加速度为2g，冲击为10g（g=10m/s2）。超过这个极限时，可能会引起电磁阀或断路器误动作，机械结构松动，电气部件疲劳损坏，以及连接器的接触不良等后果。

（4）周围空气的影响

周围空气中不能混有尘埃、导电性粉末、腐蚀性气体、水分、油份、油雾、有机溶剂和盐分等，否则会引起下列不良反应：尘埃可引起接触部分的接触不良，或使滤波器的网眼堵住，使盘内温度升高；导电性粉末可引起误动作，绝缘性能变差和短路等，油和油雾可能会引起接触不良和腐蚀塑料；腐蚀性气体和盐分可能会引起印刷板的底板或引线腐蚀，造成继电器或开关类的可动部件接触不良。

3. 改善环境设计

由上面的介绍可知，环境条件对可编程控制器的控制系统可靠性影响很大，为此必须针对具体应用场合采取相应的改善环境措施。这里介绍几种常用、可行的有效措施。

(1) 高温对策

如果控制系统的周围环境温度超过极限温度（60℃），必须采取下面的有效措施。

1) 盘、柜内设置风扇或冷风机，通过滤波器把自然风引入盘、柜内。由于风扇的寿命不那么长，故必须和滤波器一起定期检修。注意冷风机不能结露。

2) 把控制系统置于有空调的控制室内，不能直接放在日光下。

3) 控制器的安装都应考虑通风，控制器的上下都要如图1-4所示的那样留有50mm的距离，I/O模块配线时要使用导线槽，以免妨碍通风。

图1-4 风路设计

4) 安装时要把发热体（如电阻器或电磁接触器等）远离控制器，或者把控制器安装在发热体的下面。

(2) 低温对策

1) 盘、柜内设置加热器，冬季时这种加热器特别有效，可使盘、柜内温度保持在0℃以上或者10℃左右。设置加热器时要选择适当的温度传感器，以便能在高温时自动切断加热器电源，低温时自动接通电源。