1.5 PLC控制系统设计的基本原则与步骤
1.5.1 PLC控制系统设计的应用环境
由于PLC是一种计算机化了的高科技产品,相对继电器来说价格较高,因此在PLC控制系统设计之前,就要考虑是否有必要使用PLC。
通常在以下情况可以考虑使用PLC:
① 控制系统的数字量I/O点数较多,控制要求复杂。若使用继电器控制,则需要大量的中间继电器、时间继电器等器件;
② 对控制系统的可靠性要求较高,继电器控制系统难以满足控制要求;
③ 由于生产工艺流程或产品的变化,需要经常改变控制系统的控制关系或控制参数;
④ 可以用一台PLC控制多个生产设备。
对于控制系统简单、I/O点数少,控制要求并不复杂的情况,则无需使用PLC控制,使用继电器控制就完全可以了。
1.5.2 PLC控制系统设计的基本原则
在实际生产过程中,任何一种控制都是以满足生产工艺的控制要求、提高产品质量和生产效率为目的的,因此在PLC控制系统的设计时,应遵循以下基本原则。
① 最大限度地满足生产工艺的控制要求。这是PLC控制系统设计的首要前提。这就需要设计人员深入现场进行调查研究,收集资料,同时要注意与操作员和工程管理人员密切配合,共同讨论,解决设计中出现的问题。
② 确保控制系统的工作安全可靠。这是设计的重要原则。这就要求设计者在设计时,应全面的考虑控制系统硬件和软件。
③ 力求使系统简单、经济,使用和维修方便。在满足生产工艺的控制要求前提下,要注意降低工程成本,提高工程效益,符合用户的操作习惯和方便维修。
④ 应考虑生产的发展和改进,在设计时应适当留有裕量。
1.5.3 PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统设计的流程图如图1-37所示。
图1-37 PLC控制系统设计的流程图
(1)深入了解被控系统的工艺过程和控制要求
深入了解被控系统的工艺过程和控制要求是系统设计的关键,这一步的好坏,直接影响着系统设计和施工的质量。首先应该详细分析被控对象的工艺过程及工作特点,了解被控对象机、电、液之间的关系,提出被控对象对PLC控制系统的要求。控制要求包括:
① 控制的基本方式:行程控制、时间控制、速度控制、电流和电压控制等;
② 需要完成的动作:动作及其顺序、动作条件;
③ 操作方式:手动(点动、回原点)、自动(单步、单周、自动运行)以及必要的保护、报警、连锁和互锁;
④ 确定软硬件分工;根据控制工艺的复杂程度,确定软硬件分工,可从技术方案、经济性、可靠性等方面做好软硬件的分工。
(2)确定控制方案,拟定设计说明书
在分析完被控对象的控制要求基础上,可以确定控制方案。通常有以下几种方案供参考。
① 单控制器系统:单控制器系统指采用一台PLC控制一台或多台被控设备的控制系统,如图1-38所示。
② 多控制器系统:多控制器系统即分布式控制系统,该系统中每个控制对象都是由一台PLC控制器来控制的,各台PLC控制器之间可以通过信号传递进行内部连锁,或由上位机通过总线进行通信控制,如图1-39所示。
图1-38 单控制器系统
图1-39 多控制器系统
③ 远程I/O控制系统:远程I/O系统是I/O模块,不与控制器放在一起,而是远距离放在被控设备附近,如图1-40所示。
图1-40 远程I/O控制系统
(3)PLC硬件选型
PLC硬件选型的基本原则:在功能满足的条件下,保证系统安全可靠运行,尽量兼顾价格。具体应考虑以下几个方面。
① PLC的硬件功能
对于开关量控制系统,主要考虑PLC的最大I/O点数是否满足要求,如有特殊要求,如通信控制、模拟量控制等,则应考虑是否有相应的特殊功能模块。
此外还要考虑扩展能力、程序存储器与数据存储器的容量等。
② 确定输入输出点数
确定输入输出点数前,应确定哪些信号需要输入给PLC,哪些负载需要PLC来驱动,还要确定哪些是数字量,哪些是模拟量,哪些是直流量,哪些是交流量,电压等级以及是否有特殊要求。在确定时,应考虑今后系统改进和扩充的需求,应留有一定的裕量。
③ PLC供电电源类型、输入和输出模块的类型
PLC供电电源类型一般有两种,分别为交流型和直流型。交流型供电通常为220V,直流型供电通常为24V。
数字量输入模块的输入电压一般为DC24V。直流输入电路的延迟时间较短,可直接与光电开关、接近开关等电子输入设备直接相连。
如有模拟量还需考虑变送器、执行机构的量程与模拟量输入输出模块的量程是否匹配等。
继电器型输出模块的工作电压范围广,触点导通电压降小,承受瞬间过电压和瞬间过电流能力强,但触点寿命有限制,动作速度较慢。若系统的输出信号变化不是很频繁,建议优先选择继电器输出型模块。继电器型输出模块可用于交直流负载。
晶体管输出型用于直流负载,它们具有可靠性高、执行速度快、寿命长等优点,但过载能力较差。
④ PLC的结构及安装方式
PLC分为整体式和模块式两种,整体式每点的价格比模块式的便宜。模块式的功能扩展灵活,安装方便,特殊模块选择的余地大,一般较复杂的系统选择模块式PLC。
(4)硬件设计
PLC控制系统的硬件设计主要包括I/O地址分配、系统主回路和控制回路的设计、PLC输入输出电路的设计、控制柜或操作台电气元件安装布置设计等。
① I/O地址分配
输入点和输入信号、输出点和输出控制是一一对应的。通常按系统配置通道与触点号来分配每个输入输出信号,即进行编号。在编号时要注意,不同型号的PLC,其输入输出通道范围不同,要根据所选PLC的型号进行确定,切不可“张冠李戴”。
② 系统主回路和控制回路设计
a.系统主回路设计:主回路通常是指电流较大的电路,如电动机主电路、控制变压器的一次侧输入回路、控制系统的电源输入和控制电路等。
在设计主电路时,主要要考虑以下几个方面。
◆ 总开关的类型、容量、分段能力和所用的场合等。
◆ 保护装置的设置。短路保护要设置熔断器或断路器,过载保护要设置热继电器,漏电保护要设置漏电保护器等。
◆ 接地。从安全的角度考虑,控制系统应设置保护接地。
b.系统控制回路设计:控制回路通常是指电流较小的电路。控制回路设计一般包括保护电路、安全电路、信号电路和控制电路设计等。
③ PLC输入输出电路的设计
设计输入输出电路通常考虑以下问题。
◆ 输入电路可由PLC内部提供DC24V电源,也可外接电源;输出点需根据输出模块类型选择电源。
◆ 为了防止负载短路损坏PLC,输入输出电路公共端需加熔断器保护。
◆ 为了防止接触器相间短路,通常要设置互锁电路,例如正反转电路。
◆ 输出电路有感性负载,为了保证输出点的安全和防止干扰,直流电路需在感性负载两端并联续流二极管,交流电路需在感性负载两端并联阻容电路,如图1-41所示。
◆ 应减少输入输出点数,具体方法可参考4.2节。
图1-41 输出电路感性负载的处理
④ 控制柜或操作台电气元件安装布置设计
设计的目的是用于指导、规范现场生产和施工,并提高可靠性和标准化程度。
(5)软件设计
在软件设计之前,S7-200 SMART PLC需先对硬件进行组态,看该系统需要的CPU模块、信号板和扩展模块都是哪些,对应选择相应的型号。硬件组态完后,可以对软件进行设计了。
软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序等,小型数字量控制系统往往只有主程序。
软件设计主要包括以下几步。
① 首先应根据总体要求和控制系统的具体情况,确定程序的基本结构。
② 绘制控制流程图或顺序功能图。
③ 根据控制流程图或顺序功能图设计梯形图;简单系统可用经验设计法,复杂系统可用顺序控制设计法。
(6)软、硬件调试
调试分为模拟调试和联机调试。
在软件设计完成后一般作模拟调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替PLC硬件,在计算机上调试程序。若有PLC硬件,可以用小开关和按钮模拟PLC的实际输入信号,再通过输出模块上个输出位对应的指示灯,观察输出信号是否满足设计要求。若需要模拟信号I/O时,可用电位器和万用表配合进行。
硬件模拟调试主要是对控制柜或操作台的接线进行测试,可在操作台的接线端子上模拟PLC外部数字输入信号,或者操作按钮指令开关,观察对应PLC输入点的状态。
在联机调试时,把编制好的程序下载到现场的PLC中,调试时,主电路一定要断电,只对控制电路进行调试。通过现场联机调试,还会发现新的问题或需要对某些控制功能进行改进。
如软硬件调试均没问题,就可以整体调试了。
(7)编制控制系统的使用说明书
系统交付使用后,应根据调试的最终结果整理出完整的技术文件,单位存档,部分资料提供给用户,以利于系统的维修和改进。
编制的文件有:PLC的硬件接线图和其他的电气样图,PLC编程元件表和带有文字说明的梯形图。此外若使用的是顺序控制法,顺序功能图也需要加以整理。