1.3 可编程控制系统设计过程

随着控制系统的发展，在工业控制中PLC被广泛使用。在了解了PLC的产生、发展、特点及应用后，接下来先从宏观上熟悉PLC控制系统的设计过程，认识在PLC控制系统开发过程中需要哪些知识储备，明确后续具体知识点的学习方向。

1.3.1 PLC控制系统设计思想

首先要了解“系统”的含义，所谓系统，是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。PLC控制系统存在于各个领域，种类多样，但归纳起来，它们都是由五大要素组成的，即由计算机、传感器、机械装置、动力及执行器组成，与这五大要素相对应的是控制、检测、结构、驱动和运转五大功能。

PLC控制系统是由相互制约的五大要素组成的具有一定功能的整体，不但要求每个要素都具有高性能和高功能，还强调它们之间的协调与配合，以便更好地实现预期的功能，达到系统整体最佳的目标。

早期的PLC控制系统设计法往往是一种“取代法”，即用PLC取代原继电—接触器控制系统，将原来的电气控制电路图转换为梯形图。这种方法简单易行，但通常达不到工艺、机械、控制三者的最佳匹配。

PLC控制系统整体设计法是以优化的工艺为主线、控制理论为指导、计算机应用为手段、系统整体最佳为目标的一种综合设计方法。要求工程技术人员能够将微电子、电力电子、计算机、信息处理、通信、传感检测、过程控制、伺服传动、精密机械，以及自动控制等多种技术相互交叉、相互渗透、有机结合，做到融会贯通和综合运用。设计PLC控制系统的奥秘就在于“融会贯通”和“综合运用”。

1.3.2 PLC控制系统设计原则

随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务，它最适合工业环境较差，对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂的应用场合。在设计PLC系统时应遵循以下原则。

1.满足控制要求

最大限度地满足被控对象的工艺要求是设计控制系统的首要前提。这就要求设计人员在设计前深入现场进行调查研究，收集现场的资料和有效的控制经验，进行系统设计。

2.安全可靠

控制系统长期运行中能否安全、可靠、稳定是设计控制系统的重要原则，这就要求在系统设计、器件选取、软件编程上要全面考虑。例如，在硬件和软件的设计上，应保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常的情况下（如突然掉电再上电、按钮按错）也能正常运行。程序能接受并且只能接受合法操作，对非合法操作能予以拒绝等。

3.经济实用

在满足控制要求的条件下，一方面要注意不断地扩大工程效益，另一方面也要注意降低成本。系统设计要合理、经济，要能发挥PLC控制优势，这就要求控制系统简单，才能保证使用与维护方便且成本低。

4.适应发展

在设计控制系统时，需考虑到今后的功能扩充。这就要求在选择PLC机型和I/O单元时，要适当留有冗余量。

1.3.3 PLC控制系统设计的一般过程

在PLC控制系统的设计中，首先要根据实际条件制定技术路线，将其作为设计的依据；接着需要选定电气元件，如执行器件（电动机、电磁阀等），选择电器输入/输出器件；然后选择PLC型号并分配地址，绘制接线图；再接下来是制订软件的编写规范和编写软件，同时设计控制柜等；最后进行系统的调试和文档的编写工作。

设计PLC控制系统的方法很多，这与设计人员习惯遵守的设计规范及实践经验有关。但是，所有设计方法都要解决如下基本问题：进行PLC系统的功能设计、系统分析，提出PLC系统的基本规模和布局，确定PLC的机型和系统的具体配置。

所有的PLC控制系统都是完整的整体，一个系统设计从开始到最终完成一般都遵循一定的规律。如果按照通用的流程完成设计，往往能够达到事半功倍的效果，下面介绍PLC控制系统设计的一般流程。

1.了解工艺流程

PLC 控制系统是一个相对独立的结构体，但只有在与现场机械设备建立关联时才能体现出相应的功能，即电气设备只有与现场设备建立对应的连接后，才能发挥出电气控制的作用。设计者需要熟悉PLC控制系统现场的工艺流程情况，了解电气设备的应用环境、应用条件，大致掌握所需设备的类型、特点、动作时序、动作条件，此外还需了解电气系统与机械设备、现场各种仪表是否具备连接与安装的条件等。因此，熟悉工艺流程是PLC工程设计的前提条件。

2.项目需求分析

根据合同书或用户对于电气控制的要求，认真调查研究，收集资料，并与用户相关技术人员和操作人员一起分析讨论（此过程称为联络会），了解用户对于电气系统在实际操作、界面组态、逻辑时序、控制性能和故障处理等方面的要求。

在需求分析完成后，要生成明确的工艺流程图（或说明）、控制要求、故障保护等方面的详细说明文档，设计者还可自绘示意图以便在硬件设计时用作参考。

3.I/O资源分配

根据被控对象的特点以及用户对于控制系统的要求，确定控制台或控制柜需要的I/O设备，例如输入设备中的按键、开关、电位器或现场测量仪表等，输出设备中继电器、接触器、电磁阀、信号指示灯以及变频器等执行器。

设计需给出I/O分配表以及盘面设备的布置图，如需要的按键或开关等设备的个数及其编号，在控制台或控制柜上的相对位置等。根据需要进行自动控制的设备，确定PLC的I/O分配点。例如PLC接收的按键、（继电器）开关、光电编码器高速脉冲等开关量或变送器送来的模拟量信号，或由PLC向继电器线圈、电磁阀、直流电机或伺服驱动器所需的高速脉冲等发送的开关量信号或向变频器（或电动阀）发送的模拟量信号等。在I/O分配表中，需确定端子的位置及其连接的设备编号、信号类型等。

4.设备选型

为现场的电气控制设备进行选型，除选取电动机、变频器、触摸屏、PLC、电动阀等主要设备外，还需选择合适的中间设备，如继电器、信号灯、断路器（俗称空气开关）、熔断器等。相对来说，后者的选取更加重要。在选型时，功率或电流是电动机、变频器、断路器、继电器等设备的主要参考指标，同时也需要兼顾设备尺寸等问题。

设备选型完成后，需要给出所有设备主要指标参数（电流、电压、功率等）对照表。

5.绘制硬件设计图

综合现场工艺、用户需求以及硬件设备情况，绘制出对应的设计图，建议使用专用的设计软件如 AutoCAD 等完成。设计图中要包含尽可能丰富的信息，如硬件电路图、设备选型表、控制台/控制柜尺寸与布置图等。在设计硬件电路图时，如果要求手动和自动可独立进行，则需以设计具有相对独立功能的电路为主，在此基础上增加 PLC 的自动控制电路；否则以PLC为核心设计电路。在设计中需要特别重视硬件的保护功能，设备选型需要根据被控对象的情况具体确定。此外，继电器、熔断器等设备要根据后续电路的总功率确定合适的范围，一般选取为最大功率的110%～150%，具体的范围需根据设备类型确定。控制台/控制柜的尺寸要精确到毫米，如开孔必须给出孔洞在盘面上的位置，开孔的长、宽或半径要给出允许的公差范围。

本步骤是电气控制系统设计中最为重要的部分，设计图在确认无误后将进行硬件安装，如果设计中存在较大问题而没有被及时发现，轻者导致设备无法安装或项目返工延误工期，重者导致设备无法使用造成浪费，甚至由于保护措施不全导致设备损坏或人身事故，设计者需格外注意。

完整的设计图必须包含硬件电路图、设备选型表、控制台/控制柜尺寸与布置图，硬件电路图中要标明设备的编号、名称，设备选型表中要包含详细的品牌、名称、产品订货号、尺寸、（指示灯）颜色等信息，确保在采购时准确无误。

6.硬件安装与检验

根据设计图，完成硬件搭建与设备连接，形成实体的硬件设备。在设备完成后，需要检验系统的整体性能，如接线是否正确、手动操作的对应功能是否可以实现、必要的电气保护是否具备等，如存在瑕疵可对设计图与硬件连接进行修正。

在确保不会产生电气事故的前提下对PLC上电，检验对应端子的外部连接是否有效。对于PLC的开关量输入端，外部给予有效信号，同时检查PLC的端子指示灯显示是否正常（例如按下某个按键，检查连接按键的端子指示灯是否点亮）。如果是模拟量输入端，可在外部给予对应信号的情况下，在状态表中检测对应的数据区的数字量是否与输入电流值对应。检测PLC的开关量输出端时，可向PLC下载一个空的工程（即软件中包括程序块在内的所有模块均为空），然后打开状态表，分别强制PLC的输出端，检查连接的设备是否正常（例如对应的端子连接的继电器是否动作）。

7.软件编制

在硬件连接确认无误后，开始进行程序的编制。

① 结合需求分析的结论。根据功能将整个项目分为若干个功能块；将功能图用粗略的流程图替代；将流程图逐步分解为具体的流程图，对于功能重复的流程图可考虑在程序编制时形成子程序。

② 根据流程图及功能。为定时器（T）、计数器（C）、内部继电器（M）、数据存储区（V）分配地址，形成地址分配表。

③ 编制程序。为每个功能块（或子程序）、每个网络均增加必要的说明（注释）。

④ 调试与修改程序。程序编制完成后，由于程序设计工作中难免有错误和疏漏的地方，因此在系统运行之前必须进行软件测试工作，以排除程序中的错误，缩短系统调试周期。现在大部分的PLC主流产品都可在计算机上编程，并可直接进行模拟调试。

8.系统调试

当系统的硬件设计、软件设计完成后，就可以进行系统的调试工作了。在此过程中，首先对局部系统进行调试，然后进行联机调试。在调试过程中，必须严格按照从小系统到大系统、从单步到连续的规则。若发现问题，需要解决后才能进行下一步的调试工作。系统调试分为模拟调试和现场调试（或联调）。

模拟调试时，硬件部分的模拟调试可在断开主电路的情况下进行，主要试一试手动控制部分是否正确；软件部分的模拟调试可借助于模拟开关和PLC输出端的输出指示灯进行；需要模拟量信号I/O时，可用电位器和万用表配合进行。

现场调试也被称为联调，将工程下载至现场的PLC中，综合检验软硬件性能。除检测必要的功能是否完整外，还需重点检测系统的故障保护、报警和自恢复功能；可在条件允许的前提下人为制造故障，以确保在正式运行前尽可能多地解决可能出现的故障问题。如有问题可重新对软硬件进行调整，直至符合要求。调试之初，先将主电路断电，只对控制电路进行联调。通过现场联调信号的接入，常常还会发现软、硬件中的问题，有时厂家还要对某些控制功能进行改进。

9.编写技术文档

当设备调试通过并稳定试运行一段时间后，需将前述步骤中的文档整理成规范的文字型材料，同时还需为操作人员提供一份尽可能详细的操作规程，将设备的操作流程、故障处理以及注意事项等形成文字，以便于操作人员培训、设备维护及升级。主要技术文件如下。

① 可编程序控制器的外部接线图和其他电气图纸。

② 可编程序控制器的编程元件表，包括程序中使用的输入输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态寄存器等的元件号、名称、功能以及定时器、计数器的设定值等。

③ 带注释的梯形图和必要的文字说明。

④ 如果梯形图是用顺序控制法编写的，应提供顺序功能图或状态表。

10.交付与后期维护

系统交付用户后，还需在一段时间内进行定期的回访，并在维护期间给予必要的指导。