3.2 PLC控制系统的开发流程

在对PLC的基本工作原理和编程技术有了一定的了解之后，我们就可以用PLC来构成一个实际的控制系统。PLC控制系统的设计主要包括系统设计、程序设计、施工设计和安装调试等四方面的内容。本节主要介绍PLC控制系统的开发步骤和内容、设计与实施过程中应该注意的事项，使读者初步掌握PLC控制系统的设计流程。要达到能顺利地完成PLC控制系统的设计，最重要的是需要不断地实践。

3.2.1 PLC控制系统设计的基本原则与内容

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：

1.最大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

2.保证PLC控制系统安全可靠

保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等）也能正常工作。

3.力求简单、经济、使用及维修方便

一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。

4.适应发展的需要

由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择PLC、I/O模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有余量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。

PLC控制系统设计一般步骤如下：

系统规划（总体设计）—硬件设计（选型）—软件设计（编程）—系统调试（试车）—技术文件编制（操作说明书）。

3.2.2 PLC控制系统设计与调试的步骤

1.分析被控对象并提出控制要求

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、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。

2.确定I/O设备

根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其他执行器等），从而确定与PLC有关的I/O设备，以确定PLC的I/O点数。

3.选择PLC

PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择。

（1）国外

施耐德、罗克韦尔、西门子、GE、日本三菱、欧姆龙、富士、松下、东芝等。

（2）国内

PLC生产厂约30家：汇川、台达、深圳德维森、深圳艾默生、无锡光洋、无锡信捷、北京和利时、北京凯迪恩、北京安控、黄石科威、洛阳易达、浙大中控、浙大中自、南京冠德、兰州全志等。

（3）三菱PLC产品主要有FX系列（见表3-1）、A系列、Q系列

表3-1 FX系列

Q系列主要有：

Q00、Q01、Q02（H）、Q06H、Q12H、Q25（P）H、Q25SSPLC等。

FX系列扩展单元：

输入扩展：FX2N-16EX（16入）。

输出扩展：FX2N-16EYR（16继电器输出）；

FX2N-16EYT（16晶体管输出）。

输入/输出混合扩展：FX2N-32ER（16入，16出）其中16、32—I/O点数，EX为输入扩展模块，EYR为继电器输出扩展模块，YET为晶体管输出扩展模块。

1）继电器输出：为有触点输出方式，适用于低频大功率直流或交流负载。

2）晶体管输出：为无触点输出方式，适用于高频小功率直流负载。

3）晶闸管输出：为无触点输出方式，适用于高速大功率交流负载。

4.CPU

CPU是PLC的核心，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。

1）接受从编程设备输入的用户程序和数据。

2）诊断电源、内部电路、程序的语法错误。

3）通过输入接口，读取外部输入信号的状态，存入输入映象寄存器。

4）读取用户程序，逐条逐步地执行，并把计算结果存入输出状态寄存器。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度、I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

5.I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入/输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。

I/O种类有开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）等。开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有AC220V、AC110V、DC24V，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4～20mA、0～20mA）、电压型（0～10V、0～5V、-10～10V）等，按精度分，有12bit、14bit、16bit等。除了上述通用I/O外，还有特殊I/O模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

输入：接收外部信号的状态；输出：发出信号，控制外部设备。

开关量输入举例：按钮、转换开关、限位开关、数字开关等。

开关量输出举例：指示灯、显示器、电磁阀、继电器等。

模拟量举例：温度、电压、电流、流量、压力等。

6.存储器

存储器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC其内存大小也不尽相同。

7.电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（AC220V或AC110V）、直流电源（常用的为AC24V）。

8.底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

9.PLC系统的其他设备

编程设备：手持型编程器、计算机、人机界面。

3.2.3 分配I/O点并设计PLC外围硬件电路

1.分配I/O点

画出PLC的I/O点与I/O设备的连接图或对应关系表，该部分也可在第2步中进行。

2.设计PLC外围硬件电路

画出系统其他部分的电气电路，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。

由PLC的I/O连接图和PLC外围电气电路组成系统的电气原理图。到此为止，系统的硬件电气电路已经确定。

3.2.4 程序设计

1.程序设计

根据系统的控制要求，采用合适的设计方法（见第6章）来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：

（1）初始化程序 在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为起动做必要的准备，避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等。

（2）检测、故障诊断和显示等程序 这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。

（3）保护和联锁程序 保护和联锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑。它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。

2.程序模拟调试

程序模拟调试的基本思想是：以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。

1）硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。

2）软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。

3.2.5 硬件实施

硬件实施方面主要是进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。主要内容有：

1）设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图。

2）设计系统各部分之间的电气互连图。

3）根据施工图样进行现场接线，并进行详细检查。

由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。

3.2.6 联机调试

联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序做调整。通常只需修改部分程序即可。

全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。

3.2.7 整理和编写技术文件

技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。