水工业PLC控制系统设计的要点

摘要：在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，本文叙述PLC控制系统设计时应该注意的问题。

　　在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器(PLC)来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一，本文叙述PLC控制系统设计时应该注意的问题。
　　控制硬件选购目前市场上的PLC产品众多。国产品牌有：永宏、和利时、凯迪恩等；国外有：日本的 OMRON、MITSUBISHI、松下；德国的SIEMENS，韩国的LG等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高，这是众多技术人员选用PLC的重要原因。但各品牌的PLC在性能指标上都有着较大的差异。所以如何选购PLC产品成为了系统设计和系统功能要求的重要环节。
　　1．系统规模首先应确定系统用 PLC单机控制，还是用PLC形成网络，由此计算PLC输入、输出点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上留有一定余量(10%)。
　　2．确定负载类型根据PLC输出端所带的负载是直流型还是交流型，是大电流还是小电流，以及PLC输出点动作的频率等，从而确定输出端采用继电器输出，还是晶体管输出，或晶
闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式，对系统的稳定运行是很重要的。
　　3．存储容量与速度尽管国外各厂家的PLC产品大体相同，但也有一定的区别。目前还未发现各公司之间完全兼容的产品。各个公司的开发软件都不相同，而用户程序的存储容量和指令的执行速度是两个重要指标。一般存储容量越大、速度越快的PLC价格就越高，但应该根据系统的大小合理选用PLC产品。
　　4．编程器的选购 PLC编程可采用三种方式：
　　一是用一般的手持编程器编程，它只能用商家规定语句表中的语句编程。这种方式效率低，但对于系统容量小，用量小的产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。
　　二是用图形编程器编程，该编程器采用梯形图编程，方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。
　　三是用个人计算机加PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式。基于电脑笔记本的普及和PLC软件编程的方便性，并且易于现场调试。这种方式是用户最喜欢用的一种方式。
　　因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC产品。
　　5．尽量选用大公司的产品其质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，还有利于你的产品扩展与软件升级。
　　输入回路的设计
　　1．电源回路 PLC供电电源一般为 AC85—240V(也有DC24V)，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件(如电源滤波器、1：1隔离变压器等)。
　　2．PLC上DC24V电源的使用，各公司 PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时作好防短路措施(因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行)。
　　3. 外部DC24V电源 若输入回路有 DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源；但该电源的“—”端不要与 PLC的 DC24V的“—”端以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。
　　4．输入的灵敏度各厂家对PLC的输人端电压和电流都有规定，如日本三菱公司FX系列PLC的输入值为：DC24V、7mA，启动电流为4．5mA，关断电流小于1．5mA，因此，当输入回路串有二极管或电阻(不能完全启动)，或者有并联电阻或有漏电流时(不能完全切断)，就会有误动作，灵敏度下降，对此应采取措施。另一方面，当输入器件的输入电流大于PLC的最大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件，并且选用输人为共漏型输入的 PLC，输入元件的公共点电位相对为负，电流是流出 PLC的输入端。
　　输出回路的设计
　　1．各种输出方式之间的比较
　　(1)继电器输出：优点是不同公共点之间可带不同的交、直流负载，且电压也可不同，带负载电流可达2A／点；但继电器输出方式不适用于高频动作的负载，这是由继电器的寿命决定的。其寿命随带负载电流的增加而减少，一般在几十万次至几百万次之间，有的公司产品可达1000万次以上，响应时间为10ms
　　(2)晶闸管输出：带负载能力为0．2A／点，只能带交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms.
　　(3)晶体管输出：最大优点是适应于高频动作，响应时间短，一般为0．2ms左右，但它只能带 DC 5—30V的负载，最大输出负载电流为0．5A／点，但每4点不得大于0．8A。
　　当你的系统输出频率为每分钟6次以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。当频率为10次／min以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PC输出驱动达林顿三极管(5 —10A)，再驱动负载(见图2)，可大大减小
　　2．抗干扰与外部互锁当 PLC输出带感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。
　　当两个物理量的输出在PLC内部已进行软件互锁后，在PLC的外部也应进行互锁，以加强系统的可靠性。
　　3．“COM“点的选择不同的 PLC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带2个或1个输出点的。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1—2个输出点的 PLC产品；当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”点带4—8个输出点的PLC产品，这样会对电路设计带来很多方便。每个“COM”点处加一熔丝，1—2个输出时加2A的熔丝，4—8点输出的加5—10A的熔丝，因 PLC内部一般没有熔丝。
　　4．PLC外部驱动电路对于 PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路：可以用三极管驱，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路，且每路有显示二极
管(LED)指示。印制板应做成插拔式，易于维修。
　　PLC的输入输出布线也有一定的要求，请看各公司的使用说明书。
　　扩展模块的选用
　　对于小的系统，如80点以内的系统．一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。
　　各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。 PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。
　　PLC的网络设计
　　当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。
　　最后，还要向 PLC的商家寻求网络设计和软件技术支持及详细的技术资料，至于选用几层工作站，依你的控制要求与系统大小而定。
　　软件编制
　　在编制软件前，应首先熟悉所选用的 PLC产品的软件手册及编程指令手册，待熟练后再编程。若用图形编程器与软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。若用个人计算机与软件编程，编程结束后先仿真程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。