PLC控制新版系统硬件设计.docx

PLC控制系统硬件设计
设计以PLC为关键控制系统，要考虑：
1、设备正常运行；
2、合理、有效资金投入；
3、在满足可靠性和经济性前提下，含有一定优异性，能依据生产工艺改变扩展部分功效。
一、控制系统设计步骤
1、分析被控对象、明确控制要求
2、制订电气控制方案
3、确定输入/输出设备及信号特点
4、选择可编程控制器
5、分配输入/输出点地址
6、设计电气线路
7、设计控制程序
8、调试（包含模拟调试和联机调试）
9、技术文件整理
1）分析被控对象并提出控制要求
具体分析被控对象工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间配合，提出被控对象对PLC控制系统控制要求，确定控制方案，确定设计任务书。
2）确定输入／输出设备
依据系统控制要求，确定系统所需全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及多种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它实施器等），从而确定和PLC相关输入/输出设备，以确定PLCI/O点数。
3）选择PLC
PLC选择包含对PLC机型、容量、I/O模块、电源等选择。
4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路
分配I/O点：画出PLCI/O点和输入/输出设备连接图或对应关系表。
PLC外围硬件线路：画出系统其它部分电气线路图，包含主电路和未进入PLC控制电路等。
由PLCI/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统电气原理图。到此为止系统硬件电气线路已经确定。
5）程序设计
程序设计：1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊疗和显示等程序；4）保护和连锁程序。
模拟调试：依据产生现场信号方法不一样，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
6）硬件实施
设计控制柜和操作台等部分电器部署图及安装接线图；
设计系统各部分之间电气互连图；
依据施工图纸进行现场接线，并进行具体检验。
因为程序设计和硬件实施可同时进行，所以PLC控制系统设计周期可大大缩短。
7）联机调试
联机调试是将经过模拟调试程序深入进行在线统调。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，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。
全部调试完成后，交付试运行。经过一段时间运行，假如工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。
8）整理和编写技术文件
技术文件包含设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序和使用说明书等。
二、可编程控制器选择
伴随PLC技术发展，PLC产品种类也越来越多。不一样型号PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等也各有不一样，适用场所也各有侧重。
所以，合理选择PLC，对于提升PLC控制系统技术经济指标有着关键意义。
PLC选择关键应从PLC机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功效模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。
1可编程控制器机型选择
PLC机型选择基础标准是在满足功效要求及确保可靠、维护方便前提下，努力争取最好性能价格比。选择时关键考虑以下几点：
1）合理结构型式
PLC关键有整体式和模块式两种结构型式。
2）安装方法选择
安装方法有集中式、远程I／O式和多台PLC联网分布式。
3）对应功效要求
4）响应速度要求
5）系统可靠性要求
对可靠性要求很高系统，应考虑是否采取冗余系统或热备用系统
6）机型尽可能统一
便于备品备件采购和管理；有利于技术力量培训和技术水平提升，外部设备通用，资源可共享，易于联网通信。

2、指令系统选择
1）总指令数
2）指令种类
3）表示方法
4）编程工具
3、I/O模块选择
3.1 开关量输入模块选择
1）输入信号类型及电压等级
有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时关键依据现场输入信号和周围环境原因等。
直流输入模块延迟时间较短，还能够直接和靠近开关、光电开关等电子输入设备连接；
交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘恶劣环境。
开关量输入模块电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。
选择时关键依据现场输入设备和输入模块之间距离来考虑。
通常5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场所，如5Ｖ输入模块最远不得超出１０米。距离较远应选择输入电压等级较高。
2）输入接线方法
关键有汇点式和分组式两种接线方法

3）注意同时接通输入点数量
对于选择高密度输入模块(如30点、40点等)，应考虑该模块同时接通点数通常不要超出输入点数60％。

4）输入门槛电平
门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。
3.2 开关量输出模块选择
1）输出方法
开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方法：
继电器输出：价格廉价，能够驱动交、直流负载，适用电压大小范围较宽、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流能力较强，但动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不超出1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适适用于不频繁通断场所。
对于频繁通断负载，应该选择晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。

2）输出接线方法
开关量输出模块关键有分组式和分隔式两种接线方法

3）驱动能力
应依据实际输出设备电流大小来选择输出模块输出电流。假如实际输出设备电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大步骤。
4）注意同时接通输出点数量
同时接通输出设备累计电流值必需小于公共端所许可经过电流值。
通常来讲，同时接通点数不要超出同一公共端输出点数60％
5）输出最大电流和负载类型、环境温度等原因相关
和不一样负载类型亲密相关，尤其是输出最大电流。晶闸管最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。
3.3模拟量I/O模块选择
模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测而产生连续模拟量信号转换成PLC内部可接收数字量；
模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部数字量转换为模拟量信号输出。
经典模拟量I/O模块量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可依据实际需要选择，同时还应考虑其分辨率和转换精度等原因。
部分PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。
3.4 特殊功效模块选择
PLC厂家相继推出了部分含有特殊功效I/O模块，有还推出了自带CPU智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。
3.5 电源模块及其它外设选择
1）电源模块选择
电源模块选择仅对于模块式结构PLC而言，对于整体式PLC不存在电源选择。
电源模块选择关键考虑电源输出额定电流和电源输入电压。
2）编程器选择
3）写入器选择
为了预防因为干扰或锂电池电压不足等原因破坏RAM中用户程序，可选择EPROM写入器，经过它将用户程序固化在EPROM中。有些PLC或其编程器本身就含有EPROM 写入功效。
4、PLC容量选择
4.1 I／O点数选择
（1）在满足控制要求前提下努力争取使用I／O点最少。
（2）需要加上10％~15％裕量。
存放容量选择
存放容量大小不仅和PLC系统功效相关，还和功效实现方法、程序编写水平相关。一个有经验程序员和一个初学者，在完成同一复杂功效时，其程序量可能相差25％之多。
在I／O点数确定基础上，按下式估算存放容量后，再加20％~30％裕量。
存放容量(字节)＝开关量I/O点数×10 ＋ 模拟量I/O通道数×100
存放容量选择同时，注意对存放器类型选择。
5、其它选择
（1）性价比
（2）系列产品
（3）售后服务
5.2 系统硬件设计方案
1、系统设计总体方案
控制系统硬件设计、机型性能指标和多种功效模块选择对于控制系统设计是很关键问题
1）PLC控制系统类型
可分为集中控制系统和分布式控制系统。
2）系统运行方法
四种：自动、半自动、单步、手动方法。
3）系统停止方法
正常停止、临时停止、紧急停止三种。
2、系统硬件设计依据
系统硬件设计必需依据控制对象要求决定，包含控制对象工艺要求、设备情况、控制功效、I/O点数和种类，以组成比较优异控制系统。
3、系统硬件设计文件
1）系统硬件配置图
系统硬件配置图完整地给出整个系统硬件组成，包含：系统组成等级、系统联网情况、网上PLC站数、每个PLC站上CPU单元和扩展单元组成情况、每个PLC中各模块组成情况。
2）模块统计表
便于了解整个系统硬件设备情况和硬件设备投资计算，包含：模块名称、模块类型、模块订货号、所需模块个数等。
3）I/O地址分配表
4）I/O硬件接线图
5.3 PLC输入/输出电路设计

1、 输入电路设计
1）依据输入信号类型合理选择输入模块
2）输入元件接线方法
3）降低输入点方法
PLC在实际应用中常碰到这么两个问题：
（1）PLCI/O点数不够，需要扩展，然而增加I/O点数将提升成本；
（2）是已选定PLC可扩展I/O点数有限，无法再增加。
在满足系统控制要求前提下，合理使用I/O点数，尽可能降低所需I/O点数是很有意义。
降低输入点数方法：
分组输入

矩阵输入

1）矩阵输入方法需要硬件和软件相配合来完成
2）因为矩阵输入输入信号为一系列断续脉冲信号。
3）应确保输入信号宽度要大于Y0、Y1、Y2轮番导通一遍时间

组合输入
对于不会同时接通输入信号，可采取组合编码方法输入。

输入设备多功效化
比如

合并输入
将一些功效相同开关量输入设备合并输入。假如是多个常闭触点，则串联输入；假如是多个常开触点，则并联输入。
一些输入设备可不进PLC
有些输入信号功效简单、
包含面很窄，有时就没有必需
作为PLC输入，将它们放在
外部电路中一样能够满足要求。

2输出电路设计
1）依据负载类型确定输出方法
2）输出负载接线方法
3）选择输出电流、电压
输出模块额定输出电流、电压必需大于所需求电流和电压。
4）输出电路保护
在输出负载回路加装熔断器，进行短路保护。
5）降低输出点方法
降低输出点数方法
分组输出
当两组输出设备或负载不会同时工作，可经过外部转换开关或经过受PLC控制电器触点进行切换，所以PLC每个输出点能够控制两个不一样时工作负载。

矩阵输出
注意：采取矩阵输出时，必需要将同一时间段接通负载安排在同一行或同一列中，不然无法控制。

并联输出
注意PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑PLC输出点驱动能力是否足够。
输出设备多功效化
利用PLC逻辑处理功效，一个输出设备可实现多个用途。
一些输出设备可不进PLC
系统中一些相对独立、比较简单控制部分，可直接采取PLC外部硬件电路实现控制。
注意问题
以上部分常见降低I/0点数方法，仅供参考，实际应用中应该依据具体情况，灵活使用。
同时应该注意不要过份去降低PLCI/0点数，而使外部附加电路变得复杂，从而影响系统可靠性。
5.4 系统供电及接地设计
一、系统供电设计
系统供电设计是指PLC所需电源系统设计，包含供电系统通常性保护方法、PLC电源模块选择和经典供电系统设计。
1、供电系统保护方法
PLC通常使用工频电，电网冲击、频率波动直接影响到实时控制系统精度和可靠性，所以，为提升系统可靠性和抗干扰性能，在PLC供电系统中通常可采取隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等。
2、电源模块选择
PLCCPU所需工作电源通常是5V直流电源，通常编程接口和通信模块需5.2V和24V直流电源，由PLC本身电源模块供给。所以要考虑电源模块输入电压、输出功率、接线、扩展单元电源等问题。
3、供电系统设计
经典动力部分、PLC供电及I/O电源要分别供电。
二、接地设计
1、接地要求
（1）接地电阻要在要求范围内。
（2）要确保足够机械强度。
（3）要进行防腐处理。
（4）PLC控制系统要单独设计接地。
2、接地种类
大致有六种地线：数字地、模拟地、信号地、交流地、直流地、屏蔽地。

3、接地处理方法
（1）通常情况，高频电路应就近多点接地，低频电路应一点接地。
（2）交流地和信号地不能共用。
（3）浮地和接地不一样
（4）模拟地和屏蔽地接线。
PLC通常最好单独接地，也能够采取公共接地，但严禁使用串联接地方法 。
PLC接地线应尽可能短，使接地点尽可能靠近PLC。同时，接地电阻要小于4Ω，接地线截面应大于２mm2。