淺談PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其在使用中的問(wèn)題

PLC是工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)平臺(tái)。PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題是工程選型與編程平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。其次，PLC在解決自動(dòng)化工程問(wèn)題時(shí)首先面臨輸入輸出系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)正確性問(wèn)題。對(duì)于大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電磁閥的開(kāi)閉，電機(jī)的起停，溫度、壓力、流量的設(shè)定,產(chǎn)品的計(jì)數(shù)與控制等，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的這些自動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)需要事先進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)的工程分析與正確設(shè)計(jì)。

2 PLC及編程系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)

在當(dāng)今行業(yè)市場(chǎng)上PLC產(chǎn)品種類(lèi)眾多，除國(guó)產(chǎn)品牌以外，國(guó)外的品牌有:日本OMRON、HITACHI、FUJI、IDEC、松下、MITSUBISHI、德國(guó)的西門(mén)子，韓國(guó)的LG等等，如何合理選型PLC產(chǎn)品？
2.1通訊要求與I/O點(diǎn)數(shù)裕量

首先，應(yīng)該確定系統(tǒng)用PLC單機(jī)控制還是用PLC形成網(wǎng)絡(luò)，由此計(jì)算出輸入、輸出(I/O)點(diǎn)數(shù)，并且在選購(gòu)PLC時(shí)要在實(shí)際需要點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上預(yù)留10%的余量。

2.2I/O負(fù)載分析

確定負(fù)載類(lèi)型。根據(jù)PLC輸出端所帶負(fù)載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點(diǎn)動(dòng)作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或是晶閘管輸出。不同的負(fù)載選用不同的輸出方式對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是極為重要的。

2.3運(yùn)行速度

執(zhí)行速度。存儲(chǔ)容量與指令的執(zhí)行速度是PLC選型的重要指標(biāo)，一般存儲(chǔ)量越大、速度越快的PLC,其價(jià)格就越高，盡管?chē)?guó)外各廠家產(chǎn)品大體相同，但也有一定區(qū)別。

2.4獨(dú)立I/O公用端口(COM)編組規(guī)模

“COM”點(diǎn)的選擇。不同的PLC產(chǎn)品，其“COM”端口的點(diǎn)的數(shù)量是不一樣的，有的一個(gè)“COM”點(diǎn)帶8個(gè)輸出點(diǎn)，有的帶4個(gè)輸出點(diǎn)，也有帶1個(gè)或2個(gè)輸出點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載的種類(lèi)多，且電流大時(shí)，采用一個(gè)“COM”點(diǎn)帶1—2個(gè)輸出點(diǎn)的產(chǎn)品，當(dāng)負(fù)載種類(lèi)少，數(shù)量多時(shí)，采用一個(gè)“COM”點(diǎn)帶4—8個(gè)輸出點(diǎn)產(chǎn)品。

2.5系統(tǒng)兼容

系統(tǒng)的兼容性。由于各生產(chǎn)廠家的開(kāi)發(fā)軟件不同，系統(tǒng)的兼容性也是選購(gòu)時(shí)的重點(diǎn)，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)完全兼容的產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)合理地選用PLC產(chǎn)品。

2.6編程平臺(tái)

編程器的選購(gòu)。PLC編程可采取三種方式:一是用一般的手持式編程器。它只能用廠家出廠規(guī)定的語(yǔ)句表中的語(yǔ)句來(lái)編程,其優(yōu)點(diǎn)是易于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試并且體積小、成本低，但它的效率低，適應(yīng)機(jī)種類(lèi)型少，比較適用于系統(tǒng)容量小、用量少的系統(tǒng)中。二是圖形編程器編程，這種方式采用圖形方式編程，方便直觀，一般電氣人員短期就可以應(yīng)用自如，但編程器價(jià)格較高。三是用IBM及其兼容個(gè)人計(jì)算機(jī)+PLC軟件包編程，這種方式是效率最高的一種方式，也是最常用的一種方式，但大部分軟件包價(jià)格昂貴。

2.7PLC制造商選擇

盡量選用大公司的產(chǎn)品。因?yàn)榇蠊镜漠a(chǎn)品，質(zhì)量有保障，且技術(shù)支持好，一般售后服務(wù)也較好，有利于以后產(chǎn)品的擴(kuò)展與軟、硬件升級(jí)。

3輸入、輸出回路的設(shè)計(jì)

3.1本體電源回路

PLC供電一般為AC85-240V(也有DC24V)，適應(yīng)電源范圍較寬，但為了抗干擾，應(yīng)加裝電源凈化元件(如電源濾波器、1:1隔離變壓器等)。

3.2外部I/O驅(qū)動(dòng)電源

若輸入回路有DC24V供電的接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)等，而PLC上的DC24V電源容量不夠時(shí)，要從外部提供DC24V電源，但該電源的“一”端不要與PLC的DC24V電源的“一”以及“COM”端相連，否則會(huì)影響PLC的運(yùn)行。

3.3自備I/O驅(qū)動(dòng)電源

各公司PLC產(chǎn)品上一般都有DC24V電源，但該電源容量小，為幾十毫安至幾百毫安，用其帶負(fù)載時(shí)應(yīng)注意容量，同時(shí)做好防短路措施(因?yàn)樵撾娫吹倪^(guò)載或短路將影響PLC的運(yùn)行)。

3.4輸入靈敏度

生產(chǎn)廠家對(duì)PLC的輸入電壓和電流都有規(guī)定，當(dāng)輸入元件的輸入電流大于PLC的最大輸入電流或有漏電流時(shí)，就會(huì)有誤動(dòng)作，降低靈敏度，所以應(yīng)適用弱電流輸入并對(duì)漏電流采取防護(hù)措施，并且選用輸入為共漏型輸入的PLC。兩線式傳感器(光電開(kāi)關(guān)、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān))有LED的限位開(kāi)關(guān)時(shí)，輸入漏電流會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸入或燈亮，對(duì)策為連接泄放電阻降低輸入阻抗。

對(duì)于晶體管或雙向可控硅輸出端，若接到一個(gè)較大沖擊電流的設(shè)備上，就必須考慮負(fù)載保護(hù)。

3.5感性負(fù)載處理

在輸入、輸出端接感性負(fù)載時(shí)，要在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)沖擊抑制器或續(xù)流二極管。

3.6 PLC外部驅(qū)動(dòng)電路

對(duì)于PLC輸出不能直接帶動(dòng)負(fù)載的情況下，必須在外部采用驅(qū)動(dòng)電路，可以用固態(tài)繼電器或晶閘管電路驅(qū)動(dòng)，同時(shí)應(yīng)采用保護(hù)電路和浪涌吸收電路。另外PLC的輸入輸出布線也有一定要求，請(qǐng)參照各公司的使用說(shuō)明書(shū)。需要特別指出，對(duì)于常見(jiàn)的AC220V感性小負(fù)載，例如交流接觸器、交流線圈繼電器、電磁閥等，盡管技術(shù)標(biāo)稱(chēng)可能符合直接驅(qū)動(dòng)規(guī)范，工程上絕對(duì)不主張PLC直接驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)約設(shè)計(jì)，應(yīng)該通過(guò)中間繼電器間接驅(qū)動(dòng)。

4擴(kuò)展模塊的選用

對(duì)于小的系統(tǒng)，如80點(diǎn)以?xún)?nèi)的系統(tǒng)，一般不需要擴(kuò)展;當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，就要擴(kuò)展。不同公司的產(chǎn)品，對(duì)系統(tǒng)總點(diǎn)數(shù)及擴(kuò)展模塊數(shù)量都有限制，當(dāng)擴(kuò)展仍不能滿(mǎn)足需要時(shí)，可采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，有些廠家產(chǎn)品的個(gè)別指令不支持?jǐn)U展模塊，因此，在進(jìn)行軟件編程時(shí)要注意。當(dāng)采用溫度等模擬模塊時(shí)，各廠家也有一些規(guī)定，請(qǐng)參閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)。

5PLC通訊設(shè)計(jì)

當(dāng)用PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，其難度比PLC單機(jī)控制大得多。首先應(yīng)選用自己比較熟悉的機(jī)型，對(duì)其基本指令和功能指令有較深入的了解，并且指令的執(zhí)行速度和用戶(hù)程序存儲(chǔ)容量也應(yīng)仔細(xì)了解。否則，不能適應(yīng)實(shí)時(shí)要求，造成系統(tǒng)崩潰。另外對(duì)通信接口、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳送速度等也要進(jìn)行必要地考慮。

最后，向PLC的廠家尋求網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和軟件支持及詳細(xì)技術(shù)資料，至于選用幾層工作站，依照系統(tǒng)大小而定。

6軟件程序編制

在編制軟件前，應(yīng)首先熟悉所選用的PLC產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)，待熟悉后再編程。若采用圖形編程器或軟件包編程，則可直接編程，若用手持編程器編程，應(yīng)先畫(huà)出梯形圖，然后編程，這樣可以減少出錯(cuò)，速度也快，編成完成后先空運(yùn)轉(zhuǎn)，待各個(gè)動(dòng)作正常后，再在設(shè)備上進(jìn)行調(diào)試。

7PLC應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題

雖然PLC是一種用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的前端自動(dòng)化技術(shù)基礎(chǔ)裝備，可以直接在多數(shù)工業(yè)環(huán)境中使用。然而，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境過(guò)于惡劣，電磁干擾特別強(qiáng)烈，或安裝使用不當(dāng)，就可能造成程序錯(cuò)誤或運(yùn)算錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生誤輸入并引起誤輸出，這將會(huì)造成設(shè)備的失控和誤動(dòng)作，從而不能保證PLC的正常運(yùn)行，要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求設(shè)計(jì)、安裝和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問(wèn)題，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應(yīng)注意以下問(wèn)題。

7.1 確保PLC工作環(huán)境

（1）溫度。PLC要求環(huán)境溫度在0—55攝氏度，安裝時(shí)不能放在發(fā)熱量大的元件下面，四周通風(fēng)散熱的空間應(yīng)足夠大。
（2）濕度。為了保證PLC的絕緣性能，空氣的相對(duì)濕度應(yīng)小于85%（無(wú)凝露）。
（3）空氣。避免有腐蝕和易燃的氣體，例如氯化氫、硫化氫等。對(duì)于空氣中有較多粉塵或腐蝕性氣體的環(huán)境，可將PLC安裝在封閉性較好的控制室或控制柜中。
（4）震動(dòng)。應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源，防止振動(dòng)頻率為10~55Hz的頻繁或連續(xù)振動(dòng)。當(dāng)使用環(huán)境不可避免震動(dòng)時(shí)，必須采取減震措施，如采用減震膠等。
（5）電源。PLC對(duì)于電源線帶來(lái)的干擾具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或電源干擾特別嚴(yán)重的環(huán)境中，可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾。一般PLC都有直流24V輸出提供給輸入端，當(dāng)輸入端使用外接直流電源時(shí)，應(yīng)選用直流穩(wěn)壓電源。因?yàn)槠胀ǖ恼鳛V波電源，由于紋波的影響，容易使PLC接收到錯(cuò)誤信息。

7.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的干擾及其來(lái)源

現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見(jiàn)也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素之一，所謂治標(biāo)先治本，找出問(wèn)題所在，才能提出解決問(wèn)題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場(chǎng)干擾的源頭。

(1)干擾源及一般分類(lèi)。影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射;磁場(chǎng)改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。

(2)PLC系統(tǒng)中干擾的主要來(lái)源及途徑。

對(duì)于強(qiáng)電干擾，PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓。尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化，刀開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流傳動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都通過(guò)輸電線路傳到電源原邊。柜內(nèi)干擾 控制柜內(nèi)的高壓電器，大的電感性負(fù)載，混亂的布線都容易對(duì)PLC造成一定程度的干擾。

來(lái)自信號(hào)線引入的干擾。與PLC控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類(lèi)信息之外，總會(huì)有外部干擾信號(hào)侵入。此干擾主要有兩種途徑:一是通過(guò)變送器供電電源或共用信號(hào)儀表的供電電源串入的電網(wǎng)干擾，這往往被忽視;二是信號(hào)線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號(hào)線上的外部感應(yīng)干擾，這是很?chē)?yán)重的。由信號(hào)引入干擾會(huì)引起I/O信號(hào)工作異常和測(cè)量精度大大降低，嚴(yán)重時(shí)將引起元器件損傷。

來(lái)自接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾。接地是提高電子設(shè)備電磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設(shè)備向外發(fā)出干擾;而錯(cuò)誤的接地，反而會(huì)引入嚴(yán)重的干擾信號(hào)，使PLC系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。

來(lái)自PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾。主要由系統(tǒng)內(nèi)部元器件及電路間的相互電磁輻射產(chǎn)生，如邏輯電路相互輻射及其對(duì)模擬電路的影響，模擬地與邏輯地的相互影響及元器件間的相互不匹配使用等。

變頻器干擾。一是變頻器啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾，引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量;二是變頻器的輸出會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾，影響周邊設(shè)備的正常工作。

7.3主要抗干擾措施

(1)電源的合理處理，抑制電網(wǎng)引入的干擾。對(duì)于電源引入的電網(wǎng)干擾可以安裝一臺(tái)帶屏蔽層的變比為1:1的隔離變壓器，以減少設(shè)備與地之間的干擾，還可以在電源輸入端串接LC濾波電路。

(2)正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)。良好的接地是保證PLC可靠工作的重要條件，可以避免偶然發(fā)生的電壓沖擊危害。接地的目的通常有兩個(gè)，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。完善的接地系統(tǒng)是PLC控制系統(tǒng)抗電磁干擾的重要措施之一。

(3)對(duì)變頻器干擾的抑制。變頻器的干擾處理方法:加隔離變壓器，主要是針對(duì)來(lái)自電源的傳導(dǎo)干擾，可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾阻隔在隔離變壓器之前。使用濾波器，濾波器具有較強(qiáng)的抗干擾能力，還具有防止將設(shè)備本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能。使用輸出電抗器，在變頻器到電動(dòng)機(jī)之間增加交流電抗器主要是減少變頻器輸出在能量傳輸過(guò)程中線路產(chǎn)生電磁輻射，影響其它設(shè)備正常工作。

8結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，例如電機(jī)的起停，電磁閥的開(kāi)閉，產(chǎn)品的計(jì)數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中自動(dòng)控制問(wèn)題中，可編程控制器(PLC)已成為解決問(wèn)題的最有效的工具之一，合理設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)，使之在自動(dòng)控制中發(fā)揮最有效的功效。

PLC控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，因此，在設(shè)計(jì)中，抗干擾問(wèn)題有待解決，應(yīng)綜合考慮各方面的因素，合理有效地抑制抗干擾，才能夠使PLC控制系統(tǒng)正常工作。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，如何高效可靠的設(shè)計(jì)和使用PLC，已經(jīng)成為其發(fā)展的重要因素。

21世紀(jì)，PLC會(huì)有更大的發(fā)展，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊全，通過(guò)完美的人機(jī)界面、完備的通信設(shè)備會(huì)更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場(chǎng)合的需求，PLC作為自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)和國(guó)際通用網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用