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PLC 控制系统的优化设计

The Optimization and Design of PLC Control System

河南安阳钢铁股份有限责任公司第二轧钢厂455004 李红星刘晓飞许亚军

(THE NO.2 STEEL MAKING SHOP OF ANYANG IRON AND STEEL CO.,LTD. HENAN PROVINCE 455004)

Li Hongxing Liu XiaoFei Xu YaJun

摘要：本文介绍了PLC 控制系统设计的简单过程，针对PLC 控制系统设计中的

问题进行分析，并且提出了合理化建议。

关键词： 控制系统设计PLC 安全

Abstract: This article reviews the simple process of PLC controle

system’s design, and have an analiese for the keys of PLC

controle system’s design,and have some reasonable suggestion

for these.

Keywords: control-system design plc safety

1.概论

作为计算机技术的应用，PLC(Programmable Logic Controller)是现代新型

工业控制的标志产品。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，PLC已经取代了继电器而成为解决自动控制领域问题的较有效、

较便捷的工具，PLC在工业控制领域得到了广泛的应用，本文就PLC工业控制系

统设计和应用中的问题进行探讨。

2．PLC 的选型

目前市场上的PLC产品众多，除国产品牌外，国外有：日本的OMRON C40/C60、

MITSUBISHI、FUJJ F50、Panasonic FP,德国的SIEMENS S7-300/400，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，这是众多自动

化工程技术人员选用PLC的重要原因。PLC的选型应注意以下方面：

2．1 PLC 控制系统规模的确定

2．1．1 一般依据工厂生产工艺流程确定，单机或者小规模生产过程，控制

过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主，I/O点数小于128点；建议选用微

型PLC,如C40/C60,F50,S7-200等。

2．1．2 如果生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，应该选用具有模拟量控制、

PID控制等功能的PLC，I/O点数在128--512点之间；建议选用中档PLC,如OMRON

C2000, SIEMENS S7-300等。

2.1.3如果生产过程是大规模过程控制、DCS系统和工厂自动化网络控制，应

该选用具有通信联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC, I/O

点数在512点以上；建议选用高档PLC,如OMRON C2000H, SIEMENS S7-400等,

再和工业现场总线Profibus结合实现工厂工业网络的无缝通讯和**控制。

2．2 PLC 编程器的确定

2．2．1一般的手持编程器编程

它只能用商家规定语句表中的语句表(STL)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,

这主要用于微型PLC，如三菱机电F1-40MR 的编程器(F1-20PE)。

2．2．2图形编程器编程

该编程器采用梯形图(LAD)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,主要用于微型PLC和中档PLC，如FUJI F50 、

OMRON C40/60的编程器。

2．2.3 个人计算机或兼容机加PLC软件包编程

这种方式是效率较高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂

贵，并且该方式不易于现场调试，主要用于中高档PLC系统的硬件组态和软件编

程，如SIEMENS STEP5.0 软件包。

2．3 PLC I/O 点类型的确定

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，或品闸管输出。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。

建议如下：电磁阀的开闭、大电感负载、动作的频率低的设备PLC输出端采

用继电器输出或者固态继电器输出；各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启

动停止应采用晶体管输出。

3．PLC 控制系统的设计

3．1 PLC 控制系统的硬件设计

PLC控制系统的硬件设计是至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运

行的可靠性、安全性、稳定性。

3．1．1 PLC 控制系统的输入电路设计

3．1．1．1电源回路

PLC供电电源一般为AC85—240V，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)；隔离变压器也可以采

用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级

线圈屏蔽层接PLC输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。

3．1．1．2输入电路

PLC输入电路电源一般应采用DC 24V,这对系统供电安全和PLC安全至关重

要，同时其带负载（接近开关等）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)，建议该电源的容量为输入电路功率的

两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜熔丝，防止短路。以直流输入模板为例，

如图一所示：

图一

3．1．2 PLC 控制系统的输出电路设计

依据生产工艺要求，各种指示灯、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用

晶体管输出，因为适应于高频动作，响应时间短；如果PLC系统输出频率为每分

钟6次以下时，应可以选择继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强。

PLC

输入模板

简图

L+

I0.0

I0.1

I0.2

.

.

.

I0.7

M

DC

24V+

DC

24V-

如果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。

当频率为10 次／min 以下时，既可采用继电器输出方式；也可采用PLC 输

出驱动中间继电器或者固态继电器(SSR)，再驱动负载，以继电器输出为例；一

般R为1～2K,C为2.2～4.7uF,如图二所示。

对于两个重要输出量不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的

互锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。

3．1．3 PLC 控制系统的抗干扰设计

随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使

用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防

干扰是我们必须考虑的课题。

3．1．3．1 隔离

由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而

成，所以建议采用1：1 超隔离变压器，并将中性点经电容接地。

3．1．3．2 屏蔽

金属外壳屏蔽，将PLC系统内至于金属罩之内，金属罩外壳可靠接地，能起

到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止了空间辐射干扰。

3．1．3．3 布线

PLC

输出模板

简图

SSR

直流大电感负载

交流大电感负载

L+

负载供电电源

M

Q0.0

.

.

.

Q0.4

.

.

.

Q0.7

图二

如果有条件强电动力线路、弱电信号线分开走线；模拟信号传输线采用双

绞线屏蔽电缆。

3．2 PLC 控制系统的软件设计

在控制工程中的应用，良好的软件设计思想是关键；优秀的软件设计便于

工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。

3．2．1 PLC 控制系统的程序设计思想

由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按结构形式分为基本程序

和模块化程序。

基本程序既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模

块结构中的单元程序；依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三

种：顺序结构、条件分支结构和循环结构,如图三所示。

模块化程序：把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模

块，分别编写和调试，较后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模

块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立

性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过

程。

3．2．2 PLC 控制系统的程序设计要点

3．2．2．1 PLC控制系统I/O分配

依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大；尽可能把一个系统、设备或

部件的I/O信号集中编址，以利于维护。

Y N

N

Y

顺序结构条件分支结构循环结构

图三

定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行

的可靠性。

程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编

号，进行分配。

在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表。

彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出应连续安排，如

Q2.0/Q2.1等。

3．2．2．2 PLC控制系统编程技巧

PLC程序设计的原则是逻辑关系简明易于编程输入、少占内存减少扫描时间，

这是PLC编程必须遵循的原则。下面介绍几点技巧。

PLC各种触点可以多次重复使用，*用复杂的程序来减少触点使用次数。

同一个继电器线圈在同一个程序中使用两次称为双线圈输出，双线圈输出容

易引起误动作，在程序中尽量要避免线圈重复使用；如果必须是双线圈输出，可

以采用置位和复位操作（以S7-300为例如S Q 4.0 或者R Q4.0）。

如果要使PLC多个输出为固定值1 （常闭），可以采用字传送指令完成，

例如Q2.0、Q2.3 、Q2.5、Q2.7同时都为1 ，可以使用一条指令将十六进制

的数据0A9H直接传送QW2即可。

对于非重要设备，可以通过硬件上多个触点串联后再接入PLC输入端或者通

过PLC编程来减少I/O点数，节约资源；例如：二分频，我们使用一个按钮来控

制设备的启动/停止，就可以采用二分频来实现。

模块化编程思想的应用；例如我们可以把正反自锁互锁转程序封装成为一个

模块，正反转点动封装成为一个模块等等，在PLC程序中我们可以重复调用该模

块，不但减少编程量，而且减少内存占用量,有利于大型PLC程序的编制。

4 PLC 控制系统程序的调试

PLC控制系统程序的调试一般包括I/O端子测试和系统调试两部分内容，良

好的调试步骤有利于加速总装调试的过程。

4.1 I/O端子测试

用手动开关暂时代替现场输入信号，以手动方式逐一对PLC输入端子进行检

查、验证，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常；反之，应检查接线或者是I/O

点坏。

我们可以编写一个小程序，在输出电源良好的情况下，检查所有PLC输出

端子指示灯是否全亮。，PLC输入端子的指示灯点亮，表示正常；反之，应检查

接线或者是I/O点坏。

4．2 系统调试

系统调试应首先按控制要求将电源、外部电路与输入输出端子连接好，然

后装载程序于PLC中，运行PLC进行调试。调试中多数是控制程序问题。调试流

程图如图四所示。

启动系统

对每一个现场信号和控制量做单独测试

对现场信号和控制量做综合测试

带设备调试并且注意安全

调试结束

测试正常吗？ N

Y

测试正常吗？ N

Y

符合要求吗？ N

Y

检查硬件/修改程序

图四

5 结束语

PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，需要反复设计和实践，

本文是作者现场PLC控制系统的设计和实践经验的总结；通过现场的实践应用其

具有良好的效果，可以作为工程技术人员有价值的技术参考。

参考文献

1．刘敏.可编程控制器技术.机械工业出版社,2001

2．皮壮行. 可编程控制器的系统设计与应用实列.机械工业出版社,2000

3．吴兆智.微机系统中的干扰及防范措施.电子与自动化，1997（4）

作者简介：

刘晓飞，男，，1977 年5 月出生，电气助理工程师；现于河南安

阳钢铁集团公司第二轧钢厂电气车间工作。一直从事电气自动化研究开发维

护工作，撰写的电气自动化论文荣获安阳钢铁集团公司优秀奖。

李红星，男，，1970 年5 月出生，电气工程师；现于河南安阳钢铁

集团公司第二轧钢厂电气车间工作。毕业于北京科技大学自动化专业，一直

从事电气自动化研究开发维护工作，总负责研究的成果多次获奖，发表多篇

论文。

许亚军，男，，1970 年9 月出生，电气工程师；现于河南安阳钢铁

集团公司第二轧钢厂工作。毕业于河南安阳大学工业电器专业，一直从事电

气自动化研究开发维护工作，参与研究的成果多次获奖。

以空气为原料，以碳分子筛作为吸附剂，运用变压吸附原理，利用碳分子筛对氧和氮的选择性吸附而使氮和氧分离的方法，通称PSA制氮法。PSA制氮法是七十年代迅速发展起来的一种新的制氮技术。与传统制氮法相比，它具有工艺流程简单、自动化程度高、产气快、能耗低，产品纯度可在较大范围内根据用户需要进行调节，操作维护方便、运行成本较低、装置适应性较强等特点，故在1000Nm3/h以下制氮设备中颇具竞争力，得到众多中、小型用户的欢迎，PSA制氮已成为中、小型用户的可以选择方法。

   工艺原理

    　PSA制氮机是根据变压吸附原理，采用高品质的碳分子筛作为吸附剂，在一定的压力下，从空气中制取。 经过纯化干燥的压缩空气，在吸附器中进行加压吸附、减压脱附。由于空气的动力学效应，氧在碳分子筛微孔中扩散速率远大于氮，氧被碳分子筛**吸附，氮在气相中被富集起来，形成成品。然后经减压至常压，吸附剂脱附所吸附的氧气等杂质，实现再生。

                       

   　 一般在系统中设置两个吸附塔A和B，一塔吸附产氮，另一塔脱附再生，通过控制装置控制气动阀的启闭，使两塔交替循环，以实现连续生产高品质之目的。

    　PSA制氮机的工艺流程包括以下几部分：冷干机启动—>延时—>空压机启动—>吸附塔A吸附—>A和B吸附塔均压—>吸附塔B吸附—>吸附塔A和B均压—>循环工作。

   　 系统功能

    　PLC控制系统主要包括以下几部分：

   　 1.实现工艺流程  通过控制各电磁阀，实现吸附塔A和B的吸附、均压等过程；

   　 2.各状态和报警信息显示  在各流程中，需要检测各工艺过程的状态，同时通过故障报警信号等输入，来检测设备运行的状态，同时显示在HMI中；

    　3.工艺参数显示  通过传感器出罐压、温度、含氮量等工艺参数，同时在HMI上显示；

   　 4.流速控制  流速决定了气体在吸附塔中的吸附时间，即氧分子的吸附时间：流速高，氧吸附时间短，产品气中剩余氧含量高，纯度低；流速低，氧吸附时间长，产品气中剩余氧含量低，纯度高。因此需要根据实际需求，来控制压缩机气体流量。

   典型配置

   　 采用HOLLiAS LM PLC对制氮机进行控制，使用的模块包括CPU模块LM3108、数字量输入扩展模块LM3210、数字量输出扩展模块LM3220和LM3223、模拟量输出模块LM3320、模拟量输入模块LM3310等。其中需要PLC监测控制的对象包括各个罐压、温度、含量、压缩气体流量、阀状态、运行状态、故障报警输入、启停、报警指示输出、阀控制等。同时，系统集成了带有显示功能的人机面板，一方面，可以通过从人机界面进行参数的输入和控制命令的传达；另一方面，可以及时反馈机器的当前运行状况和报警状态。

    　采用HOLLiAS LM系列 PLC对制氮机进行控制后，制氮机不但在运行安全性方面得到了很大提高，而且还极大地提高了整台设备工作的效率。