天津西门子一级代理商通讯电缆供应商

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1 引言

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，例如电机的启停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，而PLC技术是解决上述问题的有效、便捷的工具，因此PLC在工业控制领域得到了广泛的应用。下面就PLC工业控制系统设计中的问题进行探讨。

2 PLC系统设备选型

PLC主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。不同型号的PLC有不同的适用范围。根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大形机器）。并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。

目前市场上的PLC产品众多，国外有德国的SIEMENS;日本的 OMRON、MITSUBISHI、FUJI、Panasonic;美国的GE;韩国的LG等。国产有研华、研祥、合力时等。近几年，PLC产品的价格有较大的下降，其性价比越来越高。PLC 的选型应从以下几个方面入手。

2.1 确定PLC 控制系统的规模

依据工厂生产工艺流程和复杂程度确定系统规模的大小。可分为大、中、小三种规模。

小规模PLC控制系统: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，并且I/O点数小于128 点。一般选用微型PLC,如SIEMENS S7-200等。

中等规模PLC控制系统:生产过程是复杂逻辑控制和闭环控制，I/O点数在128——512 点之间。应该选用具有模拟量控制、PID控制等功能的PLC，如SIEMENS S7-300等。

大规模PLC控制系统: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，I/O点数在512点以上。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PLC,如SIEMENS S7-400等, 再和工业现场总线结合实现工厂工业网络的通讯和控制。

2.2 确定PLC I/O 点的类型

根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有软硬件资源余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器）。

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。

电磁阀的开闭、大电感负载、动作频率低的设备，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。

2.3 确定PLC编程工具

（1） 一般的手持编程器编程。 手持编程器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，具有体积小、价格低、易于现场调试等优点。 这主要用于微型PLC的编程。

（2） 图形编程器编程。图形编程器采用梯形图（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。

（3） 计算机加PLC软件包编程 。这种方式是效率的一种方式，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PLC系统的硬件组态和软件编程。

3 PLC控制系统的设计

PLC 控制系统设计包括硬件设计和软件设计。

3.1 PLC控制系统的硬件设计

硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的性、性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。

（1） PLC控制系统的输入电路设计。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。

PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电和PLC至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用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的熔丝，防止短路。

（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，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC 系统输出频率为每分钟6 次以下，应继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。

如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，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管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。

当PLC扫描频率为10次/min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。

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系统运行的性、性。

对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。

（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PLC控制系统设计时考虑的问题。一般采用以下几种方式:

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隔离变压器，并将中性点经电容接地。

屏蔽:一般采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。

布线:强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;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

在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，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。

（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。

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，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。

（2） PLC控制系统的程序设计要点。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。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） PLC控制系统编程技巧。PLC程序设计的原则是逻辑关系简单明了，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间，这是PLC 编程遵循的原则。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。如果是双线圈输出，可以采用置位和复位操作（以S7-300为例如SQ4.0或者 RQ4.0）。

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: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: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，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。将PLC与现场设备连接。在正式调试前检查整个PLC控制系统，包括电源、接地线、设备连接线、I/O连线等。在保证整个硬件连接正确无误的情况下即可送电。

把PLC控制单元的工作方式设置为“RUN”开始运行。反复调试可能出现的各种问题。在调试过程中也可以根据实际需求对硬件作适当以配合软件的调试。应保持足够长的运行时间使问题充分暴露并加以纠正。调试中多数是控制程序问题。一般分以下几步进行:

（1） 对每一个现场信号和控制量做单测试;

（2） 检查硬件/修改程序;

（3） 对现场信号和控制量做综合测试;

（4） 带设备调试;

（5） 调试结束。

5 结束语

PLC控制系统的设计是一个步骤有序的系统工程，要想做到熟练自如，需要反复设计和实践。本文是PLC控制系统的设计和实践经验的总结，在实际应用中具有良好的效果。

一、软故障的判断和处理

S5 PLC具有自诊断能力，发生模块功能错误时往往能报警并按预先程序作出反应，通过故障指示灯就可判断。当电源正常，各指示灯也指示正常，特别是输入信号正常，但系统功能不正常（输出无或乱）时，本着先易后难、先软后硬的检修原则检查用户程序是否出现问题。S5的用户程序储存在PLC的RAM中，是掉电易失性的，当后备电池故障系统电源发生闪失时，程序丢失或紊乱的可能性就很大，当然强烈的电磁干扰也会引起程序出错。有EPROM存储卡及插槽的PLC恢复程序就相当简单，将EPROM卡上的程序拷回PLC后一般都能解决问题；没有EPROM子卡的用户就要利用PG的联机功能将正确的程序发送到PLC上。需要特别说明的是，有时简单的程序覆盖不能解决问题，这时在重新拷贝程序前总清一下RAM中的用户程序是相当必要的。通过将PLC上的“RUN”“ST”开关按RUN－－-ST－－-RUN－－-ST－－-RUN的顺序拨打一遍或在PG上执行“bbbbbb—Blocks—Delete－－-inPLC—allblocks－－-overall—Reset”功能就完成了RAM中程序的总清。
另外，保存在EPROM中的程序并不是万无一失的，过分相信EPROM上的程序有时会给检修带来困惑。所以经常性的检查核对EPROM中的程序，特别是PG中的备份程序就显的尤为重要。

检修实例：设备上电后无法启动。工程师在检查后认为程序出错，很自然地将EPROM卡插入PLC中，总清后拷贝程序，完成后重启，故障依旧，由于程序不大，逐条把EPROM上的程序读出，与手册上的指令核对后发现一样，重复拷贝无效后认为是PLC硬件故障。我们用PG将备份程序调出，与EPROM上的程序进行比对，结果语句指令表相同，但程序存放地址发生了变化，把备份程序发送到PLC后设备运行正常。可见EPROM上的程序也出现了错误，用紫外线擦除后重新写入问题解决。

二、PLC硬件故障

PLC的硬件故障较为直观地就能发现，维修的基本方法就是换模块。根据故障指示灯和故障现象判断故障模块是检修的关键，盲目的换会带来不必要的损失。

（1）电源模块故障。

       
一个工作正常的电源模块，其上面的工作指示灯如“AC”、“24VDC”、“5VDC”、“BATT”等应该是长亮的，哪一个灯的颜色发生了变化或闪烁或熄灭就表示那一部分的电源有问题。“AC”灯表示PLC的交流总电源，“AC”灯不亮时多半无工作电源，整个PLC停止。这时就应该检查电源保险丝是否熔断，换熔丝是应用同规格同型号的保险丝，无同型号的进口熔丝时要用电流相同的快速熔丝代替。如重复烧保险丝说明电路板短路或损坏，换整个电源。“5VDC”、“24VDC”灯熄灭表示无相应的直流电源输出，当电源偏差出正常值5%时指示灯闪烁，此时虽然PLC仍能工作，但应引起重视，必要时停机检修。“BATT”变色灯是后备电源指示灯，正常，黄色电量低，红色故障。黄灯亮时就应该换后备电池，手册规定两到三年换锂电池一次，当红灯亮时表示后备电源系统故障，也需要换整个模块。

（2）I/O模块故障。
输入模块一般由光电耦合电路组成；输出模块根据型号不同有继电输出、晶体管输出、光电输出等。每一点输入输出都有相应的发光二管指示。有输入信号但该点不亮或确定有输出但输出灯不亮时就应该怀疑I/O模块有故障。输入和输出模块有6到24个点，如果只是因为一个点的损坏就换整个模块在经济上不合算。通常的做法是找备用点替代，然后在程序中改相应的地址。但要注意，程序较大是查找具体地址有困难。特别强调的是，无论是换输入模块还是换输出模块，都要在PLC断电的情况下进行，S5带电插拔模块是不允许的。（内容来源自：www..cn）

（3）CPU模块故障。
通用型S5 PLC的CPU模块上往往包括有通信接口、EPROM插槽、运行开关等，故障的隐蔽性大，因为换CPU模块的费用很大，所以对它的故障分析、判断要尤为仔细。

检修实例：一台PLC合上电源时无法将开关拨到RUN状态，错误指示灯先闪烁后常亮，断电复位后故障依旧，换CPU模块后运行正常。在进行芯片级维修时换了CPU但故障灯仍然不停闪烁，至到换了通信借口板后功能才恢复正常。

三、外围线路故障。

据有关文献报道，在PLC控制系统中出现的故障率为：CPU及存储器占5%，I/O模块占15%，传感器及开关占45%，执行器占30%，接线等其他方面占5%，可见80%以上的故障出现在外围线路。外围线路由现场输入信号（如按钮开关、选择开关、接近开关及一些传感器输出的开关量、继电器输出触点或模数转换器转换的模拟量等）和现场输出信号（电磁阀、继电器、接触器、电机等），以及导线和接线端子等组成。接线松动、元器件损坏、机械故障、干扰等均可引起外围电路故障，排查时要仔细，替换的元器件要选用性能系数高的器件。一些功能强大的控制系统采用故障代码表表示故障，对故障的分析排除带来大便利，应好好利用。

检修实例：水下切粒机的控制系统出现故障，工程师发现I5.4无输入导致Q7.0无输出，切粒机无法开启。检查后发现信号转换器和接近开关同时损坏，换后正常。像这类故障就具有一定的隐蔽性，排故时要借助万用表、系统原理图和逻辑图逐级排除。

SIMATICS5控制系统综合了数字电路、模拟电路、继电回路和计算机技术，具有较高的稳定性和性，但一旦出现故障就会造成整个系统停机损失较大，维修有一定困难且维修费用也较高，借助的维修工具除了万用表有时还要用到示波器甚至计算机，这就要求维修人员具有较高的技能，并且有一定的外语和计算机功底，只有对整个系统了解和熟悉后才能对常见的故障做到判断、排除，并尽可能地降低维修费用，确保系统的正常稳定。