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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、从功能来说：
PLC已经具备了模拟量的控制功能，有的PLC系统模拟量处理能力甚至还相当强大，比如横河FA-MA3、西门子的S7 400、ABB 的Control Logix 和施耐德的Quantum系统。而DCS也具备相当强劲的逻辑处理能力，比如我们在CS3000上实现了一切我们可能使用的工艺联锁和设备的联动启停。
二、从系统结构来说:
PLC与DCS的基本结构是一样的。PLC发展到今天，已经移植到计算机系统控制上了，传统的编程器早就被淘汰。小型应用的PLC一般使用触摸屏，大规模应用的PLC使用计算机系统。和DCS一样，控制器与IO站使用现场总线（一般都是基于RS485或RS232异步串口通讯协议的总线方式），控制器与计算机之间如果没有扩展的要求，也就是说只使用一台计算机的情况下，也会使用这个总线通讯。但如果有不止一台的计算机使用，系统结构就会和DCS一样，上位机平台使用以太网结构。这是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。
三、PLC和DCS的发展方向:
小型化的PLC将向化的使用角度发展，比如功能加有针对性、对应用的环境有针对性等等。大型的PLC与DCS的界线逐步淡化，直至融和。
DCS将向FCS的方向继续发展。FCS的除了控制系统加分散化以外，特别重要的是仪表。FCS在国外的应用已经发展到仪表级。控制系统需要处理的只是信号和提供人机界面以及逻辑控制，整个模拟量的控制分散到现场仪表，仪表与控制系统之间传统电缆连接，使用现场总线连接整个仪表系统。(目前国内有横河在中海壳牌石化项目中用到了FCS,仪表级采用的是智能化仪表例如:EJX等，具备世界的控制水准)。
四、如何正确对待PLC和DCS？
我个人从不强调PLC和DCS之间孰优孰劣，我把它们使用了一个新名词“控制类产品”。我们提供给用户的是适合用户的控制系统。绝大多数用户不会因为想使用一套DCS而去使用DCS，控制类产品定位在满足用户的工艺要求的基础之上。其实提出使用DCS还是PLC的用户大抵是从没接触过自控产品或有某种特殊需求的。过分强调这个东东只会陷入口舌之争。
从PLC与DCS之间的区别和共同之处我们了解了控制类产品的大抵情况。注意，作为人士，我们自己不要为产品下PLC还是DCS的定义，自己的心理上不能把产品这样来区别对待
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化等各个行业，这里面经常会用到PLC与变频器的结合使用，当利用变频器构成自动控制系统进行控制时，很多情况下是采用PLC和变频器相配合使用，例如我厂二催化的自动吹灰系统。PLC可提供控制信号和指令的通断信号。一个PLC系统由三部分组成，即处理单元、输入输出模块和编程单元。本文介绍变频器和PLC进行配合时所需注意的事项。
1.开关指令信号的输入
变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与PLC）相连，得到运行状态指令。在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的性。在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。
当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（DC24V）之间的串扰。正确的连接是利用PLC电源，将外部晶体管的集电经过二管接到PLC。
2.数值信号的输入
变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10V/5V的电压信号或0/4～20ｍＡ的电流信号输入。由于接口电路因输入信号而异，因此根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。
当变频器和PLC的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10V，而PLC的输出电压信号范围为0～5V时；或PLC的一侧的输出信号电压范围为0～10V而变频器的输入电压信号范围为0～5V时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不过PLC和变频器相应的容量。此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证PLC不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，将变频器与PLC相连接时应该注意以下几点：
（1）对PLC本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开。
（2）当电源条件不太好时，应在PLC的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施。
（3）当把变频器和PLC安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与PLC有关的电线分开。
（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。
一、PLC的来源
1、在制造工业（以改变几何形状和机械性能为特征）和过程工业（以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征）中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现的程序化，这就是代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。
2、随着电子技术和计算机技术的发生，PC的功能越来越强大，其概念和内涵也不断扩展。
3、上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller（PLC），并将“PLC”作为其产品的注册商标。现在，仍常常将PLC简称PC。
4、上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统.
5、近年，工业计算机技术（IPC）和现场总线技术（FCS）发展，挤占了一部分PLC市场，PLC增长速度出现渐缓的趋势，但其在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
6、目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。
二、典型的PLC产品
1、国外
施耐德公司， Quantum、Premium、Momentum等；
罗克韦尔（A-B公司），SLC、MicroLogix、Control Logix等；
西门子公司， SIMATIC S7-400/300/200系列；
GE公司
日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。
2、国内
PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和产品，还有一部分是以、来件组装或“贴牌”方式生产.
三、PLC在我国的应用
虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币，应用的行业也很广。
在我国，一般按I/O点数将PLC分为以下级别（但不，国外分类有些区别）：
微型：32 I/O
小型： 256 I/O
中型：1024 I/O
大型：4096 I/O
巨型：8192 I/O
在我国应用的PLC系统中，I/O 64点以下PLC销售额占整个PLC的47%，64点~256点的占31%，合计占整个PLC销售额的78%。
在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的，呈现八国联军的态势，但从行业，有各自的势力范围。大中型系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势。
我国的PLC供应渠道，主要有制造商、分销商（代理商）、系统集成商、OEM用户、终用户。其中，大部分PLC是通过分销商和系统集成商达到终用户的。
四、PLC发展的
1、人机界面加友好
PLC制造商纷纷通过收购或联合软件企业、或发展软件产业，大大提高了其软件水平，多数PLC拥有与之相应的开发平台和组态软件，软件和硬件的结合，提高了系统的性能，同时，为用户的开发和维护降低了成本，使易形成人机友好的控制系统，目前，PLC＋网络＋IPC＋CRT的模式被广泛应用。
2、网络通讯能力大大加强
PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础上，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展。如罗克韦尔A－B公司主推的三层网络结构体系，即EtherNet、ControlNet、DeviceNet，西门子公司在Profibus-DP及Profibus-FMS网络等。
3、开放性和互操作性大大发展
PLC在发展过程中，各PLC制造商为了和扩大各自市场，处于群雄割据的局面，各自发展自己的标准，兼容性很差，这给用户使用带来不便，并增加了维护成本。开放是发展的趋势，这已被各厂商所认识，形成了长时期妥协与竞争的过程，并且这一过程还在继续。开放的进程，可以从以下方面反映：
1）IEC形成了现场总线标准，这一标准包含8种标准，虽然有人说，多种标准就是没有标准，但必竟是一个经过困难的争论与妥协的成果。标准推出后，各厂商纷纷将自己的产品适应这些标准，或者开发与之相应的新产品。
2）IEC制订了基于bbbbbbs的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。这是以数字技术为基础的可编程序逻辑控制装置在高层次上走向开放性的标准化文件。虽然PLC开发上各工具仍不兼容，但基于这些标准的开发系统，使用户在应用过程中，可以较方便地适不同的产品。
3）OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。目前，多数PLC软件产品和相当一部分仪表、执行机构及其它设备具有了OPC功能。OPC与现场总线技术的结合，是未来控制系统向FCS技术发展的趋势。
4、PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。
PLC的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面，有人统计，除石化过程等个别领域，PLC均有成功能应用，PLC在相当多的应用取代了昂贵的DCS，从而使原来PLC（顺序控制）＋DCS（过程控制）的模式变成PLC＋IPC模式。
5、工业以太网的发展对PLC有重要影响。
以太网应用非常广泛，与工业网络相比，其成本非常低，为此，人们致力于将以太网引进控制领域。目前的挑战在于1）硬件上如合适应工业恶劣环境；2）通讯机制如何提高其。以太网能否顺利进入工控领域，还存在争论。但以太网在工控系统的应用却日益增多，适应这一过程，各PLC厂商纷纷推出适应以太网的产品或中间产品。
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