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基于PLC控制系統設計探討

發表時間:2017-7-12 9:01:00  瀏覽次數:1752


可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC或PC)是專為在工業環境下應用而設計的一種數字運算操作電子系統。它采用了可編程序的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,并通過數字量、模擬量的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產過程。

  PLC是微機技術與傳統的繼電接觸控制技術相結合的產物,它克服了繼電接觸控制系統中的機械觸點的接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點,充分利用了微處理器的優點。

  PLC的主要特點如下:

  A.用內部已定義的各種輔助繼電器代替機械觸點繼電器,通過軟件編程方式用內部邏輯關系代替實際的硬件連接導線,這些內部繼電器的節點變位時間可理想化地認為等于零,因此只需考慮它的0-1狀態而無需考慮傳統繼電器所固有的返回系數。

  B.可靠性高,抗干擾能力強,適用于復雜的工業環境。

  C.配套齊全,功能完善,適用性強,易于與工業控制系統聯成一個整體,易于擴充其功能。

  D.易學易用,照顧到現場電氣操作維修人員的技能與習慣,特別是PLC的程序編制采用簡單指令形式,使用戶程序編制形象、直觀、方便易學。

  經過30多年的發展,PLC已十分成熟與完善,尤其在順序控制、開關量邏輯運算和處理這兩方面具有顯著優勢,而模擬量閉環控制也已非常成熟。 PLC技術自從引入我國的電力行業后就得到了廣泛應用,并發展壯大。

2 PLC控制系統的設計

  PLC控制系統設計包括硬件設計和軟件設計。

  2.1 PLC控制系統的硬件設計

  硬件設計是PLC控制系統的至關重要的一個環節,這關系著PLC控制系統運行的可靠性、安全性、穩定性。主要包括輸入和輸出電路兩部分。

  2.2.1 PLC控制系統的輸入電路設計。PLC供電電源一般為AC85-240V,適應電源范圍較寬,但為了抗干擾,應加裝電源凈化元件(如電源濾波器、1:1隔離變壓器等);隔離變壓器也可以采用雙隔離技術,即變壓器的初、次級線圈屏蔽層與初級電氣中性點接大地,次級線圈屏蔽層接PLC 輸入電路的地,以減小高低頻脈沖干擾。

  PLC輸入電路電源一般應采用DC 24V, 同時其帶負載時要注意容量,并作好防短路措施,這對系統供電安全和PLC安全至關重要,因為該電源的過載或短路都將影響PLC的運行,一般選用電源的容量為輸入電路功率的兩倍,PLC輸入電路電源支路加裝適宜的熔絲,防止短路。

  2.2.2 PLC控制系統的輸出電路設計。依據生產工藝要求,各種指示燈、變頻器/數字直流調速器的啟動停止應采用晶體管輸出,它適應于高頻動作,并且響應時間短;如果PLC系統輸出頻率為每分鐘6 次以下,應首選繼電器輸出,采用這種方法,輸出電路的設計簡單,抗干擾和帶負載能力強。

  如果PLC輸出帶電磁線圈等感性負載,負載斷電時會對PLC的輸出造成浪涌電流的沖擊,為此,對直流感性負載應在其旁邊并接續流二極管,對交流感性負載應并接浪涌吸收電路,可有效保護PLC。

  當PLC掃描頻率為10次/min 以下時,既可以采用繼電器輸出方式,也可以采用PLC輸出驅動中間繼電器或者固態繼電器(SSR),再驅動負載。

  對于兩個重要輸出量,不僅在PLC內部互鎖,建議在PLC外部也進行硬件上的互鎖,以加強PLC系統運行的安全性、可靠性。



  對于常見的AC220V交流開關類負載,例如交流接觸器、電磁閥等,應該通過DC24V微小型中間繼電器驅動,避免PLC的DO接點直接驅動,盡管PLC手冊標稱具有AC220V交流開關類負載驅動能力。

  2.2.3 PLC控制系統的抗干擾設計。隨著工業自動化技術的日新月異的發展,晶閘管可控整流和變頻調速裝置使用日益廣泛,這帶來了交流電網的污染,也給控制系統帶來了許多干擾問題,防干擾是PLC控制系統設計時必須考慮的問題。一般采用以下幾種方式:

  隔離:由于電網中的高頻干擾主要是原副邊繞組之間的分布電容耦合而成,所以建議采用1:1超隔離變壓器,并將中性點經電容接地。

  屏蔽:一般采用金屬外殼屏蔽,將PLC系統內置于金屬柜之內。金屬柜外殼可靠接地,能起到良好的靜電、磁場屏蔽作用,防止空間輻射干擾。

  布線:強電動力線路、弱電信號線分開走線,并且要有一定的間隔;模擬信號傳輸線采用雙絞線屏蔽電纜。

  2.2 PLC控制系統的軟件設計

  在進行硬件設計的同時可以著手軟件的設計工作。軟件設計的主要任務是根據控制要求將工藝流程圖轉換為梯形圖,這是PLC應用的最關鍵的問題,程序的編寫是軟件設計的具體表現。在控制工程的應用中,良好的軟件設計思想是關鍵,優秀的軟件設計便于工程技術人員理解掌握、調試系統與日常系統維護。

  2.2.1 PLC控制系統的程序設計思想。由于生產過程控制要求的復雜程度不同,可將程序按結構形式分為基本程序和模塊化程序。

  基本程序:既可以作為獨立程序控制簡單的生產工藝過程,也可以作為組合模塊結構中的單元程序;依據計算機程序的設計思想,基本程序的結構方式只有三種:順序結構、條件分支結構和循環結構。

  模塊化程序:把一個總的控制目標程序分成多個具有明確子任務的程序模塊,分別編寫和調試,最后組合成一個完成總任務的完整程序。這種方法叫做模塊化程序設計。我們建議經常采用這種程序設計思想,因為各模塊具有相對獨立性,相互連接關系簡單,程序易于調試修改。特別是用于復雜控制要求的生產過程。

  2.2.2 PLC控制系統的程序設計要點。PLC控制系統I/O分配,依據生產流水線從前至后,I/O點數由小到大;盡可能把一個系統、設備或部件的I/O信號集中編址,以利于維護。定時器、計數器要統一編號,不可重復使用同一編號,以確保PLC工作運行的可靠性。

  程序中大量使用的內部繼電器或者中間標志位(不是I/O位),也要統一編號,進行分配。

  在地址分配完成后,應列出I/O分配表和內部繼電器或者中間標志位分配表。

  彼此有關的輸出器件,如電機的正/反轉等,其輸出地址應連續安排,如Q2.0/Q2.1等。

3 PLC設計的幾點技巧

  PLC各種觸點可以多次重復使用,無需用復雜的程序來減少觸點使用次數。同一個繼電器線圈在同一個程序中使用兩次稱為雙線圈輸出,雙線圈輸出容易引起誤動作,在程序中盡量要避免線圈重復使用。如果必須是雙線圈輸出,可以采用置位和復位操作(以S7-300為例如SQ4.0或者RQ4.0)。如果要使PLC多個輸出為固定值1(常閉),可以采用字傳送指令完成,例如Q2.0、Q2.3、Q2.5、Q2.7同時都為1,可以使用一條指令將十六進制的數據0A9H直接傳送QW2即可。對于非重要設備,可以通過硬件上多個觸點串聯后再接入PLC輸入端,或者通過PLC編程來減少I/O點數,節約資源。例如:我們使用一個按鈕來控制設備的啟動/停止,就可以采用二分頻來實現。模塊化編程思想的應用:我們可以把正反自鎖互鎖轉程序封裝成為一個模塊,正反轉點動封裝成為一個模塊,在PLC程序中我們可以重復調用該模塊,不但減少編程量,而且減少內存占用量,有利于大型PLC程序的編制。

結束語

  PLC控制系統的設計是一個步驟有序的系統工程,要想做到熟練自如,需要反復設計和實踐。本文是PLC控制系統的設計和實踐經驗的總結,在實際應用中具有良好的效果。

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