本篇文章能讓讀者了解PLC控製係統設計的原則和一般流程；理解控製係統可靠性設計方法和調試方法；掌握硬件係統選型的方法。由於(yu) 內(nei) 容較多,我們(men) 分為(wei) 三個(ge) 片斷。

PLC控製係統設計原則

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實用性  

實用性是控製係統設計的基本原則。工程師在研究被控對象的同時，還要了解控製係統的使用環境，使得所設計的控製係統能夠滿足用戶所有的要求。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應簡潔、方便。

可靠性  

可靠性是控製係統極其重要的原則。對於(yu) 一些可能會(hui) 產(chan) 生危險的係統，必須要保證控製係統能夠長期穩定、安全、可靠的運行，即使控製係統本身出現問題，起碼能夠保證不會(hui) 出現人員和財產(chan) 的重大損失。在係統規劃初期，應充分考慮係統可能出現的問題，提出不同的設計方案，選擇一種非常可靠且較容易實施的方案；在硬件設計時，應根據設備的重要程度，考慮適當的備份或冗餘(yu) ；在軟件設計時，應采取相應的保護措施，在經過反複測試確保無大的疏漏之後方可聯機調試運行。

經濟性  

這要求工程師在滿足實用性和可靠性的前提下，應盡量使係統的軟、硬件配置經濟、實惠，切勿盲目追求新技術、高性能。硬件選型時應以經濟、合用為(wei) 準；軟件應當在開發周期與(yu) 產(chan) 品功能之間作相應的平衡。還要考慮所使用的產(chan) 品是否可以獲得完備的技術資料和售後服務，以減少開發成本。

可擴展性  

這要求工程師，在係統總體(ti) 規劃時，應充分考慮到用戶今後生產(chan) 發展和工藝改進的需要，在控製器計算能力和I/O端口數量上應當留有適當的裕量，同時對外要留有擴展的接口，以便係統擴展和監控的需要。

先進性  

這要求工程師在硬件設計時，優(you) 先選用技術先進，應用成熟廣泛的產(chan) 品組成控製係統，保證係統在一定時間內(nei) 具有先進性，不致被市場淘汰。此原則與(yu) 經濟性共同考慮，使控製係統具有較高的性價(jia) 比。

PLC控製係統設計流程

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設計控製係統時應遵循一定的設計流程，掌握設計流程，可以增加控製係統的設計效率和正確性。PLC控製係統的一般設計流程如圖1-1所示：

 被控對象的分析 與(yu) 描述

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分析被控對象就是要詳細分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與(yu) 用戶進行深入的溝通，確保分析的全麵而準確。在控製係統設計時，往往需要達到一些特定的指標和要求，即滿足實際應用或是客戶需求。在分析被控對象時，必須考慮這些指標和要求。在全麵的分析之後，就需要按照一定的原則，準確地用工程化的方法描述被控對象，為(wei) 控製係統設計打好基礎。

係統規模  

根據被控對象的工藝流程、複雜程度和客戶的技術要求確定係統的規模，可以分為(wei) 大、中、小三種規模。確保硬件資源有一定裕量而不浪費。

小規模控製係統適用於(yu) 單機或小規模生產(chan) 過程，以順序控製為(wei) 主，信號多為(wei) 開關(guan) 量，且I/O點數較少（低於(yu) 128點），精度和響應時間要求不高。一般選用S7-200就可達到控製要求

中等規模控製係統適用於(yu) 複雜邏輯和閉環控製的生產(chan) 過程，I/O點數較多（128點到512點之間），需要完成某些特殊功能，如PID控製等。一般選用S7-300等。

大規模控製係統適用於(yu) 大規模過程控製、DCS係統和工廠自動化網絡控製，I/O點數較多（高於(yu) 512點），被控對象的工藝過程較複雜，對於(yu) 精度和響應時間要求較高。應選用具有智能控製、高速通信、數據庫、函數運算等功能的高檔PLC，如S7-400等。

硬件配置  

根據係統規模和客戶的技術對控製係統I/O點數進行估算。分析被控對象工藝過程，統計係統I/O點數和I/O類型。按照設備和生產(chan) 區域的不同進行劃分，明確各個(ge) I/O點的位置和功能。再加上10%～20%的備用量列出詳細的I/O點清單。

軟件配置  

根據控製係統設計要求選擇適合的軟件，包括係統平台軟件、編程軟件。

上位機監控軟件的選擇。首先需考慮監控的點數限製；是否有報警顯示、趨勢分析、報表打印以及曆史記錄功能。

控製功能  

要正確的進行控製係統的規模選擇，首先要了解各家控製器的特性，比如性能參數、應用場合、行業(ye) 解決(jue) 方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一個(ge) 控製係統，一般遵循以下幾點：

控製係統是否需要冗餘(yu) 、I/O信號模塊是否需要冗餘(yu) 、通訊是否需要冗餘(yu) 。

控製點數有多少，包括數字量輸入和輸出點數、模擬量輸入和輸出點數。

被控對象工藝是否複雜，是否需要實現特殊功能，比如防喘控製等。

係統正常運行時，控製器的負載率是否有足夠的工作裕量；I/O信號點是否需要一定的餘(yu) 量。

針對數字信號，是否需要繼電器隔離；考慮輸入信號的電壓和電流等級；輸出信號是否需要固態繼電器輸出。

針對模擬量信號，是否需要安全隔離柵；信號的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測量範圍。不一樣的信號類型，需要選擇不一樣的I/O信號模塊。

用於(yu) 溫度測量的信號模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。

信號模塊是否需要在線帶電插拔更換。如果需要，還需考慮附加特殊的背板插槽。

當係統和外部出現故障時，比如信號短路或鍛爐，這時信號模塊是否需要將輸入輸出信號自動切換到預先設置的安全值。如有要求，需考慮選用故障安全型的控製器和信號模塊。

當需要和第三方設備通訊時，需考慮通訊距離的長短，以及相應的通訊接口協議等，選用不同的通訊模塊。

針對係統中的重要連鎖信號，是否需要特殊的SOE模塊，來記錄信號變化的時間先後順序。

熟悉被控對象是設計控製係統的基礎。隻有深入了解被控對象以及被控過程，才能夠提出合理科學的控製方案。

1）分析被控對象。詳細分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與(yu) 用戶進行深入的溝通，確保分析得全麵而準確。

2）畫出工藝流程圖。經過第一步，應對被控對象的整個(ge) 工藝流程有了深入的了解，為(wei) 了更直觀、簡潔的表示，畫出工藝流程圖，為(wei) 後麵的係統設計做準備。

3）分析並明確控製任務。根據已經做好的工藝流程圖，工程師可以把用戶提出的控製要求轉換為(wei) 專(zhuan) 業(ye) 術語，對其逐一進行分解，並從(cong) 控製的角度將其中的要求轉化為(wei) 多個(ge) 控製回路。對於(yu) 過程控製係統可用P&ID圖來表示其中的控製關(guan) 係。

 PLC控製係統總體(ti) 設計

在控製係統設計之前，需要對係統的方案進行論證。主要是對整個(ge) 係統的可行性作一個(ge) 預測性的估計。在此階段一定要全麵地考慮到設計和實施此係統將會(hui) 遇到的各種問題。如果沒有做過相關(guan) 項目的經驗，應當在實地仔細考察，並詳細地論證設計此係統中的每一個(ge) 步驟的可行性。特別是在硬件實施階段中，稍有不慎，就會(hui) 造成很大的麻煩，輕則係統不成功，重則會(hui) 造成嚴(yan) 重的人員和財產(chan) 的損失。工程實施的過程中的阻礙，往往都是由於(yu) 這一步沒有做足工夫而導致的。

係統的總體(ti) 設計關(guan) 係到整個(ge) 係統的總體(ti) 構架，每個(ge) 細節都必須經過反複斟酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求；其次是確保係統的可靠性，不可以經常出現故障，就算出現故障也不會(hui) 造成大的損失；然後在經濟性等方麵予以考慮。

一般來說，在係統總體(ti) 設計時，需要考慮下麵幾個(ge) 問題：

（1）確定係統是用PLC單機控製，還是PLC聯網控製；確定係統是采用遠程I/O還是本地I/O。主要根據係統的大小及用戶要求的功能來選擇。對於(yu) 一般的中小型過程控製係統來說，PLC單機控製已基本能夠滿足功能要求。但也可借鑒集散控製係統的理念，即將危險和控製分散，管理與(yu) 監控集中。這樣可以大大提高係統的可靠性。

（2）是否需要與(yu) 其它部分通信。一個(ge) 完整的控製係統，至少會(hui) 包括三個(ge) 部分：控製器、被控對象和監控係統。所以對於(yu) 控製器來說，至少要跟監控係統之間進行通訊。至於(yu) 是否跟另外的控製單元或部門通訊要根據用戶的要求來決(jue) 定。一般來說，如果用戶沒有要求，也都會(hui) 留有這樣的通訊接口。

（3）采用何種通信方式。一般來說，在現場控製層級用PROFIBUS DP；而從(cong) 現場控製層級到監控係統的通訊用PROFINET。但有時候也可互相通用，根據具體(ti) 情況選擇合適的通信方式。

（4）是否需要冗餘(yu) 備份係統。根據係統的所要求的安全等級，選擇不同的辦法。在數據歸檔時，為(wei) 了讓歸檔數據不丟(diu) 失，可以使用OS服務器冗餘(yu) ；在自動化站（Automation Station，AS），為(wei) 了使係統不會(hui) 因故障而導致停機或不可預知的結果，可以使用控製器冗餘(yu) 備份係統。選擇適當的冗餘(yu) 備份，可以使係統的可靠性得到大幅提高。

在進行控製係統選型之前，首先考慮係統的網絡結構是怎樣搭建的，網絡結構示意圖如圖1-2所示。

確定係統的操作站、過程控製站的數目和位置，相互之間是怎樣連接的。是否需要工業(ye) 以太網交換機。

一般情況下，現場控製室和主控製室與(yu) 電氣控製櫃分別安放在兩(liang) 個(ge) 地方，且距離較遠，為(wei) 保證信號的穩定可靠，會(hui) 考慮用光纜來連接各自的交換機。同時，為(wei) 了通訊線路的冗餘(yu) ，會(hui) 考慮選用帶榮譽管理功能的工業(ye) 以太網交換機，將現場操作站和過程控製站組成一個(ge) 光纖環網。這樣，即使有一個(ge) 方向的通訊斷開，也可通過另一個(ge) 方向繼續通訊。

對於(yu) 過程控製站和現場信號之間的連接，傳(chuan) 統的連接方式是將現場信號直接通過硬件連接到過程控製站上。這樣如果距離太遠，信號傳(chuan) 輸會(hui) 有損耗，尤其是模擬量信號。且當信號點很多時，布線也較複雜，浪費材料。所以，一般需在現場安裝分布式I/O從(cong) 站（如果現場為(wei) 危險區，需選用本質安全型的分布式I/O從(cong) 站），將現場信號直接連接到I/O從(cong) 站上，在通過現場總線的方式將信號傳(chuan) 送到過程控製站。

隨著技術的發展，plc的應用越來越廣泛，我們(men) 有必要更近一步的去了解PLC，本文將的是PLC控製係統的七大設計步驟。
　　PLC控製係統設計7個(ge) 步驟步驟：
　　第一.熟悉被控對象，製定控製方案
　　分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控製係統的控製要求。
　　第二.確定I/O設備
　　根據係統的控製要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關(guan) 、選擇開關(guan) 等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I/O點數。
　　第三.選擇PLC
　　選擇時主要包括PLC機型、容量、I/O模塊、電源的選擇。
　　第四.分配PLC的I/O地址
　　根據生產(chan) 設備現場需要，確定控製按鈕，選擇開關(guan) 、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規格、數量;根據所選的PLC的型號列出輸入/輸出設備與(yu) PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪製PLC外部I/O接線圖和編製程序。
　　第五.設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控製櫃(台)等硬件的設計及現場施工。
　　由於(yu) 程序與(yu) 硬件設計可同時進行，因此，PLC控製係統的設計周期可大大縮短，而對於(yu) 繼電器係統必須先設計出全部的電氣控製線路後才能進行施工設計。
　　第六.聯機調試
　　聯機調試是指將模擬調試通過的程序進行在線統調。開始時，先不帶上輸出設備(接觸器線圈、信號指示燈等負載)進行調試。利用編程器的監控功能，采分段調試的方法進行。各部分都調試正常後，再帶上實際負載運行。如不符合要求，則對硬件和程序作調整。通常隻需修改部分程序即可，全部調試完畢後，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到EPROM中，以防程序丟(diu) 失。
　　第七.整理技術文件
包括設計說明書(shu) 、電氣安裝圖、電氣元件明細表及使用說明書(shu) 等。
總而言之，設計PLC應用係統時，首先是進行PLC應用係統的功能設計，即根據被控對象的功能和工藝要求，明確係統必須要做的工作和因此必備的條件。然後是進行PLC應用係統的功能分析，即通過分析係統功能，提出PLC控製係統的結構形式，控製信號的種類、數量，係統的規模、布局。最後根據係統分析的結果，具體(ti) 的確定PLC的機型和係統的具體(ti) 配置。