師玲萍

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　陜西　西安　710014）

基于自動(dòng)化生產(chǎn)過程中PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

師玲萍

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西西安710014）

基于應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)提高自動(dòng)化生產(chǎn)的效率，減少錯(cuò)誤的發(fā)生的目的，通過PLC選型、PLC系統(tǒng)分析等具體工作，設(shè)計(jì)出了完善的PLC控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)必須要完成輸入/輸出回路的設(shè)計(jì)、"COM"點(diǎn)的設(shè)計(jì)、外部驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)、PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等一系列的工作。對(duì)相關(guān)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述，通過該設(shè)計(jì)使PLC系統(tǒng)能更好地運(yùn)用在自動(dòng)化生產(chǎn)中，相對(duì)于以前的技術(shù)，能較大地提高自動(dòng)化生產(chǎn)效率。

自動(dòng)化生產(chǎn)；PLC控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；PLC網(wǎng)絡(luò)；驅(qū)動(dòng)電路

PLC技術(shù)在近年來得到了迅速發(fā)展，目前已經(jīng)成為工業(yè)化生產(chǎn)的支柱性技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)功能的不斷完善，PLC系統(tǒng)也在不斷被更新，為自動(dòng)化生產(chǎn)提供了更大的保障。將PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代工作生產(chǎn)中，能夠使復(fù)雜的工業(yè)過程得到良好的控制?？梢哉f，PLC控制系統(tǒng)作為工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，具有強(qiáng)大的控制功能和管理能力。由此可見，設(shè)計(jì)出功能完善的PLC控制系統(tǒng)是保證自動(dòng)化生產(chǎn)的重要前提。

1　PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1.1PLC控制系統(tǒng)概述

PLC（Program mable Logic Controller）即為可編程邏輯控制器，在國際電工委員會(huì)中，將其定義為專為工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)字操作電子系統(tǒng)。PLC的存儲(chǔ)器能夠完成編程操作，對(duì)內(nèi)部的邏輯問題進(jìn)行計(jì)算，控制操作的順序并下達(dá)相應(yīng)的指令。同時(shí)還能完成模擬輸入、輸出等工作，以此來控制生產(chǎn)的過程?？删幊踢壿嬁刂破鞯拈_發(fā)要追溯到在20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)美國研發(fā)完成了第一代PLC，開啟了工業(yè)自動(dòng)化時(shí)代。目前，全球的PLC收入已逾百億元，PLC控制系統(tǒng)也成為當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的重要支柱。

1.2PLC機(jī)型選擇的原則

PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中包含輸出和輸入設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容是PLC機(jī)型的選擇以及內(nèi)部程序的設(shè)計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，PLC會(huì)被應(yīng)用與不同的工藝流程和不同的場合中，這些工藝過程對(duì)控制功能的要求也有所不同，因此在機(jī)型的選擇上很難達(dá)成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需根據(jù)不同的生產(chǎn)內(nèi)容完成機(jī)型的選擇。但機(jī)型的選擇要始終滿足以下幾個(gè)基本要求。一是PLC機(jī)型的選擇要以I/O點(diǎn)數(shù)為主。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求確定I/O點(diǎn)數(shù)。在此過程中要保留10%左右的裕量，為工藝的改進(jìn)留下空間。二是要加強(qiáng)對(duì)小機(jī)型的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷完善，小機(jī)型逐漸取代了大機(jī)型。在PLC功能選擇上，只要使其滿足I/O點(diǎn)數(shù)即可，大多數(shù)的小機(jī)型都能夠滿足這一要求。三是要對(duì)內(nèi)存容量進(jìn)行合理的選擇。在一般情況下，I/O點(diǎn)數(shù)不同，內(nèi)容容量也會(huì)存在很大的差異。在內(nèi)存的選擇上要考慮到裕量的保留，留下實(shí)際運(yùn)行程序的25%作為裕量。在內(nèi)存的選擇上不要盲目貪大，要以夠用為基本原則。同城點(diǎn)數(shù)滿足I/O的PLC其內(nèi)存也能得到要求。四是在PLC的選擇上，要考慮其結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)間的合理性。如果生產(chǎn)為單機(jī)系統(tǒng)控制，所需的I/O點(diǎn)數(shù)較少，無需進(jìn)行PLC通信，但對(duì)模擬信號(hào)的處理能力要求很高，則可以考慮選擇整體式機(jī)。如OMRON C200H系列以及松下FPI系列等。如果系統(tǒng)將開關(guān)量作為控制的關(guān)鍵，可為其選擇西門子 S7-200、OMRON C系列等機(jī)型。五是一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)選用統(tǒng)一類型的機(jī)型，提高設(shè)備的互用率，為生產(chǎn)提供便利。

2　PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1輸入回路的設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)電源回路

在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，首先要設(shè)計(jì)出電源回路（圖1）。選用80至240VAC的電源作為PLC的供電裝置。由于適用于PLC的電源較多，其對(duì)電源的適應(yīng)范圍較廣，因此在安裝電源時(shí)要加裝電源凈化元件，以此來達(dá)到抗干擾的目的?？垢蓴_元件選擇1:1的隔離變壓器、電源濾波器等裝置。

圖1　PLC電源回路

2）設(shè)計(jì)PLC直流電源

在對(duì)PLC直流電源進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格考慮電源的使用。本次設(shè)計(jì)選用24 V的直流電源。但由于該種電源一般只有幾十至幾百毫安的電容，電容量相對(duì)較小。如果電源出現(xiàn)過載或短路等情況會(huì)直接影響到PLC的運(yùn)行，因此在設(shè)計(jì)中采取防短路等安全措施對(duì)電源進(jìn)行保護(hù)。

3）設(shè)計(jì)外部直流電源

在完成直流電源的設(shè)計(jì)后，要進(jìn)行外部直流電源的設(shè)計(jì)（圖2）。由于PLC上的直流電源電容達(dá)不到要求，因此在設(shè)計(jì)中選用外部24 V直流電源為其提供支持。但是在使用的過程中，外部電源的負(fù)極不能直接與PLC24V直流電源的負(fù)極相連，以免對(duì)PLC的運(yùn)行造成不良影響。

圖2　外部直流電源

4）設(shè)計(jì)輸入靈敏度

靈敏度的設(shè)計(jì)也是PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容。由于不同的生產(chǎn)廠家對(duì)PLC的輸入端電流有著不同的要求，當(dāng)輸入回路中有電阻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，因此在本次設(shè)計(jì)中會(huì)對(duì)這種情況采取相應(yīng)的措施。此外，一旦輸入電流大于PLC最大輸入電流，就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作，因此將弱電流作為輸入的器件，減少誤操作現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2輸出回路的設(shè)計(jì)

從繼電器的輸出上來看，其優(yōu)點(diǎn)是不同的公共點(diǎn)之間電壓可以各不相同，帶負(fù)載時(shí)電流能夠達(dá)到2 A/點(diǎn)。但繼電器在輸出方式上有所限制，不能用于高頻動(dòng)作的負(fù)載。繼電器的壽命會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而有所減少。從晶閘管的輸出上來看。其帶負(fù)載的能力可達(dá)到0.2 A/點(diǎn)，但是只能攜帶交流的負(fù)載。晶閘管能夠適應(yīng)高頻的動(dòng)作，其相應(yīng)的時(shí)間可達(dá)到為1ms。從晶體管的輸出上來看，其優(yōu)勢(shì)為響應(yīng)時(shí)間較短，只需0.2ms左右，可適應(yīng)高頻的工作。但是晶體管只能攜帶5至30VDC的負(fù)載，負(fù)載電流最大為0.5 A/點(diǎn)。

在輸出回路的設(shè)計(jì)上，如果系統(tǒng)的輸出頻率低于6次/分，則應(yīng)選擇繼電器輸出，由于繼電器輸出的設(shè)計(jì)相對(duì)簡單、抗干擾能力強(qiáng)，在系統(tǒng)中能夠更好的發(fā)揮其作用。如果系統(tǒng)的輸出頻率低于10次/分，可以選擇PLC輸出驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓三極管完成負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，也可以選用繼電器輸出。

2.3“COM”點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在“COM”點(diǎn)的設(shè)計(jì)上，要對(duì)其數(shù)量進(jìn)行特別關(guān)注。對(duì)于不同的PLC產(chǎn)品來說，其“COM”點(diǎn)的數(shù)量也有所不同。部分“COM”點(diǎn)攜帶有8個(gè)輸出點(diǎn)，而有的“COM”點(diǎn)則只攜帶4個(gè)輸出點(diǎn)，也有些“COM”點(diǎn)只攜帶1至2個(gè)輸出點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)的電流較大、負(fù)載的種類較多時(shí)，可以選用“COM”點(diǎn)攜帶1至2個(gè)輸出線的PLC。

2.4外部驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

如果PLC在輸出的過程中不能帶動(dòng)負(fù)載，則要通過外部驅(qū)動(dòng)電路的幫助來完成生產(chǎn)。在設(shè)計(jì)中，可以采用三極管或固態(tài)繼電器作為外部驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)完成保護(hù)電路和浪涌吸收電路的設(shè)計(jì)，保證每一路都有二極管作為指示。在印制板的制作上，應(yīng)盡量將其設(shè)計(jì)為插拔式，便于維修工作的開展。在PLC的輸入/輸出布線上，要嚴(yán)格按照說明書的要求來完成，保證系統(tǒng)的完整性和合理性。

2.5擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)

在擴(kuò)展模塊（圖4）的設(shè)計(jì)中，如果PLC系統(tǒng)較小，則不需要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。當(dāng)PLC系統(tǒng)較大時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行一定成程度的擴(kuò)展。由于不同的產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)總點(diǎn)數(shù)的要求有所不同，當(dāng)擴(kuò)展條件不足時(shí)們可以使用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來完成系統(tǒng)的擴(kuò)展。有部分廠家的系統(tǒng)會(huì)排斥擴(kuò)展模塊，在此類系統(tǒng)的編制上，要給予特別的關(guān)注。擴(kuò)展工作應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)手冊(cè)上的相關(guān)要求來執(zhí)行，保證擴(kuò)展內(nèi)容符合系統(tǒng)的要求。

2.6PLC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

由于PLC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)較PLC單機(jī)設(shè)計(jì)難度大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要注意各個(gè)步驟間的配合。首先，要對(duì)機(jī)型的信息進(jìn)行全面的了解，掌握制定的執(zhí)行速度個(gè)程序的儲(chǔ)存容量。其次要對(duì)通信的接口和數(shù)據(jù)傳輸速度進(jìn)行完整的考慮，避免在設(shè)計(jì)的過程中系統(tǒng)出現(xiàn)崩塌。另外，還要向PLC商家尋求詳細(xì)的技術(shù)資料，保證設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性［7-8］。

2.7軟件的編制

在軟件編制工作開始之前，要對(duì)產(chǎn)品說明書進(jìn)行詳細(xì)的閱讀。在進(jìn)行軟件的編程時(shí)們可以先畫出梯形圖，再完成編程工作，減少錯(cuò)誤的發(fā)生，提高編程的速度。編程的基本步驟可分為幾點(diǎn)，一是要根據(jù)系統(tǒng)的要求確定控制的手法，生成動(dòng)作，設(shè)置保護(hù)和連鎖，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的設(shè)定。二是要根據(jù)現(xiàn)場的要求完成按鈕、開關(guān)。指示燈等具體元件的設(shè)計(jì)和分類，分配好輸入和輸出的地址。三是要完成復(fù)雜系統(tǒng)的控制，繪制出流程圖，嚴(yán)格按照?qǐng)D表完成設(shè)計(jì)工作。四是要完成程序的模擬調(diào)試工作，保證程序的良好運(yùn)行。五是要完成設(shè)計(jì)后期的在線統(tǒng)籌工作，在不帶負(fù)載的情況下進(jìn)行調(diào)試，在確定其運(yùn)行正常后再讓其負(fù)載運(yùn)行。

圖3　PLC輸出回路

圖4　PLC擴(kuò)展模塊

3　PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在電源線的選擇上，應(yīng)盡量選擇雙絞線，保證線徑在2mm2以上。如果選用擴(kuò)展單元作為控制系統(tǒng)的電源，則要保證擴(kuò)展單元和主機(jī)所用的開關(guān)為同一開關(guān)。不要將PLC的接地端接地，如果必須完成接地工作，則要選用專用的接地線。保證接地線徑為2mm，接地的電阻在4Ω以下。輸出信號(hào)線的長度要保持在30m之內(nèi)，將輸入和輸出的線路分開，保證其與動(dòng)力線的距離在200mm以上。如果在實(shí)際生產(chǎn)中要將PLC安裝在金屬板上，則必須在其底部防止絕緣墊，防止金屬裝置為對(duì)系統(tǒng)工作造成干擾。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，不可使用帶有插拔編程的電纜，避免其對(duì)器件造成損壞。將PLC的負(fù)載電源外接，加強(qiáng)對(duì)器具的保護(hù)。在PLC帶有感性負(fù)載時(shí)，繼電器斷開瞬間產(chǎn)生幾千伏的高壓，易對(duì)繼電器造成損壞，此時(shí)可在系統(tǒng)中增加浪涌吸收電路（圖5），加強(qiáng)對(duì)繼電器的保護(hù)。

圖5　浪涌吸收電路

4　結(jié)束語

PLC作為一種數(shù)字操作電子系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在具體設(shè)計(jì)中，要完成輸入/輸出回路的設(shè)計(jì)、“COM”點(diǎn)的設(shè)計(jì)、外部驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)、PLC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)等一系列的工作。設(shè)計(jì)要根據(jù)生產(chǎn)的要求來進(jìn)行，同時(shí)也要加強(qiáng)對(duì)器具的保護(hù)，使PLC系統(tǒng)更好的發(fā)揮其作用。

［1］王文靜.PLC控制系統(tǒng)在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011（9）:17.

［2］謝小成，姜莉莉，許玉枝.面向PLC自動(dòng)控制生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012（3）: 282-287.

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［5］姚琦，賴忠喜.基于ZigBee和PLC的溫室監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2014（16）：105-108.

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Design of PLC control system based on automatic production process

SHILing-ping
（Xi'an Railway Vocational and Technical College，Xi'an 710014，China）

Based on the application of PLC control system to improve the efficiency of the automatic production，reduce the error，the purpose of through the type selection of PLC，PLC system analysis and so on concrete work，perfect PLC control system are designed.It is concluded that the design of PLC control system mustbe completed to finish the design of the input/output circuit，".com"pointof design.The design of the related part is described in detail，and the PLC system can be used in the automatic production better，compared with the previous technology，itcan improve the automation production efficiency.

automatic production；PLC controlling system；design；PLC net；drive circuit

TN0

A

1674-6236（2016）19-0113-04

2015-08-26稿件編號(hào)：201508138

師玲萍（1987—），女，甘肅臨洮人，碩士，助教。研究方向：車輛工程。