浅谈PLC控制系统设计要点及其在使用中的问题

浅谈PLC控制系统设计要点及其在使用中的问题

1、引言

PLC是工业自动化的基础平台。PLC应用系统设计的首要问题是工程选型与编程平台的架构设计。其次，PLC在解决自动化工程问题时首先面临输入输出系统的工程设计正确性问题。对于大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电磁阀的开闭，电机的起停，温度、压力、流量的设定,产品的计数与控制等，工业现场中的这些自动控制节点需要事先进行分门别类的工程分析与正确设计。

2、PLC及编程系统的选型设计

在当今行业市场上PLC产品种类众多，除国产品牌以外，国外的品牌有:日本OMRON、HITACHI、FUJI、IDEC、松下、MITSUBISHI、德国的西门子，法国施耐德，韩国的LG等等，如何合理选型PLC产品？

2.1通讯要求与I/O点数裕量

首先，应该确定系统用PLC单机控制还是用PLC形成网络，由此计算出输入、输出(I/O)点数，并且在选购PLC时要在实际需要点数的基础上预留10%的余量。

2.2I/O负载分析

确定负载类型。根据PLC输出端所带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，或是晶闸管输出。不同的负载选用不同的输出方式对系统的稳定运行是极为重要的。

2.3运行速度

执行速度。存储容量与指令的执行速度是PLC选型的重要指标，一般存储量越大、速度越快的PLC,其价格就越高，尽管国外各厂家产品大体相同，但也有一定区别。

2.4独立I/O公用端口(COM)编组规模

“COM”点的选择。不同的PLC产品，其“COM”端口的点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带1个或2个输出点。当负载的种类多，且电流大时，采用一个“COM”点带1—2个输出点的产品，当负载种类少，数量多时，采用一个“COM”点带4—8个输出点产品。

2.5系统兼容

系统的兼容性。由于各生产厂家的开发软件不同，系统的兼容性也是选购时的重点，目前还没有发现完全兼容的产品，应根据系统合理地选用PLC产品。

2.6编程平台

编程器的选购。PLC编程可采取三种方式:一是用一般的手持式编程器。它只能用厂家出厂规定的语句表中的语句来编程,其优点是易于现场调试并且体积小、成本低，但它的效率低，适应机种类型少，比较适用于系统容量小、用量少的系统中。二是图形编程器编程，这种方式采用图形方式编程，方便直观，一般电气人员短期就可以应用自如，但编程器价格较高。三是用IBM及其兼容个人计算机+PLC软件包编程，这种方式是效率最高的一种方式，也是最常用的一种方式，但大部分软件包价格昂贵。

2.7PLC制造商选择

尽量选用大公司的产品。因为大公司的产品，质量有保障，且技术支持好，一般售后服务也较好，有利于以后产品的扩展与软、硬件升级。笔者由于一般均采用德国的西门子，法国施耐德或者日本OMRON。

3、输入、输出回路的设计

3.1本体电源回路

PLC供电一般为AC85-240V(也有DC24V)，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)。

3.2外部I/O驱动电源

若输入回路有DC24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上的DC24V电源容量不够时，要从外部提供DC24V电源，但该电源的“一”端不要与PLC的DC24V电源的“一”以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。

3.3自备I/O驱动电源

各公司PLC产品上一般都有DC24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时应注意容量，同时做好防短路措施(因为该电源的过载或短路将影响PLC的运行)。

3.4输入灵敏度

生产厂家对PLC的输入电压和电流都有规定，当输入元件的输入电流大于PLC的最大输入电流或有漏电流时，就会有误动作，降低灵敏度，所以应适用弱电流输入并对漏电流采取防护措施，并且选用输入为共漏型输入的PLC。两线式传感器(光电开关、无触点开关)有LED的限位开关时，输入漏电流会产生错误输入或灯亮，对策为连接泄放电阻降低输入阻抗。

对于晶体管或双向可控硅输出端，若接到一个较大冲击电流的设备上，就必须考虑负载保护。

3.5感性负载处理

在输入、输出端接感性负载时，要在负载两端并联一个冲击抑制器或续流二极管。

3.6 PLC外部驱动电路

对于PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路，可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路。另外PLC的输入输出布线也有一定要求，请参照各公司的使用说明书。需要特别指出，对于常见的AC220V感性小负载，例如交流接触器、交流线圈继电器、电磁阀等，尽管技术标称可能符合直接驱动规范，工程上绝对不主张PLC直接驱动的简约设计，应该通过中间继电器间接驱动。

4、扩展模块的选用

对于小的系统，如80点以内的系统，一般不需要扩展;当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块数量都有限制，当扩展仍不能满足需要时，可采用网络结构。同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编程时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请参阅相关技术手册。

5、PLC通讯设计

当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先应选用自己比较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应实时要求，造成系统崩溃。另外对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要进行必要地考虑。

最后，向PLC的厂家寻求网络设计和软件支持及详细技术资料，至于选用几层工作站，依照系统大小而定。

6、软件程序编制

在编制软件前，应首先熟悉所选用的PLC产品说明书，待熟悉后再编程。若采用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可以减少出错，速度也快，编成完成后先空运转，待各个动作正常后，再在设备上进行调试。

7、PLC应用中需要注意的问题

虽然PLC是一种用于工业现场的前端自动化技术基础装备，可以直接在多数工业环境中使用。然而，当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题。

7.1 确保PLC工作环境

（1）温度。PLC要求环境温度在0—55摄氏度，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。

（2）湿度。为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。

（3）空气。避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。

（4）震动。应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。

（5）电源。PLC对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力。在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中，可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。一般PLC都有直流24V输出提供给输入端，当输入端使用外接直流电源时，应选用直流稳压电源。因为普通的整流滤波电源，由于纹波的影响，容易使PLC接收到错误信息。

7.2 控制系统设计中的干扰及其来源

现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素之一，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。

(1)干扰源及一般分类。影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射;磁场改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。

(2)PLC系统中干扰的主要来源及途径。

对于强电干扰，PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。柜内干扰控制柜内的高压电器，大的电感性负载，混乱的布线都容易对PLC造成一定程度的干扰。

来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。

来自接地系统混乱时的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。

来自PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射及其对模拟电路的影响，模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。

变频器干扰。一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。

7.3主要抗干扰措施

(1)电源的合理处理，抑制电网引入的干扰。对于电源引入的电网干扰可以安装 一台带屏蔽层的变比为1:1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路。

(2)正确选择接地点，完善接地系统。良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

(3)对变频器干扰的抑制。变频器的干扰处理方法:加隔离变压器，主要是针对来自电源的传导干扰，可以将绝大部分的传导干扰阻隔在隔离变压器之前。使用滤波器，滤波器具有较强的抗干扰能力，还具有防止将设备本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能。使用输出电抗器，在变频器到电动机之间增加交流电抗器主要是减少变频器输出在能量传输过程中线路产生电磁辐射，影响其它设备正常工作。

8、结束语

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，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，在工业现场中自动控制问题中，可编程控制器(PLC)已成为解决问题的最有效的工具之一，合理设计PLC控制系统，使之在自动控制中发挥最有效的功效。PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此，在设计中，抗干扰问题有待解决，应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制抗干扰，才能够使PLC控制系统正常工作。随着PLC应用领域的不断拓宽，如何高效可靠的设计和使用PLC，已经成为其发展的重要因素。21世纪，PLC会有更大的发展，产品的品种会更丰富、规格更齐全，通过完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求，PLC作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业控制领域发挥越来越大的作用。