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一个实际的PLC控制系统是以PLC为核心组成的电气控制系统，实现对生产设备和工业过程的自动控制。PLC控制系统设计的好坏直接影响着产品的质量和企业的生产效率，关系到企业的经济效益。因此，在设计PLC控制系统时要全面了解被控对象的机构和运行过程，明确动作的逻辑关系，大限度地满足生产设备和生产过程的控制要求，同时力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便，并保证控制系统安全可靠。

　　一个实际的PLC控制系统是以PLC为核心组成的电气控制系统，实现对生产设备和工业过程的自动控制。PLC控制系统设计的好坏直接影响着产品的质量和企业的生产效率，关系到企业的经济效益。因此，在设计PLC控制系统时要全面了解被控对象的机构和运行过程，明确动作的逻辑关系，大限度地满足生产设备和生产过程的控制要求，同时力求使控制系统简单、经济、使用及维护方便，并保证控制系统安全可靠。

　　用户在使用PLC进行实际系统设计的过程中，会自觉或不自觉地遵循一定的方法和步骤。PLC是一种特殊的计算机，在体系结构、运行方式和编程语言等方面有别于普通计算机，因此在设计方法和步骤上有其特殊性。虽然不能要求必须先做什么，后做什么，具体应该怎样做，但必须遵循一些共同的原则，使PLC应用系统的设计方法和步骤符合科学化，形成工程化，趋于标准化。

　　一、 设计原则及方法

　　1.系统设计的基本原则

　　在进行PLC控制系统的设计时，一般应遵循以下几个原则：

　　（1）完全满足被控对象的工艺要求。

　　（2）在满足控制要求和技术指标的前提下，尽量使控制系统简单、经济。

　　（3）控制系统要安全可靠。

　　（4）在设计时要给控制系统的容量和功能预留一定的裕度，便于以后的调整和扩充。

　　2.设计内容

　　（1）根据被控对象的特性及用户的要求，拟定PLC控制系统的技术条件和设计指标，并写出详细的设计任务书，作为整个控制系统设计的依据。

　　（2）参考相关产品资料，选择开关种类、传感器类型、电气传动形式、继电器/接触器的容量以及电磁阀等执行机构。

　　（3）选择PLC的型号及程序存储器容量，确定各种模块的数量。

　　（4）绘制PLC的输入/输出端子接线图。

　　（5）设计PLC控制系统的监控程序。

　　（6）输入程序并调试，根据设计任务书进行测试，提交测试报告。

　　（7）根据要求设计电气柜、模拟显示盘和非标准电器元部件。

　　（8）编写设计说明书和使用说明书等设计文档。

　　3.设计方法及步骤

　　（1）详细了解和分析被控对象的工艺条件，根据生产设备和生产过程的控制要求，分析被控对象的机构和运行过程，明确动作的逻辑关系（动作顺序、动作条件）和必须要加入的联锁保护及系统的操作方式（手动、自动）等。

　　（2）根据被控对象对PLC控制系统的技术指标，确定所需输入/输出信号的点数，选配适当的PLC。

　　（3）根据控制要求有规则、有目的地分配输入/输出点（I/O分配），设计PLC的I/O电气接口图（PLC的I/O口与输入/输出设备的连接图）。绘出接线图并接线施工，完成硬件设计。

　　（4）根据生产工艺的要求画出系统的工艺流程图。

　　（5）根据系统的工艺流程图设计出梯形图，同时可进行电气控制柜的设计和施工。

　　（6）如用编程器，需将梯形图转换成相应的指令并输入到PLC中。

　　（7）调试程序，先进行模拟调试，然后再进行系统调试。调试时可模拟用户输入设备的信号给PLC，输出设备可暂时不接，输出信号可通过PLC主机的输出指示灯监控通断变化，对于内部数据的变化和各输出点的变化顺序，可在上位计算机上运行软件的监控功能，查看运行动作时序图。

　　（8）程序模拟调试通过后，接入现场实际控制系统与输入/输出设备联机调试，如不满足要求，再修改程序或检查更改接线，直至满足要求。调试成功后做程序备份，同时提交测试报告。

　　（9）编写有关技术文件（包括I/O电气接口图、流程图、程序及注释文件、故障分析及排除方法等），完成整个PLC控制系统的设计。

　　以上是设计一个PLC控制系统的大致步骤，具体系统设计要根据系统规模的大小、控制要求的复杂程度、控制程序步数的多少灵活处理，有的步骤可以省略，也可作适当的调整。

4.设计任务书的确定

　　生产工艺流程的特点和要求是设计PLC控制系统的主要依据，所以必须详细了解和分析对象的特性。设计任务书一般应包括以下几个方面：

　　（1）控制系统的名称。

　　（2）控制的任务和范围。在设计任务书中指明控制对象的范围，必须完成的动作，包括动作时序和方式（手动、自动，点动、间断、连续等）等。

　　（3）检测和控制的参数表（I/O分配表）。根据工艺指标、操作要求和安全措施等确定检测点和控制点的含义、数量、量程、精度、特性、安装位置等。一般在满足控制要求和技术指标的前提下，检测点和控制点应尽可能地少，并且精度要求也应以满足实际需要为准，否则将使控制系统复杂化，增加系统成本。

　　（4）参数之间的关系。明确在控制过程中各输入/输出量之间的先后顺序和逻辑关系。

　　二、 PLC的选型

　　PLC是一种通用的智能化工业控制设备，其档次和功能面向各种各样的应用，众多的生产厂家提供了各种系列、各种功能的产品。目前常见的国内外PLC产品有几百种型号。这为用户提供了广泛的选择余地，但也给一般用户的选型带来一些不便。下面简要介绍如何合理地选型，以组成经济实用的控制系统。

　　1.PLC的形式与规模的选择

　　PLC的选型前提是在功能上应满足生产过程的工艺要求。对于只含有开关量控制的系统，一般的小型PLC即可满足要求，不需要特别考虑PLC的扫描速度。

　　如果被控对象以开关量控制为主，只有少量的模拟量控制，则可考虑选用小容量、高性能的机型，如FP3、FP5等系列。这类PLC除了开关量处理外，还具有较强的算术运算和数据处理等功能。对于模拟量控制，就需要考虑PLC的扫描速度。

　　复杂的控制系统一般含有较多的开关量输入/输出，如对模拟量的控制要求也较高，可考虑选用中档和机型，如FP10、FP10S、FP10SH等系列的PLC。中、PLC都具有模拟量输入/输出、PID运算、闭环控制和快速响应等功能，但价格较高。对于更复杂的控制系统，其控制点既多又分散，一般要求较快的响应速度，并具有数据处理、文件管理、分析决策等功能，就要选用具有通信联网等功能的PLC系统，以组成分布式工业控制网络。

　　2.PLC的机型与容量的选择

　　（1）PLC机型的选择

　　根据控制系统的功能要求和容量来选择PLC，首先是PLC生产厂家的选择，在完成相同功能的情况下，选择厂家在考虑可靠性的同时兼顾经济性。接下来根据生产厂家提供的技术资料选择机型，注意考虑输出类型（如晶体管型、继电器型和晶闸管型）、I/O点数和工作电源等。若电气控制柜还需与其他控制柜联网运行，选型时还需考虑有无联网功能。对于工艺过程相对稳定、使用环境相对较差的场合，宜选用整体式PLC。对于较复杂的系统，可选用模块式PLC，以便于调整、扩充以及快速方便地判断与处理故障。

　　此外，对于一个单位而言，应尽量使机型统一，以便于系统的设计、管理、使用和维护。

　　（2）PLC容量的选择

　　PLC容量包括输入/输出点数和用户程序存储器两个方面。

　　①输入/输出点数（I/O点数）的估算

　　根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，再考虑15%～20%的备用量，以便以后的调整和扩充。

　　②用户程序存储器容量的估算

　　用户程序存储器容量与许多因素有关，如I/O点数、运算处理量以及程序的结构等，因此不可能预先准确地计算出程序容量，只能作粗略的估算。一些项目所占的存储空间可参照以下原则进行估算：

　　l开关量输入：5～10步/点。

　　l开关量输出：3～5步/点。

　　l模拟量输入/输出：50～80步/通道。

　　l定时器/计数器：3～5步/个。

　　l通信接口：200步/个。

　　l数据处理：5～10步/量。

　　后按所估算的总步数再加的备用量。需要注意的是，有些小型PLC的用户程序存储器容量是固定的，在选择时要充分考虑。

3.开关量输入/输出模块的选择

　　不同的开关量I/O模块的电路组成不同，开关量I/O模块的选择主要是根据点数、电路结构、电压形式、电压范围等方面。

　　（1）开关量输入模块的选择

　　PLC的开关量输入模块用来检测来自现场（如按键、行程开关、接近开关等）的通断信号，并经过隔离、放大、整形和电平转换等处理后输入PLC内部。对开关量输入模块，主要是选择点数和输入电压形式，输入电压一般有24V的直流和110V或220V的交流。

　　选择输入模块应考虑以下几点：

　　①输入模块的工作电压应尽量与现场输入设备（有源的）的一致，可以省掉转换环节。

　　②高密度的输入模块，如32点或64点，因受工作电压、工作电流和环境温度的限制，一般可同时接通的点数不得超过该模块输入点数的60%。

　　（2）开关量输出模块的选择

　　PLC的输出模块是将其内部的低电平控制信号经隔离后转换成外部所需电平的输出信号，以驱动外部负载。对开关量输出模块，主要是选择其点数和输出方式。输出方式有晶体管、晶闸管和继电器三种。选择输出模块应考虑以下几点：

　　①输出方式

　　继电器输出可任意使用交流或直流工作电源，价格相对便宜，输出电压适应范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力强，具有隔离作用。但继电器触点的响应速度慢，工作寿命较短，适用于动作不频繁的交直流负载。在驱动感性负载时，高通断频率一般不超过1Hz。晶体管（使用直流工作电源）和晶闸管输出（使用交流工作电源）都为无触点开关输出，适用于驱动动作频繁的负载。

　　②输出电压（电流）

　　输出模块的输出电压（电流）必须大于负载电压（电流）的额定值，并留有足够的余量。

　　③允许同时接通的输出点数

　　在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要保证不超过公共端（COM端）所允许的电流值。

　　4.模拟量输入/输出模块的选择

　　（1）模拟量输入模块的选择

　　对于输入连续变化的电压、压力、流量等物理量，需采用相应的传感器或变送器转变为一定范围内的电压或电流信号，然后使用模拟量模块输入到PLC中。模拟量输入模块按通道分为2、4、8通道等规格，按电路结构分为普通型和隔离型，按输入信号形式和范围有－10～10V、0～5V、1～5V、0～20mA、4～20mA等。有的模块可设定电流还是电压，甚至可设定范围，选择输入模块应考虑以下几点：

　　①输入方式及范围

　　根据输入设备来选择电压型或电流型输入方式的模块，电流型的抗干扰能力高于电压型。模块的输入有效范围越大，其适应性较强，但误差偏大。

　　②转换分辨率

　　分辨率与系统的控制精度有关。一般的模块有12位以上的分辨率，可以满足一般的要求。如输入信号范围可变，可分辨的小的信号单位也随之变化。

　　③转换速度

　　转换速度与控制系统的实时性有关。模块的转换速度有快有慢，考虑到滤波效果，模拟量输入模块大多采用积分式A/D转换，转换速度一般为毫秒级。通常各通道的转换以串行方式进行，如因转换速度而影响控制性能时，可选用专用的高速模块。

　　（2）模拟量输出模块的选择

　　模拟量输出模块能输出被控设备所需的规定信号范围的电压或电流，如0～5V、－10～10V或4～20mA等。模拟量输出模块的选择考虑与模拟量输入模块相同。为了满足特殊的需求，可选用相应的专用智能模块。

　　此外还要考虑与PLC的I/O口相连的输入/输出设备的选型，包括输入设备（如按钮、行程开关、传感器、变送器等）和输出设备（继电器、接触器、调节阀、信号指示灯等）的选型，以及由输出设备驱动的各种控制对象（如电动机、电磁阀等）的选型，选择此类设备要考虑备件的通用性。

　　以上简要地介绍了PLC选型的一般依据和通常需考虑的几个因素，设计者应根据实际的需要综合考虑，选择性能价格比合适的产品，完全满足被控对象的控制要求，充分发挥PLC的功能，并兼顾到系统的扩充性。

　　三、 系统设计

　　PLC应用系统的设计一般包括硬件设计和软件设计两部分，硬件设计一般相对比较简单，通常在输入/输出选型后将外部设备连接到PLC即可。软件设计通常是用梯形图将控制任务描述出来，实现相应的控制功能。所以画梯形图（即软件设计）是PLC应用系统设计的核心任务。

IEC 61131-3的XML格式及其应用

　　随着IEC 61131-3标准被广泛接受，经济竞争的环境日益严峻，而在工业控制软件的开发成本和工程成本日益上升的形势下，希望能在不同的软件开发环境之间交换其程序、函数/功能块库和工程项目的需求越发高涨。考虑到编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个环节，为规范它与其他环节间的数据交换的接口，有必要提供为实现IEC 61131-3编程的数据交换规范。通过为IEC 61131-3规定一种XML的格式，倡导一种开发环境，使得在此基础上构成统一的工程软件平台。

　　利用PLCopen规范的XML格式，来实现不同软件工具的数据交换：为统一的工程平台实现不同控制功能的编程、组态提供基础；为统一的工程平台实现设计、调试、运行操作、维护各阶段功能的前后衔接提供基础；进行不同硬件平台定义的I/O变量和内部变量直接的变换，为控制程序无障碍移植创造前提条件。包括文本化编程语言、图形化编程语言、结构化编程语言、图形信息、数据类型等信息，都可用XML的格式予以表达。

　　举例来说，由德国的汽车制造商Daimler发起，联合了ABB、KUKA、Rockwell Automation、Siemens等工业企业以及一些软件和服务商，成立了AutomationML（Automation Markup Language）组织，为的就是通过共同定义数字化工厂的一种中间格式——自动化标记语言AutomationML，并进行标准化。AutomationML标准是一种免费的开放标准，主要用于制造自动化，包括机器人和物流，但不局限于此。其创新主要在于：在一个单一的根格式（XML格式）下将许多重要工程方面所接受的标准综合起来予以应用。

　　IEC 61131-3的OPC UA信息模型

　　建立IEC 61131-3的OPC UA信息模型的目的在于提高控制器和可视化装置（人机界面）、上位信息系统之间通信的复用性。从长期应用的观点看，将明显提高工程流程的效率和显著降低工程成本。设想当某个PLC项目中有许多控制平台由不同的供应商提供，如果用一种可视化工具或MES/ERP，从这些控制平台的外部来看，他们完全是一样的。PLCopen之所以选择OPC UA，是因为使用OPC的统一架构解决了如下问题：在监控层面如何发现与之通信的对象；如何使通信对象的数据、复杂数据和功能性是完全可利用的；如何使通信可靠、可执行，又与操作系统和编程语言无关；如何确保信息安全。

　　在2009年德国纽伦堡SPS/IPC/Drives展会、2010年HMI展会以及2010年灯光和建筑展会上分别展出了由多个供应商采用OPC的IEC 61131-3信息模型的实物演示。

　　嵌入式PLC的发展趋势与潜力

　　根据《Control Design》杂志的调查，2009年美国机械行业的PLC用户占2/3，PAC和PC控制合起来只占13%，而嵌入式PLC仅占5%。这可以说明，嵌入式PLC具有很大的发展空间。

　　目前，嵌入式PLC的发展也呈现多元化，国内外均有良好表现：德国赫优讯推出的将现场总线技术和PLC技术结合的netPLC很有特色；国内几年前就有华中科技大学在EASY CORE 1.00核心芯片组中加载了嵌入式PLC系统软件，作为硬件平台，开发了多模入通道的嵌入式PLC；还有一种发展路径是以开发PLC与人机界面相结合的硬件/软件一体化为目标的平台，充分利用了CASE工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入/输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有ODM性质的专用PLC。

　　嵌入式PLC在我国具有较广阔的发展空间，首先在于它十分有利于发挥我国自动化行业发展的两大特点：有相当雄厚的为机电设备配套的市场基础，并拥有足够的、性价比全球优的设计开发队伍。我们完全可以以低的成本、较高的质量，并按客制化的要求设计、生产为机电设备配套的嵌入式PLC，来代替通用PLC。

　　同时，嵌入式PLC的硬件、软件、人机界面、通信等各方面的功能设计灵活，易于剪裁，更贴近各种档次的机电设备的要求。嵌入式PLC完全基于嵌入式系统的技术基础，拿来就可用。SoC芯片、嵌入式操作系统与符合IEC 61131-3编程语言标准的编程环境等优势，使得其在市场上很容易找到。

　　在目前环境下开发通用PLC的技术不难突破，但抢占市场需要大量财力和人力资源投入。在市场已被为数不多的几家大公司稳固瓜分的，走这样的路线似乎事倍功半。我国小型PLC近年来也有可喜进步的实践，也同样证明了这一判断。