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PLC控制系统的设计与安装
摘要：根据PLC的工作特点，分析了这种控制系统的主要结构形式，阐述了PLC选型的基本原则，重点讨论了PLC输出输出模块的选择要求以及I/O点数的确定、PLC的安装要求和改善安装环境的具体措施、PLC的外部配线及接地的方法，这些方法可以有效地保证PLc控制系统的可靠性，具有较大的推广价值。
关键词：PLC控制系统;结构与方式;安装环境;改善措施
在可编程序控制器(PLC)控制系统中，控制系统结构与PLC的安装是十分重要的工作，工艺流程的特点和用户应用的要求是设计的主要依据。由于PLC产品的种类和数量繁多，其结构形式、容量、指令系统、价格等各不相同，适用场合也各有侧重，合理地选择PLC及其控制系统的结构，使其具备较高的性能价格比显得非常重要;每种PLC都有自己的环境条件，良好的环境条件是PLC系统可靠运行的重要保证，用户在设计PLC控制系统时，对环境条件应给予充分的考虑。
1控制结构和方式的设计
1.1单机控制系统
单机控制系统是指用一台PLC控制一台设备的系统，其输入/输出点数和存储器容量比较小，属于一种小系统。这种系统可以选用任何类型的PLC作为控制器，但不宜将PLC的功能、I/0点数、存储器容量等余量选得过大。
1.2集中控制系统
集中控制系统是用一台PLC控制多台设备。这种系统中，一般各控制对象所处地理位置比较集中，且相互之间的动作存在一定的顺序关系，它适合于简单的流水线控制。采用集中控制系统时，必须注意将I/O点数和存储器容量选择余量大些，以便增设控制对象。
1.3分布式控制系统
分布式控制系统是指采用几台PLC分别独立地控制某些设备，每一个控制对象设置一台PLC，各PLC之间可通过信号传递进行内部联锁、响应或发令等，或由上位机通过数据通信总线进行通信，其构成如图1a所示。这种系统多用于多台生产线的控制，并且控制某设备的PLC停运，也不影响其他设备的运行。它适合于控制规模较大的工业现场。
1.4远程I/o控制系统
当各控制对象地理位置比较分散，输入/输出线要引入PLC时，可采用I/0模块组成的远程I/o系统。系统中I/O模块不与PLC放在一起，而是放在被控设备附近。远程I/0机架与PLC之间通过同轴电缆或双绞线连接并传递信息。由于不同厂家的不同型号的PLC允许使用的同轴电缆长度是不同的，选择时必须按控制系统的需要选用。
图lb所示是远程I/O控制系统的构成，图中系统使用了3个远程I/o机架(A、B、C)和一个本地I/o机架(M)。需要说明的是：一个控制系统需要设置多少个远程I/o机架(站)，要视控制对象的分散程度和距离而定，也受所选PLC的限制。
1.5就地控制系统
远程I/o控制系统中，远程I/O机架仅装I/O模块，没有程序，所有控制系统程序都存在PLC的存储器中。如果用一台PLC代替远程I/O机架，则构成了就地PLC控制系统，如图2所示。
在这种控制系统中，每个控制对象(或邻近的几个控制对象)设置一台具有控制程序的PLC，用一台主PLC通过同轴电缆或其他通信电缆与就地PLC连接。就地PLC的功能是执行控制任务，并将控制信息送给主PLC，主PLC接收各就地PLC的信息后，进行管理性质的综合控制，而不直接控制被控对象?。
2 PLC的选择
选择PLC时，不仅应考虑应用系统目前的需求，还应考虑未来发展的需要。如果选型时考虑周到，则今后扩充存储器时只要安装一个存贮器模块即可，如果具有可用的通信接口，就能满足增加外围设备的需要。对局部网的考虑可允许在将来将单个控制器集成为一个厂级通信网。若未能合理估计现在和将来的目标，控制器系统会很快过时。
P LC选型的基本原则是所选PLC能够满足控制系统的功能需要，一般从系统控制功能、PLC物理结构、指令和编程方式、存储量和响应时间、通信联网功能等几个方面综合考虑。下面重点讨论PLC输入/输出模块的选择方法。
2.1输入/输出模块的选择
输入模块将现场设备的信号进行检测并转换成PLC内部的电平信号，按电压分为交流式和直流式，按‘电路形式分为汇点输入式和分隔输入式。选择输入模块时应考虑：输入信号电压的大小，信号传输的距离长短，是否需要隔离及采用何种方式隔离，内部供电还是外部供电等问题。输出模块把PLC内部信号转换为外部过程的控制信号，以驱动外部负载。输入/输出模块是PLC与被控对象之间的接口，按照输入/输出信号的性质，一般可分为开关量(或数字量)和模拟量模块。开关量输入/输出模块也常称为离散输入/输出模块，其输入/输出信号可以是直流或交流的。开关量输入模块种类很多，按输入点数有8、12、16、32点等，按工作电压有直流5V、12V、24V、48V几种，交流l10V、220V两种。选择开关量输入模块时主要考虑以下几点：
(1)选择工作电压等级
电压等级主要根据现场检测元件与模块之间的距离来选择。距离较远时可选用较高电压等级的模块来提高系统的可靠性，以免信号衰减后造成误差;距离较近时，可选择电压等级低一些的模块，如5V、12V矛1124V等。
(2)选择模块密度
模块密度主要根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择。集中在一处的输入信号尽可能集中在一块或几块模块上，以便于电缆安装和系统调试。对于高密度输入模块，如32点或64点，可接通点数取决于输入电压和环境温度。一般情况下，接通点数好不超过模块总点数的60%，以保证输入/输出点承受负载能力在允许范围内。
(3)门槛电平
为了提高控制系统可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平，是指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。
(4)输入端漏电流的控制
在PLC进行连接配线时，存在着不同程度的漏电流。如连接电缆和双绞线的线路电容可能引起交流漏电;晶闸管截止时也会存在少量漏电流;带LED指示的开关也可能会产生较大的漏电流。这些漏电流会像信号一样输入到输入点去，形成干扰。解决的方法是在输入端并联适当的电阻和电容，以降低输入总阻抗。
目前，许多型号的PLC内部都提供DC24V电源，用做集电极开路传感器的电源。但该电源容量较小，当用做本机输入信号的工作电源时，需要考虑电源的容量。如果电源容量要求超出了内部DC24V电源的定额，须采用外接电源，建议采用稳压电源。选择开关量输出模块时，应考虑以下问题：
①输出方式的选择
继电器输出方式价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动电感性负载时，大开闭频率不得超过1Hz。
晶闸管输出方式(交流)和晶体管输出方式(直流)都属于无触点开关输出，使用寿命长，适用于通断频繁的感性负载。对于开关频率高、电感大、低功率因数的交流负载，可选用品闸管输出模块;而对于开关频率较高的直流负载，可选用晶体管输出模块。
②输出电流的选择
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。选用输出模块时还应注意接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。为防止由于负载短路等原烧坏PLC的输出模块，输出回路。必须外加熔断器作短路保护。
对于继电器输出方式可选用普通熔断器;对于晶体管输出方式和晶闸管输出方式，应选用快速熔断器。模拟量模块也包括输入模块和输出模块，模拟量输入模块把来自于传感器或变送器的电量或非电量信号转变为一定范围内的电压或电流信号，它分为电压型和电流型。
电流型分为0～20mA、4～20mA两种，电压型分为1～5V、一10～+10V、0～5V等多种型号，输入通道个数有2、4、8、16个等几种。在选用时应注意外部物理量的输入范围，模拟通道循环扫描的时间和信号的连接方式。一般来说，电流型的抗干扰能力优于电压型。模拟量输出模块能输出被控设备所需的电压或电流，它的电压型和电流型的型号与模拟量输入模块的大体相似。选用输出模块驱动执行机构时，中间有可能要增加必要的转换装置，还要注意信号的统一性和阻抗的匹配性。当前一些PLC生产厂家相继推出了一些智能输入/输出模块，如高速计数器、PID闭环控制模块等，由于它们本身含有微处理器，可提高PLC的处理速度，节约存储器容量。用户可结合实际应用进行选择使用。
2.2结构.功能的选择
对于简单控制系统，即仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC所具有的简单运算、定时、计数等功能就可以满足要求。如果还含有少量的模拟量控制，需要算术运算、A/D和D/A转换、BCD码处理等功能的系统，那么增强型小型PLC便可胜任。
而对于复杂控制系统，如大型生产线控制，因为它含有较多的开关量，模拟量的控制要求也较高，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，这时可考虑选择大中型PLC。假若控制点多又分散，要求具有较快的响应速度和数据处理、分析决策等功能，就必须选用具备联网通信功能的PLC网络系统。组成集散型或多级分布式的工业控制网络系统。例如，采用S7—300/400PLc或计算机作为上级，采用$7300/200以及紧凑I/o站ET一200等作为下级组成分布式控制系统。采用高速通信网络加上高速或高性官EPLC的控制结构，是当前用于快速响应系统的可行性方案之一。
根据生产应用的要求，对输入/输出点数少的控制系统可选用整体式结构;输入/输出点数较多、控制性能要求高的场合，可选择模块式结构。需要指出的是同一企业或系统应尽量使用统一机型或同一生产厂家的PLC，这样可减少备件的数量，PLC的外部设备和工具软件(如编程器、EPRoM写入器、编程软件)还可以共享，降低成本。
2.3确定l/o点数
合理选择I/O点数既可满足系统的控制要求，又可使系统总投资低。通常的做法是先把各输入/输出设备和被控设备详细列出，再根据常用电气元件所需PLC的I/o点数，估算出实际I/O总点数。
3 PLC的安装
3.1 PLC的安装环境要求
(1)温度
PLC及其外部电路都是由半导体集成电路、晶体管和电阻、电容等元器件构成的，温度的变化将直接影响这些元器件的可靠性和寿命。PLC及其外部电路(I/O模块、辅助电源等)可靠工作的环境温度为0～55℃，保存温度为-40～+85℃。
(2)湿度
PLC允许的相对湿度一般在35%～80%。湿度太高时，水分容易通过模块上PLC的金属表面缺陷浸入内部，引起内部元件的恶化，印制板可能由于高压或高浪涌电压而引起短路。在极干燥的环境下，绝缘物体上可能带静电，特别是MOS集成电路，由于输入阻抗高，可能由于静电感应而损坏。PLC不运行时，温度、湿度的急剧变化可能引起结露。结露后会使绝缘电阻大大降低，由于高压的漏泄，可能会使金属表面生锈。特别是交流220V、110V的输入/输出模块，由于绝缘的恶化，可能产生预料不到的事故。
(3)振动和冲击
一般PLC能耐的振动和冲击频率为10～55Hz，振幅为0.5mm，加速度为29，冲击为109(19=10m/s2)。超过这个极限时，可能会引起电磁阀或断路器误动作、机械结构松动、电气部件损坏以及连接器的接触不良等后果。
(4)周围空气
周围空气中不能混有尘埃、导电性粉末、腐蚀性气体、水分、油分、油雾、有机溶剂和盐分等，否则会引起下列不良现象：尘埃可能引起接触不良，或使滤网的网眼堵住，使盘、柜内温度上升;导电性粉末可能引起误动作，绝缘性能变差和短路等;油和油雾可能会引起接触不良和腐蚀塑料;腐蚀性气体和盐分可能会引起印刷电路板的底板或引线腐蚀，造成继电器或开关类的可动部件接触不良。
3.2改善环境的措施
3.2.1 防高温的措施
如果控制系统的环境温度超过极限温度55℃，盘、柜内必须设置风扇，通过过滤器把自然风引入。有条件时还可把控制系统置于空调室内。应防止阳光直射。当安装有电阻器或电磁接触器等发热元件时，它们要远离PLC或把PLC安装在发热体的下面。
PLC的安装都应考虑通风，PLC的上下都要像图3所示的那样留有100mm的距离，I/o模块配线时要使用导线槽，以免妨碍通风。
3.2.2防低温措施
温度过低时，盘、柜内可设置加热器。冬季时这种加热器特别有效，可使盘、柜内温度保持在0℃以上或在10℃左右。设置加热器时要选择适当的温度传感器，以便在温度高时自动切断加热器电源，低温时自动接通电源。停止工作时，不要切断控制器和I/O模块电源，从而依赖其自身的发热量使周围温度升高，特别是夜间低温时，这种措施是很有效的。在温度急剧变化的场合，不要打开盘、柜的门，以防冷空气进入。
3.2.3稳定湿度措施
若环境的湿度过大，盘、柜应设计成密封型，并放入吸湿剂，或把外部干燥空气引入盘、柜内，印刷板上好再覆盖一层保护层，如喷松香水等。在湿度低即干燥的场合进行检修时，人体尽量不接触集成电路块和电子元件，以防感应电损坏器件。
3.2.4 防振动和j中击的措施
在有振动和冲击的场合，如果振动来自盘、柜之外，可对盘、柜采用防振橡皮，或远离振源;如果振动来自盘、柜内，则把产生振动的设备移出，单独设置，强固PLC、I/o模块及印刷板等可产生松动的器件。
3.2.5 防周围环境空气不洁的措施
如果周围环境空气不清洁，可将盘、柜设计成密封型结构，且打入高压清洁空气，使外界不清洁空气不能进入盘、柜内部。可在印制板表面涂一层保护层，如松香水等。
3.3外部配线
为了抑制通过输入、输出信号传输线引入的干扰，应注意以下几点：
(1)开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。
(2)数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。
(3)模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰信号都会叠加在模拟信号上面造成干扰，要选用屏蔽电缆或带防护的双绞线。如果模拟量I/O信号距离PLC较远，应采用4～20mA或0～10mA的电流传输方式，而不用易受干扰的电压信号传输。好将功率较大的开关量输入、输出线与模拟量输入、输出线分开敷设。
(4)输入、输出信号线要与动力线分开。在条件允许的情况下，两组线距离应在20cm以上，如果不能保证上述小距离，可采取屏蔽措施，如将邻近部分动力线穿套管，并将套管接地。不允许把PLC的输入、输出线与动力线、高压线捆在一起，几种的电缆敷设方式如图4所示。
(5)应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离。一般两线间距离为20cm，当两线平行敷设的长度在l00～200m时，两线间距离应在40cm以上;平行敷设的长度在200～300m时，两线间距离应在60cm以上。
(6)PLC的输入、输出线好单独敷设在封闭的电缆槽架内(线槽外壳良好接地)。不同种类信号(如不同电压等级、交流、直流等)的输入、输出线，不能放在同一根多心屏蔽电缆内(引线部分更不许捆扎在一起)，它们在槽架内应隔开一定距离安放，屏蔽层应当接地。
(7)对于输入、输出信号在300m以上的长距离场合，建议用中间继电器转换信号或使用远程I/O控制。
3.4 PLC的接地
PLC和控制柜盘与大地之间存在着电位差，良好的接地可以减少由于电位差引起的干扰电流。混入电源和输入/输出信号线的干扰，可通过接地线引入大地，从而减少干扰的影响。良好的接地还可以有效地防止干扰误动作。图5所示为控制系统的接地方法。
图5a为控制器和其他设备分别按地方式，这种接地方式好。如果做不到每个设备专用接地，也可使用图5b所示的共用接地方式，但不允许使用图5C所示的共通接地方式，特别是应避免与电动机、变压器等动力设备共通接地。
4 结束语
PLC控制系统的设计与安装主要涉及到PLC硬件的设计与软件的设计，其中软件的设计主要是编程语言的设计，其设计方法较多。本文重点分析了硬件的设计与安装。在实际应用中，应根据应用系统的具体特点和应用环境的具体条件，灵活地选择行之有效的安装方法和采取抗干扰措施，全面、合理地考虑系统的软件和硬件设计，从总体上提高系统的抗干扰能力和可靠性。
（1）PLC的工作方式：采用循环扫描方式。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。
注意：
由于PLC是扫描工作过程，在程序执行阶段输入发生了变化，输入状态映象寄存器的内容也不会变化，要等到下一周期的输入处理阶段才能改变。循环扫描过程如下：
（2） 工作过程：主要分为内部处理、通信操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。
1） 内部处理阶段：
在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其它内部工作。
2） 通信服务阶段
在此阶段，PLC与一些智能模块通信、响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。
3） 输入处理
输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读入所有输入端子的通断状态，并将读入的信息存入内存中所对应的映象寄存器。在此输入映象寄存器被刷新，接着进入 程序的执行阶段。
4） 程序执行
根据PLC梯形图程序扫描原则，按先左后右，先上后下的步序，逐句扫描，执行程序。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。若用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映象寄存器中读出上一阶段采入的对应输入端子状态，从输出映象寄存器读出对应映象寄存器的当前状态。根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器件寄存器中。
5） 输出处理
程序执行完毕后，将输出映象寄存器，即元件映象寄存器中的Y寄存器的状态，在输出处理阶段转存到输出锁存器，通过隔离电路，驱动功率放大电路，使输出端子向外界输出控制信号，驱动外部负载。
（3） PLC的运行方式：
1） 运行工作模式
当处于运行工作模式时，PLC要进行从内部处理、通信服务、输入处理、程序处理、输出处理，按上述过程循环扫描工作。
在运行模式下，PLC通过反复执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能，为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是不断地重复执行，直至PLC停机或切换到STOP工作模式。
注：
PLC的这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。
2） 停止模式
当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。
1概述
灯箱是一种常见的广告装置，其主要型式有单面灯箱和双面灯箱两种，为增加信息量，少数场所使用多面灯箱。随着广告业的迅速发展，大容量的灯箱广告，将会逐步被采用。本文所述的多幅面广告装置，采用小型PLC控制，以卷辊卷绕广告布的方式，滚动展示喷绘在广告上的多幅广告，适用于构成单面或双面灯箱。
2工作原理及主要技术参数
该广告展示装置主要由驱动电机3、11及与电机同轴的电磁制动器4、12，减速齿轮2、10，单幅画面定位检测光电开关5，幅面总长限位开关6，可编程控制器等组成。图1为广告装置工作原理示意图。
其工作原理如下：电动机3通过齿轮减速机构2带动卷辊1顺时针转动，将广告卷绕在卷辊上，此时，广告画面自下而上运动（称正向展示），当广告布移动的距离等于一幅广告画面的高度（如2米）时，贴在广告布上的反光片7将来自定位检测光电开关5的红外光束反射回去，光电开关5检测到该反射光束后产生一脉冲信号，并送至PLC的I1输入端（见图2）。
PLC不断扫描执行图3所对应的程序，检测到上述信号后，切断电动机3的电源，电磁制动器4、12失电，电机被迅速制动，欲展示的广告画面停顿下来，装置展示该幅广告。每幅广告被展示时间的长短取决于PLC定时器的时间设定值T，展示时间达到设定值（如T-3分钟）时，PLC控制电动机3启动、运转，重复上述各动作过程，进而展示下一幅广告。装置正向展示到后一幅广告时，贴于广告布下端，用于幅面总长限位的反光片8，运动到光电开关6的正前方，用于后一幅广告幅面定位的反光片，处于光电开关5的正前方。光电开关6、5各产生一脉冲信号，分别送至PLC的输入端I2与I1（见图2），PLC检测到上述两个脉冲信号后，执行异或门BF03和脉冲触发器SF02及SF01、BF01（图3 ）
等功能块对应的程序，封锁输出端Q1，实现Q1、Q2互锁，为反向展示作好准备，当该幅广告的展示时间达到设定值时，PLC的输出端Q2及Q3、Q4接通电源，电机11转动，并经齿轮10带动卷辊9逆时针转动，使广告布自上而下运动，装置依次逆向展示各幅广告。
装置主要技术参数：
(a). 广告幅面尺寸：4米（宽）×2米（高）；
(b). 广告画面大数量：12幅；
(c). 更换画面时布面运动速度：0.2 ~ 0.3m/s；
(d). 广告画面展示时间：0.5 ~ 120分钟；
(e). 驱动电机：220VAC，60W。
3PLC控制系统设计
3.1 系统主要功能
(a). 手动/自动运行方式转换——正常情况下，系统处于自动运行状态；系统调试、制作广告时，设置为手动状态；
(b). 正/逆向展示转换——主要用于系统调试；
(c). 正向手动、逆向手动调整——在运行方式手动状态时，可操作此功能开关使广告画面正向或逆向运动；
(d). 故障保护及报警——防止幅面总长限位开关出现故障时，广告布从卷辊上撕扯掉。
3.2 PLC的选择及系统组成
依据系统功能要求及控制对象的数量，系统输入信号有：?自动/手动转换信号，?正向/逆向转换信号，?单幅画面定位信号，?幅面总长限位信号，?正向手动调整信号，?逆向手动调整信号；系统输出信号有：?电机控制信号（自动控制2个，手动控制2个），?电磁制动器控制信号2个，?报警信号1个。上述信号均为开关量，其中输入信号及报警输出信号为24VDC，余下的输出信号皆为220VAC，系统I/O设备占用I/O点数为输入6点，输出7点，可选用一般小型PLC。为方便编程及使用，采用SIEMENS公司LOGO！系列24RCL型可编程控制器，其输入12点（24VDC），输出8点（继电器输出），该型PLC大特点是自带操作及显示单元，用户可方便地编辑、修改程序。
PLC控制系统的I/O连接如图2所示。
3.3程序设计
24RCL型可编程控制器采用功能块式编程语言，以BF表示基本功能块，SF表示特殊功能块。图3为该广告展示装置控制系统的功能块图，分别依靠断开延时功能块SF01，脉冲触发器功能块SF02，加/减计数器功能块SF03，实现展示时间的设定，正/逆向展示转换，广告画面数量设定功能。
4结束语
该广告展示装置样机制作已经完成，通过测试及连续运转试验，表明各项性能指标达到设计要求，具有结构简单，安装、调试方便，运转可靠，功能齐全，信息量大之优点。