PLC软件系统的设计，是指设计PLC内的程序，该程序要求能够准确、合理地实现当前PLC系统所要求的所有控制功能。提示说明不同PLC的编程方法有所不同，具体的需求分析、编程原则和方式方法以相应PLC产品的编程规则为准。由于不同类型PLC所使用的编程软件也不相同，甚至有些相同品牌不同系列的PLC可用的编程软件也会存在区别。......
2023-06-24
PLC硬件系统的规划设计方法
【摘要】：PLC硬件系统的设计是指在对硬件系统进行安装前，根据系统的控制需求合理选配硬件设备，并对所有硬件设备的关系进行设计和调整，为下一步实际安装操作中做好指导性工作。目前市场上的PLC多种多样，用户可根据系统的控制要求，选择不同技术性能指标的PLC来满足系统的需求，从而保证系统运行可靠，使用维护方便。
PLC硬件系统的设计是指在对硬件系统进行安装前，根据系统的控制需求合理选配硬件设备，并对所有硬件设备的关系进行设计和调整，为下一步实际安装操作中做好指导性工作。
1.PLC硬件系统设计中硬件设备的选配
PLC硬件系统设计过程中，硬件设备的选配主要是指PLC的选配。目前市场上的PLC多种多样，用户可根据系统的控制要求，选择不同技术性能指标的PLC来满足系统的需求，从而保证系统运行可靠，使用维护方便。
（1）根据安装环境选择PLC
不同厂家生产的不同系列和型号的PLC，在其外形结构和适用环境条件上有很大的差异，在选用PLC类型时，可首先根据PLC实际工作环境的特点，进行合理的选择。
图解演示
例如，在一些使用环境比较固定和维修量较少、控制规模不大的场合，可以选择整体式的PLC；而在一些使用环境比较恶劣、维修较多、控制规模较大的场合，可以选择适应性更强的模块组合式PLC，如图13-1所示。
图13-1 根据安装环境选择PLC
（2）根据机型统一的原则选择PLC
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由于机型统一的PLC，其功能和编程方法也相同，因此使用统一机型组成的PLC系统，不仅仅便于设备的采购与管理，也有助于技术人员的培训以及对技术水平进行提高和开发。另外，由于统一机型PLC设备的通用性，其资源可以共享，使用一台计算机，就可以将多台PLC设备连接成一个控制系统，进行集中的管理。因此在进行PLC机型的选择时，应尽量选择同一机型的PLC，如图13-2所示。
图13-2 根据机型统一的原则选择PLC
（3）根据控制复杂程度选择PLC
不同类型的PLC其功能上也有很大的差异，选择PLC时应根据系统控制的复杂程度进行选择，对于控制较为简单、控制要求不高的系统中可选用低档PLC，而对于控制较为复杂、控制要求较高的系统中可选用中高档PLC。
图解演示
例如，对于控制要求不高，只需进行简单的逻辑运算、定时、数据传送、通信等基本控制和运算功能的系统中，选用低档的PLC即可满足控制要求；对于控制较为复杂、控制要求较高的系统，需要进行复杂的函数、PID、矩阵、远程I/O、通信联网等较强的控制和运算功能的系统中，则应视其规模及复杂程度，选择指令功能强大、具有较高运算速度的中档机或高档机进行控制，如图13-3所示。
图13-3 根据控制复杂程度选择PLC
（4）根据扫描速度选择PLC
PLC的扫描速度是PLC选用的重要指标之一，PLC的扫描速度直接影响到系统控制的误差时间，因此在一些实时性要求较高的场合可选用高速PLC。
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PLC在执行扫描程序时，是从第一条指令开始按顺序逐条地执行用户程序，直到程序结束，再返回第一条指令开始新的一轮扫描，PLC完成一次扫描过程所需的时间称为扫描时间，该扫描时间会随着程序的复杂程度而加长，会造成PLC输入和输出的延时，该延时时间越长对系统控制时间所造成的误差就越大，因此对于一些实时性要求较高的场合，不允许有较大的误差时间，此时应选择扫描速度较快的PLC，如图13-4所示。
图13-4 根据扫描速度选择PLC
（5）根据编程方式选择PLC
PLC的编程方式主要可以分为离线编程和在线编程两种，PLC的最大特点就是可以根据被控系统工艺的要求，只需对程序进行修改，便可以满足新的控制要求，给生产带来了极大的便利。因此可以根据被控制系统的要求，选用不同编程方式的PLC。
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离线编程是指PLC的主机和编程器共用一个微处理器（CPU），通过编程器上设置有“编程/运行”的开关或按钮，就可以对两种状态进行切换，如图13-5所示。
图13-5 离线编程方式
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当切换到编程状态时，编程器对CPU进行控制，可以对PLC进行编程，此时PLC无法对系统进行控制。在程序编写完毕后，再选择运行状态，此时CPU按照所设定的程序，对需控制的对象进行控制。由于该类PLC中的编程器和主机共用一个CPU，节省了硬件和软件设备，价格也比较便宜，因此适用于一些中、小型PLC控制系统。
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在线编程是指PLC的主机拥有一个CPU，用来对系统进行控制。编程器拥有一个CPU可以随时对程序进行编写，输入各种指令信号。当主机CPU执行完成一个扫描周期后会与编程器进行通信，将编程器编写好的程序送入PLC的CPU中，再下一个扫描周期中便按照新的程序对其系统进行控制。该类PLC操作简便、应用领域广但价格较高，适用于一些大型的PLC控制系统，如图13-6所示。
图13-6 支持在线编程的PLC
（6）根据I/O点数选择PLC
I/O点数是PLC选用的重要指标，它是衡量PLC规模大小的标志，若不加以统计，一个小的控制系统，却选用中规模或大规模的PLC不仅会造成I/O点数的闲置，也会造成投入成本的浪费，因此在选用PLC时，应对其使用的I/O点数进行估算，合理的选用PLC。
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如图13-7所示，在明确控制对象的控制要求基础上，分析和统计所需的控制部件（输入元件，如按钮、转换开关、行程开关、继电器的触点、传感器等）的个数和执行元件（输出元件，如指示灯、继电器或接触器线圈、电磁铁、变频器等）的个数，根据这些元件的个数确定所需PLC的I/O点数，且一般选择PLC的I/O数应有15%～20%的预留，以满足生产规模的扩大和生产工艺的改进。
（7）根据用户存储器容量选择PLC
用户存储器用于存储开关量输入输出、模拟量的输入输出以及用户编写的程序等，在选用PLC时，应使选用的PLC的存储器容量满足用户存储需求。
选择PLC用户存储器容量时，应参考开关量I/O的点数以及模拟量I/O点数对其存储器容量进行估算，在估算的基础上留有25%的余量即为应选择的PLC用户存储器容量。用户存储器容量用字数体现，其估算公式如下：
存储器字数=（开关量I/O点数×10）+（模拟量I/O点数×150）
提示说明
用户存储器的容量除了和开关量I/O的点数、模拟量I/O点数有关外，还和用户编写的程序有关，不同的编程人员所编写程序的复杂程度会有所不同，使其占用的存储容量也不相同。
图13-7 根据I/O点数选择PLC
（8）PLC扩展模块的选择
当单独的PLC主机不能满足系统要求时，可根据系统的需要选择一些扩展类模块，以增大系统规模和功能。
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如图13-8所示，为了满足需求将典型PLC主机与扩展类模块连接起来构成整个硬件系统。可以看到，硬件的扩展系统中，PLC主机（CPU模块）放在最左侧，扩展模块用扁平电缆与左侧的主机或扩展模块相连。
目前，在PLC硬件的扩展系统中，常用的扩展模块主要有输入模块、输出模块和特殊功能模块等。
①PLC输入模块的选择
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PLC的输入模块用于将输入元件输入的信号转换为PLC内部所需的电信号，用以扩展主机的输入点数，如图13-9所示。
选择PLC的输入模块时应根据系统输入信号与PLC输入模块的距离进行选择，通常距离较近的设备选择低电压的PLC输入模块，距离较远的设备选择高电压的PLC输入模块。
另外，除了要考虑距离外，还应注意其PLC输入模块允许同时接通的点数，通常允许同时接通的点数和输入电压、环境温度有关。
②PLC输出模块的选择
图13-8 PLC硬件系统的扩展
图13-9 PLC输入模块的选择
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PLC的输出模块用于将PLC内部的信号转换为外部所需的信号来驱动负载设备，用以扩展主机的输出点数，如图13-10所示。PLC输出模块的输出方式主要有继电器输出方式、晶体管输出方式和晶闸管输出方式3种。选择PLC的输出模块时应根据输出模块的输出方式进行选择，且输出模块输出的电流应大于负载电流的额定值。
图13-10 PLC输出模块的选择
选择PLC输出模块时也应注意模块允许同时接通的点数，通常输出模块同时接通的点数的累计电流不得大于公共端所允许通过的电流。
③PLC特殊模块的选择
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PLC的特殊模块用于将温度、压力等过程变量转换为PLC所接收的数字信号，同时也可将其内部的数字信号转换成模拟信号输出，如图13-11所示。在选用PLC的特殊模块时，可根据系统的实际需要选择不同的PLC特殊模块。
图13-11 PLC特殊模块的选择
提示说明
除了PLC外，在PLC系统中还包括控制部件和执行部件等硬件设备，如按钮、接触器、继电器等，用于与PLC连接配合实现PLC控制功能，因此在进行硬件系统设计之初，选配好性能良好、规格适中、数量足够的控制部件和执行部件也是重要的环节。图13-12所示为常见控制部件和执行部件的实物外形。
2.硬件设备连接关系的设计和调整
在进行PLC硬件系统设计之前，应首先了解硬件系统的组成部件，以及需要控制的设备的控制方式。在了解了这些资料后，才能对硬件系统进行设计。下面以三相异步电动机的顺序控制电路为例，介绍其硬件系统的设计方法。
图13-12 常见控制部件和执行部件的实物外形
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为了更好地分析和理解控制关系，初学者可首先依据三相异步电动机的电气控制电路图进行分析。例如，图13-13所示为三相交流异步电动机串电阻减压起动控制的电气线路图。
图13-13 三相交流异步电动机的串电阻减压起动控制电路
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图中，电阻器减压起动控制电路是指在三相交流电动机定子电路中串入电阻器，起动时利用串入的电阻器起到降压限流的作用，当三相交流电动机起动完毕后，再通过电路将串联的电阻短接，从而使三相交流电动机进入全电压正常运行状态。电动机串电阻减压起动控制电路的工作过程是：
当按下起动按钮SB1，交流接触器KM1和时间继电器KT线圈同时得电。
时间继电器KT用于三相交流电动机的减压起动与全电压起动的时间间隔控制，即控制三相交流电动机减压起动后延时一端时间后进行全电压起动。
交流接触器KM1线圈得电，常开辅助触头KM1-2闭合实现自锁功能；同时常开主触头KM1-1闭合，电源经电阻器R1、R2、R3为三相交流电动机供电，三相交流电动机减压起动运转。
当时间继电器KT达到预定的延时时间后，其常开触头KT-1延时闭合。交流接触器KM2线圈得电，常开主触头KM2-1闭合，短接电阻器R1、R2、R3，三相交流电动机在全电压状态下开始运行。
当需要三相交流电动机停机时，按下停止按钮SB2，交流接触器KM1、KM2和时间继电器KT线圈均失电，触头全部复位。常开主触头KM1-1、KM2-1复位断开，切断三相交流电动机供电电源，三相交流电动机停止运转。
在采用PLC进行控制的系统中，主要用PLC控制方式取代了电气部件之间复杂的连接关系。电动机控制系统中各主要控制部件和功能部件都直接连接到PLC相应的接口上，各部件之间没有复杂的连接关系。
图解演示
图13-14所示为根据对控制关系的分析和理解设计的硬件系统关系草图。
图13-14 由PLC控制的电动机顺序起/停控制系统
该电路的PLC硬件系统主要是由PLC、指令输入按钮SB1、SB2、SB3、SB4以及命令执行部件KM1、KM2等组成的。其中M1的停止按钮SB1与PLC的I0.1端连接，M1的起动按钮SB2与I0.2端连接，M2停止按钮SB3与I0.3端连接，热继电器FR-1与I0.0端进行连接，另外一端与COM端连接。接触器KM1和KM2分别和PLC的Q0.0和Q0.1端进行连接。
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