PLC下的系统方案设计研究

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摘要：随着社会进步及自然科学技术的发展，在日常生活及工业领域自动化、信息化开始普及。同时，人们对这些系统的可靠性、稳定性要求也越来越高。可编程逻辑控制器件plc作为一种新出现的控制装置，在解决这类问题方面具有独特的优势。与传统继电器控制系统相比，可编程控制器（PLC）的优势在于体积小型化，高度集成，同时还有数字运算、数据处理和数据通信功能。本课题对PLC作了简要介绍，并探讨基于可编程控制器的开关电路硬件设计理念，设计方法，对系统方案的设计进行了阐述。

关键词：PLC开关电路应用

1PLC简介

1.1PLC定义、特点

PLC控制系统，ProgrammableLogicController，可编程逻辑控制器，由输入、输出和控制器三部分组成，它采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算与算术操作等面向用户的指令，通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械生产过程。在工业控制领域，基于继电器设计的控制系统曾一度占据主导地位，但继电器控制系统有很多的弱点，体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差等。尤其是不具有通用性、灵活性，在面对复杂逻辑控制时设计复杂，要求器件过多。从1969年第一台PLC问世至今，尤其是随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，PLC在概念，设计，性能/价格比以及应用方面都有了新的突破。运行可靠、故障率低、维护费用低、能耗低，运行无噪声。而且为了提高系统的可靠性，设计上考虑了容错技术和冗余技术等。

1.2输入输出

一般来说PLC控制器输入信号有数字量输入信号和模拟量输入信号，同样输出信号也有数字量信号和模拟量信号之分。（1）数字输入信号，比如按钮开关，限位开关等开关指令，总之采集控制条件信号，通过高低电平判断“0”“1”两种状态。（2）模拟输入信号，一般为电压信号或电流信号，根据输入量的性质、大小不同，分为很多种，比如4~20mA是模拟量的一种，还有0~20mA,0~10V等。（3）数字输出信号，一般用来控制元件，比如用高低电平来控制气缸的电磁阀门，电动机的交流接触器吸合释放等。（4）模拟量输出信号，和模拟输入信号相似，一般为电压信号或电流信号，同样电压信号，输出有0~10V，或0~5V，电流信号，输出有4~20mA。此外，PLC的输入输出模块根据需要采集和控制的信号数量多少选择使用数目，常见的单个输入输出模块可以提供16/32/64个信号端。

1.3PLC编程

PLC编程具有应用面广、功能强大、使用方便等特点，可以用程序来改变控制功能。用户通过某种标准编程语言，就能够使用PLC在控制系统中实现自动化控制功能。PLC的标准编程语言有五种：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文本化语言（ST）。这五标准编程语言符合逻辑设计思路，简单易学，相对于其它计算机编程语言，在语句表达及语句种类等方面都进行了简化。以使用最多的梯形图为例，沿袭了继电器控制电路的形式，在常用的继电器与接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来，形象、直观、实在。PLC梯形编程示意图如图1所示，左、右母线类似于继电器与接触器控制电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图由若干阶级构成，自上而下排列，每个阶级起于左母线，经过触点与线圈，止于右母线。用户可用过需要控制的设备及机械动作情况，把梯形图中各触点的状态和逻辑关系与实际线路设备对应起来，并进行逻辑运算，得到所要求的输出结果。目前，PLC用于开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网等，广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。

1.4PLC运行方式

PLC有内置存储器和处理器，可以通过控制软件下载编程好的软件到存储器，然后由PLC自动运行；也可以配备路由器实现远程控制，在远程用工控机相应软件来操作使用，这样实现使用方式的多样化、方便、灵活，以匹配不同的使用环境和场景。

2PLC应用方案

2.1系统整体方案概述

PLC应用系统中常分为PLC本机，远程工控机，本地控制，输入信号，输出信号这几部分。PLC系统整体方案概图如图2所示。其中PLC本机就是系统核心，这里可根据实际需要选择输入输出模块的类型，是数字输入、模拟输入还是数字输出、模拟输出，需要估算输入输出（I/O）点数、存储器容量以及控制功能选择，是否需要通讯模块与远程工控机联系。输入信号就是需要采集的条件信号，可以用数字信号直接输入，或者经过变送器采集模拟信号后输入。输出信号就是经PLC逻辑程序判断后输出信号，可以直接输出数字信号，或者输出模拟信号后再经过变送器送到驱动端。本地控制常适用于稳定性和可靠性更严格的场合要求下，在远程控制或通讯故障时用于辅助操作。远程工控机用于远程操作，可通过相应的编程软件联网实现自动化和信息化、智能化。同时在具体方案设计中，应遵循以下几点原则。（1）保证PLC本身运行安全稳定比如采用UPS供电，尽量使用附加继电器来实现PLC的输出输入与实际控制元器件、设备的电隔离。软件编程上需要考虑周全，含括到非正常情况下程序的运行稳定。（2）最大限度满足使用要求设计系统时，需要事先收集好现场资料和使用要求，考虑完备，重复发挥PLC的性能，最大限度满足使用要求。（3）力求简单、使用及维修方便在设计系统时应要注意系统的简洁和设备的安装摆放调理，便于后期使用和维护，在选择PLC具体性能如输入/输出模块数和内存容量时，在留有裕量和现有使用规模中平衡选择。

2.2通风系统设计方案

作为常见的温度控制系统，通风系统在众多领域得到了广泛的应用，下面我们介绍一个简单的通风系统设计方案。PLC的通风系统方案概图如图3所示。智能通风控制系统可实时监测室内室外温度。当室外温度低于某个设定值，控制器开启新风机引入室外新风，关闭机房空调达到节能效果。在确保机房环境的前提下，依据室内外温度，控制风机运行。当室内外温差达到某个设定值且室内温度高于某设定值，控制器开启风机。设计要点如下。（1）为保证PLC工作环境的稳定性，特意使用UPS对PLC进行不间断供电。（2）PLC通常和远程工控机端相距较远，需要添加光电转换器利用光纤来进行远距离数据传送。（3）PLC模拟量输入通常为标准信号，而对于温度、压力、流量等不同的物理量，需要通过变送器将其模拟量的最小值与最大值进行变化，转换为电压或电流二种信号输入。同时，输入模块也应选用模拟量输入模块。（4）因为PLC驱动功率较小，对于大功率风机来说，不能直接驱动，因此末端执行部分大多需要中间继电器，通过再到接触器来完成。如果是定频风机，可以直接选用数字量输出模块来控制中间继电器，再通过接触器来完成对风机的控制。此外，出于节能环保的理念，有的环境需要使用变频风机，可以选用模拟量输出模块，通过PLC的输出直接控制变频器加速或减速。（5）本地控制可提供手动/自动运行模式，实现操作方式的多样性，提高系统的保障能力。（6）出于相同的设计思路和理念，通风设计方案同样可用于水路阀门、开关电路、信号指示等应用设计。

2.3环境控制系统

工业环境中，温度，湿度都需要实时监测，有时还为了防尘、防盗，加装有风阀控制，或者还需要与空调进行联动。基于PLC的湿度控制系统概图如图4所示。设计要点如下。（1）同样采用UPS保障PLC运行环境的温度，以防夏季雷电天气或电压波动影响PLC。（2）增加了湿度采集信号，温湿度都经过变送器送入模拟输入模块，这样同时监测温湿度变化，满足对环境的高要求。（3）通风阀位置和本地控制为简单“0”“1”开关量控制，可以通过数字输入模块输入。（4）风机直接设计采用变频风机，因此需要模拟输出模块来控制变频器，而通过数字输出模块来间接控制风机三相电输入。（5）通风阀通过数字输出模块来控制，这样可以利用室内外的环境温差引入室外清洁的冷空气进行自然降温，同时排出热空气，从而达到在常年大多数条件下替代空调制冷的效果，避免了空调长时间的运行所造成的电能浪费，有效降低机房空调的运行时间，降低电能消耗。（6）系统增加了与空调联动的功能。通风控制系统优先启动，以保证空调的节能。当通风系统能够满足室内热负荷要求时，空调停止运行；在通风仍不能满足室内热负荷条件下，发出信号启动空调。至于空调控制方式，智能空调可以采用控制空点电源，非智能空调，可采用控制面板开关的方式。

作者：王立 单位： 国家广播电视总局 572 台