可编程控制器应用系统设计.ppt

第10章 可编程控制器应用系统设计,返回总目录,前面几章首先讲述了PLC的结构和工作原理，然后针对西门子S7系列及三菱FX系列PLC详细介绍了指令系统及编程方法。本章将在此基础上结合几个具体的应用实例，阐述PLC控制系统设计的方法和应注意的事项，使读者对PLC的使用和设计有一个比较全面的了解。,本章内容,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤 10.2 PLC应用系统的硬件设计 10.3 PLC应用系统的程序设计 10.4 常用程序分析 10.5 PLC应用系统设计实例 思考题与习题,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,在掌握了PLC的基本工作原理及指令系统后，就可以把PLC应用到实际的工程项目中。不论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分的设计都可以参考如图10.1所示的步骤。,图10.1 PLC系统应用程序设计步骤,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,10.1.1 系统设计的原则与内容 1.评估控制任务 随着PLC功能的不断完善，几乎可以用PLC完成所有的工业控制任务。但是，是否选择PLC控制？选择单台PLC控制还是多台PLC的分散控制或分级控制？还应根据该系统所需完成的控制任务，对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几方面给以考虑。1)控制规模 一个控制系统的控制规模可用该系统的I/O设备总数来衡量。当控制规模较大时，特别是开关量控制的I/O设备较多且联锁控制较多时，最适合采用PLC控制。2)工艺复杂程度 当工艺要求较复杂时，采用传统的继电器系统进行控制不但会提高造价和成本，而且使用也不方便。因此，采用PLC控制将有更大的优越性。特别是如果工艺要求经常变动或控制系统有扩充功能的要求时，则只能采用PLC控制。3)可靠性要求 虽然有些系统不太复杂，但对可靠性、抗干扰能力要求较高时，也需,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,采用PLC控制。在20世纪70年代，一般认为I/O点总数在70点左右时，可考虑PLC控制。到了20世纪80年代，一般认为I/O点总数在40点左右就可以采用PLC控制，目前，由于PLC性能价格比的进一步提高，当I/O点总数在20点甚至更少时，就趋向于选择PLC控制了。4)数据处理速度当数据的统计、计算及规模较大，需很大的存储器容量，且要求很高的运算速度时，可考虑带有上位计算机的PLC分级控制；如果数据处理程度较低，而主要以工业过程控制为主时，采用PLC控制将非常适宜。2.系统设计的原则 关于计算机控制系统的设计原则往往会涉及很多方面，其中最基本的设计原则可以归纳为4点。(1)完整性原则。最大限度地满足工业生产过程或机械设备的控制要求。(2)可靠性原则。确保计算机控制系统的可靠性。(3)经济性原则。力求控制系统简单、实用、合理。(4)发展性原则。适当考虑生产发展和工艺改进的需要，在I/O接口、通信能力等方面要留有余地。很明显，这4条最基本的设计原则也适用于其他类型的计算机控制系统设计。,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,10.1.2 系统设计和调试的主要步骤 1.系统设计的主要步骤 系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC应用程序的设计。整个系统的设计分以下10步进行。(1)深入了解被控系统是设计控制系统的基础。设计人员必须深入现场，认真调查研究，收集资料，并与相关技术人员和操作人员一起分析讨论，相互配合，共同解决设计过程中出现的问题。这一阶段必须对被控对象所有功能作全面细致的了解，如对象的各种动作及动作时序、动作条件、必要的互锁与保护；电气系统与机械、液压、气动及各仪表等系统间的关系；PLC与其他智能设备间的关系，PLC之间是否联网通信，突发性电源掉电(停电)及紧急事故处理；系统的工作方式及人机界面，需要显示的物理量及显示方式等。在这一阶段应明确哪些信号需送给PLC，PLC的输出需要驱动的负载性质(模拟量或数字量，交流或直流，电压、电流等级等)。(2)系统I/O设备以及控制台和控制柜的选择和设计。输入设备的选择包括控制按钮、转换开关、位置开关及计量保护的开关输入信号等；输出设备的选择包括继电器、接触器、电磁阀、信号灯等的选择。,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,(3)选择PLC。根据被控对象对PLC控制系统技术指标的要求，确定I/O信号的点数及类型，据此确定PLC的类型和配置。对整体式PLC，应选定基本单元和各扩展单元的型号；对模块式PLC，应确定底板的型号，选择所需模块的型号及数量，编程设备及外围设备的型号。(4)分配PLC的I/O端口(I/O通道)分配。在进行I/O通道分配时应给出I/O通道分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能，且应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号排在一起，以便于施工。(5)绘制外部接线图。(6)计数器、定时器及内部辅助继电器的地址分配。对于较大的控制系统，为便于软件设计。可根据工艺流程，将所需的计数器、定时器及内部辅助继电器的地址进行相应的分配。(7)编写应用程序。对于简单的控制系统，特别是简单的开关量控制，可采用经验设计方法绘制梯形图。对于较复杂的控制系统，需要根据总体要求和系统的具体情况确定应用程序的基本结构，绘制系统的控制流程图或功能表图，用于清楚表明动作的顺序和条件，然后设计出相应的梯形图。系统控制流程图或功能表图要尽可能详细、准确，以方便编程。(8)编辑调试修改程序。,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,(9)编写技术文件。当联机调试通过，并经过一段试运行确认可正常工作后，就可根据整个设计过程整理出完整的技术资料提供给用户，以利于系统的维护和改进。10)交付使用。在实际的系统设计时，程序设计可以与现场施工同步进行，即在硬件设计完成以后，同时进行程序设计和现场施工、以缩短施工周期。2.系统调试的主要步骤系统调试分为两个阶段，第一阶段为模拟调试，第二阶段为联机调试。(1)模拟调试程序。先检查设计好的程序并纠正语法和拼写上的错误，然后下载到PLC。在模拟调试时，实际的输入元件和输出负载一般都不接，通常用输入开关来模拟输入，而输出可以通过输出端发光二极管来判断。模拟调试要检验程序是否符合预定要求，所以必须考虑各种可能的情况。要对控制系统的流程图或功能表图的所有分支以及各种可能的流程进行测试，发现问题及时修正控制程序，直至完全符合控制要求。(2)联机调试。当控制台(柜)及现场施工完毕，程序模拟调试完成后，就可以进行联机调试，如不满足要求，须重新检查程序或接线，及时更正软硬件方面的问题。系统调试完成以后，为防止程序遭到破坏和丢失，要注意程序的保存和固化。,10.1 PLC应用系统设计的内容和步骤,10.2 PLC应用系统的硬件设计,10.2.1 PLC选型 选择能满足控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步。目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达数百个，其性能各有特点。所以，在设计时，首先要尽可能考虑采用与本单位正在使用的PLC同系列，以便于学习和掌握；其次是备件的通用性，可减少编程器的投资。由于PLC品种繁多，其结构形式、性能、容量、指令系统、价格等各有不同，适用场合也各有侧重，因此合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要作用。PLC的选择包括机型、容量、I/O模块、外围设备的选择等多个方面。1.PLC规模选择 根据系统的控制要求，详细列出PLC所有输入量和输出量的情况，包括如下内容。(1)有哪些开关量输入信号？电压分别是多少？尽量选择24V DC或220V AC。(2)有哪些开关量输出信号？要求驱动功率为多少？一般的PLC输出驱动能力为直流负载约2A，交流负载约220V。如果容量不够，可以考虑输出功率扩展，如在输出端接功率放大器、继电器等。,(3)有哪些模拟量I/O信号？具体参数如何？PLC的模拟量处理能力一般为1V5V、0V10V或4mA20mA。在确定了PLC的控制规模后，一般还要考虑一定的余量，以适应工艺流程的变动及系统功能的扩充，一般可按10%的余量来考虑。另外，要考虑PLC的结构，如果规模较大，以选用模块式的PLC为好。如果被控对象以开关量控制为主，另需少量模拟量控制，就可选用带有A/D、D/A转换、数据传送及简单运算功能的小型PLC，或者再选用模拟量控制模块。对于控制复杂，要求更高的被控系统，如含有较多的I/O点，对模拟量控制要求也较高，要求实际PID运算，闭环控制等功能，可选用中高档的PLC。从物理结构来讲，PLC可分为整体式和模块式，对于工作过程比较固定，环境条件较好(维修量较小)的场合，可选用整体结构PLC，这样可以降低成本。其他情况下可选用模块式PLC，便于灵活地扩展I/O点数，有更多特殊I/O模块可供选择，维修更换模块，判断故障范围也很方便，缺点是价格稍高。2.对时间和其他特殊功能的要求 对于开关量的控制系统，无须考虑PLC的响应时间。因为现代的小型PLC一般都能满足要求。对于模拟量控制系统，特别是闭环控制系统，就需要考虑PLC的响应时间。由于PLC采用扫描的工作方式，在最不利的情况下会,10.2 PLC应用系统的硬件设计,引起23个扫描时间周期的延迟。为减小I/O的响应延迟时间，可以采用高速PLC，或者采用高速响应模块，其响应的时间不受PLC扫描周期的影响，而只取决于硬件的延时。,3.PLC的特殊功能要求 控制对象不同会对PLC提出不同的控制要求。如用PLC替代继电器完成设备或生产过程控制的上限报警控制、时序控制等，只需PLC的基本逻辑功能即可。对于需要模拟量控制的系统，则应选择配有模拟量I/O模块的PLC，PLC内部还应具有数字运算功能。对于需要进行数据处理以及信息管理的系统，PLC则应具有图表传送、数据库生成等功能。对于需要高速脉冲计数的系统，PLC还应具有高数计数功能，且应了解系统所需的最高计数频率。有些系统需要进行远程控制，就应先配具有远程I/O控制的PLC。还有一些特殊功能，如温度控制、位置控制、PID控制等。如果选择合适的PLC及相应的智能控制模块，将使系统设计变得非常简单。4.用户程序存储器所需容量的估算 用户程序存储器的容量以地址(或步)为单位，每个地址可以存储一条指令。用户所需程序存储器的容量在程序编好后可以准确地计算出来，但在设计刚刚开始时往往办不到，通常需要进行估算。一般粗略的方法如下。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,(I/O总数)(1020)指令步数 如果系统中含有模拟量可以按每个模拟量通道相当于16个I/O点来考虑比较复杂的系统，应适当增加存储器的容量，以免造成麻烦。5.PLC联网通信的考虑 在需要通信的场合中，应选用具有通信联网功能的PLC。一般PLC都带有通信接口RS-232、RS-422，大中型PLC具有更强的通信功能，既可以与另一台PLC或上位计算机相连，组成厂内自动控制网络，也可与CRT(显示器)或打印机相连，在线编程、监控、打印分析结果。系统的控制功能需要由多个PLC完成的时候，组网能力和网络通信功能也是CPU选型所要考虑的关键。6.对系统可靠性的考虑 一般来讲，PLC控制系统的可靠性是很高的，能够满足生产要求。对可靠性要求极高的系统，则需要考虑冗余控制系统或热备份系统。7.PLC机型统一的考虑 一个企业内部应尽可能地做到机型统一，或者尽可能地采用同一生产厂家的PLC，因为同一机型便于备用件的采购和管理，模块可互为备份，可以减少备件的数量。同一厂家PLC功能和编程式方法统一，利于技术培训，便于用户程序的开发和修改，也便于联网通信。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,10.2.2 PLC容量估算 PLC容量的选择包括两个方面，一是I/O点数，二是应用程序存储器容量的选择。I/O点数的选择除了要满足当前控制系统的要求以外，还要考虑到以后生产工艺的可能变化及可靠性的要求，可适当预留10%15%的余量。应用程序存储器量的估算与许多因素有关，例如I/O点数、运算处理量、控制要求、程序结构等。一般用下列公式粗略估算。(1)只有开关量控制时，I/O点所需存储量I/O点数8(2)只有模拟量输入时，模拟量所需存储器字数模拟量路数120 由于程序设计者水平的差异，即使对一样的系统，由不同的编程人员设计的程序，其长度和执行时间也会有很大差异，因此在考虑存储器容量时应当固有适当余量，初学者可多留一些，有经验者可少留一些。一般可按计算结果的25%考虑。需要注意的是，一般小型用户程序存储器容量是固定的，不能随意扩充和调整。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,存储器容量与系统规模、控制要求、实现方法及编程水平等许多因素有关，其中I/O点数在很大程度上可以反映PLC系统对存储器的要求。因此在工程实践中，存储器容量一般是通过I/O点数并根据统计经验粗略估算的。,开关量输入 总字节数总点数10。开关量输出 总字节数总点数8。模拟量I/O 总字节数通道数100。定时器/计数器 总字节数定时器/计数器个数2。通信接口 总字节数接口数量300。,以上计算的结果只具有参考价值，在明确存储器容量时，还应对其进行修正。特别是对初学者来说，应该在估算值的基础上充分考虑余量。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,10.2.3 I/O模块的选择 I/O模块的价格占PLC价格的一半以上，不同的I/O模块，其结构与性能也不一样，它直接影响到PLC的应用范围和价格。1.开关量输入模块的选择 根据PLC输入量和输出量的点数和性质可以确定I/O模块的型号和数量，每一模块的点数可分为4、8、16、32点和64点。按结构可分为共点式、分组式、隔离式。按电压形式范围可分为直流5V、12V、24V、48V、60V和交流110V、220V。高密度模块如32点、64点模块，平均每点的价格较低，但受工作电压、工 作电流和环境温度的限制，应注意同时接通的点数不能超过该模块总点数的60%。隔离式模块平均每点的价格较高，若输入信号之间不需要隔离，可选共点式或分组式。输入模块的工作电压尽量与现场输入设备(有源设备)一致，可省去转换环节。对无源输入信号，则需根据现场与PLC的距离远近来选择电压的高低。一 般直流电压如5V、12V、24V属于低电压，传输距离不宜太长。距离较远或环境 干扰较强时，应选用高电压模块。在有粉尘、油雾等恶劣环境下，应选用交流电模块。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,2.开关量输出模块的选择 开关量输出模块按点数分为16、32、64点。按电路结构可分为共点式、分组式、隔离式。它们的选择与输入模块有类似的原则。按输出方式可分为继电器输出、双向可控硅输出、晶体管输出模块。继电器输出模块适用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过载能力强，且有隔离作用。但动作速度慢，寿命(动作次数)有一定限制，驱动感性负载时最大通断频率不得超过1ns，适用于不频繁动作的交直流负载。晶体管和双向可控硅模块分别适用于直流和交流负载，它们可靠性高，反应速度快，寿命长，但过载能力稍差。在选用共点式或分组式输出模块时，不仅要考虑每点所允许的输出电流，还要考虑组或公共端所允许的最大电流，避免同时动作时电流超出范围而损坏输出模块。3.模拟量I/O模块的选择 连续变换的温度、压力、位移等非电量最终都要采用相应传感器转化成电压或电流信号，然后送入输入模块。输入模块有2、4或8个通道，根据所需进行选取。按输入信号的形式来分有电压型和电流型。一般来讲，电流型的,10.2 PLC应用系统的硬件设计,抗干扰能力强，但要根据输入设备来确定。另外，输入模块信号还有不同的范围，在选择时应加以注意。一般的模块都具有l2比特以上的分辨率，能够满足普通生产的精度要求。选择输入模块时还要考虑被控系统的实时性。有的模块转换速度快，有的较慢，因考虑到滤波效果，输入模块大多用积分式转换，速度稍慢，在要求实时性较强的场合，可选用专用的高速模块。输出模块的选择方法与输入模块的选择方法大致相同。4.编程器和外围设备的选择 对于小型机，一般选用手持型简易编程器，特点是价格低，移动方便，但功能有限。对于大、中型机，一般采用图形编程器。现在个人计算机已比较普及，有些PLC支持个人计算机编程。为防止由于掉电、干扰而破坏应用程序，存储器一般选用EPROM、EEPROM或Flash存储器。,5.I/O设备与PLC连接时应注意的问题 在PLC控制系统中，PLC是主要控制设备，它与控制对象中各种输入信号(如按钮、继电器触点、限位开关及其他检测信号等)和输出设备(继电器、接触器、电磁阀等执行元件)相连，需设计连接电路。此外还要考虑设计各种,10.2 PLC应用系统的硬件设计,运行方式的电路(自动、半自动、手动、紧急停止电路等)、电气主电路以及一些未纳入PLC范围的电器控制电路等。总之，形成一个完整的控制系统所需的PLC以外的电路均需要设计。这里要着重介绍的只是与PLC连接的有关问题。,1)PLC的外部输入电路 现场的输入信号如按钮开关、拨动开关、选择开关、限位开关、行程开关和其他一些检测元件输出的开关量或模拟量，通过连接电路进入PLC。对于开关触点，当为强电电路的触点时，有些要求48V、50mA左右或110V、1520mA左右才能可靠接通，而输入模块的输入电源电压一般不高，额定电流也是毫安(mA)级，要注意模拟量输入信号的数值范围应与PLC的模入口数值相匹配，否则应加变送器或加其他电路解决。2)PLC的外部输出电路 PLC的各输出点与现场各执行元件相连。PLC的这些执行元件有电感性负载、电阻性负载、电灯负载；有开关量和模拟量；负载电源有交流也有直流。在进行输出电路设计时，以下几点是需要注意的。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,(1)建议在PLC外部输出电路的电源供电线路上装设电源接触器，用按钮控制其接通/断开，当外部负载需要紧急断开时，只需按下按钮就可将电源断开，而与PLC无关。另外，电源在停电后恢复，PLC也不会马上启动，只有在按下启动按钮后才会启动。(2)线路中加入熔断器(速熔)作短路保护。当输出端的负载短路时，PLC的输出元件和印刷电路板将被烧坏，因此应在输出回路中加装熔断器。可以一个线圈回路接一个熔断器，也可一组线圈回路接一个公共熔断器。熔丝电流应适当大于负载电流。(3)当输出端接的是感性元件时，应注意加装保护。当为直流输出时，感性元件两端应并接续流二极管；当为交流输出时，感性元件两端应并接阻容吸收电路。这样做是用于抑制由于输出触点断开时电感线圈感应出的很高的尖峰电压对输出触点的危害及对PLC的干扰。续流二极管可选额定电流为1A左右的二极管，其额定电压应为负载电压3倍以上。阻容吸收电路可选0.5W、100120的电阻和0.1pF的电容。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,白炽灯在室温和工作时的电阻值相差极大，通电瞬间产生很大的冲击电流，所以额定电流2A继电器输出电路最多允许带100W、220V/AC的灯泡负载。双向可控硅输出电路的负载电流小于10mA时，可能出现可控硅工作不正常的现象，这时应在负载两端并联一只电阻。(4)对于一些危险性大的电路，除了在软件上采取联锁措施外，在PLC外部硬件电路上也应采取相应的措施。如异步电动机正、反转接触器的常闭触点应在PLC外部再组成互锁电路，以确保安全。过载保护用的热继电器也可接在PLC的外部电路中。(5)PLC的模拟量输出用于控制变速电动机的调节装置、阀门开度的大小(有的要先通过电气转换装置，再去控制气动调节阀)等。模拟量输出有电流输出如420mA，DC；也有电压输出如010V，DC等。用户设计时可自行选择。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,10.2.4 分配I/O点 在分配PLC的I/O点之前，首先要将系统中的各种输入和输出点进行分类，如了解开关量输入总点数有多少？开关量输出总点数有多少？模拟量输入通道和输出通道总数有多少？特殊功能总数及类型有多少？系统中各PLC的分布与距离有多远？以及对通信能力的要求及通信距离的要求等，同时还要考虑各 I/O点之间的联系。把以上各点考虑清楚后，即可根据分类统计的参数和功能要求具体确定PLC的硬件配置。对于箱体式结构的PLC，可以确定基本单元和扩展单元的型号。对于模块式结构的PLC，可以确定基本框架、扩展框架、各种模块的型号、数量和在框架上插装的位置。还要对各模块所消耗电流及所供给电源的容量进行核算(具体方法可参看有关用户手册)。对开关量输入点应注意选择电压等级(检测点远的电压宜选高些)、输入点密度(高密度模板有32点、64点，集中在一处的输入信号尽可能集中在一块或几块模板上，但同时接通点数不宜超过总点数70%)、输入形式(源输入、汇点输入、逻辑输入等)、通/断时间、外部端子连接方式等。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,对开关量输出点应注意选择输出形式(一般可选继电器式，开关频繁宜选晶体管或可控硅式)、驱动负载能力(注意启动冲击电流)、输出点密度、通/断时间、外部端子连接方式等。确定硬件配置时对I/O点数一般应留有备用点，留作故障点改用、发展和调试时使用。表10-1是按照对象进行I/O点地址分配表，表10-2则是按照元器件的种类进行I/O点地址分配表。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,表10-1 按照对象进行I/O点地址分配表,10.2 PLC应用系统的硬件设计,表10-2 按照元器件的种类进行I/O点地址分配表,10.2 PLC应用系统的硬件设计,输入,输出,10.2 PLC应用系统的硬件设计,10.2.5 安全回路设计 安全回路起保护人身安全和设备安全的作用，安全回路应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。1.安全回路设计的原则 设计对人身安全至关重要的安全回路，在很多国家和国际组织发表的技术标准中均有明确的规定。例如美国国家电气制造商协会(NEMA)的ICS3304可编程控制器标准中对确保操作人员人身安全的推荐意见为：应考虑使用独立于可编程控制器的紧急停机功能。在操作人员易受机器影响的地方，例如在装卸机器工具时，或者机器自动转动的地方，应考虑使用一个机电式过载器或其他独立于可编程控制器的冗余工具，用于启动和中止转动，确保系统安全的硬接线逻辑回路，在以下几种情况下将发挥安全保护作用。(1)PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时。(2)PLC失控时。(3)操作人员需要紧急干预时。安全回路的典型设计，是将每个执行器均连接到一特别紧急停止(Estop)区，构成矩阵结构，该矩阵即为设计硬件安全电路的基础。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,2.安全回路设计的任务(1)确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系。(2)设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段。(3)确定其他与安全和完善运行有关的要求。(4)为PLC定义故障形式和重新启动特性。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,10.2.6 可靠性设计 PLC的可靠性设计问题主要涉及到以下几方面。1.系统供电设计 系统供电电源设计是指可编程控制器CPU工作所需电源系统的设计。它包括供电系统的一般性保护措施、PLC电源模块的选择和典型供电电源系统的设计、各模板工作电源及控制系统完整的供电系统设计。1)供电系统的保护措施图10.2 隔离变压器的连接 PLC一般都使用工频电压(220V，50Hz)。电网电压和频率的波动将直接影响实时控制系统的精度和可靠性。有时电网的冲击和瞬间变化会给系统带来干扰甚至毁灭性的破坏。为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在PLC供电系统中一般采取隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等措施对其供电系统进行保护。(1)隔离变压器。隔离变压器的初级和次级之间采用隔离屏蔽层，由漆包线或铜等非导磁材料绕成，但要保证其在电气设备上不能短路，而后引出一个头接地。在图10.2中，初、次级间的静电屏蔽层与初次级间的零电位线相接，再用电容耦合接地。采用了隔离变压器后，可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高了系统的抗干扰能力。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,图10.2 隔离变压器的连接,10.2 PLC应用系统的硬件设计,(2)交流稳压器。为了抑制供电电网电压的波动，PLC系统中设置有交流稳压器。在选择交流稳压器的容量时，应留出足够的余量，一般可按实际最大需求容量的30%计算。这样，一方面可充分保证稳压特性，另一方面有助于交流稳压器的可靠工作。在实际应用中，如果PLC本身对电源电压的波动就具有较强的适应性，此时也可不采用交流稳压器。(3)UPS电源。在某些实时控制中，系统的突然断电会造成较严重的后果，此时就要在供电系统中加入UPS电源供电，在PLC的应用软件中可设置断电处理程序。当突然断电后，可自动切换到UPS电源供电，并按工艺要求进行一定的处理，使生产设备处于安全状态。在选择UPS电源时要注意所需的功率容量。(4)晶体管开关电源。晶体管开关电源主要是指稳压电源中的调整管以开关方式工作，通过调节脉冲宽度的办法来调整直流电压。这种开关电源在电网或其他外加电源电压变化很大时，对其输出电压并没有很大影响，从而提高了系统抗干扰的能力。目前，各公司生产的PLC中，其电源模块采用的都是晶体管开关电源，所以在整个系统供电电源设计中不必再考虑加晶体管开关电源，只要注意PLC电源模板对外加电源的要求就行了。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,2)电源模块的选择 可编程控制器CPU所需的工作电源一般都是5V直流电源，一般的编程接口和通信模块还需要5.2V和24V直流电源。这些电源都由可编程控制器本身的电源模块供给，所以在实际应用中要注意电源模块的选择。在选择电源模块时可以考虑以下几点。(1)电源模块的输入电压。PLC的电源模块有3种输入电压，即220VAC、110VAC和24VDC，在实际应用中要根据具体情况进行选择。当系统的输入电压确定后，系统供电电源的输出电压也就确定了。(2)电源模块的输出功率。在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于CPU模块、所有I/O模块及各种智能模块等总的消耗功率，并且要留有30%左右的余量。一个电源模块既要为主机单元又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。(3)扩展单元中的电源模块。在有的系统中，由于扩展单元中含有智能模块及一些特殊模块，就要求在扩展单元中安装相应的电源模板。这时相应的电源模块输出功率可按各自的供电范围计算。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,(4)电源模块接线。选定了电源模块后，还要确定电源模块的接线端子和连接方式，以便正确进行系统供电的设计。一般电源模块的输入电压是通过接线端子与供电电源相连的，而输出信号则通过总线插座与可编程控制器CPU的总线相连。3)一般系统供电电源设计 控制部分系统的正常工作是PLC系统的关键。PLC控制部分的供电设计包括其CPU工作电源、各种I/O接口模块和通信智能模块的工作电源。这些工作电源都由PLC的电源模块供电，所以系统供电电源设计就是针对PLC电源模块而言的。图10.3给出了由PLC组成的典型控制系统的供电设计。系统包括一台PLC(由一个主机单元和一个扩展单元组成)。对于多机系统和包括多个扩展单元的系统，其设计原理和方法是完全一样的，只是在供电容量和供电布线上有所不同。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,图10.3 典型控制系统的供电设计,10.2 PLC应用系统的硬件设计,由图10.3可以看出，系统总电源为三相交流电网电源，通过系统电源总开关实现整个电源系统的开断控制，此开关可以是刀闸门式开关也可以是空气开关，可按实际需要选择。PLC所需电源一般为交流220V，可取自三相电源的一相。在多机系统中，如果每个PLC上都单独供电，则可分别取不同的相电压，以保证三相电源的平衡。取自相电压的交流220V电源通过电源开关接入隔离变压器(此处的电源开关可选择刀闸式开关或自动开关)。经过隔离变压器后，通过交流稳压器或UPS不间断电源为系统供电(在电网电压较稳定的情况下也可以不采用交流稳压器或UPS不间断电源)。为系统控制部分的供电则由电源模块来实现，用户不必再进行设计。有些产品分别包括220V交流、110V交流和24V直流的输入电压。日本的产品通常采用110V交流，美国、德国及我国使用较多的是220V交流，但也有24V直流的情况。如果电源模块输入为24V直流，供电系统的设计就要在电源模块和交流稳压器或UPS不间断电源之间加入直流稳压电源，且直流稳压电源容量的选择也要考虑全部所需容量。否则易造成电源模块的损坏。4)I/O模块供电电源设计,10.2 PLC应用系统的硬件设计,I/O模块供电电源设计是指系统中传感器、执行机构、各种负载与I/O模块之间的供电电源设计。在实际应用中，普遍使用的I/O模块基本都是采用24V直流供电电源和220V交流供电电源。这里主要介绍这两种情况下开关量I/O模块的供电设计。(1)24V直流I/O模块的供电设计。在PLC组成的控制系统中，广泛使用着24V直流I/O模块。工业过程中的输入信号来自各种接近开关、按钮、编码开关、继电器的触点及接触器的辅助触点等；输出信号则控制继电器线圈、接触器线圈、电磁阀线圈、伺服阀线圈、显示灯等。要使系统可靠工作，I/O模块和现场传感器、负载之间的供电设计必须安全可靠，这是控制系统能够实现所要完成的控制任务的基础。图10.4给出了24V直流I/O模块的一般供电设计。图中给出了一个主机单元和一个扩展单元的一个I/O模块的情况。对于包括多个单元在内的多个I/O模块的情况与此相同。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,图10.4 24V直流I/O模块的供电设计,10.2 PLC应用系统的硬件设计,图中的220V交流电源可来自交流稳压器输出，该电源经24V直流稳压电源后为I/O模块供电。为防止检测开关和负载的频繁动作影响稳压电源工作，在24V直流稳压电源输出端并接一个电解电容。开关Q1控制DO模块供电电源；开关Q2控制DI模块供电电源。I/O模块供电电源设计比较简单，一般只需要注意以下几点。I/O模块供电电源是指PLC与工业过程相连的模块和现场回路直接相连回路的工作电源。它主要依据现场传感器和执行机构(负载)实际情况而定，这部分工作情况并不影响可编程控制器CPU的工作。24V直流稳压电源的容量选择主要是根据输入模块的输入信号为“1”时的输入电流和输出模块的输出信号为“1”时负载的输出电流而定。在计算时应考虑所有I/O点同时为“1”的情况，并留有一定余量。图10.5 220V交流I/O模块的供电设计 开关Q1和Q2分别控制输出模块和输入模块供电电源。在系统启动时，应首先启动可编程控制器的CPU，然后再合上开关Q2和开关Q1。当现场输入设备或执行机构发生故障时，可立即关掉开关Q1和开关Q2。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,(2)220V交流I/O模块的供电设计。对于实际工业过程，除了24V直流模块外，还广泛使用220V交流I/O模块。在前面24V直流I/O模块供电设计的基础上，只要去掉24V直流稳压电源，并将图10.4中的直流24V I/O模块换成交流220V I/O模块，就实现了220V交流模块的供电设计。图10.5给出的是在一个主机单元中，I/O模块各一块的情况，交流220V电源可直接取自整个供电系统的交流稳压器的输出端，包括扩展单元的多块I/O模块设计与此完全相同。要注意的是在设计交流稳压器时要增加相应的容量。,图10.5 220V交流I/O模块的供电设计,10.2 PLC应用系统的硬件设计,(3)其他I/O模块的供电设计。其他I/O模块包括模拟量I/O模块、智能I/O模块和特殊模块，各自用途不同，其供电设计也不完全一样。对于模拟量I/O模块，一般来说模块本身需要工作电源，现场传感器和执行机构有时也需要工作电源。此时只能根据实际情况确定供电方案。对于智能模块和特殊模块，要根据不同用途，按模块本身的技术要求来设计它们的供电系统。2.系统接地设计 在实际控制系统中，接地是抑制干扰、使系统可靠工作的主要方法。在设计中如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。1)接地方法 接地的一般要求如下。(1)接地电阻在要求范围内。对于PLC组成的控制系统，接地电阻般应小于4。(2)要保证足够的机械强度。(3)要具有耐腐蚀的能力并做防腐处理。(4)在整个工厂中，PLC组成的控制系统要单独设计接地。在上述要求中，后3条只要按规定设计、施工就可满足要求，关键是第(1)条的接地电阻。,10.2 PLC应用系统的硬件设计,2)各种不同接地的处理 除了正确进行接地设计、安装外，还要对各种不同的接地进行正确的接地处理。组成的控制系统中，大致有以下几种地线。数字地 这种地也叫逻辑地，是各种开关量(数字量)信号的零电位。模拟地 这种地是各种模拟量信号的零电位。信号地 这种地通常是指传感器的地。交流地 交流供电电源的地线，这种地通常是产生噪声的地。直流地 直流供电电源的地。屏蔽地(也叫机壳地)为防止静电感应而设。如何处理以上这些地线是PLC系统设计、安装、调试中的一个重要问题。以下针对不同的情况，讨论并给出不同的处理方法。(1)一点接地和多点接地。一般情况下，高频电路应采用就近多点接地，低频电路应采用一点接地。在低频电路中，布线和元件间的电感并不是什么大问题，然而接地形成的环路对电路的干扰影响很大，因此通常以一点作为接地点。但一点接地不适用于高频，因为高频时，地线上具有电感因而增加了地线阻抗，调试时，在各个接地线之间又产生电感耦合。一般来说，频率在1MHz以下，可用,10.2 PLC应用系统的硬件设计,一点接地；高于10MHz时，采用多点接地；在1MHz10MHz之间可用一点接地，也可多点接地。根据这一原则，PLC控制系统一般都采用一点接地。(2)交流地与信号地不能共用。由于在一般电源地线的两点间会有数毫伏(mV)，甚至几伏(V)电压。对低电平信号电路来说，这是一个非常严重的干扰，因此必须加以隔离。(3)浮地与接地的比较。全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来，这种方法简单，但整个系统与大地的绝缘电阻不能小于50M。这种方法具有一定的抗干扰能力，但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法，就是将机壳接地，其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强，安全可靠，但实现起来比较复杂。由此可见，PLC系统的接地还是以接入大地为好。(4)模拟地。模拟地的接法十分重要，为了提高抗共模干扰能力，对于模拟信号可采用屏蔽浮地技术。对于具体的PLC模拟量信号的处理要严格按照操作手册上的要求设计。(5)屏蔽地。在控制系统中，为了减少信号中电容耦合噪声，以便准确检测和控制，对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的的不同，屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题，一般接大地电场屏蔽主要避免雷达、,10.2 PLC应用系统的硬件设计,电台等高频电磁场辐射干扰，利用低阻、高导流金属材料制成，可接大地。磁屏蔽可防磁铁、电机、变压器、线圈等的磁感应、磁混合。其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合，一般接大地为好。当信号电路是一点接地时，低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时，会产生噪声电流，形成噪声干扰源。当一个电路有一个不接地的信号源与系统中接地的放大器相连时，输入端的屏蔽应接至放大器的公共端；相反，当接地的信号源与系统中不接地的放大器相连时，放大器的输入端也应接到信号源的公共端。3.PLC系统的完整供电设计 前面针对PLC系统中的各个部分给出了其供电系统的设计，为了给读者一个完整和系统的概念，以下将给出一个由PLC组成的控制系统的完整供电设计，如图10.6所示。由图可知，它包括了前面所介绍的内容，同时增加了上电启动、连锁保护等部分。一个完整的供电系统，其总电源来自三相交流电源，经过系统供电总开关送入系统。PLC组成的控制系统都是以交流220V为基本工作电源，所以由三相交流电源引出相电压并通过电源开关为PLC系统供电，电源开关可选择二相刀闸,10.2 PLC应用系统的硬件设计,开关。然后通过隔离变压器和交流稳压器或UPS电源。通过交流稳压器输出的电源分成两路，一路为PLC电源模块供电，另一路为PLC I/O模块和现场检测元件、执行机构供电。为电源模块供电比较