PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).ppt

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PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,設(shè)計(jì)以PLC為核心的控制系統(tǒng)，要考慮：1、設(shè)備的正常運(yùn)行；2、合理、有效的資金投入；3、在滿足可靠性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，具有一定的先進(jìn)性，能根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化擴(kuò)展部分功能。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,1、分析被控對象、明確控制要求2、制定電氣控制方案3、確定輸入/輸出設(shè)備及信號特點(diǎn)4、選擇可編程控制器5、分配輸入/輸出點(diǎn)地址6、設(shè)計(jì)電氣線路7、設(shè)計(jì)控制程序8、調(diào)試（包括模擬調(diào)試和聯(lián)機(jī)調(diào)試）9、技術(shù)文件整理,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,1）分析被控對象并提出控制要求詳細(xì)分析被控對象的工藝過程及工作特點(diǎn)，了解被控對象機(jī)、電、液之間的配合，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書。2）確定輸入／輸出設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,3）選擇PLCPLC選擇包括對PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。4）分配I/O點(diǎn)并設(shè)計(jì)PLC外圍硬件線路分配I/O點(diǎn)：畫出PLC的I/O點(diǎn)與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進(jìn)入PLC的控制電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。到此為止系統(tǒng)的硬件電氣線路已經(jīng)確定。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,5）程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)：1）控制程序；2）初始化程序；3）檢測、故障診斷和顯示等程序；4）保護(hù)和連鎖程序。模擬調(diào)試：根據(jù)產(chǎn)生現(xiàn)場信號的方式不同，模擬調(diào)試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實(shí)施設(shè)計(jì)控制柜和操作臺(tái)等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計(jì)系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進(jìn)行現(xiàn)場接線，并進(jìn)行詳細(xì)檢查。由于程序設(shè)計(jì)與硬件實(shí)施可同時(shí)進(jìn)行，因此PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期可大大縮短。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟,7）聯(lián)機(jī)調(diào)試聯(lián)機(jī)調(diào)試是將通過模擬調(diào)試的程序進(jìn)一步進(jìn)行在線統(tǒng)調(diào)。聯(lián)機(jī)調(diào)試過程應(yīng)循序漸進(jìn)，從PLC只連接輸入設(shè)備、再連接輸出設(shè)備、再接上實(shí)際負(fù)載等逐步進(jìn)行調(diào)試。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部份程序即可。全部調(diào)試完畢后，交付試運(yùn)行。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，如果工作正常、程序不需要修改，應(yīng)將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。8）整理和編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計(jì)說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細(xì)表、PLC程序以及使用說明書等。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,二、可編程控制器的選擇,隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC產(chǎn)品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價(jià)格等也各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有著重要意義。PLC的選擇主要應(yīng)從PLC的機(jī)型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)能力等方面加以綜合考慮。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,1、可編程控制器的機(jī)型選擇,PLC機(jī)型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護(hù)方便的前提下，力爭最佳的性能價(jià)格比。選擇時(shí)主要考慮以下幾點(diǎn)：1）合理的結(jié)構(gòu)型式PLC主要有整體式和模塊式兩種結(jié)構(gòu)型式。2）安裝方式的選擇安裝方式有集中式、遠(yuǎn)程I／O式以及多臺(tái)PLC聯(lián)網(wǎng)的分布式。3）相應(yīng)的功能要求4）響應(yīng)速度要求5）系統(tǒng)可靠性的要求對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應(yīng)考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)6）機(jī)型盡量統(tǒng)一便于備品備件的采購和管理；有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)和技術(shù)水平的提高，外部設(shè)備通用，資源可共享，易于聯(lián)網(wǎng)通信。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,2、指令系統(tǒng)的選擇,1）總指令數(shù)2）指令種類3）表達(dá)方式4）編程工具,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關(guān)量輸入模塊的選擇1）輸入信號的類型及電壓等級有直流輸入、交流輸入和交流／直流輸入三種類型。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場輸入信號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時(shí)間較短，還可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入設(shè)備連接；交流輸入模塊可靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境。開關(guān)量輸入模塊的電壓等級有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。選擇時(shí)主要根據(jù)現(xiàn)場輸入設(shè)備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于傳輸距離較近場合，如5Ｖ輸入模塊最遠(yuǎn)不得超過１０米。距離較遠(yuǎn)的應(yīng)選用輸入電壓等級較高的。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關(guān)量輸入模塊的選擇2）輸入接線方式主要有匯點(diǎn)式和分組式兩種接線方式,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關(guān)量輸入模塊的選擇3）注意同時(shí)接通的輸入點(diǎn)數(shù)量對于選用高密度的輸入模塊(如30點(diǎn)、40點(diǎn)等)，應(yīng)考慮該模塊同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)一般不要超過輸入點(diǎn)數(shù)的60％。4）輸入門檻電平門檻電平越高，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也越遠(yuǎn)，具體可參閱PLC說明書。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關(guān)量輸出模塊的選擇1）輸出方式開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式：繼電器輸出：價(jià)格便宜，可以驅(qū)動(dòng)交、直流負(fù)載，適用的電壓大小范圍較寬、導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，但動(dòng)作速度較慢（驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，觸點(diǎn)動(dòng)作頻率不超過1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。對于頻繁通斷的負(fù)載，應(yīng)該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點(diǎn)元件。但晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，而晶體管輸出只能用于直流負(fù)載。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關(guān)量輸出模塊的選擇2）輸出接線方式開關(guān)量輸出模塊主要有分組式和分隔式兩種接線方式,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關(guān)量輸出模塊的選擇3）驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)根據(jù)實(shí)際輸出設(shè)備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實(shí)際輸出設(shè)備的電流較大，輸出模塊無法直接驅(qū)動(dòng)，可增加中間放大環(huán)節(jié)。4）注意同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)量同時(shí)接通輸出設(shè)備的累計(jì)電流值必須小于公共端所允許通過的電流值。一般來講，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不要超出同一公共端輸出點(diǎn)數(shù)的60％5）輸出的最大電流與負(fù)載類型、環(huán)境溫度等因素有關(guān)與不同的負(fù)載類型密切相關(guān)，特別是輸出的最大電流。晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會(huì)降低，在實(shí)際使用中也應(yīng)注意。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,模擬量I/O模塊的選擇模擬量輸入（A/D）模塊是將現(xiàn)場由傳感器檢測而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部可接受的數(shù)字量；模擬量輸出(D/A)模塊是將PLC內(nèi)部的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量信號輸出。典型模擬量I/O模塊的量程為-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根據(jù)實(shí)際需要選用，同時(shí)還應(yīng)考慮其分辨率和轉(zhuǎn)換精度等因素。一些PLC制造廠家還提供特殊模擬量輸入模塊，可用來直接接收低電平信號（如RTD、熱電偶等信號）。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,特殊功能模塊的選擇PLC廠家相繼推出了一些具有特殊功能的I/O模塊，有的還推出了自帶CPU的智能型I/O模塊，如高速計(jì)數(shù)器、凸輪模擬器、位置控制模塊、PID控制模塊、通信模塊等。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,電源模塊及其它外設(shè)的選擇1）電源模塊的選擇電源模塊選擇僅對于模塊式結(jié)構(gòu)的PLC而言，對于整體式PLC不存在電源的選擇。電源模塊的選擇主要考慮電源輸出額定電流和電源輸入電壓。2）編程器的選擇3）寫入器的選擇為了防止由于干擾或鋰電池電壓不足等原因破壞RAM中的用戶程序，可選用EPROM寫入器，通過它將用戶程序固化在EPROM中。有些PLC或其編程器本身就具有EPROM寫入的功能。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,4、PLC容量的選擇,I／O點(diǎn)數(shù)的選擇（1）在滿足控制要求的前提下力爭使用的I／O點(diǎn)最少。（2）需要加上10％~15％的裕量。存儲(chǔ)容量的選擇存儲(chǔ)容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關(guān)，還與功能實(shí)現(xiàn)的方法、程序編寫水平有關(guān)。一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的程序員和一個(gè)初學(xué)者，在完成同一復(fù)雜功能時(shí)，其程序量可能相差25％之多。在I／O點(diǎn)數(shù)確定的基礎(chǔ)上，按下式估算存儲(chǔ)容量后，再加20％~30％的裕量。存儲(chǔ)容量(字節(jié))＝開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)10＋模擬量I/O通道數(shù)100存儲(chǔ)容量選擇的同時(shí)，注意對存儲(chǔ)器的類型的選擇。,5.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和PLC選型,5、其他的選擇,（1）性價(jià)比（2）系列產(chǎn)品（3）售后服務(wù),5.2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案,1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案,控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、機(jī)型的性能指標(biāo)和各種功能模塊的選擇對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的問題。,1）PLC控制系統(tǒng)的類型可分為集中控制系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)。,2）系統(tǒng)的運(yùn)行方式四種：自動(dòng)、半自動(dòng)、單步、手動(dòng)方式。,3）系統(tǒng)的停止方式正常停止、暫時(shí)停止、緊急停止三種。,5.2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案,2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)依據(jù),系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)必須根據(jù)控制對象的要求決定，包括控制對象的工藝要求、設(shè)備狀況、控制功能、I/O點(diǎn)數(shù)和種類，以構(gòu)成比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)。,5.2系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案,3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)文件,1）系統(tǒng)硬件配置圖系統(tǒng)硬件配置圖完整地給出整個(gè)系統(tǒng)硬件組成，包括：系統(tǒng)構(gòu)成級別、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)情況、網(wǎng)上PLC站數(shù)、每個(gè)PLC站上CPU單元和擴(kuò)展單元構(gòu)成情況、每個(gè)PLC中各模塊構(gòu)成情況。2）模塊統(tǒng)計(jì)表便于了解整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備狀況和硬件設(shè)備投資計(jì)算，包括：模塊名稱、模塊類型、模塊訂貨號、所需模塊個(gè)數(shù)等。3）I/O地址分配表4）I/O硬件接線圖,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),1、輸入電路的設(shè)計(jì),1）根據(jù)輸入信號類型合理選擇輸入模塊2）輸入元件的接線方式3）減少輸入點(diǎn)的方法PLC在實(shí)際應(yīng)用中常碰到這樣兩個(gè)問題：（1）PLC的I/O點(diǎn)數(shù)不夠，需要擴(kuò)展，然而增加I/O點(diǎn)數(shù)將提高成本；（2）是已選定的PLC可擴(kuò)展的I/O點(diǎn)數(shù)有限，無法再增加。在滿足系統(tǒng)控制要求的前提下，合理使用I/O點(diǎn)數(shù)，盡量減少所需的I/O點(diǎn)數(shù)是很有意義的。,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸入點(diǎn)數(shù)方法,分組輸入,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸入點(diǎn)數(shù)方法,矩陣輸入,1）矩陣輸入方法需要硬件與軟件相配合來完成2）由于矩陣輸入的輸入信號為一系列斷續(xù)的脈沖信號。3）應(yīng)保證輸入信號的寬度要大于Y0、Y1、Y2輪流導(dǎo)通一遍的時(shí)間,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸入點(diǎn)數(shù)方法,組合輸入對于不會(huì)同時(shí)接通的輸入信號，可采用組合編碼的方式輸入。,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸入點(diǎn)數(shù)方法,輸入設(shè)備多功能化例如,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸入點(diǎn)數(shù)方法,合并輸入將某些功能相同的開關(guān)量輸入設(shè)備合并輸入。如果是幾個(gè)常閉觸點(diǎn)，則串聯(lián)輸入；如果是幾個(gè)常開觸點(diǎn)，則并聯(lián)輸入。某些輸入設(shè)備可不進(jìn)PLC有些輸入信號功能簡單、涉及面很窄，有時(shí)就沒有必要作為PLC的輸入，將它們放在外部電路中同樣可以滿足要求。,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),2、輸出電路的設(shè)計(jì),1）根據(jù)負(fù)載類型確定輸出方法2）輸出負(fù)載的接線方式3）選擇輸出電流、電壓輸出模塊的額定輸出電流、電壓必須大于所需求的電流和電壓。4）輸出電路的保護(hù)在輸出負(fù)載回路加裝熔斷器，進(jìn)行短路保護(hù)。5）減少輸出點(diǎn)的方法,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸出點(diǎn)數(shù)方法,分組輸出當(dāng)兩組輸出設(shè)備或負(fù)載不會(huì)同時(shí)工作，可通過外部轉(zhuǎn)換開關(guān)或通過受PLC控制的電器觸點(diǎn)進(jìn)行切換，所以PLC的每個(gè)輸出點(diǎn)可以控制兩個(gè)不同時(shí)工作的負(fù)載。,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸出點(diǎn)數(shù)方法,矩陣輸出注意：采用矩陣輸出時(shí)，必須要將同一時(shí)間段接通的負(fù)載安排在同一行或同一列中，否則無法控制。,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),減少輸出點(diǎn)數(shù)方法,并聯(lián)輸出注意PLC輸出點(diǎn)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮PLC輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力是否足夠。輸出設(shè)備多功能化利用PLC的邏輯處理功能，一個(gè)輸出設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多種用途。某些輸出設(shè)備可不進(jìn)PLC系統(tǒng)中某些相對獨(dú)立、比較簡單的控制部分，可直接采用PLC外部硬件電路實(shí)現(xiàn)控制。,5.3PLC輸入/輸出電路設(shè)計(jì),注意的問題,以上一些常用的減少I/0點(diǎn)數(shù)的措施，僅供參考，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)具體情況，靈活使用。同時(shí)應(yīng)該注意不要過份去減少PLC的I/0點(diǎn)數(shù)，而使外部附加電路變得復(fù)雜，從而影響系統(tǒng)的可靠性。,5.4系統(tǒng)供電及接地設(shè)計(jì),一、系統(tǒng)供電設(shè)計(jì),系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)是指PLC所需電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括供電系統(tǒng)的一般性保護(hù)措施、PLC電源模塊的選擇和典型供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。,1、供電系統(tǒng)保護(hù)措施PLC一般使用工頻電，電網(wǎng)的沖擊、頻率波動(dòng)直接影響到實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的精度和可靠性，因此，為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性能，在PLC供電系統(tǒng)中一般可采取隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、UPS電源、晶體管開關(guān)電源等。,5.4系統(tǒng)供電及接地設(shè)計(jì),一、系統(tǒng)供電設(shè)計(jì),2、電源模塊的選擇PLC的CPU所需工作電源一般是5V直流電源，一般的編程接口和通信模塊需5.2V和24V直流電源，由PLC本身電源模塊供給。因此要考慮電源模塊的輸入電壓、輸出功率、接線、擴(kuò)展單元的電源等問題。,3、供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)典型的動(dòng)力部分、PLC供電及I/O的電源要分別供電。,5.4系統(tǒng)供電及接地設(shè)計(jì),二、接地設(shè)計(jì),1、接地的要求（1）接地電阻要在要求的范圍內(nèi)。（2）要保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度。（3）要進(jìn)行防腐處理。（4）PLC控制系統(tǒng)要單獨(dú)設(shè)計(jì)接地。,2、接地的種類大致有六種地線：數(shù)字地、模擬地、信號地、交流地、直流地、屏蔽地。,5.4系統(tǒng)供電及接地設(shè)計(jì),3、接地的處理方法（1）一般情況，高頻電路應(yīng)就近多點(diǎn)接地，低頻電路應(yīng)一點(diǎn)接地。（2）交流地和信號地不能共用。（3）浮地與接地的不同（4）模擬地與屏蔽地的接線。,PLC一般最好單獨(dú)接地，也可以采用公共接地，但禁止使用串聯(lián)接地方式。PLC的接地線應(yīng)盡量短，使接地點(diǎn)盡量靠近PLC。同時(shí)，接地電阻要小于4Ω，接地線的截面應(yīng)大于２mm2。,