PLC控制技術是一種用于工程實際的應用技術，系統(tǒng)設計的水平將直接影響控制系統(tǒng)、設備的運行可靠性。如何根據不同的控制要求，設計出運行穩(wěn)定、動作可靠、安全實用、操作簡單、調試方便、維護容易的控制系統(tǒng)，是廣大讀者學習PLC技術的根本目的。

  與絕大多數(shù)計算機控制系統(tǒng)設計一樣，PLC控制系統(tǒng)設計也可以分為系統(tǒng)規(guī)劃、硬件設計、軟件設計等基本的步驟、每一部分的設計都有不同的要求。本章將首先按照實際工程設計的步驟，對規(guī)劃PLC控制系統(tǒng)的基本方法與步驟作系統(tǒng)、完整的介紹，然后再介紹有關控制系統(tǒng)的硬件設計、軟件設計調試等方面的內容與實例。

  出于內容先進性，方便讀者閱讀進口設備圖紙，以及與國際先進技術標準接軌等方面的考慮、本章中的全部電氣技術要求、電路圖形符號、文字代號均執(zhí)行DIN標準，并與IEC、ANSI、BS標準保持廣泛的一致性。

  1. 系統(tǒng)設計原則

  電氣控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產自動化的保證，也是機電一體化系統(tǒng)安全、準確、可靠運行的前提條件。控制系統(tǒng)設計必須以滿足生產工藝要求，保證系統(tǒng)安全、準確、可靠運行為準則，并通過科學的方法與現(xiàn)代化的手段，進行合理的規(guī)劃與認真的設計。

  PLC控制系統(tǒng)的工程設計，一段可以分為系統(tǒng)規(guī)劃、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試、技術文件編制五個基本的步驟。

  在PLC控制系統(tǒng)的設計中應遵循如下基本設計原則：

  1) 實現(xiàn)設備、生產機械、生產工藝的全部動作。

  2) 滿足設備、生產機械對產品的加工質量以及生產效率的要求。

  3) 確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠地工作。

  4) 盡可能地簡化控制系統(tǒng)的結構，降低生產、制造成本。

  5) 充分提高自動化程度，減輕勞動強度。

  6) 改善操作性能，方便維修等。

  在上述系統(tǒng)設計原則中，最為重要的是要滿足系統(tǒng)控制要求、確保系統(tǒng)安全可靠性、簡化系統(tǒng)結構這三方面。

  (1) 滿足系統(tǒng)控制要求。作為一種工業(yè)控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)是為了滿足控制對象(設備、生產機械、生產工藝等)的各項控制要求，使其達到設計規(guī)定的性能指標，而采用的一種現(xiàn)代化的控制方法與手段。系統(tǒng)設計必須確保能實現(xiàn)對象的全部動作，滿足對象的各項技術要求。

  在系統(tǒng)設計前，設計人員必須深入生產現(xiàn)場或通過認真調研被控對象的機械、氣動、液壓的組成和工作原理；充分了解設備、生產機械需要實現(xiàn)的動作和應具備的功能及對電控的要求；詳盡掌握設備中各種執(zhí)行元件的性能與參數(shù)；以便有的放矢地開展設計工作。

  在此基礎上，設計人員應首先進行控制系統(tǒng)的規(guī)劃，確定系統(tǒng)的總體方案與控制系統(tǒng)的類型，明確為了實現(xiàn)不同的控制要求，需要在系統(tǒng)中所采取的措施，并選定主要的組成部件。

  總體方案設計完成后，設計人員應會同機械、氣動、液壓設計人員、操作者，用戶、供應商等、對總體方案設計進行評審，并取得項目相關部門與技術人員、操作者的認可。在充分聽取各方面意見的基礎上，設計者決定是否需要對總體設計方案進行修改。當方案有重大更改，在修改方案完成后，還應再次進行總體方案的評審。

  (2) 確保系統(tǒng)安全可靠性。在系統(tǒng)總體打方確定后的具體技術設計階段，設計人員必須首先考慮系統(tǒng)的安全性與可靠性，確?？刂葡到y(tǒng)能夠長期安全、穩(wěn)定、可靠地上作。

  控制系統(tǒng)的安全性包括確保操作人員人身安全與設備安全兩大方面。

  系統(tǒng)的設計必須符合各種相關安全標準(如CE標準)的規(guī)定。在設計中應充分考慮各種安全防護措施，如安全電路、安全防護等。而且對于涉及人身安全的部件，必須在電氣控制系統(tǒng)設計時進行嚴格的動作“互鎖”，嚴防發(fā)生危及操作者安全的事故。

  設備安全是電氣設計人員必須考慮的問題。尤其應重視設備運行過程中出現(xiàn)部件故障或其他原因的緊急停機的情況，控制系統(tǒng)的動作必須迅速、可靠、安全。

  系統(tǒng)設計中，必須采用符合EN標準要求的安全電路；應充分考慮到PLC本身發(fā)生故障的可能性；安全電路必須利用電磁動作元件組成，并且滿足"強制執(zhí)行"條件。

  對于某些執(zhí)行元件的動作，如電機的正/反轉接觸器等，應進行可靠的動作"互鎖"。這些"互鎖"不能僅在PLC用戶程序中進行，還必須在強電控制線路中同樣得到保證，以防發(fā)生危及設備安全的事故，做到萬無一失。

  控制系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性是系統(tǒng)設計成敗的關鍵。控制系統(tǒng)的動作不可靠，不僅會導致設備的運行故障，影響加工產品的質量和生產效率，而從可能引發(fā)安全事故。

  在保證安全性與可靠性要求的前提下，簡化系統(tǒng)結構、簡化操作、簡化線路、簡化程序不僅可以降低成本，而且也是提高系統(tǒng)可靠性的重要措施。嚴格按照PLC的設計規(guī)范與要求進行設計;按照PLC的安裝要求進行安裝；按規(guī)范進行布線與施工；對用戶程序進行多方檢查與試驗；采取正確的抗干擾措施等，都是提高系統(tǒng)可靠件的重要手段。

  (3)簡化系統(tǒng)結構。在能夠完全滿足控制對象的各項控制要求，確保系統(tǒng)安全性、可靠性，不影響系統(tǒng)自動化程度與功能的前提下，系統(tǒng)的設計應盡可能簡單、實用。簡化系統(tǒng)結構不僅僅是降低生產制造成本的需要，而且也是提高系統(tǒng)可靠性的重要措施。

  簡化系統(tǒng)包括簡化操作、簡化線路、簡化程序等方面。

  系統(tǒng)設計應具有良好的操作性能，為操作者提供友好的界面，盡可能為操作、使用提供便利。設計不但要考慮人機工程學，而且應盡可能減少不必要的控制按鈕等操作元件的數(shù)量(有關安全的除外)，簡化操作過程。設備的操作過程應簡潔、明了、方便、容易。

  系統(tǒng)控制線路的設計必須簡單、可靠，應盡可能減少不必要的控制器件與連線。簡單、實用的控制線路不僅可以降低生產制造成本，更重要的是它可以提高系統(tǒng)工作的安全可靠性，方便用戶使用與維修。

  PLC用戶程序也要盡量簡化，使用的指令應越簡潔、越明了越好；要杜絕人為地使程序復雜化，從而為他人理解程序增加困難的現(xiàn)象。

  采用梯形圖編程時，應盡可能減少不必要的輔助繼電器、觸點的使用數(shù)量。過多的輔助繼電器、觸點不僅影響程序的執(zhí)行速度，延長循環(huán)掃描時間，而且會給程序的檢查、閱讀帶來不必要的麻煩，影響調試、維修進度。

  2. 系統(tǒng)設計步驟

  PLC控制系統(tǒng)的設計(調試)可以按照圖5-1所示進行。設計可分為系統(tǒng)規(guī)劃、硬件設計、軟件設計系統(tǒng)調試及技術文件的編制五個階段。

  (1) 系統(tǒng)規(guī)劃。系統(tǒng)規(guī)劃為設計的第一步，內容包括確定控制系統(tǒng)方案與總體設計兩部分。確定控制系統(tǒng)方案時，應首先明確控制對象所需要實現(xiàn)的動作與功能、生產工藝要求與設備的現(xiàn)場布置情況；在此基礎上確定系統(tǒng)的技術實現(xiàn)手段，選擇系統(tǒng)的總體結構形式與組成部件。

  系統(tǒng)規(guī)劃的具體內容包括：明確控制要求，確定系統(tǒng)類型，確定硬件配置要求；選擇PLC的型號、規(guī)格，確定I/O模塊的數(shù)量與規(guī)格，選擇特殊功能模塊；選擇人機界面、伺服驅動器、變頻器、調速裝置等。

  (2) 硬件設計。硬件設計是在系統(tǒng)規(guī)劃與總體設計完成后的技術設計。在這一階段，設計人員需要根據總體方案完成電氣控制原理圖、連接圖、元件布置圖等基本圖樣的設計工作。

  圖5-1 PLC控制系統(tǒng)的設計步驟

  在此基礎上，應匯編完整的電器元件目錄與配套件清單，提供給采購供應部門購買相關的組成部件。同時，根據PLC的安裝要求與用戶的環(huán)境條件，結合所設計的電氣原理圖與連接、布置圖，完成用于安裝以上電器元件的控制柜、操縱臺等零部件的設計。

  設計完成后，將全部圖樣與外購元器件、標準件等匯編成統(tǒng)一的基本件、外購件、標準件明細表(目錄)，提供給生產、供應部門組織生產與采購。

  (3) 軟件設計。PLC控制系統(tǒng)的軟件設計主要是編制PLC用戶程序、特殊功能模塊控制軟件、確定PLC 以及功能模塊的設定參數(shù)(如需要)等。它可以與系統(tǒng)電器元件安裝柜、操縱臺的制作、元器件的采購同步進行。

  軟件設計應根據所確定的總體方案與已經完成的電氣控制原理圖，按照原理圖所確定的I/O地址，編寫實現(xiàn)控制要求與功能的PLC用戶程序。為了方便調試、維修，通常需要在軟件設計階段同時編寫出程序說明書、I/O地址表、注釋表等輔助文件。

  在程序設計完成后，一般應通過PLC編程軟件所具備的自診斷功能對PLC程序進行基本的檢查，排除程序中的電路與語法錯誤。在有條件時，應通過必要的模擬與仿真手段，對程序進行模擬與仿真試驗。對于初次使用的伺服驅動器、變頻器等部件，可以通過檢查與運行的方法，事先進行離線調整與測試，以縮短現(xiàn)場調試的周期。

  (4) 現(xiàn)場調試。PLC的現(xiàn)場調試是檢查、優(yōu)化PLC控制系統(tǒng)硬件、軟件設計，提高控制系統(tǒng)安全可靠性的重要步驟。為了防止調試過程中可能出現(xiàn)的問題，確保調試工作的順利進行，現(xiàn)場調試應在完成控制系統(tǒng)的安裝、連接、用戶程序編制后，按照調試前的檢查、硬件調試、軟件調試、空運行試驗、可靠性試驗、實際運行試驗等規(guī)定的步驟進行。

  在調試階段，一切均應以滿足控制要求，確保系統(tǒng)安全、可靠運行為最高準則，它是檢驗硬件、軟件設計正確性的唯一標準，任何影響系統(tǒng)安全性與可靠性的設計，都必須予以修改，絕不能遺留事故隱患，以免導致嚴重后果。

  (5) 編制技術文件。在設備安全、可靠運行得到確認后，設計人員可以著手進行系統(tǒng)技術文件的編制工作，諸如修改電氣原理圖、連接圖，編寫設備操作、使用說明書，備份PLC用戶程序，記錄調整、設定參數(shù)等。

  文件的編寫應正確、全面，必須保證圖與實物一致，電氣原理圖、用戶程序、設定參數(shù)必須為調試完成后的最終版本。文件的編寫應規(guī)范、系統(tǒng)，盡可能為設備使用者及今后的維修工作提供方便。