一個(gè)實(shí)際的plc控制系統(tǒng)是以plc為核心組成的電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和工業(yè)過程的自動(dòng)控制。plc控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)效率，關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)plc控制系統(tǒng)時(shí)要全面了解被控對(duì)象的機(jī)構(gòu)和運(yùn)行過程，明確動(dòng)作的邏輯關(guān)系，最大限度地滿足生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制要求，同時(shí)力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、使用及維護(hù)方便，并保證控制系統(tǒng)安全可靠。
用戶在使用plc進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，會(huì)自覺或不自覺地遵循一定的方法和步驟。plc是一種特殊的計(jì)算機(jī)，在體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式和編程語言等方面有別于普通計(jì)算機(jī)，因此在設(shè)計(jì)方法和步驟上有其特殊性。雖然不能要求必須先做什么，后做什么，具體應(yīng)該怎樣做，但必須遵循一些共同的原則，使plc應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和步驟符合科學(xué)化，形成工程化，趨于標(biāo)準(zhǔn)化。
一、 設(shè)計(jì)原則及方法
1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則
在進(jìn)行plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：
（1）完全滿足被控對(duì)象的工藝要求。
（2）在滿足控制要求和技術(shù)指標(biāo)的前提下，盡量使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。
（3）控制系統(tǒng)要安全可靠。
（4）在設(shè)計(jì)時(shí)要給控制系統(tǒng)的容量和功能預(yù)留一定的裕度，便于以后的調(diào)整和擴(kuò)充。
2.設(shè)計(jì)內(nèi)容
（1）根據(jù)被控對(duì)象的特性及用戶的要求，擬定plc控制系統(tǒng)的技術(shù)條件和設(shè)計(jì)指標(biāo)，并寫出詳細(xì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書，作為整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。
（2）參考相關(guān)產(chǎn)品資料，選擇開關(guān)種類、傳感器類型、電氣傳動(dòng)形式、繼電器/接觸器的容量以及電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
（3）選擇plc的型號(hào)及程序存儲(chǔ)器容量，確定各種模塊的數(shù)量。
（4）繪制plc的輸入/輸出端子接線圖。
（5）設(shè)計(jì)plc控制系統(tǒng)的監(jiān)控程序。
（6）輸入程序并調(diào)試，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書進(jìn)行測(cè)試，提交測(cè)試報(bào)告。
（7）根據(jù)要求設(shè)計(jì)電氣柜、模擬顯示盤和非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件。
（8）編寫設(shè)計(jì)說明書和使用說明書等設(shè)計(jì)文檔。
3.設(shè)計(jì)方法及步驟
（1）詳細(xì)了解和分析被控對(duì)象的工藝條件，根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制要求，分析被控對(duì)象的機(jī)構(gòu)和運(yùn)行過程，明確動(dòng)作的邏輯關(guān)系（動(dòng)作順序、動(dòng)作條件）和必須要加入的聯(lián)鎖保護(hù)及系統(tǒng)的操作方式（手動(dòng)、自動(dòng)）等。
（2）根據(jù)被控對(duì)象對(duì)plc控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，確定所需輸入/輸出信號(hào)的點(diǎn)數(shù)，選配適當(dāng)?shù)膒lc。
（3）根據(jù)控制要求有規(guī)則、有目的地分配輸入/輸出點(diǎn)（i/o分配），設(shè)計(jì)plc的i/o電氣接口圖（plc的i/o口與輸入/輸出設(shè)備的連接圖）。繪出接線圖并接線施工，完成硬件設(shè)計(jì)。
（4）根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求畫出系統(tǒng)的工藝流程圖。
（5）根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程圖設(shè)計(jì)出梯形圖，同時(shí)可進(jìn)行電氣控制柜的設(shè)計(jì)和施工。
（6）如用編程器，需將梯形圖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令并輸入到plc中。
（7）調(diào)試程序，先進(jìn)行模擬調(diào)試，然后再進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試時(shí)可模擬用戶輸入設(shè)備的信號(hào)給plc，輸出設(shè)備可暫時(shí)不接，輸出信號(hào)可通過plc主機(jī)的輸出指示燈監(jiān)控通斷變化，對(duì)于內(nèi)部數(shù)據(jù)的變化和各輸出點(diǎn)的變化順序，可在上位計(jì)算機(jī)上運(yùn)行軟件的監(jiān)控功能，查看運(yùn)行動(dòng)作時(shí)序圖。
（8）程序模擬調(diào)試通過后，接入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際控制系統(tǒng)與輸入/輸出設(shè)備聯(lián)機(jī)調(diào)試，如不滿足要求，再修改程序或檢查更改接線，直至滿足要求。調(diào)試成功后做程序備份，同時(shí)提交測(cè)試報(bào)告。
（9）編寫有關(guān)技術(shù)文件（包括i/o電氣接口圖、流程圖、程序及注釋文件、故障分析及排除方法等），完成整個(gè)plc控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
以上是設(shè)計(jì)一個(gè)plc控制系統(tǒng)的大致步驟，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模的大小、控制要求的復(fù)雜程度、控制程序步數(shù)的多少靈活處理，有的步驟可以省略，也可作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
4.設(shè)計(jì)任務(wù)書的確定
生產(chǎn)工藝流程的特點(diǎn)和要求是設(shè)計(jì)plc控制系統(tǒng)的主要依據(jù)，所以必須詳細(xì)了解和分析對(duì)象的特性。設(shè)計(jì)任務(wù)書一般應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：
（1）控制系統(tǒng)的名稱。
（2）控制的任務(wù)和范圍。在設(shè)計(jì)任務(wù)書中指明控制對(duì)象的范圍，必須完成的動(dòng)作，包括動(dòng)作時(shí)序和方式（手動(dòng)、自動(dòng)，點(diǎn)動(dòng)、間斷、連續(xù)等）等。
（3）檢測(cè)和控制的參數(shù)表（i/o分配表）。根據(jù)工藝指標(biāo)、操作要求和安全措施等確定檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的含義、數(shù)量、量程、精度、特性、安裝位置等。一般在滿足控制要求和技術(shù)指標(biāo)的前提下，檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)應(yīng)盡可能地少，并且精度要求也應(yīng)以滿足實(shí)際需要為準(zhǔn)，否則將使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，增加系統(tǒng)成本。
（4）參數(shù)之間的關(guān)系。明確在控制過程中各輸入/輸出量之間的先后順序和邏輯關(guān)系。
二、 plc的選型
plc是一種通用的智能化工業(yè)控制設(shè)備，其檔次和功能面向各種各樣的應(yīng)用，眾多的生產(chǎn)廠家提供了各種系列、各種功能的產(chǎn)品。目前常見的國內(nèi)外plc產(chǎn)品有幾百種型號(hào)。這為用戶提供了廣泛的選擇余地，但也給一般用戶的選型帶來一些不便。下面簡(jiǎn)要介紹如何合理地選型，以組成經(jīng)濟(jì)實(shí)用的控制系統(tǒng)。
1.plc的形式與規(guī)模的選擇
plc的選型前提是在功能上應(yīng)滿足生產(chǎn)過程的工藝要求。對(duì)于只含有開關(guān)量控制的系統(tǒng)，一般的小型plc即可滿足要求，不需要特別考慮plc的掃描速度。
如果被控對(duì)象以開關(guān)量控制為主，只有少量的模擬量控制，則可考慮選用小容量、高性能的機(jī)型，如fp3、fp5等系列。這類plc除了開關(guān)量處理外，還具有較強(qiáng)的算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。對(duì)于模擬量控制，就需要考慮plc的掃描速度。
復(fù)雜的控制系統(tǒng)一般含有較多的開關(guān)量輸入/輸出，如對(duì)模擬量的控制要求也較高，可考慮選用中檔和高檔機(jī)型，如fp10、fp10s、fp10sh等系列的plc。中、高檔plc都具有模擬量輸入/輸出、pid運(yùn)算、閉環(huán)控制和快速響應(yīng)等功能，但價(jià)格較高。對(duì)于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其控制點(diǎn)既多又分散，一般要求較快的響應(yīng)速度，并具有數(shù)據(jù)處理、文件管理、分析決策等功能，就要選用具有通信聯(lián)網(wǎng)等功能的plc系統(tǒng)，以組成分布式工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。
2.plc的機(jī)型與容量的選擇
（1）plc機(jī)型的選擇
根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求和容量來選擇plc，首先是plc生產(chǎn)廠家的選擇，在完成相同功能的情況下，選擇廠家在考慮可靠性的同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。接下來根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)資料選擇機(jī)型，注意考慮輸出類型（如晶體管型、繼電器型和晶閘管型）、i/o點(diǎn)數(shù)和工作電源等。若電氣控制柜還需與其他控制柜聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，選型時(shí)還需考慮有無聯(lián)網(wǎng)功能。對(duì)于工藝過程相對(duì)穩(wěn)定、使用環(huán)境相對(duì)較差的場(chǎng)合，宜選用整體式plc。對(duì)于較復(fù)雜的系統(tǒng)，可選用模塊式plc，以便于調(diào)整、擴(kuò)充以及快速方便地判斷與處理故障。
此外，對(duì)于一個(gè)單位而言，應(yīng)盡量使機(jī)型統(tǒng)一，以便于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管理、使用和維護(hù)。
（2）plc容量的選擇
plc容量包括輸入/輸出點(diǎn)數(shù)和用戶程序存儲(chǔ)器兩個(gè)方面。
①輸入/輸出點(diǎn)數(shù)（i/o點(diǎn)數(shù)）的估算
根據(jù)被控對(duì)象的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的總點(diǎn)數(shù)，再考慮15%～20%的備用量，以便以后的調(diào)整和擴(kuò)充。
②用戶程序存儲(chǔ)器容量的估算
用戶程序存儲(chǔ)器容量與許多因素有關(guān)，如i/o點(diǎn)數(shù)、運(yùn)算處理量以及程序的結(jié)構(gòu)等，因此不可能預(yù)先準(zhǔn)確地計(jì)算出程序容量，只能作粗略的估算。一些項(xiàng)目所占的存儲(chǔ)空間可參照以下原則進(jìn)行估算：
l開關(guān)量輸入：5～10步/點(diǎn)。
l開關(guān)量輸出：3～5步/點(diǎn)。
l模擬量輸入/輸出：50～80步/通道。
l定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：3～5步/個(gè)。
l通信接口：200步/個(gè)。
l數(shù)據(jù)處理：5～10步/量。
最后按所估算的總步數(shù)再加100%的備用量。需要注意的是，有些小型plc的用戶程序存儲(chǔ)器容量是固定的，在選擇時(shí)要充分考慮。
3.開關(guān)量輸入/輸出模塊的選擇
不同的開關(guān)量i/o模塊的電路組成不同，開關(guān)量i/o模塊的選擇主要是根據(jù)點(diǎn)數(shù)、電路結(jié)構(gòu)、電壓形式、電壓范圍等方面。
（1）開關(guān)量輸入模塊的選擇
plc的開關(guān)量輸入模塊用來檢測(cè)來自現(xiàn)場(chǎng)（如按鍵、行程開關(guān)、接近開關(guān)等）的通斷信號(hào)，并經(jīng)過隔離、放大、整形和電平轉(zhuǎn)換等處理后輸入plc內(nèi)部。對(duì)開關(guān)量輸入模塊，主要是選擇點(diǎn)數(shù)和輸入電壓形式，輸入電壓一般有24v的直流和110v或220v的交流。
選擇輸入模塊應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
①輸入模塊的工作電壓應(yīng)盡量與現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備（有源的）的一致，可以省掉轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。
②高密度的輸入模塊，如32點(diǎn)或64點(diǎn)，因受工作電壓、工作電流和環(huán)境溫度的限制，一般可同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不得超過該模塊輸入點(diǎn)數(shù)的60%。
（2）開關(guān)量輸出模塊的選擇
plc的輸出模塊是將其內(nèi)部的低電平控制信號(hào)經(jīng)隔離后轉(zhuǎn)換成外部所需電平的輸出信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。對(duì)開關(guān)量輸出模塊，主要是選擇其點(diǎn)數(shù)和輸出方式。輸出方式有晶體管、晶閘管和繼電器三種。選擇輸出模塊應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
①輸出方式
繼電器輸出可任意使用交流或直流工作電源，價(jià)格相對(duì)便宜，輸出電壓適應(yīng)范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力強(qiáng)，具有隔離作用。但繼電器觸點(diǎn)的響應(yīng)速度慢，工作壽命較短，適用于動(dòng)作不頻繁的交直流負(fù)載。在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，最高通斷頻率一般不超過1hz。晶體管（使用直流工作電源）和晶閘管輸出（使用交流工作電源）都為無觸點(diǎn)開關(guān)輸出，適用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)作頻繁的負(fù)載。
②輸出電壓（電流）
輸出模塊的輸出電壓（電流）必須大于負(fù)載電壓（電流）的額定值，并留有足夠的余量。
③允許同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)
在選用輸出模塊時(shí)，不但要看一個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力，還要保證不超過公共端（com端）所允許的電流值。
4.模擬量輸入/輸出模塊的選擇
（1）模擬量輸入模塊的選擇
對(duì)于輸入連續(xù)變化的電壓、壓力、流量等物理量，需采用相應(yīng)的傳感器或變送器轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)的電壓或電流信號(hào)，然后使用模擬量模塊輸入到plc中。模擬量輸入模塊按通道分為2、4、8通道等規(guī)格，按電路結(jié)構(gòu)分為普通型和隔離型，按輸入信號(hào)形式和范圍有－10～10v、0～5v、1～5v、0～20ma、4～20ma等。有的模塊可設(shè)定電流還是電壓，甚至可設(shè)定范圍，選擇輸入模塊應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
①輸入方式及范圍
根據(jù)輸入設(shè)備來選擇電壓型或電流型輸入方式的模塊，電流型的抗干擾能力高于電壓型。模塊的輸入有效范圍越大，其適應(yīng)性較強(qiáng)，但絕對(duì)誤差偏大。
②轉(zhuǎn)換分辨率
分辨率與系統(tǒng)的控制精度有關(guān)。一般的模塊有12位以上的分辨率，可以滿足一般的要求。如輸入信號(hào)范圍可變，可分辨的最小的信號(hào)單位也隨之變化。
③轉(zhuǎn)換速度
轉(zhuǎn)換速度與控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性有關(guān)。模塊的轉(zhuǎn)換速度有快有慢，考慮到濾波效果，模擬量輸入模塊大多采用積分式a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度一般為毫秒級(jí)。通常各通道的轉(zhuǎn)換以串行方式進(jìn)行，如因轉(zhuǎn)換速度而影響控制性能時(shí)，可選用專用的高速模塊。
（2）模擬量輸出模塊的選擇
模擬量輸出模塊能輸出被控設(shè)備所需的規(guī)定信號(hào)范圍的電壓或電流，如0～5v、－10～10v或4～20ma等。模擬量輸出模塊的選擇考慮與模擬量輸入模塊相同。為了滿足特殊的需求，可選用相應(yīng)的專用智能模塊。
此外還要考慮與plc的i/o口相連的輸入/輸出設(shè)備的選型，包括輸入設(shè)備（如按鈕、行程開關(guān)、傳感器、變送器等）和輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、調(diào)節(jié)閥、信號(hào)指示燈等）的選型，以及由輸出設(shè)備驅(qū)動(dòng)的各種控制對(duì)象（如電動(dòng)機(jī)、電磁閥等）的選型，選擇此類設(shè)備要考慮備件的通用性。
以上簡(jiǎn)要地介紹了plc選型的一般依據(jù)和通常需考慮的幾個(gè)因素，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要綜合考慮，選擇性能價(jià)格比合適的產(chǎn)品，完全滿足被控對(duì)象的控制要求，充分發(fā)揮plc的功能，并兼顧到系統(tǒng)的擴(kuò)充性。
三、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
plc應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，硬件設(shè)計(jì)一般相對(duì)比較簡(jiǎn)單，通常在輸入/輸出選型后將外部設(shè)備連接到plc即可。軟件設(shè)計(jì)通常是用梯形圖將控制任務(wù)描述出來，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。所以畫梯形圖（即軟件設(shè)計(jì)）是plc應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)。