PLC控制系統(tǒng)的硬件設計.ppt

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PLC控制系統(tǒng)的硬件設計,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,設計以PLC為核心的控制系統(tǒng)，要考慮：1、設備的正常運行；2、合理、有效的資金投入；3、在滿足可靠性和經濟性的前提下，具有一定的先進性，能根據生產工藝的變化擴展部分功能。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設計步驟,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/輸出設備及信號特點4、選擇可編程控制器5、分配輸入/輸出點地址6、設計電氣線路7、設計控制程序8、調試（包括模擬調試和聯機調試）9、技術文件整理,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設計步驟,1）分析被控對象并提出控制要求詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、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，擬定設計任務書。2）確定輸入／輸出設備根據系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設備（如：按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等）和輸出設備（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有關的輸入/輸出設備，以確定PLC的I/O點數。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設計步驟,3）選擇PLCPLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇。4）分配I/O點并設計PLC外圍硬件線路分配I/O點：畫出PLC的I/O點與輸入/輸出設備的連接圖或對應關系表。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確定。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設計步驟,5）程序設計程序設計：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）保護和連鎖程序。模擬調試：根據產生現場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。6）硬件實施設計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖；根據施工圖紙進行現場接線，并進行詳細檢查。由于程序設計與硬件實施可同時進行，因此PLC控制系統(tǒng)的設計周期可大大縮短。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,一、控制系統(tǒng)的設計步驟,7）聯機調試聯機調試是將通過模擬調試的程序進一步進行在線統(tǒng)調。聯機調試過程應循序漸進，從PLC只連接輸入設備、再連接輸出設備、再接上實際負載等逐步進行調試。如不符合要求，則對硬件和程序作調整。通常只需修改部份程序即可。全部調試完畢后，交付試運行。經過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改，應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。8）整理和編寫技術文件技術文件包括設計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,二、可編程控制器的選擇,隨著PLC技術的發(fā)展，PLC產品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統(tǒng)、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術經濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,1、可編程控制器的機型選擇,PLC機型選擇的基本原則是在滿足功能要求及保證可靠、維護方便的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：1）合理的結構型式PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。2）安裝方式的選擇安裝方式有集中式、遠程I／O式以及多臺PLC聯網的分布式。3）相應的功能要求4）響應速度要求5）系統(tǒng)可靠性的要求對可靠性要求很高的系統(tǒng)，應考慮是否采用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)6）機型盡量統(tǒng)一便于備品備件的采購和管理；有利于技術力量的培訓和技術水平的提高，外部設備通用，資源可共享，易于聯網通信。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,2、指令系統(tǒng)的選擇,1）總指令數2）指令種類3）表達方式4）編程工具,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關量輸入模塊的選擇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。選擇時主要根據現場輸入信號和周圍環(huán)境因素等。直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入設備連接；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。選擇時主要根據現場輸入設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輸入模塊最遠不得超過１０米。距離較遠的應選用輸入電壓等級較高的。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關量輸入模塊的選擇2）輸入接線方式主要有匯點式和分組式兩種接線方式,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關量輸入模塊的選擇3）注意同時接通的輸入點數量對于選用高密度的輸入模塊(如30點、40點等)，應考慮該模塊同時接通的點數一般不要超過輸入點數的60％。4）輸入門檻電平門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，具體可參閱PLC說明書。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關量輸出模塊的選擇1）輸出方式開關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：價格便宜，可以驅動交、直流負載，適用的電壓大小范圍較寬、導通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但動作速度較慢（驅動感性負載時，觸點動作頻率不超過1HZ）、壽命較短、可靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。對于頻繁通斷的負載，應該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點元件。但晶閘管輸出只能用于交流負載，而晶體管輸出只能用于直流負載。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關量輸出模塊的選擇2）輸出接線方式開關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)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,開關量輸出模塊的選擇3）驅動能力應根據實際輸出設備的電流大小來選擇輸出模塊的輸出電流。如果實際輸出設備的電流較大，輸出模塊無法直接驅動，可增加中間放大環(huán)節(jié)。4）注意同時接通的輸出點數量同時接通輸出設備的累計電流值必須小于公共端所允許通過的電流值。一般來講，同時接通的點數不要超出同一公共端輸出點數的60％5）輸出的最大電流與負載類型、環(huán)境溫度等因素有關與不同的負載類型密切相關，特別是輸出的最大電流。晶閘管的最大輸出電流隨環(huán)境溫度升高會降低，在實際使用中也應注意。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和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）模塊是將現場由傳感器檢測而產生的連續(xù)的模擬量信號轉換成PLC內部可接受的數字量；模擬量輸出(D/A)模塊是將PLC內部的數字量轉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，可根據實際需要選用，同時還應考慮其分辨率和轉換精度等因素。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)的設計步驟和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，如高速計數器、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)的設計步驟和PLC選型,3、I/O模塊的選擇,電源模塊及其它外設的選擇1）電源模塊的選擇電源模塊選擇僅對于模塊式結構的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)的設計步驟和PLC選型,4、PLC容量的選擇,I／O點數的選擇（1）在滿足控制要求的前提下力爭使用的I／O點最少。（2）需要加上10％~15％的裕量。存儲容量的選擇存儲容量大小不僅與PLC系統(tǒng)的功能有關，還與功能實現的方法、程序編寫水平有關。一個有經驗的程序員和一個初學者，在完成同一復雜功能時，其程序量可能相差25％之多。在I／O點數確定的基礎上，按下式估算存儲容量后，再加20％~30％的裕量。存儲容量(字節(jié))＝開關量I/O點數10＋模擬量I/O通道數100存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。,5.1控制系統(tǒng)的設計步驟和PLC選型,5、其他的選擇,（1）性價比（2）系列產品（3）售后服務,5.2系統(tǒng)硬件的設計方案,1、系統(tǒng)設計的總體方案,控制系統(tǒng)的硬件設計、機型的性能指標和各種功能模塊的選擇對于控制系統(tǒng)的設計是非常重要的問題。,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)的運行方式四種：自動、半自動、單步、手動方式。,3）系統(tǒng)的停止方式正常停止、暫時停止、緊急停止三種。,5.2系統(tǒng)硬件的設計方案,2、系統(tǒng)硬件設計依據,系統(tǒng)硬件設計必須根據控制對象的要求決定，包括控制對象的工藝要求、設備狀況、控制功能、I/O點數和種類，以構成比較先進的控制系統(tǒng)。,5.2系統(tǒng)硬件的設計方案,3、系統(tǒng)硬件設計文件,1）系統(tǒng)硬件配置圖系統(tǒng)硬件配置圖完整地給出整個系統(tǒng)硬件組成，包括：系統(tǒng)構成級別、系統(tǒng)聯網情況、網上PLC站數、每個PLC站上CPU單元和擴展單元構成情況、每個PLC中各模塊構成情況。2）模塊統(tǒng)計表便于了解整個系統(tǒng)硬件設備狀況和硬件設備投資計算，包括：模塊名稱、模塊類型、模塊訂貨號、所需模塊個數等。3）I/O地址分配表4）I/O硬件接線圖,5.3PLC輸入/輸出電路設計,1、輸入電路的設計,1）根據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）減少輸入點的方法PLC在實際應用中常碰到這樣兩個問題：（1）PLC的I/O點數不夠，需要擴展，然而增加I/O點數將提高成本；（2）是已選定的PLC可擴展的I/O點數有限，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點數，盡量減少所需的I/O點數是很有意義的。,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸入點數方法,分組輸入,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸入點數方法,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）應保證輸入信號的寬度要大于Y0、Y1、Y2輪流導通一遍的時間,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸入點數方法,組合輸入對于不會同時接通的輸入信號，可采用組合編碼的方式輸入。,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸入點數方法,輸入設備多功能化例如,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸入點數方法,合并輸入將某些功能相同的開關量輸入設備合并輸入。如果是幾個常閉觸點，則串聯輸入；如果是幾個常開觸點，則并聯輸入。某些輸入設備可不進PLC有些輸入信號功能簡單、涉及面很窄，有時就沒有必要作為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/輸出電路設計,2、輸出電路的設計,1）根據負載類型確定輸出方法2）輸出負載的接線方式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）輸出電路的保護在輸出負載回路加裝熔斷器，進行短路保護。5）減少輸出點的方法,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸出點數方法,分組輸出當兩組輸出設備或負載不會同時工作，可通過外部轉換開關或通過受PLC控制的電器觸點進行切換，所以PLC的每個輸出點可以控制兩個不同時工作的負載。,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸出點數方法,矩陣輸出注意：采用矩陣輸出時，必須要將同一時間段接通的負載安排在同一行或同一列中，否則無法控制。,5.3PLC輸入/輸出電路設計,減少輸出點數方法,并聯輸出注意PLC輸出點同時驅動多個負載時，應考慮PLC輸出點的驅動能力是否足夠。輸出設備多功能化利用PLC的邏輯處理功能，一個輸出設備可實現多種用途。某些輸出設備可不進PLC系統(tǒng)中某些相對獨立、比較簡單的控制部分，可直接采用PLC外部硬件電路實現控制。,5.3PLC輸入/輸出電路設計,注意的問題,以上一些常用的減少I/0點數的措施，僅供參考，實際應用中應該根據具體情況，靈活使用。同時應該注意不要過份去減少PLC的I/0點數，而使外部附加電路變得復雜，從而影響系統(tǒng)的可靠性。,5.4系統(tǒng)供電及接地設計,一、系統(tǒng)供電設計,系統(tǒng)供電設計是指PLC所需電源系統(tǒng)的設計，包括供電系統(tǒng)的一般性保護措施、PLC電源模塊的選擇和典型供電系統(tǒng)的設計。,1、供電系統(tǒng)保護措施PLC一般使用工頻電，電網的沖擊、頻率波動直接影響到實時控制系統(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、晶體管開關電源等。,5.4系統(tǒng)供電及接地設計,一、系統(tǒng)供電設計,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、擴展單元的電源等問題。,3、供電系統(tǒng)的設計典型的動力部分、PLC供電及I/O的電源要分別供電。,5.4系統(tǒng)供電及接地設計,二、接地設計,1、接地的要求（1）接地電阻要在要求的范圍內。（2）要保證足夠的機械強度。（3）要進行防腐處理。（4）PLC控制系統(tǒng)要單獨設計接地。,2、接地的種類大致有六種地線：數字地、模擬地、信號地、交流地、直流地、屏蔽地。,5.4系統(tǒng)供電及接地設計,3、接地的處理方法（1）一般情況，高頻電路應就近多點接地，低頻電路應一點接地。（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一般最好單獨接地，也可以采用公共接地，但禁止使用串聯接地方式。PLC的接地線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地電阻要小于4Ω，接地線的截面應大于２mm2。,