PLC控制系统的设计及调试

张晓君

摘 要：可编程序控制器伴随计算机技术而迅速发展、广泛普及和应用。PLC工业控制系统为各式各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用，其主要原因在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案。根据PLC自动控制及其逻辑控制的特点，为了更好地运用可编程序控制器，本文探讨对PLC控制系统的设计方法及调试等方面问题。

关键词：PLC 硬件设计 软件设计 脱硫控制系统

PLC控制系统的设计基本是围绕着“三个做”的基本问题展开的，即做什么、怎么做和用什么做。

“做什么”就是根据控制对象的工艺特点和控制要求，明确系统所要完成的工作和必须具备的功能。PLC控制系统的功能可以包括控制功能、通讯功能、信息处理功能和管理功能。“怎么做”就是对系统进行分析，拟定出实现系统功能的基本方法和技术条件，并对其进行可行性论证。“用什么做”就是确定PLC的机型和配置。

通常的设计应先拟定设计任务书，即根据所设计系统的工艺特点和控制要求，拟定设计的技术条件，并以设计任务书的形式确定下来，然后再进行具体设计。系统设计的任务主要有系统硬件设计和系统软件设计两部分。硬件设计和软件设计应统筹进行，而不应完全分开。

一、系统硬件设计

其内容主要有：选定PLC型号，确定外部设备及其安全保护措施，设计外设连接口或连接装置，绘制PLC输入/输出端子的接线图，确定系统的安装方法和安装工艺。

PLC的选型首先必须考虑的是功能应该满足控制对象的要求，如PLC的运算能力与精度、定时/计数器的数量和定时/计数范围、用户存储器的容量、I/O形式和点数及其响应时间、是否需要智能模块、是否需要在线编程、是否需要具备联网通讯功能、安装位置对PLC结构形式的要求等，此外还需考虑可靠、经济、美观等方面的因素。

确定外设主要应考虑：输入信号的种类和数量，传感器的性能及其抗干扰能力，输出控制对象的种类、数量和容量，如何控制等。同时还应考虑当系统发生故障时，可以对系统采取的安全保护措施等，例如：是否需要配设自动/手动切换功能，是否需要联锁、互锁保护以及短路、断路和失压保护等。

机型选好且外设也已确定后，即可确定PLC的I/O通道号，并绘制PLC输入、输出端子的接线图或分配表以及整个系统的电气原理图。只有输入、输出通道确定以后，才能对PLC进行编程。

最后，我们根据现场条件对安装方法和工艺进行设计，确定安装方案并绘制安装接线图。硬件系统的初步设计完成后，还应对整个设计进行审核，及时发现修正不足之处或错误。审核时应该与软件设计一起进行综合审核，以减少安装调试阶段的工作量。只有安装调试成功后，整个PLC系统的设计任务才算完成。

二、系统软件设计

PLC控制系统软件设计的主要表现形式是采用PLC的指令系统编制用户程序或应用软件。软件设计是根据控制对象和生产工艺的要求以及系统总体设计中拟定的系统功能，为应用软件的编程提出明确的目的、依据、要求和指标，包括确定软件的功能、确定I/O信息的分析方法和数据结构、确定程序结构、提出程序编制的规格和要求。

PLC软件设计采用“自顶而下”设计法，即从总的目标出发向下逐步详细解释每个细节的过程。当所有指令都能以所用计算机使用的或程序设计所采用的编程语言表达时，这种规格说明的逐步分解过程也就结束了。任务分解时，数据也应同时进行分解和结构化。

软件的功能是整个系统功能的一部分，在拟定设计任务书时所确定的系统功能既包括硬件功能，也包括软件功能。因此确定软件功能也是根据控制对象和生产工艺的要求以及所选型号PLC的编程语言来进行的。在分析软件功能时，通常应画出工作循环图表，必要时还应画出详细的状态流程图：软件的总体功能确定后，就可按照“自顶而下”法，初步将总体功能分解为信息和数据结构、程序结构等方面的功能。然后继续逐步细化，最终到能够用程序语言表达出来为止。

有了软件设计的规格和要求后，就能进行用户程序的编写工作。采用PLC的编程语言（指令系统）编写用户程序有多种方法，大致分為经验法和逻辑代数法两类。

PLC逻辑控制部分的程序一般可用类似继电―接触器（有触点）控制系统的梯形图表示。在采用经验法编程时，应根据编程人员的经验编制“梯形图程序”当设计的程序达不到要求时常常采用增加指令的方法来解决。直接将继电-接触器控制电路图翻译成梯形图程序也属于经验编程法。但经验编程法没有定式可循，很难得到性能较好的梯形图程序。

逻辑代数法是以逻辑代数为工具的一种编程方法，编程元件的输出（通电、断电）状态被当成是以控制元件触点的闭合、断开（或控制条件的满足和不满足）为逻辑变量的逻辑函数。通过化简求解逻辑函数，可以编制出较为简捷的梯形图程序。这是一种较为可靠实用的编程方法，其编程步骤为：根据设计任务书确定的程序流程图画出相应部分程序输出元件和控制元件的状态波形图；分析波形图，列出对应输出元件的逻辑函数表达式；对表达式进行逻辑化简；用PLC的编程语言写出对应的程序。

三、PLC控制系统的调试

PLC系统的调试可分为基本调试、程序调试和系统整体调试三部分。

基本调试主要是对硬件进行的，是为了检查设计安装的效果。其主要内容有：检验基本环境的条件，调试各个单元的电源，系统的外部接线等。

程序调试通常分为单元调试、总体实验室联合调试和现场调试三部分。现场调试应结合系统整体调试进行。单元调试是对组成系统的各个单元进行单独的调试，当各个单元调试通过后，再在实验室的条件下（不与实际设备相连接）进行总体实验室联调。对于简单的系统，实验室联调也可在生产现场进行。联调所需的输入信号可通过模拟方法解决，但一定注意不能与实际设备连接。

系统整体调试包括准备阶段、空载调试阶段和负载调试阶段。准备阶段需做好调试的各项准备工作。空载调试开始时，首先是主回路不通电的调试，然后进行主回路单机空载调试，最后是空载联合调试。负载调试阶段还可分为半载调试和满载调试等。

调试是一项重要的工作，其基本原则是：先简单后复杂，先软件后硬件，先单机后整体，先空载后负载。调试期间注意随时拷贝程序、随时修改图样、随时完善系统。

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