论基于PLC的自动装置的控制系统设计

叶春锋

（深圳市创精锐电子有限公司 广东 深圳 518000）

0 引言

随着社会的发展，传统的工业模式已与当前时代的需求不符，亟需出现一个符合时代的自动化运营模式。而作为衡量一个国家生产能力以及发展水平的重要指标，工业自动化对于国民经济的提高具有重要意义，因此，人们对设备重新进行PLC技术设计，从而实现对设备的有效控制，基于PLC，可以大大提高控制系统的自动化程度，对于工业自动化运营模式的发展也具有极大的促进作用。

1 PLC自动化控制系统概述

PLC技术是可编程控制器的简称，其可以根据用户需求编制一定的程序，基于软件控制按照程序设定对设备进行自动化控制，从本质上来说，其可以被称为一种应用在特定的工业生产环境中的计算机技术，从而有效控制设备的稳定工作，尤其是在相对恶劣的环境下。相比于传统控制系统，PLC系统只需要在系统的输入和输出端口接线即可，中间通过软件模块相连，可以极大地减少线束的数量。此外，该系统还具有检修方便、抗干扰能力强以及扩展简单等优点，同时其在运行过程中所涉及的一些信息的存储和处理等都是按照既定的程序进行，不允许进行调整，保证运行的稳定性[1]。

PLC系统主要由电源、处理器、储存器、输入输出端口、通信模块以及功能模块6部分组成，每个部分之间环环相扣，要想保证系统正常运行，就需要每个部分均平稳运行。电源为系统的能量来源；处理器则为系统的核心，负责分析系统所收集的数据，并输出关键信息，其运行快慢直接决定了系统运行的速度；储存器的作用是储存程序及数据，还可以对程序进行编辑；端口则承接着系统前后端的连接；通信模块承担着数据传输及处理的功能。通过合理的搭配，配置一个科学的PLC系统，可以最大程度地减少员工数量及降低工作强度的同时提高生产效率，对于现代工业的发展具有重要意义。

2 基于PLC的自动装置的控制系统设计原则

对于PLC系统来说，每一次的设计就是为了满足用户的需求，从而提高自动化控制水平，提高生产效率，为了达到这一需求，其设计必须遵循以下5个原则。

2.1 符合控制需求

PLC自动控制系统的设计目的就是为了实现对对象的完全控制，要求控制对象的动作完全正确，保证其高质量地完成工作任务。因此，在进行PLC自动控制系统的设计前，相关人员必须先对现场的需求进行调研，对控制过程及对象的情况进行深入了解，包括工作原理、动作过程、执行单元、输出参数等，只有在全面了解这些参数后，才能更好地设计出符合现场需求的PLC。在调研的基础上，设计人员需要先构建出一个系统框架，然后组织机械、电气、液压等工程师对系统的细节进行完善，最后将方案给到用户，用户结合现场需求对方案进行进一步的优化。在听取多方意见的基础上，才能设计出最合理、最符合用户控制需求的系统[2]。

2.2 保证系统的安全可靠

在完成PLC自动控制系统技术层面的设计后，需要对系统的安全性及可靠程度进行进一步的确认，以确保系统能够长时间稳定运行。对于安全性设计，包含了人员安全以及设备安全两方面。在设计时，需要充分分析可能会对人员安全造成威胁的部位，通过“断电保护”“紧急停止”“互锁“等措施来规避风险，保证操作者的安全。对于设备安全则体现在对设备的过载保护方面，保证设备在合理的参数下运行。可靠性主要体现在程序的稳定性方面，一方面可以通过多次恶意试错，找出系统漏洞进行优化；另一方面可以构建一个子系统，当主系统出现异常时可以调用子系统来完成程序的运行，进一步提高系统的可靠性。

2.3 简化控制系统

在满足用户需求、安全可靠性要求的前提下，PLC自动控制系统的设计需尽可能的简单，系统的复杂程度越低，一方面可以减少元器件及I/O点数的数量，从而降低系统构建成本，另一方面也可以进一步提高系统的稳定性。简化系统的工作可以从操作、线路和程序等方面着手。操作层面首先是要基于人体工程学对操作按钮的位置进行优化，对数量进行精简，打造一个友好的人机交互界面，提高操作的顺畅性。线路层面则着重于控制元件及控制线的精简，提高系统可靠性的同时便于检修。程序层面则体现在触点及继电器数量的减少，减少程序的步数，提高PLC的循环速度及元件的响应速度[3]。

3 PLC自动控制系统的设计步骤

PLC自动控制系统的设计需要经过一系列的选型和调试，其具体步骤见图1。

（1）第1阶段可成为总体方案设计阶段，该阶段需要完成包括明确控制要求、计算I/O点数、PLC以及配套设备的选型这4个方面的工作。首先需要深入客户现场，了解用户需求，并记录各个执行单元所需的工作参数和动作过程；然后梳理调研的情况，确认输入信号以及输出信号的数量，并在此基础上再预留20%以上的接口，以便后续系统优化及更新的需求；基于I/O点数的数量要求，选择合适的PLC系统，选择的原则可以遵循优先考虑与用户现场相同的系统，而对于性能要求高的则选择欧美PLC，追求性价比则选择日本PLC；最后，选择合适的触摸屏、变频器、技术模块、特殊功能模块、传感器、电磁阀等设备，以匹配系统需求[4]。

（2）完成上述工作后，就已经搭建起了PLC自动控制系统的基本框架。随后，在基础框架的基础之上，需要做好I/O的地址分配，并依照分配方案绘制出I/O接线图，以便于后续的软件设计的现场作业。

（3）在接线图完成后，就进入安装环节。PLC自动控制系统包括了硬件和软件，硬件包括操作台、控制柜等，并按照接线图要求进行接线并布置元器件，接线时必须对强弱电进行区分和标记，以便于后续的维修。软件的设计需要满足用户的需求，并有较优的可读性和兼容性，便于系统各个模块的连接。在程序编写完成后，需要进行仿真调试，模拟实际的使用工况，确保所设计的软件能够满足需求。

（4）在系统完全组装完成后，则进入了系统的调试工序。在进行调试前，需要确认系统处于关闭状态，然后外接信号，观察输出端指示灯的变化，确保所有信号都是畅通的。在完成线路检测后，将系统开机，然后外接信号，观察输出端的信号情况。除此之外，还需要测试一些操作人员可能出现的误操作、停电、短路、过载等情况，确保系统的安全可靠，一旦发现一些不符合测试要求的点，立即进行系统优化。

（5）最后进行技术文件的编写，技术文件包括了I/O接线图、PLC系统程序、使用说明书等，然后随设备一起交付给客户。

有序地执行上述步骤，可以快速地设计出一套合适的PLC自动控制系统，达到事半功倍的效果，最大程度地提高工作效率。

4 PLC自动控制系统的设计技巧

4.1 编程技巧

4.1.1 布尔代数编程法

根据逻辑关系的不同，PLC控制电路可以分为时序电路和组合电路这两大类。而对于后者来说，其控制的结果只与输入的变量相关，因此可以基于布尔代数法计算得到。布尔代数编程法具有效率高、操作简单、方便快捷的特点，其可以在相对较短的时间内得出梯形图，且通常情况下，输出的结果能够一次试车成功，因此，避免了反复修改和调节的麻烦。此外，基于布尔代数分析输出的梯形图的逻辑相对清晰明了，极易理解，可以更快地设计出合适的PLC自动控制程序。布尔代数法编程的步骤见图2。

4.1.2 振荡电路的应用

当遇到需要电动机间歇性运行控制或定时正反转控制时，就需要使用具有相应频率的指示灯来对应控制。而此时采用定时器以及“起—保—停”电路的组合难以实现控制目标，此时，需要引入振荡电路才能够有效解决问题。对于振荡电路来说，应用最早且相对成熟的为工业洗衣机的控制。如A工业洗衣机，要求在启动按钮按下之后，进水阀会自动打开并加水，当水位到达设定值后则关闭阀门停止进水，然后波轮正反转交替旋转10次，每次持续20 s，然后洗衣机进行排水，且在60 s内排完，最后经过60 s的脱水甩干，最后指示灯亮起，系统自动停止运行。对于进水、出水、指示灯等的控制可以采用传统的定时器以及“起—保—停”电路的组合来实现，而正反转的间歇性控制则需要基于振荡电路实现。

4.1.3 比较指令的应用

比较指令可以理解为是一个用于判断指令条件满足与否的常开触点，当条件满足时，触点就会触发闭合动作，然后位于指令右侧的动作指令就会被激活。此外，比较指令还可以将一个定时器变成一组定时器使用，在定时器的某个部位加入指令，通过条件的变化，系统会自动选取一段位置的定时器的运转，最终形成n个定时器共同运转的情形。这一功能常被用于传送带的设计当中，一般来说，一个传送带系统的传送带数量都在3个以上，通过比较指令就可以直接基于一个定时器对多个传送带进行控制，且传送带越多，这种优势就越显著。例如在某选矿厂，仅仅采用4个定时器就控制了60多条传送带。

4.2 设计技巧

（1）对于PLC的触点来说，其具有极高的稳定性，可以进行重复多次的使用，因此基于复杂程序来减少触点的使用次数是多余，不必要的。

（2）在进行PLC设计时，因双继电器线圈输出（同一线圈在同一个程序中被重复使用两次）会导致误动作出现的概率提高，因此需要在程序中尽量避免该情况的出现。当出现必须使用双线圈输出时，可以通过复位或者置位的操作来解决这一问题。

（3）对于非关键设备的PLC设计，可以通过减少I/O点数来降低成本，其操作方法有二：其一是进行PLC的数字化编程，该方法难度较大；其二是将硬件上的触点进行串联处理，然后再将串联后的线路接入PLC的输入端，从而有效减少输入点数。

（4）在进行PLC自动控制系统的设计时，尽可能采用模块化的思想进行设计，以此在降低编程量和内存占有量的同时提高整个系统的稳定性。如可以将正反转的点动程序封装成一个模块，需要进行该操作时，PLC可以自动并重复调取模块。这一技巧在大型PLC自动控制系统的设计中极其适用。

5 PLC自动控制系统的优化设计

5.1 提高系统的抗干扰能力

PLC控制器在运行过程中会受到周边设备、环境以及电子信号等的干扰，为了提高系统的稳定性，就必须提高系统的抗干扰能力，可以从以下几个方面着手。

（1）降低电流及信号干扰：在系统电源处添加隔离变压器，同时进行接地处理，从而降低电流对系统的影响，同时，在变压器的前端可以安装一个滤波器，进一步将信号的干扰降低。

（2）抑制感性负载：将浪涌并联在感性负载的两端，可以将感性负载所产生的电弧进行充分抑制，以此表面电弧对系统的干扰以及损伤电子元件的情况。

（3）选择合适的接地方式：根据PLC自动控制系统的类型选择合适的接地方式，对于高频电路，适合采用一点接地，而低频电路则选择多点接地更为合适。通过接地方式的合理选择，可以有效降低电磁干扰以及电压冲击的情况。

（4）降低电容电感干扰：在设计PLC自动控制系统时，需要为直流和交流电路单独设计一个电缆线路，避免交叉，最大程度地降低电容电感对系统产生的影响。

5.2 完善系统的软件设计

软件设计是PLC自动控制系统构建过程的重要环节，因此在优化过程中必须给予足够的重视。软件设计的主要任务及时将用户的工序过程转化成控制程序，这是PLC系统功能得以实现的关键环节。从本质上来说，软件设计就是程序编写的过程。在进行设计时，必须先建立一个良好的设计理念并与相关人员进行沟通，形成一个易于理解、掌握和便于调试和维护的系统。一般来说，软件设计的思想为：根据用户需求的复杂以及难易程度的不同，将程序换分为基础和模块化程序两部分，前者是后者的一个子单元，也可以作为一个独立的程序对用户的过程进行控制，而后者则是多个基础程序组合而成的，能够完成整个工序过程的完整程序。基于子程序和总程序之间既独立又复合的关系，可以更好的优化系统设计[5]。

5.3 提高系统的安全可靠性

PLC自动控制系统的可靠性受到诸如自身设计缺陷、周围环境、电路等因素的干扰，因此，需要尽可能地规避这些问题。根据研究表明，一般的PLC自动控制系统的最佳工作环境为：温度：0～55 ℃，湿度：35%～80%，在这个条件区间内，PLC系统可以实现稳定高效率运行。而对于特殊的环境，如盐雾、高温高压等环境需要对控制柜、元器件等做特殊的保护处理。在系统优化设计时，严格执行双重互锁，切实保护系统执行元件的单独正常运转。此外，还需要做好停电保护，尤其是雷暴多发地区，停电情况尤其频繁，更需要考虑紧急停电的情况，设计按“失电夹紧”的原则进行，在电力恢复后，在确认设备无异常后需要对设备进行复位操作后才能进行进一步的操作。

6 结语

PLC自动控制系统对于我国工业的发展具有重要的意义，可以有效优化生产过程，提高生产效率，其设计过程必须予以重视。在设计时需要遵从符合性、安全可靠性以及简洁性的原则，按照设计步骤逐步进行设计，然后根据用户需求的改变以及技术的变更不断地进行优化，从而做到更高质量、更高效率的自动控制，为我国工业的腾飞助力。