PLC设计的基本步骤和选型

随着信息自动化的发展，自动化工程师越来成为一个热门职业。自动化工程师主要负责了解客户需求，编写自动化控制项目方案书、负责PLC编程、组态软件编写、组织自动化工程施工，负责自动化控制项目技术指导要求，并遵循软件开发流程，进行独立的嵌入式软件模块的设计和实现，和其它部门配合共同完成产品的设计、开发和测试。

我们学PLC有时候是为了做项目，做项目需要做些什么步骤呢，学习什么知识点，看看老工程师怎么告诉你……

一、工作内容

1、承担自控技术和产品的研发和实施；

2、编制最优化控制计算机软件；

3、参与编制项目的技术方案、项目建议书和可行性研究报告；

4、为项目的建设、安装、调试、运行提供技术支持。

二、做一个PLC项目的大体流程如下

1、熟悉好现场环境和工艺流程

2、设计出安全可靠的控制方案

3、画出电气控制原理图

4、确定好材料，制作材料物资明细表

5、编写PLC程序，组态监控画面，设计PLC 机柜接线图，并同时制作PLC机柜

6、沟通甲方，现场施工

7、现场调试，并完善工艺控制方案

8、组织甲方验收项目

三、PLC 设计原则

1、最大限度的满足被控对象提出的各项性能指标

为明确控制任务和控制系统应有的功能，设计人员在进行设计前，就应深入现场进行调查研究，搜集资料，与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，以便协同解决在设计过程中出现的各种问题。

2、确保控制系统的安全可靠

电气控制系统的可靠性就是生命线，不能安全可靠工作的电气控制系统，是不可能长期投入生产运行的。尤其是在以提高产品数量和质量，保证生产安全为目标的应用场合，必须将可靠性放在首位，甚至构成冗余控制系统。

3、力求控制系统简单

在能够满足控制要求和保证可靠工作的前提下，应力求控制系统构成简单。只有构成简单的控制系统才具有经济性、实用性的特点，才能做到使用方便和维护容易。

4、留有适当的裕量

考虑到生产规模的扩大，生产工艺的改进，控制任务的增加，以及维护方便的需要，要充分利用PLC易于扩充的特点，在选择PLC的容量(包括存储器的容量、机架插槽数、Ｉ／Ｏ点的数量等)时，应留有适当的裕量。

四、PLC设计的基本步骤

在进行PLC控制系统设计，尽管有着不同的被控对象和设计任务，设计内容可能涉及诸多方面，又需要和大量的现场输入、输出设备相连接，但是基本内容应包括以下几个方面：

1、明确设计任务和技术条件

设计任务和技术条件一般以设计任务书的方式给出，在设计任务书中，应明确各项设计要求、约束条件及控制方式。因此，设计任务书是整个系统设计的依据。

2、确定用户输入设备和输出设备

用户的输入、输出设备是构成PLC控制系统中，除了作为控制器的PLC本身以外的硬件设备，是进行机型选择和软件设计的依据。因此，要明确输入设备的类型(如控制按钮、行程开关、操作开关、检测元件、保护器件、传感器等)和数量，输出设备的类型(如信号灯、接触器、继电器等执行元件)和数量，以及由输出设备驱动的负载(如电动机、电磁阀等)。并进行分类、汇总。

3、选择PLC的机型

PLC是整个控制系统的核心部件，正确、合理的选择机型对于保证整个系统的技术经济性能指标起着重要的作用。PLC的选型应包括机型的选择、存储器容量的选择、Ｉ／Ｏ模板的选择等。

4、分配Ｉ／Ｏ地址，绘制Ｉ／Ｏ接线图

通过对用户输入、输出设备的分析、分类和整理，进行相应的Ｉ／Ｏ地址分配，并据此绘制Ｉ／Ｏ接线图。至此，基本完成了PLC控制系统的硬件设计。

5、设计控制程序

根据控制任务和所选择的机型以及Ｉ／Ｏ接线图，一般采用梯形图语言设计系统的控制程序。设计控制程序就是设计应用软件，这对于保证整个系统安全可靠的运行至关重要，必须经过反复调试，使之满足控制要求。

6、必要时设计非标准设备

在进行设备选型时，应尽量选用标准设备。如无标准设备可选，还可能需要设计操作台、控制柜、模拟显示屏等非标准设备。

7、编制控制系统的技术文件

在设计任务完成后，要编制系统的技术文件。技术文件一般应包括设计说明书、使用说明书、Ｉ／Ｏ接线图和控制程序(如梯形图等)。

五、PLC的选型

在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

1、输入输出（I/O）点数的估算

I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

2、存储器容量的估算

存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

3、控制功能的选择

该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

(a)运算功能

简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。

(b)控制功能

控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

(c)通信功能

大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。

PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。

PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：

1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；

2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；

3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；

4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。

为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。

(d)编程功能

离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。

在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。

(e)诊断功能

PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。

(f)处理速度

PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。

4、机型的选择

(a)PLC的类型

PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。

整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。

(b)输入输出模块的选择

输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。

可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。

(c)电源的选择

PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。

(d)存储器的选择

由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。

(e)冗余功能的选择

控制单元的冗余

(1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。

(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。

I/O接口单元的冗余

(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。

(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。

（3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。

(f)经济性的考虑

选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。

很多电气的新手在做完电气控制柜以及PLC程序等设计环节后，不清楚调试应如何开始？或者一些人因为不适当的调试方法导致了PLC烧毁等等问题，那么设计完的电气系统应该如何调试？可依照以下七步。

【延伸阅读】新手PLC项目调试七步法！

一、按照图纸检查回路（未送电状态下）

一般PLC系统的图纸包含柜内图纸和柜外图纸两部分；柜内图纸指柜子内部的接线图；柜外图纸是所有接出电气柜的接线图。这一部分需要检查的是：

1、图纸设计是否合理，包括各种元器件的容量等等。

2、根据图纸检查元器件是否严格按照图纸连接。

在这一过程中，最需要注意的地方就是检查电源

1、确保回路没有短路。

2、确保强弱电没有混合到一起

因为PLC电源为24v，一旦因为接线错误导致220V接进PLC里，很容易将PLC或者拓展模块烧毁。

二、检查PLC外部回路，也就是俗称的“打点”

电源确认完毕后送电，测试输入输出点，这就是俗称的“打点”，测试IO点需要挨个测试，包括操作按钮，急停按钮，操作指示灯以及气缸及其限位开关等等，具体方法是一人在现场侧操作按钮等，另一人在PLC测监控输入输出信号；对于大型系统应该建立测试表，即测试后做好标记。如果发现在施工过程中有接线错误的地方需要立即处理。

这一步应该注意的是需要将程序备份后清空PLC里面的程序或者将程序禁用，避免因测试导致设备的动作。

三、检查机械结构并测试电机类负载

这一步需要检查机械结构是否紧固等等，电机类负载是否做好相应保护，避免因意外导致的事故，检查完毕后需要手动去测试设备运行，如正反转电机类，需要测试线路是否完好并带电试车，变频器类设置相应参数并进行电机优化，静态识别或者动态识别等。这里需要注意的是对于一些特殊负载，比如说垂直类上下移动的负载需要由专业人员进行，以免因控制不当导致测试事故。

四、调试手动模式/半自动模式以及相关逻辑关系

IO点和负载侧都测试以后，接下来要进行的就是手动模式下的调试。这里的手动模式也可以叫做半自动模式，不是用手直接去按动电磁阀或接触器等，而是指通过按钮或者HMI的按钮等去驱动设备，是与自动状态对应的。

手动模式的测试可以将自动模式按照人的意愿分解，方便测试程序。

这一环节最重要的是要测试安全功能，即在设备运行状态下测试急停，安全光栅等等的安全功能是否起到相应作用。

五、根据生产工艺调试自动模式

在完成半自动调试后，可进一步调试自动工作。这一环节是最重要的，需要根据生产工艺测试各种连锁，包括逻辑连锁，安全连锁等，而且要多测试几个工作循环，以确保系统能正确无误地连续工作。

六、特殊工艺的测试

PLC系统里除了逻辑控制，还有很多拓展出来的功能，比如说PID控制等，当这些逻辑调试基本完成后，可着手调试模拟量、脉冲量控制。

最主要的是选定合适控制参数。一般讲，这个过程是比较长的。要耐心调，参数也要作多种选择，再从中选出最优者。有的PLC，它的PID参数可通过自整定获得。但这个自整定过程，也是需要相当的时间才能完成的。

七、完成上述所有的步骤

整个调试基本算是完成了，接下来就到了预生产的步骤了，预生产是生产前的工作检测，在该阶段可以配合生产进行一些特殊的测试，比如说生产节奏是否满足，带载情况下安全功能还能否起作用等等，一般连续生产一定时间后就可以交工了。

新手尤其需要注意电源，记得我在多年前调试第一个项目的时候，因为施工单位将大皮带的拉绳开关的220V触点和24V触点接错了（皮带的拉绳开关为安全装置，两组触点，一组为220V断开控制回路，另一组为24V进入PLC），导致烧毁了一个数字量输入模板，后来就长记性了，再调试的时候一定分清220V和24V，就再也没出现过问题。

审核编辑：汤梓红