可编程控制器(PLC)系统设计技巧

    1．控制系统I/O点数的估算    I/O点数是衡量PLC规模大小的主要指标，也是选择PLC的重要依据，只有正确估算出系统所需的I/O点数，才能正确选择PLC。通常，选择相应规模的PLC应留有15%～20%的裕量。    控制系统I/O点数是根据系统所用的输入／输出设备进行估算的，不同的输入、输出设备其需要的I/O点的类型是不同的。有的只需输入点，有的只需要输出点，还有的需要输入／输出点。另外，不同的输入／输出设备，所需的I/O点数也不相同。有的需要1个点，有的需要多个点。因此，要根据实际输入／输出设备统计或估算出控制系统的I/O点数，得出确切的输入点数和输出点数。    2．内存容量的估算    用户控制程序所需内存容量受内存利用率、开关量输入／输出点数、模拟量输入／输出点数、用户程序编写质量等因素影响。可编程控制器的内存容量通常可根据应用程序的大小，并留有15%左右的裕量来确定。用户编写的控制程序送入PLC主机后，以机器语言的形式存放在内存中。一个程序段中接点数与存放该程序段的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。同一个程序，不同系列的PLC所需要的内存数是不同的。内存利用率越高的PLC，所需要的内存容量越少，程序执行的时间也越短。    (1)开关量I/O点数所占的内存容量。PLC开关量I/O点数是计算内存容量的主要依据，一般PLC的开关量输入／输出点数的比值为614，在已知PLC的开关量输入／输出总点数n1时，其所需的内存容量M1可按式(10 -1)估算。    M1=(10～15)m    (10 -1)    (2)模拟量I/O点数所占的内存容量。具有模拟量控制要求的系统要用到数据的传送和运算的功能指令，这些指令内存利用率较低，因此所占用的内存较多。    当仅有模拟输入量时，所需的内存容量可按式（10 -2）估算。    M2=(100～200)n2    (10 - 2)式中，M2为模拟量I/O点数所占的内存容量；n2为模拟输入量的总点数。    当模拟量输入、输出同时存在时，所需的内存容量可按式(10 -3)估算。    M3=(200～250)n3    (10 -3)式中，M3为模拟量I/O总点数所占的内存容量；n3为模拟量输入、输出的总点数。    (3)程序编写的质量。设计人员别写程序的思路表现为程序质量的优劣，这对程序的长短和所占内存容量有重要影响，程序编写质量所增加的内存容量可按总容量的30%考虑。    所以，PLC内存容量为上述各内存容量总和。    3．扫描周期及响应时间    在设计控制系统时，必须考虑扫描周期及响应时间这两个重要参数。    由PLC的工作特点可知，输入信号的持续时间必须大于PLC的一个扫描周期才能使PLC可靠地接收。    响应时间是指从输入信号产生时刻到由此引起输出信号状态变化的时间间隔。系统响应时间由输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期来决定，它直接影响控制系统的快速性。对于实时性要求较高的系统必须尽量缩短响应时间，以提高系统对输入的反应能力和反应速度。    4．PLC结构的合理性    在对PLC选型时，还要考虑PLC结构的合理性。一般情况下，单机控制系统规模较小，不涉及PLC之间的通信问题，但要求功能较全面，此时，选择箱体式结构的PLC比较合适。在选择PLC系列时，还应考虑输入量、输出量的类型。如果只有开关量控制，三菱F1、FX、西门子S7 - 200等系列均可满足要求。模块式结构的PLC配置灵活，易于功能的扩展，适用于中、大型系统的控制。    5．输入／输出模块的选择    输入模块的主要任务是将输入信号转换为合适的电平信号。根据输入信号的类型不同，输入模块分为直流5、12、24、48V等和交流115、220V等形式。一般情况下，信号传输距离在10m以内的可选择直流5V的输入模块；信号传输距离在10～30m可选用直流12V或24V的输入模块；48V以上的适用于信号传输距离更远的情况。    输出模块的任务是将PLC内部信号转换为外部的控制信号，输出模块的输出方式有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种，可根据实际需要选取。对开关频繁、功率因数低的电感性负载可选用晶闸管输出方式，其缺点是价格高、过载能力差。继电器输出方式适用于电压范围宽，导通压降小的负载，且价格便宜、带载能力强，其缺点是寿命短，响应速度慢。晶体管输出方式比较适合开关频繁、功率因数低、导通压降小的负载，且价格较低，缺点是过载能力差。    6．程序设计方法    在完成系统控制流程图和PLC的I/O地址分配之后，即可着手进行程序的设计工作。程序设计方法通常有逻辑设计法、流程图设计法及经验法。    (1)逻辑设计法。逻辑法是以布尔代数为基础，根据生产工艺过程中各检测元件的不同状态，列出检测元件的状态表，确定所需要的中间记忆元件，再列出各执行元件的动作节拍表。由上述状态表和节拍表写出以检测元件、中间记忆元件为输入变量，以执行元件为输出的逻辑表达式，最后将逻辑表达式转换成梯形图。这种方法是继电器控制系统常用的设计方法，所设计的梯形图简单，占用元件及内存容量少。    (2)流程图设计法。流程图设计法是以“步”为核心，根据控制流程图，从第一步开始连续设计下去，直至完成这个程序设计为止。这种方法的关键是编写出工艺流程图。首先，将被控对象的工作过程分为若干步，每一步在图中用方框表示。方框之间用带箭头的直线相连，箭头方向表示步进方向。然后，根据工艺或生产过程，将步进的转换条件在直线的左边表示出来，并在方框的右边给出要做的动作。这种工艺流程图，集合了控制工程的全部信息，为编制程序提供了依据。    (3)经验设计法。经验设计法是一种类似于继电器控制原理图的设计方法，即将继电器原理图中的符号用可编程控制器的编程器件或功能器件表示，并将控制器件的对应关系用梯形图表示。用这种方法设计程序的步骤为：①熟悉继电器控制线路原理图；②根据继电器控制线路图画出梯形图，并写出指令表；③用编程器将程序送入存储器；④程序调试及运行。    目前普遍采用的是流程图设计法，局部也可采用逻辑设计法和经验法。将几种方法结合起来可使程序设计更简单方便。    7．减少可编程控制器I/O接点的方法    可编程控制器的指令很多，用户可利用不同的指令来实现同样的功能，但是可能占用的I/O接点数不同。对选定的PLC来讲，其I/O接点的资源是有限的，为了节省PLC有限的I/O接点数，应尽量用较少的I/O接点数实现较复杂的控制功能，同时还应兼顾程序的易读性、易改性和移植性，应从以下几个方面人手达到节省I/O接点的目的。    (1)分组法。一般控制系统具有多种工作方式，但是各种工作方式的程序不同时执行。因此，可将系统的输入／输出信号按其对应的工作方式不同分成若干组，PLC运行时只会用到其中的一组信号，各组输入／输出信号可共用PLC的I/O接点，这样就可使实际的I/O接点数减少。    例如图10 -5中，系统有自动和手动两种工作方式，其中S1～S4为自动工作方式的输入信号，Q1～Q4为手动工作方式的输入信号。两组输入信号共用PLC的输入点X0～X3，即S1与Q1共用输入点X0，S2与Q2共用输入点X1，……。通过开关SA来实现手动、自动工作方式的切换，PLC通过X4的状态识别出手动、自动工作方式，从而执行相应的控制程序。图中二极管的作用是为了防止寄生回路，避免产生错误输入信号。同样，也可采用分组输出来实现节省输出接点。    (2)矩阵法。将多个I/O接点分成行和列，组成矩阵形式也可节省I/O接点。例如，图10 -6为矩阵法输出原理图。如果采用一对一的输出方式，用Y0、Y1、Y2和Y10、Y11、Y12六个输出接点只能控制6个继电器。而采用矩阵法，即将Y0、Y1、Y2作为行，将Y10、Y11、Y12作为列，通过软件控制，假定先让Y10接通，再分别让Y0、Y1、Y2接通则可控制继电器K1、K2、K3;让Y11接通，再分别让Y0、Y1、Y2接通则可控制继电器K4、K5、K6;同理，让Y12接通，再分别让Y0、Y1、Y2接通则可控制继电器K7、K8、K9。这样总共可实现对9个继电器的控制。另外，为使被控负载正常工作，还应在COM0、COM1之间外加电源；对直流负载，为避免发生寄生回路，使继电器正常工作，还应在每一个继电器回路中串人二极管。
    图10-5    分组法输入
    图10-6    矩阵法输出原理图    (3)软件法。通过软件编程也可节省I/O接点，最常用方法有以下两种：    1)灵活运用“SET（置位）”指令、“RST（清零）”指令、“OUT（输出）”指令。在PLC的使用中，一般禁止同一个输出点重复使用“OUT”指令，而对同一个输出线圈可多次用置位指令和清零指令。因此，可用置位指令和清零指令来替代输出指令，达到既能满足控制要求又可少用输出点数的目的。    2)使用高级专用指令或字操作指令。在PLC程序设计中，充分利用高级专用指令，可以使程序更加简单明了。例如，如果需要输出继电器Y0、Y3、Y5、Y7闭合，其余断开，可用一条字传送指令将数据0A9H直接送入K2Y0即可。