PLC控制系统的硬件设计

原创 2020-06-12 08:22  阅读

  PLC控制系统的硬件设计_电子/电路_工程科技_专业资料。PLC控制系统的硬件设计 1 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 设计以PLC为核心的控制系统,要考虑: 1、设备的正常运行; 2、合理、有效的资金投入; 3、在满足可靠性和经济性的前提下

  PLC控制系统的硬件设计 1 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 设计以PLC为核心的控制系统,要考虑: 1、设备的正常运行; 2、合理、有效的资金投入; 3、在满足可靠性和经济性的前提下,具有一定的先进性, 能根据生产工艺的变化扩展部分功能。 2 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 一、控制系统的设计步骤 1、分析被控对象、明确控制要求 2、制定电气控制方案 3、确定输入/输出设备及信号特点 4、选择可编程控制器 5、分配输入/输出点地址 6、设计电气线、调试(包括模拟调试和联机调试) 9、技术文件整理 3 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 一、控制系统的设计步骤 1)分析被控对象并提出控制要求 详细分析被控对象的工艺过程及工作特点,了解被 控对象机、电、液之间的配合,提出被控对象对PLC控制 系统的控制要求,确定控制方案,拟定设计任务书。 2)确定输入/输出设备 根据系统的控制要求,确定系统所需的全部输入设 备(如:按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等) 和输出设备(如:接触器、电磁阀、信号指示灯及其它 执行器等),从而确定与 PLC 有关的输入 / 输出设备,以 确定PLC的I/O点数。 4 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 一、控制系统的设计步骤 3)选择PLC PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的 选择。 4)分配I/O点并设计PLC外围硬件线路 分配 I/O 点:画出 PLC 的 I/O 点与输入 / 输出设备的连接 图或对应关系表。 PLC外围硬件线路:画出系统其它部分的电气线路图, 包括主电路和未进入PLC的控制电路等。 由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电 气原理图。到此为止系统的硬件电气线 控制系统的设计步骤和PLC选型 一、控制系统的设计步骤 5)程序设计 程序设计: 1 )控制程序; 2 )初始化程序; 3 )检测、故 障诊断和显示等程序;4)保护和连锁程序。 模拟调试:根据产生现场信号的方式不同,模拟调试有硬 件模拟法和软件模拟法两种形式。 6)硬件实施 设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图; 设计系统各部分之间的电气互连图; 根据施工图纸进行现场接线,并进行详细检查。 由于程序设计与硬件实施可同时进行,因此 PLC 控制系统 的设计周期可大大缩短。 6 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 一、控制系统的设计步骤 7)联机调试 联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联 机调试过程应循序渐进,从PLC 只连接输入设备、再连接输出设 备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求,则对硬件 和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。 全部调试完毕后,交付试运行。经过一段时间运行,如果工 作正常、程序不需要修改,应将程序固化到 EPROM 中,以防程序 丢失。 8)整理和编写技术文件 技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气 元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。 7 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 二、可编程控制器的选择 随着PLC技术的发展,PLC产品的种类也越来越多。不同 型号的 PLC,其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方 式、价格等也各有不同,适用的场合也各有侧重。 因此,合理选用PLC,对于提高PLC控制系统的技术经济 指标有着重要意义。 PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、 I/O 模块、电源 模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。 8 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 1、可编程控制器的机型选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提 下,力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点: 1)合理的结构型式 PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。 2)安装方式的选择 安装方式有集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。 3)相应的功能要求 4)响应速度要求 5)系统可靠性的要求 对可靠性要求很高的系统,应考虑是否采用冗余系统或热备用系统 6)机型尽量统一 便于备品备件的采购和管理;有利于技术力量的培训和技术水平的提高, 外部设备通用,资源可共享,易于联网通信。 9 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 2、指令系统的选择 1)总指令数 2)指令种类 3)表达方式 4)编程工具 10 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 开关量输入模块的选择 1)输入信号的类型及电压等级 有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。选择时主要 根据现场输入信号和周围环境因素等。 直流输入模块的延迟时间较短,还可以直接与接近开关、光电开 关等电子输入设备连接; 交流输入模块可靠性好,适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。 开关量输入模块的电压等级有:直流 5 V、 12 V、 24 V、 48 V、 60V等;交流110V、220V等。 选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。 一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合,如5V输入模块最 远不得超过10米。距离较远的应选用输入电压等级较高的。 11 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 开关量输入模块的选择 2)输入接线方式 主要有汇点式和分组式两种接线 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 开关量输入模块的选择 3)注意同时接通的输入点数量 对于选用高密度的输入模块 ( 如 30 点、 40 点等 ) ,应考虑该模块同 时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。 4)输入门槛电平 门槛电平越高,抗干扰能力越强,传输距离也越远,具体可参阅 PLC说明书。 13 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 开关量输出模块的选择 1)输出方式 开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方 式: 继电器输出:价格便宜,可以驱动交、直流负载,适用的电压大 小范围较宽、导通压降小,承受瞬时过电压和过电流的能力较强,但 动作速度较慢(驱动感性负载时,触点动作频率不超过1HZ)、寿命 较短、可靠性较差,只能适用于不频繁通断的场合。 对于频繁通断的负载,应该选用晶闸管输出或晶体管输出,它们 属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载,而晶体管输出只 能用于直流负载。 14 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 开关量输出模块的选择 2)输出接线方式 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 开关量输出模块的选择 3)驱动能力 应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如 果实际输出设备的电流较大,输出模块无法直接驱动,可增加中间放 大环节。 4)注意同时接通的输出点数量 同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电 流值。 一般来讲,同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60% 5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关 与不同的负载类型密切相关,特别是输出的最大电流。晶闸管的 最大输出电流随环境温度升高会降低,在实际使用中也应注意。 16 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 模拟量I/O模块的选择 模拟量输入(A/D)模块是将现场由传感器检测而产生的连 续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量; 模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量 信号输出。 典 型 模 拟 量 I/O 模 块 的 量 程 为 - 1 0 V~+10V、0~+10V、 4~20mA等,可根据实际需要选用,同时还应考虑其分辨率和转 换精度等因素。 一些 PLC 制造厂家还提供特殊模拟量输入模块,可用来直 接接收低电平信号(如RTD、热电偶等信号)。 17 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 特殊功能模块的选择 PLC 厂家相继推出了一些具有特殊功能的 I/O 模块, 有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块,如高速计数器、 凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。 18 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 3、I/O模块的选择 电源模块及其它外设的选择 1)电源模块的选择 电源模块选择仅对于模块式结构的 PLC 而言,对于整体式 PLC 不 存在电源的选择。 电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。 2)编程器的选择 3)写入器的选择 为了防止由于干扰或锂电池电压不足等原因破坏 RAM中的用户程 序,可选用EPROM写入器,通过它将用户程序固化在EPROM中。有 些PLC或其编程器本身就具有EPROM 写入的功能。 19 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 4、PLC容量的选择 I/O点数的选择 (1)在满足控制要求的前提下力争使用的I/O点最少。 (2)需要加上10%~15%的裕量。 存储容量的选择 存储容量大小不仅与 PLC 系统的功能有关,还与功能实现的方法、程序 编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者,在完成同一复杂功能时 ,其程序量可能相差25%之多。 在 I/O点数确定的基础上,按下式估算存储容量后,再加 20 % ~30%的 裕量。 存储容量(字节)=开关量I/O点数×10 + 模拟量I/O通道数×100 存储容量选择的同时,注意对存储器的类型的选择。 20 5.1 控制系统的设计步骤和PLC选型 5、其他的选择 (1)性价比 (2)系列产品 (3)售后服务 21 5.2 系统硬件的设计方案 1、系统设计的总体方案 控制系统的硬件设计、机型的性能指标和各种功能模块的 选择对于控制系统的设计是非常重要的问题。 1)PLC控制系统的类型 可分为集中控制系统和分布式控制系统。 2)系统的运行方式 四种:自动、半自动、单步、手动方式。 3)系统的停止方式 正常停止、暂时停止、紧急停止三种。 22 5.2 系统硬件的设计方案 2、系统硬件设计依据 系统硬件设计必须根据控制对象的要求决定,包括 控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I/O点数和 种类,以构成比较先进的控制系统。 23 5.2 系统硬件的设计方案 3、系统硬件设计文件 1)系统硬件配置图 系统硬件配置图完整地给出整个系统硬件组成,包括:系 统构成级别、系统联网情况、网上 PLC 站数、每个 PLC 站上 CPU单元和扩展单元构成情况、每个PLC中各模块构成情况。 2)模块统计表 便于了解整个系统硬件设备状况和硬件设备投资计算,包 括:模块名称、模块类型、模块订货号、所需模块个数等。 3)I/O地址分配表 4)I/O硬件接线 PLC输入/输出电路设计 1、输入电路的设计 1)根据输入信号类型合理选择输入模块 2)输入元件的接线)减少输入点的方法 PLC在实际应用中常碰到这样两个问题: (1)PLC的I/O点数不够,需要扩展,然而增加I/O点数将提 高成本; (2)是已选定的PLC可扩展的I/O点数有限,无法再增加。 在满足系统控制要求的前提下,合理使用I/O点数,尽量减 少所需的I/O点数是很有意义的。 25 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输入点数方法 分组输入 26 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输入点数方法 矩阵输入 1)矩阵输入方法需要硬 件与软件相配合来完成 2)由于矩阵输入的输入 信号为一系列断续的脉 冲信号。 3)应保证输入信号的宽 度要大于Y0、Y1、Y2轮 流导通一遍的时间 27 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输入点数方法 组合输入 对于不会同时接通的输入信号,可采用组合编码的方式输入。 28 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输入点数方法 输入设备多功能化 例如 29 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输入点数方法 合并输入 将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。如果是几个常闭触点, 则串联输入;如果是几个常开触点,则并联输入。 某些输入设备可不进PLC 有些输入信号功能简单、 涉及面很窄,有时就没有必要 作为PLC的输入,将它们放在 外部电路中同样可以满足要求。 30 5.3 PLC输入/输出电路设计 2、输出电路的设计 1)根据负载类型确定输出方法 2)输出负载的接线)选择输出电流、电压 输出模块的额定输出电流、电压必须大于所需求的电流和电压。 4)输出电路的保护 在输出负载回路加装熔断器,进行短路保护。 5)减少输出点的方法 31 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输出点数方法 分组输出 当两组输出设备或负载 不会同时工作,可通过外部 转换开关或通过受PLC控制 的电器触点进行切换,所以 PLC的每个输出点可以控制 两个不同时工作的负载。 32 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输出点数方法 矩阵输出 注意:采用矩阵输 出时,必须要将同一时 间段接通的负载安排在 同一行或同一列中,否 则无法控制。 33 5.3 PLC输入/输出电路设计 减少输出点数方法 并联输出 注意PLC输出点同时驱动多个负载时,应考虑PLC输 出点的驱动能力是否足够。 输出设备多功能化 利用PLC的逻辑处理功能,一个输出设备可实现多种 用途。 某些输出设备可不进PLC 系统中某些相对独立、比较简单的控制部分,可直接 采用PLC外部硬件电路实现控制。 34 5.3 PLC输入/输出电路设计 注意的问题 以上一些常用的减少I/0点数的措施,仅供参考,实际 应用中应该根据具体情况,灵活使用。 同时应该注意不要过份去减少PLC的I/0点数,而使外 部附加电路变得复杂,从而影响系统的可靠性。 35 5.4 系统供电及接地设计 一、系统供电设计 系统供电设计是指 PLC所需电源系统的设计,包括供电系 统的一般性保护措施、PLC电源模块的选择和典型供电系统的 设计。 1、供电系统保护措施 PLC一般使用工频电,电网的冲击、频率波动直接影响到 实时控制系统的精度和可靠性,因此,为提高系统的可靠性和 抗干扰性能,在PLC供电系统中一般可采取隔离变压器、交流 稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等。 36 5.4 系统供电及接地设计 一、系统供电设计 2、电源模块的选择 PLC的CPU所需工作电源一般是5V直流电源,一般的编程 接口和通信模块需 5.2V和 24V直流电源,由PLC本身电源模块 供给。因此要考虑电源模块的输入电压、凯发下载。输出功率、接线、扩 展单元的电源等问题。 3、供电系统的设计 典型的动力部分、PLC供电及I/O的电源要分别供电。 37 5.4 系统供电及接地设计 二、接地设计 1、接地的要求 (1)接地电阻要在要求的范围内。 (2)要保证足够的机械强度。 (3)要进行防腐处理。 (4)PLC控制系统要单独设计接地。 2、接地的种类 大致有六种地线:数字地、模拟地、信号地、交流地、直 流地、屏蔽地。 38 5.4 系统供电及接地设计 3、接地的处理方法 (1)一般情况,高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。 (2)交流地和信号地不能共用。 (3)浮地与接地的不同 (4)模拟地与屏蔽地的接线。 PLC一般最好单独接地,也可以采用公共接地,但禁止使用串联接地 方式 。 PLC的接地线应尽量短,使接地点尽量靠近PLC。同时,接地电阻要 小于4Ω,接地线

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