7.17.27.37.47.57.6工程设计的原则需求分析硬件设计软件设计系统调试可靠性设计7.1.1 工程设计的原则 1满足要求 任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高产品质量和生 产效率。因此，充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是 设计控制系统的首要前提，也是工程设计中最重要的一条原则。 2安全可靠 控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，是设计控制系统的重要原 则。这就要求设计人员在系统设计、器件选择和软件编程上全面考虑。 3经济实用 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和生产效率，从而为工程带来巨大 的经济效益和社会效益。但是新工程的投入、技术的培训、设备的维护也会带来 工程的投入和运行资金的增加。 4适应发展 社会在不断前进，科学在不断发展，控制系统的要求也在不断提高完善。控 制系统设计时应要考虑今后的发展、完善，避免重复投资。PLC系统工程设计的一般流程如图7-1所示。需求分析是指用户对所开发的控制系统在设计、功能、性能、工艺等方面的要求，是直接关系到应用系统性能、成本、经济效益等指标的关键环节。需求分析的基本任务是：用户和PLC工程开发人员双方应充分了解用户要求，并将双方共同理解的需求明确表达出来。需求分析阶段是面向问题的，它主要是分析用户的控制过程，明确在用户的实际控制环境中PLC系统应该做什么。7.3.1 PLC机型选择1合理的结构类型PLC主要有整体式和模块式2种结构类型。整体式PLC的每一个I/O点的平均价格要比模块式的便宜，且体积相对较小，一般用于控制系统工艺过程较为固定、环境条件较好、维修较少的小型控制系统中。而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大，而且维护方便，一般用于较复杂的控制系统。2安装方式PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低。3相应功能要求根据控制系统功能的强弱适当选型，选择最合适的。一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，可以满足只需要开关量控制、控制速度要求不高的设备，如S7-200系列。4响应速度响应时间是指从外部信号输入到给定输出的总时间，通常包括输入滤波器的延迟时间、I/O延迟时间、逻辑运算时间、输出元件的延迟时间。扫描方式引起的延迟可达到23个扫描周期。5系统可靠性一般系统，PLC的可靠性均能满足。而对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用PLC冗余系统或热备用系统。6机型尽量统一大型企业在选用PLC时，应尽可能做到PLC机型统一。主要因为：（1）控制系统中的机型统一。（2）使控制系统中的模块功能和使用方法类似。（3）控制系统的模块互为备用。1输入/输出点数的估计 （1）开关量点数 开关量控制是PLC的基本功能，对于开关量控制系统，主要考虑PLC的最大 开关量点数是否满足系统要求。常用输入/输出控制设备的I/O控制点表如表7-1所 示。 （2）模拟量点数 对于要求模拟量控制的系统，主要考虑PLC的最大模拟量点数是否能满足系 统要求，以及每个模块的点数。 序号输入/输出控制设备输入点数输出点数1行程开关1 2接近开关1 3位置开关2 4光电开关2 5按键1 6信号灯1 7风机1 8单控电磁阀219双控电磁阀32 10单向运行直流电动 机96 11可逆运行直流电动 机128 2PLC性能要求的估计选择PLC时还需注意以下问题：（1）PLC可带I/O点数。有的产品手册给出的最大输入点数或最大输出点数就是只插输入模块或输出模块的容量，即实际给出的是输入/输出容量之和，有时也称为扫描容量。（2）PLC通信距离和速度。产品手册上给出的覆盖距离，也称作最大距离，包括远程I/O模块在内可所到达的距离。3所需内存容量的估计内存容量是PLC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所使用的存储单元，因此程序容量小于存储器容量。用户程序所需内存与下列因素有关： 逻辑量输入/输出点数估计； 模拟量输入/输出点数估计； 内存利用率估计； 程序编写者的编程水平估计。 1硬件选择（1）CPU的选型（2）扩展方式选择（3）系统的可靠性2软件选择（1）编程软件的选择（2）PLC指令系统3通信体系结构选择（1）主要考虑因素PLC系统的通信网络主要有下列几种形式： PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络； 1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络； PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网； 专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。（2）以太网消息处理能力的判断方法在通信体系结构中，判断消息处理能力的方法： 计算应用程序所需的交换量 工作站处理器的处理能力 网络或总线模块的处理能力 如表7-2所示。 网络负载以太网连接 的处理能力Quantum 以太网TCP/IPPremium 以太网TCP/IPNOE77100CPU65150/65160/67 160ETY110/21 0P5710/20/3 0/40P5750消息处理350次处理/秒350次处理/秒60次处理/秒450次处理/ 秒500次处理/ 秒扫描I/O检测2000次处理/秒2000次处理/秒服务不能用2000次处理/ 秒2000次处 理/秒全局数据800次处理/秒800次处理/秒服务不能用800次处理/ 秒800次处理/ 秒PLC外部电路实现外部输入、输出部分与PLC之间的连接功能，主要包括以下几类实现特定功能的回路：（1）主控制回路（2）供电回路（3）操作指令回路（4）参数设定回路（5）反馈信号回路（6）负载回路7.4.1 控制程序设计的要求、原则、方法和过程 1控制程序设计的基本要求 控制程序设计的基本要求是由PLC自身特点及其在工业控制过程中要求实现 的具体控制功能来决定的。 （1）紧密结合生产工艺过程 （2）熟悉控制产品的硬件结构 （3）兼有计算机和自动控制两方面的知识 2控制程序设计的基本原则 控制程序设计是以系统所实现的工艺要求、硬件组成和操作方式等条件为依 据，程序设计一般应遵循：逻辑关系简单清晰、易于编程输入、少占内存、减少 扫描时间等原则。具体原则为： （1）控制程序设计一般只需要考虑用户程序的设计 （2）对输入/输出信号做统一配置和操作 （3）由于CPU在每个周期内都固定进行某些窗口服务 （4）定时器的时间设定值不能小于周期扫描时间 （5）用户程序中如果多次对同一个参数赋值3控制程序的设计方法 控制程序设计有以下方法： （1）时序流程图法 （2）步进顺控法 （3）经验法 （4）计算机辅助设计 4控制程序的设计过程 （1）对系统任务分块 （2）编写控制系统的逻辑关系图 （3）绘制各种电路图 （4）编写PLC程序并模拟调试 （5）制作控制柜 （6）现场应用系统联机调试 （7）现场试运行并编写技术文件1开关量控制系统的设计 （1）手动控制 （2）单次控制 （3）自动控制 【例7.1】 机械手控制系统线性程序设计。 机械手控制系统的控制要求如图7-2所示。下面讨论自动控制过程。 （1）输入/输出地址分配如表7-3所示。 （2）由逻辑流程图设计程序，如图7-3所示。内存变量分配如表7-4所示。 （3）由时序流程图设计程序 本例中可分成8个时序，用M1.0、M1.1，M1.7分别表述各个时序的特 征位。当M1.0=1时为机械手下降1时序，M1.1为机械手抓紧时序等，如图7-4 所示。（4）线性结构软件设计2模拟量控制系统的设计 模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式 可分为开环控制和闭环控制。闭环控制根据其设定值的不同，又可分为调节系 统和随动系统2种。 （1）调节系统的设定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使 反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。 （2）随动系统的设定值是由被控制对象给出的，控制器的作用就是使控制 目标不断地向被控对象靠近。各种跟踪系统都是随动系统。 模拟量控制系统设计中特别要注意抗干扰问题。解决其干扰有4个办法： （1）接地问题，接地就是接大地，包括PLC接地端的接地。 （2）模拟信号线的屏蔽问题，屏蔽线的始端和终端都要接地。 （3）对某些高频信号要解决匹配问题。 （4）对信号进行滤波。7.5.1 系统测试 1系统调试内容 系统调试包括硬件调试、安装用户程序、系统功能的测试、记录程序修改 、保存和压缩程序等。 2装载用户程序 在安装新的全部用户程序之前，应该执行一次CPU存储器的复位。为了安 全起见，应该在停机状态下执行安装。安装时，可以把个别块、几个块或全部 的程序一次安装到CPU。 3排除停机错误 如果没有编写错误处理程序，当程序出现错误或硬件出现故障时CPU就进 入停机状态。利用诊断缓冲区确定停机原因。1常见故障的总体检查与处理 总体检查的目的是找出故障点的大概范围，然后再逐步细化，最终确定具 体故障点，从而消除故障。常见故障的整体检查与处理的程序如图7-5所示。2主机系统故障检查与处理PLC主机系统最容易发生故障的地方一般是在电源系统和通信网络系统，电源在连续工作、散热中，电压和电流的波动冲击是不可避免的。通信及网络受外部干扰的可能性大，外部环境是造成通信外部设备故障的最大因素之一。系统总线的损坏主要由于现在PLC多为插件结构，长期使用插拔模块会造成局部印制板或底板、接插件接口等处的总线损坏，在空气温度变化、湿度变化的影响下，总线的塑料老化、印制线路的老化、接触点的氧化等都可能是系统总线损耗的原因。3电源故障检查与处理 PLC系统主机电源、扩展机电源、模块中电源等电源显示不正常时都要进入 电源故障检查流程，如果各部分功能正常，只能是LED显示有故障，否则应首先 检查外部电源，如果外部电源无故障，再检查系统内部电源故障。检查与处理方 法如表7-5所示。故障现象故障原因解决办法 电源指示灯灭指示灯坏或熔断器断更换无供电电压加入电源电压 检查电源接线和插座使之正常 检查电源接线和插座使之正常供电电压超限调整电源电压在规定范围电源坏更换4异常故障检查与处理 PLC系统最常见的故障是停止运行（运行指示灯灭）、不能启动、工作无法 进行，但是电源指示灯亮。这时，需要进行异常故障检查。检查与处理方法如表 7-6所示。故障现象故障原因解决办法 不能启动供电电压超过上极限降压 供电电压低于下极限升压 内存自检系统出错清内存、初始化 CPU、内存板故障更换 工作不稳定 频繁停机供电电压接近上、下极限调整电压 主机系统模块接触不良清理、重插 CPU、内存板内元器件松动清理、带手套按压元器件 CPU、内存板故障更换 与编程器（微机）不通信通信电缆插接松动按紧后，重新联机 通信电缆故障更换内存自检出错内存清零，拔去电池，再连通信口参数不对检查参数和开关，重新设定 主机通信故障更换 编程器通信口故障更换 程序不能装入内存没有初始化清内存，重写 CPU、内存故障更换5通信故障检查与处理 通信是PLC网络工作的基础。PLC网络的主站、各从站的通信处理器、通信 模块都有工作正常指示。当通信不正常时，需要进行通信故障检查。检查与处理 方法如表7-7所示。故障现象故障原因解决办法 单一模块不通信接插松动按紧模块故障更换组态错误重新组态 从站不通信分支通信电缆故障拧紧插接件或更换通信处理器松动拧紧通信处理器地址开关错重新设置通信处理器故障更换 主站不通信通信电缆故障排除故障、更换调制解调器故障断电后再启动无效更换通信处理器故障清理后再启动无效更换通信正常，但通信故障灯亮某模块插入或接触不良插入并按紧6输入/输出故障检查与处理输入/输出模块直接与外部设备相连，是容易出现故障的部位，虽然输入/输出模块故障容易判断，更换快，但是必