設計基本原則
為了實(shí)現被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
PLC的選擇除了應滿(mǎn)足技術(shù)指標的要求外，還應重點(diǎn)考慮該公司產(chǎn)品技術(shù)支持與售后服務(wù)情況。（盡量選擇主流產(chǎn)品）
最大限度地滿(mǎn)足被控對象的控制要求。
在滿(mǎn)足控制要求的前提下，力求使控制系統簡(jiǎn)單、經(jīng)濟，使用及維修方便。
保證控制系統得安全、可靠。
考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時(shí)，應適當留有余量。
設計的主要內容
擬定控制系統設計的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設計任務(wù)書(shū)的形式來(lái)確定，它是整個(gè)設計的依據；
選擇電氣傳動(dòng)形式和電動(dòng)機、電磁閥等執行機構；
選定 PLC 的型號；
編制 PLC 的輸入 / 輸出分配表或繪制輸入 / 輸出端子接線(xiàn)圖；
根據系統設計的要求編寫(xiě)軟件規格說(shuō)明書(shū)，然后再用相應的編程語(yǔ)言（常用梯形圖）進(jìn)行程序設計；
了解并遵循用戶(hù)認知心理學(xué)，重視人機界面的設計，增強人與機器之間的友善關(guān)系；
設計操作臺、電氣柜及非標準電器元部件；
編寫(xiě)設計說(shuō)明書(shū)和使用說(shuō)明書(shū)；
PLC控制系統的一般步驟
可編程控制器應用系統設計與調試的主要步驟，如圖 15-1 所示。
圖15-1 控制系統一般設計步驟
深入了解和分析被控對象的工藝條件和控制要求
1) 被控對象就是受控的機械、電氣設備2) 、生產(chǎn)線(xiàn)或生產(chǎn)過(guò)程。
2) 控制要求主要指3) 控制的基本方式、應完成的動(dòng)作、自動(dòng)工作循環(huán)的組成、必要的保護和聯(lián)鎖等。對較復4) 雜的控制系統，5) 還可將控制任務(wù)分成幾個(gè)獨立部分，6) 這種可化繁為簡(jiǎn)，7) 有利于編程和調試。
確定 I/O 設備
根據被控對象對 PLC 控制系統的功能要求，確定系統所需的用戶(hù)輸入、輸出設備。常用的輸入設備有按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、傳感器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。
選擇合適的 PLC 類(lèi)型
根據已確定的用戶(hù) I/O 設備，統計所需的輸入信號和輸出信號的點(diǎn)數，選擇合適的 PLC 類(lèi)型，包括機型的選擇、容量的選擇、 I/O 模塊的選擇、電源模塊的選擇等。
分配 I/O 點(diǎn)
分配 PLC 的輸入輸出點(diǎn)，編制出輸入 / 輸出分配表或者畫(huà)出輸入 / 輸出端子的接線(xiàn)圖。接著(zhù)九可以進(jìn)行 PLC 程序設計，同時(shí)可進(jìn)行控制柜或操作臺的設計和現場(chǎng)施工。
設計應用系統梯形圖程序
根據工作功能圖表或狀態(tài)流程圖等設計出梯形圖即編程。這一步是整個(gè)應用系統設計的最核心工作，也是比較困難的一步，要設計好梯形圖，首先要十分熟悉控制要求，同時(shí)還要有一定的電氣設計的實(shí)踐經(jīng)驗。
將程序輸入 PLC
當使用簡(jiǎn)易編程器將程序輸入 PLC 時(shí)，需要先將梯形圖轉換成指令助記符，以便輸入。當使用可編程序控制器的輔助編程軟件在計算機上編程時(shí)，可通過(guò)上下位機的連接電纜將程序下載到 PLC 中去。
進(jìn)行軟件測試
程序輸入 PLC 后，應先進(jìn)行測試工作。因為在程序設計過(guò)程中，難免會(huì )有疏漏的地方。因此在將 PLC 連接到現場(chǎng)設備上去之前，必需進(jìn)行軟件測試，以排除程序中的錯誤，同時(shí)也為整體調試打好基礎，縮短整體調試的周期。
應用系統整體調試
在 PLC 軟硬件設計和控制柜及現場(chǎng)施工完成后，就可以進(jìn)行整個(gè)系統的聯(lián)機調試，如果控制系統是由幾個(gè)部分組成，則應先作局部調試，然后再進(jìn)行整體調試；如果控制程序的步序較多，則可先進(jìn)行分段調試，然后再連接起來(lái)總調。調試中發(fā)現的問(wèn)題，要逐一排除，直至調試成功。
編制技術(shù)文件
系統技術(shù)文件包括說(shuō)明書(shū)、電氣原理圖、電器布置圖、電氣元件明細表、 PLC 梯形圖。
PLC控制系統硬件設計
隨著(zhù)PLC控制的普及與應用，PLC產(chǎn)品的種類(lèi)和數量越來(lái)越多、，而且功能也日趨完善。近年來(lái)，從美國、日本、德國引進(jìn)的PLC產(chǎn)品及國內廠(chǎng)家組裝或自行開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品已有幾十個(gè)系列，上百種型號。目前在國內應用較多地PLC產(chǎn)品主要包括：美國AB、GE、MODICON公司，德國西門(mén)子公司，日本OMRON、三菱公司等得PLC產(chǎn)品。因此PLC的品種繁多，其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方法、價(jià)格等各有自己的特點(diǎn)，適用場(chǎng)合也各有側重。因此，合理選擇PLC，對于提高PLC控制系統的技術(shù)經(jīng)濟指標起著(zhù)重要的作用。一般選擇機型要以滿(mǎn)足系統功能需要為宗旨，不要盲目貪大求全，以免造成投資和設備資源的浪費。機型的選擇可從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮。
對輸入 / 輸出點(diǎn)的選擇
要先弄清除控制系統的 I/O 總點(diǎn)數，再按實(shí)際所需總點(diǎn)數的 15 ～ 20 ％留出備用量（為系統的改造等留有余地）后確定所需 PLC 的點(diǎn)數。
PLC 的輸出點(diǎn)可分為共點(diǎn)式、分組式和隔離式幾種接法。隔離式的各組輸出點(diǎn)之間可以采用不同的電壓種類(lèi)和電壓等級，但這種 PLC 平均每點(diǎn)的價(jià)格較高。如果輸出信號之間不需要隔離，則應選擇前兩種輸出方式的 PLC 。
對存儲容量的選擇
對用戶(hù)存儲容量只能作粗略的估算。在僅對開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制的系統中，可以用輸入總點(diǎn)數乘 10 字 / 點(diǎn)＋輸出總點(diǎn)數乘 5 字 / 點(diǎn)來(lái)估算；計數器 / 定時(shí)器按（ 3 ～ 5 ）字 / 個(gè)估算；有運算處理時(shí)按（ 5 ～ 10 ）字 / 量估算；在有模擬量輸入 / 輸出的系統中，可以按每輸入 / （或輸出）一路模擬量約需（ 80 ～ 100 ）字左右的存儲容量來(lái)估算；有通信處理時(shí)按每個(gè)接口 200 字以上的數量粗略估算。最后，一般按估算容量的 50 ～ 100 ％留有裕量。對缺乏經(jīng)驗的設計者，選擇容量時(shí)留有裕量要大些。
對 I/O 響應時(shí)間的選擇
PLC 的 I/O 響應時(shí)間包括輸入電路延遲、輸出電路延遲和掃描工作方式引起的時(shí)間延遲（一般在 2 ～ 3 個(gè)掃描周期）等。對開(kāi)關(guān)量控制的系統， PLC 和 I/O 響應時(shí)間一般都能滿(mǎn)足實(shí)際工程的要求，可不必考慮 I/O 響應問(wèn)題。但對模擬量控制的系統、特別是閉環(huán)系統就要考慮這個(gè)問(wèn)題。
根據輸出負載的特點(diǎn)選型
不同的負載對 PLC 的輸出方式有相應的要求。例如，頻繁通斷的感性負載，應選擇晶體管或晶閘管輸出型的，而不應選用繼電器輸出型的。但繼電器輸出型的 PLC 有許多優(yōu)點(diǎn)，如導通壓降小，有隔離作用，價(jià)格相對較便宜，承受瞬時(shí)過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強，其負載電壓靈活（可交流、可直流）且電壓等級范圍大等。所以動(dòng)作不頻繁的交、直流負載可以選擇繼電器輸出型的 PLC 。
對在線(xiàn)和離線(xiàn)編程的選擇
離線(xiàn)編程是指主機和編程器共用一個(gè) CPU ，通過(guò)編程器的方式選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇 PLC 的編程、監控和運行工作狀態(tài)。編程狀態(tài)時(shí)， CPU 只為編程器服務(wù)，而不對現場(chǎng)進(jìn)行控制。在線(xiàn)編程是指主機和編程器各有一個(gè) CPU ，主機的 CPU 完成對現場(chǎng)的控制，在每一個(gè)掃描周期末尾與編程器通信，編程器把修改的程序發(fā)給主機，在下一個(gè)掃描周期主機將按新的程序對現場(chǎng)進(jìn)行控制。計算機輔助編程既能實(shí)現離線(xiàn)編程，也能實(shí)現在線(xiàn)編程。在線(xiàn)編程需購置計算機，并配置編程軟件。采用哪種編程方法應根據需要決定。
據是否聯(lián)網(wǎng)通信選型
若 PLC 控制的系統需要聯(lián)入工廠(chǎng)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )，則 PLC 需要有通信聯(lián)網(wǎng)功能，即要求 PLC 應具有連接其他 PLC 、上位計算機及 CRT 等的接口。大、中型機都有通信功能，目前大部分小型機也具有通信功能。
對 PLC 結構形式的選擇
在相同功能和相同 I/O 點(diǎn)數據的情況下，整體式比模塊式價(jià)格低。但模塊式具有功能擴展靈活，維修方便（換模塊），容易判斷故障等優(yōu)點(diǎn)，要按實(shí)際需要選擇 PLC 的結構形式。
PLC控制系統軟件設計
PLC 軟件系統設計的方法
在了解了 PLC 程序結構之后，就要具體地編制程序了。編制 PLC 控制程序的方法很多，這里主要介紹幾種典型的編程方法。
1) 圖解法編程
圖解法是靠畫(huà)圖進(jìn)行 PLC 程序設計。常見(jiàn)的主要有梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法。
梯形圖法：梯形圖法是用梯形圖語(yǔ)言去編制 PLC 程序。這是一種模仿繼電器控制系統的編程方法。其圖形甚至元件名稱(chēng)都與繼電器控制電路十分相近。這種方法很容易地就可以把原繼電器控制電路移植成 PLC 的梯形圖語(yǔ)言。這對于熟悉繼電器控制的人來(lái)說(shuō)，是最方便的一種編程方法。
邏輯流程圖法：邏輯流程圖法是用邏輯框圖表示 PLC 程序的執行過(guò)程，反應輸入與輸出的關(guān)系。邏輯流程圖法是把系統的工藝流程，用邏輯框圖表示出來(lái)形成系統的邏輯流程圖。這種方法編制的 PLC 控制程序邏輯思路清晰、輸入與輸出的因果關(guān)系及聯(lián)鎖條件明確。邏輯流程圖會(huì )使整個(gè)程序脈絡(luò )清楚，便于分析控制程序，便于查找故障點(diǎn)，便于調試程序和維修程序。有時(shí)對一個(gè)復雜的程序，直接用語(yǔ)句表和用梯形圖編程可能覺(jué)得難以下手，則可以先畫(huà)出邏輯流程圖，再為邏輯流程圖的各個(gè)部分用語(yǔ)句表和梯形圖編制 PLC 應用程序。
時(shí)序流程圖法：時(shí)序流程圖法使首先畫(huà)出控制系統的時(shí)序圖（即到某一個(gè)時(shí)間應該進(jìn)行哪項控制的控制時(shí)序圖），再根據時(shí)序關(guān)系畫(huà)出對應的控制任務(wù)的程序框圖，最后把程序框圖寫(xiě)成 PLC 程序。時(shí)序流程圖法很適合于以時(shí)間為基準的控制系統的編程方法。
步進(jìn)順控法：步進(jìn)順控法是在順控指令的配合下設計復雜的控制程序。一般比較復雜的程序，都可以分成若干個(gè)功能比較簡(jiǎn)單的程序段，一個(gè)程序段可以看成整個(gè)控制過(guò)程中的一步。從整個(gè)角度去看，一個(gè)復雜系統的控制過(guò)程是由這樣若干個(gè)步組成的。系統控制的任務(wù)實(shí)際上可以認為在不同時(shí)刻或者在不同進(jìn)程中去完成對各個(gè)步的控制。為此，不少 PLC 生產(chǎn)廠(chǎng)家在自己的 PLC 中增加了步進(jìn)順控指令。在畫(huà)完各個(gè)步進(jìn)的狀態(tài)流程圖之后，可以利用步進(jìn)順控指令方便地編寫(xiě)控制程序。
2) 經(jīng)驗法編程
經(jīng)驗法是運用自己的或別人的經(jīng)驗進(jìn)行設計。多數是設計前先選擇與自己工藝要求相近的程序，把這些程序看成是自己的“試驗程序”。結合自己工程的情況，對這些“試驗程序”逐一修改，使之適合自己的工程要求。這里所說(shuō)的經(jīng)驗，有的是來(lái)自自己的經(jīng)驗總結，有的可能是別人的設計經(jīng)驗，就需要日積月累，善于總結。
3) 計算機輔助設計編程
計算機輔助設計是通過(guò) PLC 編程軟件在計算機上進(jìn)行程序設計、離線(xiàn)或在線(xiàn)編程、離線(xiàn)仿真和在線(xiàn)調試等等。使用編程軟件可以十分方便地在計算機上離線(xiàn)或在線(xiàn)編程、在線(xiàn)調試，使用編程軟件可以十分方便地在計算機上進(jìn)行程序的存取、加密以及形成 EXE 運行文件。
軟件系統設計的步驟
在了解了程序結構和編程方法的基礎上，就要實(shí)際地編寫(xiě) PLC 程序了。編寫(xiě) PLC 程序和編寫(xiě)其他計算機程序一樣，都需要經(jīng)歷如下過(guò)程。
對系統任務(wù)分塊
分塊的目的就是把一個(gè)復雜的工程，分解成多個(gè)比較簡(jiǎn)單的小任務(wù)。這樣就把一個(gè)復雜的大問(wèn)題化為多個(gè)簡(jiǎn)單的小問(wèn)題。這樣可便于編制程序。
編制控制系統的邏輯關(guān)系圖
從邏輯關(guān)系圖上，可以反應出某一邏輯關(guān)系的結果是什么，這一結果又英國導出哪些動(dòng)作。這個(gè)邏輯關(guān)系可以是以各個(gè)控制活動(dòng)順序為基準，也可能是以整個(gè)活動(dòng)的時(shí)間節拍為基準。邏輯關(guān)系圖反映了控制過(guò)程中控制作用與被控對象的活動(dòng)，也反應了輸入與輸出的關(guān)系。
繪制各種電路圖
繪制各種電路的目的，是把系統的輸入輸出所設計的地址和名稱(chēng)聯(lián)系起來(lái)。這是很關(guān)鍵的一步。在繪制 PLC 的輸入電路時(shí)，不僅要考慮到信號的連接點(diǎn)是否與命名一致，還要考慮到輸入端的電壓和電流是否合適，也要考慮到在特殊條件下運行的可靠性與穩定條件等問(wèn)題。特別要考慮到能否把高壓引導到 PLC 的輸入端，把高壓引入 PLC 輸入端，會(huì )對 PLC 造成比較大的傷害。在繪制 PLC 的輸出電路時(shí)，不僅要考慮到輸出信號的連接點(diǎn)是否與命名一致，還要考慮到 PLC 輸出模塊的帶負載能力和耐電壓能力。此外，還要考慮到電源的輸出功率和極性問(wèn)題。在整個(gè)電路的繪制中，還要考慮設計的原則努力提高其穩定性和可靠性。雖然用 PLC 進(jìn)行控制方便、靈活。但是在電路的設計上仍然需要謹慎、全面。因此，在繪制電路圖時(shí)要考慮周全，何處該裝按鈕，何處該裝開(kāi)關(guān)，都要一絲不茍。
編制 PLC 程序并進(jìn)行模擬調試
在繪制完電路圖之后，就可以著(zhù)手編制 PLC 程序了。當然可以用上述方法編程。在編程時(shí)，除了要注意程序要正確、可靠之外，還要考慮程序要簡(jiǎn)捷、省時(shí)、便于閱讀、便于修改。編好一個(gè)程序塊要進(jìn)行模擬實(shí)驗，這樣便于查找問(wèn)題，便于及時(shí)修改，最好不要整個(gè)程序完成后一起算總帳。
制作控制臺與控制柜
在繪制完電器、編完程序之后，就可以制作控制臺和控制柜了。在時(shí)間緊張的時(shí)候，這項工作也可以和編制程序并列進(jìn)行。在制作控制臺和控制柜的時(shí)候要注意選擇開(kāi)關(guān)、按鈕、繼電器等器件的質(zhì)量，規格必須滿(mǎn)足要求。設備的安裝必須注意安全、可靠。比如說(shuō)屏蔽問(wèn)題、接地問(wèn)題、高壓隔離等問(wèn)題必須妥善處理。
現場(chǎng)調試
現場(chǎng)調試是整個(gè)控制系統完成的重要環(huán)節。任何程序的設計很難說(shuō)不經(jīng)過(guò)現場(chǎng)調試就能使用的。只有通過(guò)現場(chǎng)調試才能發(fā)現控制回路和控制程序不能滿(mǎn)足系統要求之處；只有通過(guò)現場(chǎng)調試才能發(fā)現控制電路和控制程序發(fā)生矛盾之處；只有進(jìn)行現場(chǎng)調試才能最后實(shí)地測試和最后調整控制電路和控制程序，以適應控制系統的要求。
編寫(xiě)技術(shù)文件并現場(chǎng)試運行
經(jīng)過(guò)現場(chǎng)調試以后，控制電路和控制程序基本被確定了，整個(gè)系統的硬件和軟件基本沒(méi)有問(wèn)題了。這時(shí)就要全面整流技術(shù)文件，包括整理電路圖、 PLC 程序、使用說(shuō)明及幫助文件。到此工作基本結束
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