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如何设计一个plc控制系统(plc控制系统的设计)

文章作者:邱老师 发布时间:2022-09-09 17:22:26 浏览次数:0

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如何设计一个plc控制系统

项目分析

项目分析要求对项目的生产流程、工作环境、硬件要求和控制要求进行综合分析。这项工作是整个系统设计的基础。如果对前期项目的分析不到位,会导致硬件选型不准确,项目延期。

一、项目分析

技术人员首先要对项目进行分析,即项目的控制过程和各过程的控制类型,对整个项目可能出现的问题进行预测。

(1)分析控制过程。在分析控制流程时,建议画出相关的控制流程图,明确标注每一步的内容和到下一步的条件。

(2)分析控制类型,估算PLC选型所需的参数。通常,PLC适用于四种控制类型,即顺序控制、过程控制、运动(或位置)控制和网络通信。工程师在对控制需求进行分析后,会根据绘制的控制流程图对每个控制流的控制类型进行分类,然后根据项目的复杂程度对控制类型进行组合。因此,在前期准确分析每一步的控制类型,将有助于准确选择和预测问题。

在分析项目控制的类型时,工程师和技术人员还应该估计PLC选择所需的重要参数值。如顺序控制中I/O点的数量;如果使用编码器,要根据编码器的参数计算出其输出脉冲的频率值,然后转换成PLC高速计数的脉冲频率。比如过程控制中模拟量的数量和精度,运动控制中PLC对伺服驱动器反馈信号的响应速度和PLC高速脉冲输出的数量,网络通讯中所选用的PLC是否支持相应的网络类型。

第二,估计可能出现的问题

对可能出现问题的预测是工程分析中的一个难点环节。这就要求工程技术人员不仅要很好地掌握现场的工作环境和整个工程的控制难点,还要对可能出现的紧急情况和危险有一个早期的预测。

(1)掌握设备工作环境。工程人员需要对生产环境有全面的了解。比如纺织机械工作环境中的空空气湿度大,振动大,所以在设计PLC系统时要做好防震工作。再比如建材加工厂的环境温度比较高,灰尘多,静电强。因此,工程技术人员应在保证电控柜通风良好的前提下,进一步做好防尘、除静电工作。

对设备工作环境的把握并不局限于物理环境。随着PLC的进一步应用,更加需要考虑人的因素。如果设备操作人员素质较低,就需要开发简洁的设备操作界面。

(2)对项目困难的预期。对项目难度的预期,其实就是对项目核心问题的把握。比如喷气织机设备的控制核心就是如何快速有序的控制电磁阀,利用压缩空空气的摩擦力拉动纬纱通过纺织梭子,从而完成纺织的引纬,这就要求PLC的响应速度非常快。确定项目难度后,工程技术人员可以根据难度选择PLC。从整个项目来看,项目的难点是系统设计的特点和PLC选型的方向。

(3)项目危害预估计。在项目设计的早期,工程技术人员需要预测该项目的可能出现的危险情况。比如顺序控制或运动控制中调试设备时的防误操作保护;在过程控制中,检测时是否有高压、高温或有毒有害物质及相关防护措施。在项目设计的早期预测危险,有助于加强工程技术人员的安全意识。

PLC的硬件选择

PLC的选择是工程技术人员根据对以往项目的分析和对项目难度的预期,选择合适的PLC,主要依据以下原则。

首先,特殊先于一般原则

根据工程经验,大部分工程项目中制约PLC选型的因素主要集中在几个关键点上,所以选用PLC应遵循先特殊后一般的原则。

所谓特殊是指项目特殊的控制要求,不同的控制类型有不同的一级约束。比如顺序控制,CPU的程序能力和I/O点的扩展能力是PLC选型的主要因素。在控制过程中,模拟量的数量和精度作为选择的出发点。在简单的运动控制中,PLC需要接收现场编码器发回的位置信号,并发出一定频率的脉冲来控制伺服电机。因此,数据处理的速度、输入端接收高速脉冲的能力、PLC输出端发送高速脉冲的能力将是PLC选型的首要因素。但在大型复合项目中,需要不同的PLC网络,因此PLC支持的网络类型成为PLC选择的首要因素。

工程师要根据这个项目的核心需求,按照从特殊到一般的顺序安排不同的控制需求,这样选择会事半功倍,降低项目的整体难度。

第二,自下而上的原则

自下而上原则的目的是使PLC选型的性价比最大化。目前大多数厂商的PLC产品分为多个系列。工程技术人员在选型时,要按照第一步从专用到通用的选型顺序,从最低的PLC开始,逐个检查性能参数。当发现不符合要求时,再考虑更高级的产品。依此类推,直到所有符合要求的PLC型号都被选中。如果从上到下选型,PLC的功能就浪费了,造成大马拉大车。

三。PLC开关输入/输出单元的选择

PLC的开关输入点用于接收现场传感器输入的液位信号,开关时输出点的作用是根据内部控制信号驱动外部负载。

(1)开关输入端子的选择。目前市面上的PLC输入点都是晶体管输入,用户只需要根据前期预估的输入点进行选择即可。但这里需要注意的是,由于PLC端子的接线类型不同,分别有NPN和PNP两种输入模式,也就是说输入端子是低电平有效还是高电平有效。一旦确定了输入端子的接线类型,就要选择输入类型相同的传感器,即NPN和PNP传感器不能共用PLC的同一个输入端子。

目前市场上PLC的输入端子大多是DC 24V输入电压。如果需要将其他电压规格的传感器连接到PLC上,需要使用继电器进行相应的隔离,以确保连接到PLC输入端的信号是DC 24V电压。

(2)开关输出端子的选择。PLC的开关输出点类型主要有继电器输出和晶体管输出。

1)继电器输出类型。该继电器具有良好的输出负载能力,能在短时间内承受较高的过电压和过电流,并具有较强的隔离功能。但由于继电器内部为机械接触,其动作寿命有限,只能用于连接动作频率较低且不需要高速脉冲输出的场合。

2)晶体管输出型。晶体管输出是通过控制其内部三极管的导通来控制输出端的通断,里面没有机械接触结构。因此,与继电器输出触点相比,晶体管输出触点使用寿命长,工作频率高,不易损坏。缺点是负载能力差。

(3)选择开关输出端子的注意事项

与输入端类似,晶体管输出端可分为NPN型和PNP型。一旦型号确定,负载只能以相同的接线方式连接。

在实际应用中,建议工程技术人员选用晶体管输出PLC,在输出端用继电器连接外部负载,对下游负载设备形成电气隔离。这种组合结合了晶体管寿命长和继电器负载能力强的优点。如果现场出现电气故障,PLC的输出端将被隔离继电器保护免受损坏,只需更换损坏的继电器。继电器输出PLC端子一旦损坏,损坏的端子无法修复。

第四,先内置后扩展的原则

随着PLC的不断升级,特别是小型机功能的增强,许多扩展模块的功能已经内置到单个PLC中,例如模拟功能和通信功能。所以在选型时尽量选择内置功能多的PLC,既降低了成本,又节省了控制柜空,简化了设置和编程工作量。

5.掌握PLC选择的冗余度

由于预估算、现场施工变化和后期维护升级的需要,PLC选型要考虑一定的冗余。考虑到主要I/O点的数量,较小的项目应控制在20%的冗余范围内;大型项目应控制在5% ~ 10%。比如其他模拟、通信、总线功能的冗余,需要工程技术人员根据现场硬件配置灵活掌握。如果控制功能都是内置PLC,需要更换更高级别的单机PLC;如果控制功能是通过扩展模块实现的,那么考虑冗余时只需要更新相应的模块即可。

PLC编程要点

(1)根据控制流程图分配程序段

根据前期的控制流程图,将控制程序划分为不同的程序段,可以使程序整体结构清晰,便于后期调试。如果项目比较复杂,很容易将程序分段后分发给几个程序员,从而整体提高编程效率。

(2)编写I/O表和内存表。

编制I/O表就是给每个输入输出点分配地址,并做注释,避免编程时I/O点的混淆。编制内存表是将PLC内存地址赋给程序的中间变量并做注释,方便编程时参考。

(3)简化编程。

程序员在熟悉PLC指令系统的基础上,熟练使用高级指令编程,可以大大减少编程工作量,节省PLC内存空,有助于充分发挥PLC的功能。

(4)明确的评论。

为了方便程序的后期调试,程序中要明确标注各相关点的注释,包括所使用的特殊指令的用途。程序可读性强,为后期的项目维护和升级奠定了基础。

PLC程序调试方法

PLC应用程序的调试可以分为两个步骤:模拟调试和在线调试。

一、模拟调试

模拟调试是指根据开关I/O单元上每一位对应的led的显示状态,在没有输出设备的情况下进行调试。

设计好控制程序后,通常先进行仿真调试。一些PLC制造商提供在计算机上运行的模拟软件,可以用来代替PLC硬件调试程序,例如与欧姆龙公司的CX编程器编程软件配套的CX模拟器模拟软件。在仿真过程中,根据系统功能的要求,强制开启或关闭某些输入元件位,或者重写某些元件中的数据,以监控系统功能是否能正确实现。

如果连接PLC硬件调试程序,连接在输入端子上的小开关和按钮可以用来模拟PLC的实际输入信号,例如可以用来发出操作指令,也可以用来模拟实际的反馈信号,如行程开关的触点的通断。通过开关输出单元上各输出点对应的LED,观察输出信号是否符合设计要求。

顺序控制程序调试的主要任务是检查程序是否按照顺序控制图的规定运行,即实现某一转换时活动步的状态是否正确变化,转换的前一步是否全部变为非活动步,后一步是否全部变为活动步,每一步的驱动负载是否相应变化。调试时要充分考虑所有可能出现的情况,对系统的所有不同工作方式、顺序控制图中的每个分支、所有可能的进度路线都要逐一检查,不能遗漏。发现问题,及时修改程序,直到输入信号和输出信号的关系完全满足所有可能情况下的要求。如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大,为了缩短调试时间,可以在调试时减小,待模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。

总之,模拟调试是整个程序设计中非常重要的内容,可以初步检验程序的实际效果。仿真调试和编程是密不可分的,程序的很多功能都是在调试中不断修改和逐步完善的。模拟可以在实验室或野外进行。如果在现场进行模拟调试,应将PLC系统与现场信号隔离,并切断I/O单元的外部电源,以免造成不必要的损失。

二、在线调试

在线调试是指将PLC安装到控制柜内,连接输入元件和输出负载,运行控制程序进行整体调试的过程。

在模拟调试程序的同时,可以设计制造控制柜,也可以同时进行PLC以外的硬件的安装和接线。控制柜内部接线完成后,应进行接线测试。可以在控制柜的端子上模拟来自PLC外部的开关输入信号,也可以操作控制柜面板上的按钮和命令开关,观察相应PLC输入点的状态变化是否正确。使用编程器或编程软件强行设置或复位PLC的输出点,观察相应PLC的负载(如外部继电器、接触器等。)动作是否正常,或者相应控制柜端子上输出信号的状态变化是否正确。

对于有模拟输入的系统,可以向变送器提供标准输入信号,通过调节单元上的电位器或程序中的参数,模拟输入信号与转换后的数字量之间的关系可以满足要求。

控制柜现场安装完毕,柜内接线测试完成后,将外部输入元件和执行机构连接到PLC上,将PLC置于运行模式,运行控制程序,检查控制系统是否能满足要求。

在调试过程中将暴露出PLC系统可能存在的硬件问题及梯形图设计中的问题,发现问题后在现场加以解决,直到完全符合要求。全部调试完成后,还要经过一段时间的试运行,以检验系统的可靠性。

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