本篇文章能讓讀者了解PLC控制系統(tǒng)設計的原則和一般流程；理解控制系統(tǒng)可靠性設計方法和調(diào)試方法；掌握硬件系統(tǒng)選型的方法。由于內(nèi)容較多,我們分為三個片斷。

PLC控制系統(tǒng)設計原則

▼

實用性  

實用性是控制系統(tǒng)設計的基本原則。工程師在研究被控對象的同時，還要了解控制系統(tǒng)的使用環(huán)境，使得所設計的控制系統(tǒng)能夠滿足用戶所有的要求。硬件上要盡量的小巧靈活，軟件上應簡潔、方便。

可靠性  

可靠性是控制系統(tǒng)極其重要的原則。對于一些可能會產(chǎn)生危險的系統(tǒng)，必須要保證控制系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定、安全、可靠的運行，即使控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)問題，起碼能夠保證不會出現(xiàn)人員和財產(chǎn)的重大損失。在系統(tǒng)規(guī)劃初期，應充分考慮系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，提出不同的設計方案，選擇一種非常可靠且較容易實施的方案；在硬件設計時，應根據(jù)設備的重要程度，考慮適當?shù)膫浞莼蛉哂啵辉谲浖�設計時，應采取相應的保護措施，在經(jīng)過反復測試確保無大的疏漏之后方可聯(lián)機調(diào)試運行。

經(jīng)濟性  

這要求工程師在滿足實用性和可靠性的前提下，應盡量使系統(tǒng)的軟、硬件配置經(jīng)濟、實惠，切勿盲目追求新技術、高性能。硬件選型時應以經(jīng)濟、合用為準；軟件應當在開發(fā)周期與產(chǎn)品功能之間作相應的平衡。還要考慮所使用的產(chǎn)品是否可以獲得完備的技術資料和售后服務，以減少開發(fā)成本。

可擴展性  

這要求工程師，在系統(tǒng)總體規(guī)劃時，應充分考慮到用戶今后生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進的需要，在控制器計算能力和I/O端口數(shù)量上應當留有適當?shù)脑Ａ浚�同時對外要留有擴展的接口，以便系統(tǒng)擴展和監(jiān)控的需要。

先進性  

這要求工程師在硬件設計時，優(yōu)先選用技術先進，應用成熟廣泛的產(chǎn)品組成控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)在一定時間內(nèi)具有先進性，不致被市場淘汰。此原則與經(jīng)濟性共同考慮，使控制系統(tǒng)具有較高的性價比。

PLC控制系統(tǒng)設計流程

▼

設計控制系統(tǒng)時應遵循一定的設計流程，掌握設計流程，可以增加控制系統(tǒng)的設計效率和正確性。PLC控制系統(tǒng)的一般設計流程如圖1-1所示：

 被控對象的分析 與描述

▼

分析被控對象就是要詳細分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進行深入的溝通，確保分析的全面而準確。在控制系統(tǒng)設計時，往往需要達到一些特定的指標和要求，即滿足實際應用或是客戶需求。在分析被控對象時，必須考慮這些指標和要求。在全面的分析之后，就需要按照一定的原則，準確地用工程化的方法描述被控對象，為控制系統(tǒng)設計打好基礎。

系統(tǒng)規(guī)模  

根據(jù)被控對象的工藝流程、復雜程度和客戶的技術要求確定系統(tǒng)的規(guī)模，可以分為大、中、小三種規(guī)模。確保硬件資源有一定裕量而不浪費。

小規(guī)模控制系統(tǒng)適用于單機或小規(guī)模生產(chǎn)過程，以順序控制為主，信號多為開關量，且I/O點數(shù)較少（低于128點），精度和響應時間要求不高。一般選用S7-200就可達到控制要求

中等規(guī)模控制系統(tǒng)適用于復雜邏輯和閉環(huán)控制的生產(chǎn)過程，I/O點數(shù)較多（128點到512點之間），需要完成某些特殊功能，如PID控制等。一般選用S7-300等。

大規(guī)模控制系統(tǒng)適用于大規(guī)模過程控制、DCS系統(tǒng)和工廠自動化網(wǎng)絡控制，I/O點數(shù)較多（高于512點），被控對象的工藝過程較復雜，對于精度和響應時間要求較高。應選用具有智能控制、高速通信、數(shù)據(jù)庫、函數(shù)運算等功能的高檔PLC，如S7-400等。

硬件配置  

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和客戶的技術對控制系統(tǒng)I/O點數(shù)進行估算。分析被控對象工藝過程，統(tǒng)計系統(tǒng)I/O點數(shù)和I/O類型。按照設備和生產(chǎn)區(qū)域的不同進行劃分，明確各個I/O點的位置和功能。再加上10%～20%的備用量列出詳細的I/O點清單。

軟件配置  

根據(jù)控制系統(tǒng)設計要求選擇適合的軟件，包括系統(tǒng)平臺軟件、編程軟件。

上位機監(jiān)控軟件的選擇。首先需考慮監(jiān)控的點數(shù)限制；是否有報警顯示、趨勢分析、報表打印以及歷史記錄功能。

控制功能  

要正確的進行控制系統(tǒng)的規(guī)模選擇，首先要了解各家控制器的特性，比如性能參數(shù)、應用場合、行業(yè)解決方案，以及可靠性和通用性等。如何選擇一個控制系統(tǒng)，一般遵循以下幾點：

控制系統(tǒng)是否需要冗余、I/O信號模塊是否需要冗余、通訊是否需要冗余。

控制點數(shù)有多少，包括數(shù)字量輸入和輸出點數(shù)、模擬量輸入和輸出點數(shù)。

被控對象工藝是否復雜，是否需要實現(xiàn)特殊功能，比如防喘控制等。

系統(tǒng)正常運行時，控制器的負載率是否有足夠的工作裕量；I/O信號點是否需要一定的余量。

針對數(shù)字信號，是否需要繼電器隔離；考慮輸入信號的電壓和電流等級；輸出信號是否需要固態(tài)繼電器輸出。

針對模擬量信號，是否需要安全隔離柵；信號的類型，電壓型還是電流型；電壓和電流的測量范圍。不一樣的信號類型，需要選擇不一樣的I/O信號模塊。

用于溫度測量的信號模塊，考慮是熱電阻還是熱電偶。

信號模塊是否需要在線帶電插拔更換。如果需要，還需考慮附加特殊的背板插槽。

當系統(tǒng)和外部出現(xiàn)故障時，比如信號短路或鍛爐，這時信號模塊是否需要將輸入輸出信號自動切換到預先設置的安全值。如有要求，需考慮選用故障安全型的控制器和信號模塊。

當需要和第三方設備通訊時，需考慮通訊距離的長短，以及相應的通訊接口協(xié)議等，選用不同的通訊模塊。

針對系統(tǒng)中的重要連鎖信號，是否需要特殊的SOE模塊，來記錄信號變化的時間先后順序。

熟悉被控對象是設計控制系統(tǒng)的基礎。只有深入了解被控對象以及被控過程，才能夠提出合理科學的控制方案。

1）分析被控對象。詳細分析被控對象的工藝流程，了解其工作特性。此階段一定要與用戶進行深入的溝通，確保分析得全面而準確。

2）畫出工藝流程圖。經(jīng)過第一步，應對被控對象的整個工藝流程有了深入的了解，為了更直觀、簡潔的表示，畫出工藝流程圖，為后面的系統(tǒng)設計做準備。

3）分析并明確控制任務。根據(jù)已經(jīng)做好的工藝流程圖，工程師可以把用戶提出的控制要求轉(zhuǎn)換為專業(yè)術語，對其逐一進行分解，并從控制的角度將其中的要求轉(zhuǎn)化為多個控制回路。對于過程控制系統(tǒng)可用P&ID圖來表示其中的控制關系。

 PLC控制系統(tǒng)總體設計

在控制系統(tǒng)設計之前，需要對系統(tǒng)的方案進行論證。主要是對整個系統(tǒng)的可行性作一個預測性的估計。在此階段一定要全面地考慮到設計和實施此系統(tǒng)將會遇到的各種問題。如果沒有做過相關項目的經(jīng)驗，應當在實地仔細考察，并詳細地論證設計此系統(tǒng)中的每一個步驟的可行性。特別是在硬件實施階段中，稍有不慎，就會造成很大的麻煩，輕則系統(tǒng)不成功，重則會造成嚴重的人員和財產(chǎn)的損失。工程實施的過程中的阻礙，往往都是由于這一步?jīng)]有做足工夫而導致的。

系統(tǒng)的總體設計關系到整個系統(tǒng)的總體構架，每個細節(jié)都必須經(jīng)過反復斟酌。首先要能夠滿足用戶提出的基本要求；其次是確保系統(tǒng)的可靠性，不可以經(jīng)常出現(xiàn)故障，就算出現(xiàn)故障也不會造成大的損失；然后在經(jīng)濟性等方面予以考慮。

一般來說，在系統(tǒng)總體設計時，需要考慮下面幾個問題：

（1）確定系統(tǒng)是用PLC單機控制，還是PLC聯(lián)網(wǎng)控制；確定系統(tǒng)是采用遠程I/O還是本地I/O。主要根據(jù)系統(tǒng)的大小及用戶要求的功能來選擇。對于一般的中小型過程控制系統(tǒng)來說，PLC單機控制已基本能夠滿足功能要求。但也可借鑒集散控制系統(tǒng)的理念，即將危險和控制分散，管理與監(jiān)控集中。這樣可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。

（2）是否需要與其它部分通信。一個完整的控制系統(tǒng)，至少會包括三個部分：控制器、被控對象和監(jiān)控系統(tǒng)。所以對于控制器來說，至少要跟監(jiān)控系統(tǒng)之間進行通訊。至于是否跟另外的控制單元或部門通訊要根據(jù)用戶的要求來決定。一般來說，如果用戶沒有要求，也都會留有這樣的通訊接口。

（3）采用何種通信方式。一般來說，在現(xiàn)場控制層級用PROFIBUS DP；而從現(xiàn)場控制層級到監(jiān)控系統(tǒng)的通訊用PROFINET。但有時候也可互相通用，根據(jù)具體情況選擇合適的通信方式。

（4）是否需要冗余備份系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)的所要求的安全等級，選擇不同的辦法。在數(shù)據(jù)歸檔時，為了讓歸檔數(shù)據(jù)不丟失，可以使用OS服務器冗余；在自動化站（Automation Station，AS），為了使系統(tǒng)不會因故障而導致停機或不可預知的結(jié)果，可以使用控制器冗余備份系統(tǒng)。選擇適當?shù)娜哂鄠浞荩�可以使系統(tǒng)的可靠性得到大幅提高。

在進行控制系統(tǒng)選型之前，首先考慮系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構是怎樣搭建的，網(wǎng)絡結(jié)構示意圖如圖1-2所示。

確定系統(tǒng)的操作站、過程控制站的數(shù)目和位置，相互之間是怎樣連接的。是否需要工業(yè)以太網(wǎng)交換機。

一般情況下，現(xiàn)場控制室和主控制室與電氣控制柜分別安放在兩個地方，且距離較遠，為保證信號的穩(wěn)定可靠，會考慮用光纜來連接各自的交換機。同時，為了通訊線路的冗余，會考慮選用帶榮譽管理功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，將現(xiàn)場操作站和過程控制站組成一個光纖環(huán)網(wǎng)。這樣，即使有一個方向的通訊斷開，也可通過另一個方向繼續(xù)通訊。

對于過程控制站和現(xiàn)場信號之間的連接，傳統(tǒng)的連接方式是將現(xiàn)場信號直接通過硬件連接到過程控制站上。這樣如果距離太遠，信號傳輸會有損耗，尤其是模擬量信號。且當信號點很多時，布線也較復雜，浪費材料。所以，一般需在現(xiàn)場安裝分布式I/O從站（如果現(xiàn)場為危險區(qū)，需選用本質(zhì)安全型的分布式I/O從站），將現(xiàn)場信號直接連接到I/O從站上，在通過現(xiàn)場總線的方式將信號傳送到過程控制站。

隨著技術的發(fā)展，plc的應用越來越廣泛，我們有必要更近一步的去了解PLC，本文將的是PLC控制系統(tǒng)的七大設計步驟。
　　PLC控制系統(tǒng)設計7個步驟步驟：
　　第一.熟悉被控對象，制定控制方案
　　分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的配合，確定被控對象對 PLC控制系統(tǒng)的控制要求。
　　第二.確定I/O設備
　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定用戶所需的輸入(如按鈕、行程開關、選擇開關等)和輸出設備(如接觸器、電磁閥、信號指示燈等)由此確定PLC的I/O點數(shù)。
　　第三.選擇PLC
　　選擇時主要包括PLC機型、容量、I/O模塊、電源的選擇。
　　第四.分配PLC的I/O地址
　　根據(jù)生產(chǎn)設備現(xiàn)場需要，確定控制按鈕，選擇開關、接觸器、電磁閥、信號指示燈等各種輸入輸出設備的型號、規(guī)格、數(shù)量;根據(jù)所選的PLC的型號列出輸入/輸出設備與PLC輸入輸出端子的對照表，以便繪制PLC外部I/O接線圖和編制程序。
　　第五.設計軟件及硬件進行PLC程序設計，進行控制柜(臺)等硬件的設計及現(xiàn)場施工。
　　由于程序與硬件設計可同時進行，因此，PLC控制系統(tǒng)的設計周期可大大縮短，而對于繼電器系統(tǒng)必須先設計出全部的電氣控制線路后才能進行施工設計。
　　第六.聯(lián)機調(diào)試
　　聯(lián)機調(diào)試是指將模擬調(diào)試通過的程序進行在線統(tǒng)調(diào)。開始時，先不帶上輸出設備(接觸器線圈、信號指示燈等負載)進行調(diào)試。利用編程器的監(jiān)控功能，采分段調(diào)試的方法進行。各部分都調(diào)試正常后，再帶上實際負載運行。如不符合要求，則對硬件和程序作調(diào)整。通常只需修改部分程序即可，全部調(diào)試完畢后，交付試運行。經(jīng)過一段時間運行，如果工作正常、程序不需要修改則應將程序固化到EPROM中，以防程序丟失。
　　第七.整理技術文件
包括設計說明書、電氣安裝圖、電氣元件明細表及使用說明書等。
總而言之，設計PLC應用系統(tǒng)時，首先是進行PLC應用系統(tǒng)的功能設計，即根據(jù)被控對象的功能和工藝要求，明確系統(tǒng)必須要做的工作和因此必備的條件。然后是進行PLC應用系統(tǒng)的功能分析，即通過分析系統(tǒng)功能，提出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構形式，控制信號的種類、數(shù)量，系統(tǒng)的規(guī)模、布局。最后根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，具體的確定PLC的機型和系統(tǒng)的具體配置。