2.4 PLC控制系统软件设计_西门子PLC S7-300/400工程实例-QQ阅读男生历史网

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2.4 PLC控制系统软件设计

PLC的控制系统软件设计是整个控制系统的“思想”。控制系统软件设计流程大体可以遵照图2-6所示进行，其中编写程序是软件设计的重中之重。

图2-6　控制系统软件设计流程图

2.4.1 PLC程序设计方法

控制系统的PLC程序需要根据PLC自身的特点及其在工业控制过程中要求实现的具体控制功能来设计，设计时应遵循一定的原则：逻辑关系简单清晰，易于编程输入，少占内存，减少扫描时间。

对于PLC控制程序的设计，有以下几种方法。

1. 时序流程图法

时序流程图法是首先画出控制系统的时序图，再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程。

2. 步进顺控法

一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成是整个控制过程中的一步。从这个角度去看，一个复杂的系统的控制过程是由若干个这样的步组成的。系统控制的任务实际可以认为是在不同时刻或在不同进程中去完成对各个步的控制。

3. 经验法

经验法是运用技术人员自己或者他人的经验，例如在一些典型电路的基础上进行设计。多数是设计前，先选择与自己工艺要求相近的程序，结合自己工程的情况，根据被控对象对控制系统的具体要求，对这些“实验程序”不断修改、调试，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，可能来自技术人员自己的经验总结，也可能来自其他技术人员的设计经验。

4. 计算机辅助设计

计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等。编程软件STEP7和WinCC，仿真软件PLCSIM等都是S7系列PLC编程常用软件。使用这些编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试。

2.4.2 PLC组态界面设计方法

PLC组态界面的作用是监控整个控制系统的运行情况，一个好的监控系统能使操作人员更加轻松、方便和安全。一般来说，组态界面在设计时，应该包括以下几个方面：

1）工艺流程界面。针对系统的总体流程，给操作人员一个直观的操作环境，同时对系统的各项运行数据也能实时显示。

2）操作控制界面。操作人员可能对系统进行开车、停车、手动/自动等一系列操作，通过此界面可以很容易实现这些要求。

3）趋势曲线界面。在过程控制中，许多过程变量的变化趋势对系统的运行起着重要的影响，因此趋势曲线在过程控制中尤为重要。

4）历史数据归档。为了方便用户查找以往的系统运行数据，需要将系统运行状态历史数据进行归档保存。

5）报警信息提示。当出现报警时，系统会以非常明显的方式来告诉操作人员，同时对报警的信息也进行归档保存。

6）相关参数设置。有些系统随着时间的流逝或操作后，一些参数会发生改变，操作人员可根据自己的经验对相应的参数进行一些调整。

常见的PLC组态界面如图2-7所示。

图2-7　PLC组态界面示意图

2.4.3 PLC控制系统可靠性设计

2.4.3.1 硬件可靠性设计

1. PLC的安装

（1）PLC安装的一般性设计原则

1）在对PLC接线时要确保所有的电器符合国家和地区的电气标准，及时同地区的权威机构保持联系，以确定哪些标准与某些特殊的设计要求相符合。

2）要正确地使用导线。

3）不要将连接器的螺钉拧得过紧。

4）尽可能使用短导线（最长500m屏蔽线，或300m非屏蔽线），导线要尽量成对使用，用一根中性或公共导线与一根热线或信号线相配对。

5）将交流线和大电流快速开关的直流线与小电流的信号线隔开。

6）正确地识别和划分PLC模块的接线端子。

7）针对闪电式浪涌，安装合适的浪涌抑制设备。

8）控制设备在不安全条件下可能会失灵，导致被控制设备的误操作。这样的误操作会导致严重的人身伤害和设备严重损坏。可以考虑使用独立于PLC的紧急停机功能、机电过载保护设备或其他冗余保护。

（2）使用隔离电路时的接地与电路参考点设计原则

1）应该为每一个安装电路选一个参考点（0V），这些不同的参考点可能会连在一起，这种连接可能会导致预想不到的电流，它们会导致逻辑错误或损坏电路。产生不同参考电动势的原因经常是由于接地点在物理区域上被分隔的太远。当相距很远的设备被通信电缆或传感器连接起来的时候，由电缆线和地之间产生的电流就会流经整个电路。即使在很短的距离内，大型设备的负载电流也可以在其与地电动势之间产生变化，或者通过电磁作用直接产生不可预知的电流。对于没有正确设定参考点的电源，相互之间的电路有可能产生毁灭性的电流，以致破坏设备。

2）当把几个具有不同电位的CPU连到一个PPI网络时，应该采用隔离的RS-485中继器。一般情况下，PLC产品已在特定点上安装了隔离元件，以防止安装中有不期望的电流产生。如果打算安装，应考虑哪些地方有这些隔离元件，哪些地方没有。同时也应考虑到相关电源之间的隔离以及其他设备的隔离，还有相关电源的参考点位置。

3）选择一个接地参考点，并且用隔离元件来破坏可能产生不可预知电流的、无用的电流回路。在暂时性连接中可能引入新的电路参考点，比如编程设备与CPU连接的时候。

4）在现场接地时，一定要随时注意接地的安全性，并且要正确地操作隔离保护设备。

5）在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制效果。

（3）S7-300隔离特性

1）CPU逻辑参考点与DC传感器提供的M点类似。

2）CPU逻辑参考点与采用DC电源供电的CPU输入电源提供的M点类似。

3）CPU通信端口与CPU逻辑口（DP口除外），具有同样的参考点。

4）模拟输入及输出与CPU逻辑不隔离，模拟输入采用差动输入并提供低压公共模式的滤波电路。

5）逻辑电路与地之间的隔离为AC500V。

6）DC数字输入和输出与CPU逻辑之间的隔离为AC500V。

7）DC数字I/O组的点之间间隔为AC500V。

8）继电器输出、AC输出与输入与CPU逻辑之间的间隔为AC1500V。

9）继电器输出组的点之间隔离为AC1500V。

10）AC电源线和零线与地、CPU逻辑以及所有的I/O之间的隔离为AC1500V。

2. 电源的安装

（1）交流输入PLC的安装

1）用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离。

2）用一台过电流保护设备保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上熔丝进行范围更广的保护。

3）将S7-300的所有地线端子和最近接地点相连接，以获得最好的抗干扰能力。建议使用1.5mm2的电线连接到独立导电点上（一点接地）。

4）本机单元的直流传感器电源可用作本机单元的输入和扩展DC输入以及扩展继电器线圈供电，这一传感器电源具有短路保护功能。

5）在大部分的安装中，如果把传感器的供电M端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制效果。

（2）直流输入PLC的安装

1）用一个单刀开关将电源与CPU、所有的输入电路和输出（负载）电路隔离开。

2）用过电流保护设备保护CPU的电源、输出点以及输入点。也可以为每个输出点加上熔丝进行过电流保护。

3）确保DC电源有足够的抗冲击能力，以保证在负载突变时，可以维持一个稳定的电压，因此需要一个外部电容。

4）在大部分的应用中，把所有的DC电源接到地可以得到最佳的噪声抑制效果。在未接地DC电源的公共端与保护地之间接上电阻与电容并联电路。电阻提供了静电释放通路，电容提供了高频噪声通路，其典型值为4700pF。

5）DC24V电源回路与设备之间，以及AC120/230电源与危险环境之间，必须提供安全电器隔离。

3. 保护电路

PLC输出电路中没有保护，因此在外部电路中可以设置串联熔断器等保护装置，以防止负载短路造成PLC损坏。

（1）限位保护

对有些快速动作的机械设备不仅要有行程开关限位，还要有极限限位保护。限位保护可以由电子限位开关、机械限位开关和机械挡板等组成。

（2）急停保护

急停保护是用来将设备紧急停止以应付突发故障，避免导致更大的事故。

（3）联锁保护

在硬件设计中要考虑到有些可移动设备的联锁问题。比如电动机的正转和反转接触器之间要有互锁保护。液压系统中双向电磁阀也要有互锁保护。互锁的作用是使得两个相反动作的设备不会同时动作。常用的方法是将两个设备的常闭触点相互串联，使用联锁开关等。

4. 抑制电路

（1）抑制电路的使用

在感性负载中要加入抑制电路，以抑制在关闭电源时电压的升高。可以根据实际控制要求设计具体的抑制电路。设计的有效性取决于实际的应用，因此必须调整参数以适应具体的应用。要保护所有的器件参数与实际应用相符合。

（2）继电器输出模块的保护

对继电器输出模块的保护主要有两个方面：一个方面是对继电器触点的保护，使电感在断电时不会产生高压到继电器的触点；另一方面是对电源的保护，使为继电器提供电压的电源不会受高压的冲击。抑制高电压的主要办法是在感性负载两端并联RC吸收电路，对交流电源除了用RC电路吸收之外，还可以并联电阻以消除电压冲击。

5. 系统接地设计

在实际的控制系统设计中，接地设计是抑制信号干扰、确保系统可靠工作的主要办法。所以，通常要单独设计PLC的接地系统。

在PLC组成的控制系统中，主要有以下几种地线：

（1）数字地：各种数字量信号的零电位，也称为逻辑地。

（2）模拟地：各种模拟量信号的零电位。

（3）交流地：交流电源的地线，通常也是产生干扰和噪声的地。

（4）直流地：直流电源的地。

（5）屏蔽地：为防止静电感应和磁场感应而设置的地。

接地方法如下。

（1）保护接地

保护接地指的是接大地，可采用不小于10mm2的保护铜导线接好配电板的保护地。相邻的控制柜也应良好接触并与地可靠连接，并尽可能短地与UPS电源、系统地线连接。同时要做好防雷保护接地，通常可以采取总线电缆使用屏蔽且屏蔽层两端接地，或模拟信号电缆采取两层屏蔽，外层屏蔽两端接地等措施。另外，为防止感应雷电进入系统，可采用浪涌吸收器。

（2）工作接地

工作接地包括信号回路接地和屏蔽接地。

1）在PLC控制系统中，非隔离信号需要有一个统一的信号参考点，并且进行信号回路接地。信号回路接地通常使用直流电源负极。

2）为防止静电感应和磁场感应而设置的屏蔽接地端子，应做屏蔽接地。

6. 使用环境

应合理布置PLC的使用环境，提高系统的抗干扰能力。具体采取的措施有：原理高压柜、高频设备、动力屏柜以及高压线或大电流动力装置；通信电缆和模拟信号电缆尽量不与其他的屏柜或设备共用电缆沟；PLC柜内不用荧光灯等。另外，PLC虽适合工业现场，但使用中也应尽量避免直接震动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体、灰尘过多、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。