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行 业：电气 工控电器 DCS/PLC系统 

发布时间：2023-02-22

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PLC系统的开关量输入信号一般包括系统信号、操作信号、设备状态信号3大类。系统信号来自其他PLC控制系统、DCS系统、计算机测控系统等的控制信号。操作信号是操作人员给出的控制信号，一般来自电控柜、操作台、现场操作手柄等。设备状态信号来自生产现场的控制逻辑和设备的状态，例如设备允许信号、故障信号、压力继电器、温度继电器、液位继电器及行程开关等，按照不同的分类方式，开关量输入信号可分为触点信号和电平信号、交流信号和直流信号，24V和非24V等多种类型。由此可见，PLC输入回路是输入信号进入PLC的通路。设计输入回路可参考以下原则和方法：

①规划每张输入回路的输入点数。大多数PLC采用八进制编址、8位字节或16位字进行I/O地址，因此，在A4规格的图纸中设计8点输入回路比较合适。

②按照输入编址表的顺序依次设计输入回路图。在设计过程中，考虑到系统信号、操作信号和设备状态信号的隶属关系和相互关系，可能需要调整输入编址表。有时将交叉进行编址表的调整和输入回路图的设计。

③从外部输入到电控柜的信号，必须分配接线端子，属于柜内的输入信号，如按钮、选择开关等，则不经过端子。

④为了清楚地表达输入回路的逻辑关系，有时需要设计不属于本系统而属于其他系统的电气元件和连接关系，此时应将这些元件放在虚线框内。

⑤对于24V电平信号或低频脉冲信号，其信号的负端或低端和PLC的COM端连接，正端或高端和PLC的输入端连接。

⑥对于NPN型接近开关，如果采用三线制，则电源接PLC的24VDC，接近开关的公共端和PLC的COM端连接，信号输出端接PLC的输入端。如果是PNP型接近开关，则需增加相应的转换回路。

⑦对于非24V的电平信号或交流信号，增加相应的中间继电器进行转换。使用外部信号驱动中间继电器的线圈，将中间继电器的触点连接到PLC的输入和COM端。

⑧矩阵式输入回路的设计。当PLC系统的输入点数不够用时，可以采用矩阵式输入，其原理如图5-2所示。PLC的输出公共端COM1和PLC的输入公共端COM必须连接，以形成回路，地址PLC的Y0～Y3依次输出矩阵的列信号，依次通过PLC的X0～X3读入矩阵的行信号，结合输出的列信号状态和读入的行信号状态即可获悉每个按钮的状态。例如，Y1=ON，如果X0=ON则说明SB5已接通;如果X1=ON，则说明SB6被接通;依此类推。为了节省扫描时间，可先将Y0～Y3置为全1(全为ON，Y0～Y3的输出晶体管导通)，读入X0～X3，如果不全为0，则说明至少有一个按钮接通，此时可通过依次扫描获取已接通的按钮，否则不进行依次扫描。

⑨模拟量输入回路。一般系统的模拟量输入模块可直接实现0～5V、0～10V、-10～ 10V 等电压信号或0～20mA、4～20mA或-20～ 20mA 等电流信号。有的PLC 系统的模拟量模块还能直接处理热偶信号和热阻信号。对于低电平模拟量信号或小信号，在设计输入电路图时应采用差动输入方式，大信号或高电平信号既可采用单端输入方式，也可采用差动输入方式。对于小信号输入，应采用屏蔽双绞线，并设计屏蔽接地。对于同一种规格的模拟量信号应分配到同一个模块，以便设置统一的分辨率来提高系统的精度。PLC系统的周围一般都有大功率电机等设备，因此，PLC系统和传感器或变送器之间以电流信号进行传输。

 在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。

    一、输入输出（I/O）点数的估算

    I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展

    余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。

    二、存储器容量的估算

    存储器容量是可编程序控制器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使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。

    存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。

    三、控制功能的选择

    该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。

    (一)运算功能

    简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。

    (二)控制功能

    控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。

    (三)通信功能

    大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。

    PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合标准，通信距离应满足装置实际要求。

    PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。

    为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。

    (四)编程功能

    离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。

    五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。