一、plc控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則
任何一種電器控制系統(tǒng)都是為了實現(xiàn)被控制對象（生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，因此，在設(shè)計PLC控制系統(tǒng)時，應(yīng)遵循以下基本原則：
1、最大限度地滿足工藝流程和控制要求。工藝流程的特點和要求是開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的主要依據(jù)。設(shè)計前，應(yīng)深入現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，明確控制任務(wù)，并與機(jī)械設(shè)計人員與實際操作人員密切配合，共同擬定電器控制方案，協(xié)同解決設(shè)計中出現(xiàn)的各種問題。
2、監(jiān)控參數(shù)、精度要求以滿足實際需要為準(zhǔn)，不宜過多、過高，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)，使用及維修方便，并降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和開發(fā)成本。
3、保證控制系統(tǒng)的運行安全、穩(wěn)定、可靠。正確進(jìn)行程序調(diào)試、充分考慮環(huán)境條件、選用可靠性高的PLC、定期對PLC進(jìn)行維護(hù)和檢查等都是很重要和必不可少的。
4、考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時，應(yīng)適當(dāng)留有余量。
二、選用PLC控制系統(tǒng)的依據(jù)
隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC的應(yīng)用范圍日益廣泛，使得當(dāng)今的電氣工程技術(shù)人員在設(shè)計電氣控制系統(tǒng)時，會有更多的機(jī)會考慮選用PLC控制。在傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)這三種控制方式中，究竟選取哪一種更合適，這需要從技術(shù)上的適用性、經(jīng)濟(jì)上的合理性進(jìn)行各方面的比較論證。這里提供以下幾點依據(jù)，以供在考慮是否選用PLC控制時參考：
（1）輸入、輸出量以開關(guān)量為主，也可有少量模擬量。
（2）I/O點數(shù)較多。這是一個相對的概念。在70年代，人們普遍認(rèn)為I/O點數(shù)應(yīng)在70點以上選用PLC才合算；到了80年代，降為40點左右；現(xiàn)在，隨著PLC性能價格比的不斷提高，當(dāng)總點數(shù)達(dá)10點以上就可以考慮選用PLC了。
（3）控制對象工藝流程比較復(fù)雜，邏輯設(shè)計部分用繼電器控制難度較大。
（4）有較大的工藝變化或控制系統(tǒng)擴(kuò)充的可能性。
（5）現(xiàn)場處于工業(yè)環(huán)境，而又要求控制系統(tǒng)具有較高的工作可靠性。
（6）系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，能在現(xiàn)場進(jìn)行。
（7）現(xiàn)場人員有條件掌握PLC技術(shù)。
三、PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟
PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制系統(tǒng)的設(shè)計相比較，組件的選擇代替了原來的器件選擇，程序設(shè)計代替了原來的邏輯電路設(shè)計。
（1）根據(jù)工藝流程分析控制要求，明確控制任務(wù)，擬定控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件。技術(shù)條件一般以設(shè)計任務(wù)書的形式來確定，它是整個設(shè)計的依據(jù)。工藝流程的特點和要求是開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的主要依據(jù)，所以必須詳細(xì)分析、認(rèn)真研究，從而明確控制任務(wù)和范圍。如需要完成的動作（動作時順、動作條件，相關(guān)的保護(hù)和聯(lián)鎖等）和應(yīng)具備的操作方式（手動、自動、連續(xù)、單周期，單步等）。
（2）確定所需的用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、信號燈等執(zhí)行元件）以及由輸出設(shè)備驅(qū)動的控制對象（電動機(jī)、電磁閥等），估算PLC的I/O點數(shù)；分析控制對象與PLC之間的信號關(guān)系，信號性質(zhì)，根據(jù)控制要求的復(fù)雜程度，控制精度估算PLC的用戶存儲器容量。
（3）選擇PLC。PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對于保證整個控制系統(tǒng)的各項技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要的作用，PLC的選擇包括機(jī)型的選擇、容量的選擇、I/O模塊的選擇、電源模塊的選擇等。選擇PLC的依據(jù)是輸入輸出形式與點數(shù)，控制方式與速度、控制精度與分辨率，用戶程序容量。
（4）分配、定義PLC的I/O點，繪制I/O連接圖。根據(jù)選用的PLC所給定的元件地址范圍（如輸入、輸出、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器。數(shù)據(jù)區(qū)等），對控制系統(tǒng)使用的每一個輸入、輸出信號及內(nèi)部元件定義專用的信號名和地址，在程序設(shè)計中使用哪些內(nèi)部元件，執(zhí)行什么功能格都要做到清晰，無誤。
（5）PLC控制程序設(shè)計。包括設(shè)計梯形圖、編寫語句表、繪制控制系統(tǒng)流程圖。控制程序是控制整個系統(tǒng)工作的軟件，是保證系統(tǒng)工作正常，安全。可靠的關(guān)鍵，因此，控制程序的設(shè)計必須經(jīng)過反復(fù)測試。修改，直到滿足要求為止。
（6）控制柜（臺）設(shè)計和現(xiàn)場施工。在進(jìn)行控制程序設(shè)計的同時，可進(jìn)行硬件配備工作，主要包括強(qiáng)電設(shè)備的安裝、控制柜（臺）的設(shè)計與制作、可編程序控制器的安裝、輸入輸出的連接等。在設(shè)計繼電器控制系統(tǒng)時，必須在控制線路設(shè)計完成后，才能進(jìn)行控制柜（臺）設(shè)計和現(xiàn)場施工。可見，采用PLC控制系統(tǒng)，可以使軟件設(shè)計與硬件配備工作平行進(jìn)行，縮短工程周期。如果需要的話，尚需設(shè)計操作臺、電氣柜、模擬顯示盤和非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件。
（7）試運行、驗收、交付使用，并編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件包括說明書、設(shè)計說明書和使用說明書、電器圖及電器元件明細(xì)表等。
傳統(tǒng)的電器圖，一般包括電器原理圖、電器布置圖及電器安裝圖。在PLC控制系統(tǒng)中，這一部分圖可以統(tǒng)稱為“硬件圖”。它在傳統(tǒng)電器圖的基礎(chǔ)上增加了PLC部分，因此在電器原理圖中應(yīng)增加PLC的I/O連接圖。此外，在PLC控制系統(tǒng)的電器圖中還應(yīng)包括程序圖（梯形圖），可以稱它為“軟件圖”。向用戶提供“軟件圖”，可便于用戶發(fā)生發(fā)展或工藝進(jìn)時修改程序，并有利于用戶在維修時分析和排除故障。根據(jù)具體任務(wù)，上述內(nèi)容可適當(dāng)調(diào)整。
四、系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)
系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)包括分析工藝流程，明確控制要求、確定控制方案、選擇機(jī)型和輸入輸出設(shè)備選擇及輸入輸出點分配，施工設(shè)計、總裝調(diào)試等。
（一）分析工藝流程，明確控制要求，確定控制方案
首先要詳細(xì)分析實際生產(chǎn)的工藝流程，工作特點及控制系統(tǒng)的控制任務(wù)、控制過程、控制特點，控制功能，明確輸入，輸出量的性質(zhì)，充分了解被控對象的控制要求。
在分析被控對象的基礎(chǔ)上，根據(jù)PLC的特點，與繼電器控制系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制方案的分析與比較，如果被控系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境較差，而安全性，可靠性要求較高，輸入輸出多為開關(guān)量，而用常規(guī)的繼電器接觸器實現(xiàn)，系統(tǒng)較復(fù)雜或難以實現(xiàn)，工藝流程經(jīng)常改變，那么，用可編程序控制器進(jìn)行控制將是合適的。
（二）選擇機(jī)型
隨著PLC的推廣普及，PLC產(chǎn)品的種類和型號越來越多，功能日趨完善。從美國，日本、德國等國家引進(jìn)的PLC產(chǎn)品及國內(nèi)廠商組裝或自行開發(fā)的PLC產(chǎn)品已有幾十個系列。上百種型號。其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、指令系統(tǒng)，編程方法、價格等各有不同，適用的場合也各有側(cè)重。因此，合理選擇PLC產(chǎn)品，對于提高PLC控制系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)起著重要作用。一般來說，各個廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品在可靠性上都是過關(guān)的，機(jī)型的選擇主要是指在功能上如何滿足自己需要，而不浪費機(jī)器容量。PLC的選擇主要包括機(jī)型選擇，容量選擇，輸入輸出模塊選擇、電源模塊選擇等幾個方面。
1、可編程控制器控制系統(tǒng)I/O點數(shù)估算
I/O點數(shù)是衡量可編程控制器規(guī)模大小的重要指標(biāo)。根據(jù)被控對象的輸入信號與輸出信號的總點數(shù)，選擇相應(yīng)規(guī)模的可編程控制器并留有10%～15%的I/O裕量。估算出被控對象上I/O點數(shù)后，就可選擇點數(shù)相當(dāng)?shù)目删幊炭刂破鳌Ｈ绻�是為了單機(jī)自動化或機(jī)電一體化產(chǎn)品，可選用小型機(jī)，如果控制系統(tǒng)較大，輸入輸出點數(shù)較多，被控制設(shè)備分散，就可選用大、中型可編程控制器。
2、內(nèi)存估計
用戶程序所需內(nèi)存容量要受到下面幾個因素的影響：內(nèi)存利用率；開關(guān)量輸入輸出點數(shù)；模擬量輸入輸出點數(shù)；用戶的編程水平。
（1）內(nèi)存利用率  用戶編的程序通過編程器鍵入主機(jī)內(nèi)，最后是以機(jī)器語言的形式存放在內(nèi)存中，同樣的程序，不同廠家的產(chǎn)品，在把程序變成機(jī)器語言存放時所需要的內(nèi)存數(shù)不同，我們把一個程序段中的接點數(shù)與存放該程序段所代表的機(jī)器語言所需的內(nèi)存字?jǐn)?shù)的比值稱為內(nèi)存利用率。高的利用率給用戶帶來好處。同樣的程序可以減少內(nèi)存量，從而降低內(nèi)存投資。另外同樣程序可縮短掃描周期時間，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)。
（2）開關(guān)量輸入輸出的點數(shù)  可編程控制器開關(guān)量輸入輸出總點數(shù)是計算所需內(nèi)存儲器容量的重要根據(jù)。一般系統(tǒng)中，開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出的比為6：4。這方面的經(jīng)驗公式是根據(jù)開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出的總點數(shù)給出的。
所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=開關(guān)量（輸入+輸出）總點數(shù)*10  
（3）模擬量輸入輸出總點數(shù)  具有模擬量控制的系統(tǒng)就要用到數(shù)字傳送和運算的功能指令，這些功能指令內(nèi)存利用率較低，因此所占內(nèi)存數(shù)要增加。
在只有模擬量輸入的系統(tǒng)中，一般要對模擬量進(jìn)行讀入、數(shù)字濾波、傳送和比較運算。在模擬量輸入輸出同時存在的情況下，就要進(jìn)行較復(fù)雜的運算，一般是閉環(huán)控制，內(nèi)存要比只有模擬量輸入的情況需要量大。在模擬量處理中。常常把模擬量讀入、濾波及模擬量輸出編成子程序使用，這使所占內(nèi)存大大減少，特別是在模擬量路數(shù)比較多時。每一路模擬量所需的內(nèi)存數(shù)會明顯減少。下面給出一般情況下的經(jīng)驗公式：
只有模擬量輸入時：
內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量點數(shù)*l00
模擬量輸入輸出同時存在時：
內(nèi)存字?jǐn)?shù)＝模擬量點數(shù)*200
這些經(jīng)驗公式的算法是在10點模擬量左右，當(dāng)點數(shù)小于10時，內(nèi)存字?jǐn)?shù)要適當(dāng)加大，點數(shù)多時，可適當(dāng)減小。
（4）程序編寫質(zhì)量  用戶編寫的程序優(yōu)劣對程序長短和運行時間都有較大影響。對于同樣系統(tǒng)不同用戶編寫程序可能會使程序長度和執(zhí)行時間差距很大。一般來說對初編者應(yīng)為內(nèi)存多留一些余量，而有經(jīng)驗的編程者可少留一些余量。
綜上所述，推薦下面的經(jīng)驗計算公式：
總存儲器字?jǐn)?shù)＝（開關(guān)量輸人點數(shù)+開關(guān)量輸出點數(shù)）*l0+模擬量點數(shù)*150。然后按計算存儲器字?jǐn)?shù)的25%考慮裕量。
3、響應(yīng)時間
對過程控制，掃描周期和響應(yīng)時間必須認(rèn)真考慮。可編程控制器順序掃描的工作方式使它不能可靠地接收持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號。例如某產(chǎn)品有效檢測寬度為5cm，產(chǎn)品傳送速度每分鐘50m，為了確保不會漏檢經(jīng)過的產(chǎn)品，要求可編程控制器的掃描周期不能大于產(chǎn)品通過檢測點的時間間隔60ms（T＝5cm ／50m／60s）。
系統(tǒng)響應(yīng)時間是指輸入信號產(chǎn)生時刻與由此而使輸出信號狀態(tài)發(fā)生變化時刻的時間間隔。系統(tǒng)響應(yīng)時間＝輸入濾波時間+輸出濾波時間+掃描周期.
4、功能、結(jié)構(gòu)要合理
單機(jī)控制往往是用一臺可編程控制器控制一臺設(shè)備，或者一臺可編程控制器控制幾臺小設(shè)備，例如對原有系統(tǒng)的改造、完善其功能等。單機(jī)控制沒有可編程控制器間的通信問題；但功能要求全面。選擇箱體式結(jié)構(gòu)的可編程控制器為好。若只有開關(guān)量控制，可選擇F1、F2、FX、GE-1、C-20、S5-101、TI100、EX-40等品種。另外，國產(chǎn)化CKY-40H、D-40、CF-40、PCZ-40、ACMY-S256品種也可與進(jìn)口貨相媲美。
若被控對象是開關(guān)量和模擬量共有，就要選擇有相應(yīng)功能可編程序控制器。模塊式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品構(gòu)成系統(tǒng)靈活，易于擴(kuò)充，但造價高，適于大型復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場。
5、輸入輸出模塊的選擇
可編程控制器輸入模塊是檢測并轉(zhuǎn)換來自現(xiàn)場設(shè)備（按鈕、限位開關(guān)；接近開關(guān)等）的高電平信號為機(jī)器內(nèi)部電平信號，模塊類型分直流5、12、24、48、60V幾種；交流115V和220V兩種。由現(xiàn)場設(shè)備與模塊之間的遠(yuǎn)近程度選擇電壓的大小。一般5、12、24V屬低電平，傳輸距離不宜太遠(yuǎn)，例如5V的輸入模塊最遠(yuǎn)不能超過10m，也就是說，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓的模塊比較可靠。另外高密度的輸入模塊如32點、64點，同時接通點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般講，同時接通點數(shù)不得超過60%。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須考慮門檻（接通電平與關(guān)斷電平之差）電平的大小。門檻電平值越大，抗干擾能力越強(qiáng)，傳輸距離也就越遠(yuǎn)。
輸出模塊的任務(wù)是將機(jī)器內(nèi)部信號電平轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號。對于開關(guān)頻繁、電感性、低功率因數(shù)的負(fù)載，推薦使用晶閘管輸出模塊，缺點是模塊價格高；過載能力稍差。繼電器輸出模塊優(yōu)點是適用電壓范圍寬，導(dǎo)通壓降損失小，價格便宜，缺點是壽命短，響應(yīng)速度慢。輸出模塊同時接通點數(shù)的電流累計值必須小于公共端所允許通過的電流值。輸出模塊的電流值必須大于負(fù)載電流的額定值。
6、結(jié)構(gòu)型式的考慮
PLC的結(jié)構(gòu)分為整體式和模塊式兩種。整體式結(jié)構(gòu)把PLC的I/O和CPU放在一塊大印刷電路板上，節(jié)省了插接環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，每一I/O點的平均價格也比模塊式的便宜，所以小型PLC控制系統(tǒng)多采用整體式結(jié)構(gòu)。模塊式PLC的功能擴(kuò)展，I/O點數(shù)的增減，輸入與輸出點數(shù)的比例，都比整體式方便靈活。維修時更換模塊，判斷與處理故障快速方便。因此，對于較復(fù)雜的要求較高的系統(tǒng)，一般選用模塊式結(jié)構(gòu)。
7、對用戶存貯器的要求
一般PLC都用CMOS RAM作用戶存貯器，它具有靜態(tài)消耗電流小（1／A）的特點。為了在停電時保護(hù)用戶程序和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通常用鋰電池作后備電源。
如果被控系統(tǒng)的工藝要求固定不變，所編程序經(jīng)調(diào)試后己比較完善，不需要經(jīng)常修改，為了防止他人隨意改動控制程序，可以采用EPROM（選購件）將用戶程序固化。
8、是否需要通訊聯(lián)網(wǎng)的功能
大部分小型PLC都是以單機(jī)自動化為目的，一般沒有和上位計算機(jī)通訊的接口。如果用戶要求將PLC納入工廠自動化控制網(wǎng)絡(luò)，就應(yīng)選用帶有通訊接口的PLC。一般大、中型PLC都具有通訊功能。近年來，一些高性能的小型機(jī)（如FX、C40H、S5-100U等）也帶有通訊接口，通過RS-232串行接口，與上位計算機(jī)或另一臺PLC相連，也可以連接打印機(jī)、CRT等外部設(shè)備。
以上簡要地介紹了PLC選型的依據(jù)和應(yīng)考慮的幾個問題，用戶應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實際的需要，綜合考慮各種因素，選擇性能價格比合適的產(chǎn)品，使被控對象的控制要求得到完全滿足，也使PLC的功能得到充分發(fā)揮。
（三）輸入輸出設(shè)備選擇及輸入輸出點分配
在PLC控制系統(tǒng)中，通常用作輸入器件的強(qiáng)電元件是控制按鈕，行程開關(guān)、繼電器等的觸點。PLC的執(zhí)行元件通常有接觸器、電動機(jī)、電磁閥，信號燈等。要根據(jù)控制系統(tǒng)的需要進(jìn)行選擇。
（四）施工設(shè)計
與一般電氣施工設(shè)計相同，  PLC控制系統(tǒng)的施工設(shè)計需完成下列工作：畫出完整的電路圖；注明電氣元件清單；畫出電氣柜內(nèi)電器位置圖和電器安裝接線互連圖。另外，還需完成下列幾項工作：
1、畫出電動機(jī)主回路及不進(jìn)入PLC的控制回路。為了保證系統(tǒng)的可靠性，手動電路、急停電路一般不進(jìn)入PLC控制電路。例如，保護(hù)開關(guān)，熱繼電器，熔斷器和限位保護(hù)開關(guān)等均不進(jìn)入PLC控制電路，電源也應(yīng)相互分開，以備PLC異常時能夠使用。
2、畫出PLC輸入，輸出接線圖。注意要按現(xiàn)場信號和PLC軟繼電器編號對照表的規(guī)定，將現(xiàn)場信號線接在對應(yīng)的端子上。
3、對重要的互鎖，如電動機(jī)正反轉(zhuǎn)、熱繼電器等需在外電路用硬接線再連鎖。凡是有致命危險的場合，設(shè)計成與PLC無關(guān)的硬線邏輯。
4、畫出PLC的電源進(jìn)線接線圖和執(zhí)行動作電器的供電系統(tǒng)圖。
（五）總裝調(diào)試
1、程序調(diào)試
將設(shè)計好的程序用編程器輸入到PLC中，進(jìn)行編輯和檢查，發(fā)現(xiàn)問題，立即修改和調(diào)整程序。
2、現(xiàn)場調(diào)試
現(xiàn)場安裝完畢后，可對硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)對某些參數(shù)的現(xiàn)場確定和調(diào)整。
3、安全檢查
最后對系統(tǒng)的所有安全措施作徹底檢查，準(zhǔn)確無誤后即可投入試運行，待一切正常后，將程序固化在有長久記憶功能的只讀存儲器EPROM中長期保存。