PLC控制系统的硬件设计步骤

【摘 要】文章对PLC控制系统的硬件设计步骤进行了详细的总结，主要包括PLC机型选择所需要考虑的问题、I/O点数与模块的选择方法以及用户存储容量的估计，最后介绍了专用模块配置的选择与注意要点，以供参考。

【关键词】PLC控制系统；机型；I/O；存储容量；专用模块配置

1、引言

随着PLC功能的不断增强，通信网络化的实现以及功能模块的专用化，使得PLC的应用场合愈加多样性，它所控制的系统也越来越复杂。硬件系统作为整个系统的重要组成部分，其设计是否科学合理直接关系着整个控制系统运行的可靠性与经济性，因此必须给予足够的重视，从各方面综合考虑并按照一定的步骤循序进行。

2、选择适合的PLC机型

选用PLC机型应考虑性能结构、I/O点数、存储容量以及特殊功能等方面来综合衡量。目前生产PLC的厂家很多，品牌也很多。具体可以根据控制要求的复杂程度、控制精度、（估计）控制程序的存储容量、输入和输出的I/O点数、电气性能指标和用户要求等加以选择。一般来说，大多厂家生产的PLC系列产品，可供挑选的余地都比较大。除此之外，技术人员对哪个厂家产品的了解和掌握程度，也是选择机型的重要参考依据。

对于开关量控制的小系统，若控制速度要求不高，I/O点数需求不多时，一般可选用一台（或多台）微型或小型机型的PLC来完成其控制任务。例如对原有控制系统的改造、完善或改进原设备的某方面功能等。这种系统一般没有PLC之间的通信问题。如果控制容量小，可选OMRON公司的CPM2*系列产品或西门子公司的S7-200系列的PLC，只要性能与任务相适用即可。例如小型泵的顺序控制、单台机械的简单操作控制等，这些一般都可选用微型或小型机型；若控制容量，被控设备分散，可选用中、小型机的PLC，例如OMRON公司的CJ1系列和CS1系列；若控制系统不是很庞大，一般不需要选择大型机。因为目前中型机的PLC性能，例如OMRON公司的CS1系列，其功能应该说足够强大了，大多能满足控制系统的需求，多台PLC可以采用网络连接来实现通信。大型机除了价格高之外，在编程、调试等方面都不方便，一旦发生故障，影响面也大。

3、选用适当的I/O点数和基本I/O模块

I/O点数是衡量PLC规模大小的重要指标。因此，首先要根据系统的控制规模，确保有足够的I/O点数，并考虑10%～15%的I/O点数作为余量，以备后用。另外，一些高密度输入模块对输入点数的使用有限制，一般同时接通的输入点数不得超过总输入点的60%；对输出点的驱动能力也有限制，有的PLC每点输出电流的大小随所加负载电压的不同而异。一般PLC的允许输出电流随环境问题的升高而有所下降。选型时要考虑这些问题。

除了I/O点数之外，还要考虑I/O模块的工作电压（直流或交流）以及外部接线方式。对于输入模块主要考虑两点，一是根据现场输入信号与PLC输入模块距离的远近，来选择工作电压。一般24V以下属低电平，其传输距离不宜太远。例如12V电压模块一般不超过12m。距离较远的设备，应选用较高的电压模块比较可靠。二是高密度的输入模块，如32点输入模块，能允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60%。输出模块有继电器、晶体（场效应）管和晶闸管三种方式。对于开关频繁、功率因数低的感性负载，可选用晶闸管（交流）和晶体管（直流）输出，但其过载能力低，对感性负载断开瞬间的反向电压，必须采取抑制措施。继电器输出模块价格最便宜，在输出变化不太快、开关不要求频繁的场合，应优先选用。在选用输出模块时，不但要看一个点的驱动能力，还要看整个模块的满负荷能力，即输出模块同时接通点数的总电流值，不得超过模块规定的最大允许电流。对功率较小的集中设备，如普通机床，可选用低电压高密度的基本I/O模块；对功率较大的分散设备，如料厂设备，这时可选用高电压低密度（即用端子连接）的基本I/O模块。

4、估算用户存储容量

用户应用程序占用多少内存与许多因素有关。如I/O点数、控制要求、运算处理、程序结构等。因此，在程序设计之前只能粗略对用户的存储容量进行大致估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如表4-1所示。

对用户程序的总存储容量，可以按照表中所需要的存储字数加以来之后，再留出总步数的25%作为备用量。对缺乏经验的设计者，选择PLC内存容量时，留有裕量要大些。

5、专用功能模块的配置

除了开关信号之外，工业控制中还要对温度、压力、物位（或液位）、流量等过程变量以及运动控制变量等，进行检测和控制。在这些专用场合，输入和输出容量已经不是关键参数，更重要的是考虑它们的控制功能。目前各PLC厂家都提供了许多专用功能模块，其中模拟量的输入/输出模块、温度模块等是非常普及的，这些模块具有A/D和D/A变换功能，可以适合现场控制的需要。此外，还有一些专用情况，如位置控制、脉冲计数以及网络通信等，都需要与其它外部设备进行专用接口连接。因此，有不少厂家也开发了相应的专用功能模块，用于对专用任务的处理。但这些目前这些专用模块的价格都比较高，只有在比较复杂的控制系统中才加以配置。有关专用功能模块的应用，可参见PLC的产品手册。

选用专用功能模块时，只要能满足控制功能的要求就可以了，要避免大材小用。在有些专用场所，特别是驱动大功率负载时，还需要根据实际需要自己设计相应的驱动电路；对于慢过程的大系统，通常需要各设备之间有互锁控制。对于实时控制的高速系统，原先由于PLC的速度慢，很难于满足要求，现在采用OMRON公司的CS1系列PLC是比较适宜的。

参考文献

[1]曹卫，张巍.PLC控制系统的可靠性设计[J].甘肃科技，2010，26（1）

[2]赵中敏，张秋云，杨广才等.PLC控制系统设计[J].机床电器，2007，34（2）