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2.2 PLC控制系统设计原则

设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。然后是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。*后根据系统分析的结果，具体地确定PLC的机型和系统的具体配置。

任何一种控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。因此，设计人员在设计PLC控制系统时，应综合考虑各方面因素，并遵循以下基本原则。1. *大限度地满足被控对象的控制要求

充分发挥PLC的功能，*大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中*重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。

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PLC技术开发中的梯形图设计方法

PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂的广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言：功能表图（Sequential Function Chart）、梯形图（Ladder Diagram）、功能块图（Function Block Diagram）、指令表（Instruction List）、结构文本（Structured Text）。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。

由于梯形图与继电器接触器控制系统有着天生的传承性，而PLC应用程序往往是一些典型的控制环节和基本单元电路的组合，熟练掌握这些典型环节和基本单元电路，可以使程序的设计变得简单，所以本节主要介绍一些常见的典型单元梯形图程序。

1.7.1 梯形图常规设计方法

梯形图是使用*多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图的常规设计方法主要是各种常用程序的组合，在工业控制领域，各种复杂程序都是由各种常用的简单程序组合而成的。本节主要介绍一些会经常被重复使用的梯形图程序。1.梯形图的相关概念

在梯形图编程中，会用到以下三个基本概念。

1）软继电器

PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器及内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一个软继电器与PLC存储器中的映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述状态相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。

2）能流

在梯形图中有一个假想的“概念电流”或“能流”（Power Flow）从左向右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。能流只能从左向右流动。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图

梯形图两侧的垂直公共线称为母线（Bus Bar），在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路图的分析方法，可以想象左右两侧母线（左母线和右母线）之间有一个左正右负的直流电源电压，母线之间有“能流”从左向右流动，右母线可以不画出。

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接

中央处理单元（CPU）是PLC控制的核心，每台PLC至少有一个CPU。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线构成，此外还包括外围芯片、总线接口以及有关电路。CPU确定了控制的规模、工作速度、内存容量等。

CPU按照系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来主要有以下几个方面。

（1）接收从编程器输入的用户程序和数据。

（2）诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。

（3）通过输入接口接收现场的状态和数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。

（4）从存储器逐条读取用户程序，经过解释执行。

（5）根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，通过输出单元实现输出控制。有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。2. 存储器单元

存储器一般有两种：可读可写的随机存储器RAM和只读存储器ROM、PROM、EPROM、EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序存储器用于存储整个系统的监控程序，一般为ROM，具有掉电不丢失信息的特性。用户程序存储器用于存储用户根据工艺要求或控制功能设计的控制程序，早期一般采用RAM，但需要后备电池，以便在掉电后保存程序。现在多采用电可擦除的可编程只读存储器EEPROM或闪存Flash Memory，免去了后备电池的麻烦。工作寄存器中的数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，存放在RAM中，以适应随机存储的要求。

输入/输出单元通常也称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

输入单元的作用是将不同的电压、电流形式的信号转变为微处理器可以接受的信号。输入单元对输入信号进行滤波、隔离和电平转换等，把输入信号的逻辑值安全可靠地传递到PLC内部。

输出单元的作用是将微处理器处理的逻辑信号转变为被控制设备所需的电压、电流信号。输出单元具有隔离PLC内部电路和外部执行元件的作用以及功率放大的作用。

其中，PLC的输入输出信号可以是模拟量也可以是开关量。

由于CPU内部工作电压一般为5V，而PLC外部输入/输出信号电压一般比较高，如DC 24V或AC 220V。为保障PLC正常工作，输入/输出单元还具有电平转换的作用。4. 电源单元

PLC电源单元是指外部输入的交流电处理后转换成满足CPU、存储器、输入/输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。有些电源也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。PLC的电源一般采用直流开关稳压电源，稳定性好，抗干扰能力强。电源单元的输入与输出之间有可靠的隔离，以确保外界的扰动不会影响到PLC的正常工作。

电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外接电源断电后不会丢失。在控制面板上通常有发光二极管指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。

虽然各种PLC的指令系统存在这样或那样的不同，但总的来说，PLC的编程语言都是面向生产过程、面向工程技术人员的，对电气技术人员来讲是比较容易掌握的。各种PLC命令的主要功能及其编程的主要规则也是大同小异的