PLC应用中的一些问题及解决方法.docx

1、PLC应用中的一些问题及解决方法第10章 PLC应用中的一些问题10.1 PLC控制系统的设计与调试步骤PLC控制系统的设计调试过程如图10-1所示。 图10-1 PLC控制系统的设计调试过程10.1.1 系统设计1深入了解被控系统，明确设计任务和设计条件 这一步是系统设计的基础，设计前应该对被控对象进行深入调查和分析，熟悉工艺流程及设备性能。根据生产中提出的问题，确定系统所要完成的任务，同时拟定出设计任务书，明确各项设计要求、约束条件与控制方式。了解被控对象的过程中应与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合，共同讨论，详细了解被控对象的全部功能，例如机械部件的动作顺序、动作条件、必要

2、的保护与联锁，系统要求哪些工作方式 (例如手动、自动、半自动等) ，设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系，PLC与其他智能设备(例如其它PLC、计算机、变频器、工业电视、机器人)之间的关系，PLC是否需要通信联网，需要显示哪些数据及显示的方式等等，电源突然停电及紧急情况的处理，以及安全电路的设计。对于大型复杂的控制系统，需要考虑将系统分解为几个独立的部分，各部分分别用单独的PLC或其他控制装置来控制，并考虑它们之间的通信方式。2.人机接口的选择 人机接口用于操作人员与PLC之间的信息交换。使用单台PLC的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作人机接口。PL

3、C本身的数字输入和数字显示功能较差，可以用PLC的开关量I/O点来实现数字的输入和显示，但是占用的I/O点多，可能还需要用户自制硬件。 为了实现小型PLC的低成本数据输入和显示，有的PLC厂家推出了价格便宜的产品。西门子公司的TD200文本显示器可以显示20个汉字或40个字符，显示内容可以用编程软件方便地设置，可以用TD200来修改用户程序中的变量。 对于要求较高的大中型控制系统，可以选用较高档的操作员接口(或称可编程终端) ，有的只能显示字符，有的可以显示单色或彩色的图形，有的带有触摸键功能(俗称触摸屏)。这类产品可以用于工业现场，工作可靠。它们有专用的组态软件，可以方便地生成各种画面，但是

4、价格较高。 也可以用计算机来作人机接口，普通台式机的价格便宜，但是对工作环境的要求较高，一般在控制室内使用。如果要求将计算机安装在现场的控制屏内，一般选用价格较高使用液晶显示器的工业控制计算机，有的显示器也有触摸键功能。 上位计算机的程序可以用VC、VB等软件来开发，也可以用组态软件来生成控制系统的监控程序。用组态软件可以很容易地实现计算机与现场工业设备(例如PLC)的通信，并生成用户需要的有动画功能的各种人机接口画面，组态软件的入门也很容易。但是组态软件的价格较高，一套软件只能在一个系统中使用。 3.通信方式的选择 选择通信方式时，应考虑通信网络允许的最大节点数、最大通信距离和通信接口是否需

5、要光电隔离等问题。选择通信速率时应考虑网络中单位时间内可能的最大信息流量，并应留有一定的余地。通信速率与通信线路的长度有关，通信距离增大时最大通信速率降低。 同一厂家的控制产品之间的通信，应优先采用厂家提供的专用通信协议或专用指令，只需要用简单的程序或硬件组态的方法对通信的参数进行设置，就可以实现周期性的自动数据交换。 实际系统中最常见的是计算机与PLC之间的通信，用户如果用VB或VC编写计算机的通信程序，使用Modbus 从站协议比使用自由端口方式简单方便得多，并且不需要用户编写PLC的通信程序，响应帧是PLC的操作系统自动生成的。 如果上位机使用组态软件，上位机和PLC都不需要编程，通信是

6、自动完成的，可以减少系统开发的时间，但是增加了购买组态软件的费用。 S7-200的自由口通信可以用于PLC与计算机或其他RS-232C设备的通信。这种通信方式最为灵活，可以使用用户自定义的通信规约，但是PLC的编程工作量较大，对编程人员的要求较高。 如果PLC需要连接其他厂家的设备，可以根据具体情况选用开放式的通信网络，例如 PROFIBU5或AS-i 等，这种方案的编程工作量一般较少，但是通信接口的价格较高。 10.1.2 PLC硬件的选型1. CPU 型号的选择S7-200 不同的CPU模块的性能有较大的差别，在选择CPU模块时，应考虑开关量、模拟量模块的扩展能力，程序存储器与数据存储器的

7、容量，通信接口的个数，本机I/O点的点数等，当然还要考虑性能价格比，在满足要求的前提下尽量降低硬件成本。 2. I/O 模块的选型 选择I/O模块之前，应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的等级是否有特殊要求，例如快速响应等，并建立相应的表格。 选好PLC的型号后，根据I/O表和可供选择的I/O模块类型，确定I/O模块的型号和块数。选择I/O模块时，I/O点数一般应留有一定的余量，以备今后系统改进或扩充时使用。 数字量输入模块的输入电压一般为 DC 24V和AC 220V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关

8、和编码器等电子输入装置连接。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。 继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和瞬时过电流的能力较强，但是动作速度较慢，触点寿命(动作次数)有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。 场效应晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，不受动作次数的限制，但是过载能力稍差。 选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，相对于电阻性负载，输出模块驱动电感性负载和白炽灯时的负载能力降低。 选择I/O模块还需要考虑下面的问题:（

9、1） 输入模块的输入电路应与外部传感器或电子设备(例如变频器)的输出电路的类型配 合，最好能使二者直接相连。例如有的PLC的输入模块只能与NPN管集电极开路输出的传感器直接相连，如果选用NPN管发射极输出的传感器，需要在二者之间增加转换电路。 （2） 选择模拟量模块时应考虑变送器、执行机构的量程是否能与PLC的模拟量输入输出模块的量程匹配。模拟量模块的A/D、D/A转换器的位数反映了模块的分辨率，12位的分辨率较高。模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度。（3） 使用旋转编码器时，应考虑PLC的高速计数器的功能和工作频率是否能满足要求。 10.1.3 硬件、软件的设计与调试1. 系统硬件设计

10、与组态 （1） 首先给各输入、输出变量分配地址。因为梯形图中变量的地址与PLC的外部接线端子号是一致的，这一步为绘制硬件接线图做好了准备，也为梯形图的设计做好了准备。 （2） 画出PLC的外部硬件接线图，以及其他电气原理图和接线图。（3） 画出操作站和控制柜面板的机械布置图和内部的机械安装图。 2. 软件设计 软件设计包括设计系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序等，小型开关量控制系统一般只有主程序。 首先根据控制系统的总体要求和具体情况，确定用户程序的基本结构，画出程序流程图或控制系统的顺序功能图。它们是编程的主要依据，应尽可能地准确和详细。 较简单的系统的梯形图可

11、以用经验法、转换法设计，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。画出系统的顺序功能图后，根据它设计出梯形图程序。有的编程软件可以直接用顺序功能图语言来编程。在编程软件中，可以给用户程序中的各个变量命名，变量名称可以在程序中显示，便于程序的阅读和调试，变量名称的定义应简短和易于理解。 3. 软件的模拟调试 设计好用户程序后，一般先作模拟调试。当前在网上流行的S7-200的仿真软件可以对S7-200的部分指令和功能仿真，可以作为学习和调试较简单的程序的工具。 用PLC的硬件来调试程序时，用接在输入端的开关或按钮来模拟PLC实际的输入信号，用发光二极管模拟PLC实际的输出信号。通过开关或按钮发出操作指令

12、，观察输出信号是否满足设计的要求。 调试顺序控制程序的主要任务是检查程序的运行是否符合顺序功能图的规定，即在转换实现的两个条件都满足时，该转换所有的前级步是否变为不活动步，所有的后续步是否变为活动步，以及各步被驱动的负载是否发生相应的变化。 在调试时应充分考虑各种可能的情况，对系统各种不同的工作方式、顺序功能图中的每一条支路、各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改程序，直到在各种可能的情况下输入信号与输出信号之间的关系完全符合要求。 即使是用经验法设计的梯形图，或者是用转换法根据继电器电路图设计的梯形图，为了调试程序的方便，有时也需要根据用户程序画出对应的顺序功能图，根

13、据它来调试程序。 如果程序中某些定时器或计数器的设定值过大，为了缩短调试时间，可以在调试时将它们减小，模拟调试结束后再写入它们的实际设定值。 在编程软件中，可以用程序状态功能或状态表来监视程序的运行。4. 硬件调试与联机调试 在对程序进行模拟调试的同时，可以设计、制作控制柜，PLC之外其他硬件的安装、接线工作也可以同时进行。完成硬件的安装和接线后，应对硬件的功能进行检查，观察各输入点的状态变化是否能送给PLC。在STOP模式用编程软件将PLC的输出点强制为ON或OFF，观察对应的PLC的负载(例如外部的电磁阀和接触器)的动作是否正常。 对于有模拟量输入的系统，可以给模拟量输入模块提供标准的输入

14、信号，通过调节模块上的电位器或程序中的系数，使模拟量输入信号和转换后的数字量之间的关系满足要求。 完成上述的调试后，进行联机调试。将PLC置于RUN状态，运行用户程序，检查控制系统是否能满足要求。在调试过程中将暴露出系统中可能存在的硬件问题，以及程序设计中的问题，发现问题后在现场加以解决，直到完全符合要求。 5整理技术文件 系统正常运行完好后，将程序进行备份，避免丢失。同时，根据调试的最终结果整理出完整的技术文件，并提供给用户，以便于今后系统的维护与改进。技术文件应包括: （1） PLC的外部接线图和其他电气图样；（2） PLC的编程元件表，包括定时器、计数器的设定值等；（3） 带注释的程序和

15、必要的总体文字说明。 10.2 PLC端口的扩展与保护输入、输出端口是PLC的重要资源，每一个I/O点的平均价格高达数十元以上，节省及扩展输入、输出端口是提高PLC控制系统经济性能指标的重要手段。 10.2.1 输入端口的扩展1. 分时分组输入分时分组输入是指控制系统中不同时使用的两项或多项功能可以利用一个输入点重复使用来实现。比如，自动程序和手动程序不会同时执行，自动和手动这两种工作方式分别使用的输入量就可以分成两组输入。如图10-2所示，I1.0用来输入自动/手动命令信号， I1.0为ON表示“手动”，I1.0为OFF表示“自动”，供自动程序和手动程序切换之用。图中二极管用来切断寄生电路。

16、假设图中没有二极管，系统处于自动状态，K1、K2、K3闭合，K4断开，这时电流从L+端子流出，经K3、K1、K2形成寄生回路流入I0.1端子，使输入位I0.1变为ON。各开关串联了二极管后，切断了寄生回路，避免了错误输入的产生。 图10-2 分时分组输入2. 输入触点的合并如果外部某输入信号总是以某种“与或非”组合的整体形式出现在梯形图中，可以将它们对应的触点在PLC外部串、并联后作为一个整体输入PLC，只占用PLC一个输入点。例如某负载可在多处起动和停止，可以将多个起动信号并联，将多个停止信号串联，分别送入PLC的两个输入点。如图10-3所示，相对于每一个起动信号和停止信号分别对应一个输入点

17、的方式，不仅节省了输入点数，还简化了梯形图程序。图10-3 输入触点的合并3. 利用输出端扩展输入端在图10-2的基础上，如果每个输入口上接有多组输入信号，接在L+端的开关就必须是一个多掷开关。这样多掷开关如果手动操作将很不方便，特别在要求快速输入多组信号的时候，手动操作是不可能的，这时可以使用输出口代替这个开关，如图10-4所示。这是一个三组输入的例子，当输出口Q0.0接通时， K1、K2、K3被接入电路，当输出口Q0.1接通时，PLC读入K4、K5、K6的状态。而输出口的状态可用软件控制实现，这种输入方式在PLC接入拨盘开关时很常见。图10-4 输出口扩展输入口4 将信号设置在PLC的外部

18、 系统的某些输入信号，如手动操作按钮、保护动作后需手动复位的热继电器FR的动断触点等提供的信号，可以设置在PLC外部的硬件电路中，如图10-5所示。某些手动按钮需要串接一些安全联锁触点，如果外部硬件电路过于复杂，则应考虑仍将有关信号送入PLC，用梯形图实现联锁。 图10-5 将信号设在PLC之外5. 利用机内器件及编程扩展输入点按钮或限位开关配合计数器可以区别输入信号的不同的意义，如在图10-6中，小车仅在左限及右限间运动，将两个限位开关接在一个输入点上，但用计数器记录限位开关被碰撞的次数，如配置得当，用判断计数值的奇偶来判断小车是在左限还是在右限是可能的。另外，计数值也可以区分输入的目的，用

19、单按钮控制一台电动机的启停，或控制多台电机启停的例子也较常见。 图10-6 计数器电动机运转方向控制10.2.2 输出端口的扩展1. 输出端器件的合并与分组 在PLC的输出功率允许的条件下，通/断状态完全相同的多个负载并联后，可以共用一个输出点。通过外部的或PLC控制的转换开关的切换，一个输出点也可以控制两个或多个不同时工作的负载。例如用一个输出点控制指示灯常亮或闪烁，可以显示两种不同的输出信息。 系统中某些相对独立或较简单的部分，可以采用不进PLC，直接用继电器电路来控制，这也是减少所需PLC输入、输出点的常用方法。另外，还可以利用接触器的辅助触点实现PLC外部的硬件联锁，从而减少所需PLC

20、的输入输出点数。2. 利用输出点扩展输出点 与前述利用输出点扩展输入点类似，也可以用输出点分时控制一组输出点的输出内容。例如输出端口上接多位LED七段显示器时，如果采用直接连接，所需的输出点很多。这时可采用图10-7所示的电路利用输出点的分时接通分时点亮多位LED七段显示器。请读者自行分析图10-7电路原理。图10-7 输出口控制的分时输出10.2.3 输入输出端口的保护1. 输入端口的保护PLC自带的输入口电源一般为直流24V，技术手册提供的输入口可承受的浪涌电压一般为35V/0.5S，这是直流输入情况。交流输入时输入额定电压一般为数十伏，因此，当输入口接有感性器件，就有可能产生大于输入口可

21、承受的电压，应当考虑输入口的保护。通常，在直流输入时，在需保护的输入口并上反并接稳压二极管，稳压管的稳压值应低于输入口的电压额定值；在交流输入时，则在输入口并入电阻与电容串联的组合电路。2. 输出端口的保护输出口的保护与PLC的输出器件类型及负载电源的类型有关。保护主要针对输出为感性负载时，负载关断产生的可能损害PLC输出口的高电压。保护电路的作用主要是抑制高电压的产生。当负载为交流感性负载时，在负载两端并联压敏电阻，或者并联阻容吸收电路；当负载为直流感性负载时，在负载两端并联续流二极管或齐纳二极管加以抑制，如图10-8、图10-9所示。 图10-8 交流负载并联RC电路 图10-9 直流负载

22、并联续流二极管10.3 PLC控制系统的可靠性措施PLC是专为工业环境设计的控制装置，其显著的特点之一就是高可靠性。为了提高PLC的可靠性，PLC本身在软硬件上均采取了一系列抗干扰措施，在一般工厂内使用能够可靠地工作，一般平均无故障时间可达几万小时。但这并不意味着对PLC的环境条件及安装使用可以随意处理。在过于恶劣的环境，如强电磁干扰、超高温、过欠电压等情况，或者安装使用不当，都可能导致PLC内部存储信息的破坏，引起系统的紊乱，严重时还会使系统内部元件损坏。因此，在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以消除或减少干扰的影响，保证系统的正常运行。干扰主要来源于控制系统供电电源的波动以及电源电压中

23、的高次谐波，以及由线路和设备之间的分布电容和分布电感产生的电磁感应。实践表明，系统中PLC之外部分（特别时机械限位开关和某些执行机构）的故障率，往往比PLC本身的故障率高得多，因此在系统设计时应采取相应措施，如使用高可靠性的接近开关代替机械限位开关等等，才能保证整个系统的可靠性。10.3.1 电源的抗干扰措施电源是干扰进入PLC的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。PLC应尽可能取用电压波动较小、波形畸变较小的电源。其供电线路应与其他大功率用电设备或强干扰设备(如高频炉、弧焊机等)分开。对PLC交流电源系统可采用的抗干扰措施主要有以下几种

24、方法: （1）在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。隔离变压器的电压比可取1:1，在一次和二次绕组之间采用双屏蔽技术，一次屏蔽层用漆包线或铜线等非导磁材料绕一层，注意电气上不能短路，并接到中性线；二次则采用双绞线，双绞线能减少电源线间干扰。 （2） 在PLC电源的输入端加接低通滤波器可滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在PLC的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器（如图10-10）。图10-10 低通滤波电路与隔离变压器隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模

25、干扰能力，屏蔽层应可靠接地。低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺”，图中的L1和L2用来抑制高频差模电压，L3和L4是用等长的导线反向绕在同一磁环上的，50HZ的工频电流在磁环中产生的磁通相互抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电流在磁环中产生的磁通是叠加的，共模干扰被L3和L4阻挡。图中的C1和C2用来滤除共模干扰电压，C3用来滤除差模干扰电压。R是压敏电阻，其击穿电压应高于交流电源的最高正强峰值电压。平常相当于开路，遇尖峰干扰脉冲时被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，这时压敏电阻的端电压等于其击穿电压，尖峰脉冲消失后压敏电阻可以恢复正常状态。另外，PLC的电源和PLC输入/输出模块用的电

26、源应与被控系统的动力部分、控制部分分开配线，电源供电线的截面应有足够的余量，并采用双绞线。在条件许可的情况下，PLC可采用单独的供电回路，以免大设备启停对PLC的干扰。10.3.2 安装的抗干扰措施1. 布线的抗干扰措施 输入、输出电路由于信号类型不同，其抗干扰能力也不同，因此，针对不同信号在电缆的选择、线路的敷设等方面都须有相应的措施，尽量抑制输入、输出电路引入的干扰。（1）数字量信号（开关量）不容易受外界干扰，一般对信号电缆无严格的要求，可以用普通单根导线传输，信号传输距离较远时，可以选用屏蔽电缆。（2）高速数字脉冲信号由于频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。（3）模拟量

27、信号是连续变化的信号，外界的各种干扰都会叠加在模拟信号上而造成干 扰，因而要选用屏蔽线或带防护的双绞线。如果模拟量I/O信号离PLC较远，应采用420mA或010mA的电流传输方式，而不用易受干扰的电压信号传输。对于功率较大的开关量输入、输出线最好与模拟量输入输出线分开敷设。 （4）PLC的输入、输出线要与动力线分开，距离在20cm以上，如果不能保证上述最小距离，可以将这部分动力线穿管，并将管接地。绝不允许将PLC的输入、输出线与动力线高压线捆扎在一起。（5）应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减少噪声干扰。一般两线间距为20cm。当两线平行敷设的长度在100200m

28、时，两线间距应在40cm以上；平行敷设长度在200300m时，两线间距应在60cm以上。（6）PLC的输入、输出线最好单独敷设在封闭的线缆槽架内，线槽外壳要良好接地，不同类型的信号，如不同电压等级、不同电流类型的输入输出线，不能安排在同一根多芯屏蔽电缆内，而且在槽架内应隔开一定距离安放，屏蔽层应接地。2. PLC的接地 良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件，一般要注意以下几点：（1）PLC的接地尽量采用专用的接地极。如与其他盘板共用接地系统，须用自己的接地线直接与公共接地极相连。但绝对不允许与大功率晶闸管装置和大型电动机之类的设备共用接地系统。（2）PLC的接地极离PLC越近越好，即接地线

29、越短越好。PLC如由多个单元组成，各单元之间应采用同一点接地，以保证各单元间等电位。当然，一台PLC的I/O单元如果有的分散在较远的现场（超过100m），是可以分开接地。（3）PLC的输入输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应用一点接地，并用靠近PLC这一端的电缆接地，电缆的另一端不接地。如果信号随噪声波动，可以连接一个0.10.47f/25V的电容器到接地端。（4）接地线截面积应大于2mm2。接地线一般最长不超过20m，PLC接地系统的接地电阻一般应小于4。3. 强烈干扰环境中的隔离措施 PLC内部用光电耦合器、输出模块中的小型继电器和光电晶闸管等器件来实现对外部数字信号的隔离，PLC的模拟量

30、I/O模块一般也采取了光电耦合的隔离措施。这些器件除了能减少或消除外部干扰对系统的影响外，还可以保护CPU模块，使之避免受到从外部窜入PLC的高电压的危害，因此一般没必要在PLC外部再设置干扰隔离器件。在大的发电厂等工业环境，空间中极强的电磁场和高电压、大电流断路器的通断将会对PLC产生强烈的干扰。由于现场条件的限制，有时几百米长的强电电缆和PLC的低压控制电缆只能敷设在同一电缆沟内，强电干扰在输入线上产生的感应电压和电流相当大，足以使PLC输入端的光电耦合器中的发光二极管发光，光电耦合器的隔离作用失效，使PLC产生误动作。在这种情况下，对于用长线引入PLC的数字量信号，可以用小型继电器来隔离

31、。光电耦合器中的发光二极管的最小逻辑1信号电流仅2.5mA，而小型继电器的线圈吸合电流为数十毫安，强电干扰信号通过电磁感应产生的能量一般不会使隔离用的继电器误动作。来自开关柜内和距离开关柜不远的输入信号一般没有必要用继电器来隔离。为了提高抗干扰能力，对长距离的PLC的外部信号、PLC和计算机之间的串行通信信号，可以考虑用光纤来传输和隔离，或使用带光电耦合器的通信接口。在腐蚀性强或潮湿的环境，需要防火、防爆的场合更适于采用这种方法。4. PLC输出的可靠性措施 如果使用PLC驱动交流接触器，应将额定电压为AC 380V 的交流接触器的线圈换成220V的。在负载要求的输出功率超过PLC的允许值时，

32、应设置外部继电器。PLC输出模块内的小型继电器的触点小，断弧能力差，不能直接用于DC 220V的电路，必须用PLC驱动外部继电器，再用外部继电器的触点驱动DC 220V的负载。10.4 PLC的故障检测及维护10.4.1 PLC的故障检测可编程序控制器的可靠性很高，本身具有很完善的自诊断功能，如出现故障，借助自诊断程序就可以方便地找到出现故障的部件，更换后就可以恢复正常工作。大量的工程实践表明，PLC外部的输入、输出元件，如限位开关、电磁阀、继电器、接触器等的故障率远远高于PLC本身的故障率，而这些元件出现故障后，PLC一般不能察觉出来，不会自动停机，这样就可能使故障扩大，直至强电保护装置动作后停机，严重时可能造成设备和人身事故。停机后故障的排查也需要很多时间。为了及时发现故障，及时自动停机和报警，提高维修效率，可用PLC提供的软元件资源（如富裕的定时器、计数器、存储器等）进