PLC系统设计的关键要素

确定好PLC的机型后，进而PLC系统设计时应遵循以下要点：

1.输入回路的设计

1）电源回路：PLC供电电源一般为AC 85～240V（也有DC 24V），适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化器件（如电源滤波器、1∶1隔离变压器等）。

2）PLC上DC 24V电源的使用：各公司PLC产品上一般都有DC 24V电源，但该电源容量小，为几十毫安至几百毫安，用其带负载时要注意容量，同时做好防短路措施（因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行）。

3）外部DC 24V电源：若输入回路有DC 24V供电的接近开关、光电开关等，而PLC上DC 24V电源容量不够时，要从外部提供DC 24V电源；但该电源的“-”端不要与PLC的DC 24V的“-”端以及“COM”端相连，否则会影响PLC的运行。

4）输入的灵敏度：各厂家对PLC的输入端电压和电流都有规定，如日本三菱公司FX系列PLC的输入值为DC 24V、7mA，启动电流为4.5mA，关断电流小于1.5mA，因此，当输入回路串有二极管或电阻（不能完全启动）时，或者有并联电阻或有漏电流时（不能完全切断），就会有误动作，造成灵敏度下降，对此应采取措施。另一方面，当输入器件的输入电流大于PLC的最大输入电流时，也会引起误动作，应采用弱电流的输入器件，并且选用输入为共漏型输入的PLC，输入元件的公共点电位相对为负，电流是流出PLC的输入端。

2.输出回路的设计

（1）各种输出方式之间的比较

1）继电器输出。继电器输出的PLC利用了继电器的触点和线圈，将PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离。继电器输出接口可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低，但负载能力最强；继电器输出端口一般连接接触器，中间继电器，电磁阀等执行机构。一般视负载的容量不同选择不同的模块和接线方式等。当连接感性负载时，为了延长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况，通常应在负载两端加过电压抑制二极管。对于交流负载，应在负载两端加RC抑制器。PLC继电器输出电路形式允许负载一般是AC 250V/50V以下，对于电阻负载而言，继电器输出的PLC每点电流为2A，容量可达80～100VA（电压×电流），个别型号的PLC每点负载电流高达8～10A。因此，PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载（一般通过一个小负载来驱动大负载，如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等）。

PLC继电器输出电路的形式继电器触点的使用寿命也有限制（一般数十万次左右，根据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载，其寿命随带负载电流的增加而减少）。此外，继电器输出的响应时间也比较慢（10ms左右）。继电器输出方式不适用于高频动作的负载，继电器的动作频率一般不能超过20次/秒，因此在要求快速响应的场合，不适合使用此种类型的电路输出形式。

2）晶闸管输出。晶闸管输出电路只能驱动交流负载，可适应高频动作，响应时间为1ms。响应速度也比继电器输出电路形式要快，寿命要长。双向晶闸管输出的驱动能力要比继电器输出的要小，允许负载电压一般为AC 85～242V；单点输出电流为0.2～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小（如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点）。为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0.015μF/22Ω左右）和压敏电阻，因此在晶闸管关断时，PLC的输出仍然有1～2mA的开路漏电流，这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时无法关断的情况。晶闸管型输出现在应用上越来越少，许多厂家已经不生产此类输出模块。

3）晶体管输出。晶体管输出外电源只能加特定方向的直流电源，这是它的局限性；但是此种输出类型开关特性比较好，支持高速开关量，而且无机械触电，使用寿命长。和继电器输出形式电路一样，在驱动感性负载时也要在负载两端反向并联二极管（二极管的阴极接电源的正极）防止过电压，保护PLC的输出电路。用于直流负载，频率最高；晶体管动作频率一般可达数10K次/秒，只能接直流负载，容量较小，每点不超过0.3A，最大输出负载电流为0.5A/点，但每4点不得大于0.8A。晶体管输出电路形式相比于继电器输出响应快（一般在0.2ms以下），适用于要求快速响应的场合。由于晶体管无机械触点，因此比继电器输出电路形式的寿命长。

晶体管输出型电路的外接电源只能是直接电源，这是其应用局限的一方面。另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC 5～30V，允许负载电流为0.2～0.5A。这两点在使用晶体管输出电路形式时要注意。晶体管输出电路的形式主要有两种：NPN型和PNP型集电极开路输出。NPN型集电极开路输出形式的公共端COM只能接外接电源的负极，而PNP型的COM端只能接外接电源的正极。和继电器输出形式电路一样，在驱动感性负载时也要在负载两端反向并联二极管（二极管的阴极接电源的正极）防止过电压，保护PLC的输出电路。晶体管输出型PLC通过光耦合器使晶体管截止或导通以控制外部负载电路，同时PLC内部电路和晶体管输出电路进行电气隔离。

表7-1是三种输出形式的比较表，不同型号的PLC技术参数不尽相同。

表7-1 三种输出形式的比较

当系统输出频率为6次/min以下时，应首选继电器输出，因其电路设计简单，抗干扰和带负载能力强；当频率为10次/min以下时，既可采用继电器输出方式，也可采用晶体管输出方式。

（2）抗干扰与外部互锁

当PLC输出带感性负载时，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。当两个物理量的输出在PLC内部已进行软件互锁后，在PLC的外部也应进行互锁，以加强系统的可靠性。

（3）“COM”点的选择

不同的PLC产品，其“COM”点的数量是不一样的，有的一个“COM”点带8个输出点，有的带4个输出点，也有带2个或1个输出点的。当负载的种类多且电流大时，采用一个“COM”点带1个或2个输出点的PLC产品；当负载数量多而种类少时，采用一个“COM”点带4个或8个输出点的PLC产品。这样会对电路设计带来很多方便，每个“COM”点处加一熔丝，1个或2个输出时加2A的熔丝，4个或8点输出的加5～10A的熔丝，因PLC内部一般没有熔丝。

（4）PLC外部驱动电路

对于PLC输出不能直接带动负载的情况下，必须在外部采用驱动电路：可以用三极管驱动，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路，且每路由发光二极管（LED）指示。印制电路板应做成插拔式，以易于维修。

3.扩展模块的选用

可通过增加扩展模块、扩展单元方式与主单元连接。扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元。扩展部分超出主单元驱动能力时应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持；对于小的系统，如80点以内的系统，一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制。当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请查看相关的技术手册。

各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、I/O模块、温度模块、高速输入模块等。PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。

4.PLC的网络设计

PLC的连网方式分为PLC与计算机连网和PLC之间相互连网两种。与计算机连网可通过RS232C接口直接连接、RS422+RS232C/422转换适配器连接、调制解调通信连接等方式；一台计算机与多台PLC连网可通过采用通信处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互连时可通过专用通信电缆直接连接、通信板卡或模块+数据线连接等方式。当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解，否则不能适应实时要求，容易造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传输速度等也要考虑。

最后，还要向PLC的商家寻求网络设计和软件技术支持及详细的技术资料，至于选用几层工作站，依照系统大小而定。

5.软件编制(www.xing528.com)

在编制软件前，应首先熟悉所选用PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程；若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空载调试程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。

6.用户程序的保护与备份

调试好的PLC用户程序经常是放在用锂电池作后备电源的RAM中。一般情况下，这种方式是保险的，但在强干扰的环境下，RAM中的用户程序也有可能被改写或冲掉。目前常用的做法是，调试好的程序用PLC ROM写入器将用户程序写到EPROM中长期保存。在系统运行时，应对EPROM加上写保护，以防止被改写。

7.PLC输出点的选择

在进行PLC常规设计中，经常是采用输出点为继电器输出，这样可以做到执行机构不同触点信号的需要，比如有的需要交流电压220V、有的需要直流电压、有的需要一个无源触点等。在PLC输出触点的保护，一般采用阻容保护，有的都不需要保护。在市场一般出售的PLC中，继电器输出的占了很大一部分，这都是用于满足技术人员这种需要的。

（1）触点的保护

有的PLC的输出点是直接控制现场的执行机构，比如电磁阀等，而在环境恶劣的工业现场，不能不考虑因线路的老化、导线短路等造成触点损坏的现象。一旦损坏，就要换PLC输出继电器或者改变触点而对PLC的程序进行修改，这对维护人员来说都是很麻烦的。

（2）触点的浪费

继电器输出的PLC的输出都是成组的，几个输出点的一个单端是公用的，这样这组输出的形式必须相同，否则就要用外接继电器转换。而且有时会出现这样的现象，同一动作的两个点由于接在不同的电路上，要不占用不同组的两个点，要不就占用一个点再用继电器转换，感觉很别扭。

（3）价格的问题

在PLC的规格中，继电器输出的PLC价格相对晶体管输出的要贵出20%左右。

建议采用晶体管输出的PLC，输出点全部外接中间继电器，这样就能够避免以上的问题，维护简单便利，不再考虑修改程序。同时在工程设计中，能够减少对因输出点形式不同发生冲突的考虑，而且能够比较便利合理地分配输出点，从而做到从容设计。晶体管输出的PLC的价格比较便宜，即使外接中间继电器也比直接继电器输出的PLC价格低。

8.其他设计要点

1）多重指令控制一个任务时，可先在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点。

2）尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整连贯性，以易于开发，同时也减少了硬件投入，降低了成本。

3）条件允许的情况下最好独立每一路输出，以便于控制和检查，也保护了其他输出回路；当一个输出点出现故障时，只会导致相应输出回路失控。

4）输出若为正/反向控制的负载，则不仅要从PLC内部程序上联锁，并且要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作。

5）PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。

6）不要将交流电源线接到输入端子上，以免烧坏PLC。

7）接地端子应独立接地，不与其他设备接地端串联，接地线截面积不小于2mm²。

8）辅助电源功率较小，只能带动小功率的设备（光电传感器等）。

9）一般PLC均有一定数量的占有点数（即空地址接线端子），不要将线接上。

10）输出有继电器型、晶体管型（高速输出时宜选用），输出可直接带轻负载（LED指示灯等）。

11）PLC输出电路中没有保护，因此应在外部电路中串联使用熔断器等保护装置，防止负载短路造成PLC损坏。

12）输入、输出信号线尽量分开走线，不要与动力线在同一管路内或捆扎在一起，以免出现干扰信号、产生误动作；信号传输线采用屏蔽线，并且将屏蔽线接地；为保证信号可靠，输入、输出线一般控制在20m以内；扩展电缆易受噪声电干扰，应远离动力线、高压设备等。

13）输入断开的时间要大于PLC扫描的时间。

14）PLC存在I/O响应延迟问题，尤其在快速响应设备中应加以注意。

15）PLC虽然适合工业现场，但使用中也应注意尽量避免直接振动和冲击、阳光直射、油雾、雨淋等；不要在有腐蚀性气体环境、灰尘过多环境、发热体附近应用；避免导电性杂物进入控制器。