基于PLC的實驗室控制系統設計

鄭魯平+陳連忠+董永暉+陳海群

摘 要 隨著PLC在工業控制中的廣泛使用，其方便快捷的控制方式和穩定可靠的運行性能在實驗室的控制系統使用也越來越多，本文從實驗室PLC控制系統設備選型、PLC編程工具、WinCC組態軟件以及控制系統硬軟件的設計等四個方面簡單介紹了實驗室PLC 控制系統設計的相關內容。

【關鍵詞】PLC 控制系統 組態軟件 系統設計

可編程序控制器（以下簡稱PLC）是在程序控制器和微機控制器的基礎上發展起來的微機技術和繼電器常規控制概念相結合的一種計算機系統，比一般計算機具有更強的輸入輸出接口，并已成為自動化控制系統的基本裝置。PLC融合了計算機技術、即時通信技術以及繼電器控制技術等，使其具備了很高的操作靈活性尤其是運行可靠性。

PLC依照存儲器內部的特定邏輯程序對用戶程序和各種工作數據進行接收、處理；對于用戶程序當中的各種錯誤進行診斷并警示；對于系統當中的可編輯存儲器、警戒定時器、I/O 接口以及電源設備的工作狀態進行檢測。通過掃描并接收系統輸入設備的各種數據和其他信息，將數據和信息進行讀取和邏輯運算再通過控制程序將數據傳輸給輸出裝置。

1 明確設計控制系統的功能要求

控制系統設計首先要明確系統需要實現的具體目的和所要完成的目的控制動作。對于一個控制系統，首先應弄清系統中所有控制機構的特征，主要包括被控設備的結構部分以及各個機構的運動、動力特性，以及返回狀態信號的顯示方式；同時需要考慮各個關鍵設備控制點模擬量信號的測量和傳輸路徑設計和選擇。系統的設計要根據其可能性與可行性對原有設計機構進行優化。在此基礎之上，將各個功能要求分別列出，細化各個功能要求到每一個控制參數下。

2 PLC 系統設備選型

目前，PLC相關的品種和類型很多，相關產品的編程模式、指令系統、運算性能、設備容量以及系統結構等方面也存在著較大的差異，實驗室控制系統作為一類特殊的控制系統，系統設計在部分范圍內有別于工業生產領域控制系統的設計方式和方法。為了提高PLC實驗室控制系統的應用性能，要在控制精度、運行速度和運算處理等方面考慮合理選擇PLC。首先PLC的選擇必須滿足實驗室控制所需要的實際性能為核心，而后參考性能可靠、操作維護簡便、性價比高等幾個因素擇優選擇。同時需要為系統的升級預留一定的空間，為了滿足日后增加外圍設備的需求，選型時系統應該具有相應的通信接口；實驗室控制系統局域網的數據連接的普遍使用，會為將來局域網數據的傳輸和共享提供極大地便利。

3 PLC輸入輸出模塊的選取

輸入輸出模塊是PLC的主要控制結構，主要分為數字量模塊和模擬量模塊。PLC輸入模塊的工作原理是：將現場設備發出的信號轉變為PLC可以識別的內部電平信號。輸入模塊依照電路形式的差異，可以將其分為分隔輸入式和匯點輸入式，依照電壓的差異，可以將其分為直流式和交流式。在選取輸入模塊時應考慮以下幾點因素：供電方式（是外部供電還是內部供電）、隔離方式（是否需要進行隔離以及隔離方式的選擇）、傳輸距離（短距離傳輸還是長距離傳輸）以及電壓大小。輸出模塊的工作方式則正好與輸入模塊的工作方式相反，主要是將PLC內部信號轉變為外部設備的控制信號，實現對外部設備的驅動作用。輸入輸出模塊在設計使用時，應該根據元件和模塊之間的實際距離來確定工作電壓等級；根據信號動作的時間和信號的多少來確定I/O模塊的密度；盡量提高門檻電平，以提高PLC控制系統的工作穩定性；在輸入端并聯適當的電容和電阻，降低輸入的總抗阻，同時采用穩壓電源，控制好輸入端的電流水平；合理確定I/O 的點數。

4 控制系統軟件的設計

由于PLC的所有控制功能都是以程序的形式來實現的，因此，PLC 控制系統設計的大量工作都集中在軟件程序設計上，即體現在梯形圖的設計上。根據系統的控制流程圖設計PLC 梯形圖程序是整個應用系統設計的核心。常用的編程方法有根據繼電器的電路原理圖設計PLC 的梯形圖，用功能流程圖法設計PLC 的梯形圖。其中繼電器的電路原理圖設計方法適用于簡單控制系統的程序設計，流程圖設計法適用于按條件步進控制系統的程序設計。

5 結束語

PLC具有良好的設備驅動能力和相對豐富的I/O 接口，在實際應用當中根據實驗室控制需要針對具體的設備控制進行配置和設計，本文從PLC 系統設備選型、輸入輸出模塊的選取、以及控制系統軟件的設計等方面分析了PLC 系統的設計問題，作為實驗室控制系統設計的參考。

參考文獻

[1]王昭華.淺談PLC控制系統的軟件設計方法[J].計算機光盤軟件與應用，2012.

[2]唐銀，劉洋.淺談工業PLC 控制系統設計概述[J].企業導報，2012.

[3]周銀華.PLC 控制系統設計探析[J].機電信息，2012.

作者單位

中國航天空氣動力技術研究院 北京市豐臺區 100074