PLC控制系统的设计及其工程应用展示
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摘 要：plc系统是一种新型的控制装置，集信息管理和生产控制功能于一体，已成为当前工业自动化的主要手段。笔者结合多年的PLC教学体会和实践经验，对PLC控制系统的设计进行了较详细概述，并依托西门子SIMATIC S7-200系列PLC为基础平台，展示了PLC在交通信号灯控制中的应用体现。
关键词：PLC，控制系统，设计
【分类号】：TM921.5
1 PLC控制系统设计的基本内容
概括来说，PLC控制系统包括五部分：即输入元件、输出执行器件、显示器件以及PLC。因此，PLC系统的设计也主要是以这些器件为对象开展，具体内容如下：
（1） 选取信号输入器件、输出执行器件和显示器件等所需部件。信号输入器件只需有一个触点即可。相同电源电压和工作电流较小的器件，通常是输出执行器件的首选类型。对于显示器件，为保证其长使用周期，应尽可能选取LED器件。
（2） 设计控制系统主回路。执行机构的动作和速度要求是控制主回路设计应着重考虑的两个要点内容。
（3） 选取PLC。PLC的选择参考依据即程序的大致容量情况、输入和输出信号的空间分布情况和数量等。
（4） 进行I/O分配，绘制出控制系统硬件原理图。
（5） 程序设计及模拟调试。按照要实现的功能要求，设计编制控制程序，并进行模拟调试，以检查软硬件设计是否完整及能否实现要求功能。
（6） 设计控制柜。应着重考虑采取何种措施以尽可能隔离和屏蔽弱电和强电控制信号，防止其对PLC正常运行造成的不良影响。
（7） 编制技术文件。主要包括使用说明书、电气原理图、元件明细表及软件清单等。
2 PLC控制系统设计的一般步骤
PLC控制系统的设计有两个关键点：（1）分析控制任务；（2）编制软件。其中，分析控制任务的功能是确定出PLC控制系统的硬件组成部分，搞清楚软件的工作过程。而编制软件的目的是使被控对象的执行动作达到所需要求。以下即为PLC控制系统的设计步骤：
（1） 分析控制任务。在该步骤中需要将复杂的任务划分开来，即划分成相对独立的子任务，这样可以大大减小系统的规模，最大限度地减少故障集中发生的几率。
（2） 分析子任务中各执行机构的动作过程。该步骤的目的是画出各执行机构的动作关系逻辑图，进而列出输入、输出信号以及要求实现的非逻辑功能。首先，对于按钮、限位开关等输入信号，只需占用一个输入点；而对于接触器的辅助触点，因通常情况下不需要输入PLC，故不作为输入信号。其次，对于输出信号，其也分为不同的情况。对于电铃、电磁阀等执行器件均作为输出信号时需各用一个输出点，然而当其动作显示与输出执行器件共用输出点时，通常情况下，不再将其作为新的输出信号。
（3） 选择PLC型号。在该步骤中要考虑系统所要求的非逻辑功能、空间分布情况以及输入和输出信号的数量，只有这样才能选出合适的PLC型号。
（4） 结合PLC的型号，选择所需必要器件。
（5） 分配输入输出的I/O，同时进行控制系统硬件原理图的绘制和控制系统主回路的设计。
（6） 利用输入信号开关板模拟现场输入信号，根据动作逻辑关系图编制PLC程序，进行模拟调试。
（7） 制作控制柜。
（8） 进行现场调试，考察编制的PLC程序能否实现要求功能。
（9） 编制技术文件，进行控制系统现场试运行。
为保障交通参与者的人身安全，同时便于有效的疏导交通，在十字路口处通常设置交通信号灯。但是随着经济发展和社会进步，原有的交通信号灯控制系统已无法满足当前交通状况管理控制的需要。为此，当前所面临的一个重要课题即，如何改善交通信号灯控制系统，以使其适应当前交通管理的需要。鉴于此，本文以西门子SIMATIC S7-200系列PLC为例，介绍了十字路通信号灯的PLC控制。
3.1 交通信号灯控制系统概述
某十字路通信号灯的设置如图1所示，其具体的控制要求是：（1）接通起动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时亮；（2）东西向绿灯亮25s后，闪烁3次，每次闪烁1s，接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，30s后东西向绿灯又亮……如此不断循环，直至停止工作；（3）南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次，每次闪烁1s，接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮，如此不断循环，直至停止工作。
3.2 PLC选型与I/O分配
根据交通信号灯的控制要求，PLC控制系统需要使用6个开关模拟量输出点对上述的6组交通信号灯进行控制。此外，交通信号灯需要启动和停止按钮至少各1个，即需要两个开关量输入点。考虑到此系统需要一定的备用I/O点，CPU模块选用西门子SIMATIC S7-200系列PLC的CPU224，系统I/O点的分配表如表1所示。
3.3 PLC控制系统程序设计 表1 PLC控制系统的I/O点分配
交通信号灯PLC控制系统的程序采用梯形语言来设计，限于文章篇幅，此处省略设计程序。
3.4 分析总结
因PLC内部储存了丰富的定时器资源，加之其极强的环境适应性和控制准确性，使其成为交通信号灯控制系统的首选类型。PLC内部配置的实时时钟，赋予其自动化和全天候控制管理的强大性能优势，也因此收获了广泛的应用空间。此外， PLC系统还具备另一个独特优点――通信联网功能，基于此可实现对由同一条道路上的交通信号灯组成的局域网的统一管理调度，因此大大缩短了行人和车辆在路上的停留时间，也便于交通的科学化管理。
4 结语
交通信号灯控制仅仅是PLC控制的一个比较熟悉的应用体现，当前其应用领域已遍及国民经济的各行各业，甚至已进入人们的日常生活中。作为一种新型的控制装置，PLC系统综合了自动控制技术、计算机技术和网络通信技术，逐渐成为当代工业控制领域的支柱产品，并展现着日益重要的价值。
参考文献
[1] 刘元丽. PLC在电气控制线路设计中的应用[J]. 山东煤炭科技， 2008（6）.
[2] 黄伟玲. 基于PLC的气动搬运机械手设计[J]. 煤矿机械， 2009（10）