■ 刘美俊 （湖南工程学院 湖南 湘潭 ４１１１０１）
摘要：根据ＰＬＣ的工作特点，分
析了这种控制系统的主要结构形式，阐述了ＰＬＣ选型的基本原则，重点讨论了ＰＬＣ输入输出模块的选择要求以及Ｉ／Ｏ点数的确定、ＰＬＣ的安装要求和改善安装环境的具体措施、ＰＬＣ的外部配线及接地的方法，这些方法可以有效地保证ＰＬＣ控制系统的可靠性，具有较大的推广价值。
关键词：ＰＬＣ控制系统；结构与方
式；安装环境；改善措施
中图分类号：ＴＳ７３６文献标识码：Ｂ文章编号：１００７－９２１１（２００７）１１－００４７－０５
制多台设备。这种系统中，一般各控制对象所处地理位置比较集中，且相互之间的动作存在一定的顺序关系，它适合于简单的流水线控制。采用集中控制系统时，必须注意将Ｉ／Ｏ点数和存储器容量选择余量大些，以便增设控制对象。1.3分布式控制系统
分布式控制系统是指采用几台ＰＬＣ分别独立地控制某些设备，每一个控制对象设置一台ＰＬＣ，各ＰＬＣ之间可通过信号传递进行内部联锁、响应或发令等，或由上位机通过数据通信总线进行通信，其构成如图１ａ所示。这种系统多用于多台生产线的控制，并且控制某设备的ＰＬＣ即使停运，也不影响其他设备的运行。它适合于控制规模较大的工业现场。1.4远程Ｉ／Ｏ控制系统
当各控制对象地理位置比较分散，输入／输出线要引入ＰＬＣ时，可采用Ｉ／Ｏ模块组成的远程Ｉ／Ｏ系统。系统中Ｉ／Ｏ模块不与ＰＬＣ放在一起，而是放在被控设备附近。远程Ｉ／Ｏ机架与ＰＬＣ之间通过同轴电缆或双绞线连接并传递信息。由于不同厂家的不
刘美俊，工学硕士，副教授，主要研究方向：工业过程控制、智能控制等。
ＰＬＣ控制系统的设计与安装
在可编程序控制器（ＰＬＣ）控制系统中，控制系统结构与ＰＬＣ的安装是十分重要的工作，工艺流程的特点和用户应用的要求是设计的主要依据。由于ＰＬＣ产品的种类和数量繁多，其结构形式、容量、指令系统、价格等各不相同，适用场合也各有侧重，因此合理地选择ＰＬＣ及其控制系统的结构，使其具备较高的性能价格
比显得非常重要；同时每种ＰＬＣ都有自己的环境条件，良好的环境条件是ＰＬＣ系统可靠运行的重要保证，用户在设计ＰＬＣ控制系统时，对环境条件应给予充分的考虑。
1控制结构和方式的设计
1.1单机控制系统
单机控制系统是指用一台ＰＬＣ控制一台设备的系统，其输入／输出点数和存储器容量比较小，属于一种小系统。这种系统可以选用任何类型的ＰＬＣ作为控制器，但不宜将ＰＬＣ的功能、Ｉ／Ｏ点数、存储器容量等余量选得过大。
1.2集中控制系统
集中控制系统是用一台ＰＬＣ控
图１风分布式与远程Ｉ／Ｏ
控制系统结构
同型号的ＰＬＣ允许使用的同轴电缆长度是不同的，选择时必须按控制系统的需要选用。
图１ｂ所示是远程Ｉ／Ｏ控制系统的构成，图中系统使用了３个远程Ｉ／Ｏ机架（Ａ、Ｂ、Ｃ）和一个本地Ｉ／Ｏ机架（Ｍ）。需要说明的是：一个控制系统需要设置多少个远程Ｉ／Ｏ机架（站），要视控制对象的分散程度和距离而定，同时也受所选ＰＬＣ的限制。1.5就地控制系统
远程Ｉ／Ｏ控制系统中，远程Ｉ／Ｏ机架仅装Ｉ／Ｏ模块，没有程序，所有控制系统程序都存在ＰＬＣ的存储器中。如果用一台ＰＬＣ代替远程Ｉ／Ｏ机架，则构成了就地ＰＬＣ控制系统，如图２所示。
制器系统会很快过时［２］。
ＰＬＣ选型的基本原则是所选ＰＬＣ能够满足控制系统的功能需要，一般从系统控制功能、ＰＬＣ物理结构、指令和编程方式、存储量和响应时间、通信联网功能等几个方面综合考虑。下面重点讨论ＰＬＣ输入／输出模块的选择方法。
2.1输入／输出模块的选择输入模块将现场设备的信号进行检测并转换成ＰＬＣ内部的电平信号，按电压分为交流式和直流式，按电路形式分为汇点输入式和分隔输入式。选择输入模块时应考虑：输入信号电压的大小，信号传输的距离长短，是否需要隔离及采用何种方式隔离，内部供电还是外部供电等问题。输出模块把ＰＬＣ内部信号转换为外部过程的控制信号，以驱动外部负载。输入／输出模块是ＰＬＣ与被控对象之间的接口，按照输入／输出信号的性质，一般可分为开关量（或数字量）和模拟量模块。开关量输入／输出
模块也常称为离散输入／输出模块，其输入／输出信号可以是直流或交流的。开关量输入模块种类很多，按输入点数有８、１２、１６、３２点等，按工作电压有直流５Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ几种，交流１１０Ｖ、２２０Ｖ两种。选择开关量输入模块时主要考虑以下几点：（１）选择工作电压等级
电压等级主要根据现场检测元件与模块之间的距离来选择。距离较远时可选用较高电压等级的模块来提高系统的可靠性，以免信号衰减后造成误差；距离较近时，可选择电压等级低一些的模块，如５Ｖ、１２Ｖ和２４Ｖ等。
（２）选择模块密度
模块密度主要根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择。集中在一处的输入信号尽可能集中在一块或几块模块上，以便于电缆安装和系统调试。对于高密度输入
模块，如３２点或６４点，可同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般情况下，同时接通点数最好不超过模块总点数的６０％，以保证输入／输出点承受负载能力在允许范围内。（３）门槛电平
为了提高控制系统可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平，是指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。（４）输入端漏电流的控制在ＰＬＣ进行连接配线时，存在着不同程度的漏电流。如连接电缆和双绞线的线路电容可能引起交流漏电；晶闸管截止时也会存在少量漏电流；带ＬＥＤ指示的开关也可能会产生较大的漏电流。这些漏电流会像信号一样输入到输入点去，形成干扰。解决的方法是在输入端并联适当的电阻和电容，以降低输入总阻抗。目前，许多型号的ＰＬＣ内部都提供ＤＣ２４Ｖ电源，用做集电极开路传感器的电源。但该电源容量较小，当用做本机输入信号的工作电源时，需要考虑电源的容量。如果电源容量要求超出了内部ＤＣ２４Ｖ电源的定额，须采用外接电源，建议采用稳压电源。选择开关量输出模块时，应考虑以下问题：
①输出方式的选择
继电器输出方式价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过１Ｈｚ。晶闸管输出方式（交流）和晶体管输出方式（直流）都属于无触点开关输出，使用寿命长，适用于通断频繁的感性负载。对于开关频率高、电感大、低功率因数的交流负载，可选用晶闸管输出模块；而对于开关频率
女人在这种控制系统中，每个控制对象（或邻近的几个控制对象）设置一台具有控制程序的ＰＬＣ，然后用一台主ＰＬＣ通过同轴电缆或其他通信电缆与就地ＰＬＣ连接。就地ＰＬＣ的功能是执行控制任务，并将控制信息送给主ＰＬＣ，主ＰＬＣ接收各就地ＰＬＣ的信息后，进行管理性质的综合控制，而不直接控制被控对象［１］。
2ＰＬＣ的选择
选择ＰＬＣ时，不仅应考虑应用系统目前的需求，还应考虑未来发展的需要。如果选型时考虑周到，则今后扩充存储器时只要安装一个存贮器模块即可，如果具有可用的通信接口，就能满足增加外围设备的需要。对局部网的考虑可允许在将来将单个控制器集成为一个厂级通信网。若未能合理估计现在和将来的目标，
控
图２风就地控制系统
较高的直流负载，可选用晶体管输出模块。
②输出电流的选择
模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。选用输出模块时还应注意同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。为防止由于负载短路等原因而烧坏ＰＬＣ的输出模块，输出回路必须外加熔断器作短路保护。
对于继电器输出方式可选用普通熔断器；对于晶体管输出方式和晶闸管输出方式，应选用快速熔断器。
模拟量模块也包括输入模块和输出模块，模拟量输入模块把来自于传感器或变送器的电量或非电量信号转变为一定范围内的电压或电流信号，所以它分为电压型和电流型。电流型分为０～２０ｍＡ、４～２０ｍＡ两种，电压型分为１～５Ｖ、－１０～＋１０Ｖ、０～５Ｖ等多种型号，输入通道个数有２、４、８、１６个等几种。在选用时应注意外部物理量的输入范围，模拟通道循环扫描的时间和信号的连接方式。一般来说，电流型的抗干扰能力优于电压型。模拟量输出模块能输出被控设备所需的电压或电流，它的电压型和电流型的型号与模拟量输入模块的大体相似。选用输出模块驱动执行机构时，中间有可能要增加必要的转换装置，同时还要注意信号的统一性和阻抗的匹配性。当前一些ＰＬＣ生产厂家相继推出了一些智能输入／输出模块，如高速计数器、ＰＩＤ闭环控制模块等，由于它们本身含有微处理器，因此可提高ＰＬＣ的处理速度，节约存储器容量。用户可结合实际应用进行选择使用。
2.2结构、功能的选择
对于简单控制系统，即仅需要开关量控制的设备，一般的小型ＰＬＣ所
具有的简单运算、定时、计数等功能
就可以满足要求。如果还含有少量的
模拟量控制，需要算术运算、Ａ／Ｄ和
Ｄ／Ａ转换、ＢＣＤ码处理等功能的系
统，那么增强型小型ＰＬＣ便可胜任。
而对于复杂控制系统，如大型生产线
控制，因为它含有较多的开关量，模
拟量的控制要求也较高，例如要求实
现ＰＩＤ运算、闭环控制、通信联网等，
这时可考虑选择大中型ＰＬＣ。假若控
制点多又分散，要求具有较快的响应
速度和数据处理、分析决策等功能，
就必须选用具备联网通信功能的
ＰＬＣ网络系统。组成集散型或多级分
布式的工业控制网络系统。例如，采
用Ｓ７－３００／４００ＰＬＣ或计算机作为上
级，采用Ｓ７－３００／２００以及紧凑Ｉ／Ｏ站
ＥＴ－２００等作为下级组成分布式控制
系统。采用高速通信网络加上高速或
高性能ＰＬＣ的控制结构，是当前用于
快速响应系统的可行性方案之一［３］。
根据生产应用的要求，对输入／
输出点数少的控制系统可选用整体
式结构；输入／输出点数较多、控制性
能要求高的场合，可选择模块式结
构。需要指出的是同一企业或系统应
尽量使用统一机型或同一生产厂家
的ＰＬＣ，这样可减少备件的数量，
ＰＬＣ的外部设备和工具软件（如编程
器、ＥＰＲＯＭ写入器、编程软件）还可
以共享，降低成本。
2.3确定Ｉ／Ｏ点数
合理选择Ｉ／Ｏ点数既可满足系统
的控制要求，又可使系统总投资最
低。通常的做法是先把各输入／输出
设备和被控设备详细列出，然后再根
据常用电气元件所需ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ点
数，估算出实际Ｉ／Ｏ总点数。
3ＰＬＣ的安装
3.1ＰＬＣ的安装环境要求
（１）温度
ＰＬＣ及其外部电路都是由半导
体集成电路、晶体管和电阻、电容等
元器件构成的，温度的变化将直接影
响这些元器件的可靠性和寿命。ＰＬＣ
及其外部电路（Ｉ／Ｏ模块、辅助电源
等）可靠工作的环境温度为０～５５℃，
保存温度为－４０～＋８５℃。
（２）湿度
ＰＬＣ允许的相对湿度一般在
３５％～８０％。湿度太高时，水分容易通
过模块上ＩＣ的金属表面缺陷浸入内
部，引起内部元件的恶化，印制板可
能由于高压或高浪涌电压而引起短
路。在极干燥的环境下，绝缘物体上
可能带静电，特别是ＭＯＳ集成电路，
由于输入阻抗高，可能由于静电感应
而损坏。ＰＬＣ不运行时，温度、湿度的
急剧变化可能引起结露。结露后会使
绝缘电阻大大降低，由于高压的漏
泄，可能会使金属表面生锈。特别是
交流２２０Ｖ、１１０Ｖ的输入／输出模块，
由于绝缘的恶化，可能产生预料不到
的事故。
（３）振动和冲击
一般ＰＬＣ能耐的振动和冲击频
率为１０～５５Ｈｚ，振幅为０．５ｍｍ，加速
度为２ｇ，冲击为１０ｇ（１ｇ＝１０ｍ／ｓ２）。超
过这个极限时，可能会引起电磁阀或
断路器误动作、机械结构松动、电气
部件损坏以及连接器的接触不良等
后果。
（４）周围空气
周围空气中不能混有尘埃、导电
性粉末、腐蚀性气体、水分、油分、油
雾、有机溶剂和盐分等，否则会引起
下列不良现象：尘埃可能引起接触不
良，或使滤网的网眼堵住，使盘、柜内
温度上升；导电性粉末可能引起误动
作，绝缘性能变差和短路等；油和油
雾可能会引起接触不良和腐蚀塑料；
腐蚀性气体和盐分可能会引起印刷
电路板的底板或引线腐蚀，造成继电
器或开关类的可动部件接触不良。
3.2改善环境的措施
3.2.1防高温的措施
如果控制系统的环境温度超过极限温度５５℃，盘、柜内必须设置风扇，通过过滤器把自然风引入。有条件时还可把控制系统置于空调室内。应防止阳光直射。当安装有电阻器或电磁接触器等发热元件时，它们要远离ＰＬＣ或把ＰＬＣ安装在发热体的下面。ＰＬＣ的安装都应考虑通风，ＰＬＣ的上下都要像图３所示的那样留有１００ｍｍ的距离，Ｉ／Ｏ模块配线时要使用导线槽，以免妨碍通风。
单独设置，同时强固ＰＬＣ、Ｉ／Ｏ模块及印刷板等可产生松动的器件。3.2.5防周围环境空气不洁的措施如果周围环境空气不清洁，可将盘、柜设计成密封型结构，且打入高压清洁空气，使外界不清洁空气不能进入盘、柜内部。可在印制板表面涂一层保护层，如松香水等。3.3外部配线
为了抑制通过输入、输出信号传输线引入的干扰，应注意以下几点：（１）开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。（２）数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。
（３）模拟量信号是连续变化的信
号，外界的各种干扰信号都会叠加在模拟信号上面造成干扰，因此要选用屏蔽电缆或带防护的双绞线。如果模拟量Ｉ／Ｏ信号距离ＰＬＣ较远，应采用４～２０ｍＡ或０～１０ｍＡ的电流传输方式，而不用易受干扰的电压信号传输。最好将功率较大的开关量输入、输出线与模拟量输入、输出线分开敷设。（４）输入、输出信号线要与动力线分开。在条件允许的情况下，两组线距离应在２０ｃｍ以上，如果不能保证上述最小距离，可采取屏蔽措施，如将
邻近部分动力线穿套管，并将套管接地。绝对不允许把ＰＬＣ的输入、输出线与动力线、高压线捆在一起，几种的电缆敷设方式如图４所示。（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。一般两线间距离为２０ｃｍ，当两线平行敷设的长度在１００～２００ｍ时，两线间距离应在４０ｃｍ以上；平行敷设的长度在２００～３００ｍ时，两线间距离应在６０ｃｍ以上。
（６）ＰＬＣ的输入、输出线最好单独敷设在封闭的电缆槽架内（线槽外壳良好接地）。不同种类信号（如不同电压等级、交流、直流等）的输入、输出线，不能放在同一根多心屏蔽电缆内（引线部分更不许捆扎在一起），而且它们在槽架内应隔开一定距离安放，屏蔽层应当接地。
（７）对于输入、输出信号在３００ｍ以上的长距离场合，建议用中间继电器转换信号或使用远程Ｉ／Ｏ控制。3.4ＰＬＣ的接地
ＰＬＣ和控制柜盘与大地之间存在着电位差，良好的接地可以减少由于电位差引起的干扰电流。混入电源和输入／输出信号线的干扰，可通过接地线引入大地，从而减少干扰的影响。此外，
良好的接地还可以有效地
图３风风路设计
3.2.2机防低温措施
温度过低时，盘、柜内可设置加热器。冬季时这种加热器特别有效，可使盘、柜内温度保持在０℃以上或在１０℃左右。设置加热器时要选择适当的温度传感器，以便在温度高时自动切断加热器电源，低温时自动接通电源。停止工作时，不要切断控制器和Ｉ／Ｏ模块电源，从而依赖其自身的发热量使周围温度升高，特别是夜间低温时，这种措施是很有效的。另外，在温度急剧变化的场合，不要打开盘、柜的门，以防冷空气进入。3.2.3稳定湿度措施
若环境的湿度过大，盘、柜应设计成密封型，并放入吸湿剂，或把外部干燥空气引入盘、柜内，印刷板上最好再覆盖一层保护层，如喷松香水等。在湿度低即干燥的场合进行检修时，人体尽量不接触集成电路块和电子元件，以防感应电损坏器件。3.2.4防振动和冲击的措施在有振动和冲击的场合，如果振动来自盘、柜之外，可对盘、柜采用防振橡皮，或远离振源；如果振动来自盘、柜内，
则把产生振动的设备移出，
图４风电缆的铺设方式
图５的
ＰＬＣ的接地
防止干扰误动作。图５所示为控制系统的接地方法。图５ａ为控制器和其他设备分别接地方式，这种接地方式最好。如果做不到每个设备专用接地，也可使用图５ｂ所示的共用接地方式，但不允许使用图５ｃ所示的共通接地方式，特别是应避免与电动机、变压器等动力设备共通接地。
4结束语
ＰＬＣ控制系统的设计
与安装主要涉及到ＰＬＣ硬件的设计与软件的设计，其中软件的设计主要是编程语言的设计，其设计方法较多。本文重点分析了硬件的设计与安装。在实际应用中，应根据应用系统的具体特点和应用环境的具体条件，
收稿日期：２００７－０５－２５（补充稿）
灵活地选择行之有效的安装方法和采取抗干扰措施，全面、合理地考虑系统的软件和硬件设计，从总体上提高系统的抗干扰能力和可靠性。□
参考文献［１］刘美俊．可编程控制器应用技术［Ｍ］．福州：福建科技出版社，２００６．
［２］史国生等．电气控制与可编程控制器技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００４．
［３］刘美俊．ＰＬＣ的故障诊断与维护方法［Ｊ］．中华
纸业，２００６，２７（３）．
The design and installation of the PLC control system
LIU Mei-jun (Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411101, Hunan, China)
Abstract:In accordance with the operational characteristics of PLC, the paper analyzes the major structural forms of this control system and expounds the basic principles of PLC selection with the emphasis on the requirement of selection for the input-output module of the PLC and the determination of the I/O points, the installation requirement of the PLC and the specific measures to improve the installation conditions and the exterior wiring and grounding method of the PLC which can effectively improve the reliability of the PLC control system and have a great value of popularization.
Key words:PLC control system; structure and mode; installation condition; improvement measures