電氣控制與PLC應(yīng)用：第七章 PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計

1、第七章 PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計學習目的：學習PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，提高實 際應(yīng)用的能力。學習內(nèi)容：綜合PLC硬件及軟件知識，聯(lián)系工業(yè)控 制的實際，介紹小型PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方法.學習要求 :（1）了解 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟。 （2）掌握PLC控制系統(tǒng)硬件配置的方法。 （3）掌握PLC應(yīng)用程序設(shè)計方法及其設(shè)計技巧。 （4）結(jié)合工業(yè)控制中的應(yīng)用實例的設(shè)計， 提高實際應(yīng)用能力。 目 錄PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置 PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計 經(jīng)驗設(shè)計法順序功能圖法PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用 第一節(jié) PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟設(shè)計原則 設(shè)計步驟 一、設(shè)計原則

2、 最大限度地滿足被控對象對生產(chǎn)工藝的要求 力求控制系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟 應(yīng)考慮控制規(guī)模的發(fā)展和工藝的改進 二、設(shè)計步驟 第二節(jié)PLC控制系統(tǒng)的硬件配置選擇PLC機型 開關(guān)量I/O模塊的選擇 模擬量I/O模塊的選擇 智能I/O模塊的選擇 一、選擇PLC機型 I/O點數(shù)的估算 用戶存儲器容量的估算 CPU性能的選擇 PLC結(jié)構(gòu)合理、機型統(tǒng)一 1. I/O點數(shù)的估算估計總點數(shù)備用量（ 2030）%2用戶存儲器容量的估算 開關(guān)量輸入元件：1020字節(jié)/點 開關(guān)量輸出元件：510字節(jié)/點 定時器/計數(shù)器：2字節(jié)/個 模擬量：100150字節(jié)/通道 通信接口： 300字節(jié)以上/接口 25%左右的備用

3、量 備用量25%3CPU性能的選擇 性能與任務(wù)相適應(yīng) PLC的處理速度應(yīng)滿足實時控制的要求 在線編程和離線編程的選擇性能與任務(wù)相適應(yīng)：開關(guān)量控制系統(tǒng)，可選用小型PLC以開關(guān)量控制為主，部分模擬量的控制系統(tǒng)，可選用運算功能較強的小型PLC 控制要求較高的系統(tǒng)可選用中、大型PLC或功能強的小型PLC 處理速度 實時響應(yīng) 優(yōu)化程序縮短掃描周期適當采用直接處理方式采用高速響應(yīng)模塊選擇CPU處理速度快的PLC在線編程 離線編程“離線編程” 結(jié)構(gòu)簡單、體積小，攜帶方便 采用個人計算機配以相應(yīng)的編程軟件，可“離線編程”，也可 “在線編程”。 趨勢4. PLC結(jié)構(gòu)合理、機型統(tǒng)一 整體式結(jié)構(gòu)：單機小型控制系統(tǒng)（

4、簡單、緊湊）模塊式結(jié)構(gòu)：控制規(guī)模較大的系統(tǒng)（組態(tài)靈活、易于擴充）疊裝式結(jié)構(gòu)：中小型控制系統(tǒng)（綜合了整體式、模塊式的優(yōu)點） 機型統(tǒng)一，模塊通用性好，減少備件量，利于編程、維修、擴展 二、開關(guān)量I/O模塊的選擇 開關(guān)量輸入模塊的選擇 開關(guān)量輸出模塊的選擇 (一) 開關(guān)量輸入模塊的選擇 選擇工作電壓等級 選擇模塊密度 門坎電平 備用輸入點的設(shè)計 1選擇工作電壓等級 選擇依據(jù)： 根據(jù)現(xiàn)場檢測元件與模塊之間的距離來選擇。距離較遠時 選用較高電壓的模塊來提高系統(tǒng)的可靠性，以免信號衰減后造成誤差。距離較近時 選擇電壓等級低的模塊2選擇模塊密度 選擇依據(jù)：根據(jù)輸入信號的分布（空間、時間）為便于安裝、調(diào)試，按就

5、近原則安排輸入信號常選用8點、16點的輸入模塊；對于高密度輸入模塊(32/64點)，同時接通點數(shù)不超過模塊總點數(shù)的60%(視輸入電壓、環(huán)境溫度而定）3門坎電平 必要性：為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門坎 電平的大小門坎電平：指接通電平和關(guān)門電平的差值。門坎電平值越大：抗干擾能力越強 傳輸距離也就越遠4 備用輸入點的設(shè)計 備用輸入點應(yīng)分散到各模塊（組）上，例如每8點留一個備用點 發(fā)生故障時，用備用點替換故障點，方便地、迅速地處理故障。 (二) 開關(guān)量輸出模塊的選擇 輸出方式的選擇 輸出電流的選擇 1.輸出方式的選擇 晶體管輸出方式：（直流開關(guān)）響應(yīng)速度快，使用壽命長可控硅輸出方式：（交流開關(guān)

6、）響應(yīng)速度較快，起動電流大繼電器輸出方式：（交、直流開關(guān)）輸出電流大，響應(yīng)速度較慢，價格便宜2.輸出電流的選擇 輸出電流必須大于負載（電阻性負載）電流的額定值對于電容性負載、電感性負載，考慮到接通時有沖擊電流，要留有足夠的余量。如果負載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動時，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)（用中間繼電器）。注意同時接通點數(shù)的電流累計值必須小于公共端所允許通過的電流值 輸出端的短路保護為防止負載短路而燒壞PLC的輸出模塊，輸出回路必須外加熔斷器作短路保護。繼電器輸出方式 選用普通熔斷器晶體管輸出方式和晶閘管輸出方式 選用快速熔斷器 三、模擬量I/O模塊的選擇 模擬量輸入模塊的選擇 模擬量輸出模塊的

7、選擇 (一) 模擬量輸入模塊的選擇模擬量的輸入：電壓信號或電流信號 電壓信號: 05V、010V（單極性） 2.5V、5V（雙極性） 電流信號: 420mA注意：與現(xiàn)場的檢測信號范圍相對應(yīng)，分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)應(yīng)符合系統(tǒng)要求。 四、智能I/O模塊的選擇 智能I/O模塊 /單元通信處理模塊（如西門子EM277模塊）調(diào)制解調(diào)器模塊（如EM241模塊）位置控制模塊（如西門子EM253） 高速計數(shù)模塊帶有PID調(diào)節(jié)的模擬量控制模塊中斷控制模塊根據(jù)實際需要選擇第三節(jié) PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計 程序設(shè)計時應(yīng)注意的五個問題 應(yīng)用程序的設(shè)計方法 經(jīng)驗設(shè)計法順序功能圖法1系統(tǒng)框圖設(shè)計 對于較復雜的系

8、統(tǒng)，先設(shè)計系統(tǒng)框圖 自來水廠的系統(tǒng)框圖 根據(jù)工藝要求，繪制出各功能單元的詳細功能框圖（例順序功能圖）功能框圖是編程的主要依據(jù)，要盡可能地詳細，以便對全部控制功能有一個整體概念。2.分配I/O編號 編寫程序前應(yīng)給每一個輸入/輸出信號分配相應(yīng)的地址給出每個地址對應(yīng)的信號的含義、名稱并列成表3設(shè)計應(yīng)用程序 根據(jù)功能框圖（例順序功能圖）逐條地設(shè)計應(yīng)用程序，這是整個程序設(shè)計工作的核心部分；在設(shè)計過程中，可以借鑒現(xiàn)成的典型控制環(huán)節(jié)的程序；編寫程序過程中要及時注釋。 4程序調(diào)試是整個程序設(shè)計工作中一項很重要的工作，可以及時發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯誤和缺陷確保系統(tǒng)在各種正常和異常的情況下都能作出正確的響應(yīng)。經(jīng)室內(nèi)

9、調(diào)試、排錯、修改、模擬運行并確認無誤后再進行現(xiàn)場調(diào)試進一步察看系統(tǒng)的整體效果，尤其要注意系統(tǒng)的抗干擾能力。 5編寫程序說明書是對程序的綜合說明，是整個程序設(shè)計工作的總結(jié)目的是便于程序的使用者和現(xiàn)場調(diào)試人員使用它是程序文件的組成部分程序說明書包括：程序設(shè)計的依據(jù)程序的基本結(jié)構(gòu)各功能單元分析使用的公式和原理各參數(shù)的來源和運算過程程序調(diào)試情況 二、應(yīng)用程序的設(shè)計方法 正確選擇能反映生產(chǎn)過程的變化參數(shù)作為控制參量進行控制正確處理各執(zhí)行電器、各編程元件之間的互相制約、互相配合的關(guān)系，即聯(lián)鎖關(guān)系 經(jīng)驗設(shè)計法常用的設(shè)計方法 順序功能圖法等（一）經(jīng)驗設(shè)計法經(jīng)驗設(shè)計法的特點設(shè)計方法不規(guī)范，沒有一個普遍的規(guī)律可遵

10、循，具有一定的試探性和隨意性;設(shè)計出的程序不是唯一的，其質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有關(guān);對于復雜的系統(tǒng)，由于聯(lián)鎖關(guān)系復雜，難于掌握，且設(shè)計周期較長，設(shè)計出的程序可讀性差，使用、維護不便.根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗選擇基本環(huán)節(jié)，并把它們有機地組合起來。依據(jù)：經(jīng)驗設(shè)計法的應(yīng)用對于簡單的系統(tǒng)，用經(jīng)驗設(shè)計法進行設(shè)計，簡單、易行，可以收到明顯的效果;對于一些舊設(shè)備的改造也常采用經(jīng)驗設(shè)計法，借鑒原設(shè)備繼電器控制電路圖，并綜合考慮PLC的特點.經(jīng)驗法編程舉例運料小車Q0.1雷同Q0.0Q0.2Q0.0T370-1T37T38I0.1Q0.21-0Q0.3分析：Q0.2Q0.3Q0.3Q0.1（二）順序

11、功能圖法 順序控制 所謂順序控制，使生產(chǎn)過程按生產(chǎn)工藝的要求預先安排的順序自動地進行生產(chǎn)的控制方式。 順序功能圖所謂順序功能圖是IEC標準規(guī)定的用于順序控制的標準化語言順序功能圖以功能為主線表達準確、條理清晰、規(guī)范、簡潔是設(shè)計PLC的順序控制程序的重要工具。 順序功能圖的基本結(jié)構(gòu) 依據(jù)步之間的進展形式，順序功能圖有以下幾種基本結(jié)構(gòu)： 單序列結(jié)構(gòu)選擇序列的分支與合并 并行序列結(jié)構(gòu) 順序功能圖法特點針對順序控制所謂順序控制，使生產(chǎn)過程按生產(chǎn)工藝的要求預先安排的順序自動地進行生產(chǎn)的控制方式 編程具有一定的規(guī)律性順序控制設(shè)計法順序控制設(shè)計法的基本思想：將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這

12、些階段稱為布（Step），并用編程元件（S或M）來代表各步； 用轉(zhuǎn)換條件控制代表各步的編程元件（ S或M ），讓它們的狀態(tài)按一定的順序變化；用代表各步編程元件（ S或M ）去控制PLC的輸出位 。順序功能圖法編程步驟步驟：1.首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程，設(shè)計順序功能圖；2.然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計順序控制程序。順序功能圖法的優(yōu)點：1.在順序功能圖中，步之間沒有重疊。這使系統(tǒng)中大量復雜的聯(lián)鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。2.對于每一步的程序段，只需處理極其簡單的邏輯關(guān)系。3.編程方法簡單易學，規(guī)律性強。4.設(shè)計出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好；調(diào)試、運行方便步的劃分步是根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化來劃分的，在任何

13、一步之內(nèi)，各輸出量的ON/OF狀態(tài)不變，但相鄰的兩步狀態(tài)是不同的。 步的轉(zhuǎn)換條件：外部輸入信號，內(nèi)部信號順序功能圖法 與 編程指令 常用編程指令：順序控制繼電器指令（SCR）置位/復位（S/R）指令起-保-停 順序功能圖法SCR指令編程 深孔鉆削時，為利于鉆頭排屑和冷卻，需要周期性地從工件中退出鉆頭 起始位置SQ1被壓例：深孔鉆組合機床系統(tǒng)配置 (1) I/O點數(shù)統(tǒng)計 輸入8點（SB1SB4、SQ1、SQ3SQ5） 輸出2點（KM1、KM2）(2) 估算PLC用戶程序長度 I/O總點數(shù)的（1020）倍，大約200字節(jié) 選用S7-200CPU222 AC/DC/繼電器PLCS7-200CPU22

14、2單機集成8輸入/6輸出共14個I/O點選用AC/DC/繼電器主機構(gòu)成一個獨立的單機控制系統(tǒng)（3）機型選擇I/O接線圖 I/O分配表I/O接線圖互鎖過載保護(四) 畫出順序功能圖 (五)由順序功能圖設(shè)計出的深孔鉆組合機床梯形圖 步1和步2對應(yīng)的梯形圖步3、步4的梯形圖步5、步6的梯形圖電機正、反轉(zhuǎn)延遲切換的程序停止及點動調(diào)整程序鉆頭進刀和退刀是由電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)的，電機的正、反轉(zhuǎn)切換是使用兩個接觸器KM1（正轉(zhuǎn)）、KM2（反轉(zhuǎn)）切換三相電源中的任意兩相。為防止由于電源換相所引起的短路事故，減少換相對電機的沖擊，軟件上采用了換相延時措施，梯形圖中的T37、T38的延時時間應(yīng)設(shè)在0.5s內(nèi)。同時

15、在硬件電路上也采取了互鎖措施。I/O接線圖中的FR用于過載保護。為便于調(diào)整，程序中備有點動控制功能。注意2.置位 、復位指令編程并用編程元件（M）來代表各步； 用轉(zhuǎn)換條件控制代表各步的編程元件（ M ），讓它們的狀態(tài)按一定的順序變化；用代表各步編程元件（ M ）去控制PLC的輸出位 。例 交通信號燈程序控制 交通信號燈設(shè)置示意圖 控制要求 交通信號燈時序圖 I/O分配表及I/O接線圖 程序設(shè)計 （一）交通信號燈設(shè)置示意圖 （二）控制要求 1. 啟動后，南北向紅燈、東西向綠燈同時亮2. 東西向： 綠燈亮25s 閃爍3次（1s / 次）黃燈亮2s 紅燈亮30s 綠燈亮 停止 南北向： 紅燈亮30s 綠燈亮25s 閃爍3次（1s / 次）黃燈亮2 s 紅燈亮 停止（三）交通信號燈時序圖 四、程序設(shè)計過程中 應(yīng)注意的幾個問題 1先編制I/O分配表，后設(shè)計梯形圖 2合理排列梯形圖，使輸入、輸出響應(yīng)滯后現(xiàn)象不影響實際響應(yīng)速度。 3一個發(fā)信元件只能占一個輸入地址編號 同一個發(fā)信元件只選其中某一接點接入輸入端子正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)4合理接入輸入信號的觸點從設(shè)備的可靠性、安全性角度考慮故障斷線時，設(shè)備應(yīng)向著安全狀態(tài)發(fā)展。 停止按鈕 啟動按鈕 本書前面章節(jié)各圖均按常開觸點接入處理 故障斷