第8章PLC控制系統(tǒng)設計實例

第8章PLC控制系統(tǒng)設計實例主要內容三相異步電動機的PLC控制

十字路口交通信號燈的PLC控制

液體混合裝置的PLC控制

貨物傳輸帶及機械手臂控制系統(tǒng)

電鍍專用行車PLC控制系統(tǒng)溫度監(jiān)測與數(shù)據處理

1.主電路及控制要求三相籠型異步電動機的正、反轉控制主電路如圖示?？刂埔螅喊聪抡D按鈕，KM1主觸點閉合，電動機正轉運行，按下反轉按鈕，KM2主觸點閉合，電動機反轉運行。在電動機正、反轉控制過程中，防止主電路的電源相間短路是首要問題

8.1三相異步電動機的PLC控制8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制引起短路的原因有2個：其一是控制正、反轉的兩個接觸器同時通電動作；其二是主觸點之間的電弧引起短路，這種情況的發(fā)生是因剛斷開的觸點其電弧尚未熄滅，使斷開的觸點仍然處于通電狀態(tài)，而另一接觸器已接通，其觸點閉合造成短路。在PLC控制系統(tǒng)中，防止電源相間短路一般應在硬件接線和軟件設計中均加以考慮，以確保系統(tǒng)安全可靠。2.I/O編址與I/O接線PLC的輸入端一般連接一些主令電器，輸出端一般驅動接觸器和電磁閥等執(zhí)行元件。對于PLC輸入端或輸出端連接的外部電氣元件，應確定其連接到PLC端子上的確切位置，這就是PLC的I/O編址；

1）輸入/輸出信號及地址分配

在電動機正、反轉控制系統(tǒng)中，輸入信號有：停止按鈕SB1、正轉按鈕SB2、反轉按鈕SB3，熱繼電器觸點FR。輸出信號有：正轉接觸器KM1、反轉接觸器KM2，其I/O地址分配如表8-1

8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制輸

入輸

出名

稱符

號地址編號名

稱符

號地址編號停止按鈕SB1I0.0正轉接觸器KM1Q0.0正轉按鈕SB2I0.1反轉接觸器KM2Q0.1反轉按鈕SB3I0.2熱繼電器觸點FRI0.38.1.1三相異步電動機的正、反轉控制

表8-1I/O分配表

2）PLC型號選擇及外部接線將輸入元件和輸出元件按照I/O編址連接于PLC的相應端子上，即構成PLC的輸入/輸出連接(稱I/O接線），也稱PLC的外部接線。進行PLC與輸入/輸出信號的外部連接如圖8-2.

在圖中，全部輸入元件都使用其常開觸點接入，這樣便于輸入端連線，不易發(fā)生接線錯誤。在PLC輸出端，正、反轉兩個接觸器之間采用常閉觸點構成互鎖，這種互鎖稱為外部硬互鎖。硬互鎖作用：防止正、反轉兩個接觸器同時通電動作，防止電弧引起短路，造成主電路短路。8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制3.梯形圖設計在軟件設計中，為防止兩個接觸器同時通電造成短路，可以在軟件中采取軟互鎖；而電弧造成的短路也需要在軟件加以考慮，因為PLC內部繼電器的動作基本上都是瞬時完成的，因此在程序設計中，應利用PLC內部的定時器，強制性地使兩個輸出繼電器的切換有一個小的延時時間，以消除電弧短路。根據I/O編址及控制要求設計梯形圖如圖8-3所示。8.1.1三相異步電動機的正、反轉控制8.1.2三相異步電動機Y/Δ降壓啟動控制1.主電路及控制要求三相籠型異步電動機Y/Δ降壓啟動控制主電路如圖8-4?？刂埔螅喊聪聠影粹oSB2，KM和KMY主觸點閉合，電動機星形連接啟動，經過一定的啟動時間后，KMY主觸點斷開，KMΔ主觸點閉合，電動機由星形連接改變?yōu)槿切芜B接，啟動結束，電機正常運行。2.I/O編址與I/O接線1）輸入/輸出信號及地址分配在電動機星形-三角形降壓啟動控制中，輸入信號有停止按鈕SB1、啟動按鈕SB2，熱繼電器觸點FR，輸出信號有主接觸器KM、星形接觸器KMY、角形接觸器KMΔ，其I/O地址分配如表8-2所示8.1.2三相異步電動機Y/Δ降壓啟動控制8.1.2三相異步電動機Y/Δ降壓啟動控制輸

入輸

出名

稱符

號地址編號名

稱符

號地址編號停止按鈕SB1I0.0主接觸器KMQ0.0啟動按鈕SB2I0.1星形接觸器KMYQ0.1熱繼電器觸點FRI0.2角形接觸器KMΔQ0.2表8-2I/O分配表2）PLC型號選擇及外部接線8.1.2三相異步電動機Y/Δ降壓啟動控制8.1.2三相異步電動機Y/Δ降壓啟動控制3.梯形圖設計

控制過程：1）按下啟動按鈕SB2，電動機星形啟動（KM、KMY線圈同時得電），并延時10s；2）10s定時到，斷開KMY線圈，星形啟動結束，同時延時0.5s；3）0.5s定時到，接通KMΔ線圈，電動機角形正常運行（KM、KMΔ線圈通電）；4）按下停止按鈕SB1，KM、KMY、KMΔ接觸器均失電，電動機停止工作。在圖8-6所示的梯形圖中，定時器T37延時10s，為星形啟動所需的時間，定時器T38延時0.5s，防止電弧短路現(xiàn)象發(fā)生。在梯形圖中還設置了Q0.1和Q0.2之間的軟互鎖。8.1.2三相異步電動機Y/Δ降壓啟動控制8.2十字路口交通信號燈的PLC控制1.交通信號燈設置8.2.1控制要求2,控制要求信號燈受選擇開關控制。當按下選擇開關接通時，信號燈系統(tǒng)開始工作。

3.交通信號燈控制時序8.2.2PLC的選型及外部接線1.輸入/輸出信號及I/O編址根據十字路口交通信號燈示意圖和控制要求可知，該系統(tǒng)輸入信號有2個：選擇開關SA的常開點和常閉點；系統(tǒng)共有12個信號燈需要控制，將南北向綠燈HL1、HL2；南北向黃燈HL3、HL4；南北向紅燈HL5、HL6；東西向綠燈HL7、HL8；東西向黃燈HL9、HL10；東西向紅燈HL11、HL12均并聯(lián)后共用一個輸出點，這樣系統(tǒng)的輸出信號僅需6個.其I/O地址分配如表8-3所示。表8-3I/O分配表輸

入輸

出名

稱符

號地址編號名

稱符號地址編號選擇開關

SA-1I0.0南、北綠燈

HL1、HL2Q0.0選擇開關

SA-2

I0.1南、北黃燈HL3、HL4Q0.1南、北紅燈HL5、HL6Q0.2東、西綠燈HL7、HL8Q0.3東、西黃燈HL9、HL10Q0.4東、西紅燈HL11、HL12Q0.58.2.2PLC的選型及外部接線

2.PLC型號選擇及外部接線8.2.3控制程序設計8.2.3控制程序設計依時序圖，利用定時器指令和比較指令進行編程8.3液體混合裝置的PLC控制8.3.1控制要求1.液體混合裝置簡介1）系統(tǒng)從初始狀態(tài)（容器放空）開始工作，按啟動按鈕SB1后，電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器中；2）當液位高度到達I處時，液位傳感器SL2接通，YV1閥斷電關閉，同時YV2通電打開，液體B流入容器；3）當液位高度到達H處時，液位傳感器SL1接通，YV2閥斷電關閉，停止液體流入；4）加熱器FH開始工作，對液體進行加熱，當液體到達指定溫度時，溫度繼電器KTP動作，停止加熱，同時啟動攪拌電機M攪拌；2.控制要求

2.控制要求

5）2分鐘后，電機M停止攪拌，電磁閥YV3通電打開，將加熱并混合好的液體放出到下一道工序；6）當液位高度下降到低于L時，再延時10S，YV3閥斷電關閉。此時容器內液體已放空，電磁閥YV1通電打開，液體A流入容器，自動開始下一周期循環(huán)。

7）按下停止按鈕SB2時，要求不要立即停止工作，而是將停機信號記憶下來，直到完成一個工作循環(huán)后才停止工作，返到初始狀態(tài)上。

8.3.2PLC選型及外部接線系統(tǒng)的輸入信號有：啟動、停止按鈕各1個，液位傳感器3個，溫度繼電器開關1個，共6個輸入信；系統(tǒng)的輸出信號有：電磁閥3個，攪拌電機接觸器1個，加熱器接觸器1個，共5個輸出點；考慮到留有15%的備用點，選用S7-200CPU224可以滿足本例的要求。PLC的輸入/輸出信號及地址分配如表8-4。8.3.2PLC選型及外部接線輸

入輸

出名

稱符

號地址編號名

稱符

號地址編號啟動按鈕

SB1I0.0電機接觸器

KM1Q0.0停止按鈕

SB2I0.1A液體電磁閥

YV1Q0.1H處液位傳感器

SL1I0.2B液體電磁閥

YV2Q0.2I處液位傳感器

SL2I0.3C液體電磁閥

YV3Q0.3L處液位傳感器

SL3I0.4加熱器接觸器

KM2Q0.4溫度繼電器開關

KTPI0.5表8-4I/O地址分配表

8.3.2PLC選型及外部接線8.3.3PLC控制程序設計1.控制流程圖及功能圖設計

根據該液體混合裝置的控制要求，并考慮到各個執(zhí)行機構動作的條件，畫出液體混合裝置的控制流程圖如圖8-13所示。由圖可以看出，這是一種典型的步進控制，設計液體混合裝置的步進功能圖如圖8-14所示。根據步進功能圖8-14，使用順序控制指令實現(xiàn)步進控制，其編程如圖8-15。根據控制流程圖8-13，也可以用邏輯控制編程，如圖8-16。8.3.3PLC控制程序設計控制流程圖8-138.3.3PLC控制程序設計步進功能圖如8-14

2.控制程序設計（使用步進指令）2.控制程序設計（使用步進指令）2.控制程序設計（使用步進指令）

2.控制程序設計（使用基本指令）2.控制程序設計（使用基本指令）8.4貨物傳輸帶及機械手臂控制系統(tǒng)1.控制裝置簡介8.4.1控制要求1）機械手臂的原點位置：機械手臂回到最右端、最上端、抓手為放開狀態(tài)。2）當人工將工件放置在D點時，SP0動作→YV4得電并帶動機械手臂下降，直到SQ4動作→YV4斷電停止下降，YV5得電將工件抓緊，然后延時2s→YV3得電并帶動機械手臂上升，直到SQ3動作→YV3斷電停止上升，若傳送帶E點無工件（SP1未動作）→YV1得電并帶動機械手臂左移，直到SQ1動作→YV1斷電停止左移，YV4得電并帶動機械手臂下降，直到SQ4動作→YV4斷電停止下降，若傳送帶電機停止→YV5斷電放開工件（放置在E點），延時2s→YV3得電并帶動機械手臂上升，直到SQ3動作→YV3斷電停止上升，YV2得電并帶動機械手臂右移，直到SQ2動作→YV2斷電停止右移，返回到原點3）當E點有工件（SP1動作）且機械手臂已上升到最上方（SQ3動作）時，傳送帶電機MC轉動以運走工件，經過4s后傳送帶電動機自動停止。2.控制要求

8.4.2PLC選型及外部接線傳輸帶和機械手臂控制系統(tǒng)的輸入信號有：啟動、停止按鈕各1個，工件到位光電檢測開關2個，限位開關4個，共8個輸入信號;系統(tǒng)的輸出信號有：電磁閥5個，電動機接觸器1個，共6個輸出點;考慮到留有10%的備用點，選用S7-200CPU224可以滿足本例的要求。PLC的輸入/輸出信號及地址分配如表8-5。輸

入輸

出名

稱符

號地址編號名

稱符

號地址編號啟動按鈕

SB1I0.0

左移電磁閥

YV1Q0.0停止按鈕

SB2I0.1右移電磁閥

YV2Q0.1D點工件到位光電開關

SP0I0.2上升電磁閥

YV3Q0.2左限位開關

SQ1I0.3下降電磁閥

YV4Q0.3右限位開關

SQ2I0.4抓手電磁閥

YV5Q0.4上限位開關

SQ3I0.5

傳輸帶電機

接觸器

KMQ0.5下限位開關

SQ4I0.6E點工件到位光電開關

SP1I0.7表8-5I/O地址分配表PLC與輸入/輸出信號的外部連接圖

8.4.3順序控制功能圖設計整個控制程序的順序功能圖如圖8-19所示。由機械手臂控制（S0.1~S1.2)、傳輸帶控制（S2.0~S2.2)2個并行的順序功能圖組成。8.4.4控制梯形圖設計在初始狀態(tài)下，當按動啟動按鈕SB1后，同時激活S0.1和S2.0，S2.0是傳輸帶處于待命狀態(tài)，S0.1是機械手臂處于原點（SQ2和SQ4動作）待命狀態(tài)；圖8-20傳輸帶和機械手臂控制梯形圖8.5電鍍專用行車PLC控制系統(tǒng)8.5.1控制要求 1.電鍍專用行車結構簡介2.電鍍專用行車的工作流程 1）在電鍍生產線一側，工人將待加工的零件裝入吊籃，并發(fā)出控制信號，行車自動上升并逐段前進，根據工藝要求在需要停留的槽位停止。 2）行車停留在某個槽位上面后，自動下降，停留一定的時間（各槽停留的時間根據工藝要求預先設定），再自動上升并繼續(xù)前進。 3）如此完成電鍍工藝規(guī)定的每一道工序，直至生產線的末端；自動返回原位，由工人卸下處理好的零件。 至此，一次循環(huán)加工完成。3.對電鍍專用行車的控制要求 ●首先要滿足工作流程的控制需要。 ●控制系統(tǒng)具有程序預選功能，可按電鍍工藝要求確定需要停留的工位，一旦程序選定，除裝卸工件外，整個電鍍工藝過程能自動完成。 ●前后運動、升降運動要求準確停位，前后與升降運動之間應有聯(lián)鎖作用。 ●應有極限位置保護和其他必要的電氣保護措施。8.5.2電鍍行車電動機主電路設計1) 行車的前進和后退由電動機M1拖動，上升和下降由電動機M2拖動。2) 由接觸器KM1、KM2及KM3、KM4分別控制電動機M1、M2的正轉和反轉。3) M1、M2由熱繼電器FR1、FR2實現(xiàn)過載保護；由FU1實現(xiàn)短路保護，并由隔離開關QS作為電源控制。4) 為保證準確停車，行車的前后和升降運動均采用能耗制動，考慮到M1和M2不會同時制動工作，所以停車時，采用同一個直流電源實現(xiàn)能耗制動。5) 升降運動吊有一定的重量，在行車前后平移過程中，升降電機M2采用電磁抱閘制動（失電制動型）。

三相電磁鐵YA與M2并聯(lián)，當M2得電時，YA工作，松開剎車允許升降運動；M2失電時，YA釋放，抱閘剎車，使吊籃穩(wěn)定停留在空中，保證行車能安全地前后平移。根據以上設計原則，繪制出行車控制電動機主電路8.5.3PLC選型及外部接線

本系統(tǒng)的輸入信號有：啟動按鈕、停止按鈕各1個，行車前進點動、后退點動、上升點動、下降點動的調整按鈕4個，行車前進到極限、后退到極限、上升到極限、下降到極限的極限行程開關4個，4個槽的槽位行程開關4個，4個槽的槽位選擇開關4個，熱繼電器FR1和FR2的常閉觸點2個，共計20點輸入；系統(tǒng)的輸出信號有：行車前進、后退控制接觸器2個，行車上升、下降控制接觸器2個，行車前進、后退制動控制接觸器2個，行車上升、下降制動控制接觸器2個，共8個輸出點.考慮到留有10%的備用點，選用S7-200CPU226可以滿足電鍍行車的控制要求。PLC與輸入/輸出信號的外部連接圖8.5.4電鍍行車PLC控制程序設計在程序設計中，需要使用定時器對零件在各槽停留的時間和能耗制動時間進行控制.程序中使用接通延時定時器（TON)T37~T44共8個，其中T37~T40分別作零件在第1槽、第2槽、第3槽、第4槽中的停留時間定時器，該停留時間根據工藝要求可預先設定，設定值保存在VW10、VW12、VW14、VW16儲存單元中（在配置有人機界面的控制系統(tǒng)中，設定值應由人機界面現(xiàn)場寫入）；T41~T44分別作行車前進、后退、上升、下降制動時間定時器。電鍍行車PLC控制的梯形圖程序見下圖程序中設計了上升、下降、前進、后退4個環(huán)節(jié)之間的互鎖，上升與上升制動、下降與下降制動、前進與前進制動、后退與后退制動之間的互鎖等，以保證系統(tǒng)運行的安全可靠。8.6溫度監(jiān)測與數(shù)據處理 在工業(yè)生產自動控制中，經常需要對溫度、壓力、流量、速度等一些重要的參數(shù)進行自動監(jiān)測和顯示，并根據監(jiān)測結果進行相應的控制。本例以溫室大棚中溫度和濕度的實時監(jiān)測與顯示為例，說明PLC在模擬量信號檢測與處理中的應用問題。8.6.1控制要求及系統(tǒng)構成1.控制要求1）溫室大棚的溫度要求在25~30℃之間，濕度在60%~70%之間。2）每隔30s定時采集溫室內的溫度和濕度，并循環(huán)顯示溫室內的溫度和濕度。3）當溫、濕度值在要求范圍內，綠燈亮，表示溫、濕度正常；當溫度值低于下限25℃或高于上限30℃時，黃燈亮；當濕度值低于下限60%或高于上限70%時，紅燈亮；黃燈或紅燈亮的同時進行蜂鳴報警，表示溫度或濕度超出了要求范圍。4)可根據需要實時設置溫室大棚內溫度和濕度的標準值。2.監(jiān)測系統(tǒng)構成

采用PLC作控制器，選用溫濕度傳感器及變送器和A/D轉換模塊實現(xiàn)溫、濕度檢測和轉換。

在溫室大棚內設置2個溫、濕度檢測點，溫度和濕度信號經溫濕度傳感器和變送器轉換成4~20mA電流信號，送入模擬量輸入模塊。PLC采用定時中斷定時30s，通過模擬量輸入通道讀取2路溫度和濕度的檢測值，再計算平均值作為溫室大棚內的實際溫度值和濕度值。在系統(tǒng)中，設置一個啟動按鈕和一個停止按鈕來啟動和停止檢測系統(tǒng)，設置紅、黃、綠3個指示燈來指示溫、濕度狀態(tài)，設置一個蜂鳴器實現(xiàn)溫、濕度超限報警。選擇文本顯示器（也可選觸摸屏）MD204L進行大棚內溫、濕度的實時顯示和溫、濕度標準值的設置。8.6.2PLC選型及外部接線

系統(tǒng)輸入信號有：

停止按鈕SB1、啟動按鈕SB2； 系統(tǒng)的輸出信號有：

3個指示燈，一個蜂鳴器，共4個開關量輸出.考慮到文本顯示器需要與PLC實時通信，故選擇帶有通信接口的S7-200CPU224以滿足系統(tǒng)的需求。

系統(tǒng)需要檢測2路溫度和2路濕度，故選擇集成溫濕度傳感器和模擬量輸入模塊EM231AI4×12位 I/O地址分配表輸入輸出名稱符號地址編號名稱符號地址編號啟動按鈕SB1I0.0綠色指示燈HL1Q0.0停止按鈕SB2I0.1黃色指示燈HL2Q0.11#溫度檢測ST1AIW0紅色指示燈HL3Q0.21#濕度檢測AIW2蜂鳴器HZQ0.32#溫度檢測ST2AIW42#濕度檢測AIW6溫濕度測量選用溫濕度傳感器、變送器一體化的高性能的傳感器,測溫范圍0～50℃，測濕范圍0%RH～100%RH，輸出信號4～20mA， A/D轉換模塊EM231選擇電流輸入、單極性輸出方式，即輸入0-20mA電流信號，對應的數(shù)字量輸出為0～32000。EM231采用二線制-電流接法。 根據I/O地址分配表，進行CPU224與開關量輸入/輸出信號的外部連接及溫濕度變送器與EM231的連接如圖8-25所示。8.6.3PLC程序設計圖8-26程序的流程圖表8-8數(shù)據存儲V寄存器地址分配V寄存器地址存放數(shù)據VW1101號溫度采集數(shù)據（數(shù)字量）VW1122號溫度采集數(shù)據（數(shù)字量）VW114采集溫度平均值（數(shù)字量）VD116標度變換后的平均溫度值（文本顯示用）VD2101號溫度采集標度變換后的溫度值（文本顯示用）VD2142號溫度采集標度變換后的溫度值（文本顯示用）VW1201號濕度采集數(shù)據（數(shù)字量）VW1222號濕度采集數(shù)據（數(shù)字量）續(xù)表8-8VW124采集濕度平均值（數(shù)字量）VD126標度變換后的平均濕度值（文本顯示用）VD2201號濕度采集標度變換后的濕度值（文本顯示用）VD2242號濕度采集標度變換后的濕度值（文本顯示用）VD410設定的溫度上限數(shù)值VD414設定的溫度下限數(shù)值VD420設定的濕度上限數(shù)值VD424設定的濕度下限數(shù)值1.系統(tǒng)主程序圖8-27主程序2.定時采集數(shù)據中斷程序3.計算平均值子程序

4.標度變換子程序 對于溫度變送器輸出的4-20mA模擬量（對應0～50℃）對應于數(shù)字量為6400～32000，即0～50℃對應于數(shù)字量6400～32000。當讀取EM231的通道數(shù)據為數(shù)字量N(本例N值存放在VW110或VW112中)時，其對應的實際溫度值T計算公式為：T=

（N-6400）℃

=

（N-6400）℃

采集濕度變送器的數(shù)據，假如讀取的通道數(shù)據為數(shù)字量M(本例M值存放在VW120或VW122中)時，其對應的實際濕度值計算公式為：φ=

（M-6400）RH=

（M-6400）RH標度變換子程序如下在參數(shù)設定界面，可以選擇設定溫度或設定濕度功能，當按下①按鍵時，則進入溫度設定界面，當按下②按鍵時，則進入濕度設定界面，如圖示。在溫度設定界面，設定的溫度上限將被存入到PLC中的VW410中，設定的溫度下限將被存入到PLC中的VW414中。在濕度設定界面，設定的濕度上限將被存入到PLC中的VW420中，設定的濕度下限將被存入到PLC中的VW424中。5.比較輸出子程序8.6.4文本顯示界面設計文本顯示器MD204L有數(shù)值輸入小鍵盤和10個按鍵，它們可被定義成各種特殊功能按鍵，具有直接完成畫面跳轉、開關量設定等功能。通過文本顯示器編輯的界面，操作人員可方便地完成對PLC系統(tǒng)的數(shù)據監(jiān)視、參數(shù)設定、開關控制、報警列表監(jiān)視等操作。溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)主界面如圖所示。

在主界面，可以選擇參數(shù)設定或數(shù)據顯示功能，當按下SET按鍵時，則進入參數(shù)設定界面，如圖示。在參數(shù)設定界面，可以選擇設定溫度或設定濕度功能，當按下①按鍵時，則進入溫度設定界面，當按下②按鍵時，則進入濕度設定界面，如圖示

設定的溫度上限將被存入到PLC中的VW410中，設定的溫度下限將被存入到PLC中的VW414中。

設定的濕度上限將被存入到PLC中的VW420中，設定的濕度下限將被存入到PLC中的VW424中。在主界面，按下ENT按鍵時，則進入數(shù)據顯示界面

在數(shù)據顯示界面，可以選擇顯示溫度或顯示濕度功能，當按下①按鍵時，則進入溫度顯示界面，當按下②按鍵時，則進入濕度顯示界面，如圖示。 在溫度顯示界面，文本顯示器將讀取PLC中的VD210、V