第七章 PLC應用系統(tǒng)的設計.ppt

第7章 可編程控制器應用系統(tǒng)的設計,7.1 plc應用系統(tǒng)的總體設計 7.2 plc應用系統(tǒng)的硬件設計與選型 7.3 plc應用系統(tǒng)的程序設計 7.4 控制系統(tǒng)設計舉例 思考與練習題,第7章 可編程序控制器應用系統(tǒng)的設計,7.1 plc應用系統(tǒng)的總體設計 由于工作方式與工業(yè)控制計算機不完全一樣，因此用可編程控制器進行系統(tǒng)設計與用計算機進行系統(tǒng)的開發(fā)過程也不完全相同。在實際應用中，需要根據(jù)可編程控制器本身的特點進行系統(tǒng)設計。第一章講過plc系統(tǒng)的軟件和硬件可以分開進行設計，這是可編程控制器的一大特點。隨著近年來3c技術的突飛猛進，大中型plc的功能不斷加強，它們常應用于控制要求復雜、系統(tǒng)i/o點數(shù)較多或?qū)煽啃砸筇貏e高，不宜采用繼電器控制的工業(yè)場合。同時plc處理模擬量的能力也得到增強，特別是在,網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)處理等方面非常突出。plc已成為cims（計算機集成制造系統(tǒng)）和scada（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)的重要組成部分。 一般來說，可編程控制器系統(tǒng)設計的總體原則是：最大限度地滿足被控對象的控制要求，并在此前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，用戶使用和維護方便，保證系統(tǒng)的安全性、可靠性，并使之具有一定的可擴展性。 可編程控制器應用系統(tǒng)的設計步驟如p261頁圖7.1.1所示。,1.熟悉控制對象，確定控制范圍 首先要全面詳細的了解被控對象的特點和生產(chǎn)工藝流程，歸納出工作循環(huán)圖或狀態(tài)流程圖。如果控制對象是工業(yè)環(huán)境較差，對安全性、可靠性要求特別高，系統(tǒng)工藝流程較復雜、輸入/輸出點數(shù)多，使用常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)，或工藝流程要經(jīng)常變動的機械或現(xiàn)場，用可編程控制器進行控制是非常合適不過的。對確定了的控制對象，還要明確控制任務和實際要求，要深入了解工藝流程，明確機械運動與電氣執(zhí)行元件之間的順序關系，了解plc是否需要通信聯(lián)網(wǎng)，了解系統(tǒng)對電控系統(tǒng)的控制要求和需要顯示哪些物理量及顯示方式。,2.制訂控制方案，選擇可編程控制器機型 根據(jù)生產(chǎn)工藝和機械運動的控制要求，確定電控系統(tǒng)的工作方式，是手動、半自動還是全自動，是單機運行還是聯(lián)網(wǎng)運行。通過研究工藝過程和機械運動的各個步驟和狀態(tài)，確定各種控制信號和檢測反饋信號的相互轉(zhuǎn)換關系，選擇系統(tǒng)的外部電氣元件，如系統(tǒng)輸入元件：包括按鈕、傳感器、變送器、接近開關、限位開關等；輸出元件：包括電動閥、接觸器、指示燈等設備，具體的選擇方法可參閱電氣類有關的資料。還要確定哪些信號需要輸入plc，哪些信號要plc輸出或者哪些負載,要由plc驅(qū)動，分門別類地統(tǒng)計出各輸入/輸出量的性質(zhì)及參數(shù)，即它們是開關量還是模擬量，是直流量還是交流量，以及電壓的大小等級等，然后根據(jù)所得結(jié)果，選擇合適的plc型號和功能模塊，并確定框架或基板的型號，選擇所需模塊的種類、型號及數(shù)量。 3.系統(tǒng)硬件設計和軟件編程 plc選型和i/o點配置是硬件設計的重要內(nèi)容。根據(jù)被控對象的特點，以及plc的i/o類型和數(shù)量，合理地對plc的輸入、,輸出的地址進行編號。同時，設計出現(xiàn)規(guī)范的plc外部接線圖也是一個重要部分，這對plc系統(tǒng)的硬件設計、軟件編程和系統(tǒng)調(diào)整帶來諸多方便。輸入、輸出地址編號確定后，硬件設計和軟件工作可平行進行。有些系統(tǒng)還要設計必要的控制柜、顯示盤等，有些系統(tǒng)還要進行部分外圍電路設計工作，這些都屬于硬件設計方面的內(nèi)容。 而軟件設計即用戶程序的編寫一般包括畫出梯形圖，寫出語句指令表或用計算機輔助軟件編寫程序等。在程序設計和模擬調(diào)試時，可平行地進行電控系統(tǒng)其他部分的設計。,4.模擬調(diào)試 將設計好的程序鍵入plc后應仔細檢查與驗證，改正程序設計的語法錯誤。然后在實驗室里進行用戶程序的模擬運行和調(diào)試，即在離線的方式下運行所編制的程序，觀察各輸入量、輸出量之間的變化關系，檢查邏輯狀態(tài)是否符合設計要求。若條件許可，可帶模擬的負載做些必要的試驗，例如用電流或電壓信號代替壓力變化，觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)是否正常，是否符合設計要求。 5.現(xiàn)場運行調(diào)試 將模擬調(diào)試好的程序傳送現(xiàn)場使用的plc存儲器中，接入plc的輸入接線和負載。進行現(xiàn)場調(diào)試的前提是plc的外部接線,一定是準確無誤的。經(jīng)過調(diào)試、修改后，如程序能達到用戶控制設計要求指標，可將程序用寫入器固化在eprom中。 6.編制系統(tǒng)的技術文件 在系統(tǒng)交付用戶使用后，有時還要進行必要的技術培訓，并為用戶整理出完整的技術文件，如plc控制系統(tǒng)的說明書、外部接線圖、其他電氣圖紙及元件明細表等，以利于日后系統(tǒng)的維護和改進。 最后，再強調(diào)一下plc控制應用系統(tǒng)的設計內(nèi)容中還包括的幾個方面：,（1）可靠性設計 它是整體設計的重要組成部分，其中包括系統(tǒng)硬件和軟件可靠性設計。系統(tǒng)任何部分的故障都會使系統(tǒng)不能正常運行，因此在系統(tǒng)設計時必須遵循可靠性分配原則。冗余設計、系統(tǒng)安裝的工作環(huán)境設計等就屬于可靠性設計的內(nèi)容，其中冗余設計常采用熱后備或冷后備方式。對plc來說，冗余系統(tǒng)的范圍主要包括cpu、存儲單元、電源系統(tǒng)和通信單元等，系統(tǒng)工作環(huán)境要能夠滿足溫度、濕度、振動和沖擊等條件的要求。 （2）安全性設計 主要指系統(tǒng)在緊急異常狀況下能處于安全狀態(tài)。因此在,系統(tǒng)設計過程中要求系統(tǒng)具有及時處理事故或故障的功能，可在主要設備和回路中設置緊急停車按鈕或事故按鈕，或者設計安全回路。這里所指的安全回路可由非半導體的機電元件以硬接線的方式構成，它能夠獨立與plc工作，并起到保護現(xiàn)場工作人員和設備的作用。設計任何控制系統(tǒng)時，安全性是頭等大事，這一點希望能引起每個工程設計者足夠的重視。 （3）標準化設計 在系統(tǒng)硬件和軟件設計中，選用符合國際標準的元件和應用軟件系統(tǒng)將有利于控制系統(tǒng)的日常維護及系統(tǒng)將來的升級、規(guī)模的擴展等，可以減少不必要的沖突，增強系統(tǒng)的兼容性。,7.2 plc應用系統(tǒng)的硬件設計與選型 在plc的工業(yè)設計中，硬件選型是十分重要的工作，工藝流程的特點和用戶應用的要求是設計選型的主要依據(jù)。由于plc產(chǎn)品的種類和數(shù)量繁多，其結(jié)構形式、容量、指令系統(tǒng)、編程方法、價格等各不相同，國內(nèi)外近千種plc的性能指標、適用場合也各有側(cè)重，因此合理地選擇plc，使其具備較高的性能價格比顯得非常重要。plc的選型和硬件設計應從以下的七個方面加以考慮。,1. 控制結(jié)構和方式的選擇 由plc構成控制系統(tǒng)有以下幾種方式： （1）單機控制系統(tǒng) 單機控制系統(tǒng)是指用一臺plc控制一臺設備或多臺設備，控制的輸入/輸出點數(shù)比較少，屬于一種小系統(tǒng)。有的文獻稱之為集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般多用于各控制對象所處地理位置較集中，且相互之間的動作存在一定的順序關系的情況下，適用于簡單的流水線控制。,（2）遠程i/o系統(tǒng) 遠程i/o系統(tǒng)是指當各控制對象地理位置比較分散，輸入/輸出線要引入控制器時，可采用i/o模塊組成的遠程i/o系統(tǒng)。遠程i/o系統(tǒng)主單元通過i/o通道號可正確地操作遠程i/o點，輸入/輸出通道分配在現(xiàn)場的幾個區(qū)域內(nèi)，適合于被控對象遠離中控室的工業(yè)現(xiàn)場。 （3）分布式控制系統(tǒng) 分布式控制系統(tǒng)是指采用幾臺plc分別獨立控制某些設備，各plc之間、plc與上位機之間通過數(shù)據(jù)通信線相連組成的,系統(tǒng)，也叫分散型控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)多用于多臺生產(chǎn)線的控制，并且控制某設備的plc如果停運的話，不影響其他設備，適合于控制規(guī)模較大的工業(yè)現(xiàn)場。 實際應用時不可能只選取一種結(jié)構，而是要結(jié)合控制的難易程度、被控設備的特點、系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性等因素，全盤考慮。 2. plc機型的選擇 plc選型的基本原則是所選plc能夠滿足控制系統(tǒng)的功能需要。一般從系統(tǒng)控制功能、plc物理結(jié)構、指令和編程方式、,plc存儲量和響應時間、通信聯(lián)網(wǎng)功能等幾個方面綜合考慮。下面分別進行論述。 從應用角度來看，plc可按控制功能或輸入/輸出點數(shù)分類。對于簡單控制系統(tǒng)，即僅需要開關量控制的設備，一般的小型plc所具有的簡單運算、定時、計數(shù)等功能就可以滿足要求。如果還含有少量的模擬量控制，具有算術運算、a/d和d/a轉(zhuǎn)換、bcd碼處理等功能的系統(tǒng)，那么增強型小型plc便可勝任。而對于復雜控制系統(tǒng)，如生產(chǎn)線控制，因它含有較多的開關量，模擬量的控制要求也較高，所以可考慮選擇大中型plc。假若控制點多又分散，要求具有較快的響應速度和數(shù)據(jù)處理、分析,決策等功能，就必須選用具備聯(lián)網(wǎng)通信功能的plc網(wǎng)絡系統(tǒng)，組成集散型或多級分布式的工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。 從plc的物理結(jié)構來看，plc分為模塊式和整體式。整體式plc具有固定的輸入/輸出點數(shù)，結(jié)構簡單，價格較低，但系統(tǒng)靈活性和擴展能力較差。模塊式可進行靈活的輸入和輸出配置，i/o模塊的種類和數(shù)量選擇余地較大，應用場合廣泛，系統(tǒng)的安裝和擴展容易，系統(tǒng)維修更換模塊及判斷故障范圍都很方便，但價格偏高。根據(jù)生產(chǎn)應用的要求，對輸入/輸出點數(shù)少的可選用整體式結(jié)構，輸入/輸出點數(shù)較多，控制性能要求高的可選擇模塊式結(jié)構。需要提醒的是同一企業(yè)或系統(tǒng)應盡量使用統(tǒng)一機型或同一生產(chǎn)廠家的plc，這樣可減少備件的數(shù)量，plc,的外部設備和工具軟件（如編程器、eprom寫入器等）還可以共享，以降低成本。 plc的指令系統(tǒng)一般包括邏輯指令、運算指令、控制指令、數(shù)據(jù)處理和其他特殊指令，這些指令能完成諸如開平方、對數(shù)運算、網(wǎng)絡通信等功能。用戶可從便于控制系統(tǒng)編程的角度來加以選擇，只要能滿足實際需要就可以了，避免大材小用。plc的編程有兩種方式：在線和離線編程。采用離線編程可降低成本，對大多數(shù)應用系統(tǒng)來說都可以滿足生產(chǎn)需要，因而較多的中小型plc都使用這種方法。在線編程所需成本較高，但使用方便，大型plc中常采用。,目前plc聯(lián)網(wǎng)已成為一種發(fā)展趨勢，也成為cims、（計算機集成制造系統(tǒng)） scada （監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)的基礎。除小型plc外，大中型plc都具有聯(lián)網(wǎng)通信的接口功能。如果用戶要求使用plc網(wǎng)絡系統(tǒng)，建議選擇符合internet的tcp/ip協(xié)議標準的產(chǎn)品。網(wǎng)絡傳輸介質(zhì)可根據(jù)實際組網(wǎng)的需要進行選擇。有關plc網(wǎng)絡通信系統(tǒng)可參閱本書相關章節(jié)的內(nèi)容。 3. i/o點數(shù)的估算 準確統(tǒng)計出被控設備對輸入/輸出點數(shù)的總需要量是plc選型的基礎。通常輸入/輸出點數(shù)是衡量plc規(guī)模大小的主要技術指標，同時也是影響plc價格的主要因素之一。把各輸入/輸出,設備和被控設備詳細地列出，然后再跟據(jù)常用電氣元件所需plc的i/o點數(shù)（如表7.2.1所示）統(tǒng)計出實際i/o總點數(shù)。在此基礎上還要留出1015的備用量，便于以后調(diào)整和擴充。如果采用主機模塊與輸入/輸出模塊、功能模塊組合使用的方法，i/o模塊按點數(shù)分為8、16、32、64點不等，可根據(jù)用戶的需要選擇，靈活使用。,表7.2.1 常用電氣元件所需plc的i/o點數(shù),4. 輸入/輸出模塊的選擇 輸入模塊將現(xiàn)場設備（如按鈕開關）的信號進行檢測并轉(zhuǎn)換成plc機內(nèi)部的電平信號，它按電壓分為交流式和直流式，按電路形式分為匯點輸入式和分隔輸入式。選擇輸入模塊時應考慮：輸入信號電壓的大小，信號傳輸?shù)木嚯x長短，是否需要隔離及采用何種方式隔離，內(nèi)部供電還是外部供電等問題。 輸出模塊把plc內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號，以驅(qū)動外部負載。 輸入/輸出模塊是可編程控制器與被控對象之間的接口，按照輸入/輸出信號的性質(zhì)一般可分為開關量（或數(shù)字量）和,模擬量模塊。 開關量模塊包括輸入模塊和輸出模塊，有交流、直流和ttl電平三種類型。開關量輸入模塊按輸入點數(shù)分為4、8、16、32、64等，按電壓等級分為直流24v、48v、60v和交流110v、230v等。模塊密度要根據(jù)實際需要來選擇，一般以每塊1664點為好。如果是長距離傳輸通信，開關量輸入模塊的門坎電平也是不容忽視的一個因素。直流開關量輸入模塊的延遲時間較短，可直接與接近開關、光電開關等電子裝置相連。開關量輸出模塊按輸出點數(shù)分有16、32、64點，按輸出方式分有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。選擇,的輸出模塊的電流值必須大于負載電流的額定值。對于頻繁通斷、低功率因數(shù)的感性負載，應采用無觸點開關器件，即選用晶閘管輸出（交流輸出）或晶體管輸出（直流輸出），這樣做的缺點是價格較高。繼電器輸出屬于有觸點器件，其優(yōu)點是適應電壓的范圍寬，價格便宜，但存在壽命短、響應速度較慢的缺點。 注意：對于輸入輸出模塊可同時接通的接點不要超過它總數(shù)的60。輸出功率和負載同樣是要注意的細節(jié)問題。 模擬量模塊也包括輸入模塊和輸出模塊。模擬量輸入模塊把來自于傳感器或變送器的電壓、壓力、流量、位移等電量或非電量轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)的電壓或電流信號，所以它分為電壓型和電流型。電流型又分為020ma、420ma兩種，,電壓型分為15v、-10+10v、05v等多種型號。通道有2、4、8、16個。在選用時應注意外部物理量的輸入范圍，模擬通道循環(huán)掃描的時間和信號的連接方式。一般來說，電流型的抗干擾能力優(yōu)于電壓型。模擬量輸出模塊能輸出被控設備所需的電壓或電流，它的電壓型和電流型的型號與模擬量輸入模塊的大體相似，選用輸出模塊驅(qū)動執(zhí)行機構時，中間有可能要增加必要的轉(zhuǎn)換裝置，同時還要注意信號的統(tǒng)一性和阻抗的匹配性。 當前plc生產(chǎn)廠商相繼推出了一些智能式輸入/輸出模塊，如高速計數(shù)器、pid閉環(huán)控制模塊等，由于它們本身含有處理器，因此可提高plc的處理速度，節(jié)約存儲器容量。用戶可結(jié)合實際應用進行選擇使用。,5. 估算系統(tǒng)對plc響應時間的要求 響應時間包括輸入濾波時間、輸出濾波時間和掃描周期。plc的程序掃描工作方式?jīng)Q定了它不能可靠地接收持續(xù)時間小于掃描周期的輸入信號。為此，需要選取掃描速度高的plc來提高對輸入信號的接收準確性。掃描速度是用執(zhí)行指令所需要的時間來估算的，單位是ms/k字。大多數(shù)機器的性能指標中都給出了掃描速度的具體數(shù)值。對于慢速大系統(tǒng)，如大型料場、碼頭、高爐、軋鋼廠的主令控制等可選用多臺中小型plc或低速網(wǎng)絡進行控制；對于快速實時控制，如高速線材、中低速熱連軋等速度控制可,選擇運行速度快的cpu、功能強的大型plc或高速網(wǎng)絡來滿足信息快速交換的要求。需要引起注意的是，一定要保證最長的掃描周期要小于系統(tǒng)電氣狀態(tài)改變的時間，這樣才能使系統(tǒng)正常工作。 6.對程序存儲器容量的估算 plc的程序存儲器容量通常以字或步為單位。用戶程序所需存儲器容量可以預先估算。一般情況下用戶程序所需存儲的字數(shù)可按照如下經(jīng)驗公式來計算: 開關量輸入輸出系統(tǒng),輸入：用戶程序所需存儲的字數(shù)輸入點總數(shù)10 輸出：用戶程序所需存儲的字數(shù)輸出點總數(shù)8 模擬量輸入輸出系統(tǒng)：每一路模擬量信號大約需要120字的存儲容量，當模擬輸入和模擬輸出同時存在時，應有 所需內(nèi)存字數(shù)模擬量路數(shù)250 定時器和計數(shù)器系統(tǒng)： 所需內(nèi)存字數(shù)定時器/計數(shù)器數(shù)量2 含有通信接口的系統(tǒng)（多指plc網(wǎng)絡系統(tǒng)）：,所需存儲字數(shù)通信接口個數(shù)300 另外，根據(jù)系統(tǒng)控制要求的難易程度也可采用另一種方法進行估算，采用的計算公式如下： 程序容量k總輸入/輸出點數(shù) 對于簡單控制系統(tǒng)來說，k=6；若為普通系統(tǒng)，則k=8;若為較復雜系統(tǒng)，則k=10；若為復雜系統(tǒng)，則k=12。 7.可編程控制器的電源選擇 電源是plc干擾引入的主要途徑之一，因此選擇優(yōu)質(zhì)電源無疑有助于提高plc控制系統(tǒng)的可靠性。一般可選用畸變較小,的穩(wěn)壓器或帶有隔離變壓器的電源。使用直流電源要選用橋式全波整流電源。對于供電不正常或電壓波動較大的情況，可考慮采用不間斷電源（ups）或穩(wěn)壓電源供電。對于輸入觸點的供電可使用plc本身提供的電源，如果負載電流過大，可采用外設電源供電。輸出電流是電源的一個關鍵因素，應特別注意。,7.3 plc應用系統(tǒng)的程序設計 7.3.1 可編程控制器應用程序設計語言 可編程控制器應用程序是指用戶根據(jù)各自的控制要求所編寫的各種實用程序，盡管這些實用程序各不相同，但它們的編程語言限于以下幾種：梯形圖語言、布爾助記符語言、功能表圖語言、功能模塊圖語言及結(jié)構化語句描述語言等。梯形圖語言和布爾助記符語言是基本程序設計語言，它們通常由一系列指令組成，用這些指令可以完成大多數(shù)簡單的控制功能，例如代替繼電器、計數(shù)器、定時器完成順序控制和,邏輯控制等。功能表圖語言和語句描述語言是高級的程序設計語言，它們可根據(jù)需要去執(zhí)行更有效的操作，例如模擬量的控制、數(shù)據(jù)的運算、報表的打印和采用其他程序設計語言無法完成的功能。功能模塊圖語言采用功能模塊圖的形式，通過軟連接的方式完成所要求的控制功能，它不僅在可編程序控制器中得到了廣泛的應用，而且在集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)中也常常被采用。由于功能模塊圖語言具有連接方便、操作簡單、易于掌握等特點，所以為廣大工程設計的應用人員所喜愛。 國際電工委員會（iec）的sc65b wg7工作組為可編程控制器制定了相應的國際標準iec1131，它包括五部分，,其中iec1131-3對plc所用的上述5種程序設計語言作了相應描述和規(guī)定。 1.梯形圖（ladder diagram）程序設計語言 梯形圖程序設計語言是用梯形圖的圖形符號來描述程序的一種程序設計語言。這種程序設計語言采用因果關系來描述事件發(fā)生的條件和結(jié)果，每個梯級是一個因果關系，梯級中描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在后面。 梯形圖程序設計語言是最常用的一種程序設計語言。它來源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)常用的接觸器、繼電器的梯形圖，與電氣操作原理圖相呼應。由于在工業(yè)過程控制領域中，電氣,技術人員對繼電器邏輯控制技術較為熟悉，因此這種梯形圖語言受到了普遍的歡迎，并得到了廣泛的應用。具體的編程規(guī)則可參見本書的第4章，這里不再重復。 梯形圖程序設計語言的特點是： （1）與電氣操作原理圖相對應，直觀、形象和實用； （2）與原有繼電器邏輯控制技術相一致，電氣技術人員易于掌握和學習； （3）梯形圖中的能流（power flow）不是實際意義的物理電流，而是“概念”電流；內(nèi)部的繼電器也不是實際,存在的繼電器，每個繼電器和輸入接點都是存儲器中的一位，因此梯形圖中的繼電器接點在編制用戶程序時能無限使用，可常開又可常閉； （4）梯形圖中的輸入接點和輸出線圈不是物理接點和線圈，用戶程序的解算是根據(jù)plc內(nèi)部i/o映像區(qū)相應位的狀態(tài)得到的，并不是解算現(xiàn)場的實際狀態(tài)。用戶程序的邏輯解算結(jié)果可馬上為后面的程序所利用。 梯形圖程序設計方法適用于簡單控制系統(tǒng)的梯形圖設計，無法清楚地描述較復雜的控制系統(tǒng)。這種方法要求設計人員對典型控制電路相當熟悉，有較豐富的電器控制設計經(jīng)驗，,且設計過程中往往要經(jīng)過多次反復修改、調(diào)試，具有很大的試探性和隨意性，最終設計出的梯形圖也不一定是最佳方案。 2.布爾助記符（boolean mnemonic）程序設計語言 布爾助記符程序設計語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設計語言，與計算機中的匯編語言非常相似。所謂助記符語言編程就是用一個或幾個容易記憶的字符代表plc的某種操作功能。助記符語言也可稱為命令語句表達式語言，它的一般格式為： （1）采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握的特點；,（2）在編程器的鍵盤上采用助記符表示，便于鍵入，可在無計算機的場合下進行編程設計； （3）與梯形圖有一一對應的關系，電氣技術人員對程序易于理解和檢查； （4）在編程支路的元素數(shù)量不受限額。 這種方法也存在對較復雜控制系統(tǒng)設計較難描述清楚的缺點。 3. 功能表圖（sequential function chart）程序設計語言 功能表圖程序設計語言是用功能表圖來描述程序的一種圖形,程序設計語言，它是近年來由歐洲發(fā)展起來的一種程序設計語言，又叫做順序功能圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖程序設計語言。在1994年5月公布的iec1131中，順序功能圖（sfc）被確定為plc位居首位的編程語言。近幾年推出的可編程序控制器和小型集散控制系統(tǒng)中已提供了采用功能表圖描述語言進行編程的軟件。 功能表圖主要由步、有向連線、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換條件和動作（或命令）組成。最基本的思想是：將控制系統(tǒng)的一個工作周期分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步；實際上步就是工位的某一個狀態(tài)，它由plc的內(nèi)部元件來代表。步,是以輸出量的狀態(tài)變化來劃分的，一般用矩形框來表示，框中的數(shù)字是該狀態(tài)的編號，原始狀態(tài)（“0”狀態(tài)）用雙線框表示。兩個相鄰狀態(tài)之間的有向線段代表轉(zhuǎn)移，系統(tǒng)從當前步進入下一步的信號稱為轉(zhuǎn)移條件，用與轉(zhuǎn)移線段垂直的短線表示。短線旁的文字、圖形符號或邏輯表達式標明轉(zhuǎn)移條件的內(nèi)容。轉(zhuǎn)移條件可能來自外部輸入信號或plc內(nèi)部產(chǎn)生的信號。用轉(zhuǎn)移條件控制代表各步的編程元件，使它們的狀態(tài)按一定的順序變化，然后去控制各輸出繼電器。動作或命令就是狀態(tài)框旁與之對應的各步內(nèi)容的文字描述，可用矩形框?qū)⑺鼈儑饋?，以短線連接到狀態(tài)框。,采用功能表圖的描述，控制系統(tǒng)被分為若干個子系統(tǒng)。這種描述從功能入手，使系統(tǒng)的操作具有明確的含義，便于程序的分工設計和檢查調(diào)試。 功能表圖程序設計語言的特點是： （1）以功能為主線，條理清楚，便于對程序操作的理解和溝通； （2）以大型的程序，可分工設計，采用較為靈活的程序結(jié)構，可節(jié)省程序設計時間和調(diào)試時間； （3）兩個步（或轉(zhuǎn)移）不能直接相連，必須用一個,轉(zhuǎn)移（或步）將它們隔離； （4）初始步必不可少，一般對應于系統(tǒng)等待啟動的初始狀態(tài)； （5）僅當某一步所有的前級步都是活動步時，該步才有可能變成活動步，只有在活動步的命令和操作被執(zhí)行后，系統(tǒng)才對活動步后的轉(zhuǎn)移進行掃描，因此，整個程序的掃描時間較用其他語言編制的程序的掃描時間要大大縮短。 4. 功能模塊圖（function blook）程序設計語言 功能模塊圖程序設計語言是采用功能模塊來代表模塊所具有,的功能，不同的功能模塊功能各異。功能模塊有若干個輸入端和輸出端，通過軟連接的方式，分別連接到所需的其他端子上，滿足用戶的控制運算或控制功能。系統(tǒng)功能模塊可以分為不同的類型，即使在同一種類型中，也可能因功能參數(shù)的不同而使功能或應用范圍有所差別。由于功能模塊之間及功能模塊與外部端子之間采用軟連接的方式連接，因此控制方案的更改、信號連接的替換等操作可以很容易地實現(xiàn)，所以這種程序設計語言適合于控制參數(shù)經(jīng)常改變的應用系統(tǒng)。 功能模塊圖程序設計語言的特點是： （1）以功能模塊為單位，功能模塊用圖形化的方法描述,功能，它的直觀性大大方便了設計人員的編程和組態(tài)，有較好的易操作性； （2）適用于控制規(guī)模較大、控制關系較復雜的系統(tǒng)，它將控制功能的關系較清楚地表達出來，因此編程和組態(tài)時間可以縮短，調(diào)試時間也能大大減少； （3）由于每種功能模塊需要占用一定的內(nèi)存，功能模塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時間，因此這種設計語言在大中型可編程序控制器和集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)中才被采用。,5. 結(jié)構化語句描述（structured text） 結(jié)構化語句描述程序設計語言是用結(jié)構化的描述語句來描述的一種程序設計語言，它是一種類似于高級語言的程序設計語言。在大中型的可編程序控制器系統(tǒng)中，常采用結(jié)構化語句描述程序設計語言來描述控制系統(tǒng)中各個變量的關系。集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)也常使用這種語言。 結(jié)構化語句描述程序設計語言采用計算機的描述語句來描述系統(tǒng)中各種變量之間的運算關系，完成用戶所需的功能和操作。大多數(shù)plc制造廠商采用的語句描述程序設計語言與basic語言、c語言等高級語言相類似。為了應用方便，,語句描述程序設計語言在語句的表達方法及語句的種類等方面都進行了簡化。 結(jié)構化程序設計語言具有下列特點： （1）采用高級語言進行編程，可以完成較復雜的控制運算； （2）常被用于其他語言（如功能模塊圖等）較難以實現(xiàn)的一些控制功能的方案實施，例如自適應控制功能的實現(xiàn)。 該方法也存在對編程人員的技能要求較高，普通電氣人員無法完成，直觀性和易操作性較差等缺點。,7.3.2 可編程序控制器的應用程序設計方法 可編程序控制器的應用程序往往是一些典型的控制環(huán)節(jié)和基本的電路的組合，編程人員可以依靠經(jīng)驗來選擇合適的語言，直接設計用戶程序，以滿足生產(chǎn)過程的控制要求。plc用戶程序的設計方法沒有固定的模式，一般常采用經(jīng)驗設計法、邏輯設計法、狀態(tài)流程圖法、計算機輔助編程設計法等。 1. 經(jīng)驗設計法 利用各種典型控制環(huán)節(jié)和基本單元控制電路，依靠經(jīng)驗直接用plc設計電氣控制系統(tǒng)，來滿足生產(chǎn)機械和工藝過程的,控制要求的設計方法稱為經(jīng)驗設計法。使用該法設計用戶程序時可以大致按下面幾步來進行： 分析控制要求、選擇控制原則；設計主令元件和檢測元件，確定輸入/輸出信號；設計執(zhí)行元件的控制程序；檢查、修改和完善程序。在設計執(zhí)行元件的控制程序時，一般又可分為以下幾個步驟：按所給的要求將生產(chǎn)機械的運動分成各自獨立的簡單運動，分別設計這些簡單運動的基本控制程序；根據(jù)制約關系，選擇連鎖觸點，設計連鎖程序；根據(jù)運動狀態(tài)選擇控制原則，設計主令元件、監(jiān)測元件及繼電器等；設置必要的保護措施。 經(jīng)驗設計法多用于梯形圖程序設計，而且是比較簡單的,控制系統(tǒng)設計，它要求設計人員具有一定的實踐經(jīng)驗，熟悉工業(yè)現(xiàn)場中常用的典型控制環(huán)節(jié)，所以這種方法不適合于初學設計的人員?？聪旅娴睦}。 【例1】如圖7.3.1所示，有一送料車自動循環(huán)送料。小車處于起始位置時，ck0閉合；系統(tǒng)啟動后，小車在起始位置裝料，20s后向右運動，到ck1位置時，ck1閉合；小車下料后再返回起始位置，再用20s的時間裝料，其后向右運動到ck2位置，此時ck2閉合；小車下料后返回起始位置。以后重復上述過程，直至有復位信號輸入。,小車的工作循環(huán)過程如下： 啟動 裝料 第一次向右運動 第一次返回 第二次裝料第二次向右運動 第二次返回 根據(jù)小車的工作循環(huán)過程可以畫出ck0、 ck1、 ck2,及定時器的時間關系圖。因為小車在第一次到達ck1時改變運動方向，而第二次和第三次到達ck1時不改變運動方向。定時器用來記錄裝料時間。 由經(jīng)驗設計法可知小車控制屬于一種雙向控制，非常適合采用plc控制。其plc控制的i/o分配如圖7.3.1所示。,表7.3.1 送料小車控制系統(tǒng)i/o分配表,程序梯形圖見圖7.3.2，其說明如下： 中間輔助繼電器20000作為系統(tǒng)工作允許繼電器，啟動信號00009使20000置“on”，復位信號00010使之置“off”。只有當20000為“on”時，小車才能循環(huán)工作，當20000為“off”時，小車回到起始位置后停止工作。 小車位于ck0時，開始定時裝料，20秒后定時器接通，小車右行即01000得電。當小車離開ck0時，定時器tim000復位，但01000的自鎖功能使之仍得電，小車仍右行。 小車行至ck1時，計數(shù)器減一，由于ck1的常閉觸點斷開，使01000失電，小車停止右行。, 小車停止右行使中間繼電器20001失電產(chǎn)生一個脈沖，使01002得電即小車左行。01002的自鎖功能使得小車左行直至達到ck0位置。 定時器重新定時，小車第二次裝料，之后小車右行，均與第一次相同。但是當小車行至ck1時，計數(shù)器減一至零，使cnt001的常開觸點接通，所以此時小車繼續(xù)右行直至達到ck2位置，ck2的常閉觸點斷開，01000失電，小車停止右行，再次改變?yōu)樽笮小?左行過程中經(jīng)過ck1位置時使計數(shù)器復位，為下一次循環(huán)作準備。小車左行至ck0位置停止，等待下一次循環(huán)。,2.邏輯設計法 邏輯設計方法的基本含義是以邏輯組合的方法和形式設計電氣控制系統(tǒng)。這種設計方法既有嚴密可循的規(guī)律性和明確可行的設計步驟，又具有簡便、直觀和十分規(guī)范的特點。布爾助記符程序設計語言常采用這類設計方法。plc的早期應用就是替代繼電器控制系統(tǒng)，因此用“0”、“1”兩種取值的邏輯代數(shù)作為研究plc應用程序的工具就是順理成章的事了。從某種意義上說，plc是“與”、“或”、“非”三種邏輯電路的組合體，而梯形圖程序的基本形式也是“與”、“或”、“非”的邏輯組合。當一個邏輯函數(shù)用邏輯變量的基本運算式表示出來后，實現(xiàn)該邏輯函數(shù)功能的線路也隨之確定，并進一步由梯形圖直接寫出對應的指令語句程序。用邏輯設計法對plc組成的電控系統(tǒng)進行設,計一般可分為下面幾步： 明確控制任務和控制要求 首先要明確控制任務和控制要求，通過分析工藝過程，繪制工作循環(huán)和檢測元件分布圖，取得電氣執(zhí)行元件功能表。 繪制電控系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 詳細地繪制電控系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（通常由輸出信號狀態(tài)表、輸入信號狀態(tài)表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換主令表和中間記憶裝置狀態(tài)表四部分組成），狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可全面、完整地展示電控系統(tǒng)各部分、各時刻的狀態(tài)和狀態(tài)之間的聯(lián)系及轉(zhuǎn)換，它是進行電控系統(tǒng)的分析和設計的有效工具。, 進行邏輯設計 列出中間記憶元件的邏輯函數(shù)表達式和執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)表達式，這兩個函數(shù)表達式，既是生產(chǎn)機械或生產(chǎn)過程內(nèi)部邏輯關系和變化規(guī)律的表達形式，又是構成電控系統(tǒng)實現(xiàn)目標的具體程序。如果設計者需要使用梯形圖程序作為一種過渡，或者選用的plc編程器也具有圖形輸入的功能，則也可以首先由邏輯函數(shù)式轉(zhuǎn)換為梯形圖程序。 完善和補充程序 包括手動調(diào)整工作方式的設計、手動工作方式的選擇、自動工作循環(huán)、保護措施等。 邏輯設計法的缺點是設計難度較大，不易掌握。,3.狀態(tài)流程圖設計方法 狀態(tài)流程圖又叫sfc或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是完整的描述控制系統(tǒng)的工作過程、功能和特性的一種圖形，是分析和設計電控程序的重要工具。所謂“狀態(tài)”是指特定的功能，因此狀態(tài)的轉(zhuǎn)移實際就是控制系統(tǒng)的功能的轉(zhuǎn)移。sfc適合于順序控制的標準化語言，利用狀態(tài)流程圖進行程序設計就是順序控制設計法，它具有簡單、規(guī)范、通用的優(yōu)點，不僅使梯形圖設計變得容易，大大節(jié)約設計時間，而且初學者容易掌握，有一定的方法和步驟可遵循。 狀態(tài)流程圖能清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。,1）狀態(tài)流程圖的組成 狀態(tài)流程圖由步、有向連線、轉(zhuǎn)換條件和動作內(nèi)容說明等組成。用矩形框表示各步，框內(nèi)用數(shù)字表示該步的編號。編號可以是實際的控制步序號，還可以是plc中的工作編號。對應于系統(tǒng)的初始狀態(tài)工作步，稱為初始步。該步是系統(tǒng)運行的起點，一個系統(tǒng)至少需要有一個初始步。初始步用雙線矩形框表示，流程圖如圖7.3.3所示，其中步1就是初始步。每步的動作內(nèi)容放在該步旁邊的框中，步與步之間用有向線段相連，箭頭表示步的轉(zhuǎn)換方向（簡單的功能表圖可不畫箭頭），步與步之間的短橫線旁標注轉(zhuǎn)換條件，可以用文字、圖形符號或邏輯表達式來描述。正在,執(zhí)行的步叫活動步，當前步為活動步且轉(zhuǎn)換條件滿足時，將啟動下一步并終止前一步的執(zhí)行。步并不是plc的輸出觸點的動作，步只是控制系統(tǒng)中的一個穩(wěn)定的狀態(tài)。對于一個步，可以有一個或幾個動作，表示的方法是在步的右側(cè)加一個或幾個矩形框，并在框中加文字對動作進行說明。,2） 狀態(tài)流程圖的類型 狀態(tài)流程圖從結(jié)構上來分，可分為以下幾種： 單序列結(jié)構 這種結(jié)構的功能表圖沒有分支，每個步后只有一個步，步與步之間只有一個轉(zhuǎn)換條件。 選擇性序列結(jié)構 圖7.3.4是選擇性序列結(jié)構的狀態(tài)流程圖。選擇性序列結(jié)構中有分支，如圖7.3.4中的步1之后有三個分支（或更多），各選擇分支不能同時執(zhí)行：當步1為活動步且條件a滿,足時則轉(zhuǎn)向步2；當步1為活動步且條件b滿足時則轉(zhuǎn)向步3；當步1為活動步且條件c滿足時則轉(zhuǎn)向步4。無論步1轉(zhuǎn)向哪個分支，當其后續(xù)步成為活動步時，步1自動變?yōu)椴换顒硬健?當已選擇了轉(zhuǎn)向某一個分支，則不允許另外幾個分支的首步成為活動步，所以應該使各選擇分支之間連鎖。選擇性序列結(jié)構的結(jié)束稱為合并，如圖7.3.4中，不論哪個分支的最后一步成為活動步，當轉(zhuǎn)換滿足時都要轉(zhuǎn)向步5。,并發(fā)性序列結(jié)構 圖7.3.5是并發(fā)性序列結(jié)構的狀態(tài)流程圖。并發(fā)性序列,結(jié)構中也有分支，為了區(qū)別于選擇性序列結(jié)構的狀態(tài)流程圖，一般用雙線來表示并發(fā)性序列結(jié)構中分支的開始，轉(zhuǎn)換條件放在雙線之上。如圖7.3.5中的步1之后有三個并行分支（或更多），當步1為活動步且條件a滿足時，則步2、3、4同時被激活變?yōu)榛顒硬?，而?則變?yōu)椴换顒硬?。圖中步2和步5、步3和步6、步4和步7是三個并行的單序列。并發(fā)性序列結(jié)構的結(jié)束稱為合并，也用雙線表示，轉(zhuǎn)換條件放在雙線之下。圖7.3.5中，當各并行分支的最后一步即步5、6、7都為活動步且條件e滿足時，將同時轉(zhuǎn)換到步8，且步5、6、7同時都變?yōu)椴换顒硬健? 循環(huán)性結(jié)構 循環(huán)性結(jié)構用于一個順序過程的多次反復執(zhí)行。 復合性結(jié)構 符合性結(jié)構就是一個集以上各結(jié)構于一體的結(jié)構。其結(jié)構較為復雜，必須仔細分析才能正確描述。 狀態(tài)流程圖編程的步驟分為以下幾步： 把整個系統(tǒng)的工作過程劃分階段 把整個系統(tǒng)的工作過程劃分為若干個清晰的階段，每個,階段（稱為步）完成一定任務的操作； 確定各步之間的轉(zhuǎn)換條件 確定各步之間的轉(zhuǎn)換條件，它是系統(tǒng)由前一步轉(zhuǎn)入下一步的基礎，經(jīng)常以plc輸入點或其他元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，當轉(zhuǎn)換條件的實際內(nèi)容不止一個時，每個具體內(nèi)容定義一個plc元件編號，并以邏輯組合的形式表現(xiàn)為有效轉(zhuǎn)換條件； 畫出系統(tǒng)的狀態(tài)流程圖 根據(jù)前兩步畫出系統(tǒng)的狀態(tài)流程圖。有了狀態(tài)流程圖，,利用不同的指令就能設計出相應的梯形圖，支持順序控制指令的執(zhí)行； 寫出程序清單 寫出程序清單，完成plc控制系統(tǒng)應用程序的設計。 下面我們通過一個例子來熟悉一下狀態(tài)流程圖的設計步驟。 【例2】某臺自動清洗機，該機的動作如下： 按下啟動按鈕時，打開噴淋閥門，同時清洗機開始移動；當檢測到物體到達清洗機時，啟動旋轉(zhuǎn)刷子開始清洗汽車；當,檢測到物體離開清洗機時，停止清洗機移動，停止刷子旋轉(zhuǎn)并關閉閥門；當按下停止開關時，任何時候都可以停止所有的動作。 根據(jù)題意，作出系統(tǒng)i/o分配表如表7.3.2所示，畫出sfc圖如圖7.3.6所示，梯形圖如圖7.3.7所示。,表7.3.2 自動清洗機的i/o分配表,4.計算機輔助編程設計法 近年來由于計算機技術的飛速發(fā)展，使得plc在微機輔助編程方面取得了巨大進步。 計算機輔助編程可以把梯形圖直接譯成指令形式，可進行在線編程、遠程編程，也可離線編程，有些還具備網(wǎng)絡監(jiān)控等更強大的功能，優(yōu)勢明顯，因此計算機輔助編程設計法代表著可編程序控制器的應用程序設計方法今后的發(fā)展方向。,目前各大plc生產(chǎn)廠商都很重視這方面的開發(fā)，都有性能各異的計算機輔助編程應用軟件推出，如simens的step7、wincc等，三菱公司的fx-pcs/at-ee sfc、fx ming等，omron公司的cx-programmer、cpt等，有關omron公司這方面的應用在本書第五章中有較詳細的介紹。,7.4 控制系統(tǒng)設計舉例 本節(jié)以下面兩個例題來說明plc控制系統(tǒng)的設計過程。 7.4.1 植物灌溉的plc控制系統(tǒng) 根據(jù)不同植物生長的特點和要求，對灌溉系統(tǒng)提出以下控制功能要求：a區(qū)有兩小塊采用噴霧，每噴2分鐘，停5分鐘，工作時間要求每天7點開始，17點停止；b區(qū)采用旋轉(zhuǎn)式噴頭進行噴灌，分為兩組噴灌工作，每組每工作5分鐘，停20分鐘，每天9點開始，14點停止；c區(qū)也分為兩組，交替工作，每個兩天灌溉一天?？紤]到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，要求系統(tǒng)有手動,和自動控制功能。如果遇到陰雨天會自動停止對沙床苗圃和盆栽花卉的灌溉。溫室滴灌不僅要受時間控制，而且要求具有溫度、濕度測控功能，即溫度、濕度達到某一控制點就報警并改變程序的運行方式。系統(tǒng)在自動（或手動）工作方式時，能自動（或手動）控制供水水泵的運行與停止和各電磁閥的開關。 根據(jù)上述控制對象的工作過程，在a區(qū)、b區(qū)、c區(qū)分別設4個、2個、2個電磁閥，分別控制不同作物的灌溉，用1個繼電器控制供水的水泵。為了避免意外事故或故障的發(fā)生，系統(tǒng)設有聲光報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)只有數(shù)字開關量的輸入而無模擬量的輸入，憑可編程控制器本身的抗干擾能力已能滿足要求。因此該,植物灌溉控制屬于一個典型的plc控制系統(tǒng)。為了系統(tǒng)能正常運行，特設計報警燈和報警器試驗按鈕，系統(tǒng)每次運行前可進行檢查。 系統(tǒng)的具體設計過程如下： 1）i/o點數(shù)的估算 系統(tǒng)輸入信號： 自動/手動選擇開關，需要1個輸入端； 報警器和報警燈試驗按鈕，占有一個輸入端；,自動工作方式時，總開