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

1、第七章 PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，提高實(shí) 際應(yīng)用的能力。學(xué)習(xí)內(nèi)容：綜合PLC硬件及軟件知識(shí)，聯(lián)系工業(yè)控 制的實(shí)際，介紹小型PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法.學(xué)習(xí)要求 :（1）了解 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方法及其設(shè)計(jì)技巧。 （4）結(jié)合工業(yè)控制中的應(yīng)用實(shí)例的設(shè)計(jì)， 提高實(shí)際應(yīng)用能力。 目 錄PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì) 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)的內(nèi)容和步驟設(shè)計(jì)原則 設(shè)計(jì)步驟 一、設(shè)計(jì)原則

2、 最大限度地滿(mǎn)足被控對(duì)象對(duì)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(jì) 應(yīng)考慮控制規(guī)模的發(fā)展和工藝的改進(jìn) 二、設(shè)計(jì)步驟 第二節(jié)PLC控制系統(tǒng)的硬件配置選擇PLC機(jī)型 開(kāi)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(jī)型 I/O點(diǎn)數(shù)的估算 用戶(hù)存儲(chǔ)器容量的估算 CPU性能的選擇 PLC結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一 1. I/O點(diǎn)數(shù)的估算估計(jì)總點(diǎn)數(shù)備用量（ 2030）%2用戶(hù)存儲(chǔ)器容量的估算 開(kāi)關(guān)量輸入元件：1020字節(jié)/點(diǎn) 開(kāi)關(guān)量輸出元件：510字節(jié)/點(diǎn) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2字節(jié)/個(gè) 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(mǎn)足實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)量控制系統(tǒng)，可選用小型PLC以開(kāi)關(guān)量控制為主，部分模擬量的控制系統(tǒng)，可選用運(yùn)算功能較強(qiáng)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(qiáng)的小型PLC 處理速度 實(shí)時(shí)響應(yīng) 優(yōu)化程序縮短掃描周期適當(dāng)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(jiǎn)單、體積小，攜帶方便 采用個(gè)人計(jì)算機(jī)配以相應(yīng)的編程軟件，可“離線編程”，也可 “在線編程”。 趨勢(shì)4. PLC結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一 整體式結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螜C(jī)小型控制系統(tǒng)（

4、簡(jiǎn)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(kuò)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(diǎn)） 機(jī)型統(tǒng)一，模塊通用性好，減少備件量，利于編程、維修、擴(kuò)展 二、開(kāi)關(guān)量I/O模塊的選擇 開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇 開(kāi)關(guān)量輸出模塊的選擇 (一) 開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇 選擇工作電壓等級(jí) 選擇模塊密度 門(mén)坎電平 備用輸入點(diǎn)的設(shè)計(jì) 1選擇工作電壓等級(jí) 選擇依據(jù)： 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)元件與模塊之間的距離來(lái)選擇。距離較遠(yuǎn)時(shí) 選用較高電壓的模塊來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，以免信號(hào)衰減后造成誤差。距離較近時(shí) 選擇電壓等級(jí)低的模塊2選擇模塊密度 選擇依據(jù)：根據(jù)輸入信號(hào)的分布（空間、時(shí)間）為便于安裝、調(diào)試，按就

5、近原則安排輸入信號(hào)常選用8點(diǎn)、16點(diǎn)的輸入模塊；對(duì)于高密度輸入模塊(32/64點(diǎn))，同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)不超過(guò)模塊總點(diǎn)數(shù)的60%(視輸入電壓、環(huán)境溫度而定）3門(mén)坎電平 必要性：為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門(mén)坎 電平的大小門(mén)坎電平：指接通電平和關(guān)門(mén)電平的差值。門(mén)坎電平值越大：抗干擾能力越強(qiáng) 傳輸距離也就越遠(yuǎn)4 備用輸入點(diǎn)的設(shè)計(jì) 備用輸入點(diǎn)應(yīng)分散到各模塊（組）上，例如每8點(diǎn)留一個(gè)備用點(diǎn) 發(fā)生故障時(shí)，用備用點(diǎn)替換故障點(diǎn)，方便地、迅速地處理故障。 (二) 開(kāi)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(kāi)關(guān)）響應(yīng)速度快，使用壽命長(zhǎng)可控硅輸出方式：（交流開(kāi)關(guān)

6、）響應(yīng)速度較快，起動(dòng)電流大繼電器輸出方式：（交、直流開(kāi)關(guān)）輸出電流大，響應(yīng)速度較慢，價(jià)格便宜2.輸出電流的選擇 輸出電流必須大于負(fù)載（電阻性負(fù)載）電流的額定值對(duì)于電容性負(fù)載、電感性負(fù)載，考慮到接通時(shí)有沖擊電流，要留有足夠的余量。如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)（用中間繼電器）。注意同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的電流累計(jì)值必須小于公共端所允許通過(guò)的電流值 輸出端的短路保護(hù)為防止負(fù)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(hù)。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(hào)或電流信號(hào) 電壓信號(hào): 05V、010V（單極性） 2.5V、5V（雙極性） 電流信號(hào): 420mA注意：與現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)范圍相對(duì)應(yīng)，分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)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(mén)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(mén)子EM253） 高速計(jì)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(shí)際需要選擇第三節(jié) PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的五個(gè)問(wèn)題 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法順序功能圖法1系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì) 對(duì)于較復(fù)雜的系

8、統(tǒng)，先設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖 自來(lái)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(xì)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(xì)，以便對(duì)全部控制功能有一個(gè)整體概念。2.分配I/O編號(hào) 編寫(xiě)程序前應(yīng)給每一個(gè)輸入/輸出信號(hào)分配相應(yīng)的地址給出每個(gè)地址對(duì)應(yīng)的信號(hào)的含義、名稱(chēng)并列成表3設(shè)計(jì)應(yīng)用程序 根據(jù)功能框圖（例順序功能圖）逐條地設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，這是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的核心部分；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以借鑒現(xiàn)成的典型控制環(huán)節(jié)的程序；編寫(xiě)程序過(guò)程中要及時(shí)注釋。 4程序調(diào)試是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)很重要的工作，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯(cuò)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(cuò)、修改、模擬運(yùn)行并確認(rèn)無(wú)誤后再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)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(xiě)程序說(shuō)明書(shū)是對(duì)程序的綜合說(shuō)明，是整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作的總結(jié)目的是便于程序的使用者和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員使用它是程序文件的組成部分程序說(shuō)明書(shū)包括：程序設(shè)計(jì)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(lái)源和運(yùn)算過(guò)程程序調(diào)試情況 二、應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法 正確選擇能反映生產(chǎn)過(guò)程的變化參數(shù)作為控制參量進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)法常用的設(shè)計(jì)方法 順序功能圖法等（一）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的特點(diǎn)設(shè)計(jì)方法不規(guī)范，沒(méi)有一個(gè)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(jì)出的程序不是唯一的，其質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有關(guān);對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于聯(lián)鎖關(guān)系復(fù)雜，難于掌握，且設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出的程序可讀性差，使用、維護(hù)不便.根據(jù)被控對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)選擇基本環(huán)節(jié)，并把它們有機(jī)地組合起來(lái)。依據(jù)：經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的應(yīng)用對(duì)于簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單、易行，可以收到明顯的效果;對(duì)于一些舊設(shè)備的改造也常采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，借鑒原設(shè)備繼電器控制電路圖，并綜合考慮PLC的特點(diǎn).經(jīng)驗(yàn)法編程舉例運(yùn)料小車(chē)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(guò)程按生產(chǎn)工藝的要求預(yù)先安排的順序自動(dòng)地進(jìn)行生產(chǎn)的控制方式。 順序功能圖所謂順序功能圖是IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的用于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言順序功能圖以功能為主線表達(dá)準(zhǔn)確、條理清晰、規(guī)范、簡(jiǎn)潔是設(shè)計(jì)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(jìn)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(diǎn)針對(duì)順序控制所謂順序控制，使生產(chǎn)過(guò)程按生產(chǎn)工藝的要求預(yù)先安排的順序自動(dòng)地進(jìn)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(jì)法順序控制設(shè)計(jì)法的基本思想：將系統(tǒng)的一個(gè)工作周期劃分為若干個(gè)順序相連的階段，這

12、些階段稱(chēng)為布（Step），并用編程元件（S或M）來(lái)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(jì)順序功能圖；2.然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)順序控制程序。順序功能圖法的優(yōu)點(diǎn)：1.在順序功能圖中，步之間沒(méi)有重疊。這使系統(tǒng)中大量復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。2.對(duì)于每一步的程序段，只需處理極其簡(jiǎn)單的邏輯關(guān)系。3.編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)，規(guī)律性強(qiáng)。4.設(shè)計(jì)出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好；調(diào)試、運(yùn)行方便步的劃分步是根據(jù)輸出量的狀態(tài)變化來(lái)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(hào)，內(nèi)部信號(hào)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(fù)位（S/R）指令起-保-停 順序功能圖法SCR指令編程 深孔鉆削時(shí)，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(jī)床系統(tǒng)配置 (1) I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) 輸入8點(diǎn)（SB1SB4、SQ1、SQ3SQ5） 輸出2點(diǎn)（KM1、KM2）(2) 估算PLC用戶(hù)程序長(zhǎng)度 I/O總點(diǎn)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(jī)集成8輸入/6輸出共14個(gè)I/O點(diǎn)選用AC/DC/繼電器主機(jī)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的單機(jī)控制系統(tǒng)（3）機(jī)型選擇I/O接線圖 I/O分配表I/O接線圖互鎖過(guò)載保護(hù)(四) 畫(huà)出順序功能圖 (五)由順序功能圖設(shè)計(jì)出的深孔鉆組合機(jī)床梯形圖 步1和步2對(duì)應(yīng)的梯形圖步3、步4的梯形圖步5、步6的梯形圖電機(jī)正、反轉(zhuǎn)延遲切換的程序停止及點(diǎn)動(dòng)調(diào)整程序鉆頭進(jìn)刀和退刀是由電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)切換是使用兩個(gè)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(duì)電機(jī)的沖擊，軟件上采用了換相延時(shí)措施，梯形圖中的T37、T38的延時(shí)時(shí)間應(yīng)設(shè)在0.5s內(nèi)。同時(shí)

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(guò)載保護(hù)。為便于調(diào)整，程序中備有點(diǎn)動(dòng)控制功能。注意2.置位 、復(fù)位指令編程并用編程元件（M）來(lái)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(hào)燈程序控制 交通信號(hào)燈設(shè)置示意圖 控制要求 交通信號(hào)燈時(shí)序圖 I/O分配表及I/O接線圖 程序設(shè)計(jì) （一）交通信號(hào)燈設(shè)置示意圖 （二）控制要求 1. 啟動(dòng)后，南北向紅燈、東西向綠燈同時(shí)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(hào)燈時(shí)序圖 四、程序設(shè)計(jì)過(guò)程中 應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 1先編制I/O分配表，后設(shè)計(jì)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(shí)際響應(yīng)速度。 3一個(gè)發(fā)信元件只能占一個(gè)輸入地址編號(hào) 同一個(gè)發(fā)信元件只選其中某一接點(diǎn)接入輸入端子正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)4合理接入輸入信號(hào)的觸點(diǎn)從設(shè)備的可靠性、安全性角度考慮故障斷線時(shí)，設(shè)備應(yīng)向著安全狀態(tài)發(fā)展。 停止按鈕 啟動(dòng)按鈕 本書(shū)前面章節(jié)各圖均按常開(kāi)觸點(diǎn)接入處理 故障斷