第8章基于S7系列PLC單機控制

第八章基于S7系列PLC單機控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計原則、內(nèi)容與步驟

第八章基于S7系列PLC單機控制系統(tǒng)設(shè)計

8.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計原則、內(nèi)容與步驟

8.1.1設(shè)計的原則

應(yīng)用PLC時應(yīng)遵循以下的原則：滿足要求最大限度的滿足被控對象的工藝要求是設(shè)計控制系統(tǒng)的首要前提。

安全可靠控制系統(tǒng)長期運行中能否安全、可靠、穩(wěn)定是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。

經(jīng)濟實用設(shè)計合理經(jīng)濟，能發(fā)揮PLC控制的優(yōu)點。

適應(yīng)發(fā)展在控制系統(tǒng)的設(shè)計時，要考慮今后的發(fā)展、完善。

８.1.2設(shè)計的內(nèi)容

任何設(shè)計項目的一般性PLC系統(tǒng)的設(shè)計原則與設(shè)計過程的一些基本步驟如下：

擬定控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)條件，一般以設(shè)計任務(wù)書的形式來確定；選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)；選定PLC的型號；編制PLC的輸入／輸出分配表或繪制輸入／輸出端子接線圖；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言(常用梯形圖)進行程序設(shè)計；了解并遵循用戶認知心理學(xué)，重視人機界面的設(shè)計，增強人與機器之間的友善關(guān)；設(shè)計操作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件；編寫設(shè)計說明書和使用說明書。8.1.3系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試的主要步驟

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試的主要步驟

被控對象的工藝條件和控制要求分析確定I／O設(shè)備選擇合適的PLC類型分配I／O點設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序?qū)⒊绦蜉斎隤LC進行軟件測試應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試編制技術(shù)文件8.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計

8.2.1PLC選型

在滿足控制要求的前提下，選型時應(yīng)選擇最佳的性能價格比，具體應(yīng)考慮以下幾點。

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為了提高PLC的處理速度，可以采用以下幾種方法：(1)選擇CPU處理速度快的PLC，使執(zhí)行一條基本指令的時間不超過0.5μs；(2)優(yōu)化應(yīng)用軟件，縮短掃描周期；(3)采用高速響應(yīng)模塊，例如高速計數(shù)模塊，其響應(yīng)的時間可以不受PLC掃描周期影響，而只取決于硬件的延時。PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機型系列應(yīng)統(tǒng)一8.2.2PLC容量估算

PLC容量包括兩個方面：一是I／O的點數(shù)，二是用戶存儲器的容量。1．I／O點數(shù)的估算根據(jù)功能說明書，可統(tǒng)計出PLC系統(tǒng)的開關(guān)量I/O點數(shù)及模擬量I/O通道數(shù)，以及開關(guān)量和模擬量的信號類型?？紤]到在前面的設(shè)計中I／O點數(shù)可能有疏漏，并考慮到I/O端口的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計后得出I／O總點數(shù)的基礎(chǔ)上，增加10％～15％的裕量?？紤]裕量后的I／O總點數(shù)即為I／O點數(shù)估算值，該估算值是PLC選型的主要技術(shù)依據(jù)?？紤]到今后的調(diào)整和擴充，選定的PLC機型的I／O能力極限值必須大于I／O點數(shù)估算值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30％左右的裕量。

2．存儲器容量估算用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I／O點數(shù)、控制要求、運算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗，每個I／O點及有關(guān)功能器件占用的內(nèi)存大致如下：開關(guān)量輸入所需存儲器字數(shù)=輸入點數(shù)×10開關(guān)量輸出所需存儲器字數(shù)=輸出點數(shù)×8定時器／計數(shù)器所需存儲器字數(shù)=定時器／計數(shù)器數(shù)量×2模擬量所需存儲器字數(shù)=模擬量通道數(shù)×100通信接口所需存儲器字數(shù)=接口個數(shù)×300存儲器的總字數(shù)再加上一個備用量即為存儲器容量。例如，作為一般應(yīng)用下的經(jīng)驗公式是：所需存儲器容量(KB)=(1～1.25)×(DI×l0+DO×8+AI／O×l00+CP×300)/1024其中：DI為數(shù)字量輸入總點數(shù)；DO為數(shù)字量輸出總點數(shù)；AI／AO為模擬量I／O通道總數(shù)；CP為通信接口總數(shù)。8.2.3I／O模塊的選擇

1．開關(guān)量輸入模塊的選擇選擇輸入模塊主要應(yīng)考慮以下兩點：(1)根據(jù)現(xiàn)場輸入信號(如按鈕、行程開關(guān))與PLC輸入模塊距離的遠近來選擇電壓的高低。一般，24V以下屬低電平，其傳輸距離不宜太遠。如12V電壓模塊一般不超過10m，距離較遠的設(shè)備選用較高電壓模塊比較可靠。(2)高密度的輸入模塊，如32點輸入模塊，允許同時接通的點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般，同時接通的點數(shù)不得超過總輸入點數(shù)的60％。

2．開關(guān)量輸出模塊的選擇

(1)輸出方式的選擇繼電器輸出價格便宜，使用電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強，且有隔離作用。但繼電器有觸點，壽命較短，且響應(yīng)速度較慢，適用于動作不頻繁的交/直流負載。當(dāng)驅(qū)動電感性負載時，最大開閉頻率不得超過1Hz。晶閘管輸出(交流)和晶體管輸出(直流)都屬于無觸點開關(guān)輸出，適用于通斷頻繁的感性負載。感性負載在斷開瞬間會產(chǎn)生較高的反壓，必須采取抑制措施。(2)輸出電流的選擇模塊的輸出電流必須大于負載電流的額定值，如果負載電流較大，輸出模塊不能驅(qū)動，則應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。對于電容性負載、熱敏電阻負載，考慮到接通時有沖擊電流，故要留有足夠的裕量。(3)允許同時接通的輸出點數(shù)在選用輸出模塊時，不但要看一個輸出點的驅(qū)動能力，還要看整個輸出模塊的滿負荷能力，即輸出模塊同時接通點數(shù)的總電流值不得超過模塊規(guī)定的最大允許電流。3．模擬量及特殊功能模塊的選擇

除了開關(guān)量信號以外，工業(yè)控制中還要對溫度、壓力、物位、流量等過程變量進行檢測和控制。模擬量輸入、模擬量輸出以及溫度控制模塊就是用于將過程變量轉(zhuǎn)換為PLC可以接收的數(shù)字信號以及將PLC內(nèi)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。此外，還有一些特殊情況，如位置控制、脈沖計數(shù)以及聯(lián)網(wǎng)，與其他外部設(shè)備連接等等都需要專用的接口模塊，如傳感器模塊、I／O鏈接模塊等。這些模塊中有自己的CPU、存儲器，能在PLC的管理和協(xié)調(diào)下獨立地處理特殊任務(wù)，這樣既完善了PLC的功能，又減輕了PLC的負擔(dān)，提高了處理速度。有關(guān)特殊功能模塊的應(yīng)用參見PLC產(chǎn)品手冊。

8.2.4安全回路設(shè)計

設(shè)計安全回路的任務(wù)包括以下內(nèi)容：

確定控制回路之間邏輯和操作上的互鎖關(guān)系：設(shè)計硬回路以提供對過程中重要設(shè)備的手動安全性干預(yù)手段確定其它與安全和完善運行有關(guān)的要求；為PLC定義故障形式和重新啟動特性。8.3PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計

8.3.1PLC應(yīng)用軟件設(shè)計的內(nèi)容PLC軟件工程的設(shè)計通常要涉及以下幾個方面的內(nèi)容：PLC軟件功能的分析與設(shè)計；I／O信號及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計：程序結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計；軟件設(shè)計規(guī)格說明書編制；用編程語言、PLC指令進行程序設(shè)計；軟件測試；程序使用說明書編制。

8.3.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計步驟

制定設(shè)備運行方案畫控制流程圖制定系統(tǒng)的抗干擾措施編寫程序軟件測試編制程序使用說明書

8.４S7系列PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

8.4.1S7-200PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

1.機械手的順序控制系統(tǒng)設(shè)計機械手的順序控制系統(tǒng)如圖所示。(1)控制要求：

機械手的一個循環(huán)周期可以分為八步。第一步是當(dāng)工作臺A上有工件出現(xiàn)時（可以由光耦合器VLC檢測到，當(dāng)檢測到有工件時，I1.5=1）,機械手開始下降。當(dāng)機械手下降到位時（I0.5=1），機械手停止下降，第一步結(jié)束。第二步是機械手在最低位時開始抓緊工件，約10s抓住、抓緊，第二步結(jié)束。第三步是機械手夾緊工件上升。當(dāng)機械手上升到位時（I0.4=1），機械手停止上升，第三步結(jié)束。第四步是機械手夾緊工件右移。當(dāng)機械手右移到位時（I0.7=1），機械手停止右移，第四步結(jié)束。第五步是機械手在最右位開始下降。當(dāng)機械手下降到工作臺B到位時（I0.5=1），機械手停止下降，第五步結(jié)束。第六步是機械手開始放松工件，所需時間約為10s。10s之后放開工件，第六步結(jié)束。第七步是機械手開始上升。機械手上升到位時（I0.4=1），停止上升，第七步結(jié)束。第八步是機械手在高位開始左移，當(dāng)左移到位時（I0.6=1），機械手停止左移，第八步結(jié)束。機械手工作的一個周期完成。等待工件在工作臺A上出現(xiàn)轉(zhuǎn)到第一步。工藝要求有三種控制方式，自動、單動和手動。(2)硬件選擇

該系統(tǒng)需要輸入14個點，輸出5個點?？蛇x擇Ｓ7-200系列的CPU224就可以滿足要求，也可以選擇CPU222和一個EM223I/O模塊組成控制系統(tǒng)。本例子選擇一個CPU224作為本控制系統(tǒng)的控制器，如圖所示。

機械手控制系統(tǒng)組成(3)輸入輸出點的地址分配

表8.1輸入輸出地址分配(4)用邏輯流程圖設(shè)計程序

1)程序流程圖如圖8.5

根據(jù)工藝要求，邏輯流程可以分為8個部分。系統(tǒng)起動之前，機械手在原始位置。原始位置的條件是：機械手在高位(I0.4＝1)、左位(I0.6＝1)。當(dāng)有工件放在工作臺A上時(I1.5＝1)，在起動條件允許時，機械手開始下降(Q0.0＝1)。當(dāng)下降到低位時(I0.5＝1)，停止下降(Q0.0＝0)。機械手下降到位后，開始夾緊工件(Q0.4＝1)，同時起動延時10s的定時器(可以取T101)。待T101延時時間到，機械手開始上升(Q0.1＝1)，上升到高位(I0.4＝1)時，停止上升(Q0.1＝0)。這時機械手開始右移(Q0.2＝1)，當(dāng)?shù)接椅粫r(I0.7＝1)，停止右移(Q0.2＝0)。這時機械手又開始下降(Q0.0＝1)，當(dāng)下降到低位時(I0.5＝1)，停止下降(Q0.0＝0)。機械手在低位時開始松開工件(Q0.4＝0)，同時起動延時10s定時器(T102)。待延時時間到，機械手又開始上升(Q0.1＝1)。上升到高位時(I0.4＝1)，停止上升（Q0.1=0）。機械手在高位開始左移（Q0.3=1），左移到位時（I0.0=1），停止左移（Q0.3=0）。如果是自動運行機械手則等待工作臺A再一次有工件，而進行下一周期操作。如果是單動運行，機械手則等待再一啟動單動操作。如果是手動控制，則由手動輸入信號去驅(qū)動機械手的操作。2)內(nèi)存變量分配表3)控制程序2.液體混合攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)有三個液面?zhèn)鞲衅?，H為液體B液面檢測傳感器、I為液體A液面檢測傳感器、L為最低液面檢測傳感器。當(dāng)液面達到傳感器的位置后，傳感器送出ON信號，低于傳感器位置時，傳感器為OFF狀態(tài)。系統(tǒng)有三個電磁閥，Xl為液體A輸入電磁閥、X2為液體B輸入電磁閥、X3為混合液體輸出電磁閥。電磁閥為ON狀態(tài)時閥門打開，Xl、X2分別送人液體A與液體B，X3放出攪拌好的混合液。電磁閥為OFF狀態(tài)時，閥門關(guān)閉。M為攪拌電動機，M＝OFF時，攪拌電動機停止；M＝ON，攪拌電動機運行。攪拌控制系統(tǒng)示意圖初始狀態(tài)及操作工藝。起動攪拌器之前，容器是空的，各閥門關(guān)閉(Xl＝X2＝X3=OFF)傳感器H＝I＝L＝OFF，攪拌電動機M＝OFF。攪拌器開始工作時，先按下起動按鈕，閥Xl打開，開始放人液體A。當(dāng)液面經(jīng)過傳感器L時使L＝ON，并繼續(xù)注入液體A，直至液面達到I時，I＝ON，使Xl＝OFF，X2＝ON，即關(guān)閉閥門Xl，停送液體A，打開閥門X2開始送人液體B。當(dāng)液面達到H時，關(guān)閉閥門X2，起動攪拌電動機M，即X2＝OFF，M＝ON。開始攪拌60s，攪拌均勻后，停止攪拌，即M＝OFF，打開閥門X3，即X3＝ON，開始放出混合液體，當(dāng)液面低于傳感器L，即L＝OFF，經(jīng)延時10s，容器中的液體放空，關(guān)閉閥門X3，即X3＝OFF，自動開始下一個操作循環(huán)。若在工作中按下停止按鈕，攪拌器不立即停止工作，只有當(dāng)前混合操作處理完畢后，才停止操作，即停在初始狀態(tài)上。(1)硬件設(shè)計

開關(guān)量輸入點有5個(起動、停止和H、I、L)，開關(guān)量輸出點有4個(X1、X2、X3與M)，輸入輸出點數(shù)共為9個。粗估內(nèi)存容量約為90個地址單元(9X10＝90)即可。據(jù)此，可以選用一般中小型控制器(S7—200CPU221~CPU226)。現(xiàn)假設(shè)選用S7—200的CPU222，輸入／輸出點總數(shù)為14個，其中輸入點8個，輸出點6個，如圖8.7所示。(2)輸入輸出點的地址分配攪拌控制系統(tǒng)組成輸入/輸出點的地址分配見表8.4

表8.4輸入/輸出地址分配表

(3)控制流程圖

(4)內(nèi)存分配變量表

（5）程序設(shè)計

攪拌控制的梯形圖程序8.４.2S7-300PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計1.控制要求在十字路口南北方向以及東西方向均設(shè)有紅、黃、綠三只信號燈，六只信號燈依一定的時序循環(huán)往復(fù)工作。

信號燈受電源總開關(guān)控制，接通電源，信號燈系統(tǒng)開始工作；關(guān)閉電源，所有的信號燈都熄滅。

當(dāng)程序運行出錯，東西與南北方向的綠燈同時點亮?xí)r，程序自動關(guān)閉。

在晚上車輛稀少時，要求交通燈處于下班狀態(tài)，即兩個方向的黃燈一直閃爍。

在信號燈工作期間，東西以及南北方向的紅燈為長亮，時間為30s，在紅燈亮?xí)r的最后2s，東西以及南北方向的黃燈同時閃爍，時間為2s，東西以及南北方向的綠燈為長亮25s，然后閃爍3s。

交通燈示意圖交通燈時序圖東西方向信號燈

綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮紅燈亮

黃燈亮

信號時間25s3s2s2s

30s南北方向信號燈紅燈亮綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮

黃燈亮

信號時間2s25s3s2s30s

交通燈控制具體要求2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

序號名稱型號說明數(shù)量1CPU模塊313-1AE01-0AB0CPU31312電源模塊307-1EA00-0AA0PS30713開關(guān)量輸入模塊321-1BH01-0AA0SM32114開關(guān)量輸出模塊322-1BH01-0AA0SM32215前連接器390-1AJ00-0AA020針型1PLC配置說明開關(guān)量I/O信號一覽表序號輸入信號名稱地址序號輸出信號名稱地址1工作按鈕I0.01東西綠燈Q4.02電源按鈕I0.12東西黃燈Q4.13下班按鈕I0.23東西紅燈Q4.24中間繼電器Ｍ2.14南北綠燈Q4.35中間繼電