機(jī)床電氣控制與PLC三菱第2版 課件 杜晉 第8章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)床電氣控制與PLC

8.1PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟8.2PLC型號(hào)及硬件配置的選擇8.3PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的注意事項(xiàng)第8章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章教學(xué)重點(diǎn)：（1）PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟；（2）PLC選型及硬件配置；（3）可編程控制器的安裝與維護(hù)。第8章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本章能力要求：通過本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)掌握PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟，能夠根據(jù)控制要求選擇合適的PLC型號(hào)并完成相應(yīng)的硬件配置。由于可編程控制器具有較高的可靠性和方便性，并且其自身的功能一直在不斷提高和完善，因此，目前的PLC產(chǎn)品幾乎可以完成工業(yè)控制領(lǐng)域的所有任務(wù)。本章在學(xué)習(xí)了PLC的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、編程方法以后，結(jié)合具體實(shí)際問題進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第8章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1．PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則（1）最大限度地滿足工藝流程和控制要求。工藝流程的特點(diǎn)和要求是開發(fā)PLC控制系統(tǒng)的主要依據(jù)。設(shè)計(jì)前，應(yīng)深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查研究，收集資料，明確控制任務(wù)。（2）精度要求、監(jiān)控參數(shù)的指標(biāo)以滿足實(shí)際需要為準(zhǔn)不宜過多、過高，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，使用及維修方便，并可降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和開發(fā)成本。（3）保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠。正確進(jìn)行程序調(diào)試、充分考慮環(huán)境條件、選用可靠性高的PLC、定期對(duì)PLC進(jìn)行維護(hù)和檢查等都是很重要和必不可少的。（4）考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，在選擇PLC容量時(shí)，應(yīng)適當(dāng)留有余量。2．PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在遵循以上設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的工藝要求，一般都要按照?qǐng)D8-1的步驟來完成設(shè)計(jì)。（1）確定控制總體方案首先，根據(jù)系統(tǒng)需要完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的工藝過程、工作特點(diǎn)、控制系統(tǒng)的控制過程、控制規(guī)律、功能和特性進(jìn)行詳細(xì)分析，歸納出工作流程圖。然后，根據(jù)PLC的技術(shù)特點(diǎn)，與繼電器控制系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行比較后進(jìn)行選擇。如果被控系統(tǒng)是工業(yè)環(huán)境較差，而安全條件、可靠性要求較高、輸入輸出量多并且大多屬于開關(guān)量信號(hào)、系統(tǒng)工藝流程復(fù)雜且多變，用PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是較合適的。圖8-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟（2）I/O點(diǎn)數(shù)確定及分配根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入設(shè)備（按鈕、操作開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等）、輸出設(shè)備（繼電器、接觸器、電磁閥、信號(hào)燈等執(zhí)行元器件），確定PLC的I/O點(diǎn)數(shù)，生成I/O地址分配表。（3）PLC選型PLC是控制系統(tǒng)的核心部件，正確選擇PLC對(duì)于保證整個(gè)控制系統(tǒng)能否完成控制要求起著重要的作用，本章的8.2節(jié)將具體介紹如何選擇PLC的型號(hào)。（4）PLC硬件方面設(shè)計(jì)這部分主要是進(jìn)行硬件電路圖設(shè)計(jì)、控制柜設(shè)計(jì)和PLC安裝與接線。在硬件電路圖設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵的一步就是設(shè)計(jì)電氣原理圖，還要繪制電器布置圖、電器安裝接線圖和PLC的I/O接線圖。在設(shè)計(jì)過程中，還要注意對(duì)PLC的保護(hù)，對(duì)輸入電源一般要經(jīng)斷路器再送入，為防止電源干擾可以設(shè)計(jì)1:1的隔離變壓器或增加電源濾波器。當(dāng)輸入信號(hào)源為感性元件、輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為感性元件時(shí)，對(duì)于直流電路應(yīng)在它們兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。圖8-2輸入輸出電路處理在控制電路設(shè)計(jì)完成以后要進(jìn)行硬件配備工作，主要包括進(jìn)行控制柜設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工、PLC的安裝、輸入輸出的連接等。（5）PLC軟件設(shè)計(jì)在PLC硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)，主要包括控制系統(tǒng)流程圖、梯形圖。開關(guān)量程序一般用梯形圖語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)的梯形圖可以用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)，對(duì)于比較復(fù)雜的系統(tǒng)一般采用順序控制設(shè)計(jì)法。具體內(nèi)容可參考第五章和第六章。PLC是按程序進(jìn)行控制的，因此程序設(shè)計(jì)必須經(jīng)過反復(fù)測(cè)試、修改，直到滿足要求為止。設(shè)計(jì)好程序后，一般先做模擬調(diào)試，有的PLC廠家提供了在計(jì)算機(jī)上運(yùn)的仿真軟件行，它可以代替PLC硬件來調(diào)試用戶程序，如三菱GXDeveloper編程軟件配套的GXSimulator仿真軟件。在仿真時(shí)，按照系統(tǒng)功能的要求，將位輸入元件置為ON或OFF，或改寫某些元件中的數(shù)據(jù)，監(jiān)視是否能實(shí)現(xiàn)要求的功能。如果有PLC的硬件，可以用小開關(guān)和按鈕來模擬PLC實(shí)際的輸入信號(hào)，例如用它們發(fā)出操作指令，或者在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候用它們來模擬實(shí)際的反饋信號(hào)，例如限位開關(guān)觸點(diǎn)的接通和斷開。通過輸出模塊上各輸出位對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，觀察輸出信號(hào)是否滿足設(shè)計(jì)的要求。調(diào)試時(shí)一般不用接PLC實(shí)際的負(fù)載。（6）現(xiàn)場(chǎng)總調(diào)試將模擬調(diào)試好的程序傳送到現(xiàn)場(chǎng)使用的PLC存儲(chǔ)器中，可先不帶負(fù)載，只帶上接觸器線圈、信號(hào)燈等進(jìn)行調(diào)試。待各部分功能都調(diào)試正常后，再帶上實(shí)際負(fù)載運(yùn)行。在調(diào)試過程中，將暴露出系統(tǒng)中可能存在的傳感器、執(zhí)行器和硬接線等方面的問題，以及PLC的外部接線圖和梯形圖程序設(shè)計(jì)中的問題，應(yīng)該對(duì)出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行解決。（7）試運(yùn)行、驗(yàn)收、交付使用，并編制控制系統(tǒng)的技術(shù)文件。8.2.1PLC型號(hào)的選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上PLC的種類繁多，對(duì)于我們初學(xué)者，如何選擇合適的PLC是個(gè)重要的問題。在選擇PLC型號(hào)時(shí)既要滿足控制系統(tǒng)的功能要求，還要考慮使用的可擴(kuò)展性，更要兼顧控制系統(tǒng)的成本。因此，在選擇PLC型號(hào)時(shí)應(yīng)該從多個(gè)方面進(jìn)行考慮。1．PLC物理結(jié)構(gòu)PLC的基本結(jié)構(gòu)可以分為整體式和模塊式兩種。小型PLC控制系統(tǒng)一般采用整體式，具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)適用于工藝過程比較穩(wěn)定，控制要求比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。模塊式PLC的功能擴(kuò)展方便靈活，維修時(shí)更換模塊、判斷故障范圍也很方便，因此比較復(fù)雜的、控制要求較高的系統(tǒng)一般選擇模塊式PLC。三菱的FX系列的PLC綜合了整體式和模塊式的優(yōu)點(diǎn)。它的基本單元、擴(kuò)展單元和擴(kuò)展模塊不用基板，僅用扁平電纜連接，PLC拼裝后組成一個(gè)整齊的長(zhǎng)方體，輸入和輸出點(diǎn)數(shù)的配置相當(dāng)靈活。2．PLC用戶存儲(chǔ)器容量用戶程序所需內(nèi)存容量要受到多個(gè)因素的影響：I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此，在選型時(shí)只能粗略估算。（1）開關(guān)量輸入所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=輸入點(diǎn)數(shù)×10（2）開關(guān)量輸出所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=輸出點(diǎn)數(shù)×8（3）僅有模擬量輸入所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=模擬量路數(shù)×120（4）既有模擬量輸入也有模擬量輸出所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=模擬量路數(shù)×250（5）使用通信接口所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=通信接口數(shù)量×300（6）程序設(shè)計(jì)者的編程水平對(duì)所編制的程序長(zhǎng)度和程序運(yùn)行的時(shí)間也有很大的影響。一般來說，對(duì)初編者應(yīng)為內(nèi)存多留一些余量，而有經(jīng)驗(yàn)的編程者可以少留一些余量。在上述所得的存儲(chǔ)器總字?jǐn)?shù)的基礎(chǔ)上再加25%的余量。可以看出，PLC的I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量基本配套，點(diǎn)數(shù)越多，容量越大。3．PLC的I/O點(diǎn)數(shù)一般來說，PLC控制系統(tǒng)的規(guī)模大小是用輸入、輸出的點(diǎn)數(shù)來衡量的。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)被控對(duì)象的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的總數(shù)，考慮以后調(diào)整和工藝改進(jìn)的需要在實(shí)際統(tǒng)計(jì)的點(diǎn)數(shù)基礎(chǔ)上增加10%~20%的備用量。對(duì)于整體式的基本單元，I/O點(diǎn)數(shù)是固定的，但是三菱FX系列中不同型號(hào)的I/O點(diǎn)數(shù)比例是不同的，應(yīng)根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)的比例情況，選擇合適的PLC型號(hào)。8.2.2PLC的硬件配置的選擇1．開關(guān)量I/O模塊及擴(kuò)展的選擇三菱FX系列的PLC分為基本單元、擴(kuò)展單元和控制模塊，在選型時(shí)能用一個(gè)基本單元完成配置就盡量不要用基本單元加擴(kuò)展的模式。開關(guān)量I/O模塊按外部接線方式分為隔離式、分組式和匯點(diǎn)式三種。隔離式的每點(diǎn)平均價(jià)格較高，如果信號(hào)之間不需要隔離，應(yīng)選用后兩種，現(xiàn)在FX的輸入模塊一般都是分組式和匯點(diǎn)式，輸出模塊則是隔離式和分組式組合。開關(guān)量輸入模塊的輸入電壓一般為DC24V和AC220V兩種。直流輸入可以直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子輸入裝置連接，三菱FX系列直流輸入模塊的公用端已經(jīng)接在內(nèi)部電源的0V，因此直流輸入不需要外接直流電源。交流輸入方式的觸點(diǎn)接觸可靠，適合于在有油霧、粉塵的惡劣環(huán)境下使用。較常用的還是直流輸入模塊。開關(guān)量輸出模塊有繼電器輸出、晶體管輸出及可控硅輸出。繼電器輸出模塊的觸點(diǎn)工作電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過壓和過電流的能力較強(qiáng)，但是動(dòng)作速度較慢，壽命有一定的限制。一般控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)變換不是很頻繁，我們優(yōu)先選用繼電器型，而且繼電器輸出型價(jià)格最低，容易購(gòu)買。晶體管型和雙向可控硅型輸出模塊分別用于直流負(fù)載和交流負(fù)載，它們的可靠性高，反應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)，但是過載能力較差。2．編程器和存儲(chǔ)器的選擇以前小型PLC一般選用體積小的手持編程器，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是使用個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上安裝的編程軟件包再配上通信電纜，可以取代手持編程器。一些型號(hào)的PLC仍然選用RAM和鋰電池來保持用戶程序。為了防止因干擾和鋰電池電壓下降等原因破壞RAM中的用戶程序可以選用有斷電保護(hù)功能的EEPROM存儲(chǔ)卡。3．對(duì)特殊功能模塊的選擇對(duì)于PID閉環(huán)控制、快速響應(yīng)、高速計(jì)數(shù)和運(yùn)動(dòng)控制等特殊要求，可以選擇有相應(yīng)特殊I/O模塊的PLC。有模擬量檢測(cè)和控制功能的PLC價(jià)格較高，對(duì)于精度要求不高的恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以用電接點(diǎn)溫度表和電接點(diǎn)壓力表之類的傳感器，將被控物理量控制在要求的范圍內(nèi)。4．對(duì)PLC通信接口的選擇如果要求將PLC納入工廠控制網(wǎng)絡(luò)，需要考慮PLC的通信聯(lián)網(wǎng)功能，例如可以配置什么樣的通信接口，最多可以配置多少個(gè)接口，可以使用什么樣的通信協(xié)議，通信的速率與最大通信距離等。備用串行通信接口的PLC可以連接人機(jī)界面、變頻器、其它PLC和上位計(jì)算機(jī)等。8.3.1如何降低PLC控制系統(tǒng)硬件的費(fèi)用性價(jià)比高是PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的一個(gè)目標(biāo)，而PLC的一個(gè)I/O點(diǎn)平均價(jià)格高達(dá)幾十元甚至幾百元，因此減少所需I/O點(diǎn)數(shù)是降低系統(tǒng)硬件費(fèi)用的主要措施。1．減少PLC輸入點(diǎn)數(shù)的方法（1）分組輸入很多設(shè)備都有自動(dòng)和手動(dòng)控制兩種狀態(tài)，這兩種工作方式不會(huì)同時(shí)執(zhí)行，可以把這兩種方式的輸入量分成兩組，如圖8-3所示，輸入點(diǎn)X10用來切換自動(dòng)/手動(dòng)控制方式。當(dāng)選擇自動(dòng)控制模式時(shí)，按鈕SB3和SB4分別接入輸入端X1和X2；當(dāng)選擇手動(dòng)控制模式時(shí)，接入到輸入端的是按鈕SB1和SB2；很顯然，X1輸入端可以分別反映兩個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)，節(jié)省了輸入點(diǎn)。二極管具有單向?qū)ǖ男阅埽梢苑乐巩a(chǎn)生寄生電路。圖8-3分組輸入（2）矩陣式輸入矩陣輸入可以顯著減少PLC的輸入點(diǎn)數(shù)，當(dāng)PLC有兩個(gè)以上富余的輸出端點(diǎn)時(shí)，可以將二極管開關(guān)矩陣的行、列引線分別接到I/O端點(diǎn)上。矩陣輸入指令MTR可以用連續(xù)的8點(diǎn)輸入與n點(diǎn)（n=2~8）輸出構(gòu)成n行8列的輸入矩陣，輸入點(diǎn)可以達(dá)到16~64個(gè)，如圖8-4所示。16鍵輸入指令HKY可以利用4個(gè)輸入點(diǎn)和4個(gè)輸出點(diǎn)來輸入10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)功能鍵，如圖8-5所示。數(shù)字開關(guān)指令DSW只需4個(gè)或8個(gè)輸入點(diǎn)就能讀入一個(gè)或兩個(gè)4位BCD碼數(shù)字開關(guān)信息。（3）合并輸入觸點(diǎn)修改外部電路，將某些功能相同的的輸入信號(hào)串聯(lián)或并聯(lián)后再作為一個(gè)整體輸入到PLC輸入端，這樣就只占用PLC的一個(gè)輸入點(diǎn)了。如圖8-6所示，串聯(lián)時(shí)幾個(gè)按鈕同時(shí)閉合有效，并聯(lián)時(shí)其中任何一個(gè)按鈕閉合都有效，這樣不僅減少了輸入點(diǎn)數(shù)也簡(jiǎn)化了梯形圖程序。圖8-4矩陣輸入指令接線圖圖8-516鍵輸入接線圖圖8-6合并輸入觸點(diǎn)2．減少PLC輸出點(diǎn)數(shù)的方法可以將通斷狀態(tài)完全相同的負(fù)載并聯(lián)后共用PLC的一個(gè)輸出點(diǎn)，即一個(gè)輸出點(diǎn)帶多個(gè)負(fù)載。如果多個(gè)負(fù)載有著不同的要求，可以通過PLC的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1進(jìn)行控制；如果需要用指示燈來顯示PLC輸出信號(hào)的狀態(tài)，可以將指示燈和負(fù)載并聯(lián)，如圖8-7所示。圖8-7減少PLC輸出點(diǎn)數(shù)8.3.2如何提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性PLC是應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的控制裝置，通常情況下不需要什么特殊的防護(hù)措施就可以在工業(yè)環(huán)境中使用。但是過于惡劣的環(huán)境，比如電磁干擾特別強(qiáng)烈，或者安裝使用不當(dāng)，都不能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。干擾可能使得PLC接收到錯(cuò)誤的信號(hào)，使PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)丟失，造成錯(cuò)誤的動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失控。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用一定的措施來提供PLC控制系統(tǒng)的可靠性，以消除或盡量減少干擾的影響。1．電源的抗干擾措施干擾進(jìn)入PLC的一個(gè)重要途徑就是電源，電源干擾主要是通過供電線路的阻抗耦合產(chǎn)生的，各種大功率用電設(shè)備是主要的干擾源。在干擾較強(qiáng)或?qū)煽啃砸筝^高的場(chǎng)合，可以在PLC的交流電源輸入端加接帶屏蔽層的隔離變壓器和低通濾波器，隔離變壓器可以抑制從電源線竄入的外來干擾。在變壓器的一次、二次繞組之間加繞屏蔽層，并將它和鐵心一起接地，可以減少繞組間的分布電容。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，使用220V的直流電源給PLC供電，可以顯著地減少來自交流電源的干擾，當(dāng)交流電源消失時(shí)，也能保證PLC的正常工作?？刂葡到y(tǒng)的控制部分、動(dòng)力部分、PLC及I/O電源應(yīng)分別配線。隔離變壓器與PLC和輸入/輸出電源之間應(yīng)采用雙絞線連接，外部輸入電路使用的外接直流電源最好采用穩(wěn)壓電源。如果PLC的開關(guān)信號(hào)傳輸距離較遠(yuǎn)，可以采用屏蔽電纜，模擬信號(hào)和高速信號(hào)應(yīng)選擇屏蔽電纜。2．對(duì)感性負(fù)載的處理感性負(fù)載感具有儲(chǔ)能作用，當(dāng)它的控制觸點(diǎn)斷開時(shí)，感性負(fù)載產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)比電源電壓高幾倍甚至幾十倍；當(dāng)控制觸點(diǎn)鐵通時(shí)，由于觸點(diǎn)的抖動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生電弧。應(yīng)該采用一些措施來減輕或消除感性負(fù)載對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。當(dāng)PLC的輸入端或輸出端接有感性元件時(shí)，對(duì)直流電路來說應(yīng)該在它兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，對(duì)于交流電路來說應(yīng)該并聯(lián)阻容電路，這樣可以抑制電路斷開時(shí)所產(chǎn)生的電弧對(duì)PLC的影響，如圖8-2所示。3．PLC安裝與布線的抗干擾措施（1）安裝時(shí)的注意事項(xiàng)PLC必須遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源，不能和高壓電器安裝在同一個(gè)開關(guān)柜內(nèi)，在柜內(nèi)PLC應(yīng)該遠(yuǎn)離動(dòng)力線，并且保證兩者的距離應(yīng)該大于200mm。PLC的信號(hào)線和功率線應(yīng)該分開走線，動(dòng)力電纜應(yīng)該單獨(dú)走線，它們應(yīng)該裝入不同的電纜管或電纜槽中，并且保證有足夠大的空間距離，避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾。輸入/輸出線應(yīng)該與電源線分開走線，并保持一定距離。如果輸入/輸出線的長(zhǎng)度超過300m時(shí)，輸入線與輸出線應(yīng)該使用不同的電纜。不同的信號(hào)線也不要共用一個(gè)插接件轉(zhuǎn)接，如果必須用一個(gè)插接件，也要用備用端子或底線端子將它們分開，以減少相互干擾。（2）強(qiáng)干擾環(huán)境中的隔離措施PLC輸入模塊的光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電晶閘管等器件都能減少或消除外部干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，還可以保護(hù)CPU不受外部竄入的高壓信號(hào)的危害，因此一般不需要在PLC外部再次設(shè)置抗干擾的器件。但是在強(qiáng)烈干擾環(huán)境中，比如大發(fā)電廠，空間中極強(qiáng)的電磁場(chǎng)和高電壓、大電流的通斷，會(huì)對(duì)PLC產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，導(dǎo)致