PLC控制系統(tǒng)的設計及故障診斷

2024/11/91課程團隊介紹姓名職稱學歷所在部門分工滿海波副教授、碩士研究生電子電氣工程系課程負責、主研程龍泉副教授、碩士研究生電子電氣工程系教學管理、主研向守均講師、碩士研究生實訓實驗部主研賈洪副教授電子電氣工程系主研宋立中副教授電子電氣工程系參研王光福副教授、碩士研究生實訓實驗部參研徐敏講師、碩士研究生實訓實驗部參研佘東講師、碩士研究生電子電氣工程系參研黃寧講師電子電氣工程系參研劉自彩

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發(fā)電廠參研2024/11/92第五章PLC控制系統(tǒng)的設計與故障診斷2024/11/935.6組織塊OB及其應用

第五章PLC控制系統(tǒng)的設計與故障診斷5.4PLC在順序控制中的應用

5.5PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試

5.2PLC控制系統(tǒng)硬件設計方法5.3程序設計與調(diào)試

5.1PLC控制系統(tǒng)的設計

5.7故障特性及故障診斷

2024/11/945.1PLC控制系統(tǒng)的設計5.1.1可編程序控制器系統(tǒng)設計要求1.滿足被控對象的要求，擬定控制方案。2.簡單、經(jīng)濟、維修方便、滿足控制要求。

3.選擇可編程控制器的CPU模塊及I/O模塊時，應有余量。

2024/11/955.1.2PLC控制系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容1.確定系統(tǒng)運行方式與控制方式。2.選擇用戶輸入設備。

3.PLC的選擇。

4.分配I/0點，繪制I/0連接圖。

5.設計控制程序。

6.編制控制系統(tǒng)的技術文件。2024/11/965.1.3PLC控制系統(tǒng)的設計步驟

1.根據(jù)生產(chǎn)的工藝過程分析控制要求。

2.根據(jù)控制要求確定系統(tǒng)控制方案。

3.根據(jù)系統(tǒng)構成方案和工藝要求確定系統(tǒng)運行方式。

4.根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入、輸出設備。

5.選擇PLC。分配PLC的I/O點，設計I/O連接圖。6.進行PLC的程序設計。

7.聯(lián)機調(diào)試。

8.編制技術文件。

2024/11/97如圖5-1是設計PLC控制系統(tǒng)的一般步驟：分析控制要求確定用戶I/O設備確定系統(tǒng)機構方案確定控制和運行方案選擇PLC分配I/O點、設計I/O連接圖編輯流程圖設計程序輸入程序并檢查調(diào)試現(xiàn)場總線聯(lián)機調(diào)試交付使用修改NNYN滿足要求？編制技術文件Y滿足要求？了解工藝過程控制臺（柜）設計及現(xiàn)場施工設計控制臺（柜）圖5-1設計PLC控制系統(tǒng)一般步驟

返回目錄2024/11/985.2PLC控制系統(tǒng)硬件設計方法

5.2.1應用系統(tǒng)總體方案設計1.PLC控制系統(tǒng)類型（1）由PLC構成的單機控制系統(tǒng)。（2）由PLC構成的集中控制系統(tǒng)。（3）由PLC構成的分布式控制系統(tǒng)。（4）用PLC構成遠程I／0控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)的運行方式（1）手動運行方式。（2）半自動運行方式。（3）自動運行方式。2024/11/995.2.2系統(tǒng)硬件設計根據(jù)1.工藝要求

2.設備狀況3.控制功能

4.I/0點數(shù)和種類5.系統(tǒng)的先進性

2024/11/9105.2.3可編程序控制器的機型選擇1.CPU的功能

2.I/0點數(shù)

3.響應速度4.指令系統(tǒng)

5.機型選擇的其他考慮2024/11/9115.2.4輸入/輸出模塊的選擇1.數(shù)字量輸入模塊的選擇

2.數(shù)字量輸出模塊的選擇

3.模擬量模塊的選擇4.智能I/0模塊的應用選擇

5.2.5系統(tǒng)硬件設計文件1.系統(tǒng)硬件配置圖

2.模塊統(tǒng)計表3.I/0硬件接口圖及I/0地址表

2024/11/9125.2.6系統(tǒng)供電設計1.供電系統(tǒng)的保護措施2.電源模塊的選擇4.I/0模塊供電電源設計5.系統(tǒng)接地設計6.可編程序控制器供電系統(tǒng)設計7.電纜設計和敷設

返回目錄2024/11/9135.3程序設計與調(diào)試5.3.1程序結(jié)構設計STEP7有3種設計程序的方法，即線性化編程、模塊化編程和結(jié)構化編程。1.線性化編程

整個用戶程序放在循環(huán)控制組織塊OB1（主程序）中，循環(huán)掃描時不斷地依次執(zhí)行OB1中的全部指令。程序結(jié)構簡單，建議只是在為S7-300編寫簡單的程序時使用。2024/11/9142.模塊化編程

模塊化編程程序被分為不同的邏輯塊，每個塊包含完成某些任務的邏輯指令。組織塊OB1（即主程序）中的指令決定在什么情況下調(diào)用哪一個塊，功能和功能塊（即子程序）用來完成不同的過程任務。被調(diào)用的塊執(zhí)行完后，返回到OB1中程序塊的調(diào)用點，繼續(xù)執(zhí)行OB1。模塊化編程的程序被劃分為若干個塊，易于幾個人同時對一個項目編程。2024/11/9153.結(jié)構化編程

結(jié)構化編程將復雜的自動化任務分解為能夠反映過程的工藝、功能或可以反復使用的小任務，這些任務由相應的程序塊（或稱邏輯塊）來表示，程序運行時所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊中。這些程序塊是相對獨立的，它們被OB1或別的程序塊調(diào)用。2024/11/916程序塊調(diào)示例如圖5-2所示：圖5-2塊調(diào)用的分層結(jié)構2024/11/9175.3.2符號表和符號化編程1．符號地址符號地址的優(yōu)點：程序中可以用絕對地址訪問變量，但是符號地址使程序更容易閱讀和理解。2．生成與編輯符號表點擊管理器中的“Symbols”圖標，即可進入符號表窗口，如圖5-3所示。2024/11/918圖5-3符號表2024/11/9195.3.3功能塊與功能的生成與調(diào)用舉例

下面以發(fā)動機控制系統(tǒng)的用戶程序為例，介紹生成和調(diào)用功能塊和功能的方法。

1．項目的創(chuàng)建項目的名稱為“發(fā)動機控制”。

2．用戶程序結(jié)構如圖圖5-4所示，組織塊OB1是，用一個名為“發(fā)動機控制”的功能塊FB1來分別控制汽油機和柴油機，控制參數(shù)在背景數(shù)據(jù)塊DB1和DB2中。此外控制汽油機和柴油機時還用不同的實參分別調(diào)用名為“風扇控制”的功能FC1。2024/11/920圖5-4程序結(jié)構2024/11/921程序設計好后SIMATIC管理器中的塊（見圖5-5）。圖5-5SIMATIC管理器2024/11/9223．符號表與變量聲明表（1）符號表（見表5-1）表5-1符號表NameAddressNameAddress主程序OB1關閉柴油機I1.5發(fā)動機控制FB1柴油機故障I1.6風扇控制FC1自動模式Q4.2汽油機數(shù)據(jù)DB1汽油機運行Q5.0柴油機數(shù)據(jù)DB2汽油機到達設置轉(zhuǎn)速Q(mào)5.1共享數(shù)據(jù)DB3汽油機風扇運行Q5.2自動按鈕I0.5柴油機到達設置轉(zhuǎn)速Q(mào)5.5手動按鈕I0.6柴油機風扇運行Q5.6起動汽油機I1.0汽油機風扇運行T1關閉汽油機I1.1柴油機風扇延時T2汽油機故障I1.2汽油機轉(zhuǎn)速MW2起動柴油機I1.4柴油機轉(zhuǎn)速MW42024/11/923

（2）變量聲明表及變量的類型局域變量：用戶在變量聲明表中聲明本塊中專用的變量。局域變量包括塊的形參和參數(shù)的屬性，局域變量只是在它所在的塊中有效。聲明后在局域數(shù)據(jù)堆棧中為臨時變量（TEMP）保存有效的存儲空間。對于功能塊，還要為配合使用的背景數(shù)據(jù)塊的靜態(tài)變量（STAT）保留空間。通過設置IN（輸入）、OUT（輸出）和IN_OUT（輸入/輸出）類型變量。2024/11/9244．功能塊與功能（1）功能塊FB1中的局域變量（見表5-2）表5-2FB1的變量聲明表NameDataTypeAddressDeclareInitialValueCommentSwitch_OnBool0.0INFALSE起動按鈕Switch_OffBool0.1INFALSE停車按鈕FailureBool0.2INFALSE故障信號Actual_SpeedInt2.0IN0實際轉(zhuǎn)速Engine_OnBool4.0OUTFALSE控制發(fā)動機的輸出信號Preset_Speed_ReachedBool4.1OUTFALSE達到預置轉(zhuǎn)速Preset_SpeedInt6.0STAT1500預置轉(zhuǎn)速2024/11/925（2）功能塊FB1的程序（見圖5-6）圖5-6FB1的梯形圖程序2024/11/926（3）功能FC1的生成與編輯（見表5-3）表5-3FC1的變量聲明表NameDataTypeDeclareCommentEngine_OnBoolIN輸入信號，發(fā)動機運行Timer_FunctionTimerIN停機延時的定時器功能Fan_OnBoolOUT控制風扇的輸出信號2024/11/927（2）功能塊FC1的程序（見圖5-7）圖5-7功能FC1梯形圖2024/11/9285.功能塊與功能的調(diào)用在發(fā)動機控制程序中，OB1用來實現(xiàn)自動/手動工作模式的切換，通過兩次調(diào)用FB1和FC1實現(xiàn)對汽油機和柴油機的控制。（見圖5-8）2024/11/929圖5-8主程序OB1

返回目錄2024/11/9304.4PLC在順序控制中的應用4.4.1順序控制的含義

順序控制：就是按照生產(chǎn)工藝預先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機構自動地有秩序地進行操作。使用順序控制設計法時首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝過程，畫出順序功能圖（Sequentialfunctionchart），然后根據(jù)順序功能圖畫出梯形圖。2024/11/9315.4.2順序功能圖的基本結(jié)構

順序功能圖的基本結(jié)構包括：單流程、選擇分支、并行分支、跳轉(zhuǎn)、循環(huán)。（部分結(jié)構見圖5-9）

單流程選擇分支并行分支圖5-9順序功能圖的基本結(jié)構2024/11/9325.4.3繪制順序功能圖的注意事項

（1）兩個步絕對不能直接相連，必須用一個轉(zhuǎn)換將它們隔開。

（2）兩個轉(zhuǎn)換也不能直接相連，必須用一個步將它們隔開。

（3）順序功能圖中的初始步一般對應于系統(tǒng)等待起動的初始狀態(tài)。

（4）自動控制系統(tǒng)應能多次重復執(zhí)行同一工藝過程，即在完成一次工藝過程的全部操作之后，應從最后一步返回初始步，系統(tǒng)停留在初始狀態(tài)，在連續(xù)循環(huán)工作方式時，將從最后一步返回下一工作周期開始運行的第一步。2024/11/9335.4.4順序控制設計舉例（以“單流程”順序控制為例）1．控制工藝及控制要求圖5-10給出了液壓動力滑臺的進給運動示意圖、順序功能圖和梯形圖。在初始狀態(tài)時動力滑臺停在左邊，限位開關I0.3為1狀態(tài)。按下起動按鈕I0.0，動力滑臺在各步中分別實現(xiàn)快進、工進、暫停和快退，最后返回初始位置和初始步后停止運動。2024/11/9342．順序功能圖和梯形圖設計（見圖5-10）圖5-10液壓動力滑臺的進給運動示意圖、順序功能圖和梯形圖

返回目錄2024/11/9355.5PLC系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試

5.5.1尋找/替換與換線

1.程序段內(nèi)替換一個地址（見圖5-11）圖5-11程序段內(nèi)替換一個地址的操作2024/11/9362.替換整個項目下多個地址（見圖5-12）圖5-12替換整個項目下多個地址的操作界面2024/11/9375.5.2變量監(jiān)控與修改1.控制程序的在線監(jiān)控（見圖5-13）圖5-13控制程序的在線監(jiān)控實例2024/11/9382.變量表監(jiān)視和修改（見圖5-14）圖5-14變量表監(jiān)視和修改實例2024/11/9395.5.3輸入/輸出強制

輸入/輸出強制的功能：輸入/輸出強制后的變量，不因映像輸出的變化而改變。強制作業(yè)不能被簡單取消，只能用菜單命令Variable>StopForcing來刪除或終止?？梢越o用戶程序的任何變量賦予固定值，這樣它們就不能夠被CPU中正在執(zhí)行的用戶程序改變或覆蓋。輸入輸出強制的操作界面見圖5-15。2024/11/940圖5-15輸入/輸出強制操作

返回目錄2024/11/9415.6組織塊OB及其應用

5.6.1中斷優(yōu)先級

S7提供了各種不同的組織塊，這些組織塊允許用戶創(chuàng)建在特定時間執(zhí)行的程序。表5-4給出了組織塊不同的OB及其中斷優(yōu)先級。2024/11/942表5-4組織塊OB及中斷優(yōu)先級OB類型（優(yōu)先級）說明OB1主程序循環(huán)（1）在上一循環(huán)結(jié)束時啟動OB10時間中斷（2）在程序設置的日期和時間啟動OB20延時中斷（3）受SFC32控制啟動，在一特定延時后運行OB35循環(huán)中斷（12）運行在一特定時間間隔內(nèi)（1ms~1min）OB40硬件中斷（16）當檢測到來自外部模塊的中斷請求時啟動OB80到OB87響應異步錯誤（26/啟動時28）當檢測到模塊診斷錯誤或超時錯誤時啟動OB100啟動（27）當CPU從STOP到RUN狀態(tài)時啟動OB121,OB122響應同步錯誤（與被中斷OB優(yōu)先級相同）當檢測到程序錯誤或接受錯誤時啟動2024/11/9435.6.2中斷過程

系統(tǒng)檢測到一個OB塊中斷時，則被中斷塊的累加器和寄存器上的當前信息將被作為一個中斷堆棧存起來（I堆棧）。

I堆棧中保存的內(nèi)容有：累加器及地址寄存器的內(nèi)容，數(shù)據(jù)塊寄存器的內(nèi)容，局部數(shù)據(jù)堆棧，狀態(tài)字，MCR寄存器和B堆棧指針。新OB塊調(diào)用FB和FC，每一個塊的處理數(shù)據(jù)被存堆棧。

B堆棧中保存的內(nèi)容有：DB和DI寄存器，臨時數(shù)據(jù)（L堆棧）的指針，塊的號碼及返回地址。2024/11/9445.6.3控制中斷

OB分為兩類：執(zhí)行周期性工作的OB和響應錯誤的OB。執(zhí)行周期性工作的OB（日時鐘中斷），在特定的日期或時間執(zhí)行，從一個編程事件始一段特定延時后執(zhí)行，按特定周期循環(huán)執(zhí)行，CPU檢測到一個過程/硬件錯誤時執(zhí)行，CPU檢測到一個不依賴于程序指令的錯誤時執(zhí)行，CPU檢測到一個與程序指令處理有關的錯誤時執(zhí)行。2024/11/9455.6.4循環(huán)控制組織塊

循環(huán)控制組織模塊OB1是最重要的組織快，OB1在系統(tǒng)中總是被循環(huán)調(diào)用，當過程中斷或時間中斷發(fā)生時暫停執(zhí)行。5.6.5中斷組織塊及應用1．日時鐘中斷（OB10）2．延時中斷（OB20）3．循環(huán)中斷（OB35）4．硬件中斷（OB40）

2024/11/9465.6.6初始化模塊及應用（OB100）

每當CPU的狀態(tài)由停止態(tài)轉(zhuǎn)入運行態(tài)時，操作系統(tǒng)都調(diào)用OB100。當OB100運行結(jié)束后，操作系統(tǒng)調(diào)用OB1。利用OB100先于OB1執(zhí)行的特性，可以為用戶主程序的運行準備初始變量或參數(shù)（見圖5-16）。2024/11/947圖5-16OB100與OB1的執(zhí)行過程

返回目錄2024/11/9485.7故障特性及故障診斷

5.7.1故障特性

系統(tǒng)故障分外部故障和內(nèi)部故障。外部故障指系統(tǒng)與實際過程相連的傳感器、檢測開關、執(zhí)行機構和負載等部分的故障，內(nèi)部故障指可編程序控制器本身的故障。在系統(tǒng)總故障中只有10%的故障發(fā)生在可編程序控制器中，而這10%的故障中，90%的故障發(fā)生在I/O模版中，只有10%的故障發(fā)生在控制器中。所以，系統(tǒng)的大部分故障發(fā)生在I/O模版及信號元件和回路中。2024/11/9495.7.2故障診斷知識1．故障的分類

(1)外部設備故障是與實際過程直接聯(lián)系的各種開關、傳感器、執(zhí)行機構、負載等所發(fā)生的故