第7章 PLC控制系統的設計與應用

第七章PLC控制系統的設計與應用7.1控制系統的設計原則7.2PLC控制系統的設計步驟7.3應用舉例教學目標1、掌握可編程序控制器控制系統設計方法的步驟2、掌握可編程序控制器減少輸入輸出點數的設計方法7.1控制系統的設計原則

最大限度地滿足生產過程的控制要求在滿足控制要求的前提下，盡量使控制系統簡單、經濟保證控制系統安全可靠選擇PLC容量時，應考慮到生產的發(fā)展和工藝的改進，必須留有余地7.2PLC控制系統的設計步驟7.2.1熟悉控制對象的工藝條件確定控制范圍7.2.2選擇合適的PLC類型7.2.3I/O設備選擇及I/O點分配7.2.4編寫程序7.2.5程序測試7.2.6畫電氣接線圖7.2.1熟悉控制對象的工藝條件確定控制范圍

首先，根據該系統需完成的控制任務，對被控對象的工藝過程、工作特點、控制系統的控制過程、控制規(guī)律等等進行詳細分析，歸納出狀態(tài)流程圖。明確控制任務和設計要求。

根據控制系統的具體要求進行分析，選擇合適的控制系統。與繼電器控制系統和工業(yè)控制計算機進行比較后加以選擇。如果控制對象是工業(yè)環(huán)境較差，而安全性、可靠性要求又特別高、系統工藝又復雜、輸入輸出點數多，則用常規(guī)繼電器系統難以實現，工藝流程又要經常變動的機械和現場，用PLC進行控制是合適的。7.2.2選擇合適的PLC類型

PLC是一種通用工業(yè)控制裝置．功能的設置總是面向大多數用戶的。眾多的PLC產品既給用戶提供了廣闊的選擇余地，也給用戶帶來了一定困難。

PLC的選用與繼電器接觸器控制系統的元件的選用不同，繼電器接觸器系統元件的選用，必須要在設計結束之后才能定出各種元件的型號、規(guī)格和數量以及確定控制臺、控制柜的大小等。

PLC的選用在應用設計的開始即可根據工藝提供的資料及控制要求等預先選擇PLC的型號

1.功能與任務相適應PLC的選型基本原則是滿足控制系統的功能需要。控制系統需要什么功能，就選擇具有什么樣功能的PLC。當然要兼顧維修、備件的通用性。對于小型單機僅需要開關量控制的設備，一般的小型PLC都可以滿足要求。小型、中型和大型PLC已普遍進行PLC與PLC、PLC與上位機的通信與聯網，具有數據處理、模擬量控制等功能，例如三菱的FX2與FX2C系列小型PLC。因此在功能的選擇方面，要著重注意的是特殊功能的需要。這就是要選擇具有所需功能的PLC主機，還要根據需要選擇相應的模塊，例如開關量的輸入輸出模塊、模擬量的輸入輸出模塊、高速計數模塊、通信模塊和人機界面單元等。

2.I/O點數是基礎

準確地統計出被控設備對輸入輸出點數的總需要量是PLC選型的基礎。把各輸入設備和被控設備詳細列出；然后在實際統計出I／O點數的基礎上加l5％～20％的備用量，以便今后調整和擴充。多數小型PLC為整體式，除了按點數分成許多檔次外，還有擴展單元。例如FX2系列PLC主機分為l6、24、32、64、80、128點六檔，還有多種擴展模塊和單元。

模塊式結構的PLC采用主機模塊與輸入輸出模塊、功能模塊組合使用方法，I／O模塊按點數分為8、l6、32、64點不等。根據需要，選擇和靈活組合使用主機與I／O模塊3.用戶存儲器容量的估算PLC的程序存儲器容量通常以字或步為單位。例如叫1K字、4K步。PLC的程序步是由一個字構成的，即每個程序步占一個存儲器單元。用戶程序所需存儲器容量可以預先估算。對于開關量控制系統，用戶程序所需存儲器的字數等于I／O信號總數乘以8。對于有模擬量輸入輸出的系統，每一路模擬量信號大約需100字的存儲器容量。大多數PLC的存儲器采用模塊式的存儲器卡盒，同一型號的PLC可以選配不同容量的存儲器卡盒，實現可選擇的多種用戶存儲器的容量，例如FX2型PLC可以有2K步、8K步等。4.PLC的處理速度應滿足實時控制的要求對于大多數應用場合來說，PLC的響應時間不是主要的問題。響應時間包括輸入濾波時間、輸出濾波時間和掃描周期。PLC的順序掃描工作方式使它不能可靠地接收持久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，像FX2型PLC能處理速度達0.48μs／步的順控指令。5.編程器與外圍設備的選擇小型PLC控制系統通常都選用價格便宜的簡易編程器。如果系統大，用PLC多．選一臺功能強、編程方便的圖形編程器也不錯，如果有現成的個人計算機，也可選用能在個人計算機上運行的編程軟件包。

7.2.3I/O設備選擇及I/O點分配PLC控制系統中，通常用作輸入器件的強電元件是控制按鈕類操作器件、行程開關、光電開關類檢測元件。PLC的負載通常有接觸器、繼電器、電磁閥、信號燈等。確定輸出電源的種類、電壓等級和容量。編制I/O分配表即對PLC的輸入、輸出進行合理的地址編號

編寫程序就是根據設計的框圖編寫程序。梯形圖語言是最普遍使用的編程語言。編寫程序過程中，需要及時對編出的程序進行注釋7.2.4編寫程序7.2.5程序測試模擬調試用編程器將設計好的程序輸入PLC中，進行編輯和檢查，改正程序設計語法錯誤。在實驗室進行用戶程序的模擬運行和程序調試。觀察各輸入量、輸出量之間的變化關系及邏輯狀態(tài)是否符合設計要求，發(fā)現問題及時修改，直到滿足工藝流程和狀態(tài)流程圖的要求。2.現場運行調試

在現場使用PLC進行調試，可先不帶負載，只帶接觸器線圈，信號燈等。利用編程器的監(jiān)控功能，采用分段、分級調試方法進行。待各部分功能都調試正常后，再帶上實際負載運行。7.2.6畫電氣接線圖1.外部電路設計主要包括與PLC的連接電路，各種運行方式的強電電路，電源系統及接地系統的設計2.注意：1）按輸入輸出分配表的規(guī)定，將現場信號接在PLC的對應端子上2）輸入回路一般由PLC內部提供電源，輸出電路根據負載額定電壓和額定電流外接電源。3）為保證輸出觸點的安全和防止干擾，當執(zhí)行元件為感性負載時，交流負載線圈兩端加浪涌吸收回路。直流負載線圈兩端加續(xù)流二極管7.3.1減少I/O點數的方法減少所需輸入點數的方法減少所需輸出點數的方法7.3應用舉例1.減少所需輸入點數的方法分組輸入觸點合并式輸入矩陣式輸入充分利用可編程控制器的內部功能分組輸入

多數設備都有自動控制和手動控制兩種狀態(tài)，自動程序和手動程序不會同時執(zhí)行，把自動和手動信號疊加起來，按不同控制狀態(tài)要求分組輸入到可編程控制器，可以節(jié)省輸入點數。例如：電梯轎箱內的操縱箱內一般都設有檢修運行的手動上、下按鈕，也有自動運行的選層按鈕，現在很多電梯在設計時就是利用最底層選層按鈕和最頂層的選層按鈕取代檢修手動上、下按鈕，這樣不僅節(jié)省了輸入點，同時還減少了兩個按鈕，進一步降低了成本。分組輸入電路圖X0自動、手動切換開關圖中的二極管是用來切斷寄生信號的，避免錯誤信號的產生。

觸點合并式輸入

下圖是一個以繼電器接觸器控制電動機啟動、停止的電路。它可以實現在兩個地方啟動，三個地方停止的硬接線圖。但在轉換成PLC控制電路時，外部輸入有多種接線方式，對應的梯形圖也有多種。

圖接線形式占用輸入點最多，梯形圖也顯得復雜，但判斷輸入外圍設備故障形象直觀

圖

2.減少所需輸出點數的方法1．通斷狀態(tài)完全相同的負載并聯后，可以共用PLC的一個輸出點，即一個輸出點帶多個負載。2．在采用信號燈做負載時，采用數碼管做指示燈可以減少輸出點數。例如電梯的樓層指示，如果使用信號燈，則一層就要一個輸出點，樓層越高占用輸出點越多，現在很多電梯使用數字顯示器顯示樓層就可以節(jié)省輸出點，常用的是用BCD碼輸出，9層站以下僅用4個輸出點，10到19層僅用5個輸出點。

7.3.2運料小車控制1.控制要求：1）小車可以分別在A、B兩地分別起動，小車在任何位置均可以通過手動停車。2）運料礦車停在A地起動時，礦石裝入小車，1min后裝料完成，礦車左行。到達卸料地點后停下來，礦車底部開始卸料。1min后停止卸料，小車右行，返回裝料處繼續(xù)運動。小車若從B地起動，在B地等待1min卸料，然后駛向A地繼續(xù)裝料BA選用FX2N-16MR型可編程控制器2．設計步驟BAI/O分配表：輸入信號：輸出信號：停止按鈕SB1X0左行接觸器KM2Y1A起動按鈕SB2X1右行接觸器KM1Y2B起動按鈕SB3X2B限位開關SQ2X3A限位開關SQ1X4I/O分配表：輸入信號：輸出信號：停止按鈕SB1X0左行接觸器KM2Y1A起動按鈕SB2X1右行接觸器KM1Y2B起動按鈕SB3X2B限位開關SQ2X3A限位開關SQ1X4BAX1X0X3Y2Y1X0X3Y1T2X2Y2Y2T1X0X4Y1X0X4T2K600T1K600

物料傳送系統的控制：在自動物流生產線上，一般通過加工、檢測、包裝等工位的傳送帶來運送加工的工件。每套傳送系統由不同電機控制，為節(jié)能運行，沒有工件的傳送暫不運行，檢測到工件則啟動傳送帶，工件到達傳送帶的尾端，啟動下條傳送帶，如果前套傳送帶沒有工件則停止運行。7.3.4傳輸帶電動機的控制系統1.基本控制要求

某車間運料傳輸帶分為三段，有三臺電動機分別驅動。使載有物品的傳輸帶運行，沒載物品的傳輸帶停止運行，以節(jié)省能源。但是要保證物品在整個運輸過程中連續(xù)地從上段運行到下段。所以，既不能使下段電動機起動太早，又不能使上段電動機停止太遲。2．設計步驟工作流程：按下起動按鈕SB1電動機3開始運行被運送的物品(金屬板)前進，被3#傳感器檢測起動電動機2運載物品運行被2#傳感器檢測起動電動機1運載物品前進延時2s停止電動機2物品被1#傳感器檢測延時2s停止電動機1。上述過程不斷進行，直到按下停止按鈕SB2為止。根據輸入輸出點數及功能要求，選用FX2N-16MR型可編程控制器可以滿足控制系統的要求。（1）I/O分配表輸入信號輸出信號起動按鈕SB1X0電機1接觸器Y11#傳感器X1電機2接觸器Y22#傳感器X2電機3接觸器Y33#傳感器X3急停按鈕SB2X42．設計步驟輸入信號輸出信號起動按鈕SB1X0電機1接觸器Y11#傳感器X1電機2接觸器Y22#傳感器X2電機3接觸器Y33#傳感器X3急停按鈕SB2X47.3.7多種液體混合裝置1．控制要求圖是多種液體混合裝置，適合如飲料的生產、酒廠的配液、農藥廠的配比等。L1、L2、L3為液面?zhèn)鞲衅?，液面淹沒時接通，兩種液體的輸入和混合液體放液閥門分別由電磁閥Y0、Y1、Y3控制，M為攪勻電動機,由接觸器Y2控制。L1L2L3L1L2L3(1)初試狀態(tài)當裝置投入運行時，液體A、液體B閥門關閉，放液閥門打開20s將容器放空后關閉。（2）起動操作按下起動按鈕，液體混合裝置開始按下列給定規(guī)律操作：①Y0＝ON，液體A將流入容器，液面上升；當液面達到L2處時，L2＝ON，使Y0＝OFF,Y1=ON，即關閉液體A閥門打開液體B閥門，停止液體A流入,液體B開始流入，液面上升；②當液面達到L1處時，Ll=ON，Y1＝0FF，即關閉液體B閥門，液體停止流入，開始攪拌；

③攪勻電動機工作1min后，停止攪拌，放液閥門打開，開始放液，液面開始下降；④當液面下降到L3處時，L3由ON變到OFF，再過20S，容器放空，放液閥門關閉，開始下一個循環(huán)周期。

(3)停止操作在任何時候按下停止按鈕后，要將當前容器內的混合工作處理完畢后（當前周期循環(huán)到底)，才能停止操作，否則會造成浪費。2.設計步驟選用FX2N-16MR型可編程控制器可以滿足控制系統的要求。（1）I/O分配表輸入信號輸出信號起動按鈕SB1X0液體A電磁閥Y0停止按鈕SB2X1液體B電磁閥Y1液面?zhèn)鞲衅鱈1X2攪拌電機Y2液面?zhèn)鞲衅鱈2X3放液電磁閥Y3液面?zhèn)鞲衅鱈3X4L1L2L3起動按鈕SB1X0液體A電磁閥Y0停止按鈕SB2X1液