PLC第7章應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)課件

第7章可編程序控制器應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)7.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型7.3PLC應(yīng)用系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

7.4控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例7.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖7.1.1可編程控制器應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1．熟悉控制對(duì)象，確定控制范圍（1）了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和生產(chǎn)工藝流程；（2）歸納出工作循環(huán)圖或狀態(tài)流程圖；（3）明確控制任務(wù)和設(shè)計(jì)要求。2.制定控制方案，選擇可編程序控制器機(jī)型（1）根據(jù)生產(chǎn)工藝和機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制要求，確定電控系統(tǒng)的工作方式，弄清是單機(jī)運(yùn)行還是聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；（2）確定各種控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，選擇系統(tǒng)的外部電器元件（如按鈕、傳感器、變送器、接近開關(guān)、限位開關(guān)、電磁閥、接觸器、指示燈等）；（3）確定輸入、輸出PLC的信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)的性質(zhì)、參數(shù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（開關(guān)量、模擬量分類，如是模擬量要確定其電壓或電流的變化范圍）（4）選擇合適的PLC機(jī)型和功能模塊，并確定各種硬件配置。5.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試6.編制系統(tǒng)的技術(shù)文件在現(xiàn)場(chǎng)安裝完硬件系統(tǒng)，PLC裝入程序，進(jìn)行試運(yùn)行。這時(shí)外部接線要正確無誤。編制必要的技術(shù)文件：PLC控制系統(tǒng)使用說明書，外部接線圖，其他的電氣圖紙以及元器件明細(xì)表的編制。PLC控制應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容中還應(yīng)包含的幾個(gè)方面:（1）可靠性設(shè)計(jì)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循可靠性分配原則，如冗余設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)滿足溫度、振動(dòng)、沖擊、濕度等的要求；（2）安全性設(shè)計(jì)：系統(tǒng)在緊急異常的狀態(tài)下能處于安全狀態(tài)，系統(tǒng)要有及時(shí)處理事故或故障的功能。如設(shè)置緊急停車按鈕、事故按鈕、報(bào)警、安全回路等。（3）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)：選用符合國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的元件和應(yīng)用軟件，以便于用戶維護(hù)、規(guī)模擴(kuò)展和具有系統(tǒng)的兼容性。7.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型1．控制結(jié)構(gòu)和方式的選擇

(1)單機(jī)控制系統(tǒng)：是指用一臺(tái)PLC控制一臺(tái)設(shè)備或多臺(tái)設(shè)備，控制的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)比較少，屬于一種集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般多用于各控制對(duì)象所處地理位置較集中，且相互之間的動(dòng)作存在一定的順序關(guān)系的情況下，適合于簡(jiǎn)單的流水線控制。

2．PLC機(jī)型的選擇

PLC選型的基本原則是所選PLC能夠滿足控制系統(tǒng)的功能需要。一般從系統(tǒng)控制功能、PLC物理結(jié)構(gòu)、指令和編程方式、PLC存儲(chǔ)量和響應(yīng)時(shí)間、通信聯(lián)網(wǎng)功能等方面綜合考慮。從應(yīng)用角度來看，PLC可按控制功能或輸入/輸出點(diǎn)數(shù)選擇。從PLC的物理結(jié)構(gòu)和控制柜安排來看，PLC可選模塊式、疊裝式和整體式。PLC的指令系統(tǒng)一般包括邏輯指令、運(yùn)算指令、控制指令、數(shù)據(jù)處理和其他特殊指令，這些指令能完成諸如開平方、對(duì)數(shù)運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。用戶可從便于控制系統(tǒng)編程的角度來加以選擇，只要能滿足實(shí)際需要就可以了。PLC的編程有兩種方式：在線和離線編程。采用離線編程可降低成本，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)來說都可以滿足生產(chǎn)需要，因而較多的中小型PLC都使用這種方法。在線編程所需成本較高，但使用方便，大型PLC中常采用。

PLC聯(lián)網(wǎng)已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，已成為CIMS、SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)。3．I/O點(diǎn)數(shù)的估算表7.2.1常用電氣元件所需PLC的I/O點(diǎn)數(shù)電氣元件輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)I/O總點(diǎn)數(shù)Y-△啟動(dòng)籠型電動(dòng)機(jī)437單向/可逆交流電動(dòng)機(jī)5/63/48/10單向/可逆直流電動(dòng)機(jī)9/126/815/20比例閥358單/雙線圈電磁閥2/31/23/5按鈕11信號(hào)等11光電開關(guān)22撥碼開關(guān)44行程開關(guān)11限位開關(guān)22

輸出模塊把PLC內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換為外部過程的控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。輸入/輸出模塊是可編程序控制器與被控對(duì)象之間的接口，按照輸入/輸出信號(hào)的性質(zhì)一般可分為開關(guān)量(或數(shù)字量)和模擬量模塊。開關(guān)量模塊包括輸入模塊和輸出模塊，有交流、直流和TTL電平三種類型。開關(guān)量輸入模塊按輸入點(diǎn)數(shù)分為4、8、16、32、64等，按電壓等級(jí)分為直流24V、48V、60V和交流110V、230V等。模塊密度一般以每塊16～64點(diǎn)為好。如果是長(zhǎng)距離傳輸通信，開關(guān)量輸入模塊的門坎電平也是不容忽視的一個(gè)因素。直流開關(guān)量輸入模塊的延遲時(shí)間較短，可直接與接近開關(guān)、光電開關(guān)等電子裝置相連。開關(guān)量輸出模塊按輸出點(diǎn)數(shù)分有16、32、64點(diǎn)，按輸出方式分有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出。選擇的輸出模塊的電流值必須大于負(fù)載電流的額定值。對(duì)于頻繁通斷、低功率因數(shù)的感性負(fù)載，應(yīng)采用無觸點(diǎn)開關(guān)器件，即選用晶閘管輸出(交流輸出)或晶體管輸出(直流輸出)；對(duì)于通斷不頻繁的一般負(fù)載可選用繼電器輸出。

模擬量模塊也包括輸入模塊和輸出模塊。模擬量輸入模塊把來自于傳感器或變送器的電壓、壓力、流量、位移等電量或非電量轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǚ秶鷥?nèi)的電壓或電流信號(hào)，所以它分為電壓型和電流型。在選用時(shí)應(yīng)注意外部物理量的輸入范圍，模擬通道循環(huán)掃描的時(shí)間和信號(hào)的連接方式。一般來說，電流型的抗干擾能力優(yōu)于電壓型。模擬量輸出模塊能輸出被控設(shè)備所需的電壓或電流，它的電壓型和電流型的型號(hào)與模擬量輸入模塊的大體相似，選用輸出模塊驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，中間有可能要增加必要的轉(zhuǎn)換裝置，同時(shí)還要注意信號(hào)的統(tǒng)一性和阻抗的匹配性。6.對(duì)程序存儲(chǔ)器容量的估算一般情況下用戶程序所需存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)可按照如下經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算：①開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng)：輸入：用戶程序所需存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)=輸入點(diǎn)總數(shù)×10

輸出：用戶程序所需存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)=輸出點(diǎn)總數(shù)×8②模擬量輸入輸出系統(tǒng)：每一路模擬量信號(hào)大約需要120字的存儲(chǔ)容量，當(dāng)模擬輸入和輸出同時(shí)存在時(shí)，應(yīng)有所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=模擬量路數(shù)×250③定時(shí)器和記數(shù)器系統(tǒng)：所需內(nèi)存字?jǐn)?shù)=定時(shí)器/記數(shù)器數(shù)量×2④含有通信接口的系統(tǒng)(多指PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))：所需存儲(chǔ)字?jǐn)?shù)=通信接口個(gè)數(shù)×300

另外，根據(jù)系統(tǒng)控制要求的難易程度也可采用另一種方法進(jìn)行估算，采用的計(jì)算公式如下：程序容量＝K×總輸入/輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)來說，K=6；若為普通系統(tǒng)，則K=8；若為較復(fù)雜系統(tǒng)，則K=10；若為復(fù)雜系統(tǒng)，則K=12。7.可編程序控制器的電源選擇電源是PLC干擾引入的主要途徑之一，因此選擇優(yōu)質(zhì)電源無疑有助于提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性。一般可選用畸變較小的穩(wěn)壓器或帶有隔離變壓器的電源。使用直流電源要選用橋式全波整流電源。對(duì)于供電不正?；螂妷翰▌?dòng)較大的情況，可考慮采用不間斷電源(UPS)或穩(wěn)壓電源供電。對(duì)于輸入觸點(diǎn)的供電可使用PLC本身提供的電源，如果負(fù)載電流過大，可采用外設(shè)電源供電。輸出電流是電源的一個(gè)關(guān)鍵因素，應(yīng)特別注意。

梯形圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是：

(1)與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，直觀、形象和實(shí)用；

(2)與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，電氣技術(shù)人員易于掌握和學(xué)習(xí)；

(3)梯形圖中的能流(PowerFlow)不是實(shí)際意義的物理電流，而是"概念"電流；內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，每個(gè)繼電器和輸入接點(diǎn)都是存儲(chǔ)器中的一位，因此梯形圖中的繼電器接點(diǎn)在編制用戶程序時(shí)能無限使用，可常開又可常閉；

(4)梯形圖中的輸入接點(diǎn)和輸出線圈不是物理接點(diǎn)和線圈，用戶程序的解算是根據(jù)PLC內(nèi)部I/O映像區(qū)相應(yīng)位的狀態(tài)得到的，并不是解算現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀態(tài)。2．布爾助記符(BooleanMnemonic)程序設(shè)計(jì)語言布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言是用布爾助記符來描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語言，與計(jì)算機(jī)中的匯編語言非常相似。所謂助記符語言編程就是用一個(gè)或幾個(gè)容易記憶的字符代表PLC的某種操作功能。助記符語言也可稱為命令語句表達(dá)式語言，它的一般格式為：操作碼＋操作數(shù)或操作碼＋標(biāo)識(shí)符＋參數(shù)其中，操作碼用來指定CPU要執(zhí)行的功能；操作數(shù)內(nèi)包含執(zhí)行該操作所必需的信息。

布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言具有下列特點(diǎn)：

(1)采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶，便于掌握的特點(diǎn)；

(2)在編程器的鍵盤上采用助記符表示，便于鍵入，可在無計(jì)算機(jī)的場(chǎng)合下進(jìn)行編程設(shè)計(jì)；

(3)與梯形圖有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，電氣技術(shù)人員對(duì)程序易于理解和檢查；

(4)在編程支路的元素?cái)?shù)量不受限額。這種方法也存在對(duì)較復(fù)雜控制系統(tǒng)較難描述清楚的缺點(diǎn)。短線旁的文字、圖形符號(hào)或邏輯表達(dá)式標(biāo)明轉(zhuǎn)移條件的內(nèi)容。轉(zhuǎn)移條件可能來自外部輸入信號(hào)或PLC內(nèi)部產(chǎn)生的信號(hào)。用轉(zhuǎn)移條件控制代表各步的編程元件，使它們的狀態(tài)按一定的順序變化，然后去控制各輸出繼電器。動(dòng)作或命令就是狀態(tài)框旁與之對(duì)應(yīng)的各步內(nèi)容的文字描述，可用矩形框?qū)⑺鼈儑饋?，以短線連接到狀態(tài)框。0123左向運(yùn)動(dòng)行程開關(guān)XK1動(dòng)作按SB1右向運(yùn)動(dòng)行程開關(guān)XK2動(dòng)作停止運(yùn)動(dòng)SFC圖例

功能表圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是：

(1)以功能為主線，條理清楚，便于對(duì)程序操作的理解；

(2)對(duì)大型的程序，可分工設(shè)計(jì)，采用較為靈活的程序結(jié)構(gòu)，可節(jié)省程序設(shè)計(jì)時(shí)間和調(diào)試時(shí)間；

(3)兩個(gè)步(或轉(zhuǎn)移)不能直接相連，必須用一個(gè)轉(zhuǎn)移(或步)將它們隔離；

(4)初始步必不可少，一般對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)等待啟動(dòng)的初始狀態(tài)；

(5)僅當(dāng)某一步所有的前級(jí)步都是活動(dòng)步時(shí)，該步才有可能變成活動(dòng)步，只有在活動(dòng)步的命令和操作被執(zhí)行后，系統(tǒng)才對(duì)活動(dòng)步后的轉(zhuǎn)移進(jìn)行掃描，整個(gè)程序的掃描時(shí)間較用其他語言編制的程序的掃描時(shí)間要大大縮短。4．功能模塊圖(FunctionBlock)程序設(shè)計(jì)語言功能模塊圖程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)是：以功能模塊為單位，功能模塊用圖形化的方法描述功能，它的直觀性大大方便了設(shè)計(jì)人員的編程和組態(tài)，有較好的易操作性；(2)適用于控制規(guī)模較大、控制關(guān)系較復(fù)雜的系統(tǒng)，它將控制功能的關(guān)系較清楚地表達(dá)出來，因此編程和組態(tài)時(shí)間可以縮短，調(diào)試時(shí)間也能大大減少；(3)由于每種功能模塊需要占用一定的內(nèi)存，功能模塊的執(zhí)行需要一定的執(zhí)行時(shí)間，因此這種設(shè)計(jì)語言在大中型可編程序控制器和集散控制系統(tǒng)的編程和組態(tài)中才被采用。

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語言具有下列特點(diǎn)：

(1)采用高級(jí)語言進(jìn)行編程，可以完成較復(fù)雜的控制運(yùn)算；

(2)常被用于其他語言(如功能模塊圖等)較難實(shí)現(xiàn)的一些控制功能的方案實(shí)施，例如自適應(yīng)控制功能的實(shí)現(xiàn)。該方法也存在對(duì)編程人員的技能要求較高，普通電氣人員無法完成，直觀性和易操作性較差等缺點(diǎn)。7.3.2可編程序控制器的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法1．經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法

利用各種典型控制環(huán)節(jié)和基本單元控制電路，依靠經(jīng)驗(yàn)直接用PLC設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，來滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝過程的控制要求的設(shè)計(jì)方法稱為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法。使用該法設(shè)計(jì)用戶程序時(shí)可以大致按下面幾步來進(jìn)行：（1）分析控制要求、選擇控制原則；（2）設(shè)計(jì)主令元件和檢測(cè)元件，確定輸入/輸出信號(hào)；（3）設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的控制程序；檢查、修改和完善程序。在設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的控制程序時(shí)，一般又可分為以下幾個(gè)步驟：（1）按所給的要求將生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)分成各自獨(dú)立的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，分別設(shè)計(jì)這些簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的基本控制程序；（2）根據(jù)制約關(guān)系，選擇連鎖觸點(diǎn)，設(shè)計(jì)連鎖程序；（3）根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選擇控制原則，設(shè)計(jì)主令元件、監(jiān)測(cè)元件及繼電器等；（4）設(shè)置必要的保護(hù)措施?！纠?】如圖7.3.1所示，有一送料車自動(dòng)循環(huán)送料。小車處于起始位置時(shí)，CK0閉合；系統(tǒng)啟動(dòng)后，小車在起始位置裝料，20秒后向右運(yùn)動(dòng)，到CK1位置時(shí)，CK1閉合；小車下料后再返回起始位置，再用20秒的時(shí)間裝料，其后向右運(yùn)動(dòng)到CK2位置，此時(shí)CK2閉合；小車下料后返回起始位置。以后重復(fù)上述過程，直至有復(fù)位信號(hào)輸入。

小車的工作循環(huán)過程如下：

啟動(dòng)→裝料→第一次向右運(yùn)動(dòng)→第一次返回→第二次裝料→第二次向右運(yùn)動(dòng)→第二次返回→……圖7.3.1送料小車工作示意圖

根據(jù)小車的工作循環(huán)過程可以畫出CK0、CK1、CK2及定時(shí)器的時(shí)間關(guān)系圖。因?yàn)樾≤囋诘谝淮蔚竭_(dá)CK1時(shí)要改變運(yùn)動(dòng)方向，而第二次和第三次到達(dá)CK1時(shí)不改變運(yùn)動(dòng)方向，所以可以利用計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能來決定到達(dá)CK1時(shí)是否要改變小車的運(yùn)動(dòng)方向。定時(shí)器用來記錄裝料時(shí)間。由經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法可知小車控制屬于一種雙向控制，非常適合采用PLC控制。其PLC控制的I/O分配如表7.3.1所示。表7.3.1送料小車控制系統(tǒng)I/O分配表輸入輸出啟動(dòng)按鈕復(fù)位按鈕CK0CK1CK20000900010000000000100002小車右行小車左行0100001002定時(shí)器計(jì)數(shù)器TIM000，20sCNT001圖7.3.2送料小車控制梯形圖

①中間輔助繼電器20000作為系統(tǒng)工作允許繼電器，啟動(dòng)信號(hào)00009使20000置“ON”，復(fù)位信號(hào)00010使之置“OFF”。只有當(dāng)20000為“ON”時(shí)，小車才能循環(huán)工作，當(dāng)20000為“OFF”時(shí)，小車回到起始位置后停止工作。②小車位于CK0時(shí)，開始定時(shí)裝料，20秒后定時(shí)器接通，小車右行即01000得電。當(dāng)小車離開CK0時(shí)，定時(shí)器TIM000復(fù)位，但01000的自鎖功能使之仍得電，小車仍右行。③小車行至CK1時(shí)，計(jì)數(shù)器減一，由于CK1的常閉觸點(diǎn)斷開，使01000失電，小車停止右行。④小車停止右行使中間繼電器20001失電產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使01002得電即小車左行。01002的自鎖功能使得小車左行直至達(dá)到CK0位置。⑤定時(shí)器重新定時(shí)，小車第二次裝料，之后小車右行，均與第一次相同。但是當(dāng)小車行至CK1時(shí)，計(jì)數(shù)器減一至零，使CNT001的常開觸點(diǎn)接通，所以此時(shí)小車?yán)^續(xù)右行直至達(dá)到CK2位置，CK2的常閉觸點(diǎn)斷開，01000失電，小車停止右行，再次改變?yōu)樽笮?。⑥左行過程中經(jīng)過CK1位置時(shí)使計(jì)數(shù)器復(fù)位，為下一次循環(huán)作準(zhǔn)備。小車左行至CK0位置停止，等待下一次循環(huán)。2．邏輯設(shè)計(jì)法邏輯設(shè)計(jì)方法的基本含義是以邏輯組合的方法和形式設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法既有嚴(yán)密可循的規(guī)律性和明確可行的設(shè)計(jì)步驟，又具有簡(jiǎn)便、直觀和十分規(guī)范的特點(diǎn)。布爾助記符程序設(shè)計(jì)語言常采用這類設(shè)計(jì)方法。從某種意義上說，PLC是"與"、"或"、"非"三種邏輯線路的組合體，而梯形圖程序的基本形式也是"與"、"或"、"非"的邏輯組合。當(dāng)一個(gè)邏輯函數(shù)用邏輯變量的基本運(yùn)算式表示出來后，實(shí)現(xiàn)該邏輯函數(shù)功能的線路也隨之確定，并進(jìn)一步由梯形圖直接寫出對(duì)應(yīng)的指令語句程序。

進(jìn)行設(shè)計(jì)一般可分為下面幾步：①首先明確控制任務(wù)和控制要求，通過分析工藝過程繪制工作循環(huán)和檢測(cè)元件分布圖，取得電氣執(zhí)行元件功能表。②詳細(xì)地繪制電控系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表(通常由輸出信號(hào)狀態(tài)表、輸入信號(hào)狀態(tài)表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換主令表和中間記憶裝置狀態(tài)表四部分組成)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換表可全面、完整地展示電控系統(tǒng)各部分、各時(shí)刻的狀態(tài)和狀態(tài)之間的聯(lián)系及轉(zhuǎn)換，它是進(jìn)行電控系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)的有效工具。③進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，列出中間記憶元件的邏輯函數(shù)表達(dá)式和執(zhí)行元件的邏輯函數(shù)表達(dá)式，這兩個(gè)函數(shù)表達(dá)式，既是生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過程內(nèi)部邏輯關(guān)系和變化規(guī)律的表達(dá)形式，又是構(gòu)成電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的具體程序。如果設(shè)計(jì)者需要使用梯形圖程序作為一種過渡，或者選用的PLC編程器也具有圖形輸入的功能，則也可以首先由邏輯函數(shù)式轉(zhuǎn)換為梯形圖程序；④完善和補(bǔ)充程序，包括手動(dòng)調(diào)整工作方式的設(shè)計(jì)、手動(dòng)工作方式的選擇、自動(dòng)工作循環(huán)、保護(hù)措施等。3．狀態(tài)流程圖設(shè)計(jì)方法

狀態(tài)流程圖又叫SFC或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，它是完整的描述控制系統(tǒng)的工作過程、功能和特性的一種圖形，是分析和設(shè)計(jì)電控程序的重要工具。所謂“狀態(tài)”是指特定的功能，因此狀態(tài)的轉(zhuǎn)移實(shí)際上就是控制系統(tǒng)的功能的轉(zhuǎn)移。

SFC是適合于順序控制的標(biāo)準(zhǔn)化語言，利用狀態(tài)流程圖進(jìn)行程序設(shè)計(jì)就是順序控制設(shè)計(jì)法。它具有簡(jiǎn)單、規(guī)范、通用的優(yōu)點(diǎn)，使梯形圖設(shè)計(jì)變得容易，大大節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，有一定的方法和步驟可遵循。狀態(tài)流程圖能清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。1)狀態(tài)流程圖的組成圖7.3.3流程圖

2)狀態(tài)流程圖的類型狀態(tài)流程圖從結(jié)構(gòu)上來分，可分為以下幾種：①單序列結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的功能表圖沒有分支，每個(gè)步后只有一個(gè)步，步與步之間只有一個(gè)轉(zhuǎn)換條件。②選擇性序列結(jié)構(gòu)；③并發(fā)性序列結(jié)構(gòu)；④循環(huán)性結(jié)構(gòu)；⑤復(fù)合性結(jié)構(gòu)。圖7.3.4選擇性序列結(jié)構(gòu)的狀態(tài)流程圖圖7.3.5并發(fā)性序列結(jié)構(gòu)的狀態(tài)流程圖

狀態(tài)流程圖編程的步驟分為以下幾步：①把整個(gè)系統(tǒng)的工作過程劃分為若干個(gè)清晰的階段，每個(gè)階段(稱為步)完成一定任務(wù)的操作；②確定各步之間的轉(zhuǎn)換條件，它是系統(tǒng)由前一步轉(zhuǎn)入下一步的基礎(chǔ)，經(jīng)常以PLC輸入點(diǎn)或其他元件定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，當(dāng)轉(zhuǎn)換條件的實(shí)際內(nèi)容不止一個(gè)時(shí)，每個(gè)具體內(nèi)容定義一個(gè)PLC元件編號(hào)，并以邏輯組合的形式表現(xiàn)為有效轉(zhuǎn)換條件；③根據(jù)前兩步畫出系統(tǒng)的狀態(tài)流程圖。有了狀態(tài)流程圖，利用不同的指令就能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的梯形圖，支持順序控制指令的執(zhí)行；④寫出程序清單，完成PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

【例2】某臺(tái)自動(dòng)清洗機(jī)，該機(jī)的動(dòng)作如下：按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，打開噴淋閥門，同時(shí)清洗機(jī)開始移動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)到物體到達(dá)清洗機(jī)時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)刷子開始清洗汽車；當(dāng)檢測(cè)到物體離開清洗機(jī)時(shí)，停止清洗機(jī)移動(dòng)，停止刷子旋轉(zhuǎn)并關(guān)閉閥門；當(dāng)按下停止開關(guān)時(shí)，任何時(shí)候都可以停止所有的動(dòng)作。表7.3.2自動(dòng)清洗機(jī)的I/O分配表輸入輸出I/O位名

稱01000第0步00000啟動(dòng)按鈕01001第1步00001檢測(cè)開關(guān)01002第2步00003停止按鈕01003第3步

01004清洗機(jī)

01005噴淋閥門

01006刷子圖7.3.6自動(dòng)清洗機(jī)的SFC圖圖7.3.7自動(dòng)清洗機(jī)的梯形圖

4．計(jì)算機(jī)輔助編程設(shè)計(jì)法利用計(jì)算機(jī)及軟件編程可以把梯形圖直接譯成指令形式，可進(jìn)行在線編程、遠(yuǎn)程編程和離線編程，有些還具備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能。因此，計(jì)算機(jī)輔助編程設(shè)計(jì)法代表著可編程序控制器的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法今后的發(fā)展方向。目前各大PLC生產(chǎn)廠商都很重視這方面的開發(fā)，都有性能各異的計(jì)算機(jī)輔助編程應(yīng)用軟件推出，如SIMENS的STEP7、WinCC等，三菱公司的FX-PLCS/AT-EESFC、FXMING等，OMRON公司的CX-Programmer、CPT等。7.4.1機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.動(dòng)作要求：將一工件從A位置搬運(yùn)到B位置。機(jī)械手由電磁液壓缸驅(qū)動(dòng)。電磁液壓缸的某個(gè)線圈得電，就產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，直到線圈失電，動(dòng)作結(jié)束。2.動(dòng)作順序：假設(shè)機(jī)械手初始位置為原點(diǎn)，完成工件搬運(yùn)的動(dòng)作是：向右→向下→抓緊工件→向上→向左→向下→放松工件→向上（回到原點(diǎn)）。3.電氣元器件配置：（1）上、下、左、右、抓緊和放松各設(shè)置一個(gè)微動(dòng)行程開關(guān)，控制動(dòng)作到位。（2）設(shè)置一停止按鈕，可以在任何一步停止步的執(zhí)行，回到第0步。（3）設(shè)置6個(gè)手動(dòng)操作按鈕，允許手工操作機(jī)械手的動(dòng)作，形成開關(guān)可以在手工操作到位時(shí)停止機(jī)械手的動(dòng)作。7.4控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)過程1.動(dòng)作周期：原點(diǎn)（上到位，左到位）向右→右到位→向下→下到位→抓緊工件→抓到位→向上→上到位→向左→左到位→向下→下到位→放松→松到位→向上→上到位→原點(diǎn)。2.確定輸入/輸出開關(guān)量及地址（I/O點(diǎn)數(shù)確定）列出I/O表如后頁(yè)表7-4-1選用內(nèi)部繼電器00200、00201、00202、00203、00204、00205、00206、00207、00208作為中間繼電器表示工步狀態(tài)。輸

入輸

出工

步開關(guān)量操作數(shù)開關(guān)量操作數(shù)步序操作數(shù)右行程開關(guān)00000向右線圈01000第0步00200左行程開關(guān)00001向左線圈01001第1步00201上行程開關(guān)00003向下線圈01002第2步00202下行程開關(guān)00004向上線圈01003第3步00203抓緊行程開關(guān)00005抓緊線圈01004第4步00204放松行程開關(guān)00006放松線圈01005第5步00205停止按鈕00007第6步00206啟動(dòng)按鈕00008第7步00207連續(xù)/不連續(xù)切換開關(guān)00009第8步00208手動(dòng)向左00010手動(dòng)向右00011手動(dòng)向上00012手動(dòng)向下00013手動(dòng)抓緊00014手動(dòng)放松00015點(diǎn)數(shù)：15點(diǎn)數(shù)：6表7-4-1I/O分配表3.PLC機(jī)型選擇：由上表知：輸入為15點(diǎn)，輸出為6點(diǎn)，總點(diǎn)數(shù)21點(diǎn)。留出20%的余量：總點(diǎn)數(shù)為21+4=25點(diǎn)。選擇30點(diǎn)的CPM2A-30CDR繼電器觸點(diǎn)輸出型的CPU單元，有18點(diǎn)輸入，12點(diǎn)輸出。程序容量：8×25=200字（普通系統(tǒng)K=8）。4.做出機(jī)械手控制的SFC圖：SFC圖5.繪制梯形圖00201002020020300204002050020600207002080000100200000030020800009002080020000009000030022100222000080020100201002010020200000002030000700202002030020400205002060020600205000010020700007000070000700007002020020300004002040020300204000050020500204002050000300206機(jī)械手的控制主流程梯形圖機(jī)械手的輸出/手動(dòng)梯形圖7.4.2植物灌溉的PLC控制系統(tǒng)根據(jù)不同植物生長(zhǎng)的特點(diǎn)和要求，對(duì)灌溉系統(tǒng)提出以下控制功能要求：A區(qū)有兩小塊采用噴霧，每噴2分鐘，停5分鐘，工作時(shí)間要求每天7點(diǎn)開始，17點(diǎn)停止；B區(qū)采用旋轉(zhuǎn)式噴頭進(jìn)行噴灌，分為兩組噴灌工作，每組每工作5分鐘，停20分鐘，每天9點(diǎn)開始，14點(diǎn)停止；C區(qū)也分為兩組，交替工作，每隔2天灌溉一天。考慮到系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，要求系統(tǒng)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能。如果遇到陰雨天會(huì)自動(dòng)停止對(duì)沙床苗圃和盆栽花卉的灌溉。溫室滴灌不僅要受時(shí)間控制，而且要求具有溫度、濕度測(cè)控功能，即溫度、濕度達(dá)到某一控制點(diǎn)就報(bào)警并改變程序的運(yùn)行方式。系統(tǒng)在自動(dòng)(或手動(dòng))工作方式時(shí)，能自動(dòng)(或手動(dòng))控制供水水泵的運(yùn)行與停止和各電磁閥的開關(guān)。

根據(jù)上述控制對(duì)象的工作過程，在A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)分別設(shè)4個(gè)、2個(gè)、2個(gè)電磁閥，分別控制不同作物的灌溉，用1個(gè)繼電器控制供水的水泵。為了避免意外事故或故障的發(fā)生，系統(tǒng)設(shè)有聲光報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)只有數(shù)字開關(guān)量的輸入而無模擬量的輸入，憑可編程控制器本身的抗干擾能力已能滿足要求。因此該植物灌溉控制屬于一個(gè)典型的PLC控制系統(tǒng)。為了系統(tǒng)能正常運(yùn)行，特設(shè)計(jì)報(bào)警燈和報(bào)警器試驗(yàn)按鈕，系統(tǒng)每次運(yùn)行前可進(jìn)行檢查。系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)過程如下：1)I/O點(diǎn)數(shù)的估算系統(tǒng)輸入信號(hào)：自動(dòng)/手動(dòng)選擇開關(guān)，需要1個(gè)輸入端；報(bào)警器和報(bào)警燈試驗(yàn)有一個(gè)按鈕，占有一個(gè)輸入端；自動(dòng)工作方式時(shí)，總開、總停按鈕需要2個(gè)輸入端；故障報(bào)警消音按鈕，需要1個(gè)輸入端；1個(gè)雨量傳感器，需要1個(gè)輸入端；4只濕度傳感器，需要4個(gè)輸入端；4只溫度傳感器，需要4個(gè)輸入端。

以上共需14個(gè)輸入信號(hào)點(diǎn)，考慮到以后可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與擴(kuò)充，所以留出15%的備用點(diǎn)，即14×15%=2.1，取3個(gè)點(diǎn)，這樣共需用17個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)輸出信號(hào)：

A、B、C三個(gè)灌溉區(qū)共有8個(gè)電磁閥，需用8個(gè)輸出端；一臺(tái)水泵，需用1個(gè)控制輸出端；系統(tǒng)自動(dòng)和手動(dòng)指示、水泵運(yùn)行指示，需要三個(gè)輸出端；溫度、濕度報(bào)警和報(bào)警器分別占用一個(gè)輸出端。以上共需要15個(gè)輸出點(diǎn)，考慮到以后可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與擴(kuò)充，所以留出15%的備用點(diǎn)，即15×15%=2.3，取3個(gè)點(diǎn)，這樣共需用18個(gè)輸出點(diǎn)。2)用戶應(yīng)用程序占用內(nèi)存大小的估算用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略地估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此應(yīng)用程序占用內(nèi)存的大小可作如下估算：開關(guān)量輸入：15×10=150字節(jié)；開關(guān)量輸出：18×8=144字節(jié)；定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：(10×3+2×3)×2=72字節(jié)。共計(jì)366字節(jié)，再加上程序存儲(chǔ)空間和備用存儲(chǔ)空間，初步估計(jì)共需1K字節(jié)。3)PLC型號(hào)的選擇因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是對(duì)開關(guān)量進(jìn)行控制的應(yīng)用系統(tǒng)，而且對(duì)控制速度要求也不高，所以可選用完全能滿足該控制要求的、由日本OMRON公司生產(chǎn)的CPM2A系列40點(diǎn)編程控制器。4)系統(tǒng)I/O點(diǎn)的分配表7.4.2CPM2AI/O分配表輸入00002總開00003總停00004陰雨傳感器輸入觸點(diǎn)00005、00006、00007、00008均為溫度傳感器輸入觸點(diǎn)00100、00101、00102、00103均為濕度傳感器輸入觸點(diǎn)00010燈報(bào)警器試驗(yàn)開關(guān)00011泵試驗(yàn)開關(guān)

00104消音按鈕輸出01000、01001、01002、01003、01004、01005、01006、01007分別為1號(hào)電動(dòng)閥到8號(hào)電動(dòng)閥輸出01101自動(dòng)指示燈

01102手動(dòng)指示燈01103溫度報(bào)警燈

01104濕度報(bào)警燈01105水泵運(yùn)行指示燈

01106報(bào)警器輸出01100水泵輸出內(nèi)部繼電器04000、02000、03000、22000、21000、20600等定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1M001～TIM012CNT021～022圖7.4.2輸入/輸出端子接線圖(a)輸入端子接線圖；(b)輸出端子接線圖圖7.4.3輸入/輸出端子接線圖(a)輸入端子接線圖；(b)輸出端子接線圖5)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)軟件可以按各區(qū)功能編制不同的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括主程序、A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和報(bào)警區(qū)模塊?？梢韵仍O(shè)計(jì)系統(tǒng)邏輯梯形圖，然后編寫程序，并進(jìn)行系統(tǒng)模擬調(diào)試，沒有錯(cuò)誤后再投入現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行，最終使系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足用戶的控制要求。要注意，在利用CPT進(jìn)行編程時(shí)，須將PLC的型號(hào)設(shè)置為"CQM1-CPU43"，但這時(shí)SYNC、TIML、TMHH三條指令不被系統(tǒng)支持。圖7.4.4系統(tǒng)梯形圖圖7.4.4(續(xù)圖)7.4.3PLC控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)近年來，PLC控制網(wǎng)絡(luò)在電力工業(yè)、汽車工業(yè)、冶金工業(yè)、物流管理等諸多方面的應(yīng)用非常廣泛。本節(jié)是對(duì)PLC控制系統(tǒng)在水處理廠的應(yīng)用作的一個(gè)簡(jiǎn)單說明。做水處理系統(tǒng)歷來是OMRON公司的強(qiáng)項(xiàng)。典型水處理廠采用ControllerLink構(gòu)筑了一個(gè)完整的PLC控制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)泵站、加藥站、沉淀池，并能通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)的全自動(dòng)控制，如芬蘭坦培雷給排水廠的Viinikalahti污水處理廠就是一個(gè)典型的例子。該廠覆蓋郊區(qū)，跨越湖泊，控制區(qū)域大。按照集中化要求，管理人員通過無線通信和報(bào)警系統(tǒng)等手段，對(duì)所屬區(qū)域內(nèi)的67個(gè)泵站進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、診斷、控制和運(yùn)行。

該廠的設(shè)計(jì)能力為：預(yù)沉淀：120000立方米/日； 生物處理：67000立方米/日； 總抽水率：3.3立方米/秒。污水由雨污合流水管經(jīng)37個(gè)無線控制的泵站匯集而來，這些控制由一個(gè)CV1000，兩個(gè)C1000H和四個(gè)CQM1PLC來完成。

污水由雨污合流水管經(jīng)37個(gè)無線控制的泵站匯集而來，這些控制由一個(gè)CV1000，兩個(gè)C1000H和四個(gè)CQM1PLC來完成。該系統(tǒng)采用了4