第七章plc控制系統(tǒng)設(shè)計

第7章PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用實例7.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟

7.2PLC控制系統(tǒng)的硬件配置

7.3PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序的設(shè)計

7.4順序控制梯形圖的設(shè)計方法

7.5PLC在工業(yè)控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用實例學習目的：學習PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，提高實際應(yīng)用的能力。學習內(nèi)容：綜合PLC硬件及軟件知識，聯(lián)系工業(yè)控制的實際，介紹小型PLC控制系統(tǒng)設(shè)計方法.學習要求：（1）了解PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟。（2）掌握PLC控制系統(tǒng)硬件配置的方法。（3）掌握PLC應(yīng)用程序設(shè)計方法及其設(shè)計技巧。（4）結(jié)合工業(yè)控制中的應(yīng)用實例的設(shè)計，提高實

際應(yīng)用能力。

7.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容和步驟7.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容

7.1.2

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟7.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容1)分析控制對象、明確設(shè)計任務(wù)和要求是整個設(shè)計的依據(jù)。

2)選定PLC的型號及所需的輸入/輸出模塊，對控制系統(tǒng)的硬件進行配置。

3)編制PLC的輸入/輸出分配表和繪制輸入/輸出端子接線圖。

4)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求編寫軟件規(guī)格要求說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言(常用梯形圖)進行程序設(shè)計。

5)設(shè)計操作臺、電氣柜，選擇所需的電氣元件。

6)編寫設(shè)計說明書和操作使用說明書。7.1.2

PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟1.系統(tǒng)規(guī)劃

2.硬件設(shè)計

3.軟件設(shè)計

4.系統(tǒng)調(diào)試

5.技術(shù)文件編制圖7-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的步驟7.2PLC控制系統(tǒng)的硬件配置7.2.1PLC機型的選擇

7.2.2開關(guān)量I/O模塊的選擇

7.2.3模擬量I/O模塊的選擇

7.2.4智能模塊的選擇7.2.1PLC機型的選擇性能與任務(wù)相適應(yīng)PLC的處理速度應(yīng)滿足實時控制的要求PLC機型盡可能統(tǒng)一指令系統(tǒng)1.性能與任務(wù)相適應(yīng)

對控制速度要求不高的開關(guān)量控制系統(tǒng)，選用小型PLC。對于以開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)選用帶有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶D/A轉(zhuǎn)換的模擬輸出模塊，配接相應(yīng)的傳感器、變送器和驅(qū)動裝置，并且選擇運算功能較強的小型PLC。西門子公司的S7-200、S7-1200PLC在進行小型數(shù)字、模擬混合系統(tǒng)控制時具有較高的性能價格比，實施起來也較為方便。對于比較復(fù)雜、控制功能要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)，如需要PID調(diào)節(jié)、閉環(huán)控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能時，可選用中、大型PLC，如西門子公司的S7-300、S7-400。2.提高PLC快速響應(yīng)的幾點措施1)選擇CPU速度比較快的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，其響應(yīng)的時間不受PLC周期的影響，而只取決于硬件的延時。3.PLC機型盡可能統(tǒng)一

一個大型企業(yè)，應(yīng)盡量做到機型統(tǒng)一。因為同一機型的PLC，其模塊可互為備用，便于備品備件的采購和管理，這不僅使模塊通用性好，減少備件量，而且給編程和維修帶來極大的方便，也給擴展系統(tǒng)升級留有余地；其功能及編程方法統(tǒng)一，有利于技術(shù)力量的培訓(xùn)、技術(shù)水平的提高和功能的開發(fā)；其外部設(shè)備通用，資源可共享，配以上位計算機后，可把控制各獨立系統(tǒng)的多臺PLC連成一個多級分布式控制系統(tǒng)，相互通信，集中管理。4.指令系統(tǒng)1)指令系統(tǒng)的總語句數(shù)。

2)指令系統(tǒng)種類。

3)指令系統(tǒng)的表達方式。

4)應(yīng)用軟件的程序結(jié)構(gòu)。7.2.2開關(guān)量I/O模塊的選擇1.開關(guān)量輸入模塊的選擇2.開關(guān)量輸出模塊的選擇

(1)開關(guān)量輸入模塊的選擇

選擇工作電壓等級選擇模塊密度門坎電平備用輸入點的設(shè)計

1）選擇工作電壓等級

選擇依據(jù)：

根據(jù)現(xiàn)場檢測元件與模塊之間的距離來選擇。距離較遠時選用較高電壓的模塊來提高系統(tǒng)的可靠性，以免信號衰減后造成誤差。距離較近時選擇電壓等級低的模塊2）選擇模塊密度

選擇依據(jù)：根據(jù)輸入信號的分布（空間、時間）為便于安裝、調(diào)試，按就近原則安排輸入信號常選用8點、16點的輸入模塊；對于高密度輸入模塊(32/64點)，同時接通點數(shù)不超過模塊總點數(shù)的60%(視輸入電壓、環(huán)境溫度而定）3）門坎電平

必要性：為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門坎電平的大小。門坎電平：指輸入點接通電平和關(guān)斷電平的差值。門坎電平值越大：抗干擾能力越強傳輸距離也就越遠4．備用輸入點的設(shè)計

備用輸入點應(yīng)分散到各模塊（組）上，例如每8點留一個備用點。發(fā)生故障時，用備用點替換故障點，方便地、迅速地處理故障。

(2)開關(guān)量輸出模塊的選擇

輸出方式的選擇

輸出電流的選擇

1）輸出方式的選擇

晶體管輸出方式：（直流開關(guān)）響應(yīng)速度快，使用壽命長可控硅輸出方式：（交流開關(guān)）響應(yīng)速度較快，起動電流大，使用壽命長繼電器輸出方式：（交、直流開關(guān)）輸出電流大，響應(yīng)速度較慢，價格便宜2）輸出電流的選擇

輸出電流必須大于負載（電阻性負載）電流的額定值對于電容性負載、電感性負載，考慮到接通時有沖擊電流，要留有足夠的余量。如果負載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動時，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)（用中間繼電器）。注意同時接通點數(shù)的電流累計值必須小于公共端所允許通過的電流值

輸出端的短路保護

為防止負載短路而燒壞PLC的輸出模塊，輸出回路必須外加熔斷器作短路保護。繼電器輸出方式選用普通熔斷器晶體管輸出方式和晶閘管輸出方式

選用快速熔斷器7.2.3模擬量I/O模塊的選擇1.模擬量輸入模塊的選擇

2.模擬量輸出模塊的選擇1.模擬量輸入模塊的選擇1)模擬量值的輸入范圍。

2)模擬量輸入模塊的分辨率、輸入精度、轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)指標應(yīng)符合具體的系統(tǒng)要求。

3)在應(yīng)用中要注意抗干擾措施。模擬量輸入模塊的選擇模擬量的輸入：電壓信號或電流信號電壓信號:

0~5V、0~10V（單極性）±2.5V、±5V（雙極性）

電流信號:

4~20mA注意：與現(xiàn)場的檢測信號范圍相對應(yīng)，分辨率、精度、轉(zhuǎn)換時間等參數(shù)應(yīng)符合系統(tǒng)要求。

模擬量輸出模塊的選擇模擬量的輸出：電壓輸出或電流輸出電壓輸出:

0~10V、－10~10V

電流信號:

0～20mA、4~20mA注意：模擬量輸出模塊還有不同的輸出功率，在使用時要根據(jù)負載情況選擇。

2.模擬量輸出模塊的選擇

模擬量輸出模塊的輸出精度、分辨率、抗干擾措施等都與模擬量輸入模塊的情況類似。S7-200PLC提供了EM2314路模擬量輸入模塊、EM2314路輸入熱電偶、EM2312路熱電阻(RTD)、EM2322路模擬量輸出模塊、EM2354輸入/1輸出組合模塊，可根據(jù)實際需要選用。7.2.4智能模塊的選擇

一般的智能模塊包括PROFIBUS-DP模塊(如EM277模塊)、工業(yè)以太網(wǎng)模塊(如CP243-1、CP243-1IT)、調(diào)制解調(diào)器模塊(如EM241模塊)、定位模塊(如EM253模塊)等。需要注意：一般智能模塊價格比較昂貴，而有些功能采用一般I/O模塊也可以實現(xiàn)，只是要增加軟件的工作量，因此應(yīng)根據(jù)實際情況決定取舍。7.3PLC控制系統(tǒng)梯形圖程序的設(shè)計7.3.1經(jīng)驗設(shè)計法

7.3.2順序控制設(shè)計法與順序功能圖7.3.1經(jīng)驗設(shè)計法根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗選擇基本環(huán)節(jié)，并把它們有機地組合起來。其設(shè)計過程是逐步完善的，一般不易獲得最佳方案，程序初步設(shè)計后，還需反復(fù)調(diào)試、修改和完善，直至滿足被控對象的控制要求特點：1.考慮不周、設(shè)計麻煩、設(shè)計周期長

2.梯形圖的可讀性差、系統(tǒng)維護困難經(jīng)驗設(shè)計法的特點設(shè)計方法不規(guī)范，沒有一個普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性設(shè)計出的程序不是唯一的，其質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有關(guān)對于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于聯(lián)鎖關(guān)系復(fù)雜，難于掌握，且設(shè)計周期較長，設(shè)計出的程序可讀性差，使用、維護不便對于簡單的系統(tǒng)，用經(jīng)驗設(shè)計法進行設(shè)計，簡單、易行，可以收到明顯的效果對于一些舊設(shè)備的改造也常采用經(jīng)驗設(shè)計法，借鑒原設(shè)備繼電器控制電路圖，并綜合考慮PLC的特點。舉例

7.3.2順序控制設(shè)計法與順序功能圖1.順序功能圖

2.順序功能圖的基本結(jié)構(gòu)

3.順序功能圖法1．順序功能圖

所謂順序控制，使生產(chǎn)過程按生產(chǎn)工藝的要求預(yù)先安排的順序自動地進行生產(chǎn)的控制方式.順序功能圖由步、有向連線、轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件及動作（命令）組成。1.順序功能圖舉例運料小車的控制

運料小車運行示意圖

裝料右行卸料

左行

順序功能圖（SequenceFunctionChart）

-標準化語言是IEC標準規(guī)定的用于順序控制的標準化語言。SFC用以全面描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性，而不涉及系統(tǒng)所采用的具體技術(shù)。

可以根據(jù)順序功能圖設(shè)計PLC的順序控制程序。順序功能圖的組成步有向連線轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換條件動作（或命令）

(1)步（Step）在順序功能圖中，把系統(tǒng)的一個工作循環(huán)過程分解成若干個順序相連的階段，稱為“步”步的編號步用矩形框表示

“活動步”

“非活動步”

活動步：步處于活動狀態(tài)

非活動步：步處于非活動狀態(tài)

“初始步”控制過程開始階段的活動步與初始狀態(tài)相對應(yīng)，稱作“初始步”，它表示操作開始。每一個順序功能圖至少應(yīng)該有一個初始步。

初始步雙線方框表示(2)與步相關(guān)的動作（或命令）

步處于活動狀態(tài)時，該步內(nèi)相應(yīng)的動作（或命令）即被執(zhí)行；反之，不被執(zhí)行與相應(yīng)步的矩形框相連動作或命令的內(nèi)容與步相關(guān)的動作（或命令）“非存儲型”

“存儲型”動作（或命令）可分：“非存儲型”：

“存儲型”：

當步由活動轉(zhuǎn)為不活動時，如果動作（或命令）返回到該活動步前的狀態(tài)當步由活動轉(zhuǎn)為不活動時，如果動作（或命令）繼續(xù)保持它的狀態(tài)順序功能圖中的語句表達“存儲型”、“非存儲型”動作（或命令）的語句表達應(yīng)有區(qū)別：“非存儲型”命令“存儲型”命令“啟動電機M1”“啟動電機M1并保持”(3)有向連線

在順序功能圖中，會發(fā)生步的活動狀態(tài)的進展。步之間的進展，采用有向連線表示，它將步連接到轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換連接到步。有向連線步的進展按有向連線規(guī)定的路線進行習慣進展的方向：從上到下或從左到右箭頭表示步進展的方向(4)轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換條件

步的活動狀態(tài)的進展是由一個或多個轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)來完成，并與控制過程的發(fā)展相對應(yīng)。步與步之間由“轉(zhuǎn)換”分隔。轉(zhuǎn)換符號轉(zhuǎn)換條件當兩步之間的轉(zhuǎn)換條件得到滿足時，轉(zhuǎn)換得以實現(xiàn)，即上一步的活動結(jié)束而下一步的活動開始每個活動步持續(xù)的時間取決于步之間轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)

2．順序功能圖的基本結(jié)構(gòu)

依據(jù)步之間的進展形式，順序功能圖有以下幾種基本結(jié)構(gòu)：

單序列結(jié)構(gòu)

選擇序列結(jié)構(gòu)

并行序列結(jié)構(gòu)

子步(1)單序列結(jié)構(gòu)

單序列由一系列相繼激活的步組成。每步的后面僅有一個轉(zhuǎn)換條件，每個轉(zhuǎn)換條件后面僅有一步，如圖7-4所示。圖7-4單序列結(jié)構(gòu)(2)選擇序列結(jié)構(gòu)

選擇序列的開始稱為分支。某一步的后面有幾個步，當滿足不同的轉(zhuǎn)換條件時，轉(zhuǎn)向不同的步，如圖7-5a所示。選擇序列的結(jié)束稱為合并。幾個選擇序列合并到同一個序列上，各個序列上的步在各自轉(zhuǎn)換條件滿足時轉(zhuǎn)換到同一個步，如圖7-5b所示。圖7-5選擇序列的分支與合并并行序列的開始稱為分支。當轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)導(dǎo)致幾個序列同時激活時，這些序列稱為并行序列。它們被同時激活后，每個序列中的活動步的進展將是獨立的，如圖7-6a所示。并行序列中，水平連線用雙線表示，用以表示同步實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。并行序列的分支中只允許有一個轉(zhuǎn)換條件，并標在水平雙線之上。并行序列的結(jié)束稱為合并。在并行序列中，處于水平雙線以上的各步都為活動步，且轉(zhuǎn)換條件滿足時，同時轉(zhuǎn)換到同一個步，如圖7-6b所示。并行序列的合并只允許有一個轉(zhuǎn)換條件，并標在水平雙線之下。(3)并行序列結(jié)構(gòu)圖7-6并行序列的分支與合并3.順序功能圖法

順序功能圖法首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計順序功能圖，然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計順序控制程序。在順序功能圖中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換時使前級步的活動結(jié)束而使后續(xù)步的活動開始，步之間沒有重疊。這使系統(tǒng)中大量復(fù)雜的聯(lián)鎖關(guān)系在步的轉(zhuǎn)換中得以解決。而對于每步的程序段，只需處理極其簡單的邏輯關(guān)系。因而這種編程方法簡單易學、規(guī)律性強,設(shè)計出的控制程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好，程序的調(diào)試、運行也很方便，可以極大地提高工作效率。

S7-200PLC采用順序功能圖法設(shè)計時，可用置位/復(fù)位(S/R)指令、順序控制繼電器(SCR)指令、移位寄存器(SHRB)指令等實現(xiàn)編程。7.4順序控制梯形圖的設(shè)計方法7.4.1置位、復(fù)位指令編程

7.4.2順序控制繼電器指令編程

7.4.3具有多種工作方式的順序控制梯形圖設(shè)計方法7.4.1置位、復(fù)位指令編程——交通燈控制1.控制要求

2.輸入、輸出信號地址分配

3.設(shè)計順序功能圖和梯形圖程序1.控制要求1)接通起動按鈕后，信號燈開始工作，南北向紅燈、東西向綠燈同時亮。

2)東西向綠燈亮25s后，閃爍3次(1s/次)，接著東西向黃燈亮，2s后東西向紅燈亮，30s后東西向綠燈又亮……如此不斷循環(huán)，直至停止工作。

3)南北向紅燈亮30s后，南北向綠燈亮，25s后南北向綠燈閃爍3次(1s/次)，接著南北向黃燈亮，2s后南北向紅燈又亮……如此不斷循環(huán)，直至停止工作。圖7-7交通信號燈控制示意圖2.輸入、輸出信號地址分配表7-1交通信號燈控制I/O地址分配表輸入信號輸出信號起動按鈕SB1I0．1南北紅燈HL1、HL2Q0．0停止按鈕SB2I0．2南北綠燈HL3、HL4Q0．4南北黃燈HL5、HL6Q0．5東西紅燈HL7、HL8Q0．3東西綠燈HL9、HL10Q0．1東西黃燈HL11、HL12Q0．2圖7-8I/O接線圖3.設(shè)計順序功能圖和梯形圖程序圖7-9交通信號燈控制順序功能圖7.4.2順序控制繼電器指令編程——深孔鉆組合機床1.深孔鉆組合機床控制要求

2.I/O信號地址分配和接線圖

3.畫出順序功能圖

4.由順序功能圖設(shè)計梯形圖1.深孔鉆組合機床控制要求

刀具進退與行程開關(guān)示意圖如圖7-11所示。在起始位置O點時，行程開關(guān)SQ1被壓合，按起動按鈕SB2，電動機正轉(zhuǎn)起動，刀具前進。退刀由行程開關(guān)控制，當動力頭依次壓在SQ3、SQ4、SQ5上時電動機反轉(zhuǎn)，刀具會自動退刀，退刀到起始位置時，SQ1被壓合，退刀結(jié)束，又自動進刀，直到三個過程全部結(jié)束。圖7-11深孔鉆組合機床工作示意圖2.I/O端子接線圖圖7-12深孔鉆控制I/O接線圖3.順序功能圖

根據(jù)深孔鉆組合機床工作示意圖，可畫出順序功能圖如圖7-13所示。圖7-13深孔鉆順序功能圖4.由順序功能圖設(shè)計梯形圖

圖7-14深孔鉆控制梯形圖7.5PLC在工業(yè)控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用實例7.5.1節(jié)日彩燈的PLC控制

7.5.2恒溫控制

7.5.1恒溫控制1.恒溫控制的基本思路

2.