电气控制与PLC第7章

第7章可编程控制器在电气控制系统中的应用第7章可编程控制器在电气控制系统中的应用可编程序控制器控制系统设计的基本步骤7.1可编程序控制器在电机控制中的应用7.2可编程序控制器在机床控制系统中的应用7.3可编程序控制器在工业控制系统中的应用7.4可编程序控制器不仅广泛地应用在各种工业部门，而且扩展到了楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等各个领域。7.1可编程序控制器控制系统设计的基本步骤7.1.1被控系统的分析1.对被控系统进行调查研究，搜集、分析一切与被控对象相关的工艺、机械和电气等方面的资料。2.明确实现系统控制各种功能和要求。功能和要求•被控系统应用的环境，系统机械、液压、电气和仪表等组成设备各自的作用和相互的关系；•系统机械和电气等部件实现具体功能的动作顺序、动作条件、驱动要求（如驱动电压、电流等）和保护措施等；•被控对象的参数（如压力、温度等）；•系统采用的操作方式（手动、半自动、自动、连续、单步等）；•人机接口和监控的方式。PLC在系统中的控制作用•PLC在系统中需要实现的具体控制作用；•PLC实现控制功能所需的接口信号（哪些信号应从受控对象输入到PLC，哪些信号需从PLC输出到受控对象；•信号是开关量还是模拟量；•信号的数量；•PLC与计算机等外部设备的相互关系等。7.1.2可编程序控制器系统的硬件设计•保证系统的可靠性；•保证完成控制功能；•添加自检、报警等功能，使系统功能更为完善；•考虑系统的性价比、先进性、可扩展性等因素。1.选择PLC的输入、输出元件选择合适的输入元件对系统的控制命令和被控制对象的参数等信号进行采集。例如，按钮、行程开关、拨码开关、光电管开关、传感器和变送器等。选择输出元件以驱动受控对象和指示设备等进行工作。例如，继电器线圈、电磁阀线圈、抱闸、风机、指示灯等。2.选择PLC型号及其硬件配置根据被控对象对控制系统要求的复杂程度、控制精度、存储器容量、I/O点数、电气性能指标及特殊功能等因素进行选择。PLC的扩展模块（I/O模块和专用功能模块）的型号、数量等硬件配置则根据PLC输入、输出量的类型和数量以及特殊功能要求进行选择。注意I/O的驱动能力；硬件配置上需要保证一定的冗余，便于控制系统的调整和扩展，但要注意系统的性价比，避免大材小用。例如，接口模块在满足输入信号采集和输出驱动的情况下，还需要保留一些空闲的点数备用。3.分配输入、输出点给各种输入、输出（I/O）信号分配接口模块的接线端子，从而也明确输入、输出继电器的元件号（元件号与它们对应的I/O信号所接的接线端子编号一致）。列出I/O信号表，标明各信号的名称、代号和分配的元件号。4.外设的选择根据功能的要求，选择PLC的其他外部设备。例如，打印机、编程器等。5.画出硬件接线图画出PLC的外部硬件接线图以及其他电气部分原理图、接线图和安装图纸等。7.1.3可编程序控制器系统的软件设计主要包括：•参数表的定义•绘制程序框图•程序的编写•调试•编写程序说明书7.1.4现场安装、调试通常先调试各个功能模块，最后进行系统整体调试。对调试中出现的问题，通过修改程序，调整硬件接线，甚至重新选择部分元件等手段进行解决，从而最终实现系统的整体控制要求。7.1.5编写技术文档根据整个设计的要求和实现过程，整理出完整的技术文档，便于系统的维修和改造。技术文档主要包括：•使用说服书•电气原理图•元件明细表•程序清单•PLC的编程元件参数表等。7.2可编程序控制器在电机控制中的应用7.2.1鼠笼式电动机Y-D降压起动控制Y-D降压起动控制，要求在起动时电动机采用Y形接法，经过一段延时，当电动机的转速上升到一定值时，再将其换成D接法。PLC控制的Y-D降压起动系统的控制电路接线图元件分配表输入元件元件号输出元件元件号辅助元件元件号起动按钮SB1I0.0主电路线圈KM1Q0.1定时器：定时5秒T37停止按钮SB2I0.1Y形启动线圈KM2Q0.2D形运行线圈KM3Q0.3采用顺序功能图法设计的梯形图程序（1）采用顺序功能图法设计的梯形图程序（2）7.2.3步进电机的控制步进电动机：是一种用电脉冲信号进行控制的同步电动机，它将输入电脉冲信号转换成直线位移或角位移，其位移量与脉冲的个数成正比，线速度或转速与脉冲的频率成正比，通过改变脉冲的顺序来改变电机的转向。借助于PLC的集成脉冲输出，通过控制步进电机来实现相对的位置控制。PLC控制步进电机基本结构图7.3可编程序控制器在机床控制系统中的应用7.3.1车床控制1.硬件接线图2.元件分配表输入元件元件号输出元件元件号辅助元件元件号M1停止按钮SB1I0.0线圈KM1Q0.0定时器：10秒T37M1点动按钮SB2I0.1线圈KM2Q0.1定时器：10秒T38M1正向起动按钮SB3I0.2线圈KM3Q0.2位存储器M0.1M1反向起动按钮SB4I0.3线圈KM4Q0.3位存储器M0.2M2停止按钮SB5I0.4线圈KM5Q0.4位存储器M0.3M2起动按钮SB6I0.5线圈KAQ1.0位存储器M0.4速度继电器KSF触头I0.6速度继电器KSR触头I0.7行程开关SQI1.03.梯形图程序设计7.4可编程序控制器在工业控制系统中的应用7.4.1机械手控制机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动搬运、抓举和装配等操作。它可将操作人员从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来，极大地提高生产的自动化水平和劳动生产率，保证产品质量和实现安全生产，特别是在高温、危险、有害的恶劣环境中。机械手的组成和结构机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置所组成。执行机构为机械手的主体部分，主要包括手部、手腕、手臂、立柱、行走机构和机座等。驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等。控制系统是机械手的核心部分，它支配机械手按规定的程序运行，记忆给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时，对机械手的动作进行监视；位置检测装置主要用于控制机械手的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，与设定的位置进行比较，再通过控制系统进行调整，以达到所需的精度控制。机械手动作原理图1.控制要求机械手将A处的工件搬运到B处的操作过程图机械手共有6个动作：•上升/下降；•左行/右行；•夹紧/放松。机械手的动作由汽缸驱动；汽缸由相应的电磁阀进行控制。说明上升/下降、左行/右行4个动作——分别由单独的电磁阀控制；夹紧/放松动作——由一个电磁阀控制。电磁阀线圈通电，机械手夹紧；反之，机械手放松。各个动作的起动和停止由相应的按钮和限位开关进行控制。机械手的操作方式•手动；•自动。自动操作方式分为：步进、单周期和连续操作。机械手的操作方式通过按钮进行选择。手动操作利用按钮操作对机械手的每一步运动进行单独控制。步进操作方式下，每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止；单周期操作是在按下起动按钮后，机械手自动完成一个搬运周期后停止；连续操作为按下起动按钮后，机械手自动不间断的重复完成搬运工作，直到按下停止按钮，机械手完成当次搬运，回到原位自动停止。自动操作方式2.系统设计系统采用西门子的CPU226构成PLC控制电路。机械手控制系统共使用了15个输入点，各输入元件均采用其常开触点与PLC相连；输出点除驱动5个电磁阀外，还设置了一些指示灯。例如：操作方式指示灯，当这4个指示灯均不点亮时，为停止状态。元件分配表输入元件元件号输出元件元件号手动操作选择按钮SB1I0.0上升电磁阀YV1Q0.0步进操作选择按钮SB2I0.1下降电磁阀YV2Q0.1单周期操作选择按钮SB3I0.2左行电磁阀YV3Q0.2连续操作选择按钮SB4I0.3右行电磁阀YV4Q0.3起动按钮SB5I0.4夹紧电磁阀YV5Q0.4停止按钮SB6I0.5手动操作指示灯Q1.0上升按钮（手动）SB7I0.6步进操作指示灯Q1.1下降按钮（手动）SB8I0.7单周期操作指示灯Q1.2左行按钮（手动）SB9I1.0连续操作指示灯Q1.3右行按钮（手动）SB10I1.1原点指示Q1.4夹紧（手动）开关QS1I1.2上限位开关SQ1I1.3下限位开关SQ2I1.4左限位开关SQ3I1.5右限位开关SQ4I1.63.程序设计主程序手动操作子程序连续操作子程序7.4.2模拟量采集在生产、生活的各种领域中，通常需要对温度、压力、流量、重量等连续变化的模拟量进行处理和控制。PLC利用模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换。在生产中，温度是最常见的一种模拟量信号，PLC厂商专门生产了相应的热电阻、热电偶模块。1.系统构成温度采集系统由CPU224、模拟量扩展模块EM235和PT100温度传感器构成。EM235的A输入端采集PT100的端电压信号。将A端的量程设为0～10V的单极性电压。其它未使用的三个模块量输入端（B+/B-，C+/C-和D+/D-）短路。PT100——铂电阻温度传感器，适用于测量-60ºC到400ºC之间的温度。在0ºC时的电阻值为100Ω，随着温度的变化，电阻呈线性变化，约为0.4Ω/ºC。EM235——是西门子公司生产的输出模拟量扩展模块（4路模拟量输入和2路模拟量输出），具有12位的分辨率和多种输入/输出范围，能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连。EM235通过总线连接电缆与CPU互相连接，并利用CPU的24V直流给EM235供电。说明为了把PT100的随温度变化的电阻转换成电压，EM235的模拟量输出端Io输出12.5mA恒电流（设置AQW0＝20000）供给PT100传感器。在A+/A-端产生5mV/ºC的线性输入电压。EM235把这个电压转换成数字量，通过程序周期性的读这些数字量，并利用公式计算出温度值：T＝（温度数字量－偏置量ºC）/1ºC数字量ºC偏置量是在ºC时测量出来的数字量。采集到的温度数字量被存储在AIW0中；由于10V对应的数字量为32000在ºC时，PT端电压的值为：4000（100Ω×0.0125A×32000/10V）1ºC数字量——温度每升高1ºC的数字量，其值为16（0.005V×32000/10V）。程序设计特殊标志位存储器SM0.1只在首次扫描时为1，用于引导程序的初始化。程序通过传送指令MOVW将1ºC数字量16存储在VW100中，将ºC偏置量4000存储在VW102中，同时还将20000写入AQW0，使EM235产生12.5mA输出；通过MOVD将VD100双字清零，用于存储温度计算中除法的结果。梯形图程序如果模拟信号直接来源于电压或电流变送器7.4.3PLC在楼宇自动化和家用电器中的应用由于PLC优良的性能特点，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业、楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等各个领域。1.高塔供水（1）控制要求以某生活小区供水为例，生活水塔高50米，由泵站中额定电压为380V的三台水泵为其供水。水塔内正常水位的控制由安装在水箱内的上、下液位开关进行检测，设定水位的变化为2米。水位的检测也可采用液位继电器、液位变送器等液位测量仪器。水泵电机控制要求：①电机额定运行时定子绕组为D连接，采用Y-D降压起动，降压起动到全压运行的转换时间为5秒。三台电机需要错开时间起动，一台电机全压运行10秒后，下一台电机才能开始起动。电机有过载保护。②采用手动和自动两种工作方式。手动方式是由操作者分别起动每台水泵机组；自动方式下，水泵的起、停控制由液位开关自动控制。③正常情况下，两台水泵机组运行一台备用，为防止备用泵的长期闲置，操作台上用按钮任意切换。任一台电机出现故障，备用机应立即投入运行。控制台上应能对水泵的状态及液位等信号进行显示。（2）系统设计M1～M3为水泵电机，每台电机用3个接触器分别控制电源、Y起动和D运行；FR1～FR3为三台电机过载保护的热继电器。系统采用在水泵出口处设置压力继电器SP1～SP3的手段，检测电机是