第六章PLC应用系统设计

第6章PLC应用系统设计梯形图的基本电路梯形图的经验设计方法梯形图的顺序控制设计方法PLC控制举例6.1概述在了解了PLC的基本工作原理和指令系统之后，可以结合实际进行PLC的设计，PLC的设计包括硬件设计和软件设计两部分，PLC设计的基本原则是：充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足被控制的生产机械或生产过程的控制要求。在满足控制要求的前提下，力求使控制系统经济、简单，维修方便。保证控制系统安全可靠。考虑到生产发展和工艺的改进，在选用PLC时，在I/O点数和内存容量上适当留有余地。软件设计主要是指编写程序，要求程序结构清楚，可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。一.PLC控制系统的设计内容（1）根据设计任务书，进行工艺分析，并确定控制方案，它是设计的依据。（2）选择输入设备（如按钮、开关、传感器等）和输出设备（如继电器、接触器、指示灯等执行机构）。（3）选定PLC的型号（包括机型、容量、I/O模块和电源等）。（4）分配PLC的I/O点，绘制PLC的I/O硬件接线图。（5）编写程序并调试。（6）设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图。（7）编写设计说明书和使用说明书。二.设计步骤（1）工艺分析（2）选择合适的PLC类型（3）分配I/O点。（4）程序设计（5）控制柜或操作台的设计和现场施工（6）应用系统整体调试（7）编制技术文件（1）工艺分析深入了解控制对象的工艺过程、工作特点、控制要求，并划分控制的各个阶段，归纳各个阶段的特点，和各阶段之间的转换条件，画出控制流程图或功能流程图。（2）选择合适的PLC类型在选择PLC机型时，主要考虑下面几点：功能的选择。I/O点数的确定。内存的估算。存储容量=开关量输入点数×10+开关量输出点数×8+模拟通道数×100+定时器/计数器数量×2+通信接口个数×300+备用量（3）分配I/O点分配PLC的输入/输出点，编写输入/输出分配表或画出输入/输出端子的接线图，接着就可以进行PLC程序设计，同时进行控制柜或操作台的设计和现场施工。（4）程序设计根据生产工艺要求，画出控制流程图或功能流程图，然后设计出梯形图，再根据梯形图编写语句表程序清单，对程序进行模拟调试和修改，直到满足控制要求为止。（5）控制柜或操作台的设计和现场施工设计控制柜及操作台的电器布置图及安装接线图；设计控制系统各部分的电气互锁图；根据图纸进行现场接线，并检查。（6）应用系统整体调试如果控制系统由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后连接起来总调。（7）编制技术文件技术文件应包括：可编程控制器的外部接线图等电气图纸，电器布置图，电器元件明细表，顺序功能图，带注释的梯形图和说明。三、PLC程序设计常用的方法PLC程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等1.经验设计法经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。经验设计法用于较简单的梯形图设计。应用经验设计法必须熟记一些典型的控制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等，2.继电器控制电路转换为梯形图法熟悉现有的继电器控制线路。对照PLC的I/O端子接线图，将继电器电路图上的被控器件（如接触器线圈、指示灯、电磁阀等）换成接线图上对应的输出点的编号，将电路图上的输入装置（如传感器、按钮开关、行程开关等）触点都换成对应的输入点的编号。将继电器电路图中的中间继电器、定时器，用PLC的辅助继电器、定时器来代替。画出全部梯形图，并予以简化和修改。3.逻辑设计法逻辑设计法是以布尔代数为理论基础，根据生产过程中各工步之间的各个检测元件（如行程开关、传感器等）状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。该方法在单一的条件控制系统中，非常好用，相当于组合逻辑电路，但和时间有关的控制系统中，就很复杂。4.顺序控制设计法根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。首先将被控制对象的工作过程按输出状态的变化分为若干步，并指出工步之间的转换条件和每个工步的控制对象。6.2梯形图的基本电路6.2.1起保停电路控制要求如下：按下启动按钮SB1，电机起动，然后就一直保持转动状态，当按下停止SB2时，电机停转。根据上述要求，我们分析出输入信号为起动按钮SB1和停止按钮SB2，输出信号为接触器KM，所以I/O分配如下：输入信号：启动按钮SB1I0.0停止按钮SB2I0.1输出信号：KM接触器Q0.0说明：这种电路具有自锁或自保持作用。按一下停止按钮I0.1，常闭触点断开，使Q0.0线圈断电，接触器KM也断电，电机停转。6.2.2双向控制电路电机的正、反转控制是常用的控制形式。如图所示，要求按下正转启动按钮SB1时，电机正转，按下反转启动按钮SB2时，电机反转，按下停止按钮SB3时，电机停转。经分析，I/O分配如下：输入信号：正转启动按钮SB1I0.0反转启动按钮SB2I0.1停止按钮SB3I0.2输出信号：电机正转Q0.0电机反转Q0.1说明：•在梯形图中，用两个启保停电路来分别控制电机的正转和反转。•Q0.0、Q0.1的常闭触点分别与对方线圈串联，保证它们不会同时为ON，称为互锁电路。•I0.1、I0.1的常闭触点接入对方的回路，称为按钮互锁电路。设电机在正转，改成反转时，可不按停止按钮SB3，直接按反转按钮SB2，I0.1常闭触点断开Q0.0线圈。•梯形图中的互锁和按钮互锁电路只能保证输出模块中与Q0.0、Q0.1对应的硬件继电器的触点不能同时接通，但不能保证控制电机的主触点由于电弧熔焊等故障，不能正常断开时，造成三相短路的事故。6.2.3定时器和计数器的应用程序1.单脉冲电路2.闪烁电路说明：这里的I0.0在工作期间始终保持接通状态，直至工作结束时再断开。3.周期性脉冲序列发生器（1）自复位定时器说明：电路中定时器的线圈串接自身的常闭触点，定时时间到时，常闭触点断开使其自身线圈断电，因此，这种电路又称自复位定时器。同自复位定时器一样，自复位计时器也可以产生周期性脉冲序列。（2）自复位计数器4.完成定时一小时(1)两个计数器实现（2）两个定时器实现5.延时接通/断开(1)两个接通延时型定时器实现说明：1.当I0.0闭合时，定时器T37开始计时2.I0.0断开，Q0.0自我保持有输出，同时定时器T38开始计时3.当T37计时3秒后，常开触点T37闭合，Q0.0有输出4.当T38计时1秒后，常闭触电T38断开，Q0.0自我保持消失，Q0.0无输出。（2）两个断开延时型定时器实现（3）一个TON和一个TOF实现6.3梯形图的经验设计方法经验设计方法：在一些经典电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，进行修改和改善，得到符合控制要求的梯形图。经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较多的典型应用程序的基本环节。根据被控对象对控制系统地具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地结合起来。6.3.1送料小车自动控制系统设计要求：送料小车可以左行，也可以右行，到左端碰到行程开关ST1后，小车就开始装料，15秒后，小车就自动右行，右行到右端的行程开关ST2后，小车就开始卸料，10秒后，小车就开始自动左行，左行到左端碰到行程开关ST1后，就又开始装料，15秒后，又开始右行……如此循环往复。设计步骤：1.理解控制策略2.I/O分配I/O分配输入：右行启动按钮SB1I0.0左行启动按钮SB2I0.1停止按钮SB3I0.2右端行程开关ST2I0.3左端行程开关ST1I0.4输出：右行接触器Q0.0左行接触器Q0.1装料电磁阀Q0.2卸料电磁阀Q0.33.设计梯形图6.3.2两处卸料的小车自控制系统控制要求：和例1中不同的是，小车在两处卸料，即奇数次在ST3处卸料，偶数次在ST2处卸料，虽然偶数次也经过ST3，但是不卸料。装卸料的时间和例1同。I/O分配输入：右行启动按钮SB1I0.0左行启动按钮SB2I0.1停止按钮SB3I0.2右端行程开关ST2I0.3左端行程开关ST1I0.4中间行程开关ST3I0.5输出：右行接触器Q0.0左行接触器Q0.1装料电磁阀Q0.2卸料电磁阀Q0.36.3.3电动机优先启动控制控制要求：有5个电动机M1～M5，都有启动和停止控制按钮，要求按顺序启动，即前级电动机不启动时，后级电动机也无法启动；前级电动机停，后级电动机也都停。I/O分配：输入：5个启动按钮SB1～SB5I0.0I0.2I0.4I0.6I1.05个停止按钮SB6～SB10I0.1I0.3I0.5I0.7I1.1输出：5个控制电动机的接触器Q0.0～Q0.46.3.4通风机监视控制要求：有三个通风机，设计一个监视系统，监视通风机的运转。如果两个或两个以上在运转，信号灯就持续发亮；如果只有一个通风机在运转，信号灯就以0.5Hz的频率闪烁；如果有三个通风机都不运转，信号灯就以2Hz的频率闪烁。用一个开关来控制系统的工作，开关闭合时系统工作，开关断开时，系统不工作，信号灯熄灭。I/O分配：输入：风机状态1～3I0.0～I0.2控制开关I0.3输出：信号灯Q0.06.4梯形图的顺序控制设计方法6.4.1顺序控制的特点顺序功能图中的各“歩”实现转换时，前级歩的活动结束再使后续歩的活动开始，歩之间没有重叠。这可以使系统中大量复杂的连锁关系在“歩”的转换中得以解决。对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。编程方法简单、易学，规律性强。程序结构清晰、可读性好，调试方便，工作效率高。顺序控制设计法：根据功能流程图设计PLC控制程序的方法。基本思想就是将系统的一个工作周期分解成若干个顺序相连的阶段，即“步”。6.4.2功能表图及其对应的梯形图1、组成功能表图又叫状态转移图、状态图或功能流程图。由步+转移条件+有向连线+动作组成。2、结构3、功能表图对应的梯形图（1）步Q0.0为起始歩，它的前面有两条分支。Q0.1Q0.0Q1.7I1.4Q0.0I0.0（2）步Q0.1的后面有了3条并行序列的分支。Q0.2Q0.1Q0.1Q0.0I0.1（3）步Q0.6是单序列的步，步Q0.5、步Q0.7为其前级步和后续步。Q0.7Q0.6Q0.6Q0.5I1.0（4）步Q1.1后面有2条选择序列分支。Q1.2Q1.1Q1.1Q0.1T0Q1.5（5）步Q1.4的前面有2条选择序列分支。Q1.7Q1.4Q1.4Q1.3I1.2Q1.6C4（6）步Q1.7的前面有3条选择序列分支（并行）Q0.0Q1.7Q1.7Q0.4Q1.0Q1.4I1.36.4.3顺序控制程序设计举例例1一动力头进给运动ST3ST1ST2（3）快退（1）快进（2）工进1234启动碰到ST3，按下I0.0碰到ST1后碰到ST2碰到ST3工进快退快进等待动力头进给运动流程图（1）I/O分配输入：启动停止I0.0ST1I0.1ST2I0.2ST3I0.3输出：快进Q0.0工进Q0.1快退Q0.2（2）画出功能表图（3）设计梯形图例2两处卸料小车的控制系统（1）I/O分配输入：启动按钮：I1.0停止按钮：I1.1左行程开关ST1：I0.1中行程开关ST3：I0.3右行程开关ST2：I0.2输出：右行接触器Q0.0左行接触器Q0.1装料电磁阀Q0.2卸料电磁阀Q0.3M1.0M1.1M1.2M1.3M1.5M1.4M1.6M2.0M1.7SM0.3I0.3T38I0.1T39I0.2T40I0.1M0.0T37Q0.1T39Q0.2Q0.0T40Q0.3Q0.1Q0.3T38Q0.0装料Q0.2T37初始等待右行卸料左行装料右行卸料左行