第7章PLC在工业中的应用

第7章PLC在工业中的应用7.1PLC控制系统的设计与调试1.PLC控制系统设计原则⑴满足被控对象的控制要求；⑵考虑到生产的发展和工艺的变化，在选择PLC时，应有适当的裕量；⑶在满足控制要求的前提下，尽量使控制系统经济、简单；⑷确保整个控制系统安全可靠。2.控制系统设计的主要内容（1）拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；（3）选定PLC的型号；（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图；（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；（6）了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；（7）设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；（8）编写设计说明书和使用说明书；根据具体任务，上述内容可适当调整。7.1PLC控制系统的设计与调试3.系统设计的基本步骤（1）深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求a．被控对象就是受控的机械、电气设备、生产线或生产过程。b．控制要求主要指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和联锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这种可化繁为简，有利于编程和调试。（2）确定I/O设备根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。7.1PLC控制系统的设计与调试3.系统设计的基本步骤（3）选择合适的PLC类型根据设备要求，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择、电源模块的选择等。（4）分配I/O点分配PLC的输入输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。接着就可以进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。（5）设计应用系统梯形图程序根据功能图表或状态流程图等设计出梯形图即编程。这一步是整个应用系统设计的最核心工作，也是比较困难的一步，要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。7.1PLC控制系统的设计与调试3.系统设计的基本步骤（6）将程序输入PLC使用简易编程器或通过计算机编程，程序下载到PLC中去。（7）进行软件测试因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将PLC连接到现场设备上去之前，必需进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。（8）应用系统整体调试在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成，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，然后再连接起来总调。调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。（9）编制技术文件技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图。7.2PLC硬件系统设计在作出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定是否选用PLC进行控制。目前，PLC产品种类多，令人眼花缭乱、无所适从。全面权衡利弊、合理地选择机型，达到经济实用的目的。以满足系统功能需要为宗旨，不要盲目贪大求全。机型的选择可从以下几个方面来考虑。（1）对输入/输出点的选择盲目选择点数多的机型会造成一定浪费。要先弄清除控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15～20％留出备用量。另外，一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点的60％；PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限的。PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式的PLC。7.2PLC硬件系统设计（2）对存储容量的选择输入总点数乘10字/点＋输出总点数乘5字/点计数器/定时器按（3～5）字/个有运算处理时按（5～10）字/量模拟量输入/输出的系统中，约需（80～100）字/路通信处理时，200字/接口最后，一般按估算容量的50～100％留有裕量。（3）对I/O响应时间的选择PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制的系统、特别是闭环系统就要考虑这个问题。（4）根据输出负载的特点选型频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。但继电器输出型的导通压降小，有隔离作用，价格相对较便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。7.2PLC硬件系统设计（5）对在线和离线编程的选择离线编程是指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。编程状态时，CPU只为编程器服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件。（6）是否联网通信选型若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大、中型机都有通信功能，目前大部分小型机也具有通信功能。（7）对PLC结构形式的选择在相同功能和相同I/O点数据的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便（换模块），容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。7.2PLC软件系统设计方法及步骤1PLC软件系统设计的方法PLC选型结束后，就要具体地编制程序了。编制PLC控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。1）图解法编程(1)梯形图法：这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。对于熟悉继电器控制的人来说，是最方便的一种编程方法。(2)逻辑流程图法：逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。这种方法编制的PLC控制程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及联锁条件明确。(3)时序流程图法：时序流程图法使首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。(4)步进顺控法：一般比较复杂的程序，都可以分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。系统控制的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。为此，不少PLC生产厂家在自己的PLC中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状态流程图之后，可以利用步进顺控指令方便地编写控制程序。7.2PLC软件系统设计方法及步骤1PLC软件系统设计的方法1）图解法编程2）经验法编程设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，就需要日积月累，善于总结。3）计算机辅助设计编程计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。使用编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试，使用编程软件可以十分方便地在计算机上进行程序的存取、加密以及形成EXE运行文件。7.2PLC软件系统设计方法及步骤2PLC软件系统设计的步骤1.对系统任务分块分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小任务。这样可便于编制程序。2.编制控制系统的逻辑关系图这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为基准。逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，也反应了输入与输出的关系。3.绘制各种电路图绘制各种电路的目的，是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。这是很关键的一步。在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到在特殊条件下运行的可靠性与稳定条件等问题。因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。2PLC软件系统设计的步骤4.编制PLC程序并进行模拟调试在编程时，除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。编好一个程序块要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改。5.制作控制台与控制柜在编完程序之后，就可以制作控制台和控制柜了。在时间紧张的时候，这项工作也可以和编制程序并列进行。要注意选择开关、按钮、继电器等器件的质量，规格必须满足要求。设备的安装必须注意安全、可靠。比如说屏蔽问题、接地问题、高压隔离等问题必须妥善处理。6.现场调试只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系统要求之处；才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；才能最后实地测试和最后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统的要求。7.编写技术文件并现场试运行经过现场调试完成以后，这时就要全面整流技术文件，包括整理电路图、PLC程序、使用说明及帮助文件。到此工作基本结束。7.3可编程控制器的安装与维护尽管PLC在设计制造时已采取了很多措施，是它对工业环境比较适应，但是工业生产现场的工作环境较为恶劣，为确保PLC系统稳定可靠，还是应当尽量使PLC有良好的工作环境条件，并采取必要抗干扰措施。7.3.1可编程控制器的安装和接线（一）安装的注意事项1．安装环境（1）环境温度在0～55℃范围内。（2）环境相对湿度应在35％～85％范围内。（3）周围无易燃和腐蚀性气体。（4）周围无过量的灰尘和金属微粒。（5）避免过度的震动和冲击。（6）不能受太阳光的直接照射或水的溅射。2．注意事项（1）可编程控制器的所有单元必须在断电时安装和拆卸。（2）为防止静电对可编程控制器组件的影响，在接触可编程控制器前，先用手接触某一接地的金属物体，以释放人体所带静电。（3）注意可编程控制器机体周围的通风和散热条件，切勿将导线头、铁屑等杂物通过通风窗落入机体内。7.3可编程控制器的安装与维护7.3.1可编程控制器的安装和接线（二）安装与接线1．PLC系统的安装FX系列PLC的安装方法有底板安装和DIN导轨安装两种方法。（1）底板安装。利用PLC机体外壳四个角上的安装孔，用规格为M4的螺钉将控制单元、扩展单元、A/D转换单元、D/A转换单元及I/O链接单元固定在底板上。（2）DIN导轨安装。利用PLC底板上的DIN导轨安装杆将控制单元、扩展单元、A/D转换单元、D/A转换单元及I/O链接单元安装在DIN导轨上。安装时安装单元与安装导轨槽对齐向下推压即可。将该单元从DIN导轨上拆下时，需用一字形的螺丝刀向下轻拉安装杆。2．PLC系统的接线PLC系统的接线主要包括电源接线、接地、I/O接线及对扩展单元接线等。7.3可编程控制器的安装与维护7.3.1可编程控制器的安装和接线2．PLC系统的接线（1）电源接线FX系列PLC的外接电源端位于输出端子板左上角的两个接线端。使用直径为0.2cm的双绞线作为电源线。I/O设备及电动设备的电源接线应分开连接。另外，在进行电源接线时还要注意以下几点：①FX系列PLC必须在所有外部设备通电后才能开始工作。②当控制单元与其他单元相接时，各单元的电源线连接应能同时接通和断开。③当电源瞬间掉电时间小于10ms时，不影响PLC的正常工作。④为避免因失常而引起的