第七章PLC应用系统设计及实例

第7章PLC应用系统设计及实例本章要点PLC应用系统设计的步骤及常用的设计方法应用举例PLC的装配、检测和维护7.1应用系统设计概述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：1.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。2.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。3.保证控制系统安全可靠。4.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。5.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。7.2PLC应用系统的设计7.2.1PLC控制系统的设计内容及设计步骤1.PLC控制系统的设计内容2.设计步骤1.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。2.设计步骤（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：1、功能的选择。2、I/O点数的确定。3、内存的估算。+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。（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.PLC控制系统的设计内容（1）根据设计任务书确定，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。2.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）编制技术文件链接文件夹第七章\001.doc7.2.2PLC的硬件设计和软件设计及调试1.PLC的硬件设计PLC硬件设计包括：PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。选定PLC的机型和分配I/O点后，硬件设计的主要内容就是电气控制系统的原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。电气控制系统的原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括PLC的I/O接线和自动、手动部分的详细连接等。电器元件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯、电磁阀等。2.PLC的软件设计软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的设计，小型开关量控制一般只有主程序。首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定程序的基本结构，画出控制流程图或功能流程图，简单的可以用经验法设计，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。3.软件硬件的调试调试分模拟调试和联机调试。软件设计好后一般先作模拟调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替PLC硬件在计算机上调试程序。用编程软件将输出点强制ON/OFF，观察对应的控制柜内PLC负载（指示灯、接触器等）的动作是否正常，或对应的接线端子上的输出信号的状态变化是否正确。联机调试时，把编制好的程序下载到现场的PLC中。调试时，主电路一定要断电，只对控制电路进行联机调试。通过现场的联机调试，还会发现新的问题或对某些控制功能的改进。7.2.3PLC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.经验设计法链接文件夹第七章\005.doc。2.继电器控制电路转换为梯形图法链接文件夹第七章\006.doc。3.逻辑设计法链接文件夹第七章\007.doc。4.顺序控制设计法链接文件夹第七章\008.doc。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，这些电路在前面的章节中已经介绍过。2.继电器控制电路转换为梯形图法（1）熟悉现有的继电器控制线路。（2）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。（3）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。（4）画出全部梯形图，并予以简化和修改。链接文件夹第七章\006.doc3.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。链接文件夹第七章\007.doc4.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。（1）单流程及编程方法功能流程图的单流程结构形式简单，如图7-7所示，链接文件夹第七章\33.doc其特点是：每一步后面只有一个转换，每个转换后面只有一步。各个工步按顺序执行，上一工步执行结束，转换条件成立，立即开通下一工步，同时关断上一工步。用顺序控制指令来实现功能流程图的编程方法，在前面的章节已经介绍过了，在这里将重点介绍用中间继电器M来记忆工步的编程方法。1使用起保停电路模式的编程方法在梯形图中，为了实现前级步为活动步且转换条件成立时，才能进行步的转换，总是将代表前级步的中间继电器的常开接点与转换条件对应的接点串联，作为代表后续步的中间继电器得电的条件。当后续步被激活，应将前级步关断，所以用代表后续步的中间继电器常闭接点串在前级步的电路中。2使用置位、复位指令的编程方法S7-200系列PLC有置位和复位指令，且对同一个线圈置位和复位指令可分开编程，所以可以实现以转换条件为中心的编程。当前步为活动步且转换条件成立时，用S将代表后续步的中间继电器置位（激活），同时用R将本步复位（关断）。如用M0.0的常开接点和转换条件I0.0的常开接点串联作为M0.1置位的条件，同时作为M0.0复位的条件。这种编程方法很有规律，每一个转换都对应一个S/R的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。用置位、复位指令编制的梯形图程序如图7-10所示。链接文件夹第七章\34.doc3使用移位寄存器指令编程的方法单流程的功能流程图各步总是顺序通断，并且同时只有一步接通，因此很容易采用移位寄存器指令实现这种控制。可以指定一个两位的移位寄存器，用M0.1、M0.2代表有输出的两步，移位脉冲由代表步状态的中间继电器的常开接点和对应的转换条件组成的串联支路并联提供，数据输入端（DATA）的数据由初始步提供。对应的梯形图程序如图7-11所示。链接文件夹第七章\35.doc7.2.4PLC程序设计步骤1.程序设计前的准备工作程序设计前的准备工作就是要了解控制系统的全部功能、规模、控制方式、输入/输出信号的种类和数量、是否有特殊功能的接口、与其它设备的关系、通信的内容与方式等，从而对整个控制系统建立一个整体的概念。接着进一步熟悉被控对象，可把控制对象和控制功能按照响应要求、信号用途或控制区域分类，确定检测设备和控制设备的物理位置，了解每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模及之间的关系。2.设计程序框图根据软件设计规格书的总体要求和控制系统的具体情况，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后再根据工艺要求，绘出各功能单元的功能流程图。3.编写程序根据设计出的框图逐条地编写控制程序。编写过程中要及时给程序加注释。4.程序调试调试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输出信号的变化情况。各功能单元调试完成后，再调试全部程序，调试各部分的接口情况，直到满意为止。程序调试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果在现场进行测试，需将可编程控制器系统与现场信号隔离，可以切断输入/输出模板的外部电源，以免引起机械设备动作。程序调试过程中先发现错误，后进行纠错。基本原则是“集中发现错误，集中纠正错误。5.编写程序说明书在说明书中通常对程序的控制要求、程序的结构、流程图等给以必要的说明，并且给出程序的安装操作使用步骤等。7.3应用举例7.3.1机械手的模拟控制7.3.2组合机床的控制7.3.3除尘室PLC控制7.3.3水塔水位的模拟控制实训7.3.4温度的检测与控制实训7.3.1机械手的模拟控制图7-29为传送工件的某机械手的工作示意图，其任务是将工件从传送带A搬运到传送带B。1.控制要求链接文件夹第七章\009.doc2.I/O分配链接文件夹第七章\010.doc3.控制程序设计链接文件夹第七章\011.doc4.输入程序，调试并运行程序链接文件夹第七章\012.doc7.3.2组合机床的控制两工位钻孔、攻丝组合机床，能自动完成工件的钻孔和攻丝加工，自动化程度高，生产效率高。两工位钻孔、攻丝组合机床如图7-32所示链接文件夹第七章\013.doc1.控制要求链接文件夹第七章\014.doc2.I/O分配链接文件夹第七章\015.doc3.程序设计链接文件夹第七章\016.doc4.程序的调试和运行链接文件夹第七章\017.doc7.3.3除尘室PLC控制在制药、水厂等一些对除尘要求比较严格的车间，人、物进入这些场合首先需要进行除尘处理，为了保证除尘操作的严格进行，避免人为因素对除尘要求的影响，可以用PLC对除尘室的门进行有效控制。下面将介绍某无尘车间进门时对人或物进行除尘的过程。1.控制要求链接文件夹第七章\018.doc2.I/O分配链接文件夹第七章\019.doc3.程序设计链接文件夹第七章\019.doc4.程序的调试和运行7.3.3水塔水位的模拟控制实训用PLC构成水塔水位控制系统,如图7-39所示。在模拟控制中，用按钮SB来模拟液位传感器，用L1、L2指示灯来模拟抽水电动机链接文件夹第七章\021.doc1.控制要求链接文件夹第七章\022.doc2.I/O分配链接文件夹第七章\023.doc3.程序设计链接文件夹第七章\024.doc4.程序的调试和运行7.3.4温度的检测与控制实训1.控制要求链接文件夹第七章\025.doc2.程序设计链接文件夹第七章\026.doc7.4S7-200系列PLC的装配、检测和维护7.4.1PLC的安装与配线链接文件夹第七章\027.doc7.4.2PLC的自动检测功能及故障诊断链接文件夹