可编程序控制器原理及应用第7章

第7章可编程序控制器应用系统的设计第7章可编程序控制器应用系统的设计7.1PC应用系统的总体设计7.2PC应用系统的硬件设计与选型7.3PC应用系统的程序设计7.4控制系统设计举例第7章可编程序控制器应用系统的设计7.1PC应用系统的总体设计图7.1.1可编程控制器应用系统的设计步骤确定PC控制系统任务和范围选择PC的机型和功能模块控制系统流程设计设计控制柜、操作台等安装PC、接线系统程序设计程序初步调试系统模拟调试现场系统联调并试运行符合系统设计要求否？投入运行调整硬件修改软件否否是硬件设计软件设计第7章可编程序控制器应用系统的设计1．熟悉控制对象，确定控制范围2.制定控制方案，选择可编程序控制器机型3.系统硬件设计和软件编程4.模拟调试5.现场运行调试6.编制系统的技术文件第7章可编程序控制器应用系统的设计PC控制应用系统的设计内容中还应包含的几个方面:(1)可靠性设计：(2)安全性设计：(3)标准化设计：第7章可编程序控制器应用系统的设计7.2PC应用系统的硬件设计与选型1．控制结构和方式的选择由PC构成控制系统有以下几种方式：(1)单机控制系统是指用一台PC控制一台设备或多台设备，控制的输入/输出点数比较少，属于一种小系统。有的文献称之为集中控制系统。该系统一般多用于各控制对象所处地理位置较集中，且相互之间的动作存在一定的顺序关系的情况下，适合于简单的流水线控制。第7章可编程序控制器应用系统的设计(2)远程I/O系统是指当各控制对象地理位置比较分散，输入/输出线要引入控制器时，可采用I/O模块组成的远程I/O系统。远程I/O主单元通过I/O通道号可正确地操作远程I/O点，输入/输出通道分配在现场的几个区域内，适合于被控对象远离中控室的工业现场。(3)分布式控制系统是指采用几台PC分别独立控制某些设备，各PC之间、PC与上位机之间通过数据通信线相连组成的系统，也叫分散型控制系统。这种系统多用于多台生产线的控制，并且控制某设备的PC如果停运的话，不影响其他设备，适合于控制规模较大的工业现场。第7章可编程序控制器应用系统的设计2．PC机型的选择PC选型的基本原则是所选PC能够满足控制系统的功能需要。一般从系统控制功能、PC物理结构、指令和编程方式、PC存储量和响应时间、通信联网功能等几个方面综合考虑。从应用角度来看，PC可按控制功能或输入/输出点数分类。从PC的物理结构来看，PC分为模块式和整体式。第7章可编程序控制器应用系统的设计PC的指令系统一般包括逻辑指令、运算指令、控制指令、数据处理和其他特殊指令，这些指令能完成诸如开平方、对数运算、网络通信等功能。用户可从便于控制系统编程的角度来加以选择，只要能满足实际需要就可以了，避免大材小用。PC的编程有两种方式：在线和离线编程。采用离线编程可降低成本，对大多数应用系统来说都可以满足生产需要，因而较多的中小型PC都使用这种方法。在线编程所需成本较高，但使用方便，大型PC中常采用。目前PC联网已成为一种发展趋势，也成为CIMS、SCADA系统的基础。第7章可编程序控制器应用系统的设计3．I/O点数的估算表7.2.1常用电气元件所需PC的I/O点数电气元件输入点数输出点数I/O总点数Y-△启动笼型电动机437单向/可逆变极电动机5/63/48/10单向/可逆直流电动机9/126/815/20比例阀358单/双线圈电磁阀2/31/23/5按钮开关1—1信号灯—11光电开关2—2拨码开关4—4行程开关1—1位置开关2—2第7章可编程序控制器应用系统的设计4.输入/输出模块的选择输入模块将现场设备(如按钮开关)的信号进行检测并转换成PC机内部的电平信号，它按电压分为交流式和直流式，按电路形式分为汇点输入式和分隔输入式。选择输入模块时应考虑：输入信号电压的大小，信号传输的距离长短，是否需要隔离及采用何种方式隔离，内部供电还是外部供电等问题。输出模块把PC内部信号转换为外部过程的控制信号，以驱动外部负载。输入/输出模块是可编程序控制器与被控对象之间的接口，按照输入/输出信号的性质一般可分为开关量(或数字量)和模拟量模块。第7章可编程序控制器应用系统的设计开关量模块包括输入模块和输出模块，有交流、直流和TTL电平三种类型。开关量输入模块按输入点数分为4、8、16、32、64等，按电压等级分为直流24V、48V、60V和交流110V、230V等。模块密度要根据实际需要来选择，一般以每块16～64点为好。如果是长距离传输通信，开关量输入模块的门坎电平也是不容忽视的一个因素。直流开关量输入模块的延迟时间较短，可直接与接近开关、光电开关等电子装置相连。开关量输出模块按输出点数分有16、32、64点，按输出方式分有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。选择的输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。对于频繁通断、低功率因数的感性负载，应采用无触点开关器件，即选用晶闸管输出(交流输出)或晶体管输出(直流输出)，这样做的缺点是价格较高。继电器输出属于有触点器件，其优点是适应电压的范围宽，价格便宜，但存在寿命短、响应速度较慢的缺点。第7章可编程序控制器应用系统的设计模拟量模块也包括输入模块和输出模块。模拟量输入模块把来自于传感器或变送器的电压、压力、流量、位移等电量或非电量转变为一定范围内的电压或电流信号，所以它分为电压型和电流型。电流型又分为0～20mA、4～20mA两种，电压型分为1～5V、-10V～+10、0～5V等多种型号。通道有2、4、8、16个。在选用时应注意外部物理量的输入范围，模拟通道循环扫描的时间和信号的连接方式。一般来说，电流型的抗干扰能力优于电压型。模拟量输出模块能输出被控设备所需的电压或电流，它的电压型和电流型的型号与模拟量输入模块的大体相似，选用输出模块驱动执行机构时，中间有可能要增加必要的转换装置，同时还要注意信号的统一性和阻抗的匹配性。第7章可编程序控制器应用系统的设计5.估算系统对PC响应时间的要求响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。PC的程序扫描工作方式决定了它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。为此，需要选取扫描速度高的PC来提高对输入信号的接收准确性。扫描速度是用执行指令所需要的时间来估算的，单位是ms/k字。大多数机器的性能指标中都给出了扫描速度的具体数值。对于慢速大系统，如大型料场、码头、高炉、轧钢厂的主令控制等可选用多台中小型PC或低速网络进行控制；对于快速实时控制，如高速线材、中低速热连轧等速度控制可选择运行速度快的CPU、功能强的大型PC或高速网络来满足信息快速交换的要求。需要引起注意的是，一定要保证最长的扫描周期要小于系统电气状态改变的时间，这样才能使系统正常工作。第7章可编程序控制器应用系统的设计6.对程序存储器容量的估算PC的程序存储器容量通常以字或步为单位。用户程序所需存储器容量可以预先估算。一般情况下用户程序所需存储的字数可按照如下经验公式来计算：①开关量输入输出系统：输入：用户程序所需存储的字数=输入点总数×10输出：用户程序所需存储的字数=输出点总数×8②模拟量输入输出系统：每一路模拟量信号大约需要120字的存储容量，当模拟输入和输出同时存在时，应有所需内存字数=模拟量路数×250第7章可编程序控制器应用系统的设计③定时器和记数器系统：所需内存字数=定时器/记数器数量×2④含有通信接口的系统(多指PC网络系统)：所需存储字数=通信接口个数×300另外，根据系统控制要求的难易程度也可采用另一种方法进行估算，采用的计算公式如下：程序容量＝K×总输入/输出点数对于简单控制系统来说，K=6；若为普通系统，则K=8；若为较复杂系统，则K=10；若为复杂系统，则K=12。第7章可编程序控制器应用系统的设计7.可编程序控制器的电源选择电源是PC干扰引入的主要途径之一，因此选择优质电源无疑有助于提高PC控制系统的可靠性。一般可选用畸变较小的稳压器或带有隔离变压器的电源。使用直流电源要选用桥式全波整流电源。对于供电不正常或电压波动较大的情况，可考虑采用不间断电源(UPS)或稳压电源供电。对于输入触点的供电可使用PC本身提供的电源，如果负载电流过大，可采用外设电源供电。输出电流是电源的一个关键因素，应特别注意。第7章可编程序控制器应用系统的设计7.3PC应用系统的程序设计7.3.1可编程序控制器应用程序设计语言1．梯形图(LadderDiagram)程序设计语言梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系，梯级中描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。第7章可编程序控制器应用系统的设计梯形图程序设计语言的特点是：(1)与电气操作原理图相对应，直观、形象和实用；(2)与原有继电器逻辑控制技术相一致，电气技术人员易于掌握和学习；(3)梯形图中的能流(PowerFlow)不是实际意义的物理电流，而是概念电流；内部的继电器也不是实际存在的继电器，每个继电器和输入接点都是存储器中的一位，因此梯形图中的继电器接点在编制用户程序时能无限使用，可常开又可常闭；(4)梯形图中的输入接点和输出线圈不是物理接点和线圈，用户程序的解算是根据PC内部I/O映像区相应位的状态得到的，并不是解算现场的实际状态。用户程序的逻辑解算结果可马上为后面的程序所利用。第7章可编程序控制器应用系统的设计2．布尔助记符(BooleanMnemonic)程序设计语言布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言，与计算机中的汇编语言非常相似。所谓助记符语言编程就是用一个或几个容易记忆的字符代表PC的某种操作功能。助记符语言也可称为命令语句表达式语言，它的一般格式为：操作码＋操作数或操作码＋标识符＋参数其中，操作码用来指定CPU要执行的功能；操作数内包含执行该操作所必需的信息。第7章可编程序控制器应用系统的设计布尔助记符程序设计语言具有下列特点：(1)采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点；(2)在编程器的键盘上采用助记符表示，便于键入，可在无计算机的场合下进行编程设计；(3)与梯形图有一一对应的关系，电气技术人员对程序易于理解和检查；(4)在编程支路的元素数量不受限额。这种方法也存在对较复杂控制系统设计较难描述清楚的缺点。第7章可编程序控制器应用系统的设计3．功能表图(SequentialFunctionChart)程序设计语言功能表图主要由步、有向连线、转移、转换条件和动作(或命令)组成。最基本的思想是：将控制系统的一个工作周期分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步；实际上步就是工位的某一个状态，它由PC的内部元件来代表。步是以输出量的状态变化来划分的，一般用矩形框表示，框中的数字是该状态的编号，原始状态(0状态)用双线框表示。两个相邻状态之间的有向线段代表转移，系统从当前步进入下一步的信号称为转移条件，用与转移线段垂直的短线表示。短线旁的文字、图形符号或逻辑表达式标明转移条件的内容。转移条件可能来自外部输入信号或PC内部产生的信号。用转移条件控制代表各步的编程元件，使它们的状态按一定的顺序变化，然后去控制各输出继电器。动作或命令就是状态框旁与之对应的各步内容的文字描述，可用矩形框将它们围起来，以短线连接到状态框。第7章可编程序控制器应用系统的设计功能表图程序设计语言的特点是：(1)以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；(2)对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；(3)两个步(或转移)不能直接相连，必须用一个转移(或步)将它们隔离；(4)初始步必不可少，一般对应于系统等待启动的初始状态；(5)仅当某一步所有的前级步都是活动步时，该步才有可能变成活动步，只有在活动步的命令和操作被执行后，系统才对活动步后的转移进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较用其他语言编制的程序的扫描时间要大大缩短。第7章可编程序控制器应用系统的设计4．功能模块图(FunctionBlock)程序设