7.PLC控制系统设计和应用实例

第7章PLC控制系统设计与应用实例7.1PLC控制系统设计的内容和步骤7.2PLC控制系统的硬件配置7.3PLC控制系统梯形图程序的设计7.4顺序控制梯形图的设计方法7.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例7.1PLC控制系统设计的内容和步骤7.1.1PLC控制系统设计的内容7.1.2PLC控制系统设计的步骤7.1.1PLC控制系统设计的内容1)分析控制对象、明确设计任务和要求是整个设计的依据。2)选定PLC的型号及所需的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置。3)编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图。4)用编程语言(常用梯形图)进行程序设计。5)设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件。6)编写设计说明书和操作使用说明书。7.1.2PLC控制系统设计的步骤1.系统规划2.硬件设计3.软件设计4.系统调试5.技术文件编制图7-1PLC控制系统设计的步骤7.2PLC控制系统的硬件配置7.2.1PLC机型的选择7.2.2开关量I/O模块的选择7.2.3模拟量I/O模块的选择7.2.4智能模块的选择7.2.1PLC机型的选择考虑以下几方面的要求：性能与任务相适应；PLC的处理速度应满足实时控制的要求；PLC机型尽可能统一；指令系统。1.性能与任务相适应对控制速度要求不高的开关量控制系统，选用小型PLC；对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型PLC；西门子公司的S7-200、S7-1200PLC在进行小型数字、模拟混合系统控制时具有较高的性价比，实施起来也较为方便。对于比较复杂、控制功能要求较高的应用系统，如需要PID调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC，如西门子公司的S7-300、S7-400。2.提高PLC快速响应的几点措施1)选择CPU速度比较快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5μs。2)优化应用软件，缩短扫描周期。3)采用高速响应模块，其响应的时间不受PLC周期的影响，而只取决于硬件的延时。3.PLC机型尽可能统一一个大型企业，应尽量做到机型统一；模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理，这不仅使模块通用性好，减少备件量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给扩展系统升级留有余地；外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可把控制各独立系统的多台PLC连成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中管理。4.指令系统1)指令系统的总语句数。2)指令系统种类。3)指令系统的表达方式。4)应用软件的程序结构。（有模块化和子程序式）（模块化：编写调试方便，但处理速度慢；子程序式：响应速度快，但不利于编写和调试）各种机型的指令系统不完全相同，在控制指令、数学运算指令、逻辑指令方面各有侧重。选择机型时，从指令方面注意以下几点：7.2.2开关量I/O模块的选择1.开关量输入模块的选择2.开关量输出模块的选择1.开关量输入模块的选择1)选择工作电压等级根据现场检测元件和模块之间的距离来选择2)选择模块密度根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择3)门坎电平门坎电平指：接通电平和关门电平的差值；门坎电平越大，抗干扰能力越强，传输距离越远。2.开关量输出模块的选择1)输出方式的选择：继电器输出方式：交直流负载，响应速度慢，不能频繁动作；晶闸管输出方式：开关频率高、电感强、功率因数低的交流负载；晶体管输出方式：开关频率高的直流负载2)输出电流的选择：模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，并留有余量；当负载电流较大，输出模块不能直接驱动负载时，要增加中间放大环节；接通点数的电流和必须小于公共端允许通过的电流值。7.2.3模拟量I/O模块的选择1.模拟量输入模块的选择2.模拟量输出模块的选择1.模拟量输入模块的选择1)模拟量值的输入范围电压信号：0～5V,0～10V,-5～5V等电流信号：0～20mA,4～20mA等2)模拟量输入模块的分辨率、输入精度、转换时间等参数指标应符合具体的系统要求；3)应用中要注意抗干扰措施方法：模块和电源保持一定距离；模拟量输入信号线采用屏蔽措施；采用一定的补偿措施，减少环境变化对信号的影响。2.模拟量输出模块的选择模拟量输出模块的输出类型有电压输出和电流输出两种，输出范围：0～10V、－10V～10V、0～20mA等；模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块的情况类似；S7-200PLC提供了各种模块，可根据实际需要选用EM2314路模拟量输入模块、EM2314路输入热电偶、EM2312路热电阻(RTD)、EM2322路模拟量输出模块、EM2354输入/1输出组合。7.2.4智能模块的选择一般的智能模块包括PROFIBUS-DP模块(如EM277模块)、工业以太网模块(如CP243-1、CP243-1IT)、调制解调器模块(如EM241模块)、定位模块(如EM253模块)等。需要注意：一般智能模块价格比较昂贵，而有些功能采用一般I/O模块也可以实现，只是要增加软件的工作量，因此应根据实际情况决定取舍。7.3PLC控制系统梯形图程序的设计7.3.1经验设计法7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图7.3.1经验设计法依据：根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机组合起来经验设计法的特点：其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳方案程序初步设计后，还需反复调试、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。•设计方法不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性•设计出的程序不唯一，其质量与设计者的经验有关•对于简单的系统，用经验设计法进行设计，简单、易行，可以收到明显的效果•对于一些旧设备的改造常采用经验设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑PLC的特点•对于复杂的系统，由于联锁关系复杂，难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，使用、维护不便举例：电机的启动和自锁表7-4输入信号输出信号停止按钮SB1I0.1启动按钮SB2I0.2接触器KMQ0.1I0.1Q0.1Q0.1I0.2KMKMSB2SB1FRKMM3~FRFU2L1L2L3QSPEFU1MI/O分配表：对应的梯形图：图7-2运料小车控制系统7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图1.顺序功能图2.顺序功能图的基本结构3.顺序功能图法1.顺序功能图(1)步与动作(2)有向连线(3)转换和转换条件图7-3顺序功能图举例•步：将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段；•初始步：与系统的初始状态对应的步；•用M和S来代表各个步；(1)步与动作初始步：双线方框表示步用矩形框表示“活动步”“非活动步”活动步：步处于活动状态（该过程正被执行）非活动步：步处于非活动状态（该步未被执行）M0.1M0.0M0.3M0.2T38.15ST39.45s起始状态SQ0.1Q0.2Q0.3I0.0起动T37.30S与步相关的动作（或命令）步处于活动状态时，该步内相应的动作（或命令）即被执行；反之，不被执行与相应步的矩形框相连与步相关的动作（或命令）M0.1M0.0M0.3M0.2T38.15ST39.45s起始状态SQ0.1Q0.2Q0.3I0.0起动T37.30S“非存储型”“存储型”动作（或命令）可分：“存储型”：当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）继续保持它的状态“非存储型”：当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）返回到该活动步前的状态“点动电机M1”“非存储型”命令“启动电机M1并一直保持”“存储型”命令(2)有向连线步之间的进展，采用有向连线表示，•它将步连接到转换并将转换连接到步。有向连线步的进展按有向连线规定的路线进行习惯进展的方向：从上到下或从左到右箭头表示步进展的方向M0.1M0.0M0.3M0.2T38.15ST39.45s起始状态SQ0.1Q0.2Q0.3I0.0起动T37.30SM0.1M0.0M0.3M0.2T38.15ST39.45s起始状态SQ0.1Q0.2Q0.3I0.0起动T37.30S(3)转换和转换条件步与步之间由“转换”分隔；当两步之间的转换条件得到满足时，转换得以实现，即上一步的活动结束而下一步的活动开始；每个活动步持续的时间取决于步之间转换的实现。转换符号转换条件•例子：要求M1起动30s后，M2自动起动，运行15s后，M2停止，同时M3自动起动，再运行45s后，电机全部停止2.顺序功能图的基本结构(1)单序列结构(2)选择序列结构(3)并行序列结构(1)单序列结构单序列由一系列相继激活的步组成。每步的后面仅有一个转换条件，每个转换条件后面仅有一步，如图7-4所示。图7-4单序列结构(2)选择序列结构选择序列的开始称为分支。某一步的后面有几个步，当满足不同的转换条件时，转向不同的步；选择序列的结束称为合并。几个选择序列合并到同一个序列上，各个序列上的步在各自转换条件满足时转换到同一个步，如图7-5b所示。图7-5选择序列的分支与合并11181214prqb18171315d并行序列的分支与合并满足b条件，12、14、18步同时被激活，成为活动步当13、15、17都为活动步，若满足d条件，则13等同时变为不活动步，18变为活动步(3)并行序列结构•并行序列的分支中只允许有一个转换条件，并标在水平双线之上。•并行序列的合并只允许有一个转换条件，并标在水平双线之下。步骤：1.首先根据系统的工艺流程，设计顺序功能图。2.然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。优点：1.在顺序功能图中，步之间没有重叠。这使系统中大量复杂的联锁关系在步的转换中得以解决。2.对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。3.编程方法简单易学，规律性强。4.设计出的控制程序结构清晰、可读性好；调试、运行方便3.顺序功能图法7.4顺序控制梯形图的设计方法7.4.1置位、复位指令编程7.4.2顺序控制继电器指令编程7.4.3具有多种工作方式的顺序控制梯形图设计方法S7-200PLC采用顺序功能图法设计时，可用置位/复位(S/R)指令、顺序控制继电器(SCR)指令、移位寄存器(SHRB)指令等实现编程。7.4.1置位、复位指令编程——交通灯控制1.控制要求2.输入、输出信号地址分配3.设计顺序功能图和梯形图程序1.控制要求1)接通起动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时亮。2)东西向绿灯亮25s后，闪烁3次(1s/次)，接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，30s后东西向绿灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。3)南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次(1s/次)，接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮……如此不断循环，直至停止工作。图7-7交通信号灯控制示意图2.输入、输出信号地址分配表7-1交通信号灯控制I/O地址分配表输入信号输出信号起动按钮SB1I0．1南北红灯HL1、HL2Q0．0停止按钮SB2I0．2南北绿灯HL3、HL4Q0．4南北黄灯HL5、HL6Q0．5东西红灯HL7、HL8Q0．3东西绿灯HL9、HL10Q0．1东西黄灯HL11、HL12Q0．2图7-8I/O接线图3.设计顺序功能图和梯形图程序图7-9交通信号灯控制顺序功能图图7-10交通信号灯梯形图程序南北向控制程序略南北向输出程序略17181923•东西向绿灯亮•25s后，1步结束，2步开始，绿灯灭250•0.5s后，2步结束，3步开始，绿灯亮•启动计数器，要求闪烁3次•3次不到，0.5s后，2步开始，3步结束•3次到了，0.5s后，4步开始，3步结束，黄灯亮•2s后，4步结束，5步开始，红灯亮•30s后，5步结束，1步开始，循环•东西绿灯•东西黄灯•东西红灯•停止7.4.2顺序控制继电器指令编程——深孔钻组合机床1.深孔钻组合机床控制要求2.I/O信号地址分配和接线图3.画出顺序功能图4.由顺序功能图设计梯形图1.深孔钻组合机