电气控制与PLC应用第8章

主编：陈建明副主编：巫付专朱晓东熊军华电气控制与PLC应用（第八章）第8章可编程序控制器系统设计与应用了解可编程序控制器系统设计的一般原则与步骤熟悉可编程序控制器系统设计的硬件配置及软件设计掌握软、硬件设计的基本环节及设计技巧学习目标：教学内容：8.1PLC控制系统设计8.2PLC控制系统硬件配置8.3PLC控制系统软件设计8.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧8.5PLC在工业控制中的应用8.6提高PLC控制系统可靠性的措施第8章可编程序控制器系统设计与应用8.1PLC控制系统设计返回编程控制系统设计时应遵循以下原则：8.1.1PLC控制系统设计的基本原则最大限度的满足被控对象的要求；在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、适用及维护方便；保证系统的安全可靠；考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应留有适当的余量。8.1.2PLC控制系统设计的内容PLC控制系统设计的主要内容有：分析控制对象，明确设计任务和要求；选定PLC的型号，对控制系统的硬件进行配置；保证系统的安全可靠；选择所需的输入/输出模块，编制PLC的输入/输出分配表和输入/输出端子接线图;根据系统设计要求编写程序规格要求说明书，再用相应的编程语言进行程序设计；设计操作台、电气柜、选择所需的电器元件；编写设计说明书和操作使用说明书。8.1.3PLC控制系统设计的一般步骤PLC的结构和工作方式与一般微机和继电器相比各有特点，其具体设计步骤如下：详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要求。根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备。选择PLC类型。分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。PLC软件设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。系统调试，固化程序，交付使用。8.2PLC控制系统硬件配置硬件系统设计主要包括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内容。随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（PLC、单片机、DCS或IPC）来完成该任务最合适。返回8.2.1PLC的选型当确定由PLC来完成控制后，设计者接下来要解决两个主要问题：PLC容量的选择：首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。PLC机型的选择：由于生产PLC的厂家众多，实现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言却有较大差别，一般应从功能方面、价格方面和售后服务等几个方面考虑。8.2.2I/O地址分配输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。8.2.3响应时间对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。PLC顺序扫描的工作方式，使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。选定PLC及其扩展模块（如需要的话）和分配完I/O地址后，硬件设计的主要内容就是完成电气控制系统原理图的设计、电气控制元器件的选择和控制柜的设计。8.3PLC控制系统软件设计在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果，需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助触点和中间编程元件。经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别是要求设计者有一定的实践经验。8.3.1经验设计法返回8.3.2逻辑设计法工业电气控制线路中，有不少都是通过继电器等电器元件来实现，因此，用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的，用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下：列出执行元件动作节拍表；绘制电气控制系统的状态转移图；进行系统的逻辑设计；编写程序；对程序检测、修改和完善。8.3.3顺序功能图法顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。在顺序功能图中，实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始，步之间没有重叠。顺序控制继电器（SCR）指令是基于顺序功能图（SFC）的编程方式，专门用于编制顺序控制程序。使用它必须依据顺序功能图进行编程。8.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节有机地组合而成的，因此，掌握这些基本环节尤为重要。它有助于程序设计水平的提高。几个常用的典型环节：8.4.1应用程序的典型环节电动机的起动与停止控制程序；具有点动功能电动机起动、停止控制程序；电动机的正、反转控制程序；返回几个常用的典型环节：8.4.1应用程序的典型环节通电禁止输出程序；闪烁电路；报警电路；高精度时钟程序；脉冲宽度可控制电路；分频电路。8.4.2PLC控制程序设计技巧在工艺要求改变后，常常要改变程序，有时会出现I/O点数不够又不想增加PLC扩展单元，此时可采用一些方法来减少输入点和输出点。减少输入点的方法：用二极管隔离的分组输入法；触点合并式输入方法；单按钮起、停控制程序。减少输出点的方法：对于两个通断状态完全相同的负载，可将它们并联后共用一个PLC的输出点。8.5PLC在工业控制中的应用现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动机顺序启动和顺序停车。顺序启动的时间间隔为30s，顺序停车的时间间隔为10s。可选用S7-200（CPU224）进行控制。对电动机顺序启、停控制有很多种方法，可根据编程习惯选择。本题给出两种方法：8.5.1四台电动机的顺序启、停控制利用顺序控制继电器指令设计程序；利用移位寄存器指令设计程序。返回现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动机顺序启动和顺序停车。启、停的顺序均为M1→M2→M3→M4。顺序启动时的时间间隔为30s，顺序停车的时间间隔为10s。输入输出分配表如表8-5所示。PLC的I/O接线图如图8-23所示。四台电动机顺序启、停利用顺序控制继电器设计梯形图，如图8-24所示。1.利用顺序控制继电器指令设计程序1.利用顺序控制继电器指令设计程序表8-5输入输出分配表输入信号停止按钮SB1I0.0启动按钮SB2I0.1输出信号接触器KM1Q0.0接触器KM2Q0.1接触器KM3Q0.2接触器KM4Q0.31.利用顺序控制继电器指令设计程序图8-23四台电机顺序启、停I/O接线图四台电动机启动的顺序为M1→M2→M3→M4，停止的顺序为M4→M3→M2→M1。顺序启动时的时间间隔为30s，顺序停止的时间间隔为10s。输入输出分配表如表8-5所示。PLC的I/O接线图如图8-23所示。四台电动机顺序启、停利用移位寄存器指令设计梯形图，如图8-25所示。2.利用移位寄存器指令设计程序8.5.2电动机星形～三角形减压起动控制现选用S7-200（CPU222）进行电动机星形～三角形减压起动控制。输入输出分配表如表8-6所示，控制接线图如图8-26所示，梯形图如图8-27所示。图8-26中，电动机由接触器KM1、KM2、KM3控制，其中KM3将电动机定子绕组连接成星形，KM2将电动机定子绕组连接成三角形。KM2与KM3不能同时吸合，否则将产生电源短路。在程序设计过程中，应充分考虑由星形向三角形切换的时间，即由KM3完全断开（包括灭弧时间）到KM2接通这段时间应锁定住，以防电源短路。返回8.5.2电动机星形～三角形减压起动控制表8-6输入输出分配表输入信号停止按钮SB1I0.0启动按钮SB2I0.1输出信号接触器KM1Q0.1接触器KM2Q0.2接触器KM3Q0.38.5.2电动机星形～三角形减压起动控制电动机星形～三角形减压起动控制I/O接线图8.5.3节日彩灯的PLC控制用PLC实现对节日彩灯的控制，结构简单、变幻形式多样、价格低。彩灯形式及变幻尽管花样繁多，但其负载不外乎三种：长通类负载、变幻类负载及流水类负载。本例所选彩灯变幻花样为逐次闪烁方式：程序开始时，灯1（Q0.0）、灯2（Q0.1）亮；一次循环扫描且定时时间到后，灯1（Q0.0）灭，灯2（Q0.1）亮、灯3（Q0.2）亮；再次循环扫描且定时时间到后，灯2（Q0.1）灭，灯3（Q0.2）亮、灯4（Q0.3）亮……。其动作时序表如下表8-7所示，梯形图如图8-28所示。返回8.5.4十字路口交通信号灯的PLC控制控制要求：接通启动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时亮；东西向绿灯亮30s后，闪烁3次（每次0.5s），接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，35s后东西向绿灯又亮……，如此不断循环，直至停止工作；南北向红灯亮35s后，南北向绿灯亮，30s后南北向绿灯闪烁3次（每次0.5s），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。返回8.5.4十字路口交通信号灯的PLC控制交通信号灯设置示意图8.5.4十字路口交通信号灯的PLC控制交通信号灯时序图8.5.4十字路口交通信号灯的PLC控制交通信号灯输入输出分配表输入信号停止按钮SB1I0.1启动按钮SB2I0.2输出信号南北向红灯HL1、HL2Q0.0南北向黄灯HL3、HL4Q0.1南北向绿灯HL5、HL6Q0.2南北向红灯HL7、HL8Q0.3南北向黄灯HL9、HL10Q0.4南北向绿灯HL11、HL12Q0.58.5.4十字路口交通信号灯的PLC控制交通信号灯I/O接线图8.5.5造纸厂碱回收蒸发工段PLC控制整个蒸发工段控制系统的控制信号主要有开关量输入信号（切断阀、泵的状态反馈等）、开关量输出信号（切断阀、泵的控制等）、模拟量输入信号（如温度、压力、液位等）、模拟量输出信号（调节阀的控制等）。整个蒸发工段控制系统需要控制与检测的变量有：66个模拟量输入（AI）、23个模拟量输出（AO）、10个数字量输入（DI）和19个数字量输出（DO）。表8-9给出了部分测控点。返回8.5.5造纸厂碱回收蒸发工段PLC控制控制系统硬件配置图8.5.5造纸厂碱回收蒸发工段PLC控制蒸发工段控制工程视图8.6提高PLC控制系统可靠性的措施PLC专为在工业环境下应用而设计，其显著特点之一就是高可靠性，为了提高PLC的可靠性，PLC本身在软、硬件上均采取了一系列抗干扰措施，在一般工厂内使用完全可以可靠地工作，一般平均无故障时间可达几万小时。在过于恶劣的环境条件下，如强电磁干扰、超高温、超低温、过欠电压等情况，或安装使用不当等，都可能导致PLC内部存储信息的破坏，引起控制紊乱，严重时还会使系统内部的元器件损坏。为了提高PLC控制系统运行的可靠性，必须选择合理的抗干扰措施，使系统正常可靠的工作。返回8.6.1PLC安装的环境条件要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此在使用中应注意以下问题：温度：PLC要求环境温度在0～55oC；湿度：空气的相对湿度应在35%～85%（无凝露）。震动：应使PLC远离强烈的震动源。空气：避免有腐蚀和易燃的气体。电源：PLC对于电源线的干扰具有一定的抵制能力。8.6.2抗干扰措施现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素，所谓治标先治本，找出问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须知道现场干扰的源头。干扰源及分类：影响PLC控制系统的干扰源，大都产生在电流