电气控制与PLC工程应用电子课件-第8章

第8章PLC的工程应用8.1PLC控制系统设计简介8.2PLC控制系统硬件配置8.3PLC与输入/输出设备的连接8.4提高PLC控制系统可靠性的措施8.5减少I/O点数的措施8.6四工位组合机床的PLC控制系统8.1PLC控制系统设计简介8.1.1PLC控制系统的设计原则8.1.2PLC控制系统设计的步骤在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：•最大限度地满足控制要求充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。•保证系统的安全可靠保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。•力求简单、经济、使用与维修方便在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。•适应发展的需要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。8.1.1PLC控制系统的设计原则1)充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。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)编制程序时要求程序结构清楚、可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。•1）分析被控对象并提出控制要求详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。•2）确定输入／输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。•3）选择PLCPLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择•4）分配I/O点并设计PLC外围硬件线路•分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。•PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。•由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。•5）程序设计•程序设计：1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和连锁程序。•模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。•6）硬件实施•设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；•设计系统各部分之间的电气互连图；•根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。•由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。•7）联机调试•联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。•全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。•8）整理和编写技术文件•技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。8.2PLC控制系统硬件配置8.2.1PLC选择8.2.2I/O模块的选择8.2.3电源模块及其他外设的选择PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：•合理的结构型式PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。•安装方式的选择安装方式有集中式、远程I／O式以及多台PLC联网的分布式。•相应的功能要求•响应速度要求•系统可靠性的要求对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统•机型尽量统一便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高，外部设备通用，资源可共享，易于联网通信。•I／O点数的选择•在满足控制要求的前提下力争使用的I／O点最少。•需要加上10％~15％的裕量。•存储容量的选择•存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多。•在I／O点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加20％~30％的裕量。存储容量(字节)＝开关量I/O点数×10＋模拟量I/O通道数×100•存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。8.2.1PLC选择1.合理的结构形式2.安装方式的选择3.相应的功能要求4.响应速度要求5.系统可靠性的要求6.机型尽量统一7.PLC容量的选择6.机型尽量统一1)其模块可互为各用，便于备品备件的采购和管理。2)其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3)其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。•开关量输入模块的选择1）输入信号的类型及电压等级有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。开关量输入模块的电压等级有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；交流110Ｖ、220Ｖ等。选择时主要根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于传输距离较近场合，如5Ｖ输入模块最远不得超过１０米。距离较远的应选用输入电压等级较高的。•开关量输入模块的选择2）输入接线方式主要有汇点式和分组式两种接线方式•开关量输入模块的选择3）注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。4）输入门槛电平门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。8.2.2I/O模块的选择1.开关量I/O模块的选择2.模拟量I/O模块的选择•开关量输出模块的选择1）输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式继电器输出：价格便宜，可以驱动交、直流负载，适用的电压大小范围较宽、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。•开关量输出模块的选择2）输出接线方式开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式1.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•开关量输出模块的选择3）驱动能力应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。4）注意同时接通的输出点数量同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。(1)开关量输入模块的选择1)输入信号的类型及电压等级。2)输入接线方式。3)注意同时接通的输入点数量。4)输入门槛电平。图8-2开关量输入模块的接线方式a)汇点式输入b)分组式输入(2)开关量输出模块的选择1)输出方式。2)输出接线方式。3)驱动能力。4)注意同时接通的输出点数量。5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关。图8-3开关量输出模块的接线方式a)分组式输出b)分隔式输出2.模拟量I/O模块的选择(1)模拟量输入模块选择(2)模拟量输出模块选择•模拟量I/O模块的选择模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；模拟量输出(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量I/O模块的量程为-10V~+10V、0~+10V、4~20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）(1)模拟量输入模块选择1)模拟量值的输入范围。2)模拟量输入模块的参数指标。3)抗干扰措施。8.2.3电源模块及其他外设的选择1.智能功能I/O模块的选择2.电源模块的选择3.编程器的选择4.写入器的选择8.3PLC与输入/输出设备的连接8.3.1PLC与常用输入设备的连接8.3.2PLC与常用输出设备的连接8.3.1PLC与常用输入设备的连接1.PLC与主令电器类设备的连接2.PLC与拨码开关的连接3.PLC与旋转编码器的连接4.PLC与传感器类设备的连接图8-4PLC与输入设备的连接图8-5一位拨码开关的示意图图8-64位拨码开关与PLC的连接图8-7旋转编码器与PLC的连接图8-8PLC与两线式传感器的连接8.3.2PLC与常用输出设备的连接1.PLC与输出设备的一般连接方法2.PLC与感性输出设备的连接3.PLC与七段LED显示器的连接4.PLC与输出设备连接的其他注意事项图8-9PLC与输出设备的连接图8-10PLC与感性输出设备的连接图8-11PLC与两位七段LED显示器的连接4.PLC与输出设备连接的其他注意事项1)除了PLC输入和输出共用同一电源外，输入公共端与输出公共端一般不能接在一起。2)PLC的晶体管和晶闸管型输出都有较大的漏电流，尤其是晶闸管输出，将可能会出现输出设备的误动作。8.4提高PLC控制系统可靠性的措施8.4.1输入端的抗干扰措施8.4.2输出端的抗干扰措施8.4.3电源的抗干扰措施8.4.4系统接地的抗干扰措施8.4.5外部配线的抗干扰措施8.4.6PLC的安装环境8.4.1输入端的抗干扰措施1.防输入信号干扰的措施2.防感应电压的措施3.光耦保护图8-12输入信号抗干扰措施a)交流输入b)直流输入2.防感应电压的措施1)输入信号线间的寄生电容CS1；2)输入信号线与其他线间的寄生电容CS2；3)与其他线，特别是大电流线的电气耦合M。图8-13感应电压的产生图8-14防输入感应电压干扰的措施图8-15光耦保护电路8.4.2输出端的抗干扰措施1)在感性负载的场合，PLC输出端的抗干扰措施如图8-10所示。2)在开关量输出的场合，不管是交流负载还是直流负载，可采取图8-16所示的抗干扰措施。3)用旁路电阻防错。图8-16开关负载的抗干扰措施a)交流的场合b)直流的场合图8-17增加AC-SSR的抗干扰措施图8-18用旁路电阻防错8.4.3电源的抗干扰措施1)在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。2)在PLC电源的输入端加接低通滤波器，可滤去来自电网的高频干扰和谐波。图8-19电源滤波电路8.4.4系统接地的抗干扰措施1)PLC的接地极离PLC越近越好，即接地线越短越好。2)PLC输入、输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应采用一点接地，接地点应靠近PLC这一端，另一端不接地，如图8-21所示。3)接地线截面积应大于2mm2，长度一般不超过20m，接地电阻一般应小于4Ω。4)接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短走线长度。图8-20接地方法a)专用接地b)共用接地c)共通接地(错误)图8-21屏蔽电缆的接地8.4.5外部配线的抗干扰措施1)开关量信号不易受外