主編：陳建明副主編：巫付專朱曉東熊軍華,電氣控制與PLC應(yīng)用（第八章）,第8章可編程序控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用,了解可編程序控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則與步驟熟悉可編程序控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件配置及軟件設(shè)計(jì)掌握軟、硬件設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)及設(shè)計(jì)技巧,學(xué)習(xí)目標(biāo)：,教學(xué)內(nèi)容：8.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8.2PLC控制系統(tǒng)硬件配置8.3PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)8.4PLC應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)及設(shè)計(jì)技巧8.5PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用8.6提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施,第8章可編程序控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用,8.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),返回,編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：,8.1.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,最大限度的滿足被控對(duì)象的要求；在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、適用及維護(hù)方便；保證系統(tǒng)的安全可靠；考慮生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)的要求，在選型時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)挠嗔俊?8.1.2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容,PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：,分析控制對(duì)象，明確設(shè)計(jì)任務(wù)和要求；選定PLC的型號(hào)，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行配置；保證系統(tǒng)的安全可靠；選擇所需的輸入/輸出模塊，編制PLC的輸入/輸出分配表和輸入/輸出端子接線圖;根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求編寫程序規(guī)格要求說明書，再用相應(yīng)的編程語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)操作臺(tái)、電氣柜、選擇所需的電器元件；編寫設(shè)計(jì)說明書和操作使用說明書。,8.1.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟,PLC的結(jié)構(gòu)和工作方式與一般微機(jī)和繼電器相比各有特點(diǎn)，其具體設(shè)計(jì)步驟如下：,詳細(xì)了解被控對(duì)象的生產(chǎn)工藝過程，分析控制要求。根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入/輸出設(shè)備。選擇PLC類型。分配PLC的I/O點(diǎn)，設(shè)計(jì)I/O連接圖。PLC軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)可進(jìn)行控制臺(tái)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工。系統(tǒng)調(diào)試，固化程序，交付使用。,8.2PLC控制系統(tǒng)硬件配置,硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括PLC及外圍線路的設(shè)計(jì)、電氣線路的設(shè)計(jì)和抗干擾措施的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。隨著PLC功能的不斷提高和完善，PLC幾乎可以完成工業(yè)控制領(lǐng)域的所有任務(wù)。但PLC還是有它最適合的應(yīng)用場(chǎng)合，所以在接到一個(gè)控制任務(wù)后，要分析被控對(duì)象的控制過程和要求，看看用什么控制裝備（PLC、單片機(jī)、DCS或IPC）來(lái)完成該任務(wù)最合適。,返回,8.2.1PLC的選型,當(dāng)確定由PLC來(lái)完成控制后，設(shè)計(jì)者接下來(lái)要解決兩個(gè)主要問題：,PLC容量的選擇：首先要對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行詳細(xì)的分析，把所有的I/O點(diǎn)找出來(lái)，包括開關(guān)量I/O和模擬量I/O以及這些I/O點(diǎn)的性質(zhì)。PLC機(jī)型的選擇：由于生產(chǎn)PLC的廠家眾多，實(shí)現(xiàn)的功能雖基本相同，但性能、價(jià)格和編程語(yǔ)言卻有較大差別，一般應(yīng)從功能方面、價(jià)格方面和售后服務(wù)等幾個(gè)方面考慮。,8.2.2I/O地址分配,輸入輸出信號(hào)在PLC接線端子上的地址分配是進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)軟件設(shè)計(jì)來(lái)說，I/O地址分配以后才可進(jìn)行編程；對(duì)控制柜及PLC的外圍接線來(lái)說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據(jù)線路圖和安裝圖安裝控制柜。在進(jìn)行I/O地址分配時(shí)最好把I/O點(diǎn)的名稱、代碼和地址以表格的形式列寫出來(lái)。,8.2.3響應(yīng)時(shí)間,對(duì)于過程控制，掃描周期和響應(yīng)時(shí)間必須認(rèn)真考慮。PLC順序掃描的工作方式，使它不能可靠地接收持續(xù)時(shí)間小于掃描周期的輸入信號(hào)。選定PLC及其擴(kuò)展模塊（如需要的話）和分配完I/O地址后，硬件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是完成電氣控制系統(tǒng)原理圖的設(shè)計(jì)、電氣控制元器件的選擇和控制柜的設(shè)計(jì)。,8.3PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),在一些典型的控制環(huán)節(jié)和電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控制對(duì)象對(duì)控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。有時(shí)為了得到一個(gè)滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，需要進(jìn)行多次反復(fù)地調(diào)試和修改，增加一些輔助觸點(diǎn)和中間編程元件。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較奏效的，可以收到快速、簡(jiǎn)單的效果。但是，由于這種方法主要是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求也比較高，特別是要求設(shè)計(jì)者有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。,8.3.1經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法,返回,8.3.2邏輯設(shè)計(jì)法,工業(yè)電氣控制線路中，有不少都是通過繼電器等電器元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電器控制線路是完全可以的，用邏輯設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)PLC應(yīng)用程序的一般步驟如下：,列出執(zhí)行元件動(dòng)作節(jié)拍表；繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；進(jìn)行系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)；編寫程序；對(duì)程序檢測(cè)、修改和完善。,8.3.3順序功能圖法,順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)順序功能圖，然后再依據(jù)順序功能圖設(shè)計(jì)順序控制程序。在順序功能圖中，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換時(shí)使前級(jí)步的活動(dòng)結(jié)束而使后續(xù)步的活動(dòng)開始，步之間沒有重疊。順序控制繼電器（SCR）指令是基于順序功能圖（SFC）的編程方式，專門用于編制順序控制程序。使用它必須依據(jù)順序功能圖進(jìn)行編程。,8.4PLC應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)及設(shè)計(jì)技巧,復(fù)雜的控制程序一般都是由一些典型的基本環(huán)節(jié)有機(jī)地組合而成的，因此，掌握這些基本環(huán)節(jié)尤為重要。它有助于程序設(shè)計(jì)水平的提高。幾個(gè)常用的典型環(huán)節(jié)：,8.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié),電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止控制程序；具有點(diǎn)動(dòng)功能電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止控制程序；電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制程序；,返回,幾個(gè)常用的典型環(huán)節(jié)：,8.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié),通電禁止輸出程序；閃爍電路；報(bào)警電路；高精度時(shí)鐘程序；脈沖寬度可控制電路；分頻電路。,8.4.2PLC控制程序設(shè)計(jì)技巧,在工藝要求改變后，常常要改變程序，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)I/O點(diǎn)數(shù)不夠又不想增加PLC擴(kuò)展單元，此時(shí)可采用一些方法來(lái)減少輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。減少輸入點(diǎn)的方法：,用二極管隔離的分組輸入法；觸點(diǎn)合并式輸入方法；單按鈕起、?？刂瞥绦颉?減少輸出點(diǎn)的方法：對(duì)于兩個(gè)通斷狀態(tài)完全相同的負(fù)載，可將它們并聯(lián)后共用一個(gè)PLC的輸出點(diǎn)。,8.5PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用,現(xiàn)有四臺(tái)電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3、M4，要求四臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序啟動(dòng)和順序停車。順序啟動(dòng)的時(shí)間間隔為30s，順序停車的時(shí)間間隔為10s?？蛇x用S7-200（CPU224）進(jìn)行控制。對(duì)電動(dòng)機(jī)順序啟、?？刂朴泻芏喾N方法，可根據(jù)編程習(xí)慣選擇。本題給出兩種方法：,8.5.1四臺(tái)電動(dòng)機(jī)的順序啟、?？刂?利用順序控制繼電器指令設(shè)計(jì)程序；利用移位寄存器指令設(shè)計(jì)程序。,返回,現(xiàn)有四臺(tái)電動(dòng)機(jī)M1、M2、M3、M4，要求四臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序啟動(dòng)和順序停車。啟、停的順序均為M1M2M3M4。順序啟動(dòng)時(shí)的時(shí)間間隔為30s，順序停車的時(shí)間間隔為10s。輸入輸出分配表如表8-5所示。PLC的I/O接線圖如圖8-23所示。四臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序啟、停利用順序控制繼電器設(shè)計(jì)梯形圖，如圖8-24所示。,1.利用順序控制繼電器指令設(shè)計(jì)程序,1.利用順序控制繼電器指令設(shè)計(jì)程序,表8-5輸入輸出分配表,1.利用順序控制繼電器指令設(shè)計(jì)程序,圖8-23四臺(tái)電機(jī)順序啟、停I/O接線圖,四臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的順序?yàn)镸1M2M3M4，停止的順序?yàn)镸4M3M2M1。順序啟動(dòng)時(shí)的時(shí)間間隔為30s，順序停止的時(shí)間間隔為10s。輸入輸出分配表如表8-5所示。PLC的I/O接線圖如圖8-23所示。四臺(tái)電動(dòng)機(jī)順序啟、停利用移位寄存器指令設(shè)計(jì)梯形圖，如圖8-25所示。,2.利用移位寄存器指令設(shè)計(jì)程序,8.5.2電動(dòng)機(jī)星形三角形減壓起動(dòng)控制,現(xiàn)選用S7-200（CPU222）進(jìn)行電動(dòng)機(jī)星形三角形減壓起動(dòng)控制。輸入輸出分配表如表8-6所示，控制接線圖如圖8-26所示，梯形圖如圖8-27所示。圖8-26中，電動(dòng)機(jī)由接觸器KM1、KM2、KM3控制，其中KM3將電動(dòng)機(jī)定子繞組連接成星形，KM2將電動(dòng)機(jī)定子繞組連接成三角形。KM2與KM3不能同時(shí)吸合，否則將產(chǎn)生電源短路。在程序設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮由星形向三角形切換的時(shí)間，即由KM3完全斷開（包括滅弧時(shí)間）到KM2接通這段時(shí)間應(yīng)鎖定住，以防電源短路。,返回,8.5.2電動(dòng)機(jī)星形三角形減壓起動(dòng)控制,表8-6輸入輸出分配表,8.5.2電動(dòng)機(jī)星形三角形減壓起動(dòng)控制,電動(dòng)機(jī)星形三角形減壓起動(dòng)控制I/O接線圖,8.5.3節(jié)日彩燈的PLC控制,用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)日彩燈的控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變幻形式多樣、價(jià)格低。彩燈形式及變幻盡管花樣繁多，但其負(fù)載不外乎三種：長(zhǎng)通類負(fù)載、變幻類負(fù)載及流水類負(fù)載。本例所選彩燈變幻花樣為逐次閃爍方式：程序開始時(shí)，燈1（Q0.0）、燈2（Q0.1）亮；一次循環(huán)掃描且定時(shí)時(shí)間到后，燈1（Q0.0）滅，燈2（Q0.1）亮、燈3（Q0.2）亮；再次循環(huán)掃描且定時(shí)時(shí)間到后，燈2（Q0.1）滅，燈3（Q0.2）亮、燈4（Q0.3）亮。其動(dòng)作時(shí)序表如下表8-7所示，梯形圖如圖8-28所示。,返回,8.5.4十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制,控制要求：,接通啟動(dòng)按鈕后，信號(hào)燈開始工作，南北向紅燈、東西向綠燈同時(shí)亮；東西向綠燈亮30s后，閃爍3次（每次0.5s），接著東西向黃燈亮，2s后東西向紅燈亮，35s后東西向綠燈又亮，如此不斷循環(huán)，直至停止工作；南北向紅燈亮35s后，南北向綠燈亮，30s后南北向綠燈閃爍3次（每次0.5s），接著南北向黃燈亮，2s后南北向紅燈又亮，如此不斷循環(huán)，直至停止工作。,返回,8.5.4十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制,交通信號(hào)燈設(shè)置示意圖,8.5.4十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制,交通信號(hào)燈時(shí)序圖,8.5.4十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制,交通信號(hào)燈輸入輸出分配表,8.5.4十字路口交通信號(hào)燈的PLC控制,交通信號(hào)燈I/O接線圖,8.5.5造紙廠堿回收蒸發(fā)工段PLC控制,整個(gè)蒸發(fā)工段控制系統(tǒng)的控制信號(hào)主要有開關(guān)量輸入信號(hào)（切斷閥、泵的狀態(tài)反饋等）、開關(guān)量輸出信號(hào)（切斷閥、泵的控制等）、模擬量輸入信號(hào)（如溫度、壓力、液位等）、模擬量輸出信號(hào)（調(diào)節(jié)閥的控制等）。整個(gè)蒸發(fā)工段控制系統(tǒng)需要控制與檢測(cè)的變量有：66個(gè)模擬量輸入（AI）、23個(gè)模擬量輸出（AO）、10個(gè)數(shù)字量輸入（DI）和19個(gè)數(shù)字量輸出（DO）。表8-9給出了部分測(cè)控點(diǎn)。,返回,8.5.5造紙廠堿回收蒸發(fā)工段PLC控制,控制系統(tǒng)硬件配置圖,8.5.5造紙廠堿回收蒸發(fā)工段PLC控制,蒸發(fā)工段控制工程視圖,8.6提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施,PLC專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其顯著特點(diǎn)之一就是高可靠性，為了提高PLC的可靠性，PLC本身在軟、硬件上均采取了一系列抗干擾措施，在一般工廠內(nèi)使用完全可以可靠地工作，一般平均無(wú)故障時(shí)間可達(dá)幾萬(wàn)小時(shí)。在過于惡劣的環(huán)境條件下，如強(qiáng)電磁干擾、超高溫、超低溫、過欠電壓等情況，或安裝使用不當(dāng)?shù)?，都可能?dǎo)致PLC內(nèi)部存儲(chǔ)信息的破壞，引起控制紊亂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)部的元器件損壞。為了提高PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，必須選擇合理的抗干擾措施，使系統(tǒng)正?？煽康墓ぷ?。,返回,8.6.1PLC安裝的環(huán)境條件,要提高PLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產(chǎn)廠家提高設(shè)備的抗干擾能力；另一方面，要求設(shè)計(jì)、安裝和使用維護(hù)中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應(yīng)注意以下問題：,溫度：PLC要求環(huán)境溫度在055oC；濕度：空氣的相對(duì)濕度應(yīng)在35%85%（無(wú)凝露）。震動(dòng)：應(yīng)使PLC遠(yuǎn)離強(qiáng)烈的震動(dòng)源。空氣：避免有腐蝕和易燃的氣體。電源：PLC對(duì)于電源線的干擾具有一定的抵制能力。,8.6.2抗干擾措施,現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素，所謂治標(biāo)先治本，找出問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場(chǎng)干擾的源頭。干擾源及分類：影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射；磁場(chǎng)改變產(chǎn)生電流，電磁高速產(chǎn)生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。,8.6.2抗干擾措施,干擾來(lái)源及途徑：強(qiáng)電干擾；柜內(nèi)干擾；信號(hào)線引入的干擾；接地系統(tǒng)混亂時(shí)的干擾；PLC系統(tǒng)內(nèi)部的干擾；變頻器干擾。抗干擾措施：合理處理電源，抑制電網(wǎng)引入干擾；安裝與布線：動(dòng)力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應(yīng)分別配線，隔離變壓器與PLC和I/O之間應(yīng)采用雙膠線連接；輸入接線一般不要太長(zhǎng)。但如果環(huán)境干擾較小，電壓降不大時(shí)，輸入接線可適當(dāng)長(zhǎng)些；正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)；變頻器干擾的抑制。,8.6.3PLC系統(tǒng)的故障檢查,表8-10給出了S7-200主要硬件故障診斷指導(dǎo)相關(guān)內(nèi)容。,8.6.4PLC系統(tǒng)的試運(yùn)行與維護(hù),運(yùn)行錯(cuò)誤信息：PLC在運(yùn)行中發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，一般會(huì)給出錯(cuò)誤信息。利用簡(jiǎn)單編程器可讀出錯(cuò)誤信息，從而有針對(duì)性地去排除故障。主要故障檢查：總體檢查；電源故障檢查；致命錯(cuò)誤檢查；非致命錯(cuò)誤檢查；輸入輸出檢查；環(huán)境條件檢查。維護(hù)檢查：PL