電氣控制與PLC應(yīng)用

（第八章）張明第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)：2

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

38.1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

返回可編程控制系統(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；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。58.1.3PLC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。68.1.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟圖8-1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟78.2PLC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或工控機(jī)IPC）來完成該任務(wù)最合適。

返回88.2.1PLC的選型

當(dāng)確定由PLC來完成控制后，設(shè)計(jì)者接下來要解決兩個(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，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)。然后對(duì)用戶存儲(chǔ)器容量進(jìn)行估算。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。98.2.2I/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。如下表所示：

輸入信號(hào)輸出信號(hào)停止按鈕SB1I0.0正轉(zhuǎn)接觸器KM1反轉(zhuǎn)接觸器KM2Q0.1Q0.2起動(dòng)按鈕SB2I0.1點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3I0.2108.2.3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)?？傊?，PLC的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

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)。

118.3PLC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128.3.2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。

138.3.3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。

14本節(jié)小結(jié)：在編程語言的選擇上，用梯形圖編程還是用語句表編程或使用功能圖編程，這主要取決于以下幾點(diǎn)：

有些PLC使用梯形圖編程不是很方便，則可以使用語句表編程，但是梯形圖總比語句表直觀。經(jīng)驗(yàn)豐富的人員可以使用語句表直接編程，就像使用匯編語言一樣。如果是清晰的單順序、選擇順序或并發(fā)順序的控制任務(wù)，則最好用順序功能圖來設(shè)計(jì)。158.4PLC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161.電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止控制程序：輸入信號(hào)輸出信號(hào)停止按鈕SB1I0.1接觸器KMQ0.1起動(dòng)按鈕SB2I0.2表8-1I/O分配表

圖8-3I/O接線圖

圖8-4停止優(yōu)先梯形圖圖8-5起動(dòng)優(yōu)先梯形圖注意：常閉按紐在編程中的變化8.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)返回178.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)2.具有點(diǎn)動(dòng)功能電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、停止控制程序

輸入信號(hào)輸出信號(hào)停止按鈕SB1I0.0接觸器KMQ0.1起動(dòng)按鈕SB2I0.1點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3I0.2表8-2I/O分配表

圖8-6起、停、點(diǎn)動(dòng)控制I/O接線圖

圖8-7電動(dòng)機(jī)起、停、點(diǎn)動(dòng)控制

188.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)3.電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制程序

輸入信號(hào)輸出信號(hào)停止按鈕SB1I0.0正轉(zhuǎn)接觸器KM1反轉(zhuǎn)接觸器KM2Q0.1Q0.2起動(dòng)按鈕SB2I0.1點(diǎn)動(dòng)按鈕SB3I0.2表8-3I/O分配表

圖8-9電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)梯形圖198.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)4.通電禁止輸出程序

圖8-10通電禁止輸出梯形圖PLC上電進(jìn)入RUN狀態(tài)時(shí)，SM0.3接通一個(gè)掃描周期。使M1.0置1，M1.0的常閉接點(diǎn)切斷了輸出線圈Q1.0、Q1.1…Q2.3的控制邏輯，故輸出被禁止。只有接通允許工作的按鈕Il.0時(shí)，M1.0被復(fù)位，輸出線圈Q1.0、Q1.1…Q2.3才有可能輸出。208.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)5.閃爍電路閃爍電路實(shí)際上就是一個(gè)時(shí)鐘電路。它可以是等間隔的通斷，也可以是不等間隔的通斷。圖8-11為一個(gè)典型閃爍電路的程序及時(shí)序圖。在該例中，當(dāng)I0.0有效時(shí)，T37就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1s通、2s斷的閃爍信號(hào)。Q0.0和T37一樣開始閃爍。圖8-11閃爍電路

218.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)6.報(bào)警電路

輸入信號(hào)I0.0故障I1.0消鈴I1.1測(cè)試輸出信號(hào)Q0.0警燈Q0.7警鈴I/O分配表圖8-13標(biāo)準(zhǔn)故障報(bào)警

228.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)7.高精度時(shí)鐘程序

圖8-15高精度時(shí)鐘梯形圖

輸入信號(hào)I0.1、I0.2用于建立期望的時(shí)鐘設(shè)置，即調(diào)整分針、時(shí)針。238.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)8.脈沖寬度可控制電路

在輸入信號(hào)寬度不規(guī)范的情況下，要求在每一個(gè)輸入信號(hào)的上升沿產(chǎn)生一個(gè)寬度固定的脈沖，該脈沖寬度可以調(diào)節(jié)。如果輸入信號(hào)的兩個(gè)上升沿之間的距離小于該脈沖寬度，則忽略輸入信號(hào)的第二個(gè)上升沿。圖8-16脈沖寬度可控制電路248.4.1應(yīng)用程序的典型環(huán)節(jié)9.分頻電路

由于M0.1常閉觸點(diǎn)的作用，M0.0在I0.1每次有效信號(hào)時(shí)間內(nèi)僅接通一個(gè)掃描周期的導(dǎo)通信號(hào)，即單脈沖。圖8-17二分頻電路258.4.2PLC控制程序設(shè)計(jì)技巧減少輸入點(diǎn)的方法：1.用二極管隔離的分組輸入法;控制系統(tǒng)一般具有手動(dòng)和自動(dòng)的兩種工作方式。由于手動(dòng)與自動(dòng)是不同時(shí)發(fā)生的，可分成兩組，并由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA選擇自動(dòng)(位置2)和手動(dòng)(位置1)的工作位置，如圖8-18所示。這樣一個(gè)輸入點(diǎn)就可當(dāng)作兩個(gè)輸入點(diǎn)使用。二極管的作用是避免產(chǎn)生寄生電路，保證信號(hào)的正確輸入。

圖8-18用二極管隔離輸入法

268.4.2PLC控制程序設(shè)計(jì)技巧減少輸入點(diǎn)的方法：2.觸點(diǎn)合并輸入法;圖8-19I/O接線圖輸入信號(hào)輸出信號(hào)甲、乙停止按鈕串聯(lián)（SB1*SB2）I0.0I0.1接觸器KMQ0.5甲、乙起動(dòng)按鈕并聯(lián)（SB3+SB4）表8-4I/O分配表

圖8-20I/O梯形圖

278.4.2PLC控制程序設(shè)計(jì)技巧減少輸入點(diǎn)的方法：3.單按鈕啟、?？刂瞥绦?圖8-21單按鈕控制梯形圖

現(xiàn)介紹只用一個(gè)按鈕，通過軟件編程，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)與停止的控制。如圖8-21所示，I0.0作為起動(dòng)、停止按鈕的地址，第一次按下時(shí)Q1.0有輸出，第二次按下時(shí)Q1.0無輸出，第三次按下Q1.0又有輸出。288.4.2PLC控制程序設(shè)計(jì)技巧減少輸出點(diǎn)的方法：圖8-22并聯(lián)輸出法

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)，如圖8-22所示。圖8-22并聯(lián)輸出法，兩個(gè)負(fù)載并聯(lián)共用一個(gè)輸出點(diǎn)，應(yīng)注意兩個(gè)輸出負(fù)載電流總和不能大于輸出端子的負(fù)載能力。298.5PLC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。可選用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?/p>

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30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M1→M2→M3→M4。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

311.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

輸入信號(hào)停止按鈕SB1I0.0啟動(dòng)按鈕SB2I0.1輸出信號(hào)接觸器KM1Q0.0接觸器KM2Q0.1接觸器KM3Q0.2接觸器KM4Q0.3表8-5輸入輸出分配表

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