控制系統(tǒng)設(shè)計

一、

概述二、

梯形圖的基本電路三、

梯形圖的經(jīng)驗設(shè)計方法四、

梯形圖的邏輯設(shè)計方法五、

梯形圖的順序控制設(shè)計方法六、

多種工作方式的程序設(shè)計七、

搶答器一、

概述控制系統(tǒng)設(shè)計包括硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循以下基本原則：控制系統(tǒng)應(yīng)安全、可靠、實用，且易于維修；在滿足控制要求的前提下，系統(tǒng)應(yīng)力求簡單、經(jīng)濟，性價比高；考慮到今后的發(fā)展和工藝的改進，在硬件配置上應(yīng)留有一定的裕量。1.設(shè)計的原則弄清開關(guān)量、模擬量還是數(shù)字量控制？其規(guī)模有多大？I/O點數(shù)有多少？模擬量的路數(shù)和位數(shù)各多少？數(shù)字量控制時，控制器接收或輸出高速脈沖的頻率是多少？是否有數(shù)據(jù)采集、顯示監(jiān)控的要求？是否有PID運算、閉環(huán)控制和通信聯(lián)網(wǎng)等更高的要求？2.系統(tǒng)分析1）對生產(chǎn)的工藝過程進行深入調(diào)查，明確控制系統(tǒng)的任務(wù)2）弄清操作方式和在每一種操作方式下應(yīng)完成的動作操作方式：通常分手動、自動，自動方式又分單周期（半自動）、連續(xù)（全自動）。完成的動作：動作順序、動作條件、必需的保護和聯(lián)鎖等。

3）弄清控制器的使用環(huán)境控制器使用時，對環(huán)境溫度、防潮、防塵、防腐、防震、防電磁干擾都有相應(yīng)的要求。2.硬件電路設(shè)計1）選擇控制器機型基本原則：滿足控制要求前提下，保證可靠、維護方便、最佳性價比

。（1）性能與任務(wù)相適應(yīng)：主要指標有最大I/O點數(shù)，工作速度，內(nèi)存容量、內(nèi)存配置，工作電源，控制器的輸出方式，特殊功能配置，控制器的安裝尺寸（2）控制器結(jié)構(gòu)合理、機型統(tǒng)一：同一個企業(yè)里，應(yīng)盡量使機型一致。（3）可靠性可靠性是第一位問題，控制系統(tǒng)應(yīng)能長時間、可靠地工作。應(yīng)盡可能選擇使用廣泛、口碑好的大公司產(chǎn)品應(yīng)考慮生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)、技術(shù)支持

重要行業(yè)（如發(fā)電廠、港口），采用雙機熱備或冗余配置2）選擇輸入元件、輸出執(zhí)行元件輸入元件：按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器、液位開關(guān)、變送器等。輸出執(zhí)行元件：接觸器、電磁閥、指示燈、數(shù)碼管等。對上述外圍器件應(yīng)按控制要求，從實際出發(fā)，選擇合適的類別、型號和規(guī)格。3）進行I/O點的分配，設(shè)計控制線路、主電路（1）I/O點的分配建立I/O點與輸入、輸出元件對應(yīng)關(guān)系：利于記憶、方便編程、節(jié)省配線。為了減少投資，用一些方法節(jié)省控制器的I/O點數(shù)。如：單按鈕控制啟動/停止，相同控制功能的按鈕并聯(lián)使用，等等。（2）設(shè)計控制線路控制器的輸入端可以使用自身配置的DC24V電源。如果該電源還用于其他目的，注意不要超過其額定容量?？刂破鞯妮敵龆诵枰⒁獾膯栴}：在控制器的輸出回路中串入保險絲，作為短路保護用。如輸出端接感性負載時，要考慮接入相應(yīng)保護電路，保護控制器輸出點。交流感性負載使用RC吸收電路，直流感性負載使用RC吸收電路或續(xù)流二極管。如果輸出端的負載電流超過最大限額，可先外接繼電器，然后驅(qū)動負載。裝接外部緊急停車電路。當運行中發(fā)生故障時，按緊急停車按鈕，切斷負載電源。（3）設(shè)計主電路

按照繼電器控制電路的設(shè)計規(guī)范進行。3.軟件程序設(shè)計（1）熟悉控制器指令系統(tǒng)和內(nèi)部軟器件（2）程序應(yīng)結(jié)構(gòu)分明、層次清楚（3）程序應(yīng)能正確、可靠地實現(xiàn)控制功能邏輯設(shè)計法經(jīng)驗設(shè)計法順序控制設(shè)計法設(shè)計方法注意問題5.系統(tǒng)調(diào)試安裝完畢后先對各單元環(huán)節(jié)和各電柜分別進行調(diào)試，然后按動作順序，模擬輸入控制信號，逐步進行調(diào)試。如果有問題，修改軟件，必要時再調(diào)整硬件，直到符合要求。先畫出控制器的電源進線接線圖和輸出執(zhí)行元件的供電接線圖；畫出電氣柜內(nèi)元器件布置圖、相互間接線圖；畫出控制面板元器件布置圖?，F(xiàn)場安裝要安全、正確、可靠、合理、美觀，要處理好控制器的接地，注意提高系統(tǒng)的抗干擾能力。4.制作控制柜及現(xiàn)場施工6.編制技術(shù)文件系統(tǒng)調(diào)試和運行成功后，整理技術(shù)資料，編制技術(shù)文件，包括電氣原理圖、元件明細表、軟件清單、使用說明書等。二、

梯形圖的基本電路1.啟保停電路按一下啟動按鈕SB1，IN01常開觸點閉合，使OUT00線圈得電，其常開觸點閉合，維持OUT00線圈繼續(xù)得電，接觸器KM通電，電機運轉(zhuǎn)。具有自鎖或自保持作用。按一下停止按鈕，IN02常閉觸點斷開，使OUT00線圈斷電，接觸器KM也斷電，電機停轉(zhuǎn)。IN01IN02OUT00OUT00（a）梯形圖啟保停電路停止按鈕啟動按鈕（b）外部接線圖2.雙向控制電路按一下正轉(zhuǎn)啟動按鈕SB1，IN00常開觸點閉合，使OUT00線圈得電并自鎖，KM1得電，電機正轉(zhuǎn)；此時若按一下反轉(zhuǎn)啟動按鈕，IN01常閉觸點斷開，使OUT00線圈斷電，電機正轉(zhuǎn)停止，由于IN01常開觸點閉合，使OUT01線圈得電并自鎖，KM2得電，電機反轉(zhuǎn)；電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)過程中若按一下停止按鈕，則IN02常閉觸點斷開，使OUT00或OUT01線圈斷電，電機停轉(zhuǎn)。雙向控制電路3.電動機Y-△降壓啟動控制啟動按鈕SB1：IN00停止按鈕SB2：IN01供電電源接觸器KM1：OUT00Y連接接觸器KM2：OUT01△連接接觸器KM3：OUT02按下啟動按鈕后，KM1與KM2接通，電動機繞組星形連接降壓啟動；Y-△換接時，KM2斷開，KM3接通，繞組接成三角形全壓運行。運行過程：4.單按鈕啟停控制采用一個按鈕進行啟停控制，可節(jié)省控制器的一個輸入點。用基本指令設(shè)計單按鈕啟?？刂朴肧ET/RESET指令設(shè)計單按鈕啟停控制5.優(yōu)先權(quán)程序控制器對多個輸入信號的響應(yīng)有時有順序要求，例如，當多個信號輸入時，優(yōu)先響應(yīng)級別高的，或者有多個輸入信號時，響應(yīng)最先輸入的信號。級別高的信號優(yōu)先響應(yīng)先輸入先響應(yīng)6.分頻器（b）波形二分頻器如圖所示，W02的頻率為IN00頻率的一半。（a）程序7.脈沖發(fā)生器1）單脈沖發(fā)生器a）上升沿產(chǎn)生脈沖b）下降沿產(chǎn)生脈沖2）連續(xù)脈沖發(fā)生器圖為定時器實現(xiàn)的脈沖序列發(fā)生器。定時器實現(xiàn)的脈沖序列發(fā)生器自復(fù)位計數(shù)器也可以產(chǎn)生周期性脈沖序列，如圖所示。計數(shù)器實現(xiàn)的脈沖序列發(fā)生器下圖是一個脈沖寬度可調(diào)、占空比為1:1的連續(xù)脈沖發(fā)生器。脈沖寬度可調(diào)、占空比為1:1的脈沖發(fā)生器下圖是一個脈沖寬度和占空比均可調(diào)的連續(xù)脈沖發(fā)生器。脈沖寬度和占空比均可調(diào)的連續(xù)脈沖發(fā)生器8.雙延時定時器所謂雙延時定時器，是指通電和斷電均延時的定時器，用兩個定時器完成雙延時控制，如圖所示。雙延時定時器三、

梯形圖的經(jīng)驗設(shè)計方法經(jīng)驗設(shè)計法是根據(jù)自己或別人已有的經(jīng)驗來編程。通常是選擇現(xiàn)有的繼電器控制電路或控制程序，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，進行修改和完善，直到滿足要求為止。經(jīng)驗設(shè)計法沒有普遍規(guī)律可以遵循，隨意性較大，設(shè)計的質(zhì)量與編程者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，最后的程序也不是唯一的。從繼電器控制電路向梯形圖轉(zhuǎn)換時，為啟動按鈕、停止按鈕、行程開關(guān)等輸入元件分配控制器輸入點，為接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件分配控制器輸出點。輸入元件與控制器連接時，啟動按鈕用常開觸點，停止按鈕既可用常開也可用常閉，若對安全性要求高，則停止按鈕選用常閉觸點。繼電器控制電路的中間繼電器和時間繼電器用控制器內(nèi)部對應(yīng)的繼電器取代。熱繼電器的信號可以接到控制器輸入端，也可以接到控制器的輸出端的外部控制電路中。例1：送料小車自動控制系統(tǒng)的梯形圖設(shè)計送料小車在行程開關(guān)ST1處裝料，15秒后裝料結(jié)束，開始右行，碰到行程開關(guān)ST2后停下來卸料，10秒后左行，碰到行程開關(guān)ST1又停下來裝料，這樣不停地循環(huán)工作。系統(tǒng)設(shè)置右行啟動按鈕SB1、左行啟動按鈕SB2和停止按鈕SB3。在右行或左行中的任意位置都能停止或啟動。小車的繼電器控制電路中，中間繼電器KA的作用是失壓保護，防止小車在左限位或右限位時，斷電恢復(fù)供電后突然啟動，必須經(jīng)人工啟動后小車才能運行，從而確保系統(tǒng)的安全性。繼電器控制電路（1）I/O分配輸入：右行啟動按鈕SB1

左行啟動按鈕SB2

停止按鈕SB3 左端行程開關(guān)ST1 右端行程開關(guān)ST2 輸出：右行接觸器KM1 左行接觸器 KM2 裝料電磁閥 YV1 卸料電磁閥 YV2 （2）設(shè)計梯形圖例2：電動機優(yōu)先啟動控制。有5個電動機M1~M5，都有啟動和停止控制按鈕，要求按順序啟動，即前級電動機不啟動時，后級電動機無法啟動；前級電動機停，后級電動機也都停。（1）I/O分配輸入：5個啟動按鈕SB1~SB5

5個停止按鈕SB6~SB10 輸出：5個控制電動機的接觸器KM1~KM5（2）設(shè)計梯形圖四、

梯形圖的邏輯設(shè)計方法使用邏輯設(shè)計法時，將控制問題轉(zhuǎn)化為組合邏輯或時序邏輯問題，按照邏輯代數(shù)的方法求解，最后轉(zhuǎn)換成梯形圖。邏輯設(shè)計法是一種系統(tǒng)化的方法，具有嚴密可循的規(guī)律性和可行的設(shè)計步驟，設(shè)計思路清晰，考慮問題全面，設(shè)計過程中要用到卡諾圖或邏輯代數(shù)公式化簡?；具壿嫳磉_式與梯形圖的對應(yīng)關(guān)系基本邏輯表達式梯形圖邏輯“與”

y=x1·x2邏輯“或”

y=x1+x2邏輯“非”

y=x1“或”/“與”運算式

y=(x1+x2)·x3·x4“與”/“或”運算式

y=x1·x2+

x3·x4

（1）I/O分配輸入：三個開關(guān)IN00~IN02輸出：燈OUT00

（2）設(shè)計梯形圖開關(guān)1、0表示接通或斷開兩個狀態(tài);燈1、0表示亮或滅兩個狀態(tài)。表為三個開關(guān)控制一個燈的真值表，一共8種組合，分成兩組;奇數(shù)個1為1組，4個組合，對應(yīng)燈亮；偶數(shù)個1為另一組，有4個組合，對應(yīng)燈滅。任何一個開關(guān)狀態(tài)的改變，都可以把組合從一組改到另一組，從而實現(xiàn)所要求的控制。例1：三個開關(guān)控制一個燈，任何一個開關(guān)都可以改變燈的狀態(tài)，即控制燈的亮或滅。由邏輯表達式畫出梯形圖，如圖所示。OUT00=IN00·IN01·IN02+IN00·IN01·IN02+IN00·IN01·IN02+IN00·IN01·IN02邏輯表達式為：三個開關(guān)控制一個燈（1）I/O分配

輸入：風(fēng)機狀態(tài)1~3IN00~IN02控制開關(guān) IN03輸出：信號燈 OUT00例2：通風(fēng)機監(jiān)視，有三個通風(fēng)機，設(shè)計一個監(jiān)視系統(tǒng)，監(jiān)視通風(fēng)機的運轉(zhuǎn)。要求如下：如果兩個或兩個以上在運轉(zhuǎn)，信號燈就持續(xù)發(fā)亮；如果只有一個通風(fēng)機在運轉(zhuǎn)，信號燈就以0.5Hz的頻率閃爍；如果三個通風(fēng)機都不運轉(zhuǎn)，信號燈就以2Hz的頻率閃爍。用一個開關(guān)來控制系統(tǒng)的工作，開關(guān)閉合時系統(tǒng)工作，開關(guān)斷開時，系統(tǒng)不工作，信號燈熄滅。

W00、W01、W02的控制電路設(shè)計：

W00~W02和IN00~IN02的關(guān)系可用真值表列出，如表所示。（2）設(shè)計梯形圖通風(fēng)機運轉(zhuǎn)有三種情況用三個內(nèi)部變量W00~W02表示這三種狀態(tài)，再由這三個繼電器控制指示燈。從邏輯關(guān)系上W01可由W00、W02來表示：W02=IN00·IN01·IN02W01=IN00·IN01·IN02+IN00·IN01·IN02+IN00·IN01·IN02W00=IN00·IN01·IN02+IN.00·IN01·IN02+IN00·IN01·IN02+IN.00·IN01·IN02=IN00·IN01+IN.00·IN02+IN01·IN02W01=W00·W02。寫出W00~W02的邏輯表達式，并用邏輯代數(shù)的公式化簡如下：由邏輯表達式可以畫出梯形圖。信號燈梯形圖五、

梯形圖的順序控制設(shè)計方法1)順序控制的特點1.順序控制設(shè)計方法送料小車在行程開關(guān)ST1處裝料，15秒后裝料結(jié)束，開始右行，碰到行程開關(guān)ST2后停下來卸料，10秒后左行，碰到行程開關(guān)ST1又停下來裝料，這樣不停地循環(huán)工作。工作過程特點：系統(tǒng)的工作過程可以分為若干步（如第一步裝料，第二步右行，第三步卸料，第四步左行等），當滿足某個條件時（如時間15秒、碰到行程開關(guān)等），系統(tǒng)從當前步轉(zhuǎn)入下一步，同時上一步的動作結(jié)束。步進工作過程，可以用順序功能圖來描述。例如小車送料控制系統(tǒng)的順序功能圖如圖所示，該順序功能圖可直觀、清晰地描述小車的工作過程。2)順序功能圖及其對應(yīng)的梯形圖順序功能圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或流程圖，是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性一種圖形，由步、轉(zhuǎn)換條件、有向連線、動作來組成。步用矩形框表示，框內(nèi)數(shù)字表示步編號。順序功能圖基本結(jié)構(gòu)：（1）單序列結(jié)構(gòu)（2）選擇序列結(jié)構(gòu)（3）并行序列結(jié)構(gòu)順序功能圖中的步可用典型的啟保停電路控制。如果步Si的前級步Si－1是活動的（Si－1=1）并且它們之間轉(zhuǎn)換條件Ci成立（Ci=1），步Si應(yīng)變?yōu)榛顒拥摹Ｋ圆絊i的啟動電路由Si－1和Ci的常開觸點串聯(lián)而成。Ci一般是短信號，所以用Si的常開觸點實現(xiàn)自鎖。當后續(xù)步Si＋1變?yōu)榛顒硬綍r，Si應(yīng)斷開。所以將Si＋1的常閉觸點與Si的線圈串聯(lián)。典型步的控制電路典型步的控制電路a)步S00b)步S01c)步S06d)步S09e)步S12f)步S152.順序控制程序設(shè)計舉例例1：圖為一動力頭進給運動的示意圖。初始狀態(tài)時，動力頭停在ST3處，按一下啟動按鈕后，動力頭快進；碰到行程開關(guān)ST1時，改為工進；碰到行程開關(guān)ST2時，改為快退；快退碰到行程開關(guān)ST3時，停止。（1）I/O分配輸入：三個行程開關(guān)：IN01、IN02、IN03；啟動按鈕：IN00輸出：三個電磁閥：OUT00、OUT01、OUT02。（2）畫出順序功能圖

順序功能圖如圖（a）所示,進一步改畫為圖（b）（3）設(shè)計梯形圖順序功能圖及梯形圖例2：兩處送料小車的控制梯形圖。初始狀態(tài)小車空車停在行程開關(guān)ST1處，按一下啟動按鈕，小車在ST1處裝料；15秒后裝料結(jié)束，開始右行；碰到行程開關(guān)ST2后停下來卸料；10秒后左行，碰到行程開關(guān)ST1又停下來裝料；15秒后裝料結(jié)束，開始右行，碰到行程開關(guān)ST3后停下來卸料，10秒后左行，碰到行程開關(guān)ST1又停下來裝料。這樣循環(huán)工作，直到按一下停止按鈕，小車在完成最后一個周期的工作后空車停在ST1處。

（2）畫出順序功能圖

系統(tǒng)是一種連續(xù)工作方式，即在初始點ST1處，按一下啟動按鈕，系統(tǒng)進行連續(xù)循環(huán)工作，直到按一下停止按鈕，系統(tǒng)在完成最后一個周期的工作后，停止在初始點。（1）I/O分配順序功能圖（3）設(shè)計梯形圖

例3：用傳送帶傳送長物體的控制系統(tǒng)如圖所示。為了減少傳送帶的運行時間，采用分段傳送方式。A、B為兩條傳送帶，GK1、GK2為兩個光電開關(guān)，工作過程如下：按一下啟動按鈕，A開始運行，B不運行；當長物體前端靠近GK1時，A、B都運行；當長物體后端離開GK1時，B運行，A不運行；當長物體后端離開GK2時，A、B都不運行。（1）I/O分配（2）畫出順序功能圖順序功能圖如圖所示。表示轉(zhuǎn)換條件為IN00OFF，IN01↓表示轉(zhuǎn)換條件為IN01的下降沿微分。IN00順序功能圖（3）設(shè)計梯形圖六、

多種工作方式的程序設(shè)計很多工業(yè)控制設(shè)備設(shè)置有以下幾種工作方式：手動、單周期、連續(xù)，后兩種屬于自動工作方式。以運料小車的控制系統(tǒng)為例，介紹多種工作方式的程序設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)有3種工作方式，由工作方式選擇開關(guān)確定。工作示意圖操作面板工作方式開關(guān)撥到手動位置，IN02接通。按住右行按鈕IN05，小車右行，松開按鈕或碰到ST2（IN01），右行停止。按住左行按鈕IN06，小車左行，松開按鈕或碰到ST1（IN00），左行停止。小車停在IN00處時，按住裝料按鈕IN07，小車裝料，松開按鈕，裝料停止。小車停在IN01處時，按住卸料按鈕IN08，小車卸料，松開按鈕，卸料停止。1）手動工作方式2）單周期工作方式工作方式開關(guān)撥到單周期位置，IN03接通。小車在左限位ST1時，按一下啟動按鈕IN09后，小車裝料15秒，右行至ST2處停止，卸料10秒，左行至ST1停止，一個運行周期結(jié)束。如要小車再次工作，需再按啟動按鈕，即按一下啟動按鈕，小車只能工作一個周期。工作方式開關(guān)撥到連續(xù)位置，IN04接通。在初始狀態(tài)按一下啟動按鈕IN09后，小車工作一個周期返回左限位ST1處，接著小車又開始下一個周期的工作，小車不停地連續(xù)循環(huán)工作，直到按一下停止按鈕IN10后，才停止工作。3）連續(xù)工作方式3種工作方式切換時，需滿足以下條件。1）自動工作方式下，手動按鈕不起作用。2）從手動切換到自動時，手動動作馬上停止。3）從自動切換到手動時，自動動作馬上停止。4）從單周期切換到連續(xù)時，小車在當前周期運行結(jié)束后停止，需要按下啟動按鈕后，連續(xù)工作方式才開始運行。5）從連續(xù)切換到單周期時，小車在當前周期運行結(jié)束后停止，需要按下啟動按鈕后，單周期工作方式才開始運行。6）自動過程中，按下停止按鈕后，小車需完成當前周期動作才能停止運行。

運料小車自動運行的順序功能圖如圖所示。W01表示手動轉(zhuǎn)到自動時的上升沿。A00表示自動方式下的連續(xù)運行狀態(tài)，A00為“1”時表示處在連續(xù)運行狀態(tài)，為“0”時表示連續(xù)運行處在停止狀態(tài)。運料小車自動運行的順序功能圖運料小車控制程序程序說明如下：（1）手動程序手動按鈕IN05~IN08控制小車的各個動作，程序中設(shè)置了一些必要的互鎖。（