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1、第7章 PLC高级应用,7.1 PLC 应用系统设计调试方法 7.2 降低 PLC 系统费用的方法 7.3 提高系统的可靠性 7.4 高级应用程序的设计、调试经验与技巧,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,PLC 已广泛地应用在工业控制的各个领域，由于PLC 的应用场合多种多样。随着 PLC 自身功能不断增强，PLC 应用系统也越来越复杂，对 PLC 应用系统设计人员的要求也越来越高。PLC 应用系统设计流程如图 7.1 所示，如果输入/输出量较多，建议先作硬件设计，再作软件设计，这样有利于编程元件地址的统筹安排。下面按图 7.1 所示的流程对 PLC 应用系统的设计进行介绍。,返回,
2、7.1 PLC 应用系统设计调试方法,7.1.1 系统规划 系统规划是应用系统设计的关键阶段，规划得不好，在应用系统设计和施工上就会遇到很多困难，下面讨论一些基本问题。 1. 明确设计目的 设计一个新系统，希望它能干什么？如果对现有的系统进行技术改造，它现在能干什么？改造完之后希望它能干什么？ 2. 详细了解系统的功能与要求 应详细了解被控对象的全部功能，如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与联锁，系统要求哪些工作方式（如手动、自动、半自动、单步等），设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系，PLC 与其他智能设备（如别的 PLC、计算机、,下一页,返回,7.1 PLC 应
3、用系统设计调试方法,变频器等）之间的关系。PLC 是否需要通信联网，是否需要设置远程 I/O，需要显示哪些数据及显示的方式，电源突然停电及紧急情况的处理，安全电路的设计，是否需要设置 PLC 之外的手动的或机电的联锁装置来防止危险的操作。 还应了解系统的运行环境、运行速度、加工精度、可重复性、成本的限制和工期要求等。可与该设备或系统有关的工艺、机械方面的技术人员、运行人员和维修人员进行交流，获得全面的信息。 3. 查阅技术文档 如果对现有设备进行改造，可以参阅有关的文件资料，如设计图、原理图和继电器电路图等，在设计新系统时可参考系统的工艺流程图、原理图和机械图等。,上一页,下一页,返回,7.1
4、 PLC 应用系统设计调试方法,7.1.2 系统设计 在完成系统规划的基础上进行系统设计。系统设计是指对控制系统总体方案的设计，主要解决人机接口和通信方面的问题。 1. 人机接口的选择 人机接口用于操作人员与 PLC 之间的信息交换。使用单台 PLC 的小型开关量控制系统一般用指示灯、报警器、按钮和操作开关来作为人机接口。PLC 本身的数字输入和数字显示功能较差，可以用 PLC 的开关量 I/O 点来实现数字的输入和显示。为了减少占用的 I/O 点数，有的 PLC 厂家设计了有关的应用指令，如三菱 FX 系列 PLC 的 7 段显示指令、方向开关指令、16 键输入指令、数字开关（即拨码开关）输
5、入指令等。这些指令简化了编程，但是需要用户自制硬件,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,为了实现小型 PLC 的低成本数据输入和显示，有的 PLC 厂家推出了价格便宜的产品。如三菱公司的 FX1N5DM 微型显示模块可以监视和修改 PLC 的内部数据；西门子公司的 TD 200 文本显示器可显示 20 个汉字或 40 个字符。可用编程软件方便地设置显示内容，也可用它修改用户程序中的变量。 对于要求较高的大中型控制系统，可选用较高档的操作员接口（或称可编程终端），有的只能显示字符，有的可以显示单色或彩色的图形，有的带有触摸键功能（俗称触摸屏）。这产品可用于工业现场，工作可
6、靠，它们有专用的组态软件，可以方便地生成各种画面，但是价格较高。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,也可用计算机作为人机接口，普通台式机的价格便宜，但是对工作环境的要求较高，可在控制室内使用。如果要求将计算机安装在现场的控制屏内，一般应选用价格较高、使用液晶显示器的工业控制计算机，有的显示器也有触摸键功能。 上位计算机的程序可以用 VC、VB 等软件来开发，也可以用组态软件来生成控制系统的监控程序。使用组态软件可以很容易地实现计算机与现场工业设备（如PLC）的通信，和生成用户需要的有动画功能的各种人机接口画面，组态软件的入门也很容易。但是组态软件的价格较高，一套软件只
7、能使用一次。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,2. 系统的冗余设计 某些生产过程必须连续不断地进行，因此要求控制装置有极高的可靠性，在 PLC 出现故障时，也不允许停止生产，这种系统可以使用有冗余控制功能的 PLC。冗余控制系统一般采用 2 个或 3 个 CPU 模块，其中一个直接参与控制，其余的作为备用。参与控制的 CPU 出现故障时，立即投入备用 CPU。为了进一步提高系统的可靠性，某些重要的 I/O 模块、通信模块和通信电缆也应采取冗余措施。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,7.1.3 PLC 及其组件的选型 1. PLC 的型号选
8、择 在确定 PLC 的型号时，应考虑以下问题。 （1）PLC 的硬件功能 开关量控制是 PLC 的基本功能，对于开关量控制系统，主要需考虑 PLC 的最大开关量 I/O 点数是否能满足系统的要求。 某些系统对 PLC 的功能有特殊要求，如通信联网、PID 闭环控制、快速响应、高速计数和运动控制等，模块式 PLC 应考虑是否有相应的特殊功能模块。有的整体式 PLC 集成有高速计数器、高速脉冲输出、模拟量调节电位器、脉冲捕捉、实时时钟等功能和中断功能。对于有模拟量输入/输出的系统，需要考虑 PLC 的最大模拟量 I/O 点数是否能满足要求，每个模块的点数和平均每点的价格。,上一页,下一页,返回,7
9、.1 PLC 应用系统设计调试方法,（2）PLC 指令系统的功能 对于小型单台仅需要开关量控制的设备，一般的小型 PLC 便可以满足要求。如果系统要求 PLC 完成某些特殊的功能，应考虑 PLC 的指令系统是否有相应的指令来支持。例如使用 RS232C 通信方式时，需要对传送的数据按字节做求和校验或异或校验，应考虑是否有专用的求校验码的指令，如三菱 FX 系列的 CCD指令，如果没有专用指令，应考虑是否可以用通用指令来实现这一任务。 （3）PLC 物理结构的选择 根据物理结构，可以将 PLC 分为整体式和模块式，整体式 PLC 每一 I/O 点的平均价格比模块式的便宜，在小型控制系统中一般采用
10、,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,整体式 PLC。但是模块式PLC 的功能扩展方便灵活，I/O 点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O 模块的种类和块数、特殊 I/O 模块的使用等方面的选择余地都比整体式 PLC 大得多，维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般选用模块式 PLC。 （4）确定输入/输出（I/O）点数 PLC 的 CPU 模块型号的选择，I/O 模块的数量和型号的选择，与输入/输出点数有很大关系。应确定哪些信号需要输入给 PLC，哪些负载由 PLC 驱动，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的等级；是否
11、有特殊要求，如快速响应等，并建立相应的表格。如果系统不同部分相互距离很远，可考虑使用远程。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,（5）估算需要的用户程序存储容量 根据 I/O 点数和下面的经验数据可初步估算系统对 PLC 用户程序存储容量的要求。仅需开关量控制时，将 I/O 点数乘以 8，就是所需存储器字数。仅有模拟量输入，无模拟量输出时，为每路模拟量准备 100 个存储器字。既有模拟量输入，又有模拟量输出时，为每路模拟量准备 200 个存储器字。有的 PLC 允许用存储器卡来增加用户存储器的容量。 2. I/O 模块的选型 PLC 的型号选好后，根据 I/O 表和可供
12、选择的 I/O 模块的类型，可确定 I/O模块的型号和块数。选择 I/O 模块时，I/O 点数一般应留有 10%20%的裕量，以供今后系统改进时使用。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,（1）开关量输入模块输入电压的选择 开关量输入模块的输入电压一般为 DC 24 V 和 AC 220 V。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。交流输入方式适合于在有油雾、粉尘的恶劣环境下使用，在这种条件下交流输入触点的接触较为可靠。 （2）开关量输出模块的选择 继电器型输出模块的工作电压范围广，触点的导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，
13、但是动作速度较慢，触点寿命（动作次数）有一定的限制。如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。晶体管型与双向晶闸管型输出模块分别用于直流负载和交流负载，它们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同输出模块对电阻性负载、电感性负载和白炽灯的驱动能力的差异。如某继电器型模块的最高工作电压为 AC250 V，可驱动 2 A 的电阻性负载、80 VA 的电感性负载和 100 W 的白炽灯。 输出模块的输出电流额定值应大于负载电
14、流的最大值，大多数模块对每组的总输出电流也有限制，如 0.5 A/点、0.8 A/4 点。 选择 I/O 模块还需要考虑下面的问题。 输入模块的输入电路应与外部传感器的输出电路的类型配合，使二者能直接相连。例如有的 PLC 的输入模块只能与 NPN 管集电极开路输出的传感器直接相连，如果选用 NPN 管发射极输出的传感器，则需要在二者之间增加转换电路。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法, PLC 的模拟量输入/输出是电压还是电流，变送器、执行机构的量程与模拟量输入、输出模块的量程是否匹配。 模拟量模块的 A/D、D/A 转换器的位数反映了模块的分辨率，8 位的分辨率低
15、，价格便宜，12 位的则反之。模拟量模块的转换时间反映了模块的工作速度。 成本方面的考虑：选择某些高密度 I/O 模块（如 32 点开关量 I/O 模块），可以降低系统成本，但是高密度模块一般用 D 型插座来连接 I/O 线，不如普通 I/O模块的接线端子那样方便。 响应时间和抗干扰能力：I/O 模块有不同的响应时间和抗干扰能力。一般来说，更高的响应速度将会牺牲干扰抑制能力。因此，如果高的响应速度不是必需的，选择有更高的干扰抑制能力但是较慢的 I/O 模块将会更好。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法, 高速输入：高速计数器可对编码器提供的高速脉冲列计数。可提供与 PL
16、C的扫描工作方式无关的高速输出。 3. 模块式 PLC 的基板与模块的选择 （1）基板 模块式 PLC 通过基板将模块组成一个系统（称为机架）。选型时主要考虑基板支持的 I/O 模块数量。 （2）电源模块的选择 根据系统所选取的模块型号、数量和各模块对电源的需求，确定要求的电源供电容量和输出电压等级，在 PLC 可供选择的电源模块中选择电源模块的型号。 （3）通信模块 应根据通信接口的点数、PLC 和通信模块支持的通信距离、通信速率、有关的通信协议和标准来选择通信模块。,上一页,下一页,返回,7.1 PLC 应用系统设计调试方法,7.1.4 软、硬件的调试 1. 系统硬件设计与组态 给各输入/输出变量分配地址。因为梯形图中变量的地址与 PLC 的外部接线端子号是一致的，这一步为绘制硬件接线图做好了准备，也为梯形图的设计做好了准备。 画出 PLC 的外部硬件接线图，以及其他电气原理图和接线图。 画出操作站和控制柜面板的机械布置图和内部的机械安装图。 在某些编程软件中，需要对模块式 PLC 的硬件组态，组态画面
