lc控制系统设计与应用实例

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1、第7章 PLC控制系统设计与应用实例,7.1 PLC控制系统设计的内容和步骤 7.2 PLC控制系统的硬件配置 7.3 PLC控制系统梯形图程序的设计 7.4 顺序控制梯形图的设计方法 7.5 PLC在工业控制系统中的典型应用实例,7.1 PLC控制系统设计的内容和步骤,7.1.1 PLC控制系统设计的内容 7.1.2 PLC控制系统设计的步骤,7.1.1 PLC控制系统设计的内容,1)分析控制对象、明确设计任务和要求是整个设计的依据。 2)选定PLC的型号及所需的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置。 3)编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图。 4) 用编程语言(常用梯

2、形图)进行程序设计。 5)设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件。 6)编写设计说明书和操作使用说明书。,7.1.2 PLC控制系统设计的步骤,1.系统规划 2.硬件设计 3.软件设计 4.系统调试 5.技术文件编制,图7-1 PLC控制系统设计的步骤,7.2 PLC控制系统的硬件配置,7.2.1 PLC机型的选择 7.2.2 开关量I/O模块的选择 7.2.3 模拟量I/O模块的选择 7.2.4 智能模块的选择,7.2.1 PLC机型的选择,考虑以下几方面的要求： 性能与任务相适应； PLC的处理速度应满足实时控制的要求； PLC机型尽可能统一； 指令系统。,1.性能与任务相适应,对控制速度

3、要求不高的开关量控制系统，选用小型PLC； 对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型PLC； 西门子公司的S7-200、S7-1200PLC在进行小型数字、模拟混合系统控制时具有较高的性价比，实施起来也较为方便。 对于比较复杂、控制功能要求较高的应用系统，如需要PID调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC ，如西门子公司的S7-300、S7-400。,2. 提高PLC快速响应的几点措施,1)选择CPU速度比较快的PLC，使执行一条基本指令的

4、时间不超过0.5s。 2)优化应用软件，缩短扫描周期。 3)采用高速响应模块，其响应的时间不受PLC周期的影响，而只取决于硬件的延时。,3. PLC机型尽可能统一,一个大型企业，应尽量做到机型统一； 模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理，这不仅使模块通用性好，减少备件量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给扩展系统升级留有余地； 外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可把控制各独立系统的多台PLC连成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中管理。,4.指令系统,1)指令系统的总语句数。 2)指令系统种类。 3)指令系统的表达方式。 4)应用软件的程序结构。（有模块化和子程序式） （模块

5、化：编写调试方便，但处理速度慢； 子程序式：响应速度快，但不利于编写和调试）,各种机型的指令系统不完全相同，在控制指令、数学运算指令、逻辑指令方面各有侧重。 选择机型时，从指令方面注意以下几点：,7.2.2 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,自学！,1.开关量输入模块的选择,1)选择工作电压等级 根据现场检测元件和模块之间的距离来选择 2)选择模块密度 根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择 3)门坎电平 门坎电平指：接通电平和关门电平的差值； 门坎电平越大，抗干扰能力越强，传输距离越远。,自学！,2.开关量输出模块的选择,1) 输出方式的选

6、择： 继电器输出方式：交直流负载，响应速度慢，不能频繁动作； 晶闸管输出方式：开关频率高、电感强、功率因数低的交流负载； 晶体管输出方式：开关频率高的直流负载 2) 输出电流的选择： 模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，并留有余量； 当负载电流较大，输出模块不能直接驱动负载时，要增加中间放大环节； 接通点数的电流和必须小于公共端允许通过的电流值。,自学！,7.2.3 模拟量I/O模块的选择,1.模拟量输入模块的选择 2.模拟量输出模块的选择,1.模拟量输入模块的选择,1)模拟量值的输入范围 电压信号：05V,010V , -55V等 电流信号：020mA,420mA等 2)模拟量输入模块的

7、分辨率、输入精度、转换时间等参数指标应符合具体的系统要求； 3)应用中要注意抗干扰措施 方法：模块和电源保持一定距离； 模拟量输入信号线采用屏蔽措施； 采用一定的补偿措施，减少环境变化对信号的影响。,2.模拟量输出模块的选择,模拟量输出模块的输出类型有电压输出和电流输出两种，输出范围：010V、10V10V、020mA等； 模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块的情况类似； S7-200 PLC提供了各种模块，可根据实际需要选用 EM231 4路模拟量输入模块、 EM231 4路输入热电偶、 EM231 2路热电阻(RTD)、 EM232 2路模拟量输出模块、 EM2

8、35 4输入/1输出组合。,7.2.4 智能模块的选择,一般的智能模块包括PROFIBUS-DP模块(如EM277模块)、工业以太网模块(如CP243-1、CP243-1 IT)、调制解调器模块(如EM241模块)、定位模块(如EM253模块)等。 需要注意：一般智能模块价格比较昂贵，而有些功能采用一般I/O模块也可以实现，只是要增加软件的工作量，因此应根据实际情况决定取舍。,7.3 PLC控制系统梯形图程序的设计,7.3.1 经验设计法 7.3.2 顺序控制设计法与顺序功能图,7.3.1 经验设计法,依据： 根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机组合起来,经验设计

9、法的特点：,其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳方案 程序初步设计后，还需反复调试、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。,设计方法不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性 设计出的程序不唯一，其质量与设计者的经验有关 对于简单的系统，用经验设计法进行设计，简单、易行，可以收到明显的效果 对于一些旧设备的改造常采用经验设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑PLC的特点 对于复杂的系统，由于联锁关系复杂，难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，使用、维护不便,举例：电机的启动和自锁,I/O分配表：,对应的梯形图：,图7-2 运料小车控制系统,7.3.2 顺

10、序控制设计法与顺序功能图,1. 顺序功能图 2. 顺序功能图的基本结构 3. 顺序功能图法,1.顺序功能图,(1)步与动作 (2)有向连线 (3)转换和转换条件,图7-3 顺序功能图举例,步：将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段； 初始步：与系统的初始状态对应的步； 用M和S来代表各个步；,(1) 步与动作,初始步：双线方框表示,步用矩形框表示,“活动步” “非活动步”,活动步 ： 步处于活动状态 （该过程正被执行） 非活动步 ： 步处于非活动状态 （该步未被执行）,与步相关的动作（或命令）,步处于活动状态时，该步内相应的动作（或命令）即被执行；反之，不被执行,与相应步的矩形框相连,

11、与步相关的动作（或命令）,“非存储型” “存储型”,动作（或命令）可分 ：,“存储型”：当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）继续保持它的状态,“非存储型”：当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）返回到该活动步前的状态,“点动电机M1”,“非存储型”命令,“启动电机M1并一直保持”,“存储型”命令,(2) 有向连线,步之间的进展，采用有向连线表示， 它将步连接到转换并将转换连接到步。,有向 连线,步的进展按有向连线规定的路线进行 习惯进展的方向： 从上到下或从左到右,箭头表示步进展的方向,(3) 转换和转换条件,步与步之间由“转换”分隔； 当两步之间的转换条件得到满足时，转换得以实现，

12、即上一步的活动结束而下一步的活动开始； 每个活动步持续的时间取决于步之间转换的实现。,转换 符号,转换条件,例子：要求M1起动30s后，M2自动起动，运行15s后，M2停止，同时M3自动起动，再运行45s后，电机全部停止,2.顺序功能图的基本结构,(1)单序列结构 (2)选择序列结构 (3)并行序列结构,(1)单序列结构,单序列由一系列相继激活的步组成。每步的后面仅有一个转换条件，每个转换条件后面仅有一步，如图7-4所示。,图7-4 单序列结构,(2) 选择序列结构,选择序列的开始称为分支。某一步的后面有几个步，当满足不同的转换条件时，转向不同的步； 选择序列的结束称为合并。几个选择序列合并到

13、同一个序列上，各个序列上的步在各自转换条件满足时转换到同一个步，如图7-5b所示。,图7-5 选择序列的分支与合并,并行序列的分支与合并,满足b条件，12、14、18步同时被激活，成为活动步,当13、15、17都为活动步，若满足d条件，则13等同时变为不活动步，18变为活动步,(3) 并行序列结构,并行序列的分支中只允许有一个转换条件，并标在水平双线之上。 并行序列的合并只允许有一个转换条件，并标在水平双线之下。,步骤： 1.首先根据系统的工艺流程，设计顺序功能图。 2.然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。,优点：,1.在顺序功能图中，步之间没有重叠。这使系统中大量复杂的联锁关系在步的转换中

14、得以解决。 2.对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。 3.编程方法简单易学，规律性强。 4.设计出的控制程序结构清晰、可读性好；调试、运行方便,3. 顺序功能图法,7.4 顺序控制梯形图的设计方法,7.4.1 置位、复位指令编程 7.4.2 顺序控制继电器指令编程 7.4.3 具有多种工作方式的顺序控制梯形图设计方法,S7-200 PLC采用顺序功能图法设计时，可用置位/复位(S/R)指令、顺序控制继电器(SCR)指令、移位寄存器(SHRB)指令等实现编程。,7.4.1 置位、复位指令编程交通灯控制,1.控制要求 2.输入、输出信号地址分配 3.设计顺序功能图和梯形图程序,1.控制

15、要求,1)接通起动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时亮。 2)东西向绿灯亮25s后，闪烁3次(1s/次)，接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，30s后东西向绿灯又亮如此不断循环，直至停止工作。 3)南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次(1s/次)，接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮如此不断循环，直至停止工作。,图7-7 交通信号灯控制示意图,2.输入、输出信号地址分配,表7-1 交通信号灯控制I/O地址分配表,图7-8 I/O接线图,3.设计顺序功能图和梯形图程序,图7-9 交通信号灯控制顺序功能图,图7-10 交通信号灯梯形图程序,东西向绿灯亮

16、 25s后，1步结束，2步开始，绿灯灭,250,0.5s后，2步结束，3步开始，绿灯亮 启动计数器，要求闪烁3次 3次不到，0.5s后，2步开始，3步结束 3次到了，0.5s后，4步开始，3步结束，黄灯亮,2s后，4步结束，5步开始，红灯亮 30s后，5步结束，1步开始，循环,东西绿灯 东西黄灯 东西红灯 停止,7.4.2 顺序控制继电器指令编程深孔钻组合机床,1.深孔钻组合机床控制要求 2. I/O信号地址分配和接线图 3.画出顺序功能图 4.由顺序功能图设计梯形图,1.深孔钻组合机床控制要求,刀具进退与行程开关示意图如图7-11所示。 在起始位置O点时，行程开关SQ1被压合，按起动按钮SB2，电动机正转起动，刀具前进。退刀由行程开关控制，当动力头依次压在SQ3、SQ4、SQ5上时电动机反转，刀具会自动退刀，退刀到起始位置时，SQ1被压合，退刀结束，又自动进刀，直到三个过程全部结束。,图7-11 深孔钻组合机床工作示意图,2. I/O端子接线图,图7-12 深孔钻控制I/O接线图,3. 顺序功