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1、 可编程控制器(PLC)应用类设计指导 PLC应用类设计概述 可编程控制器的选型 硬件电路设计 PLC的软件设计 设计实例： 3.5/360 m水泥回转窑电控系统 设计选题： 2.613 m水泥磨电控系统 设计选题：RP120-80辊压机电控系统 2.1.1 PLC的应用领域1PLC的特点 (1) 灵活，通用，I/O接口丰富。(2) 可靠性高，抗干扰能力强。(3) 编程简单，使用方便。(4) 设计施工周期短，接线简单，维护工作量小。(5) 体积小，重量轻，能耗低，易于实现机电一体化。(6) 联网方便，便于系统集成。 2.1 PLC应用类设计概述 2PLC应用领域(1) 开关量的逻辑控制：它是P
2、LC最基本的功能。所控制的逻辑可以是各种各样的，如时序的、组合的、计数的、不计数的等等，控制的输入/输出点数可以不受限制，少则10点，几十点，多则成千上万点，并可以通过联网来实现控制。(2) 模拟量的闭环控制：PLC具有A/D、D/A转换及算术运算功能，因此可以实现模拟量控制，有的PLC还具有PID控制或模糊控制的功能。可用于闭环的位置控制、速度控制和过程控制。(3) 数字量的智能控制：利用PLC能接收和输出高速脉冲的功能，再配备相应的传感器(如旋转编码器)或脉冲伺服装置(如环型分配器、功放、步进电机)，就能实现数字量的智能控制。较高级的PLC还专门开发了位控单元模块、运动单元模块等，可实现曲
3、线插补。新开发的运动单元还能识别数控技术的编程语言，为PLC进行数字量的智能控制提供了方便。(4) 数据采集与监控：PLC实现控制时，可把现场的数据实时显示出来或采集保存下来，供进一步分析研究。较普便使用的是PLC加上触摸屏，可随时观察采集来的数据及统计分析结果。 (5) 通信、联网及集散控制：PLC的通信联网能力很强，除了PLC和PLC之间的通信联网以外，PLC还可以与计算机进行通信和联网，由计算机来实现对其编程和管理。PLC也能与智能仪表、智能执行装置(如变频器)进行通信和联网，互相交换数据并对其实施控制。利用PLC的强大的通信功能，把PLC分布到控制现场，并实现各站间及上、下层间的通信，
4、达到分散控制、集中管理，即构成了集散型计算机控制系统(DCS)或现场总线控制系统(FCS)。 2.1.2 PLC应用系统设计类型和步骤1PLC应用系统设计类型上节所述的5种应用场合均为PLC设计的常见类型。作为毕业设计，最普遍的是用前两种较为简单的类型开关量控制和模拟量控制。而开关量的顺序控制又是工业自动化设计的首选。可用PLC作为开关量逻辑控制、定时控制、计数控制，利用PLC取代传统继电接触器控制，如机床电气、电机控制中心等，也可取代顺序控制，如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、检测等。总之，PLC可用于单机、多机以及生产线的自动化控制场合。 用PLC实现闭环过程控制是PLC的第二个较重要
5、的应用方向，例如深度、压力、流量等连续变化的模拟量闭环PID控制。这种类型主要是用在系统中开关量较多、模拟量较少的场 合。不过PLC中的模拟量输入/输出模块和PID模块价格较贵，相对于单片机、工业控制计算机系统来说投入过高，而显示、编程功能较弱。这些因素在选型时应特别注意。可编程控制器由于其独特的结构和工作方式，使它的设计内容和步骤与继电器控制系统及计算机控制系统都有很大的不同，主要表现是允许硬件电路和软件编程可以分开进行设计。这一特点，使得可编程控制器系统设计变得简单和方便。 2PLC系统设计步骤(1) 控制系统总体方案的选择： (2) 确定受控对象与PLC 之间的输入、输出信号关系： (3
6、) 可编程控制器的机型选择： (4) 硬件电路的设计： (5) 软件设计： (6) 模拟调试： (7) 现场调试： 图2-1 PLC系统设计流程2.2 可编程控制器的选型 2.2.1 可编程控制器的种类 1按结构分类PLC按结构可分成整体式PLC和组合式PLC。(1) 整体式PLC。整体式PLC的CPU、存储器、I/O单元、电源安装在同一机体内构成主机，另外还有I/O扩展单元配合主机使用。用电缆将其接在主机上可以扩充I/O点数。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、重量轻、价格低，但其输入/输出点数固定，实现的功能和控制规模固定，灵活性较低，故 小型PLC常采用这种结构，它适用于工业生产中的单
7、机控制。 (2) 组合式PLC。组合式PLC为总线结构，其总线做成总线板，上面有若干个总线槽，每个总线槽上可安装一个PLC模块，不同的模块实现不同的功能。PLC的CPU、存储器做成一个模块(有的把电源也做在上面)，该模块在总线上的安装位置一般来说是固定的，其它的模块可根据PLC的控制规模、实现的功能选用，安装在总线板的其它任一总线槽上。组合式PLC安装完后，需进行登记，使PLC对安装在总线上的各模块进行地址确认。组合式PLC的特点是：系统配置灵活，可构成具有不同控制规模和功能的PLC，但它的价格较高，一般大、中型PLC采用这种结构。 2按控制规模分类控制规模主要是指控制开关量的输入、输出点数及
8、模拟量的输入、输出路数，但主要以开关量计数。模拟量的路数可折 合算成开关量的点数，一般一路相当于816点，根据I/O点数 的不同，PLC大致可分为微型机、小型机、中型机及大型机、超大型机。(1) 微型机：控制点数仅几十点，如OMROM公司的SP系列 ，松下电工的FPO系列等。(2) 小型机：控制点数100500点左右，如OMROM公司的 CPM1A、CQH1、CQM1H系列，松下电工的FP1系列等。(3) 中型机：控制点数5001000点左右，如OMROM公司的 C200H，西门子公司的S7-300。 3按生产厂家分类(1) 德国西门子公司：有S5系列的PLC产品，如S5-950、100U、1
9、35U及155U；S7系列机，常用的有S7-200(小型)、S7-300(中型)及S7-400(大型)机。(2) 日本OMROM公司：有P1、CPM1A、CPM2A、C200H、CQM1等机型。(3) 美国A-B公司：常用的有PC/5及SLC-500系列。(4) 日本三菱公司：主要有F1系列和FX2系列机。(5) 日本松下电工公司：主要有FP0系列微型机，FP1系列箱体式小型机，FP2、FP3、FP10、FP10SH等模块式机型。 (6) 中外合资(与日本光洋公司合资)无锡华光电子工业公司：SZ-3、SR-10、SP-400、SU-5/6。(7) 福建厦门中外合资A-B有限公司：SLC-100
10、、PLC-2、PLC-5。(8) 上海香岛机电制造有限公司：ACMY-S256、ACMY-S80。(9) 机械部北京机械工业自动化所：MPC-10、MPC-20。(10) 机械部大连组合机床研究所：ZHS-PC01、ZHS-PC02。(11) 机械部上海机械工业自动化仪表所：TS-300、TS-400。 2.2.2 可编程控制器的机型选择 可编程控制器的选型可以从以下几个方面进行考虑：(1) 功能和结构。可编程控制器的功能日益增多，不同型号的产品在功能上有较大的差异。当控制对象只要求开关量控制时，从功能角度来说，几乎所有型号的可编程控制器都可胜任 。而当控制对象有模拟量的输入/输出控制要求或其
11、它特殊功能要求时，就应仔细了解不同系列、不同型号的可编程控制器的功能特点。从结构上讲，单台设备或几台设备共享一台可编程控制器时往往选用整体式结构，考虑到工业控制的发展方向时，选用具有通信能力的可编程控制器为好。组合式结构组态灵活，宜于扩充，特别适合用于较大控制规模的场合。(2) 输入、输出模块的选择。大多数可编程控制器输入、输 出模块都可有多种选择。输入模块完成控制命令、故障及状态 检测等输入信号的转换。一般来说，这些信号的种类可能不同 ，经输入模块的变换后就可将这些不同电平的信号转变为可编 程控制器内部的统一电平信号。此外，输入模块还兼有外部电 路与可编程控制器内部电路的隔离作用和防止干扰的
12、作用。输 入模块的类型一般分直流5 V、12 V、24 V、48 V、60 V五种， 交流115 V和220 V两种。选择时主要考虑现场设备与可编程控 制器之间的距离，距离远时，可选电压等级高一些的模块；距 离较近时，选择电压等级低一些的模块即可。这样的选择主要 是为了提高系统工作的可靠性。选择输入模块的另一个考虑因 素是系统工作时，同一时间内要接通的点数的多少，特别对于 32点、64点这些高密度的输入模块，同时接通数一般不得超过 60%，如果条件难以满足，就只有选择密度低一些的输入模块 。 输出模块用来将可编程控制器内部的电平信号转换为外部过程的控制信号。开关频率不高的交直流负载一般选继电器
13、输出型模块；开关频率高、电感强、低功率因数的负载可考虑选用晶闸管输出模块；开关频率较高的直流负载则应选用晶体管输出模块。选用输出模块还应注意同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。 (3) I/O点数的估算。I/O点数是可编程控制器的重要技术指 标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统造价投入最低。传统设备及各种电器组件所需的编程I/O点数在不同的场合 应用时不尽相同，比如用可编程控制器控制一台(启动的交流电动机时，输入点有四点，分别为：电源合闸、起动、停止 和过载；而输出则为三点，分别用于控制三个接触器线圈的吸 合和断开。但在实际应用中，大多数场合一组电源不
14、只给一台电动机 供电，所以合闸信号也不一定每台电动机都需要一个。选择I/O点数的原则是根据具体设备的控制要求有所取舍，满足要求即 可。典型传动设备及常用电器组件所需I/O点数见表2-1。 表2-1 典型传动设备及常用电器组件所需可编程控制器 I/O点数 (4) 内存估算：选择可编程控制器内存容量应考虑以下几个因素：内存利用率、开关量输入/输出点数、模拟量输入/输出点数、设计者的编程水平。内存利用率是指一个程序段中的接点数与存放该程序所代表的机器语言所需的内存字数的比值。不同厂家、不同产品的内存利用率有所差别，查找相应产品说明书可查到指令长度，以此可计算相应的内存利用率。显然，高的内存利用率是有
15、好处的，同样的程序，因较少的内存量，可缩短程序的扫描时间而提高系统的响应速度。 开关量输入/输出点数与所需内存容量有很大的关系。在一般的编程水平下，可用下面的经验公式估算： 所需内存字数I/O点数10 具有模拟量输入/输出点数时，通常要使用应用指令(功能指令)，而应用指令的内存利用率较低，因此一条应用指令占用的内存较多。 当只有模拟量输入时，一般只需处理模拟量读入、模拟量转换、数字滤波、传送和比较运算，所用的应用指令数会相对少一些。而模拟量输入、输出都有时，通常意味着系统要求的控制功能比较复杂，如闭环的运动控制、过程控制等，也就意味着可编程控制器要进行较为复杂的运算，自然所需的内存数也会大增。
16、针对上述两种不同情况，可用以下经验公式估计所需的内存数：当只有模拟量输入时： 内存字数模拟量点数 100 当模拟量输入、输出都存在时： 内存字数模拟量输入、输出总点数 200 所谓编程质量，是指对完成同样功能所编制应用程序长短的一种评价，程序越短，编程质量越好；编程经验较丰富时，质量就越好。而对于初次进行毕业设计的编程者，可能就相对要差一些。所以初学者在估算内存容量时，应该多留一些裕量。 考虑到上述的多种因素，总的内存容量的经验公式为总存储器字数=I/O点数 10+模拟量输入、输出总点数 150 为提高可靠性，在上面求得总字数后再考虑增加25%左右作为裕量，就可以最后确定出可编程控制器的内存容量。 (5) 响应时间：可编程控制器的响应时间是指输入信号产生时刻与由此而使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。由于现在生产的可编程控制器的扫描周期都较短，对于只含有开关量控制的电气控制系统来说，因电器本身动作就达十几至几十毫秒，所以，在这种系统中，可编程控制器的响应时间问题基本可不必考虑。而在有模拟量输入/输出的过程控制
