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1、Ch8 PLC应用系统的设计,8.1 PLC梯形图的编程原则 8.2 PLC控制系统的设计原则和步骤 8.3 PLC的程序设计方法 8.4 PLC应用系统设计实例 8.5 PLC人机界面及其应用 8.6 PLC网络与通信 8.7 变频器与 8.8 PLC与组态软件,梯形图是使用最多的编程语言，它是在传统的继电器控制系统原理图的基础上演变而来的，其基本思想是一致的，只是在使用的符号和表达方式上有一定区别，直观易懂，特别适用于数字量逻辑控制。 梯形图由触点、线圈和用方框表示的功能块组成。触点代表逻辑输入条件，如外部开关、按钮和内部条件等；线圈代表逻辑输出结果，用来控制外部的负载或内部的输出条件；功
2、能块用来表示计数器、计时器或数学运算等功能指令。,.1 PLC梯形图的编程原则,绘制梯形图要遵循的基本规则有：,（1）按“自上而下，从左到右”的顺序绘制。 （2）在逻辑行上，当几条支路并联时，串联触点多的安排在上面；几条支路串联时，并联触点多的安排在左边，以减少编程指令，如图8-1所示。,（3）触点应画在水平支路上，不应画在垂直支路上；不包含触点的支路应放在垂直方向，不应放在水平方向，以使其逻辑关系清楚，编程方便。 （4）在梯形图中的一个触点上不应有双向“电流”流过。,（5）在梯形图中，如果两个逻辑行之间互有牵连，逻辑 关系不清楚，应将梯形图进行变换，以便于编程。,（6）梯形图中任一支路上的串
3、联触点、并联触点及内部并联线圈的个数一般不受限制。,8.2 PLC控制系统设计的原则和步骤,一、系统设计的原则,1）应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求； 2）在满足控制要求的前提下，力求PLC控制系统简单、经济、安全、可靠、操作和维修方便； 3）一次性投资小，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的成本； 4）考虑今后的发展和工艺的改进，在配置硬件设备时应留有一定的裕量。,PLC控制系统设计包括以下三个重要环节：, 一是通过对控制任务的分析，确定控制系统的总体设计方案；,二是根据控制要求确定硬件构成方案；,三是设计出满足控制要求的应用程序。,二、PLC控制系统设计的基本步骤,P
4、LC控制系统的组成,PLC 控制 系统,信号输入元件：向PLC输入指令信号或被控对象的状态信号。 （如按钮、限位开关、传感器等）,信号输出元件：控制被控对象的工作。（电磁阀、接触器、信号灯等）,PLC：通过执行软件程序来完成控制功能。,信号输入元件,输出执行元件,PLC,具体步骤：,1. 对控制任务作深入的调查研究,弄清哪些是PLC的输入信号，是模拟量还是开关量信号，用什么方式来获取信号；, 哪些是PLC的输出信号，通过什么执行元件去驱动负载；,弄清整个工艺过程和欲完成的控制内容；,了解运动部件的驱动方式，是液压、气动还是电动；,了解系统是否有周期运行、单周期运行、手动调整等控制要求等；,了解
5、哪些量需要监控、报警、显示，是否需要故障诊断，需要哪些保护措施等；,了解是否有通信联网要求等。,2. 确定系统总体设计方案,在深入了解控制要求的基础上，确定电气控制总体方案。, 确定主回路所需的各电器，确定输入、输出元件的种类和数量；,3. 确定系统的硬件构成, 确定保护、报警、显示元件的种类和数量；, 计算所需PLC的输入/输出点数，并参照其他要求选择合适的PLC机型。,4确定PLC的输入/输出点分配,确定各输入/输出元件并作出PLC的I/O分配表。, 根据控制要求，拟订几个设计方案，经比较后选择出最佳编程方案。,当控制系统较复杂时，可分成多个相对独立的子任务，分别对各子任务进行编程，最后将
6、各子任务的程序合理地连接起来。,5设计应用程序,6应用程序的调试,编写的程序必须先进行模拟调试。经过反复调试和修改，使程序满足控制要求。,在开始制作控制柜及控制盘之前，要画出电气控制主回路电路图。,7制做电气控制柜和控制盘（施工设计）,要全面地考虑各种保护、连锁措施等问题。,在控制柜布置和敷线时，要采取有效的措施抑制各种干扰信号。,要注意解决防尘、防静电、防雷电等问题。,8联机调试程序,调试前要制定周密的调试计划，以免由于工作的盲目性而隐藏了故障隐患。,程序调试完毕，必须运行一段时间，以确认程序是否真正达到控制要求。,9编写技术文件,整理程序清单并保存程序，编写元件明细表，整理电气原理图及主回
7、路电路图，整理相关的技术参数，编写控制系统说明书等。,一、经验设计法,有一些简单的梯形图可以借鉴电气控制原理图的设计，即在一些典型电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，进行修改和完善，得到符合控制要求的梯形图。这种方法没有普遍的规律可以遵循，设计所用的时间，设计的质量与编程者的经验有很大的关系，所以这种设计方法叫做经验设计法。,8.3 PLC程序设计方法, 根据控制功能，将输入与输出信号之间建立起逻辑函数关系（可先列出逻辑状态表）；, 对上述所得的逻辑函数进行化简或变换；, 对化简后的函数，利用PLC的逻辑指令实现其函数关系（作出I/O分配，画出PLC梯形图）；,逻辑设计法的基本步骤
8、, 添加特殊要求的程序。, 上机调试程序，进行修改和完善。,二、逻辑设计法,在继电器控制电路的基础上，经过转换，将继电器控制设计成PLC控制。,关于转换的几个问题,1各种继电器、接触器、电磁阀、电磁铁等的转换,这些电器的线圈是PLC的执行元件，要为它们分配相应的PLC输出继电器号。,中间继电器可以用PLC的内部辅助继电器来代替。,三、继电器控制电路转换设计法,2常开、常闭按钮的转换,用PLC控制时，启动和停车一般都用常开按钮。,使用常开和长闭按钮时，PLC的梯形图画法不同。,启动,停车,启动,停车,一般热继电器触点不接入PLC中，而接在PLC外部的起动控制电路中。,4. 时间继电器的处理,时间
9、继电器可用PLC的定时器代替。,3热继电器的处理, PLC定时器有接通延时、断开延时、保持型接通延时三种。可以通过编程设计出所需的时间控制。,用PLC的定时器实现延时接通的控制举例,触点KA闭合后延时接通KM的控制。,通电延时型,用PLC的定时器实现延时断开的控制举例,触点KA闭合后延时断开KM的控制。,5对继电器控制电路连接顺序的处理,调整部分电路的连接，以方便转换成PLC梯形图。,继电器控制电路连接顺序调整的举例,线圈KM2和K之间连接着常开触点KM2 。,PLC的梯形图不允许有这种结构。,调整电路连接的方法,线圈K接通的条件为：或常开触点KM2闭合、或常开触点KT闭合。,可将常开触点KM
10、2与常开触点KT并联，作为线圈K的接通条件。,很多工业过程是顺序进行的，设计顺序控制系统的梯形图有一套固定的方法和步骤可以遵循。这种方法与经验法相比有许多优点：,（1）简单易学，设计周期短；,（2）规律性强，克服了经验法的试探性和随意性；,（3）程序结构清晰，可读性强。,四、顺序控制设计法,用功能图描述：,（一）功能表图及其对应的梯形图,功能表图,是描述控制系统过程、功能和特性的一种图形。利用它可以很方便的设计顺序控制梯形图。功能表图又叫做状态转换图、状态图或流程图。,功能表图,用矩形框表示，框内的数字为步的编号。,用矩形框表示，框内的内容表示动作内容，该框与对应的步框相连。,表示转换方向,步
11、与步之间用转换条件隔开，用与有向连线垂直的短线表示，并在短线边用文字、表达式或符号说明。,步,动作,有向连线,转换条件,转换条件：当转换条件满足时，上一步的活动结束，下一步的活动开始。,步,与初始状态相对应的步为初始步。用双线框表示,系统正处于某一步所在的阶段，进行相应的动作，则该步处于活动状态，或称该步为活动步。,初始步,活动步,2. 功能表图的几种结构,1）.单序列结构,由一系列相继激活的步组成，每一步的后面仅有一个转换条件，每一个转换条件后面仅有一步。,2）.选择序列结构（分支结构）,某一步的后面有几个转换条件，当满足不同的转换条件时，转向不同的步。,A）.分支结构,B）.分支合并结构,
12、3）.并行序列结构,当转换条件满足时，几个序列同时被激活，这些序列称为并行序列。为了强调转换的同步实现，水平线用双线表示。,A）.并行序列分支结构,B）.并行序列合并结构,当步1为活动步，且a=1时，步2、3、4同时激活，步1变为不活动步。,当步1、2、3都为活动步，且a=1时，步1、2、3同时变为不活动步，则步4被激活。,注意： .并行序列分支只允许有一个转化条件，标在表示同步的水平双线之上。 .并行序列合并只允许有一个转化条件，标在表示同步的水平双线之下。,3. 典型步控制电路,1）.步的基本电路,步Si 的前级步是Si-1，后级步是Si+1， Ci 是该步的转换条件,前级步Si-1是活动
13、的， Si-1=1，且它们之间的转换条件Ci 成立，Ci =1 时，则步Si 变为活动步。,由于Ci 信号为短信号，所以用Si 的常开触点实现自锁。,当后续步Si+1 变为活动步时， Si 应断开，所以Si+1 的常闭触点应与Si的线圈相串联 。,（二）用顺序控制设计法编写用户程序,用顺序控制设计法编程的基本步骤：,1. 根据控制要求将控制过程分成若干个工作步。,. 明确每个工作步的功能，弄清步的转换是单向进行（单序列）还是多向进行（选择或并行序列）；,. 确定各步的转换条件（可能是多个信号的“与”、“或”等逻辑组合）。,. 必要时可画一个工作流程图，它有助于理顺整个控制过程的进程。,2. 为
14、每个步设置控制位，确定转换条件。,控制位最好使用同一个通道的若干连续位。,3. 确定所需输入和输出点，选择PLC机型，作出I/O分配。,4. 在前两步的基础上，画出功能表图。,5. 根据功能表图画梯形图。,6. 添加某些特殊要求的程序。,8.4 PLC应用系统设计实例,8.4.1 送料小车自动控制系统设计,小车启动运行后，首先左行，在到位开关处装料，10s后装料结束，开始右行；右行至到位开关处，停下来卸料，卸料时间为5s，然后再左行；左行至到位开关处再装料，如此循环工作，直到按下停车按钮。,送料小车控制系统输入、输出定义,梯 形 图,8.4.2 顺序起动控制系统,电动机是广泛使用的电器设备，根
15、据生产工艺要求，经常要对电动机进行起动和停止控制、正反转控制、多台电动机顺序起动与停止控制、降压起动控制等。此外，为防止发生事故，还需采用联锁保护控制。在现代电气控制中，电动机控制逻辑越来越复杂，对控制电路的可靠性要求越来越高，采用PLC控制代替传统的继电器控制已成为重要的发展方向。本小节以电动机的顺序起动控制（如右图）为例介绍如何由继电器电路图设计梯形图。,PLC的外部接线图,实现电动机顺序起动的梯形图,8.4.3 基于顺序功能图的程序设计,某组合机床动力头的进给运动过程示意图和输入、输出信 号时序图如图：,运动过程的顺序功能图,运动过程梯形图,8.4.4 交通信号灯控制系统设计,交通信号灯
16、时序图,东西方向和南北方向绿灯不能同时亮，否则应立即发出报警信号！,PLC的I/O地址定义表,系统外部接线图,系 统 梯 形 图,8.5 人机界面及其应用,人机界面又称人机接口，简称为HMI（Human Machine Interface）。从广义上说，HMI泛指计算机（包括PLC）与操作人员交换信息的设备。在控制领域，HMI一般特指用于操作人员与控制系统之间进行对话和相互作用的专用设备。很多工业被控对象要求控制系统具有很强的人机界面功能，用来显示PLC的I/O状态和各种系统信息，接收操作人员发出的各种命令和设置的参数，并将它们传送到PLC。人机界面装置一般安装在控制屏上，必须能够适应恶劣的现场环境，其稳定性和可靠性应与PLC相当，能够在恶劣的工业环境中长时间连续运行，可以说人机界面是PLC的最佳搭档。,人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据存贮单元等，如图,处理器的性能决定了HMI产品的性能高低，是H
