第8章 可编程序控制器系统设计与应用

1、u了解可编程序控制器系统设计的一般原则了解可编程序控制器系统设计的一般原则 与步骤与步骤 u熟悉可编程序控制器系统设计的硬件配置熟悉可编程序控制器系统设计的硬件配置 及软件设计及软件设计 u掌握掌握软、硬件设计的基本环节及设计技巧软、硬件设计的基本环节及设计技巧 学习目标：学习目标： 教学内容：教学内容： 8.1 PLC控制系统设计控制系统设计 8.2 PLC控制系统硬件配置控制系统硬件配置 8.3 PLC控制系统软件设计控制系统软件设计 8.4 PLC应用程序的典型环节及设计技巧应用程序的典型环节及设计技巧 8.5 PLC在工业控制中的应用在工业控制中的应用 8.6 提高提高PLC控制系统可

2、靠性的措施控制系统可靠性的措施 u编程控制系统设计时应遵循以下原则：编程控制系统设计时应遵循以下原则： 最大限度的满足被控对象的要求；最大限度的满足被控对象的要求； 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简 单、经济、适用及维护方便；单、经济、适用及维护方便； 保证系统的安全可靠；保证系统的安全可靠； 考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应 留有适当的余量。留有适当的余量。 uPLC控制系统设计的主要内容有：控制系统设计的主要内容有： 分析控制对象，明确设计任务和要求；分析控制对象，明确设计任务和要求； 选定选定

3、PLC的型号，对控制系统的硬件进行配置；的型号，对控制系统的硬件进行配置； 保证系统的安全可靠；保证系统的安全可靠； 选择所需的输入选择所需的输入/输出模块，编制输出模块，编制PLC的输入的输入/输输 出分配表和输入出分配表和输入/输出端子接线图输出端子接线图; 根据系统设计要求编写程序规格要求说明书，根据系统设计要求编写程序规格要求说明书， 再用相应的编程语言进行程序设计；再用相应的编程语言进行程序设计； 设计操作台、电气柜、选择所需的电器元件；设计操作台、电气柜、选择所需的电器元件； 编写设计说明书和操作使用说明书。编写设计说明书和操作使用说明书。 uPLC的结构和工作方式与一般微机和继电

4、器相比的结构和工作方式与一般微机和继电器相比 各有特点，其具体设计步骤如下：各有特点，其具体设计步骤如下： 详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要 求。求。 根据控制要求确定所需的用户输入根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备。输出设备。 选择选择PLC类型。类型。 分配分配PLC的的I/O点，设计点，设计I/O连接图。连接图。 PLC软件设计，同时可进行控制台的设计和现场软件设计，同时可进行控制台的设计和现场 施工。施工。 系统调试，固化程序，交付使用。系统调试，固化程序，交付使用。 u硬件系统设计主要包括硬件系统设计主要包括PLCPLC及外围

5、线路的设计、及外围线路的设计、 电气线路的设计和抗干扰措施的设计等内容。电气线路的设计和抗干扰措施的设计等内容。 u随着随着PLCPLC功能的不断提高和完善，功能的不断提高和完善，PLCPLC几乎可以完几乎可以完 成工业控制领域的所有任务。但成工业控制领域的所有任务。但PLCPLC还是有它最还是有它最 适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后， 要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么 控制装备控制装备（PLCPLC、单片机、单片机、DCSDCS或或IPCIPC）来完成该来完成该 任务最合适。任务最合适。 u

6、当确定由当确定由PLCPLC来完成控制后，设计者接下来要解来完成控制后，设计者接下来要解 决两个主要问题：决两个主要问题： PLC容量的选择：首先要对控制任务进行详细的容量的选择：首先要对控制任务进行详细的 分析，把所有的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量点找出来，包括开关量I/O和和 模拟量模拟量I/O以及这些以及这些I/O点的性质。点的性质。 PLC机型的选择：由于生产机型的选择：由于生产PLC的厂家众多，实的厂家众多，实 现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言 却有较大差别，一般应从功能方面、价格方面和却有较大差别，一般应从功能方面、价

7、格方面和 售后服务等几个方面考虑。售后服务等几个方面考虑。 u输入输出信号在输入输出信号在PLCPLC接线端子上的地址分配是接线端子上的地址分配是 进行进行PLCPLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，控制系统设计的基础。对软件设计来说， I/OI/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及地址分配以后才可进行编程；对控制柜及 PLCPLC的外围接线来说，只有的外围接线来说，只有I/OI/O地址确定以后，地址确定以后， 才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员 根据线路图和安装图安装控制柜。根据线路图和安装图安装控制柜。 u在进行在进行I/O地址分配时最好

8、把地址分配时最好把I/O点的名称、代码点的名称、代码 和地址以表格的形式列写出来。和地址以表格的形式列写出来。 u对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真 考虑。考虑。PLCPLC顺序扫描的工作方式，使它不能可靠顺序扫描的工作方式，使它不能可靠 地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。 u选定选定PLCPLC及其扩展模块及其扩展模块（如需要的话如需要的话）和分配完和分配完 I/OI/O地址后，硬件设计的主要内容就是完成电气地址后，硬件设计的主要内容就是完成电气 控制系统原理图的设计、电气控制元器件的选控制系统原理图的设

9、计、电气控制元器件的选 择和控制柜的设计。择和控制柜的设计。 u在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被 控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选 择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果，择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果， 需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助 触点和中间编程元件。触点和中间编程元件。 u经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计 是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。但是比较奏效的，可以收

10、到快速、简单的效果。但 是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进 行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别 是要求设计者有一定的实践经验。是要求设计者有一定的实践经验。 u工业电气控制线路中，有不少都是通过继电器等工业电气控制线路中，有不少都是通过继电器等 电器元件来实现，因此，用电器元件来实现，因此，用“0”0”和和“1”1”两种取两种取 值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的，值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的， 用逻辑设计法设计用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下：应用程序的一般步骤如

11、下： 列出执行元件动作节拍表；列出执行元件动作节拍表； 绘制电气控制系统的状态转移图；绘制电气控制系统的状态转移图； 进行系统的逻辑设计；进行系统的逻辑设计； 编写程序；编写程序； 对程序检测、修改和完善。对程序检测、修改和完善。 u顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺 序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制 程序。在顺序功能图中，实现转换时使前级步的程序。在顺序功能图中，实现转换时使前级步的 活动结束而使后续步的活动开始，步之间没有重活动结束而使后续步的活动开始，步之间没有重 叠。叠。 u顺序控制继

12、电器（顺序控制继电器（SCR）指令是基于顺序功能图）指令是基于顺序功能图 （SFC）的编程方式，专门用于编制顺序控制程）的编程方式，专门用于编制顺序控制程 序。使用它必须依据顺序功能图进行编程。序。使用它必须依据顺序功能图进行编程。 u复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节 有机地组合而成的，因此，掌握这些基本环节尤有机地组合而成的，因此，掌握这些基本环节尤 为重要。它有助于程序设计水平的提高。为重要。它有助于程序设计水平的提高。 u几个常用的典型环节：几个常用的典型环节： 电动机的起动与停止控制程序；电动机的起动与停止控制程序； 具有点动功能电动

13、机起动、停止控制程序；具有点动功能电动机起动、停止控制程序； 电动机的正、反转控制程序；电动机的正、反转控制程序； u几个常用的典型环节几个常用的典型环节 ： 通电禁止输出程序；通电禁止输出程序； 闪烁电路；闪烁电路； 报警电路；报警电路； 高精度时钟程序；高精度时钟程序； 脉冲宽度可控制电路；脉冲宽度可控制电路； 分频电路分频电路 。 u在工艺要求改变后，常常要改变程序，有时会出在工艺要求改变后，常常要改变程序，有时会出 现现I/O点数不够又不想增加点数不够又不想增加PLC扩展单元，此时扩展单元，此时 可采用一些方法来减少输入点和输出点。可采用一些方法来减少输入点和输出点。 u减少输入点的方

14、法：减少输入点的方法： 用二极管隔离的分组输入法用二极管隔离的分组输入法； 触点合并式输入方法触点合并式输入方法； 单按钮起、停控制程序单按钮起、停控制程序。 u减少输出点的方法：对于两个通断状态完全相同减少输出点的方法：对于两个通断状态完全相同 的负载，可将它们并联后共用一个的负载，可将它们并联后共用一个PLC的输出点的输出点 。 两个负载并联共用一个输出点，应注意两个输出负载电流两个负载并联共用一个输出点，应注意两个输出负载电流 总和不能大于输出端子的负载总和不能大于输出端子的负载 能力。能力。 u现有四台电动机现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电，要求四台电 动机顺序启动和顺

15、序停车。顺序启动的时间间隔动机顺序启动和顺序停车。顺序启动的时间间隔 为为30s，顺序停车的时间间隔为，顺序停车的时间间隔为10s。 u可选用可选用S7-200（CPU224）进行控制。对电动机）进行控制。对电动机 顺序启、停控制有很多种方法，可根据编程习惯顺序启、停控制有很多种方法，可根据编程习惯 选择。本题给出两种方法：选择。本题给出两种方法： 利用顺序控制继电器指令设计程序；利用顺序控制继电器指令设计程序； 利用移位寄存器指令设计程序。利用移位寄存器指令设计程序。 u现有四台电动机现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电，要求四台电 动机顺序启动和顺序停车。启、停的顺序均为动机顺

16、序启动和顺序停车。启、停的顺序均为 M1M2M3M4。顺序启动时的时间间隔为。顺序启动时的时间间隔为 30s，顺序停车的时间间隔为，顺序停车的时间间隔为10s。 u输入输出分配表如表输入输出分配表如表8-5所示。所示。 uPLC的的I/O接线图如图接线图如图8-23所示。所示。 u四台电动机顺序启、停利用顺序控制继电器设计四台电动机顺序启、停利用顺序控制继电器设计 梯形图，如图梯形图，如图8-24所示。所示。 u表表8-5 输入输出分配表输入输出分配表 输入信号输入信号 停止按钮停止按钮SBSB1I0.0 启动按钮启动按钮SBSB2I0.1 输出信号输出信号 接触器接触器KMKM1Q0.0 接

17、触器接触器KMKM2Q0.1 接触器接触器KMKM3Q0.2 接触器接触器KMKM4Q0.3 u图图8-23 四台电机顺序启、停四台电机顺序启、停I/O接线图接线图 u四台电动机启动的顺序为四台电动机启动的顺序为M1M2M3M4，停，停 止的顺序为止的顺序为M4M3M2M1。顺序启动时的时。顺序启动时的时 间间隔为间间隔为30s，顺序停止的时间间隔为，顺序停止的时间间隔为10s。 u输入输出分配表如表输入输出分配表如表8-5所示。所示。 uPLC的的I/O接线图如图接线图如图8-23所示。所示。 u四台电动机顺序启、停利用移位寄存器指令设计四台电动机顺序启、停利用移位寄存器指令设计 梯形图，如

18、图梯形图，如图8-25所示。所示。 u现选用现选用S7-200（CPU222）进行电动机星形三角）进行电动机星形三角 形减压起动控制。输入输出分配表如表形减压起动控制。输入输出分配表如表8-6所示，所示， 控制接线图如图控制接线图如图8-26所示，梯形图如图所示，梯形图如图8-27所示。所示。 u图图8-26中，电动机由接触器中，电动机由接触器KM1、KM2、KM3控控 制，其中制，其中KM 3将电动机定子绕组连接成星形， 将电动机定子绕组连接成星形， KM2将电动机定子绕组连接成三角形。将电动机定子绕组连接成三角形。KM2与与 KM3不能同时吸合，否则将产生电源短路。在程不能同时吸合，否则将

19、产生电源短路。在程 序设计过程中，应充分考虑由星形向三角形切换序设计过程中，应充分考虑由星形向三角形切换 的时间，即由的时间，即由KM3完全断开（包括灭弧时间）到完全断开（包括灭弧时间）到 KM2接通这段时间应锁定住，以防电源短路。接通这段时间应锁定住，以防电源短路。 u表表8-6 输入输出分配表输入输出分配表 输入信号输入信号 停止按钮停止按钮SBSB1I0.0 启动按钮启动按钮SBSB2I0.1 输出信号输出信号 接触器接触器KMKM1Q0.1 接触器接触器KMKM2Q0.2 接触器接触器KMKM3Q0.3 u电动机星形三角形减压起动控制电动机星形三角形减压起动控制I/O接线图接线图 u用

20、用PLC实现对节日彩灯的控制，结构简单、变幻实现对节日彩灯的控制，结构简单、变幻 形式多样、价格低。彩灯形式及变幻尽管花样繁形式多样、价格低。彩灯形式及变幻尽管花样繁 多，但其负载不外乎三种：长通类负载、变幻类多，但其负载不外乎三种：长通类负载、变幻类 负载及流水类负载。负载及流水类负载。 u本例所选彩灯变幻花样为逐次闪烁方式：程序开本例所选彩灯变幻花样为逐次闪烁方式：程序开 始时，灯始时，灯1 1（Q0.0Q0.0）、灯）、灯2 2（Q0.1Q0.1）亮；一次循环）亮；一次循环 扫描且定时时间到后，灯扫描且定时时间到后，灯1 1（Q0.0Q0.0）灭，灯）灭，灯2 2 （Q0.1Q0.1）亮

21、、灯）亮、灯3 3（Q0.2Q0.2）亮；再次循环扫描且）亮；再次循环扫描且 定时时间到后，灯定时时间到后，灯2 2（Q0.1Q0.1）灭，灯）灭，灯3 3（Q0.2Q0.2）亮、）亮、 灯灯4 4（Q0.3Q0.3）亮）亮。其动作时序表如下表。其动作时序表如下表8-78-7所所 示，梯形图如图示，梯形图如图8-288-28所示。所示。 u控制要求控制要求 ： 接通启动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、接通启动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、 东西向绿灯同时亮；东西向绿灯同时亮； 东西向绿灯亮东西向绿灯亮30s30s后，闪烁后，闪烁3 3次（每次次（每次0.5s0.5s），接），接 着东

22、西向黄灯亮，着东西向黄灯亮，2s2s后东西向红灯亮，后东西向红灯亮，35s35s后东西后东西 向绿灯又亮向绿灯又亮，如此不断循环，直至停止工作；，如此不断循环，直至停止工作； 南北向红灯亮南北向红灯亮35s35s后，南北向绿灯亮，后，南北向绿灯亮，30s30s后南北后南北 向绿灯闪烁向绿灯闪烁3 3次（每次次（每次0.5s0.5s），接着南北向黄灯亮，），接着南北向黄灯亮， 2s2s后南北向红灯又亮后南北向红灯又亮，如此不断循环，直至，如此不断循环，直至 停止工作。停止工作。 u交通信号灯设置示意图交通信号灯设置示意图 u交通信号灯时序图交通信号灯时序图 u交通信号灯交通信号灯输入输出分配表输

23、入输出分配表 输入信号输入信号 停止按钮停止按钮SBSB1I0.1 启动按钮启动按钮SBSB2I0.2 输出信号输出信号 南北向红灯南北向红灯HLHL1、HLHL2Q0.0 南北向黄灯南北向黄灯HLHL3、HLHL4Q0.1 南北向绿灯南北向绿灯HLHL5、HLHL6Q0.2 东西向红灯东西向红灯HLHL7、HLHL8Q0.3 东西向黄灯东西向黄灯HLHL9、HLHL10Q0.4 东西向绿灯东西向绿灯HLHL11、HLHL12Q0.5 u交通信号灯交通信号灯I/OI/O接线图接线图 u整个蒸发工段控制系统的控制信号主要有开关量整个蒸发工段控制系统的控制信号主要有开关量 输入信号（切断阀、泵的状

24、态反馈等）、开关量输入信号（切断阀、泵的状态反馈等）、开关量 输出信号（切断阀、泵的控制等）、模拟量输入输出信号（切断阀、泵的控制等）、模拟量输入 信号（如温度、压力、液位等）、模拟量输出信信号（如温度、压力、液位等）、模拟量输出信 号（调节阀的控制等）。号（调节阀的控制等）。 u整个蒸发工段控制系统需要控制与检测的变量有：整个蒸发工段控制系统需要控制与检测的变量有： 6666个模拟量输入（个模拟量输入（AIAI）、）、2323个模拟量输出（个模拟量输出（AOAO）、）、 1010个数字量输入（个数字量输入（DIDI）和）和1919个数字量输出（个数字量输出（DODO）。）。 表表8-98-9

25、给出了部分测控点。给出了部分测控点。 u控制系统硬件配置图控制系统硬件配置图 u蒸发工段控制工程视图蒸发工段控制工程视图 uPLCPLC专为在工业环境下应用而设计，其显著特点专为在工业环境下应用而设计，其显著特点 之一就是高可靠性，为了提高之一就是高可靠性，为了提高PLCPLC的可靠性，的可靠性，PLCPLC 本身在软、硬件上均采取了一系列抗干扰措施，本身在软、硬件上均采取了一系列抗干扰措施， 在一般工厂内使用完全可以可靠地工作，一般平在一般工厂内使用完全可以可靠地工作，一般平 均无故障时间可达几万小时。均无故障时间可达几万小时。 u在过于恶劣的环境条件下，如强电磁干扰、超高在过于恶劣的环境条

26、件下，如强电磁干扰、超高 温、超低温、过欠电压等情况，或安装使用不当温、超低温、过欠电压等情况，或安装使用不当 等，都可能导致等，都可能导致PLCPLC内部存储信息的破坏，引起内部存储信息的破坏，引起 控制紊乱，严重时还会使系统内部的元器件损坏。控制紊乱，严重时还会使系统内部的元器件损坏。 为了提高为了提高PLCPLC控制系统运行的可靠性，必须选择控制系统运行的可靠性，必须选择 合理的抗干扰措施，使系统正常可靠的工作。合理的抗干扰措施，使系统正常可靠的工作。 u要提高要提高PLCPLC控制系统可靠性，一方面要求控制系统可靠性，一方面要求PLC生产生产 厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设

27、厂家提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求设 计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合 才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性 能。因此在使用中应注意以下问题：能。因此在使用中应注意以下问题： 温度：温度：PLCPLC要求环境温度在要求环境温度在0 05555o oC C； 湿度：空气的相对湿度应在湿度：空气的相对湿度应在35%35%85%85%（无凝露）。（无凝露）。 震动：应使震动：应使PLCPLC远离强烈的震动源。远离强烈的震动源。 空气：避免有腐蚀和易燃的气体。空气：避免有腐蚀和易燃的气体。 电源：

28、电源：PLCPLC对于电源线的干扰具有一定的抵制能力。对于电源线的干扰具有一定的抵制能力。 u现场电磁干扰是现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易控制系统中最常见也是最易 影响系统可靠性的因素，所谓治标先治本，找出影响系统可靠性的因素，所谓治标先治本，找出 问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须问题所在，才能提出解决问题的办法。因此必须 知道现场干扰的源头。知道现场干扰的源头。 u干扰源及分类：影响干扰源及分类：影响PLC控制系统的干扰源，大控制系统的干扰源，大 都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是都产生在电流或电压剧烈变化的部位，其原因是 电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射

29、；磁场电流改变产生磁场，对设备产生电磁辐射；磁场 改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁改变产生电流，电磁高速产生电磁波。通常电磁 干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。干扰按干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。 u干扰来源及途径：强电干扰；柜内干扰；信号线干扰来源及途径：强电干扰；柜内干扰；信号线 引入的干扰；接地系统混乱时的干扰；引入的干扰；接地系统混乱时的干扰；PLC系统系统 内部的干扰；变频器干扰。内部的干扰；变频器干扰。 u抗干扰措施：合理处理电源，抑制电网引入干扰；抗干扰措施：合理处理电源，抑制电网引入干扰； 安装与布线：动力线、控制线以及安装与布线：动力线、控制线以及PLC