第8章-可编程控制器系统设计与应用2

1、第8章 可编程序控制器系统设计与应用 了解可编程序控制器系统设计的一般原则与步骤 熟悉可编程序控制器系统设计的硬件配置及软件设计 掌握软、硬件设计的基本环节及设计技巧 学习目标：学习目标：8.1 PLC控制系统设计 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。

2、 8.1.2 PLC控制系统设计的内容 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；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、

3、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。 8.1.3 PLC控制系统设计的一般步骤 u设计步骤：设计步骤： 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。 8.2 PLC控制系统硬件配置

4、 I/O点的数量和种类点的数量和种类 PLC机型的选择机型的选择 CPU的速度的速度 内存容量内存容量 编程器编程器 打印机打印机 I/O模块模块 通讯接口模块通讯接口模块 通讯传输电缆通讯传输电缆PLC及外围电路设计，电气线路设计，抗干扰设计等。及外围电路设计，电气线路设计，抗干扰设计等。一、一、PLC机型选择机型选择结构形式结构形式 整体式整体式 模块式模块式安装方式安装方式 集中式集中式 远程远程IO式式 分布式分布式功能要求功能要求响应速度响应速度系统可靠性系统可靠性机型统一机型统一 输入器件：指连接到输入器件：指连接到PLC输入接线端子用于产生输入输入接线端子用于产生输入 信号的器件

5、。信号的器件。分类分类 主令器件主令器件 检测器件检测器件 有源触点输入器件有源触点输入器件 无源触点输入器件无源触点输入器件输入信号输入信号 模拟信号模拟信号 数字信号数字信号 开关信号开关信号二、二、PLCI/O端口选择端口选择按钮、选择开关、数字开关按钮、选择开关、数字开关行程开关、接近开关、光电开关、继行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点，接触器辅助触点电器触点，接触器辅助触点行程开关、接近开关、光电行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点，接触器开关、继电器触点，接触器辅助触点辅助触点行程开关、接近开关、光电行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点，接触器开关、继电器触点，接触器

6、辅助触点辅助触点压力传感器、温度传感器压力传感器、温度传感器数字开关数字开关按钮、转换开关、形成开关、按钮、转换开关、形成开关、触点触点 输出器件：指连接到输出器件：指连接到PLC输出接线端子用于执行程序输出接线端子用于执行程序 运行结果的器件。运行结果的器件。分类：分类： 驱动负载驱动负载 显示负载显示负载 输出端口：输出端口： 继电器输出继电器输出 晶体管输出晶体管输出 晶闸管输出晶闸管输出接触器、继电器、电磁阀接触器、继电器、电磁阀二、二、PLCI/O端口选择端口选择指示灯、数字显示装置、电指示灯、数字显示装置、电铃、蜂鸣器铃、蜂鸣器交直流负载交直流负载直流负载直流负载交流负载交流负载

7、I/O点数的确定点数的确定 确定依据：将与确定依据：将与PLC相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小和种类分别统计，考虑将来发展的需要再相应增加电流的大小和种类分别统计，考虑将来发展的需要再相应增加 1015的余量。的余量。 CPU CPU的运行速度是指执行每一步用户程序的时间。对于以开关的运行速度是指执行每一步用户程序的时间。对于以开关量为主的控制系统，不用考虑扫描速度，一般的量为主的控制系统，不用考虑扫描速度，一般的PLCPLC机型都可使用。机型都可使用。对于以模拟量为主的控制系统，则需考虑扫描速度，必须选择合对于以模拟量为主的控制系统，

8、则需考虑扫描速度，必须选择合适适CPUCPU种类的种类的PLCPLC机型。机型。三、三、CPU的速度的速度 远程远程I/OI/O模块：输入、输出装置比较分散，工作现场远离控制站模块：输入、输出装置比较分散，工作现场远离控制站 高速计数器模块：当高速计数器模块：当PLCPLC内部的高速计数器的最高计数频率不能满内部的高速计数器的最高计数频率不能满足要求时，可选择使用足要求时，可选择使用 定位模块：在机械设备中，保证加工精度进行定位定位模块：在机械设备中，保证加工精度进行定位 通信联网模块：通信联网模块：PLCPLC与与PLCPLC之间，或之间，或PLCPLC与计算机之间的通信与联网与计算机之间的

9、通信与联网 模拟输入模块、输出模块：把流量、速度、压力、风力、张力等模拟输入模块、输出模块：把流量、速度、压力、风力、张力等变换成数字量，及把数字量变换成模拟量，进行输入、输出。变换成数字量，及把数字量变换成模拟量，进行输入、输出。 四、四、PLC模块的选择模块的选择 PLC PLC的外围设备主要是人的外围设备主要是人机对话装置，用于机对话装置，用于PLCPLC的编程和监控。的编程和监控。通过人通过人机对话装置可以进行编程、调试及显示图形报表、文件机对话装置可以进行编程、调试及显示图形报表、文件复制、报警等。复制、报警等。PLCPLC外围外围设备有编程器、打印机、外围外围设备有编程器、打印机、

10、EPROMEPROM写入写入器、显示器等。器、显示器等。五、五、PLC外围设备外围设备 我国优先选择我国优先选择220V220V的交流电源电压，特殊情况可选择的交流电源电压，特殊情况可选择24V24V直流电直流电源供电。源供电。 输入信号电源，一般利用输入信号电源，一般利用PLCPLC内部提供的直流内部提供的直流24V24V电源。对于带电源。对于带有有源器件的接近开关可外接有有源器件的接近开关可外接220V220V交流电源，提高稳定避免干扰。交流电源，提高稳定避免干扰。 选用直流选用直流I/OI/O模块时，需要外设直流电源。模块时，需要外设直流电源。六、电源电压的选择六、电源电压的选择8.3

11、PLC控制系统软件设计 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，增加一些辅助触点和中间编程元件。 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，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，特别是要求设计者有一定的实践经验。8.3.2 逻辑设计法 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

12、值两种取值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的，用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。 8.3.3 顺序功能图法 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

13、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。 内部标志位继电器置位复位法内部标志位继电器置位复位法顺序控制继电器（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序。使用它必须的编程方式，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。依据顺序功能图进行编程。移位寄存器法移位寄存器法 8.4 PLC应用程序的典型环节及设计技巧 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

14、这些基本环节尤为重要。它有助于程序设计水平的提高。 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； 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 。8.4.2 PLC控制程序设计技巧 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

15、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 。8.6 提高PLC控制系统可靠性的措施 PLC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PLC的可靠性，PLC本

16、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，一般平均无故障时间可达几万小时。8.6 提高PLC控制系统可靠性的措施 在过于恶劣的环境条件下，如强电磁干扰、超高温、超低温、过欠电压等情况，或安装使用不当等，都可能导致PLC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。为了提高PLC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。 8.6.1 PLC安装的环境条件 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，要求设厂家提高设备的抗干扰能力；

17、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：电源：PLCPLC对于电源线的干扰具

18、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。 8.6.2 抗干扰措施 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；磁场电流改变产生磁场，

19、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。 8.6.2 抗干扰措施-干扰源 1、来自空间的辐射干扰、来自空间的辐射干扰 空间的辐射电磁场（EMI）主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。 影响路径： 一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰； 二是对PLC通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。 辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小，特

20、别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。8.6.2 抗干扰措施-干扰源 2、来自系统外引线的干扰、来自系统外引线的干扰 1）、来自电源的干扰 PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。尤其是电网内部的变化，入开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。 PLC电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。8.6.2 抗干扰措施-干扰源 2、来自系统外引线的

21、干扰、来自系统外引线的干扰2）、来自信号线引入的干扰主要途径： 一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视； 二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。 由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。8.6.2 抗干扰措施-干扰源 2、来自系统外引线的干扰、来自系统外引线的干扰2）、接地系统混乱引入的干扰 接地是提高电子设备电磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。 PL

22、C控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。 屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。8.6.2 抗干扰措施 PLC控制系统的抗干扰设计控制系统的抗干扰设计 抑制电磁干扰的基本原则：抑制电磁干扰的基本原则：抑制干扰源；切断或衰减电磁干扰的传播途径；提高装置和系统的抗干扰能力。设备选型 选择有较高抗干扰能力的产品，了解抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，耐压能力、允许在多大电场强

23、度和多高频率的磁场强度环境中工作；参考应用实绩。采用国外产品时，应按我国的标准（GB/T13926）合理选择。 2、综合抗干扰设计 主要考虑外部干扰抑制。主要内容包括：外引线屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离和滤波，以防传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。8.6.2 抗干扰措施1、合理选择电源、合理选择电源 电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源（如CPU 电源、I/O电源等）、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。8.6.2 抗干扰措施2、铺设电缆、铺设电缆 不同信

24、号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设。严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，减少电磁干扰。8.6.2 抗干扰措施3、硬件滤波及软件抗如果措施、硬件滤波及软件抗如果措施硬件滤波硬件滤波 ： 信号线与地间并接电容，以减少共模干扰； 信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。 软件方面常用措施：软件方面常用措施： 数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰； 定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移； 采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位； 采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构可靠性。8.6.2 抗干扰措施4、完善接地系统、

25、完善接地系统 接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。 系统接地方式有：浮地方式、直接接地方式和电容接地浮地方式、直接接地方式和电容接地三种方式。 对PLC控制系统而言，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。 集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式。用一根大截面铜母线（或绝缘电缆）连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。 信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地；多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理。选择适当的接地处单点接点。8.6.4 PLC系统的试运行与维护 u运行错误信息：运行错