第九章 可编程控制系统设计2014(6).

1、第九章 可编程控制系统设计 通过本章的学习通过本章的学习, ,掌握掌握PLCPLC控制系统的设计基本控制系统的设计基本原则、一般步骤原则、一般步骤, , 学会运用常用的设计方法解决各学会运用常用的设计方法解决各种工程控制问题。种工程控制问题。一、一、PLCPLC控制系统设计的基本原则控制系统设计的基本原则设计设计PLCPLC控制系统时，应遵循以下基本原则：控制系统时，应遵循以下基本原则： 1 1、PLCPLC控制系统控制被控对象应最大限度地满控制系统控制被控对象应最大限度地满足工艺要求。足工艺要求。2 2、在满足工艺要求的前提下，力求使、在满足工艺要求的前提下，力求使PLCPLC控制控制系统简

2、单、经济、使用及维修方便。系统简单、经济、使用及维修方便。 3 3、保证控制系统的安全、可靠。、保证控制系统的安全、可靠。 4 4、考虑到生产的发展和工艺的改进，在配置、考虑到生产的发展和工艺的改进，在配置PLCPLC硬件设备时应适当留有一定的裕量。硬件设备时应适当留有一定的裕量。第一节第一节 PLCPLC控制系统设计的基本内容和步骤控制系统设计的基本内容和步骤二、二、PLCPLC控制系统设计的基本内容控制系统设计的基本内容输入设备：按钮、操作开输入设备：按钮、操作开关、限位开关、传感器关、限位开关、传感器输出设备：继电器、接触输出设备：继电器、接触器、信号灯等执行元件器、信号灯等执行元件输出

3、设备驱动的控制对象：输出设备驱动的控制对象：电动机、电磁阀等电动机、电磁阀等其它元器件或设备其它元器件或设备PLCPLC是是PLCPLC控制系统的核心控制系统的核心部件。正确选择部件。正确选择PLCPLC对于对于保证整个控制系统的技术保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的经济性能指标起着重要的作用。作用。PLCPLC机型、机型、PLCPLC容量、容量、PLCPLC的的I/OI/O模块、模块、PLCPLC的电源模的电源模块块 3 3、分配、分配I/OI/O点，绘制点，绘制I/OI/O连接图。连接图。 4 4、控制程序设计。包括控制系统流程图、梯形图、语、控制程序设计。包括控制系统流程图、梯

4、形图、语句表（即程序清单）等设计。句表（即程序清单）等设计。 控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，设计的控制程序必须作正常、安全、可靠的关键。因此，设计的控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。经过反复调试、修改，直到满足要求为止。 5 5、必要时还需设计控制台（柜）。、必要时还需设计控制台（柜）。 6 6、编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及、编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表。电气元件明细表。 传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置传统的电气图，一般包括电气

5、原理图、电器布置图及电气安装图。图及电气安装图。 在在PLCPLC控制系统中，主要内容：控制系统中，主要内容：（1 1）“硬件图硬件图”电气原理图，电器布置图、电电气原理图，电器布置图、电气安装图，以及气安装图，以及PLCPLC的的I/OI/O连接图。连接图。（2 2）程序图（梯形图）程序图（梯形图“软件图软件图”。向用户提供。向用户提供“软件图软件图”，可便于用户在生产发展或工艺改进时修，可便于用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。三、三、PLCPLC控制系统程序设计的一般步骤及内容控制系统程序设计的一般步骤及内容

6、 1 1、根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作、根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期、单步等）。（手动、自动；连续、单周期、单步等）。 2 2、根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。据此确、根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。据此确定定PLCPLC的的I/OI/O点数。点数。 3 3、选择、选择PLCPLC机型及容量。机型及容量。 4 4、定义输入、输出点名称，分配、定义输入、输出点名称，分配PLCPLC的的I/OI/O点，设计点，设计I/

7、OI/O连接图。连接图。 5 5、根据、根据PLCPLC所要完成的任务及应具备的功能，进行所要完成的任务及应具备的功能，进行PLCPLC程程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。四、四、PLCPLC的选型与硬件配置的选型与硬件配置 PLC PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的生产的PLCPLC种类很多。选择合适的种类很多。选择合适的PLCPLC型号并确定型号并确定各种硬件配置。各种硬件配置。设计系统硬件配置图：设计系统硬件配置图：（1 1）系统构成级别（设备控制级和过程控制级）、）系统构成

8、级别（设备控制级和过程控制级）、（2 2）系统联网情况、）系统联网情况、（3 3）通信网络上的）通信网络上的PLCPLC站数、每个可编程控制器站站数、每个可编程控制器站上的中心单元和扩展单元构成情况等等。上的中心单元和扩展单元构成情况等等。 1 1、规模要适当、规模要适当 输入、输出点数以及软件对输入、输出点数以及软件对PLCPLC功能及指令的要求是功能及指令的要求是选择选择PLCPLC机型规模大小的重要依据。机型规模大小的重要依据。确保有足够的输入、输出点数，确保有足够的输入、输出点数，留有一定的余地（要有留有一定的余地（要有10%10%的备用量）。的备用量）。实现单机自动化，或机电一体化产

9、品，实现单机自动化，或机电一体化产品，选用小型选用小型PLCPLC。控制系统较大，输入、输出点数较多，控制设备较分散，控制系统较大，输入、输出点数较多，控制设备较分散，选用中型或大型选用中型或大型PLCPLC。确定用户程序存储器的容量。一般粗略的估计方法是：确定用户程序存储器的容量。一般粗略的估计方法是：（输入（输入+ +输出）（输出）（10101212）= =指令步数。指令步数。2 2、功能要相当，结构要合理、功能要相当，结构要合理 3 3、输入、输出功能及负载能力的选择、输入、输出功能及负载能力的选择选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输选择哪一种功能的输入、输出形式或模

10、块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求。入和输出信号的种类、参数要求和技术要求。开关量输入模块的选择开关量输入模块的选择 1 1、输入信号的类型及电压等级、输入信号的类型及电压等级 直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。直流输入、交流输入和交流直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。 （1 1）直流输入模块的延迟时间较短，还可以直）直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接； （2 2）交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、）交流

11、输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。粉尘的恶劣环境。 （3 3）开关量输入模块的电压等级有：直流）开关量输入模块的电压等级有：直流5 5、1212、2424、4848、6060等；交流等；交流110110、220220等。一般等。一般5 5、1212、2424用于传输距离较近场合。用于传输距离较近场合。2 2、输入接线方式、输入接线方式 主要有汇点式和分组式两种接线方式主要有汇点式和分组式两种接线方式 开关量输出模块的选择开关量输出模块的选择 1 1、输出方式、输出方式 开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式体管输出三种

12、方式 （1 1）继电器输出：价格便宜，可以驱动交、直）继电器输出：价格便宜，可以驱动交、直流负载，适用的电压大小范围较宽、导通压降小，流负载，适用的电压大小范围较宽、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但动作速承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但动作速度较慢度较慢、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。频繁通断的场合。 （2 2）对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输）对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用管输出只能用

13、于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。于直流负载。 2 2）输出接线方式）输出接线方式 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式接线方式PLCPLC与常用输入、输出设备的连接与常用输入、输出设备的连接（1 1）PLCPLC与主令电器类设备的连接与主令电器类设备的连接 （2 2）PLCPLC与拨码开关的连接与拨码开关的连接 （3 3）PLCPLC与旋转编码器的连接与旋转编码器的连接（4 4）PLCPLC与传感器类设备的连接与传感器类设备的连接I -I -传感器的漏电流（传感器的漏电流（mAmA）UOFFUOFF-PLCPLC输入电压低电平的上限值输

14、入电压低电平的上限值（V V）RCRC-PLCPLC的输入阻抗（的输入阻抗（KK）（4）PLC与输出设备的一般连接方法 （5）PLC与感性输出设备的连接续流二极管的额定电流为续流二极管的额定电流为1 1A A、额定电压大于电源电压的额定电压大于电源电压的3 3倍；倍；电阻值可取电阻值可取5012050120电容值可取电容值可取0.10.470.10.47FF，电容的额定电压应大于电源的电容的额定电压应大于电源的峰值电压。峰值电压。接线时要注意续流二极管的极接线时要注意续流二极管的极性性 （6 6）PLCPLC与七段与七段LEDLED显示器的连接显示器的连接 减少输入点数的措施PLCPLC在实际

15、应用中常碰到这样两个问题：在实际应用中常碰到这样两个问题： （1 1）PLCPLC的的I/OI/O点数不够，需要扩展，然而增加点数不够，需要扩展，然而增加I/OI/O点数将提高成本；点数将提高成本； （2 2）是已选定的）是已选定的PLCPLC可扩展的可扩展的I/OI/O点数有限，无法点数有限，无法再增加。再增加。 在满足系统控制要求的前提下，合理使用在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/OI/O点点数，尽量减少所需的数，尽量减少所需的I/OI/O点数是很有意义的。点数是很有意义的。 这里介绍几种实用的减少这里介绍几种实用的减少I/OI/O点数的措施。点数的措施。（1）减少输入点数的措施分组

16、输入分组输入矩阵输入矩阵输入1 1）矩阵输入方法需要硬件与软件相配合来完成）矩阵输入方法需要硬件与软件相配合来完成2 2）由于矩阵输入的输入信号为一系列断续的脉冲信号。）由于矩阵输入的输入信号为一系列断续的脉冲信号。3 3）应保证输入信号的宽度要大于）应保证输入信号的宽度要大于Y0Y0、Y1Y1、Y2Y2轮流导通一轮流导通一遍的时间遍的时间组合输入组合输入 对于不会同时接通的输入信号，可采用对于不会同时接通的输入信号，可采用组合编码的方式输入。组合编码的方式输入。输入设备多功能化输入设备多功能化合并输入合并输入 将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。如果将某些功能相同的开关量输入设备合并输入

17、。如果是几个常闭触点，则串联输入；如果是几个常开触点，是几个常闭触点，则串联输入；如果是几个常开触点，则并联输入。则并联输入。某些输入设备可不进某些输入设备可不进PLC PLC 有些输入信号功能简单、涉及面很窄，有时就没有有些输入信号功能简单、涉及面很窄，有时就没有必要作为必要作为PLCPLC的输入，将它们放在外部电路中同样可以满的输入，将它们放在外部电路中同样可以满足要求。足要求。减少输出点数的措施矩阵输出矩阵输出 注意：采用矩阵注意：采用矩阵输出时，必须要将同输出时，必须要将同一时间段接通的负载一时间段接通的负载安排在同一行或同一安排在同一行或同一列中，否则无法控制。列中，否则无法控制。

18、分组输出分组输出 当两组输出设备或当两组输出设备或负载不会同时工作，负载不会同时工作，可通过外部转换开关可通过外部转换开关或通过受或通过受PLCPLC控制的电控制的电器触点进行切换，所器触点进行切换，所以以PLCPLC的每个输出点可的每个输出点可以控制两个不同时工以控制两个不同时工作的负载。作的负载。 并联输出并联输出 注意注意PLCPLC输出点同时驱动多个负载时，应输出点同时驱动多个负载时，应考虑考虑PLCPLC输出点的驱动能力是否足够。输出点的驱动能力是否足够。输出设备多功能化输出设备多功能化 利用利用PLCPLC的逻辑处理功能，一个输出设备的逻辑处理功能，一个输出设备可实现多种用途。可实

19、现多种用途。某些输出设备可不进某些输出设备可不进PLCPLC 系统中某些相对独立、比较简单的控制部系统中某些相对独立、比较简单的控制部分，可直接采用分，可直接采用PLCPLC外部硬件电路实现控制。外部硬件电路实现控制。注意的问题以上一些常用的减少以上一些常用的减少I/0I/0点数的措施，仅点数的措施，仅供参考，实际应用中应该根据具体情况，供参考，实际应用中应该根据具体情况，灵活使用。灵活使用。同时应该注意不要过份去减少同时应该注意不要过份去减少PLCPLC的的I/0I/0点数，而使外部附加电路变得复杂，从点数，而使外部附加电路变得复杂，从而影响系统的可靠性。而影响系统的可靠性。 4 4、使用环

20、境条件、使用环境条件4.304.30 在选择在选择PLCPLC时，要考虑使用现场的环境时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件有：环境温度、相对湿度、电源允许条件有：环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。波动范围和抗干扰等指标。 5 5、提高、提高PLCPLC控制系统可靠性的措施控制系统可靠性的措施 为了提高为了提高PLCPLC系统运行的可靠性，应注意以系统运行的可靠性，应注意以下问题：下问题： 适合的工作环境适合的工作环境 合理的安装与布线合理的安装与布线 正确的接地正确的接地 必须的安全保护环节必须的安全保护环节 必

21、要的软件措施必要的软件措施 采用冗余系统或热备用系统采用冗余系统或热备用系统 正确的接地PLCPLC一般最好单独接地，也可以采用公共接地，但禁止使一般最好单独接地，也可以采用公共接地，但禁止使用串联接地方式用串联接地方式 PLCPLC的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近的接地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLCPLC。同时，接同时，接地电阻要小于地电阻要小于100100，接地线的截面应大于接地线的截面应大于mmmm2 2。 必要的软件措施消除开关量输入信号抖动消除开关量输入信号抖动 此外，还应考虑输入、输出的负载能力，要注此外，还应考虑输入、输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。应该指出的是

22、，输出电意承受的电压值和电流值。应该指出的是，输出电流值和导通负载电流值是不同的概念。输出电流值流值和导通负载电流值是不同的概念。输出电流值是指每一个输出点的驱动能力。导通负载电流值是是指每一个输出点的驱动能力。导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载时所允许的最大电流值，指整个输出模块驱动负载时所允许的最大电流值，即整个输出模块的满负荷能力。即整个输出模块的满负荷能力。 本节根据某电镀生产线的工艺要求本节根据某电镀生产线的工艺要求, ,介绍介绍“顺顺序移位控制序移位控制”的的PLCPLC程序设计方法。程序设计方法。一、电镀工艺要求一、电镀工艺要求 电镀生产线有三个槽，工件由可升降吊钩电镀生产线

23、有三个槽，工件由可升降吊钩的行车移动，经过的行车移动，经过电镀电镀、镀液回收镀液回收、清洗三个工序清洗三个工序，实现对工件的电镀。实现对工件的电镀。工艺要求是工艺要求是：工件放入电镀槽工件放入电镀槽中，电镀中，电镀280280秒后提起，停放秒后提起，停放2828秒，让镀液从工件上流秒，让镀液从工件上流回电镀槽，回电镀槽，然后放入回收液槽中浸然后放入回收液槽中浸3030秒，提起后停秒，提起后停1515秒，秒，再放入清水槽中清洗再放入清水槽中清洗3030秒，最后提起停秒，最后提起停1515秒秒后，行车返回原位，电镀一个工件的全过程结束。后，行车返回原位，电镀一个工件的全过程结束。电电镀生产线的工艺

24、流程如图镀生产线的工艺流程如图9-29-2所示。所示。37第二节第二节 PLC在电镀生产线上的应用在电镀生产线上的应用二、控制流程二、控制流程 电镀生产线除装卸工件外，要求整个生产过程电镀生产线除装卸工件外，要求整个生产过程能能自动进行自动进行。同时行车和吊钩的正反向运行均能实现。同时行车和吊钩的正反向运行均能实现点点动控制动控制，以便对设备进行调整和检修。，以便对设备进行调整和检修。38图9-2 电镀工艺流程图镀 槽280S28S回收液槽清水槽30S15S15S30S原位SQ6SQ5SQ4SQ3SQ2SQ1前进前进后退后退上升上升下降下降电镀电镀滴液滴液下降下降回收回收上升上升上升上升滴液滴

25、液后退后退下降下降上升上升清洗清洗后退后退下降下降复位复位滴液滴液39生产过程自动运行的控制过程流程图如下：生产过程自动运行的控制过程流程图如下：可以将这个状态可以将这个状态流程图改成流程图改成PLCPLC步进状态转移图步进状态转移图。 为便于对行车和吊钩手动调整位置的为便于对行车和吊钩手动调整位置的点动控制点动控制要求是要求是: :按下点动控制按按下点动控制按钮后进入点动调节钮后进入点动调节: : 吊钩手动调整吊钩手动调整: :按下启动按钮按下启动按钮SB1SB1后后, ,按吊钩上按吊钩上升按按钮升按按钮SB3SB3或按吊钩下降按钮或按吊钩下降按钮SB4SB4, ,吊钩能分别上升或吊钩能分别

26、上升或下降到指定位置下降到指定位置; ; 行车手动调整条件行车手动调整条件: :吊钩吊钩只有提升到最高位置只有提升到最高位置时才能调整行车。行车手动调整的要求是：按行车右移时才能调整行车。行车手动调整的要求是：按行车右移按钮按钮SB5SB5或按下左移按钮或按下左移按钮SB6SB6, ,行车能分别右移或左移到行车能分别右移或左移到指定位置。指定位置。三、三、PLCPLC的选型的选型 根据图根据图9-39-3的自动工作状态流程图，的自动工作状态流程图，PLCPLC控制控制系统的系统的输入信号有输入信号有1414个个，均为开关量。其中，均为开关量。其中各种单操作各种单操作按钮开关按钮开关6 6个个，行程开关行程开关6 6个个，自动、点动选择开关自动、点动选择开关2 2个个（占两个输入接点）。（占两个输入接点）。40 PLC PLC控制系统的控制系统的输出信号有输出信号有5 5个个，其中，其中2 2个用于驱动吊钩个用于驱动吊钩电机正反转接触器电机正反