可编程序控制器原理及应用：3.3 PLC控制系统设计与应用（补）

1、3.3 PLC控制系统设计与应用（补）3.3.1 PLC控制系统的设计概述 可编程控制器的结构和工作方式与通用微型计算机不完全一样。因此，利用可编程控制器设计自动控制系统与微机控制系统开发过程也不完全相同，需要根据可编程控制器的特点进行系统设计。PLC控制系统与继电器-接触器控制系统也有本质区别，硬件和软件可分开进行设计是可编程控制器的一大特点。 就工业控制的全面性而言，控制系统的设计包含了许多内容和步骤，需要丰富的专业知识。只要掌握了一定的基本知识和对控制对象具有足够的了解，在设计一些规模较小或者结构较为简单的控制系统时，就会发现并不是太困难的事情。1. PLC控制系统设计的基本原则 任何一

2、种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： 最大限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定电气控制方案，协同解决实际中出现的各种问题。 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。 保证控制系统的安全、可靠。 考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有裕量。2. PLC控制系统设计的一般步骤具体设计步骤： 根据生产的工艺过程分析控制要求。如需要完成的动作(动作顺序、动作条件、必

3、须的保护和连锁等)，操作方式(手动、自动、连续、单周期、单步等)。 根据控制要求确定所需要的用户输入输出设备。据此确定PLC的IO点数。 选择PLC。 分配PLC的I/O点，设计I/O连接图，这一步也可以结合第步进行。 进行PLC程序设计，同时可进行控制台(柜)的设计和现场施工。 在设计继电器-接触器控制系统时，必须在控制线路(硬接线)设计完后，才能进行控制台(柜)的设计和现场施工。可见，采用PLC控制，可以使整个工程的周期缩短。 PLC程序设计的步骤： 对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。 设计梯形图。这是程序设计的

4、关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。 根据梯形图编制程序清单(若使用的编程器可直接输入梯形图,则可省去此步)。 用编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。 对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。 待控制台(柜)及现场施工完成后，就可以进行联机调试。如不满足要求，再回去修改程序或检查接线，直到满足要求为止。 编制技术文件 交付使用图3.1（补） 可编程控制器系统设计流程图3. 确定控制对象及范围 全面详细地了解被控制对象的特点和生产工艺过程，归纳出工作循环图或状态流程图，与继电器控制系统和工业控制计

5、算机进行比较后加以选择。明确控制任务和设计要求。4. 可编程控制器的选择（1） 机型的选择 机型选择的基本原则应是在功能满足要求的情况下，保证可靠、维护使用方便以及最佳的性能价格比。 （2） 输入/输出的选择 （3） 内存估计 用户程序所需内存容量受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入/输出点数；用户的编程水平。（4） 响应时间 对过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。可编程控制器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。例如某产品有效检测宽度为3cm，产品传送速度为30m/min，为了确保不会漏检经过的产品，要求可编程控制器扫描周期不

6、能大于产品通过检测点的时间间隔60msT=3cm/(30m/min)。 系统响应时间是指输入信号产生时刻与由此使输出信号状态发生变化时刻的时间间隔。系统响应时间输入滤波时间输出滤波时间+扫描时间 5. 硬件与软件（程序）设计PLC选型和IO配置是硬件设计的重要内容。设计出合理的PLC外部接线图也很重要。对PLC的输入、输出进行合理的地址编号，会给PLC系统的硬件设计、软件设计和系统调整带来很多方便。输入输出地址编号确定后，硬件设计和软件设计工作可平行进行。 用户程序的编写即为软件设计，画出梯形图，写出语表句。 6. 模拟调试 将设计好的程序键入PLC后应仔细检查与验证，改正程序设计语法错误。

7、在实验室里进行用户程序的模拟运行和程序调试，观察各输入量、输出量之间的变化关系及逻辑状态是否符合设计要求，发现问题及时修改，直到满足工艺流程和状态流程图的要求。 在程序设计和模拟调试时，可平行地进行电控系统的其它部分的设计。例如PLC外部电路和电气控制拒、控制台的设计、装配、安装和接线等工作。 7. 现场运行调试模拟调试好的程序传送到现场使用的PLC存储器中，接入PLC的实际输入接线和负载。进行现场调试的前提是PLC的外部接线-一定要准确无误。反复现场调试发现问题现场解决。 如果系统调试达不到指标要求，则可对硬件和软件作调整，通常只需修改用户程序即可达到调整目的。 现场调试后，一般将程序固化在

8、有长久记忆功能的可擦可编程只读存储器(EPROM）卡盒中长期保持。 3.3.2 PLC控制系统的程序设计编程方法： 一般PLC的编程有三种方法：经验法、解析法和图解法。1. 经验法 即是运用自己的或别人的经验进行设计。多数是设计前先选“样机”，并结合自己的情况，对“样机”逐一修改，直至适合自己的情况。“样机”多为与自己情况类似的一个或若干个成功的程序，也可为具有一些典型功能的标准程序。在工作过程中，可收集与积累这些“样机”，从而可不断丰富自己的经验。2. 解析法（逻辑设计法） PLC的逻辑控制，实际是逻辑综合问题。所以，可根据组合逻辑或时序逻辑的理论，并运用相应的解析方法，对其进行逻辑关系的求

9、解，然后，再根据求解的结果，或画成梯形图，或直接编写程序。解析法比较严密，可以运用一定的标准，使程序优化与算法化，并可避免编程的盲目性，是较有效的方法。3. 图解法 图解法是靠画图进行PLC程序设计。常见的主要有三种方法：梯形图法、波形图法及流程图法。 梯形图法是很基本的方法。无论经验法，还是解析法，若把PLC程序等价成梯形图后，就要用到梯形图法。 波形（时序）图法很适合于时间控制电路。把对应信号的波形画出后，再依时间用逻辑关系去组合，就可很容易把电路设计出来。 流程图是用框图表示PLC程序执行过程及输入条件与输出间关系。在使用步进指令的情况下，用它进行设计，是很方便的。 图解法与解析法不能截

10、然分开。解析法中也要画图，而图解法中也要列解析式子，只是这两者各有其侧重。 3.3.1 可编程控制器应用程序的基本控制环节 PLC的应用程序往往是-些典型的控制环节和基本单元电路的组合，依靠经验来选择，直接设计用户程序，满足生产机械和工艺过程的控制要求。 基本环节的编程举例（1）启动、停止和保持控制基本形式 使输入信号保持时间超过一个扫描周期的自我维持电路是构成有记忆功能元件控制回路的最基本环节，它经常用于内部继电器、输出点的控制回路，基本形式有两种。 启动优先式 右图是启动优先式启动、保持和停止控制程序。 当启动信号X0ON时，无论关断信号X1状态如何，M2总被启动，并且当X1=OFF时通过

11、M2常开触点闭合实现自锁。 当启动信号X0OFF时，使X1ON可实现关断M2。因为当XO与X1同时ON时，启动信号XO有效，故称此程序为启动优先式控制程序。 关断优先式 下图是关断优先式启动、保持和停止控制程序。 当关断信号X1ON，无论启动信号状态如何，内部继电器M2均被关断(状态为OFF)。 当关断信号X1OFF时，使启动情号X0ON，则可启动M2(使其状态变为ON)，并通过常开触点M2闭合自锁；在XO变为OFF后仍保持M2为启动状态(状态保持为ON)。 因为当XO与X1同时为ON时，关断信号X1有效，所以此程序称为关断优先控制程序 (2)逻辑控制的基本形式 联锁控制 在生产机械的各种运动

12、之间，往往存在着某种相互制约的关系，一般采用联锁控制来实现。用反映某一运动的联锁信号触点去控制另一运动相应的电路，实现两个运动的相互制约，达到联锁控制的要求。联锁控制的关键是正确地选择和使用联锁信号。下面是几种常见的联锁控制。 1)不能同时发生运动的联锁控制 在下图中，为了使Y1和Y2不同时被接通，选择联锁信号为Y1的常闭触点和Y2的常闭触点，分别串人Y2和Y1的控制回路中。 当Y1和Y2中有任何一个要启动时，另一个必须首先已被关断。反过来说，两者之中任何一个启动之后都首先将另一个的启动控制回路断开，从而保证任何时候两者都不能同时启动，达到了联锁控制要求。这种控制用得最多的是同一台电动机的正、

13、反转控制，机床的刀架进给与快速移动之间、横梁升降与工作台运动之间、多工位回转工作台式组合机床的动力头向前与工作台的转位和夹具的松开动作之间等不能同时发生的运动，都可采用这种联锁方式。2)互为发生条件的联锁控制 如下图所示，Y0的常开触点串在Y1的控制回路中，Y1的接通是以Y0的接通为条件。这样，只有Y0的接通才允许Y1的接通。Y0关断后Y1也被关断停止，而且Y0接通的条件下，Y1可以自行启动和停止。 3)顺序步进控制 实践中，顺序步进控制的实例很多。下图所示就是一个顺序步进控制的例子。在顺序依次发生的运动之间，采用顺序步进的控制方式。选择代表前一个运动的常开触点串在后一个运动的启动线路中，作为

14、后一个运动发生的必要条件。同时选择代表后一个运动的常闭触点串入前一个运动的关断线路里。这样，只有前一个运动发生了，才允许后一个运动可以发生，而一旦后一个运动发生了，就立即使前一个运动停止，因此可以实现各个运动严格地依预定的顺序发生和转换，达到顺序步进控制，保证不会发生顺序的错乱。 4)集中控制与分散控制 在多台单机连成的自动线上，有在总操作台上的集中控制和在单机操作台上分散控制的联锁。集中控制与分散控制的梯形图如下所示。 在上图中，输入X2为选择开关，以其触点为集中控制与分散控制的联锁触点。当X2=l时，为单机分散启动控制；当X20时，为集中总启动控制。在两种情况下，单机和总操作台都可以发出停

15、止命令。 5)自动控制与手动控制 在自动或半自动工作机械上，有自动工作控制与手动调整控制的联锁，如右图所示。输入信号X1是选择开关，选其触点为联锁信号。当X1l时，自动控制有效，手动调整控制无效。当X10时，自动控制无效，手动控制有效。 按控制过程变化参量的控制 在工业自动化生产过程中，仅用简单的联锁控制不能满足要求，有时要用反映运动状态的物理量，像行程、时间、速度、压力、温度等量进行控制。 按行程原则控制是最常用的。 根据运动行程或极限位置的要求，通过检测元件行程开关发出控制信号实现自动控制。 按时间控制也是常用的。 交流异步电动机采用定子绕组串接电阻实现减压起动，利用时间原则控制减压电阻串入和切除的时间。交流异步电动机星形起动、三角形联结运行的控制采用时间原则控制。交流异步电动机能耗制动时，定子绕组接入直流电的时间也可用PLC控制。