第7章 PLC控制系统的设计与应用

第七章PLC控制系统的设计与应用7.1控制系统的设计原则7.2PLC控制系统的设计步骤7.3应用举例教学目标1、掌握可编程序控制器控制系统设计方法的步骤2、掌握可编程序控制器减少输入输出点数的设计方法7.1控制系统的设计原则

最大限度地满足生产过程的控制要求在满足控制要求的前提下，尽量使控制系统简单、经济保证控制系统安全可靠选择PLC容量时，应考虑到生产的发展和工艺的改进，必须留有余地7.2PLC控制系统的设计步骤7.2.1熟悉控制对象的工艺条件确定控制范围7.2.2选择合适的PLC类型7.2.3I/O设备选择及I/O点分配7.2.4编写程序7.2.5程序测试7.2.6画电气接线图7.2.1熟悉控制对象的工艺条件确定控制范围

首先，根据该系统需完成的控制任务，对被控对象的工艺过程、工作特点、控制系统的控制过程、控制规律等等进行详细分析，归纳出状态流程图。明确控制任务和设计要求。

根据控制系统的具体要求进行分析，选择合适的控制系统。与继电器控制系统和工业控制计算机进行比较后加以选择。如果控制对象是工业环境较差，而安全性、可靠性要求又特别高、系统工艺又复杂、输入输出点数多，则用常规继电器系统难以实现，工艺流程又要经常变动的机械和现场，用PLC进行控制是合适的。7.2.2选择合适的PLC类型

PLC是一种通用工业控制装置．功能的设置总是面向大多数用户的。众多的PLC产品既给用户提供了广阔的选择余地，也给用户带来了一定困难。

PLC的选用与继电器接触器控制系统的元件的选用不同，继电器接触器系统元件的选用，必须要在设计结束之后才能定出各种元件的型号、规格和数量以及确定控制台、控制柜的大小等。

PLC的选用在应用设计的开始即可根据工艺提供的资料及控制要求等预先选择PLC的型号

1.功能与任务相适应PLC的选型基本原则是满足控制系统的功能需要。控制系统需要什么功能，就选择具有什么样功能的PLC。当然要兼顾维修、备件的通用性。对于小型单机仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC都可以满足要求。小型、中型和大型PLC已普遍进行PLC与PLC、PLC与上位机的通信与联网，具有数据处理、模拟量控制等功能，例如三菱的FX2与FX2C系列小型PLC。因此在功能的选择方面，要着重注意的是特殊功能的需要。这就是要选择具有所需功能的PLC主机，还要根据需要选择相应的模块，例如开关量的输入输出模块、模拟量的输入输出模块、高速计数模块、通信模块和人机界面单元等。

2.I/O点数是基础

准确地统计出被控设备对输入输出点数的总需要量是PLC选型的基础。把各输入设备和被控设备详细列出；然后在实际统计出I／O点数的基础上加l5％～20％的备用量，以便今后调整和扩充。多数小型PLC为整体式，除了按点数分成许多档次外，还有扩展单元。例如FX2系列PLC主机分为l6、24、32、64、80、128点六档，还有多种扩展模块和单元。

模块式结构的PLC采用主机模块与输入输出模块、功能模块组合使用方法，I／O模块按点数分为8、l6、32、64点不等。根据需要，选择和灵活组合使用主机与I／O模块3.用户存储器容量的估算PLC的程序存储器容量通常以字或步为单位。例如叫1K字、4K步。PLC的程序步是由一个字构成的，即每个程序步占一个存储器单元。用户程序所需存储器容量可以预先估算。对于开关量控制系统，用户程序所需存储器的字数等于I／O信号总数乘以8。对于有模拟量输入输出的系统，每一路模拟量信号大约需100字的存储器容量。大多数PLC的存储器采用模块式的存储器卡盒，同一型号的PLC可以选配不同容量的存储器卡盒，实现可选择的多种用户存储器的容量，例如FX2型PLC可以有2K步、8K步等。4.PLC的处理速度应满足实时控制的要求对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间不是主要的问题。响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。PLC的顺序扫描工作方式使它不能可靠地接收持久时间小于扫描周期的输入信号。为此，需要选取扫描速度高的PLC，像FX2型PLC能处理速度达0.48μs／步的顺控指令。5.编程器与外围设备的选择小型PLC控制系统通常都选用价格便宜的简易编程器。如果系统大，用PLC多．选一台功能强、编程方便的图形编程器也不错，如果有现成的个人计算机，也可选用能在个人计算机上运行的编程软件包。

7.2.3I/O设备选择及I/O点分配PLC控制系统中，通常用作输入器件的强电元件是控制按钮类操作器件、行程开关、光电开关类检测元件。PLC的负载通常有接触器、继电器、电磁阀、信号灯等。确定输出电源的种类、电压等级和容量。编制I/O分配表即对PLC的输入、输出进行合理的地址编号

编写程序就是根据设计的框图编写程序。梯形图语言是最普遍使用的编程语言。编写程序过程中，需要及时对编出的程序进行注释7.2.4编写程序7.2.5程序测试模拟调试用编程器将设计好的程序输入PLC中，进行编辑和检查，改正程序设计语法错误。在实验室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。2.现场运行调试

在现场使用PLC进行调试，可先不带负载，只带接触器线圈，信号灯等。利用编程器的监控功能，采用分段、分级调试方法进行。待各部分功能都调试正常后，再带上实际负载运行。7.2.6画电气接线图1.外部电路设计主要包括与PLC的连接电路，各种运行方式的强电电路，电源系统及接地系统的设计2.注意：1）按输入输出分配表的规定，将现场信号接在PLC的对应端子上2）输入回路一般由PLC内部提供电源，输出电路根据负载额定电压和额定电流外接电源。3）为保证输出触点的安全和防止干扰，当执行元件为感性负载时，交流负载线圈两端加浪涌吸收回路。直流负载线圈两端加续流二极管7.3.1减少I/O点数的方法减少所需输入点数的方法减少所需输出点数的方法7.3应用举例1.减少所需输入点数的方法分组输入触点合并式输入矩阵式输入充分利用可编程控制器的内部功能分组输入

多数设备都有自动控制和手动控制两种状态，自动程序和手动程序不会同时执行，把自动和手动信号叠加起来，按不同控制状态要求分组输入到可编程控制器，可以节省输入点数。例如：电梯轿箱内的操纵箱内一般都设有检修运行的手动上、下按钮，也有自动运行的选层按钮，现在很多电梯在设计时就是利用最底层选层按钮和最顶层的选层按钮取代检修手动上、下按钮，这样不仅节省了输入点，同时还减少了两个按钮，进一步降低了成本。分组输入电路图X0自动、手动切换开关图中的二极管是用来切断寄生信号的，避免错误信号的产生。

触点合并式输入

下图是一个以继电器接触器控制电动机启动、停止的电路。它可以实现在两个地方启动，三个地方停止的硬接线图。但在转换成PLC控制电路时，外部输入有多种接线方式，对应的梯形图也有多种。

图接线形式占用输入点最多，梯形图也显得复杂，但判断输入外围设备故障形象直观

图

2.减少所需输出点数的方法1．通断状态完全相同的负载并联后，可以共用PLC的一个输出点，即一个输出点带多个负载。2．在采用信号灯做负载时，采用数码管做指示灯可以减少输出点数。例如电梯的楼层指示，如果使用信号灯，则一层就要一个输出点，楼层越高占用输出点越多，现在很多电梯使用数字显示器显示楼层就可以节省输出点，常用的是用BCD码输出，9层站以下仅用4个输出点，10到19层仅用5个输出点。

7.3.2运料小车控制1.控制要求：1）小车可以分别在A、B两地分别起动，小车在任何位置均可以通过手动停车。2）运料矿车停在A地起动时，矿石装入小车，1min后装料完成，矿车左行。到达卸料地点后停下来，矿车底部开始卸料。1min后停止卸料，小车右行，返回装料处继续运动。小车若从B地起动，在B地等待1min卸料，然后驶向A地继续装料BA选用FX2N-16MR型可编程控制器2．设计步骤BAI/O分配表：输入信号：输出信号：停止按钮SB1X0左行接触器KM2Y1A起动按钮SB2X1右行接触器KM1Y2B起动按钮SB3X2B限位开关SQ2X3A限位开关SQ1X4I/O分配表：输入信号：输出信号：停止按钮SB1X0左行接触器KM2Y1A起动按钮SB2X1右行接触器KM1Y2B起动按钮SB3X2B限位开关SQ2X3A限位开关SQ1X4BAX1X0X3Y2Y1X0X3Y1T2X2Y2Y2T1X0X4Y1X0X4T2K600T1K600

物料传送系统的控制：在自动物流生产线上，一般通过加工、检测、包装等工位的传送带来运送加工的工件。每套传送系统由不同电机控制，为节能运行，没有工件的传送暂不运行，检测到工件则启动传送带，工件到达传送带的尾端，启动下条传送带，如果前套传送带没有工件则停止运行。7.3.4传输带电动机的控制系统1.基本控制要求

某车间运料传输带分为三段，有三台电动机分别驱动。使载有物品的传输带运行，没载物品的传输带停止运行，以节省能源。但是要保证物品在整个运输过程中连续地从上段运行到下段。所以，既不能使下段电动机起动太早，又不能使上段电动机停止太迟。2．设计步骤工作流程：按下起动按钮SB1电动机3开始运行被运送的物品(金属板)前进，被3#传感器检测起动电动机2运载物品运行被2#传感器检测起动电动机1运载物品前进延时2s停止电动机2物品被1#传感器检测延时2s停止电动机1。上述过程不断进行，直到按下停止按钮SB2为止。根据输入输出点数及功能要求，选用FX2N-16MR型可编程控制器可以满足控制系统的要求。（1）I/O分配表输入信号输出信号起动按钮SB1X0电机1接触器Y11#传感器X1电机2接触器Y22#传感器X2电机3接触器Y33#传感器X3急停按钮SB2X42．设计步骤输入信号输出信号起动按钮SB1X0电机1接触器Y11#传感器X1电机2接触器Y22#传感器X2电机3接触器Y33#传感器X3急停按钮SB2X47.3.7多种液体混合装置1．控制要求图是多种液体混合装置，适合如饮料的生产、酒厂的配液、农药厂的配比等。L1、L2、L3为液面传感器，液面淹没时接通，两种液体的输入和混合液体放液阀门分别由电磁阀Y0、Y1、Y3控制，M为搅匀电动机,由接触器Y2控制。L1L2L3L1L2L3(1)初试状态当装置投入运行时，液体A、液体B阀门关闭，放液阀门打开20s将容器放空后关闭。（2）起动操作按下起动按钮，液体混合装置开始按下列给定规律操作：①Y0＝ON，液体A将流入容器，液面上升；当液面达到L2处时，L2＝ON，使Y0＝OFF,Y1=ON，即关闭液体A阀门打开液体B阀门，停止液体A流入,液体B开始流入，液面上升；②当液面达到L1处时，Ll=ON，Y1＝0FF，即关闭液体B阀门，液体停止流入，开始搅拌；

③搅匀电动机工作1min后，停止搅拌，放液阀门打开，开始放液，液面开始下降；④当液面下降到L3处时，L3由ON变到OFF，再过20S，容器放空，放液阀门关闭，开始下一个循环周期。

(3)停止操作在任何时候按下停止按钮后，要将当前容器内的混合工作处理完毕后（当前周期循环到底)，才能停止操作，否则会造成浪费。2.设计步骤选用FX2N-16MR型可编程控制器可以满足控制系统的要求。（1）I/O分配表输入信号输出信号起动按钮SB1X0液体A电磁阀Y0停止按钮SB2X1液体B电磁阀Y1液面传感器L1X2搅拌电机Y2液面传感器L2X3放液电磁阀Y3液面传感器L3X4L1L2L3起动按钮SB1X0液体A电磁阀Y0停止按钮SB2X1液