第七章可编程序控制器的控制系统设计

2023/2/3西南科技大学信息工程学院1第七章可编程序控制器的控制系统设计§7-1PLC控制系统的总体设计§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施§7-3应用设计举例2023/2/3西南科技大学信息工程学院2PLC控制系统硬件设计方法控制系统总体方案设计控制系统硬件设计根据机型及I/O模块的选择控制系统硬件设计文件系统供电设计I/O模块供电电源设计系统接地设计电缆设计和敷设PLC控制系统软件设计方法控制系统软件设计流程信号采样和滤波处理方法与技巧§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院3一、控制系统总体方案设计明确对控制对象的要求，然后根据实际需要确定控制系统类型和系统工作时的运行方式，即总体方案实际的内容。1、PLC控制系统类型由PLC构成的单机控制系统可分为下列四种类型。（1）由PLC构成的单机控制系统（2）由PLC构成的集中控制系统（3）由PLC构成的分布式控制系统（4）由PLC构成远程I/O控制系统§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院4PLC控制对象输入/输出单机控制系统PLC控制对象输入/输出集中控制系统控制对象控制对象§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院5分散控制系统PLC-A控制对象APLC-B控制对象BPLC-C控制对象C计算机§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院6远程I/O控制系统PLC控制对象A控制对象B控制对象C控制对象M本地I/O通道远程I/O通道§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院72、系统的运行方式

用PLC构成的控制系统有三种运行方式，即自动、半自动和手动。（1）自动运行方式。自动运行方式是控制系统的主要运行方式。这种运行方式的主要特点是在系统工作过程中，系统按给定的程序自动完成被控对象的动作，不需要人工干预，系统的启动可由PLC本身的启动系统进行，也可由PLC发出启动信号，由操作人员确认并按下启动响应按钮后，PLC自动启动系统。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院8（2）半自动运行方式。这种运行方式的特点是系统在启动和运行过程中的某些步骤需要人工干预才能进行下去。半自动方式多用于检测手段不完善，需要人工判断或某些设备不具备自控条件，需要人工干涉的场合。（3）手动运行方式。手动运行方式不是控制系统的主要运行方式，而是用于设备调试、系统调整和特殊情况下的运行方式，因此它是自动运行方式的辅助方式。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院93、PLC的停运方式

有正常停运、暂时停运和紧急停运三种。（1）正常停运。由PLC的程序执行，当系统的运行步骤执行完且不需要重新启动执行程序时，或PLC接收到操作人员的停运指令后，PLC按规定的停运步骤停止系统运行；§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院10（2）暂停方式。用于程序控制方式时暂停执行当前程序，使所有输出都设置成OFF状态，待暂停解除时将继续执行被暂停的程序。另外也可用暂停开关直接切断负荷电源，同时将此信息传给PLC，以停止执行程序，或者把CPU的RUN切换成STOP，以实现对系统的暂停运行；（3）紧急停运方式。是在系统运行过程中设备出现异常情况或故障时，若不中断系统运行，将导致重大事故或有可能损坏设备，此时必须使用紧急停运按钮使整个系统立即停运。它是既没有连锁条件也没有延迟时间的停运方式，紧急停运时，所有设备都必须停运，且程序控制被解除，控制内容复位到原始状态。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院11二、系统硬件设计根据

系统硬件设计必须根据控制对象而定，应包括控制对象的工艺要求、设备状况、控制功能、I／O点数，并据此构成比较先进的控制系统。1、工艺要求机械手的控制系统为例，讨论工艺要求所包含的内容和对系统设计的要求。所要了解的工艺过程如下图所示。（机械手动作示意图）§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院12（1）下降；（2）夹紧；（3）上升；（4）右移；（5）下降；（6）放松；（7）上升；（8）左移。2023/2/3西南科技大学信息工程学院132、设备状况设备状况应满足整个工艺要求。3、控制功能根据工艺要求和设备状况就可提出控制系统应实现的控制功能。只有掌握了要实现的控制功能，才能据此设计系统的类型、规模、机型、模块、软件等内容。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院144、I/O点数和种类在统计系统I／O时，要分清输入和输出、数字量和模拟量、各种电压电流等级、智能模板要求。5、系统的先进性初级的单体设备控制系统集中控制系统

EIC综合化控制系统§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院15EIC综合化系统就是将电气控制（Electric）、仪表控制（Instrumentation）、计算机系统（ComputerSystem）集于一体形成综合化控制系统。这种系统功能强、层次清楚、可靠性高、可扩展性强、应用开发容易。鉴于控制思想的不断更新，在设计可编程序控制器所组成的控制系统时，也要考虑到所组成的控制方案的先进性。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院16三、PLC的机型选择选择机型所依据的性能指标如下：1、CPU的能力2、I/O点数为了保证所设计的控制系统的正常运行，在系统硬件设计时，建议根据实际I／0点数留有10％～15％的余量。3、响应速度§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院174、指令系统5、机型选择的其它考虑性能价格比备品备件的统一考虑技术支持6、是否在线编程在线编程要求主机和编程器各有一个CPU。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院18

四、输入/输出模块的选择1、数字量输入模块的选择（1）选择电压等级按电压分有直流5V、12V、24V、48V、60V和交流110V、220V；（2）按保护形式分有隔离和不隔离两种（3）选择模块密度按点数分有8点、16点、32点、64点。高密度模块，如32点或64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般来讲，同时接通点数最好不超过模块总点数的70％。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院19（4）备用输入点的设计考虑在设计总输入点数时都留有了一定的余量，这些备用点的分配应分别考虑到每块输入模块上，最好分配到每组输入点上。例如一块输入模块具有32点输入，它们每8点为一组，在设计时每8点留一个备用点，一旦其余7点发生故障，只有把接线从故障点改接到备用点，再修改相应地址，系统就可恢复正常。这样考虑，则有利于系统设计的修改和故障的处理。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院202、数字量输出模块的选择（l）输出方式的选择。（2）输出功率的选择。在选择模块时要注意手册上给出的输出功率要大于实际负载所需的功率。在实际应用中，如果负载要求的功率很大，数字量输出模块已不能满足需要，此时在设计上可有两种办法：●采用中间继电器，数字量输出驱动中间继电器的线圈。●用多个数字量输出点并联驱动一个负载，此时应注意多个输出点动作的一致性。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院21（3）负载。针对负载情况要注意两点：●对于像电磁抱闸这类负载，虽然负载电流很小，但匝数多，断电瞬间其反向电压很高，有时会使输出三极管反向击穿，此时要在负载两端并接电容和电阻抑制反向电压；●对于灯负载，要注意启动冲击电流，一般启动电流为负载额定电流的10倍，驱动灯负载时，手册上都给出相对应的输出功率。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院223、模拟量输入模块的选择（1）模拟量值的输入范围。模拟量输入模块有各种输入范围，它们包括0～10V，士10V，4～20mA等。有的产品用外加输入量程子模块来实现各种输入范围，使得同一个模拟量输入模块可以适应不同的输入范围；也有的产品将各种不同输入范围的模块做成各自独立的模拟量输入模块。（2）模拟量值的数字表示方法。模拟量输入模块的功能是进行模拟量到二进制数值的转换。在选择时要注意转换精度。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院23（3）采样循环时间。采样循环时间反映了系统处理模拟量输入的响应时间。（4）模拟量输入模块的外部连接方式。外部检测元件各种各样，其信号范围和要求的连接也不相同。模拟量输入模块为适应这些要求可提供各种连接方式，它们包括电阻的连接方式、热电偶的连接方式、各种传感器的连接方式；有时还包括两线连接和带补偿的四线连接，这些都要根据实际需要选择。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院244、模拟量输出模块的选择（1）输出范围和输出类型。模拟量输出范围包括0～10V，士10V，4～20mA。输出类型有电压输出和电流输出，一般的模拟量模块都同时具有这两种输出类型，只是在与负载连接时接线方式不同。（2）对负载的要求。对负载的要求主要是负载阻抗，在电流输出方式下一般给出最大的负载阻抗。在电压输出方式下，则给出最小负载阻抗。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院255、智能I/O模块的选择

智能1／0模块不同于一般的1／0模块，它自身带有微处理器芯片、系统程序、存储器。智能接口模块通过系统总线与CPU模块相连，并在CPU模块的协调管理下独立进行工作，提高厂处理速度，便于应用。一般的智能I／0模块包括通讯处理模块、高速计数模块、带有PID调节的模拟量控制模块、阀门控制模块等。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院26五、系统硬件设计文件

一般系统的设计文件应包括系统硬件配置图、模块统计表、PLC的I／O接口图和I／O地址表。

1、系统硬件配置图系统硬件配置图应完整地给出整个系统硬件组成，它应包括系统构成级别（设备控制级和过程控制级）、系统联网情况、网上可编程序控制器的站数、每个可编程序控制器站上的中心单元和扩展单元构成情况、每个可编程序控制器中的各种模块构成情况。下图给出了一般的二级控制系统的基本系统硬件配置图。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院272023/2/3西南科技大学信息工程学院282、模块统计表模块统计表应包括模块名称、模块类型、模块订货号、所需模块个数等内容。3、I／O硬件接口图反映了可编程序控制器输入输出模块与现场设备的连接。如下图

4、I／O地址表把输入输出列成表，给出相应的地址和名称，以备软件编程和系统调试时使用。这种表称为I／0地址表，也叫输入输出表。下表为I／O地址表的典型格式。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院292023/2/3西南科技大学信息工程学院302023/2/3西南科技大学信息工程学院31一、系统软件设计基本要求（1）与生产工艺结合紧密。（2）与硬件控制系统结合紧密。（3）设计人员需具备计算机和自动化控制方面的双重知识。二、系统软件设计的内容一般包括：参数表的定义、程序框图绘制、程序的编制和程序说明书编写四项内容。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院32

（1）参数表的定义。参数表的定义包括对输入信号表，输出信号表，中间标志表和存储单元表的定义。（2）程序框图的绘制。程序框图是指依据工艺流程而绘制的控制过程方框图。（3）程序的编制（4）程序说明书的编写。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院33三、梯形图的特点及绘制原则

◆梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。◆在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点（常开或常闭）可无限次引用。◆在每一逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。如果将串联触点多的支路放在下方，则语句增多，程序变长。§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院341

2

43(a)合理1

243(b)不合理◆在每一个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。如果将并联触点多的电路放在右边，则语句增多、程序变长。1

3

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(a)合理3

1

42

(b)不合理§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院35◆梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。对于这样的梯形图，应根据其逻辑功能作适当的等效变换。5

1

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（a）

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2

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4

（b）§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院36◆梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。1

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1

5

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（a）不合理2

4

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（b）合理§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院37◆如果电路结构复杂，用ALD、OLD等指令难以处理时，可以重复使用一些触点改成等效电路，再进行编程。12345AB2A35B134§7-1PLC控制系统的总体设计2023/2/3西南科技大学信息工程学院38一、系统供电设计

系统供电电源设计是指可编程序控制器CPU工作所需电源系统的设计。它包括供电系统的一般性保护措施、可编程序控制器电源模块的选择和典型供电电源系统的设计。1、供电系统的保护措施为了提高系统的可靠性和抗于扰性能，在可编程序控制器供电系统中一般可采取隔离变压器、交流稳压器、UPS电源、晶体管开关电源等措施。§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施2023/2/3西南科技大学信息工程学院392、电源模块的选择可编程序控制器CPU所需的工作电源一般都是5V直流电源，一般的编程接口和通讯模块还需要5.2V和24V直流电源。这些电源都由可编程序控制器本身的电源模块供给，所以在实际应用中要注意电源模块的选择。在选择电源模块时，其额定输出功率必须大于CPU模块、所有I／O模块、各种智能模块等总的消耗功率之和，并且要留有30％左右的余量。§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施2023/2/3西南科技大学信息工程学院40§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施3、一般系统供电电源设计供电设计包括CPU工作电源、各种I／0模块的控制回路工作电源、各种接口模块和通讯智能模块的工作电源。这些工作电源都是由PLC的电源模块供电，所以系统供电电源设计就是针对PLC电源模块而言的。2023/2/3西南科技大学信息工程学院41

在工程实际中，需要注意以下几点：（l）电源模块的接线一般的PLC电源模块都有三个进线端子，在图中分别用LI、N、PE表示。其中LI和N为交流220V进线端子，PE为系统的地，并与机壳相连。（2）系统接地连接

PLC电源模块的接地端应选择不小于10mm2的铜导体并尽可能短地与交流稳压器、UPS电源、隔离变压器和系统接地相连。§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施2023/2/3西南科技大学信息工程学院422023/2/3西南科技大学信息工程学院43二、系统接地设计

在实际控制系统中，接地是抑制干扰使系统可靠工作的主要方法。在设计中如能把接地和屏蔽正确地结合起来使用，可以解决大部分干扰问题。1、正确的接地方法接地设计有两个基本目的：消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形成地环路，如果接地方式不好就会形成环路，造成噪声耦合。理想的情况是一个系统的所有接地点与大地之问阻抗为零，但在实际接地中总存在着连接阻抗和分散电容。§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施2023/2/3西南科技大学信息工程学院442、各种不同接地的处理◆数字地（也叫逻辑地，是各种开关量信号的零电位）◆模拟地（是各种模拟量信号的零电位）◆信号地（是指传感器的地）◆交流地（交流供电电源的地线，这种地通常是产生噪声的地）◆直流地（直流供电电源的地）◆屏蔽地（也叫机壳地，为防止静电感应而设）§7-2提高PLC控制系统可靠性的措施2023/2/3西南科技大学信息工程学院45（