第8章PLC控制系统设计实例

第8章PLC控制系统设计实例主要内容三相异步电动机的PLC控制

十字路口交通信号灯的PLC控制

液体混合装置的PLC控制

货物传输带及机械手臂控制系统

电镀专用行车PLC控制系统温度监测与数据处理

1.主电路及控制要求三相笼型异步电动机的正、反转控制主电路如图示。控制要求：按下正转按钮，KM1主触点闭合，电动机正转运行，按下反转按钮，KM2主触点闭合，电动机反转运行。在电动机正、反转控制过程中，防止主电路的电源相间短路是首要问题

8.1三相异步电动机的PLC控制8.1.1三相异步电动机的正、反转控制8.1.1三相异步电动机的正、反转控制引起短路的原因有2个：其一是控制正、反转的两个接触器同时通电动作；其二是主触点之间的电弧引起短路，这种情况的发生是因刚断开的触点其电弧尚未熄灭，使断开的触点仍然处于通电状态，而另一接触器已接通，其触点闭合造成短路。在PLC控制系统中，防止电源相间短路一般应在硬件接线和软件设计中均加以考虑，以确保系统安全可靠。2.I/O编址与I/O接线PLC的输入端一般连接一些主令电器，输出端一般驱动接触器和电磁阀等执行元件。对于PLC输入端或输出端连接的外部电气元件，应确定其连接到PLC端子上的确切位置，这就是PLC的I/O编址；

1）输入/输出信号及地址分配

在电动机正、反转控制系统中，输入信号有：停止按钮SB1、正转按钮SB2、反转按钮SB3，热继电器触点FR。输出信号有：正转接触器KM1、反转接触器KM2，其I/O地址分配如表8-1

8.1.1三相异步电动机的正、反转控制输

入输

出名

称符

号地址编号名

称符

号地址编号停止按钮SB1I0.0正转接触器KM1Q0.0正转按钮SB2I0.1反转接触器KM2Q0.1反转按钮SB3I0.2热继电器触点FRI0.38.1.1三相异步电动机的正、反转控制

表8-1I/O分配表

2）PLC型号选择及外部接线将输入元件和输出元件按照I/O编址连接于PLC的相应端子上，即构成PLC的输入/输出连接(称I/O接线），也称PLC的外部接线。进行PLC与输入/输出信号的外部连接如图8-2.

在图中，全部输入元件都使用其常开触点接入，这样便于输入端连线，不易发生接线错误。在PLC输出端，正、反转两个接触器之间采用常闭触点构成互锁，这种互锁称为外部硬互锁。硬互锁作用：防止正、反转两个接触器同时通电动作，防止电弧引起短路，造成主电路短路。8.1.1三相异步电动机的正、反转控制8.1.1三相异步电动机的正、反转控制8.1.1三相异步电动机的正、反转控制3.梯形图设计在软件设计中，为防止两个接触器同时通电造成短路，可以在软件中采取软互锁；而电弧造成的短路也需要在软件加以考虑，因为PLC内部继电器的动作基本上都是瞬时完成的，因此在程序设计中，应利用PLC内部的定时器，强制性地使两个输出继电器的切换有一个小的延时时间，以消除电弧短路。根据I/O编址及控制要求设计梯形图如图8-3所示。8.1.1三相异步电动机的正、反转控制8.1.2三相异步电动机Y/Δ降压启动控制1.主电路及控制要求三相笼型异步电动机Y/Δ降压启动控制主电路如图8-4。控制要求：按下启动按钮SB2，KM和KMY主触点闭合，电动机星形连接启动，经过一定的启动时间后，KMY主触点断开，KMΔ主触点闭合，电动机由星形连接改变为三角形连接，启动结束，电机正常运行。2.I/O编址与I/O接线1）输入/输出信号及地址分配在电动机星形-三角形降压启动控制中，输入信号有停止按钮SB1、启动按钮SB2，热继电器触点FR，输出信号有主接触器KM、星形接触器KMY、角形接触器KMΔ，其I/O地址分配如表8-2所示8.1.2三相异步电动机Y/Δ降压启动控制8.1.2三相异步电动机Y/Δ降压启动控制输

入输

出名

称符

号地址编号名

称符

号地址编号停止按钮SB1I0.0主接触器KMQ0.0启动按钮SB2I0.1星形接触器KMYQ0.1热继电器触点FRI0.2角形接触器KMΔQ0.2表8-2I/O分配表2）PLC型号选择及外部接线8.1.2三相异步电动机Y/Δ降压启动控制8.1.2三相异步电动机Y/Δ降压启动控制3.梯形图设计

控制过程：1）按下启动按钮SB2，电动机星形启动（KM、KMY线圈同时得电），并延时10s；2）10s定时到，断开KMY线圈，星形启动结束，同时延时0.5s；3）0.5s定时到，接通KMΔ线圈，电动机角形正常运行（KM、KMΔ线圈通电）；4）按下停止按钮SB1，KM、KMY、KMΔ接触器均失电，电动机停止工作。在图8-6所示的梯形图中，定时器T37延时10s，为星形启动所需的时间，定时器T38延时0.5s，防止电弧短路现象发生。在梯形图中还设置了Q0.1和Q0.2之间的软互锁。8.1.2三相异步电动机Y/Δ降压启动控制8.2十字路口交通信号灯的PLC控制1.交通信号灯设置8.2.1控制要求2,控制要求信号灯受选择开关控制。当按下选择开关接通时，信号灯系统开始工作。

3.交通信号灯控制时序8.2.2PLC的选型及外部接线1.输入/输出信号及I/O编址根据十字路口交通信号灯示意图和控制要求可知，该系统输入信号有2个：选择开关SA的常开点和常闭点；系统共有12个信号灯需要控制，将南北向绿灯HL1、HL2；南北向黄灯HL3、HL4；南北向红灯HL5、HL6；东西向绿灯HL7、HL8；东西向黄灯HL9、HL10；东西向红灯HL11、HL12均并联后共用一个输出点，这样系统的输出信号仅需6个.其I/O地址分配如表8-3所示。表8-3I/O分配表输

入输

出名

称符

号地址编号名

称符号地址编号选择开关

SA-1I0.0南、北绿灯

HL1、HL2Q0.0选择开关

SA-2

I0.1南、北黄灯HL3、HL4Q0.1南、北红灯HL5、HL6Q0.2东、西绿灯HL7、HL8Q0.3东、西黄灯HL9、HL10Q0.4东、西红灯HL11、HL12Q0.58.2.2PLC的选型及外部接线

2.PLC型号选择及外部接线8.2.3控制程序设计8.2.3控制程序设计依时序图，利用定时器指令和比较指令进行编程8.3液体混合装置的PLC控制8.3.1控制要求1.液体混合装置简介1）系统从初始状态（容器放空）开始工作，按启动按钮SB1后，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器中；2）当液位高度到达I处时，液位传感器SL2接通，YV1阀断电关闭，同时YV2通电打开，液体B流入容器；3）当液位高度到达H处时，液位传感器SL1接通，YV2阀断电关闭，停止液体流入；4）加热器FH开始工作，对液体进行加热，当液体到达指定温度时，温度继电器KTP动作，停止加热，同时启动搅拌电机M搅拌；2.控制要求

2.控制要求

5）2分钟后，电机M停止搅拌，电磁阀YV3通电打开，将加热并混合好的液体放出到下一道工序；6）当液位高度下降到低于L时，再延时10S，YV3阀断电关闭。此时容器内液体已放空，电磁阀YV1通电打开，液体A流入容器，自动开始下一周期循环。

7）按下停止按钮SB2时，要求不要立即停止工作，而是将停机信号记忆下来，直到完成一个工作循环后才停止工作，返到初始状态上。

8.3.2PLC选型及外部接线系统的输入信号有：启动、停止按钮各1个，液位传感器3个，温度继电器开关1个，共6个输入信；系统的输出信号有：电磁阀3个，搅拌电机接触器1个，加热器接触器1个，共5个输出点；考虑到留有15%的备用点，选用S7-200CPU224可以满足本例的要求。PLC的输入/输出信号及地址分配如表8-4。8.3.2PLC选型及外部接线输

入输

出名

称符

号地址编号名

称符

号地址编号启动按钮

SB1I0.0电机接触器

KM1Q0.0停止按钮

SB2I0.1A液体电磁阀

YV1Q0.1H处液位传感器

SL1I0.2B液体电磁阀

YV2Q0.2I处液位传感器

SL2I0.3C液体电磁阀

YV3Q0.3L处液位传感器

SL3I0.4加热器接触器

KM2Q0.4温度继电器开关

KTPI0.5表8-4I/O地址分配表

8.3.2PLC选型及外部接线8.3.3PLC控制程序设计1.控制流程图及功能图设计

根据该液体混合装置的控制要求，并考虑到各个执行机构动作的条件，画出液体混合装置的控制流程图如图8-13所示。由图可以看出，这是一种典型的步进控制，设计液体混合装置的步进功能图如图8-14所示。根据步进功能图8-14，使用顺序控制指令实现步进控制，其编程如图8-15。根据控制流程图8-13，也可以用逻辑控制编程，如图8-16。8.3.3PLC控制程序设计控制流程图8-138.3.3PLC控制程序设计步进功能图如8-14

2.控制程序设计（使用步进指令）2.控制程序设计（使用步进指令）2.控制程序设计（使用步进指令）

2.控制程序设计（使用基本指令）2.控制程序设计（使用基本指令）8.4货物传输带及机械手臂控制系统1.控制装置简介8.4.1控制要求1）机械手臂的原点位置：机械手臂回到最右端、最上端、抓手为放开状态。2）当人工将工件放置在D点时，SP0动作→YV4得电并带动机械手臂下降，直到SQ4动作→YV4断电停止下降，YV5得电将工件抓紧，然后延时2s→YV3得电并带动机械手臂上升，直到SQ3动作→YV3断电停止上升，若传送带E点无工件（SP1未动作）→YV1得电并带动机械手臂左移，直到SQ1动作→YV1断电停止左移，YV4得电并带动机械手臂下降，直到SQ4动作→YV4断电停止下降，若传送带电机停止→YV5断电放开工件（放置在E点），延时2s→YV3得电并带动机械手臂上升，直到SQ3动作→YV3断电停止上升，YV2得电并带动机械手臂右移，直到SQ2动作→YV2断电停止右移，返回到原点3）当E点有工件（SP1动作）且机械手臂已上升到最上方（SQ3动作）时，传送带电机MC转动以运走工件，经过4s后传送带电动机自动停止。2.控制要求

8.4.2PLC选型及外部接线传输带和机械手臂控制系统的输入信号有：启动、停止按钮各1个，工件到位光电检测开关2个，限位开关4个，共8个输入信号;系统的输出信号有：电磁阀5个，电动机接触器1个，共6个输出点;考虑到留有10%的备用点，选用S7-200CPU224可以满足本例的要求。PLC的输入/输出信号及地址分配如表8-5。输

入输

出名

称符

号地址编号名

称符

号地址编号启动按钮

SB1I0.0

左移电磁阀

YV1Q0.0停止按钮

SB2I0.1右移电磁阀

YV2Q0.1D点工件到位光电开关

SP0I0.2上升电磁阀

YV3Q0.2左限位开关

SQ1I0.3下降电磁阀

YV4Q0.3右限位开关

SQ2I0.4抓手电磁阀

YV5Q0.4上限位开关

SQ3I0.5

传输带电机

接触器

KMQ0.5下限位开关

SQ4I0.6E点工件到位光电开关

SP1I0.7表8-5I/O地址分配表PLC与输入/输出信号的外部连接图

8.4.3顺序控制功能图设计整个控制程序的顺序功能图如图8-19所示。由机械手臂控制（S0.1~S1.2)、传输带控制（S2.0~S2.2)2个并行的顺序功能图组成。8.4.4控制梯形图设计在初始状态下，当按动启动按钮SB1后，同时激活S0.1和S2.0，S2.0是传输带处于待命状态，S0.1是机械手臂处于原点（SQ2和SQ4动作）待命状态；图8-20传输带和机械手臂控制梯形图8.5电镀专用行车PLC控制系统8.5.1控制要求 1.电镀专用行车结构简介2.电镀专用行车的工作流程 1）在电镀生产线一侧，工人将待加工的零件装入吊篮，并发出控制信号，行车自动上升并逐段前进，根据工艺要求在需要停留的槽位停止。 2）行车停留在某个槽位上面后，自动下降，停留一定的时间（各槽停留的时间根据工艺要求预先设定），再自动上升并继续前进。 3）如此完成电镀工艺规定的每一道工序，直至生产线的末端；自动返回原位，由工人卸下处理好的零件。 至此，一次循环加工完成。3.对电镀专用行车的控制要求 ●首先要满足工作流程的控制需要。 ●控制系统具有程序预选功能，可按电镀工艺要求确定需要停留的工位，一旦程序选定，除装卸工件外，整个电镀工艺过程能自动完成。 ●前后运动、升降运动要求准确停位，前后与升降运动之间应有联锁作用。 ●应有极限位置保护和其他必要的电气保护措施。8.5.2电镀行车电动机主电路设计1) 行车的前进和后退由电动机M1拖动，上升和下降由电动机M2拖动。2) 由接触器KM1、KM2及KM3、KM4分别控制电动机M1、M2的正转和反转。3) M1、M2由热继电器FR1、FR2实现过载保护；由FU1实现短路保护，并由隔离开关QS作为电源控制。4) 为保证准确停车，行车的前后和升降运动均采用能耗制动，考虑到M1和M2不会同时制动工作，所以停车时，采用同一个直流电源实现能耗制动。5) 升降运动吊有一定的重量，在行车前后平移过程中，升降电机M2采用电磁抱闸制动（失电制动型）。

三相电磁铁YA与M2并联，当M2得电时，YA工作，松开刹车允许升降运动；M2失电时，YA释放，抱闸刹车，使吊篮稳定停留在空中，保证行车能安全地前后平移。根据以上设计原则，绘制出行车控制电动机主电路8.5.3PLC选型及外部接线

本系统的输入信号有：启动按钮、停止按钮各1个，行车前进点动、后退点动、上升点动、下降点动的调整按钮4个，行车前进到极限、后退到极限、上升到极限、下降到极限的极限行程开关4个，4个槽的槽位行程开关4个，4个槽的槽位选择开关4个，热继电器FR1和FR2的常闭触点2个，共计20点输入；系统的输出信号有：行车前进、后退控制接触器2个，行车上升、下降控制接触器2个，行车前进、后退制动控制接触器2个，行车上升、下降制动控制接触器2个，共8个输出点.考虑到留有10%的备用点，选用S7-200CPU226可以满足电镀行车的控制要求。PLC与输入/输出信号的外部连接图8.5.4电镀行车PLC控制程序设计在程序设计中，需要使用定时器对零件在各槽停留的时间和能耗制动时间进行控制.程序中使用接通延时定时器（TON)T37~T44共8个，其中T37~T40分别作零件在第1槽、第2槽、第3槽、第4槽中的停留时间定时器，该停留时间根据工艺要求可预先设定，设定值保存在VW10、VW12、VW14、VW16储存单元中（在配置有人机界面的控制系统中，设定值应由人机界面现场写入）；T41~T44分别作行车前进、后退、上升、下降制动时间定时器。电镀行车PLC控制的梯形图程序见下图程序中设计了上升、下降、前进、后退4个环节之间的互锁，上升与上升制动、下降与下降制动、前进与前进制动、后退与后退制动之间的互锁等，以保证系统运行的安全可靠。8.6温度监测与数据处理 在工业生产自动控制中，经常需要对温度、压力、流量、速度等一些重要的参数进行自动监测和显示，并根据监测结果进行相应的控制。本例以温室大棚中温度和湿度的实时监测与显示为例，说明PLC在模拟量信号检测与处理中的应用问题。8.6.1控制要求及系统构成1.控制要求1）温室大棚的温度要求在25~30℃之间，湿度在60%~70%之间。2）每隔30s定时采集温室内的温度和湿度，并循环显示温室内的温度和湿度。3）当温、湿度值在要求范围内，绿灯亮，表示温、湿度正常；当温度值低于下限25℃或高于上限30℃时，黄灯亮；当湿度值低于下限60%或高于上限70%时，红灯亮；黄灯或红灯亮的同时进行蜂鸣报警，表示温度或湿度超出了要求范围。4)可根据需要实时设置温室大棚内温度和湿度的标准值。2.监测系统构成

采用PLC作控制器，选用温湿度传感器及变送器和A/D转换模块实现温、湿度检测和转换。

在温室大棚内设置2个温、湿度检测点，温度和湿度信号经温湿度传感器和变送器转换成4~20mA电流信号，送入模拟量输入模块。PLC采用定时中断定时30s，通过模拟量输入通道读取2路温度和湿度的检测值，再计算平均值作为温室大棚内的实际温度值和湿度值。在系统中，设置一个启动按钮和一个停止按钮来启动和停止检测系统，设置红、黄、绿3个指示灯来指示温、湿度状态，设置一个蜂鸣器实现温、湿度超限报警。选择文本显示器（也可选触摸屏）MD204L进行大棚内温、湿度的实时显示和温、湿度标准值的设置。8.6.2PLC选型及外部接线

系统输入信号有：

停止按钮SB1、启动按钮SB2； 系统的输出信号有：

3个指示灯，一个蜂鸣器，共4个开关量输出.考虑到文本显示器需要与PLC实时通信，故选择带有通信接口的S7-200CPU224以满足系统的需求。

系统需要检测2路温度和2路湿度，故选择集成温湿度传感器和模拟量输入模块EM231AI4×12位 I/O地址分配表输入输出名称符号地址编号名称符号地址编号启动按钮SB1I0.0绿色指示灯HL1Q0.0停止按钮SB2I0.1黄色指示灯HL2Q0.11#温度检测ST1AIW0红色指示灯HL3Q0.21#湿度检测AIW2蜂鸣器HZQ0.32#温度检测ST2AIW42#湿度检测AIW6温湿度测量选用温湿度传感器、变送器一体化的高性能的传感器,测温范围0～50℃，测湿范围0%RH～100%RH，输出信号4～20mA， A/D转换模块EM231选择电流输入、单极性输出方式，即输入0-20mA电流信号，对应的数字量输出为0～32000。EM231采用二线制-电流接法。 根据I/O地址分配表，进行CPU224与开关量输入/输出信号的外部连接及温湿度变送器与EM231的连接如图8-25所示。8.6.3PLC程序设计图8-26程序的流程图表8-8数据存储V寄存器地址分配V寄存器地址存放数据VW1101号温度采集数据（数字量）VW1122号温度采集数据（数字量）VW114采集温度平均值（数字量）VD116标度变换后的平均温度值（文本显示用）VD2101号温度采集标度变换后的温度值（文本显示用）VD2142号温度采集标度变换后的温度值（文本显示用）VW1201号湿度采集数据（数字量）VW1222号湿度采集数据（数字量）续表8-8VW124采集湿度平均值（数字量）VD126标度变换后的平均湿度值（文本显示用）VD2201号湿度采集标度变换后的湿度值（文本显示用）VD2242号湿度采集标度变换后的湿度值（文本显示用）VD410设定的温度上限数值VD414设定的温度下限数值VD420设定的湿度上限数值VD424设定的湿度下限数值1.系统主程序图8-27主程序2.定时采集数据中断程序3.计算平均值子程序

4.标度变换子程序 对于温度变送器输出的4-20mA模拟量（对应0～50℃）对应于数字量为6400～32000，即0～50℃对应于数字量6400～32000。当读取EM231的通道数据为数字量N(本例N值存放在VW110或VW112中)时，其对应的实际温度值T计算公式为：T=

（N-6400）℃

=

（N-6400）℃

采集湿度变送器的数据，假如读取的通道数据为数字量M(本例M值存放在VW120或VW122中)时，其对应的实际湿度值计算公式为：φ=

（M-6400）RH=

（M-6400）RH标度变换子程序如下在参数设定界面，可以选择设定温度或设定湿度功能，当按下①按键时，则进入温度设定界面，当按下②按键时，则进入湿度设定界面，如图示。在温度设定界面，设定的温度上限将被存入到PLC中的VW410中，设定的温度下限将被存入到PLC中的VW414中。在湿度设定界面，设定的湿度上限将被存入到PLC中的VW420中，设定的湿度下限将被存入到PLC中的VW424中。5.比较输出子程序8.6.4文本显示界面设计文本显示器MD204L有数值输入小键盘和10个按键，它们可被定义成各种特殊功能按键，具有直接完成画面跳转、开关量设定等功能。通过文本显示器编辑的界面，操作人员可方便地完成对PLC系统的数据监视、参数设定、开关控制、报警列表监视等操作。温室大棚监测系统主界面如图所示。

在主界面，可以选择参数设定或数据显示功能，当按下SET按键时，则进入参数设定界面，如图示。在参数设定界面，可以选择设定温度或设定湿度功能，当按下①按键时，则进入温度设定界面，当按下②按键时，则进入湿度设定界面，如图示

设定的温度上限将被存入到PLC中的VW410中，设定的温度下限将被存入到PLC中的VW414中。

设定的湿度上限将被存入到PLC中的VW420中，设定的湿度下限将被存入到PLC中的VW424中。在主界面，按下ENT按键时，则进入数据显示界面

在数据显示界面，可以选择显示温度或显示湿度功能，当按下①按键时，则进入温度显示界面，当按下②按键时，则进入湿度显示界面，如图示。 在温度显示界面，文本显示器将读取PLC中的VD210、V