培训8-系统的设计

信捷PLC培训

第八课时PLC系统设计步骤PLC系统设计要求第八章第八章PLC系统的设计PLC系统设计基本方法

本章节主要内容在与培养编程人员良好的设计框架和设计思路习惯，从而在很大程度上减小编程负担并提高工作效率，保证整个控制系统的准确性及稳定性。PLC系统设计步骤第一节PLC系统设计步骤①

弄清哪些是PLC的输入信号，是模拟量还是开关量信号，用什么方式来获取信号；②哪些是PLC的输出信号，通过什么执行元件去驱动负载；③弄清整个工艺过程和欲完成的控制内容；④了解运动部件的驱动方式，是液压、气动还是电动；⑤了解系统是否有周期运行、单周期运行、手动调整等控制要求等；⑥了解哪些量需要监控、报警、显示，是否需要故障诊断，需要哪些保护措施等；⑦了解是否有通信连网要求等。1.对控制任务作深入的调查研究2.确定系统总体设计方案

在深入了解控制要求的基础上，确定电气控制总体方案。第一节PLC系统设计步骤3.确定系统的硬件构成①确定主回路所需的各电器，确定输入、输出元件的种类和数量；②确定保护、报警、显示元件的种类和数量；③计算所需PLC的输入/输出点数，并参照其他要求选择合适的PLC机型。第一节PLC系统设计步骤4．确定PLC的输入/输出点分配确定各输入/输出元件并作出PLC的I/O分配表。第一节PLC系统设计步骤第一节PLC系统设计步骤5．设计应用程序①根据控制要求，拟订几个设计方案，经比较后选择出最佳编程方案。

②当控制系统较复杂时，可分成多个相对独立的子任务，分别对各子任务进行编程，最后将各子任务的程序合理地连接起来。第一节PLC系统设计步骤6．应用程序的调试

编写的程序必须先进行模拟调试。经过反复调试和修改，使程序满足控制要求。第一节PLC系统设计步骤7.制做电气控制柜和控制盘①在开始制作控制柜及控制盘之前，要画出电气控制主回路电路图。②

要全面地考虑各种保护、连锁措施等问题。③在控制柜布置和敷线时，要采取有效的措施抑制各种干扰信号。④要注意解决防尘、防静电、防雷电等问题。第一节PLC系统设计步骤8．连机调试程序①调试前要制定周密的调试计划，以免由于工作的盲目性而隐藏了故障隐患。

②程序调试完毕，必须运行实际一段时间，以确认程序是否真正达到控制要求。第一节PLC系统设计步骤9．编写技术文件

整理程序清单并保存程序，编写元件明细表，整理电气原理图及主回路电路图，整理相关的技术参数，编写控制系统说明书等。PLC应用程序要求第二节PLC应用程序要求1．应用程序的内容

除了需要能够最大限度地满足控制要求外，应用程序还应包括以下内容：

（1）初始化程序

初始化程序可以为系统启动作好必要的准备，如：将某些数据区清零；使某些数据区恢复所需数据；对某些输出位置位/复位；显示某些初始状态等。

（2）检测、故障诊断、显示程序内容可以在程序设计基本完成时再进行添加。有时，它们也是相对独立的程序段。

（3）保护、连锁程序。其作用为：

杜绝由于非法操作等引起的逻辑混乱，保证系统安全、可靠地运行。通常在PLC外部也要设置连锁和保护措施。2．应用程序的质量

（1）程序的正确性。

正确的程序必须能经得起系统运行实践的考验。

（2）程序的可靠性。

①能保证系统在正常和非正常（短时掉电、某些被控量超标、某个环节有故障等）情况下都能安全可靠地运行。

②能保证在出现非法操作（如按动或误触动了不该动作的按钮等）情况下不至于出现系统失控。

（3）参数的易调整性好。

经常修改的参数，在程序设计时必须考虑怎样编写才能易于修改。

（4）程序结构简练。

简练的程序，可以减少程序扫描时间、提高PLC对输入信号的响应速度。

（5）程序的可读性好。

养成一个良好的编程习惯对于处理现场问题有着非常重要的作用，不论是从工作效率，系统稳定性，调试安全性来说，有着良好的编程习惯，是决定一个工程师能力的重要标志。所以希望读者着重关注以上的步骤，避免出现不必要的差错。第二节PLC应用程序要求PLC系统设计基本方法

不同编程人员面对同一个工程有着不同的编程方式，因而当我们需要开发程序的时候后，如何得出最优解法是需要靠我们不断的累积与钻研的，下面介绍一些比较常用的编程手法与思路，以供大家参阅。第三节PLC系统设计基本方法1、经验设计法

经验设计法是沿用继电器-接触器控制电路的设计方法来设计梯形图，即在一些典型控制电路的基础上，根据被控对象对控制系统的要求，不断修改和完善梯形图，直至完全满足各项控制要求。经验设计法一般都需要经过多次反复的调试和修改，最终才能得到一个较为满意的结果。这种设计方法没有普遍的规律可以遵循，设计所用的时间，设计的质量与设计者的经验有很大的关系。它主要用于逻辑关系比较简单的梯形图程序设计。

用经验设计法设计PLC程序时大致可以按下面几步来进行：第一，分析控制要求，选择控制方式；第二，合理选择，安排元器件，输入输出点数；第三，根据经验，设计选择最优的控制程序；第四，对照控制要求，不断检查，修改和完善程序。3.1经验设计法（1）控制要求：1）按动电动机正转按钮(绿色非保持按钮)

①若当前电动机为停止状态，则电动机正转启动，并且保持正转运行。

②若当前电动机为反转状态，电动机切换到正转状态，并保持电动机正转。

③若电动机本身为正转状态，则转动状态不变。2）按动电动机反转按钮（蓝色非保持按钮）

①若当前电动机为停止状态，则电动机反转启动，并且保持反转运行。

②若当前电动机为正转状态，电动机切换到反转状态，并保持电动机反转。

③若电动机本身为反转状态，则转动状态不变。3）按动电动机停止按钮（红色非保持按钮）

①无论电机处于何种状态均停止，且保持停止状态。3.1经验设计法-电动机的正反转实现（2）电气主电路的实现

如图8-1所示的电气主电路控制图。如果控制电路接触器KM1得电，则KM1的主触头吸合，电动机正转。如果控制电路使接触器KM2线圈得电，则KM2的主触头吸合，电动机反转。为避免电动机因长期过载而损坏，采用热继电器FR过载保护。图8-1正反转电路电器原理图3.1经验设计法-电动机的正反转实现（3）PLC的选型和I/O点的分配

①机型的选择，根据信捷每一种PLC型号的特色选择出合适的PLC机型。XD3适用于最基本的逻辑功能，且此处功能简单，不需要任何性的扩展模块与功能扩展板，则选择XD3即可。

②输入输出点数的估算，点数越多，PLC价格越高，因此在满足控制要求之时要尽量减少PLC的I/O点数，但还必须保证有适当的余量，以备今后系统改进或扩展使用。通常根据需要使用的点数，再增加10%-20%的余量。

③输出类型的选择，根据负载类型选择PLC的输出类型，此处负载为接触器，无需高频输出，故选择信捷R型PLC。

按此功能要求，我们可以如下安排PLC的I/O的地址分配表，可知共需要6个I/O点，因而我们选择XD3-16R-E即可。I/O分配表如下所示：3.1经验设计法-电动机的正反转实现（4）PLC的外部接线图

根据PLC的I/O地址分配表，将PLC于外部设备连接起来，接线图如下所示。

由于KM1和KM2在切换过程中存在电感的延时作用，可能会出现一个接触器还未断弧，另外一个已经合上的现象，从而造成瞬间短路故障；或者由于某一接触器的主触点被断电时产生的电弧熔焊而粘接，其线圈断电后主触点仍然是接通的，这个时候如果另一接触器的线圈通电，仍然会造成三相电源短路事故。为了防止短路故障的出现，在PLC外部设置了KM1和KM2的辅助常闭触点组成的硬件互锁电路。3.1经验设计法-电动机的正反转实现XD3-16R-E（5）程序的实现

由于经验设计法没有固有的方法和普遍的规律可以遵循，所以设计程序时，应先从简单的典型控制电路入手，逐步添加并实现各项控制功能，设计和完善过程如下：

电动机初步正转控制电路→电动机初步反转控制电路→电动机正反转互锁电路→电动机正反转切换电路→电动机正反转控制的实现。电机初步正转控制具体过程如下图所示。

从图中可以看出，按动启动按钮X1持续为ON的时间一般都很短，这种信号称为短信号。如何使Y0保持接通状态呢？3.1经验设计法-电动机的正反转实现

可以利用线圈的自身常开触点使线圈保持通电即ON状态，这种功能称为自锁或自保持功能。自保持控制电路常用于无机械锁定的开关启停控制。电机初步正转控制梯形图如下图所示：在初步正转的基础上加上初步反转程序，如下图所示：3.1经验设计法-电动机的正反转实现

系统要求电动机不能同时进行正转和反转。如下图所示，在梯形图中将Y0和Y1的常闭触点分别串联在对方的线圈回路中，可以保证他们不会同时为ON，因此，KM1的线圈和KM2的线圈不会同时通电。这种安全措施在传统的继电器-接触器控制电路中称为互锁。3.1经验设计法-电动机的正反转实现

此外，还可以根据控制要求设计按钮连锁，即利用正转按钮切断反转按钮控制通路，利用反转按钮来切断正转按钮的通路控制通路。按钮联锁的梯形图如下图所示。3.1经验设计法-电动机的正反转实现

当按下红色按钮时，无论在此之前电动机的转动状态如何，都停止电动机的转动。利用红色按钮同时切断正转和反转的控制通路，停止功能的逻辑实现如下图所示。3.1经验设计法-电动机的正反转实现

考虑到电动机的过载保护，本系统采用热继电器的常开触点作为加载PLC的输入控制信号。当电动机处于长期过载状态时，热继电器FR动作，其常开触点闭合，PLC的输入继电器X3得电，其常闭触点断开将正反转电路切断。下图是实现所有控制功能的梯形图。3.1经验设计法-电动机的正反转实现

经验设计法没有固定的模式去遵循，主要核心在与传统的继电器电路向PLC演变的一个转化，而对于复杂的控制系统，经验设计法只能在其中的一些小块上有一定的作用，在整个程序的处理上作用不是很明显。3.1经验设计法《对比分析》电动机Y-△启动控制程序Y-△启动适用于正常运行时定子绕组为三角形连接的异步电动机，为电动机的一种降压启动方式。在一些小型电气控制上运用十分广泛。（1）控制要求：

①当按下启动按钮时，若当前电动机为停止状态，则电动机正转Y型电路启动，5秒钟后切换为△连接运行。若电动机本身为正转状态，按启动按钮，转动状态不变。

②当按下停止按钮时，整个控制部分停止运行。3.1经验设计法

2、逻辑设计法

对于开关量逻辑比较繁复的情况的时候，使用逻辑设计法可以简化程序的步数，缩短编程时间，让编程人员对于程序的构架搭建的更加清晰易懂。3.2逻辑设计法1.逻辑设计法的基本步骤

①根据控制功能，在输入与输出信号之间建立起逻辑函数关系（可先列出逻辑状态表）；

②对上述所得的逻辑函数进行化简或变换；

③对化简后的函数，利用PLC的逻辑指令实现其函数关系（作出I/O分配，画出PLC梯形图）；

④添加特殊要求的程序。

⑤上机调试程序，进行修改和完善。3.2逻辑设计法2.逻辑设计法举例

有三台电机，现准备用一个指示灯显示三台电机的工作状态。

要求有两台及两台以上电机运行时候，指示灯常亮，只有一台开机时，指示灯以0.5Hz的频率闪烁。当电机都不运行时，灯以2Hz的频率闪烁.按下检测按钮，指示灯进入检测状态。3.2逻辑设计法-电机状态显示分析控制要求可知：

反映电机机运行状态的信号是PLC的输入信号；要用PLC的输出信号来控制指示灯的亮、灭。

①对逻辑关系简单的控制，可以直接进行I/O分配，可知使用信捷XD3-16R/T-E/C即可，点数分配如下：3.2逻辑设计法-电机状态显示

用中间辅助继电器M0-M2三种输入状态，M10-M12表示输出信号的三种状态，其逻辑关系对照如下。（M10为常亮状态，M11为0.5Hz闪烁状态，M12为2Hz闪烁状态）3.2逻辑设计法-电机状态显示②则我们可以得出以下逻辑关系：则通过化简得到结果如下：

通过化简开关量之间的逻辑关系，我们可以清晰简单的程序处理方式，因而当我们面对比较复杂的逻辑控制的时候，竟可能的先将逻辑关系以简化，从而减少程序的步骤，同时也可以让整个程序更加清晰简洁，避免因为一个地方的漏洞而难以查出程序的问题所在。3.2逻辑设计法-电机状态显示③根据函数关系，我们可以得到PLC程序如下：常亮0.5HZ闪烁2HZ闪烁

此时的M10~M12还只是表示三种状态，接下来需要将三种状态换成实际的闪烁程序。3.2逻辑设计法-电机状态显示PS：一般我们在编程过程中会采用很多中间继电器而不直接使用外部的X点与Y点，在程序的末尾同一对输入输出点进行处理.这样主要是为了避免程序需要调整的时候会影响到线路的变化，减少一些不必要的麻烦。3.2逻辑设计法-电机状态显示TMRT200K25K10TMRT201K25K10TMRT202K100K10TMRT203K100K10

④添加特殊要求的程序。（如报警，保护或其他非主要动作流程的程序）

⑤上机调试程序，进行修改和完善。虽然我们的梯形图程序在原理上是无误的，但控制程序必须考虑实际工作情况。在PLC中，控制程序运行速度以us计，而实际的执行部件多为机械结构，其动作速度达不到us级，所以要在PLC程序中加一些延时，给机械部件足够的动作时间，以免造成短路状况，如电机的正反转，必须给予交流接触器反应时间，或者在外部加上电路互锁。

通过以上所述的5部逻辑设计法对于开关量逻辑问题处理清晰简便化，不必花费大量的时间，同时避免程序比较混乱。3.2逻辑设计法-电机状态显示【研讨与练习】

分析：若有四台电机，欲用两个指示灯表示其工作状态，该如何设计？

要求当有3台及3台以上电机开机时，绿灯常亮；两台开机时，绿灯以5Hz的频率闪烁；一台开机时，红灯以5Hz的频率闪烁；全部停机时，红灯常亮。

3.2逻辑设计法3.3时序设计法3、时序图设计法

逻辑设计法主要对于开关量的逻辑处理有着比较好的效果，但是大部分的控制往往不只是单一的逻辑关系，还存在着时间控制处理，这样使用逻辑设计法明显不能满足控制要求，这是我们就需要考虑其他的方式来处理问题。时序图设计法就是当PLC各输出信号的状态变化有一定的时间顺序，可由时序图入手分析进行程序设计。这样可以有效的避免程序中的时序计时错误导致程序的不正确。

1.时序图设计法的基本步骤

①根据各输入、输出信号之间的时序关系，画出输入和输出信号的工作时序图。

②把时序图划分成若干个区段，确定各区段的时间长短。找出区段间的分界点，弄清分界点处各输出信号状态的转换关系和转换条件。

③确定所需的定时器个数，分配定时器号，确定各定时器的设定值。

④明确各定时器开始定时和定时到两个时刻各输出信号的状态。最好制作一个状态转换明细表。

⑤作PLC的I/O分配表。

⑥根据时序图、状态转换明细表和I/O分配表，画出PLC梯形图。

⑦作模拟实验，进一步修改、完善程序。3.3时序设计法2.时序图设计法举例南北西东

图为十字交通路口红绿灯红灯需要停车禁行，绿灯放行，黄灯为绿灯向红灯转换的提示信号。3.3时序设计法-红绿灯具体要求如下：

①放行时间：南北方向为30秒，东西方向为20秒。

②转换时间：欲禁行方向的黄灯和欲放行之前的红灯以2HZ的速度闪烁5秒，时间到后，一方放行，一方禁行。

③设置一个启动开关对系统进行启动。分析控制要求可知：

本例中由控制开关输入的信号是输入信号；指示灯的亮、灭由PLC的输出信号控制。在满足控制要求的前提下，应尽量少占用PLC的I/O点数，由于相对方向的同色灯在同一时间亮、灭，可将同色灯并联，用一个输出信号控制。这样只占6个输出点。可知使用信捷XD3-16R/T-E/C即可。3.3时序设计法-红绿灯

①根据各输入、输出信号之间的时序关系，画出输入和输出信号的工作时序图。3.3时序设计法-红绿灯

②把时序图划分成若干个区段，确定各区段的时间长短。找出区段间的分界点，弄清分界点处各输出信号状态的转换关系和转换条件。3.3时序设计法-红绿灯

由时序图可以知道，不同方向的红灯和绿灯常亮的时间一样，均为20S或者30S，红灯闪烁时间与黄灯闪烁时间一样，均为5S，频率均为1HZ。

一个循环有4个时间分界点：t1、t2、t3、t4。在这4个分界点处信号灯的状态将发生变化。

③确定所需的定时器个数，分配定时器号，确定各定时器的设定值。用T0到T3四个定时器控制红黄绿信号灯的转换。3.3时序设计法-红绿灯

④明确各定时器开始定时和定时结束两个时刻各输出信号的状态。最好作一个状态转换明细表。3.3时序设计法-红绿灯⑤作PLC的I/O分配表。⑥根据时序图、状态转换明细表和I/O分配表，画出PLC梯形图。3.3时序设计法-红绿灯3.3时序设计法-红绿灯⑦作模拟实验，进一步修改、完善程序。

采用时序图设计法对于连续时间动作控制的工艺要求非常有效，在高效完成程序的同时，可以使得程序最大清晰化，更加方便理解。3.3时序设计法-红绿灯4、顺序控制设计法

不论是逻辑设计法还是时序图设计法，在适用性上都比较单一，而在综合性比较强的程序上，可以考虑使用顺序控制设计法。

顺序控制设计法又称为功能图设计法，它是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态的时间的顺序，在生产过程中使各个执行机构有序的进行操作。功能流程图又叫状态流程图或状态转移图，它是专用于工业顺序控制程序设计的一种说明性语言，能完整的描述顺序控制的工作过程，功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。这种方法能够清晰的表示出控制系统的逻辑关系，从而大大的提高编程效率。3.4顺序设计法1.画出功能图的基本步骤如下：1）分析工艺流程和控制要求；2）按工艺流程和控制要求将控制系统分成若干时间段，每一时间段表示一个稳定状态。3）确定时间段与时间段之间的转移条件及其关系；4）确定初始状态；5）解决循环及正常停车问题。6）急停信号的处理。3.4顺序设计法2.顺序控制法举例：液压动力滑台运动过程的实现。1）控制要求

液压动力滑台在实际工作时的运动过程一般是：快进-快进加工进-快退。这三个运动过程由快进，工进，快退三个电磁阀控制。下图为滑台运动示意图，在原点处按下启动按钮，滑台按照预定的顺序周而复始的运行。3.4顺序设计法-液压动力滑台2）PLCI/O点的分配

PLCI/O点的地址分配见下表3.4顺序设计法-液压动力滑台3）顺序功能图的绘制1.功能图的组成A.步

将系统的工作分成若干个阶段，这些阶段称为“步”。

步是根据输出量的状态变化来划分的，如图1所示。步在控制系统中具有相对不变的性质，它对应于一个稳定的状态。步的图形符号如图2所示，用矩形框表示，框中的数字是该步的编号，编号可以是该步对应的工步序号，也可以是该步相对应的编程元件（如PLC内部的通用辅助继电器，步标志继电器等）。图1图23.4顺序设计法-液压动力滑台B.转换条件和有向线段步与步之间用一个有向线段连接，表示从一个步转换到另一个步。如果表示方向的箭头是从上指到下，此箭头可以忽略。系统当前活动步切换到下一步，所需要满足的信号条件，称之为转换条件。转换条件可以用文字，逻辑表达式，编程元件等表示。转换条件放置在短线的旁边，如下图所示。3.4顺序设计法-液压动力滑台C.动作说明一个步表示控制过程中的稳定状态，他可以对应一个或多个动作。可以在步右边加一个矩形框，在框中用简明的文字说明该步对应的动作，如下图所示。图a表示一个步对应一个动作，图b和c表示一个步对应多个动作，两种方法任选一种。abc3.4顺序设计法-液压动力滑台2.功能图的绘制

功能图绘制要注意以下几点：1步与步之间不能直接相连，必须用一个转换条件将他们隔开。2转换条件与转换条件之间也不能直接相连，必须用一个步把他们隔开。3顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待启动的初始状态，这一步可能没有输出，只是做好预备状态。