第8章 可编程序控制器系统设计与应用

电气控制与PLC应用

（第八章）张明第8章可编程序控制器系统设计与应用

了解可编程序控制器系统设计的一般原则与步骤

熟悉可编程序控制器系统设计的硬件配置及软件设计

掌握软、硬件设计的基本环节及设计技巧

学习目标：2

教学内容：

8.1PLC控制系统设计

8.2PLC控制系统硬件配置

8.3PLC控制系统软件设计

8.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧

8.5PLC在工业控制中的应用

8.6提高PLC控制系统可靠性的措施第8章可编程序控制器系统设计与应用

38.1PLC控制系统设计

返回可编程控制系统设计时应遵循以下原则：

8.1.1PLC控制系统设计的基本原则

最大限度的满足被控对象的要求；在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、适用及维护方便；保证系统的安全可靠；考虑生产发展和工艺改进的要求，在选型时应留有适当的余量。48.1.2PLC控制系统设计的内容

PLC控制系统设计的主要内容有：分析控制对象，明确设计任务和要求；选定PLC的型号，对控制系统的硬件进行配置；选择所需的输入/输出模块，编制PLC的输入/输出分配表和输入/输出端子接线图;根据系统设计要求编写程序规格要求说明书，再用相应的编程语言进行程序设计；设计操作台、电气柜、选择所需的电器元件；编写设计说明书和操作使用说明书。58.1.3PLC控制系统设计的一般步骤

PLC的结构和工作方式与一般微机和继电器相比各有特点，其具体设计步骤如下：详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要求。根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备。选择PLC类型。分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。PLC软件设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。系统调试，固化程序，交付使用。68.1.3PLC控制系统设计的一般步骤图8-1PLC控制系统设计步骤78.2PLC控制系统硬件配置硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等内容。

随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（PLC、单片机、DCS或工控机IPC）来完成该任务最合适。

返回88.2.1PLC的选型

当确定由PLC来完成控制后，设计者接下来要解决两个主要问题：

PLC容量的选择：首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。然后对用户存储器容量进行估算。PLC机型的选择：由于生产PLC的厂家众多，实现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言却有较大差别，一般应从功能方面、价格方面和售后服务等几个方面考虑。98.2.2I/O地址分配

输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。如下表所示：

输入信号输出信号停止按钮SB1I0.0正转接触器KM1反转接触器KM2Q0.1Q0.2起动按钮SB2I0.1点动按钮SB3I0.2108.2.3响应时间

对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。PLC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。总之，PLC的处理速度应满足实时控制的要求。

选定PLC及其扩展模块（如需要的话）和分配完I/O地址后，硬件设计的主要内容就是完成电气控制系统原理图的设计、电气控制元器件的选择和控制柜的设计。

118.3PLC控制系统软件设计

在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。有时为了得到一个满意的设计结果，需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助触点和中间编程元件。经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别是要求设计者有一定的实践经验。8.3.1经验设计法

返回128.3.2逻辑设计法

工业电气控制线路中，有不少都是通过继电器等电器元件来实现，因此，用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的，用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下：

列出执行元件动作节拍表；绘制电气控制系统的状态转移图；进行系统的逻辑设计；编写程序；对程序检测、修改和完善。

138.3.3顺序功能图法

顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。在顺序功能图中，实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始，步之间没有重叠。

顺序控制继电器（SCR）指令是基于顺序功能图（SFC）的编程方式，专门用于编制顺序控制程序。使用它必须依据顺序功能图进行编程。

14本节小结：在编程语言的选择上，用梯形图编程还是用语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：

有些PLC使用梯形图编程不是很方便，则可以使用语句表编程，但是梯形图总比语句表直观。经验丰富的人员可以使用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。如果是清晰的单顺序、选择顺序或并发顺序的控制任务，则最好用顺序功能图来设计。158.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧

复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节有机地组合而成的，因此，掌握这些基本环节尤为重要。它有助于程序设计水平的提高。几个常用的典型环节：8.4.1应用程序的典型环节

电动机的起动与停止控制程序；具有点动功能电动机起动、停止控制程序；电动机的正、反转控制程序；返回161.电动机的起动与停止控制程序：输入信号输出信号停止按钮SB1I0.1接触器KMQ0.1起动按钮SB2I0.2表8-1I/O分配表

图8-3I/O接线图

图8-4停止优先梯形图图8-5起动优先梯形图注意：常闭按纽在编程中的变化8.4.1应用程序的典型环节返回178.4.1应用程序的典型环节2.具有点动功能电动机起动、停止控制程序

输入信号输出信号停止按钮SB1I0.0接触器KMQ0.1起动按钮SB2I0.1点动按钮SB3I0.2表8-2I/O分配表

图8-6起、停、点动控制I/O接线图

图8-7电动机起、停、点动控制

188.4.1应用程序的典型环节3.电动机的正、反转控制程序

输入信号输出信号停止按钮SB1I0.0正转接触器KM1反转接触器KM2Q0.1Q0.2起动按钮SB2I0.1点动按钮SB3I0.2表8-3I/O分配表

图8-9电动机正、反转梯形图198.4.1应用程序的典型环节4.通电禁止输出程序

图8-10通电禁止输出梯形图PLC上电进入RUN状态时，SM0.3接通一个扫描周期。使M1.0置1，M1.0的常闭接点切断了输出线圈Q1.0、Q1.1…Q2.3的控制逻辑，故输出被禁止。只有接通允许工作的按钮Il.0时，M1.0被复位，输出线圈Q1.0、Q1.1…Q2.3才有可能输出。208.4.1应用程序的典型环节5.闪烁电路闪烁电路实际上就是一个时钟电路。它可以是等间隔的通断，也可以是不等间隔的通断。图8-11为一个典型闪烁电路的程序及时序图。在该例中，当I0.0有效时，T37就会产生一个1s通、2s断的闪烁信号。Q0.0和T37一样开始闪烁。图8-11闪烁电路

218.4.1应用程序的典型环节6.报警电路

输入信号I0.0故障I1.0消铃I1.1测试输出信号Q0.0警灯Q0.7警铃I/O分配表图8-13标准故障报警

228.4.1应用程序的典型环节7.高精度时钟程序

图8-15高精度时钟梯形图

输入信号I0.1、I0.2用于建立期望的时钟设置，即调整分针、时针。238.4.1应用程序的典型环节8.脉冲宽度可控制电路

在输入信号宽度不规范的情况下，要求在每一个输入信号的上升沿产生一个宽度固定的脉冲，该脉冲宽度可以调节。如果输入信号的两个上升沿之间的距离小于该脉冲宽度，则忽略输入信号的第二个上升沿。图8-16脉冲宽度可控制电路248.4.1应用程序的典型环节9.分频电路

由于M0.1常闭触点的作用，M0.0在I0.1每次有效信号时间内仅接通一个扫描周期的导通信号，即单脉冲。图8-17二分频电路258.4.2PLC控制程序设计技巧减少输入点的方法：1.用二极管隔离的分组输入法;控制系统一般具有手动和自动的两种工作方式。由于手动与自动是不同时发生的，可分成两组，并由转换开关SA选择自动(位置2)和手动(位置1)的工作位置，如图8-18所示。这样一个输入点就可当作两个输入点使用。二极管的作用是避免产生寄生电路，保证信号的正确输入。

图8-18用二极管隔离输入法

268.4.2PLC控制程序设计技巧减少输入点的方法：2.触点合并输入法;图8-19I/O接线图输入信号输出信号甲、乙停止按钮串联（SB1*SB2）I0.0I0.1接触器KMQ0.5甲、乙起动按钮并联（SB3+SB4）表8-4I/O分配表

图8-20I/O梯形图

278.4.2PLC控制程序设计技巧减少输入点的方法：3.单按钮启、停控制程序;图8-21单按钮控制梯形图

现介绍只用一个按钮，通过软件编程，实现起动与停止的控制。如图8-21所示，I0.0作为起动、停止按钮的地址，第一次按下时Q1.0有输出，第二次按下时Q1.0无输出，第三次按下Q1.0又有输出。288.4.2PLC控制程序设计技巧减少输出点的方法：图8-22并联输出法

对于两个通断状态完全相同的负载，可将它们并联后共用一个PLC的输出点，如图8-22所示。图8-22并联输出法，两个负载并联共用一个输出点，应注意两个输出负载电流总和不能大于输出端子的负载能力。298.5PLC在工业控制中的应用

现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动机顺序启动和顺序停车。顺序启动的时间间隔为30s，顺序停车的时间间隔为10s。可选用S7-200（CPU224）进行控制。对电动机顺序启、停控制有很多种方法，可根据编程习惯选择。本题给出两种方法：8.5.1四台电动机的顺序启、停控制

利用顺序控制继电器指令设计程序；利用移位寄存器指令设计程序。返回30现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动机顺序启动和顺序停车。启、停的顺序均为M1→M2→M3→M4。顺序启动时的时间间隔为30s，顺序停车的时间间隔为10s。输入输出分配表如表8-5所示。PLC的I/O接线图如图8-23所示。四台电动机顺序启、停利用顺序控制继电器设计梯形图，如图8-24所示。1.利用顺序控制继电器指令设计程序

311.利用顺序控制继电器指令设计程序

表8-5输入输出分配表

输入信号停止按钮SB1I0.0启动按钮SB2I0.1输出信号接触器KM1Q0.0接触器KM2Q0.1接触器KM3Q0.2接触器KM4Q0.3表8-5输入输出分配表

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