PLC控制系统的设计及故障诊断

2024/11/91课程团队介绍姓名职称学历所在部门分工满海波副教授、硕士研究生电子电气工程系课程负责、主研程龙泉副教授、硕士研究生电子电气工程系教学管理、主研向守均讲师、硕士研究生实训实验部主研贾洪副教授电子电气工程系主研宋立中副教授电子电气工程系参研王光福副教授、硕士研究生实训实验部参研徐敏讲师、硕士研究生实训实验部参研佘东讲师、硕士研究生电子电气工程系参研黄宁讲师电子电气工程系参研刘自彩

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发电厂参研2024/11/92第五章PLC控制系统的设计与故障诊断2024/11/935.6组织块OB及其应用

第五章PLC控制系统的设计与故障诊断5.4PLC在顺序控制中的应用

5.5PLC系统的现场调试

5.2PLC控制系统硬件设计方法5.3程序设计与调试

5.1PLC控制系统的设计

5.7故障特性及故障诊断

2024/11/945.1PLC控制系统的设计5.1.1可编程序控制器系统设计要求1.满足被控对象的要求，拟定控制方案。2.简单、经济、维修方便、满足控制要求。

3.选择可编程控制器的CPU模块及I/O模块时，应有余量。

2024/11/955.1.2PLC控制系统设计的基本内容1.确定系统运行方式与控制方式。2.选择用户输入设备。

3.PLC的选择。

4.分配I/0点，绘制I/0连接图。

5.设计控制程序。

6.编制控制系统的技术文件。2024/11/965.1.3PLC控制系统的设计步骤

1.根据生产的工艺过程分析控制要求。

2.根据控制要求确定系统控制方案。

3.根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式。

4.根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。

5.选择PLC。分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。6.进行PLC的程序设计。

7.联机调试。

8.编制技术文件。

2024/11/97如图5-1是设计PLC控制系统的一般步骤：分析控制要求确定用户I/O设备确定系统机构方案确定控制和运行方案选择PLC分配I/O点、设计I/O连接图编辑流程图设计程序输入程序并检查调试现场总线联机调试交付使用修改NNYN满足要求？编制技术文件Y满足要求？了解工艺过程控制台（柜）设计及现场施工设计控制台（柜）图5-1设计PLC控制系统一般步骤

返回目录2024/11/985.2PLC控制系统硬件设计方法

5.2.1应用系统总体方案设计1.PLC控制系统类型（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）用PLC构成远程I／0控制系统。

2.系统的运行方式（1）手动运行方式。（2）半自动运行方式。（3）自动运行方式。2024/11/995.2.2系统硬件设计根据1.工艺要求

2.设备状况3.控制功能

4.I/0点数和种类5.系统的先进性

2024/11/9105.2.3可编程序控制器的机型选择1.CPU的功能

2.I/0点数

3.响应速度4.指令系统

5.机型选择的其他考虑2024/11/9115.2.4输入/输出模块的选择1.数字量输入模块的选择

2.数字量输出模块的选择

3.模拟量模块的选择4.智能I/0模块的应用选择

5.2.5系统硬件设计文件1.系统硬件配置图

2.模块统计表3.I/0硬件接口图及I/0地址表

2024/11/9125.2.6系统供电设计1.供电系统的保护措施2.电源模块的选择4.I/0模块供电电源设计5.系统接地设计6.可编程序控制器供电系统设计7.电缆设计和敷设

返回目录2024/11/9135.3程序设计与调试5.3.1程序结构设计STEP7有3种设计程序的方法，即线性化编程、模块化编程和结构化编程。1.线性化编程

整个用户程序放在循环控制组织块OB1（主程序）中，循环扫描时不断地依次执行OB1中的全部指令。程序结构简单，建议只是在为S7-300编写简单的程序时使用。2024/11/9142.模块化编程

模块化编程程序被分为不同的逻辑块，每个块包含完成某些任务的逻辑指令。组织块OB1（即主程序）中的指令决定在什么情况下调用哪一个块，功能和功能块（即子程序）用来完成不同的过程任务。被调用的块执行完后，返回到OB1中程序块的调用点，继续执行OB1。模块化编程的程序被划分为若干个块，易于几个人同时对一个项目编程。2024/11/9153.结构化编程

结构化编程将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务，这些任务由相应的程序块（或称逻辑块）来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。这些程序块是相对独立的，它们被OB1或别的程序块调用。2024/11/916程序块调示例如图5-2所示：图5-2块调用的分层结构2024/11/9175.3.2符号表和符号化编程1．符号地址符号地址的优点：程序中可以用绝对地址访问变量，但是符号地址使程序更容易阅读和理解。2．生成与编辑符号表点击管理器中的“Symbols”图标，即可进入符号表窗口，如图5-3所示。2024/11/918图5-3符号表2024/11/9195.3.3功能块与功能的生成与调用举例

下面以发动机控制系统的用户程序为例，介绍生成和调用功能块和功能的方法。

1．项目的创建项目的名称为“发动机控制”。

2．用户程序结构如图图5-4所示，组织块OB1是，用一个名为“发动机控制”的功能块FB1来分别控制汽油机和柴油机，控制参数在背景数据块DB1和DB2中。此外控制汽油机和柴油机时还用不同的实参分别调用名为“风扇控制”的功能FC1。2024/11/920图5-4程序结构2024/11/921程序设计好后SIMATIC管理器中的块（见图5-5）。图5-5SIMATIC管理器2024/11/9223．符号表与变量声明表（1）符号表（见表5-1）表5-1符号表NameAddressNameAddress主程序OB1关闭柴油机I1.5发动机控制FB1柴油机故障I1.6风扇控制FC1自动模式Q4.2汽油机数据DB1汽油机运行Q5.0柴油机数据DB2汽油机到达设置转速Q5.1共享数据DB3汽油机风扇运行Q5.2自动按钮I0.5柴油机到达设置转速Q5.5手动按钮I0.6柴油机风扇运行Q5.6起动汽油机I1.0汽油机风扇运行T1关闭汽油机I1.1柴油机风扇延时T2汽油机故障I1.2汽油机转速MW2起动柴油机I1.4柴油机转速MW42024/11/923

（2）变量声明表及变量的类型局域变量：用户在变量声明表中声明本块中专用的变量。局域变量包括块的形参和参数的属性，局域变量只是在它所在的块中有效。声明后在局域数据堆栈中为临时变量（TEMP）保存有效的存储空间。对于功能块，还要为配合使用的背景数据块的静态变量（STAT）保留空间。通过设置IN（输入）、OUT（输出）和IN_OUT（输入/输出）类型变量。2024/11/9244．功能块与功能（1）功能块FB1中的局域变量（见表5-2）表5-2FB1的变量声明表NameDataTypeAddressDeclareInitialValueCommentSwitch_OnBool0.0INFALSE起动按钮Switch_OffBool0.1INFALSE停车按钮FailureBool0.2INFALSE故障信号Actual_SpeedInt2.0IN0实际转速Engine_OnBool4.0OUTFALSE控制发动机的输出信号Preset_Speed_ReachedBool4.1OUTFALSE达到预置转速Preset_SpeedInt6.0STAT1500预置转速2024/11/925（2）功能块FB1的程序（见图5-6）图5-6FB1的梯形图程序2024/11/926（3）功能FC1的生成与编辑（见表5-3）表5-3FC1的变量声明表NameDataTypeDeclareCommentEngine_OnBoolIN输入信号，发动机运行Timer_FunctionTimerIN停机延时的定时器功能Fan_OnBoolOUT控制风扇的输出信号2024/11/927（2）功能块FC1的程序（见图5-7）图5-7功能FC1梯形图2024/11/9285.功能块与功能的调用在发动机控制程序中，OB1用来实现自动/手动工作模式的切换，通过两次调用FB1和FC1实现对汽油机和柴油机的控制。（见图5-8）2024/11/929图5-8主程序OB1

返回目录2024/11/9304.4PLC在顺序控制中的应用4.4.1顺序控制的含义

顺序控制：就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，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图（Sequentialfunctionchart），然后根据顺序功能图画出梯形图。2024/11/9315.4.2顺序功能图的基本结构

顺序功能图的基本结构包括：单流程、选择分支、并行分支、跳转、循环。（部分结构见图5-9）

单流程选择分支并行分支图5-9顺序功能图的基本结构2024/11/9325.4.3绘制顺序功能图的注意事项

（1）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。

（2）两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。

（3）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待起动的初始状态。

（4）自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，即在完成一次工艺过程的全部操作之后，应从最后一步返回初始步，系统停留在初始状态，在连续循环工作方式时，将从最后一步返回下一工作周期开始运行的第一步。2024/11/9335.4.4顺序控制设计举例（以“单流程”顺序控制为例）1．控制工艺及控制要求图5-10给出了液压动力滑台的进给运动示意图、顺序功能图和梯形图。在初始状态时动力滑台停在左边，限位开关I0.3为1状态。按下起动按钮I0.0，动力滑台在各步中分别实现快进、工进、暂停和快退，最后返回初始位置和初始步后停止运动。2024/11/9342．顺序功能图和梯形图设计（见图5-10）图5-10液压动力滑台的进给运动示意图、顺序功能图和梯形图

返回目录2024/11/9355.5PLC系统的现场调试

5.5.1寻找/替换与换线

1.程序段内替换一个地址（见图5-11）图5-11程序段内替换一个地址的操作2024/11/9362.替换整个项目下多个地址（见图5-12）图5-12替换整个项目下多个地址的操作界面2024/11/9375.5.2变量监控与修改1.控制程序的在线监控（见图5-13）图5-13控制程序的在线监控实例2024/11/9382.变量表监视和修改（见图5-14）图5-14变量表监视和修改实例2024/11/9395.5.3输入/输出强制

输入/输出强制的功能：输入/输出强制后的变量，不因映像输出的变化而改变。强制作业不能被简单取消，只能用菜单命令Variable>StopForcing来删除或终止。可以给用户程序的任何变量赋予固定值，这样它们就不能够被CPU中正在执行的用户程序改变或覆盖。输入输出强制的操作界面见图5-15。2024/11/940图5-15输入/输出强制操作

返回目录2024/11/9415.6组织块OB及其应用

5.6.1中断优先级

S7提供了各种不同的组织块，这些组织块允许用户创建在特定时间执行的程序。表5-4给出了组织块不同的OB及其中断优先级。2024/11/942表5-4组织块OB及中断优先级OB类型（优先级）说明OB1主程序循环（1）在上一循环结束时启动OB10时间中断（2）在程序设置的日期和时间启动OB20延时中断（3）受SFC32控制启动，在一特定延时后运行OB35循环中断（12）运行在一特定时间间隔内（1ms~1min）OB40硬件中断（16）当检测到来自外部模块的中断请求时启动OB80到OB87响应异步错误（26/启动时28）当检测到模块诊断错误或超时错误时启动OB100启动（27）当CPU从STOP到RUN状态时启动OB121,OB122响应同步错误（与被中断OB优先级相同）当检测到程序错误或接受错误时启动2024/11/9435.6.2中断过程

系统检测到一个OB块中断时，则被中断块的累加器和寄存器上的当前信息将被作为一个中断堆栈存起来（I堆栈）。

I堆栈中保存的内容有：累加器及地址寄存器的内容，数据块寄存器的内容，局部数据堆栈，状态字，MCR寄存器和B堆栈指针。新OB块调用FB和FC，每一个块的处理数据被存堆栈。

B堆栈中保存的内容有：DB和DI寄存器，临时数据（L堆栈）的指针，块的号码及返回地址。2024/11/9445.6.3控制中断

OB分为两类：执行周期性工作的OB和响应错误的OB。执行周期性工作的OB（日时钟中断），在特定的日期或时间执行，从一个编程事件始一段特定延时后执行，按特定周期循环执行，CPU检测到一个过程/硬件错误时执行，CPU检测到一个不依赖于程序指令的错误时执行，CPU检测到一个与程序指令处理有关的错误时执行。2024/11/9455.6.4循环控制组织块

循环控制组织模块OB1是最重要的组织快，OB1在系统中总是被循环调用，当过程中断或时间中断发生时暂停执行。5.6.5中断组织块及应用1．日时钟中断（OB10）2．延时中断（OB20）3．循环中断（OB35）4．硬件中断（OB40）

2024/11/9465.6.6初始化模块及应用（OB100）

每当CPU的状态由停止态转入运行态时，操作系统都调用OB100。当OB100运行结束后，操作系统调用OB1。利用OB100先于OB1执行的特性，可以为用户主程序的运行准备初始变量或参数（见图5-16）。2024/11/947图5-16OB100与OB1的执行过程

返回目录2024/11/9485.7故障特性及故障诊断

5.7.1故障特性

系统故障分外部故障和内部故障。外部故障指系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载等部分的故障，内部故障指可编程序控制器本身的故障。在系统总故障中只有10%的故障发生在可编程序控制器中，而这10%的故障中，90%的故障发生在I/O模版中，只有10%的故障发生在控制器中。所以，系统的大部分故障发生在I/O模版及信号元件和回路中。2024/11/9495.7.2故障诊断知识1．故障的分类

(1)外部设备故障是与实际过程直接联系的各种开关、传感器、执行机构、负载等所发生的故