《机床电器与PLC》课件第5章

第5章PLC控制线路的设计及应用实例5.1编程方法与规则5.2PLC控制系统应用设计5.3应用举例习题

5.1编程方法与规则5.1.1梯形图编程用梯形图编程时应注意以下规则：

规则1

梯形图中的阶梯都是从左母线开始，终于右母线。线圈只能接在右母线上，不能直接接在左母线上，并且所有的触点不能放在线圈的右边，如图5-1所示。

规则2

多个回路串联时，应将触点最多的回路放在梯形图的最上面。多个并联回路串联时，应将触点最多的并联回路安排在梯形图的最左面，如图5-2所示。图5-1规则1的说明(a)错误；(b)正确；(c)错误；(d)正确图5-2规则2的说明(a)错误；(b)正确

规则3

在梯形图中没有实际的电流流动，所谓“流动”，只能从左到右、从上到下单向“流动”。因此，如图5-3(a)所示的桥式电路是不可编程的，必须按逻辑功能等效转换成如图5-3(b)所示的电路后才可编程。图5-3规则3的说明(a)不可编程的桥式电路；(b)变换后的可编程电路5.1.2命令语句表达式编程语句的编程一般是根据梯形图来进行的，应遵守以下规则：

规则1

对梯形图进行语句编程时，应遵循从左到右，自上而下的原则进行。对于复杂的梯形图，可将其分成若干块，逐块编程，然后再将各块顺次连接起来。

规则2

采用合理的编程顺序和适当的电路变换，尽量减少程序步数，以节省内存空间和缩短扫描周期。如图5-4所示。图5-4语句编程规则2使用说明(a)并联多的电路尽量靠近左母线；(b)串联多的电路尽量放在上部5.2PLC控制系统应用设计5.2.1PLC应用的设计步骤

PLC应用的设计，一般应按下述几个步骤进行：

(1)熟悉被控对象。首先要全面、详细地了解被控对象的机械结构和生产工艺过程，了解机械设备的运动内容、运动方式和步骤，归纳出工作循环图或者状态(功能)流程图。

(2)明确控制任务与设计要求。要了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对电控系统的控制要求，如机械运动部件的传动与驱动，液压、气动的控制，仪表、传感器等的连接与驱动等，归纳出电气执行元件的动作节拍表。电控系统的根本任务就是正确实现这个节拍表。以上两个步骤所得到的图、表，综合而完整地反映了被控对象的全部功能和对电控系统的基本要求，是设计电控系统的依据，也是设计的目标和任务，必须仔细地分析和掌握。

(3)制定电气控制方案。根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式，如全自动、半自动、手动、单机运行、多机联机运行等。还要确定电控系统应有的其它功能，如故障诊断与显示报警、紧急情况的处理、管理功能、联网通信功能等。

(4)确定电控系统的输入/输出信号。通过研究工艺过程或机械运动的各个步骤、各种状态、各种功能的发生、维持、结束、转换和其它的相互关系，以确定各种控制信号，并检测反馈信号、相互的转换信号和联系信号。还要确定哪些信号需要输入PLC，哪些信号要由PLC输出或者哪些负载要由PLC驱动，分类统计出各输入/输出量的性质及参数。

(5) PLC的选型与硬件配置。根据以上各步骤所得到的结果，选择合适的PLC型号并确定各种硬件配置。

(6) PLC元件的编号分配。对各种输入/输出信号占用的PLC输入、输出端点及其它PLC元件进行编号分配，并设计出PLC的外部接线图。

(7)程序设计。设计出梯形图程序或语句表程序。

(8)模拟运行与调试程序。将设计好的程序传入PLC后，再逐条检查与验证，并改正程序设计时的语法、数据等错误，然后，可以在实验室里进行模拟运行与调试程序，观察在各种可能的情况下各个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求。发现问题及时修改设计和已传送到PLC中的程序，直到完全满足工作循环图或状态流程图的要求。在进行程序设计和模拟运行调试的同时，可以平行地进行电控系统的其它部分，例如PLC外部电路和电气控制柜、控制台等的设计、装配、安装和接线等工作。

(9)现场运行调试。完成以上各项工作后，即可将已初步调试好的程序传送到现场使用的PLC存储器中，PLC接入实际输入信号与实际负载，进行现场运行调试，及时解决调试中发现的问题，直到完全满足设计要求，即可交付使用。5.2.2PLC的选型与硬件配置

PLC的选用一般从以下几个方面来考虑：

(1)根据所需要的功能进行选择。基本的原则是需要什么功能，就选择具有什么样功能的PLC，同时也适当地兼顾维修、备件的通用性以及今后设备的改进和发展。各种新型系列的PLC，从小型到中、大型，已普遍可以进行PLC与PLC、PLC与上位计算机的通信与联网，具有进行数据处理、高级逻辑运算、模拟量控制等功能。因此，在功能的选择方面，要着重注意的是对特殊功能的需求。一方面是选择具有所需功能的PLC主机(即CPU模块)，另一方面，根据需要选择相应的模块(或扩展选用单元)，如开关量的输入与输出模块、模拟量的输入与输出模块、高速计数器模块、网络链接模块等。

(2)根据I/O的点数或通道数进行选择。多数小型机为整体式，同一型号的整体式PLC，除按点数分成许多挡以外，并配以不同点数的I/O扩展单元，来满足对I/O点数的不同需求。例如FX2型PLC，主机分成16点、24点、32点、64点、80点和128点六挡，同时配以I/O点数为8点、16点和24点的三种I/O扩展模块。模块式结构的PLC，采取主机模块与输入、输出模块、各种功能模块分别选择组合使用的方式。I/O模块按点数可分为8点、16点、32点、64点等，因此可以根据需要的I/O点数选用I/O模块，与主机灵活地组合使用。对于一个被控的对象，所用的I/O点数不会轻易发生变化，但是考虑到工艺和设备的改动，或I/O点的损坏、故障等，一般应保留1/8的裕量。

(3)根锯输入、输出信号进行选择。除了I/O点的数量，还要注意输入、输出信号的性质、参数和特性要求等。例如，要注意输入信号的电压类型、等级和变化频率；注意信号源是电压输出型还是电流输出型，是NPN输出型还是PNP输出型，等等。要注意输出端点的负载特点(如负载电压、电流的类型等)、数量等级以及对响应速度的要求等。据此，来选择和配置适合输入、输出信号特点和要求的I/O模块。

(4)根据程序存储器容量进行选择。通常PLC的程序存储器容量以字或步为单位，如1K字、4K步等。这里，PLC程序的单位步，是由一个字构成的，即每个程序步占一个存储器单元。

PLC应用程序所需存储器容量可以预先进行估算。根据经验数据，对于开关量控制系统，程序所需存储器字数等于I/O信号总数乘以8；而对于有数据处理、模拟量输入、输出的系统，所需要的存储器容量要大得多，例如FA-2型PLC一个模拟输出信号需要14个字的存储器容量，而外部显示或打印则需要40个字的存储器容量。大多数PLC的存储器采用模块式的存储器盒，同一型号的PLC可以选配不同容量的存储器盒，实现可选择的多种用户程序的存储容量，例如，三菱FX2PLC可以有2K步、8K步，和泉FA-2PLC可以有1K步、4K步等。此外，还应根据用户程序的使用特点来选择存储器的类型。当程序需要频繁地修改时，应选用CMOS-RAM存储器。 当程序需要长期使用并保持5年以上不变时，应选用EEPROM或EPROM存储器。5.2.3PLC应用程序的设计方法

1．经验设计法经验设计法是利用各种典型的控制环节和基本单元电路，依靠经验进行选择、组合，直接设计电气控制系统来满足生产机械和工艺过程的控制要求。用这种方法对比较简单的电气控制系统进行设计，可以收到简便、快速的效果。但是，由于主要依赖经验进行设计，因而要求设计者要具有较丰富的经验，要能掌握、熟悉大量的控制系统的实例和各种典型环节。设计的结果不是唯一的，也不很规范，而且往往需经多次反复修改和完善才能符合设计要求。用经验设计法设计PLC应用的电控系统程序与任何方法一样，首先必须详细了解机械及工艺的控制要求，包括机械的工作循环图，电气执行元件的动作节拍等。用经验设计法设计PLC应用程序可以大致按以下几个步骤进行：分析控制要求、选择控制原则；设置主令元件和检测元件；确定输入、输出信号；设计执行元件的控制程序；检查、修改和完善程序。在设计执行元件的控制程序时，一般又可分为以下几个步骤：

(1)按所给的要求，将生产机械的运动分成各自独立的简单运动，分别设计这些简单运动的基本控制程序。

(2)按各运动之间应有的制约关系来设置联锁措施，选择联锁触点，设计联锁程序。这一条是电控系统能否成功，能否可靠、正确运行的关键，必须仔细进行。

(3)按照维持运动(或状态)的进行和转换的需要，选择控制原则，设置主令元件、检测元件以及继电器等。

(4)设置必要的保护措施。

2．逻辑设计法逻辑设计法的基本含义是以逻辑组合的方法和形式设计电气控制系统。这种设计方法既有严密可循的规律性和明确可行的设计步骤，又具有简便、直观和十分规范的特点。逻辑设计方法的理论基础是逻辑代数，而继电器控制系统的本质是逻辑线路。电器控制线路的接通或断开，都是通过继电器等元件的触点来实现的，故控制线路的种种功能必定取决于这些触点的开、合状态。因此电控线路从本质上说是一种逻辑线路，它符合逻辑运算的各种基本规律。PLC是一种新型的工业控制计算机，在某种意义上我们可以说PLC是“与”、“或”、“非”三种逻辑线路的组合体。而PLC的梯形图程序的基本形式也是与、或、非的逻辑组合，它们的工作方式及其规律也完全符合逻辑运算的基本规律。因此，用变量及其函数只有“0”、“1”两种取值的逻辑代数作为研究PLC应用程序的工具就是顺理成章的事了。逻辑设计法思路清晰，所编写的程序易于优化，是一种较为实用可靠的程序设计方法。5.2.4PLC控制系统的常见设计

1．三相异步电动机单向运转控制(启-保-停电路单元)三相异步电动机单向运转控制电路在第2章中已经接触过。现以图5-5为例进行介绍。其中图(a)为PLC的输入/输出接线图，从图中可知，启动按钮接于X0，停车按钮接于X1，交流接触器接于Y0，这就是端子分配，实质是为程序安排代表控制系统中事物的机内元件。图(b)为梯形图，它是机内元件的逻辑关系，进而也是控制系统内各事物间逻辑关系的体现。图5-5三相异步电动机单向运转控制梯形图(b)的工作过程分析如下。当按钮SB1被按下时X0接通，Y0置1，这时电动机连续运行。需要停车时，按下停车按钮SB2，串联于Y0线圈回路中的X1的常闭触点断开，Y0置0，电动机失电停车。梯形图(b)称为启-保-停电路。这个名称主要来源于图中的自保持触点Y0。并联在X0常开触点上的Y0常开触点的作用是当按钮SB1松开，输入继电器X0断开时，线圈Y0仍然能保持接通状态。工程中把这个触点叫做“自保持触点”。启-保-停电路是梯形图中最典型的单元，它包含了梯形图程序的全部要素。它们是：

(1)事件。每一个梯形图支路都针对一个事件。事件用输出线圈(或功能框)表示，本例中为Y0。

(2)事件发生的条件。梯形图支路中除了线圈外还有触点的组合，使线圈置1的条件即是事件发生的条件，本例中为启动按钮X0置1。

(3)事件得以延续的条件。触点组合中使线圈置1得以持久的条件。本例中为与X0并联的Y0的自保持触点。

(4)使事件终止的条件。触点组合中使线圈置1中断的条件。本例中为X1的常闭触点断开。

2．三相异步电动机可逆运转控制(互锁环节)在上例的基础上，如希望实现三相异步电动机可逆运转，需增加一个反转控制按钮和一只反转接触器。PLC的端子分配及梯形图如图5-6所示，它的梯形图设计可以这样考虑，选两套启-保-停电路，一个用于正转(通过Y0驱动正转接触器KM1)，一个用于反转(通过Y1驱动反转接触器KM2)。考虑正转、反转两个接触器不能同时接通，在两个接触器的驱动回路中分别串入另一个接触器驱动器件的常闭触点(如Y0回路串入Y1的常闭触点)。这样当代表某个转向的驱动元件接通时，代表另一个转向的驱动元件就不可能同时接通了。这种两个线圈回路中互串对方常闭触点的电路结构形式叫做“互锁”。这个例子的提示是：在多输出的梯形图中，要考虑多输出间的相互制约(多输出时这种制约称为联锁)。图5-6三相异步电动机可逆运转控制

3．两台电机分时启动的电路(基本延时环节)两台交流异步电动机，一台启动10 s后第二台启动，共同运行一段时间后停止。欲实现这一功能，给两台电机供电的两只交流接触器要占用PLC的两个输出口。由于是两台电机联合启/停，仅选一只启动按钮和一只停止按钮就够了，但延时功能需一只定时器。梯形图的设计可以依以下顺序，先绘两台电机独立的启-保-停电路，第一台电机使用启动按钮启动，第二台电机使用定时器的常开触点启动，两台电机均使用同一停止按钮，然后再解决定时器的工作问题。由于第一台电机启动10s后第二台电机启动，第一台电机运转是10s的计时起点，因而将定时器的线圈并接在第一台电机的输出线圈上。本例的PLC端子分配情况及梯形图已绘于图5-7中。图5-7两台电机分时启动控制

4．定时器的延时扩展环节定时器的计时时间都有一个最大值，如100ms的定时器最大计时时间为3276.7s。那么，如果工程中所需的延时时间大于这个数值时该怎么办呢？一个最简单的方法是采用定时器接力方式，即先启动一个定时器计时，计时时间到，用第一只定时器的常开触点启动第二只定时器，再使用第二只定时器启动第三只定时器，以此类推，记住使用最后一只定时器的触点去控制最终的控制对象就可以了。图5-8所示的梯形图即是一个这样的例子。图5-8定时器接力获长延时上例利用多定时器的计时时间相加获得长延时。此外还可以利用计数器配合定时器获得长延时，如图5-9所示。图中常开触点X1是这个电路的工作条件，当X1保持接通时电路工作。在定时器T1的线圈回路中接有T1的常闭触点，它使得T1每隔10 s接通一次，接通时间为一个扫描周期。定时器T1的每一次接通都使计数器C1计一个数，当计到计数器的设定值时使其工作对象Y0接通，从X1接通为始点的延时时间为定时器的设定值×计数器设定值。X2为计数器C1的复位条件。图5-9定时器配合计数器获长延时

5．定时器构成的振荡电路上例中定时器T1的工作实质是构成一种振荡电路，产生时间间隔为定时器的设定脉冲宽度(一个扫描周期)的方波脉冲。上例中这个脉冲序列用作了计数器C1的计数脉冲。在可编程控制器工程问题中，这种脉冲还可以用于移位寄存器的移位脉冲及其他场合。

6．分频电路用PLC可以实现对输入信号的任意分频，图5-10所示是一个2分频电路。待分频的脉冲信号加在X0端，在第一个脉冲信号到来时，M100产生一个扫描周期的单脉冲，使M100的常开触点闭合一个扫描周期。这时确定Y0状态的前提是Y0置0，M100置1。图中Y0工作条件的两个支路中1号支路接通，2号支路断开，Y0置1。第一个脉冲到来一个扫描周期后，M100置0，Y0置1，在这样的条件下分析Y0的状态，第二个支路使Y0保持置1。当第二个脉冲到来时，M100再产生一个扫描周期的单脉冲，这时Y0置1，M100也置1，这使得Y0的状态由置1变为置0。第二个脉冲到来一个扫描周期后，Y0置0且M100也置0，Y0仍旧置0直到第三个脉冲到来。因第三个脉冲到来时Y0及M100的状态和第一个脉冲到来时完全相同，故Y0的状态变化将重复前面讨论过的过程。通过以上的分析可知，X0每送入两个脉冲，Y0产生一个脉冲，完成了输入信号的分频。图5-10分频电路5.3应用举例5.3.1PLC在交通灯上的应用十字路口交通信号灯布置如图5-11所示。图5-11交通指挥信号灯示意图

1．控制要求信号灯受启动开关控制。当启动开关接通时，信号灯系统开始工作，先南、北红灯亮，东、西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

(1)南、北绿灯和东、西绿灯不能同时亮；如果同时亮则应关闭信号灯系统，并立刻报警。

(2)南、北红灯亮维持25s。在南、北红灯亮的同时东、西绿灯也亮，并维持20s。到20s时，东、西绿灯闪亮，闪亮3s后熄灭。在东、西绿灯熄灭时，东、西黄灯亮，并维持2s。到2s时，东、西黄灯熄灭，东、西红灯亮。同时，南、北红灯熄灭，绿灯亮。

(3)东、西红灯亮维持30s，南、北绿灯亮维持25s，然后闪亮3s后熄灭，同时南、北黄灯亮，维持2s后熄灭。这时南、北红灯亮，东、西绿灯亮。

(4)上述动作循环进行。

2．设计步骤根据控制要求，画出交通灯的状态图，如图5-12所示。根据控制任务要求，可以算出I/O点数。根据I/O点数及功能要求，选择FX2-48MR型PC机。图5-12交通指挥信号灯状态图

1) I/O分配表该控制系统的I/O分配表如表5-1所示。

2)梯形图该控制系统的梯形图如图5-13所示。图5-13交通信号灯控制系统的梯形图5.3.2PLC在机械手控制中的应用

1．动作要求对机械手的控制主要是位置识别、运动方向控制和判别物料是否存在。以图5-14所示机械手为例，它的任务是将传送带A上的工件搬送到传送带B上。机械手的上升、下降、左移、右移、抓紧和放松都用双线圈三位电磁阀驱动缸完成。当某个电磁阀通电时，就保持相对应的动作，即使线圈再断电也仍然保持，直到相反方向的线圈通电，相对应的动作才结束。设备上装有上、下、左、右、抓紧、放松六个限位开关，控制对应工步的结束。传输带上设有一个光电开关，监视工件到位与否。图5-14机械手工作示意图

2．设计步骤机械手的工作时序如图5-15所示。时序图是工作流程图的另一种表示方法，它将工作全过程的信息都包括进去了。从图5-15中可以看出，机械手的工步分为9步。某个输入信号到来时，就进入下一个相应的工步。根据控制任务要求，可以算出I/O点数。根据I/O点数及功能要求，选择FX2-48MR型PC机。图5-15机械手工作时序图

1) I/O分配表机械手控制的I/O分配表如表5-2所示。

2)梯形图该控制系统的梯形图如图5-16所示。图5-16工业机械手控制的梯形图5.3.3PLC在四工位组合机床控制中的应用

1.概述某机床由四个工作滑台各载一个加工动力头，组成四个加工工位。图5-17所示为该机床十字轴铣端面打中心孔的俯视示意图。除了四个加工工位外，还有夹具，上、下料机械手和进料器四个辅助装置以及冷却和液压系统共14个部分。机床的四个加工动力头同时对一个零件的四个端面及中心孔进行加工。一次加工完成一个零件，由上料机械手自动上料，下料机械手自动取走加工完成的零件，每小时可加工80件。图5-17四工位十字轴加工组合机床示意图1—工作滑台；2—主轴；3—夹具；4——上料机械手；5—进料装置6—下料机械手

2．机床控制流程组合机床要求有全自动、半自动、手动三种工作方式。图5-18所示为组合机床控制系统全自动工作循环和半自动工作循环时的状态流程图。在图5-18中S0是初始状态，实现初始状态的条件是各滑台、各辅助装置都处在原位，夹具为松开状态，料道放料且润滑系统情况正常。图5-18组合机床自动工作状态流程图现在把组合机床全自动和半自动工作循环介绍一下。当按下启动按钮后，上料机械手向前，将零件送到夹具上，夹具夹紧零件，同时进料装置进料。之后上料机械手退回原位，进料装置放料。接下来是四个工作滑台向前，四个加工动力头同时加工，铣端面，打中心孔。加工完成后，各工作滑台退回原位。下料机械手向前抓住零件，夹具松开，下料机械手退回原位并取走加工完成的零件，一个工作循环结束。如果没有选择预停，则机床自动开始下一个工作循环，实现全自动加工工作方式。如果选择了预停，则每个工作循环完成后，机床自动停止在初始状态，当再次发出工作启动命令后，才开始下一个工作循环，这就是半自动工作方式。

3．PLC控制系统设计

(1) PLC的选型。由PLC组成的四工位组合机床控制系统有输入信号42个，都是开关量。其中检测元件17个、按钮开关24个、选择开关1个。电控系统有输出信号27个，其中包括16个电磁阀、6台电动机的接触器和5个指示灯。电控系统最后选用FX2-64MR主机和一个16点的输入扩展模块(FX-16EX)，这样共有48个输入点(32＋16)，输出点就是主机的32点，可以满足42个输入、27个输出的要求，而且还有一定余量。

(2)输入/输出信号地址分配。把42个输入信号(位置检测传感器开关17个：1SQ～12SQ，1YJ～5YJ；选择开关1个：ISA；按钮开关共24个：1SB～24SB)和27个(输出信号电磁阀16个：1YV～16YV；接触器6个：1KM～6KM