电气控制与PLC应用技术(第2版)课件：PLC控制系统设计与应用实例

PLC控制系统设计学习目的：学习PLC控制系统的设计方法，提高实际应用的能力。学习内容：综合PLC硬件及软件知识，联系工业控制的实际，介绍小型PLC控制系统设计方法.学习要求

:（1）了解PLC控制系统设计的内容和步骤。（2）掌握PLC控制系统硬件配置的方法。（3）掌握PLC应用程序设计方法及其设计技巧。（4）结合工业控制中的应用实例的设计，提高实际应用能力。

目录PLC控制系统设计的内容和步骤PLC控制系统的硬件配置PLC控制系统梯形图程序的设计经验设计法顺序功能图法顺序控制梯形图的设计方法PLC在工业控制系统中的典型应用实例9.1PLC控制系统设计的内容和步骤设计原则设计内容设计步骤最大限度地满足被控对象对生产工艺的要求力求控制系统安全、可靠、优质、经济应考虑控制规模的发展和工艺的改进一、设计原则

分析控制对象、明确设计任务和要求是整个设计的依据选定PLC的型号及所需的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图根据系统设计的要求编写软件规格要求说明书，然后再用相应的编程语言(常用梯形图)进行程序设计设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件编写设计说明书和操作使用说明书二、设计内容

三、设计步骤

PLC机型的选择开关量I/O模块的选择模拟量I/O模块的选择智能模块的选择9.2PLC控制系统的硬件配置一、PLC机型的选择

性能与任务相适应PLC的处理速度应满足实时控制的要求PLC机型尽可能统一指令系统1.性能与任务相适应

对控制速度要求不高的开关量控制系统，选用小型PLC，如西门子公司的S7-200SMARTPLC、S7-1200PLC，三菱公司的FX2N系列对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型PLC。

欧姆龙公司的CQM型PLC、西门子公司的S7-200SMARTPLC、S7-1200PLC在进行小型数字、模拟混合系统控制时具有较高的性能价格比，实施起来也较为方便。对于比较复杂、控制功能要求较高的应用系统，如需要PID调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC，如西门子公司的S7-1500、罗克韦尔公司CompactLogix系列等。备用量25%1.性能与任务相适应——存储器容量估算开关量输入元件：10~20字节/点开关量输出元件：5~10字节/点定时器/计数器：2字节/个模拟量：100~150字节/通道通信接口：300字节以上/接口25%左右的备用量选择CPU速度比较快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5μs优化应用软件，缩短扫描周期采用高速响应模块，其响应的时间不受PLC周期的影响，而只取决于硬件的延时2.提高PLC快速响应的几点措施3.PLC结构合理、机型统一整体式结构：单机小型控制系统（简单、紧凑）模块式结构：控制规模较大的系统（组态灵活、易于扩充）叠装式结构：中小型控制系统（综合了整体式、模块式的优点）

机型统一，模块通用性好，减少备件量，利于编程、维修、扩展.

4.指令系统在选择机型时，从指令方面应注意下述内容：1)指令系统的总语句数。

2)指令系统种类。

3)指令系统的表达方式。

4)应用软件的程序结构。二、开关量I/O模块的选择

开关量输入模块的选择开关量输出模块的选择1.开关量输入模块的选择选择工作电压等级

选择模块密度

门坎电平

备用输入点的设计

1）选择工作电压等级

选择依据：

根据现场检测元件与模块之间的距离来选择。距离较远时选用较高电压的模块来提高系统的可靠性，以免信号衰减后造成误差。距离较近时选择电压等级低的模块.选择依据：分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间为便于安装、调试，按就近原则安排输入信号常选用8点、16点的输入模块；对于高密度输入模块(32/64点)，同时接通点数不超过模块总点数的60%(视输入电压、环境温度而定）2）选择模块密度3）门坎电平必要性：为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门坎电平的大小门坎电平：指接通电平和关门电平的差值。门坎电平值越大：抗干扰能力越强传输距离也就越远4）备用输入点的设计

备用输入点应分散到各模块（组）上，例如每8点留一个备用点.发生故障时，用备用点替换故障点，方便地、迅速地处理故障。

2.开关量输出模块的选择输出方式的选择输出电流的选择1）输出方式的选择继电器输出方式：（继电器输出方式价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。固态MOSFET输出方式(源型)：属于无触点开关输出，使用寿命长，适用于通断频繁的感性负载。2）输出电流的选择输出电流必须大于负载（电阻性负载）电流的额定值对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节（用中间继电器）。注意同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。3）输出端的短路保护

为防止负载短路而烧坏PLC的输出模块，输出回路必须外加熔断器作短路保护。继电器输出方式

选用普通熔断器固态MOSFET输出方式(源型)选用快速熔断器

三、模拟量I/O模块的选择

模拟量输入模块的选择模拟量输出模块的选择1.模拟量输入模块的选择模拟量的输入：电压信号或电流信号电压信号:±2.5V、±5V、±10V（双极性）

电流信号:0~20mA注意：与现场的检测信号范围相对应，分辨率、输入精度、转换时间等参数应符合系统要求，在应用中要注意抗干扰措施。2.模拟量输出模块的选择模拟量的输出：电压输出或电流输出电压输出:±10V（双极性）

电流输出:

0~20mA注意：一般的模拟量输出模块都同时具有这两种输出类型，只是在与负载连接时接线方式不同、模拟量输出模块还有不同的输出功率，在使用时要根据负载情况选择、模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块的情况类似。

根据实际需要选择PROFIBUS-DP模块（EMDP01）热电阻模块（EMAR02、EMAR04）热电偶模块（EMA04）电池信号板（SBBA01）RS485/232信号板（SBCM01）电源模块（PM2073A、PM2075A）

四、其他模块的选择

9.3PLC控制系统梯形图程序的设计

程序设计时注意事项应用程序的设计方法程序设计时应注意的五个问题系统框图设计分配I/O编号设计应用程序程序调试和修改编写说明书一、程序设计时注意事项

1．系统框图设计对于较复杂的系统，先设计系统框图

自来水厂的系统框图

根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图（例顺序功能图）功能框图是编程的主要依据，要尽可能地详细，以便对全部控制功能有一个整体概念。2.分配I/O编号编写程序前应给每一个输入/输出信号分配相应的地址；给出每个地址对应的信号的含义、名称并列成表。输入信号输出信号启动按钮SB1I0.1南北红灯HL1、HL2Q0.0南北绿灯HL3、HL4Q0.4

停止按钮SB2I0.2南北黄灯HL5、HL6Q0.5东西红灯HL7、HL8Q0.3

东西绿灯HL9、HL10Q0.1

东西黄灯HL11、HL12Q0.22.分配I/O编号编写程序前应给每一个输入/输出信号分配相应的地址；给出每个地址对应的信号的含义、名称并列成表。3．设计应用程序根据功能框图（例顺序功能图）逐条地设计应用程序，这是整个程序设计工作的核心部分；在设计过程中，可以借鉴现成的典型控制环节的程序；编写程序过程中要及时注释。4．程序调试和修改是整个程序设计工作中一项很重要的工作，可以及时发现和消除程序中的错误和缺陷确保系统在各种正常和异常的情况下都能作出正确的响应。经室内调试、排错、修改、模拟运行并确认无误后再进行现场调试进一步察看系统的整体效果，尤其要注意系统的抗干扰能力。5．编写程序说明书程序说明书包括程序设计的依据程序的基本结构各功能单元分析使用的公式和原理各参数的来源和运算过程程序调试情况······整个程序设计工作的总结及综合说明便于程序的使用者和现场调试人员使用它是程序文件的组成部分二、应用程序的设计方法

正确选择能反映生产过程的变化参数作为控制参量进行控制正确处理各执行电器、各编程元件之间的互相制约、互相配合的关系，即联锁关系常用的设计方法:经验设计法顺序功能图法程序设计的关键：（一）经验设计法被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地组合起来。依据：经验设计法的应用对于简单的系统，用经验设计法进行设计，简单、易行，可以收到明显的效果;对于一些旧设备的改造也常采用经验设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑PLC的特点.经验设计法编程方法

0-11-11-0编程方法：三要素法联锁制约启动信号（SB、SQ）、内部逻辑信号T、C……自锁、置位停止信号（SB、SQ）、内部逻辑信号T、C……正转、反转KM降压启动（星三角、串自耦变压器）制动通过三要素法搭建程序框架，再由连锁制约关系完善程序。经验设计法编程举例——运料小车运行示意图I/O接线图主电路分析：三要素联锁制约联锁制约0-11-11-0T37T38续前页CASE2:P64(NO.20）机床电机控制(a)主电路(b)I/O端子接线图1LI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.61MQ0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6S7-200PLCSB1SB2SB3SB4SB5SB6FR1FR2KM1KM2KM3KM3KM2KSnKM4KM5I0.0()M1.0I0.1I0.3Q0.1T38TONINPT100()Q0.5T38I0.5Q0.4I0.41M1.0T37TONINPTt2()Q0.3Q0.2M1.0T374T33TONINPTT37505()Q0.4I0.6Q0.1789CASE2:3()Q0.1M1.0Q0.3Q0.1Q0.5()Q0.2T33Q0.36M1.0I0.2多地点控制(R)M1.01Q0.5I0.0(R)Q0.13I0.2停止方案二总结：经验设计法的特点设计方法不规范，具有一定的试探性和随意性;设计出的程序不是唯一的，其质量与设计者的经验有关;对于复杂的系统，由于联锁关系复杂，难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，使用、维护不便.顺序控制：是使生产过程按生产工艺预先安排的顺序，自动地进行生产的控制方式。顺序控制系统：系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行。顺序功能图法：针对顺序控制系统的一种专门的设计方法。（二）顺序功能图法顺序功能图顺序功能图（SequenceFunctionChart,SFC）是IEC标准规定的用于顺序控制的标准化语言。顺序功能图主要由步、有向连线、转换和转换条件及动作（或命令）等五个要素组成。Initialstep表达准确、条理清晰、规范、简洁是设计PLC的顺序控制程序的重要工具。

顺序功能图顺序功能图的基本结构

依据步之间的进展形式，顺序功能图有以下几种基本结构：

单序列结构并行序列的分支与合并

(b)合并 (a)分支选择序列的分支与合并将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步（Step），并用编程元件（S或M）来代表各步；用转换条件控制代表各步的编程元件（S或M），让它们的状态按一定的顺序变化；用代表各步的编程元件（S或M

）去控制PLC的输出位。M0.2运行M0.3运行M0.1运行并保持顺序功能图的基本思想步是根据输出量的状态变化来划分的，在任何一步之内，各输出量的ON/OFF状态不变，但相邻的两步状态是不同的。步的转换条件：外部输入信号，内部信号。关键：步的划分动作或命令顺序功能图的关键例：步的划分步的划分举例置位、复位指令SET、RESET（S、R）顺序控制继电器指令SequenceControlRelay（SCR）)起-保-停（自学）······Programinstructions：9.4

顺序控制梯形图的设计方法用编程元件（M）来代表各步；用转换条件控制代表各步的编程元件（M

），让它们的状态按一定的顺序变化；用代表各步编程元件（M）去控制PLC的输出位。1.置位、复位（S、R）指令I0.1I0.2使用以转换为中心控制步S/RSTRUCTION（以转换为中心）M0.1I0.1(S)M0.21(R)M0.11M0.1M0.2M0.3采用S、R指令编程的结构采用S、R指令编程的结构M0.0I0.1(S)M0.11(R)M0.01Network2SM0.1(S)M0.01Network1Network3M0.1T37TONINPT300T37(S)M0.21(R)M0.11Network4M0.1M0.1T37(S)M0.21(R)M0.11T37TONINPT300Network3S/RSTRUCTION用代表各步编程元件（M）去控制PLC的输出位。M0.1()Q0.11M0.2()Q0.2M0.3()Q0.3存储型动作或命令SSS/RSTRUCTION采用S、R指令编程的结构()Q0.11RM0.0I0.0I0.1I0.2单序列结构液压进给装置运动示意图ONOFFOFFI0.3液压油缸Q0.0控制开关（转换条件）限位开关SQ2限位开关SQ1限位开关SQ0起动按钮SB1

Case1:液压进给装置运动控制Q0.1电磁阀KY1电磁阀KY0顺序功能图法举例I0.0I0.1I0.2单序列结构液压进给装置运动示意图Q0.0ONONON动作演示Q0.1初始状态：油缸杆置右端，限位开关I0.2为ON。1.按下启动按钮I0.3，Q0.0为ON，左行。2.碰到限位开关I0.1时，Q0.1为ON，右行。3.碰到限位开关I0.2时，Q0.0为ON，左行。4.碰到限位开关I0.0时，Q0.1为ON，右行。5.碰到限位开关I0.2时，停止。I0.3M0.0M0.1M0.2M0.3M0.4M0.0顺序功能图法举例单序列结构顺序功能图SM0.1M0.1M0.2M0.3M0.4I0.3I0.1I0.2I0.0I0.2Q0.0Q0.1Q0.0Q0.1左行右行右行左行M0.0初始步起动初始状态：油缸杆置右端，开关I0.2为ON,辅助继电器M0为ON。1.按下启动按钮I0.3,开关Y0、M0.1为ON，左行。2.碰到限位开关I0.1时，M0.2、Y1为ON，右行。3.碰到限位开关I0.2时，M0.3、Y0为ON，左行。4.碰到限位开关I0.0时，M0.4、Y1为ON，右行。5.碰到限位开关I0.2时，停止。顺序功能图法举例Case2

TraficLightControl交通信号灯设置示意图

控制要求

交通信号灯时序图

I/O分配表及I/O接线图

程序设计

顺序功能图法举例交通信号灯设置示意图

ControlRequirements控制要求1.启动后，南北向红灯、东西向绿灯同时亮2.东西向：绿灯亮25s→闪烁3次（1s/次）→黄灯亮2s→红灯亮30s→绿灯亮······→停止南北向：红灯亮30s→绿灯亮25s→闪烁3次（1s/次）→黄灯亮2s→红灯亮······→停止顺序功能图法举例TraficLightTimingDiagram（时序图）顺序功能图法举例闪烁3次T33T37T340.5’’南北绿南北黄25’’2’’23C2010M0.1M0.2M0.3M0.4M0.2M0.3T33Q0.1T37T34C20·T340.5’’TraficLightTimingDiagram（时序图）顺序功能图法举例顺序功能图并行、选择序列2.SCR指令编程

深孔钻削时，为利于钻头排屑和冷却，需要周期性地从工件中退出钻头，同时需带有点动调整功能。起始位置SQ1被压例：深孔钻组合机床系统配置

(1)I/O点数统计输入8点（SB1~SB4、SQ1、SQ3~SQ5）输出2点（KM0.1、KM0.2）(2)估算PLC用户程序长度

I/O总点数的（10~20）倍，大约200字节选用S7-200CPU222AC/DC/继电器PLCS7-200CPU222单机集成8输入/6输出共14个I/O点选用AC/DC/继电器主机构成一个独立的单机控制系统（3）机型选择I/O分配表

I/O分配表

I/O接线图互锁过载保护反向点动正向点动原始ABC顺序功能图与编程分析

顺序功能图Q0.1主电路Q0.2Q0.1Q0.2Q0.1Q0.2M0.1M0.2M0.3M0.4M0.5M0.6(五)由顺序功能图设计出的深孔钻组合机床梯形图

步1和步2对应的梯形图步3、步4的梯形图步5、步6的梯形图点动调整程序与自动连续运行互锁I0.5I0.6电机正、反转延迟切换的程序M0.1.1M0.1.2避免换相时的短路故障，减少换相对电动机的冲击，采用换相延时功能。停止程序用复位指令实现的停止功能程序常放置在程序段的末尾。钻头进刀和退刀是由电机正转和反转实现的，电机的正、反转切换是使用两个接触器KM0.1（正转）、KM0.2（反转）切换三相电源中的任意两相。防止由于电源换相所引起的短路事故，减少换相对电机的冲击，软件上采用了换相延时措施，梯形图中的T37、T38的延时时间应设在0.5s内。同时在硬件电路上也采取了互锁措施。I/O接线图中的FR用于过载保护。为便于调整，程序中备有点动控制功能。注意二、四台电动机顺序启、停控制

启动顺序：M0.1→M0.2→M0.3→M0.4

时间间隔为1分钟停车顺序：M0.4→M0.3→M0.2→M0.1

时间间隔为30秒四台电动机顺序启动和顺序停车I/O分配表选用S7-200CPU222AC/DC/继电器PLCI/O接线图画

出

顺

序

功

能

图

设

计

梯

形

图

程序结构M0.0=1，顺序启动M0.1=1，顺序停车

系统清零、启动、停止程序顺序启动程序

移位寄存器

正向移位顺序停止程序

移位寄存器反向移位M0.0=1，顺序启动M0.1=1，顺序停车

顺序启动程序顺序停止程序推而广之具有多种工作方式的顺序控制设计方法工作方式手动自动连续单周期步进自动返回（回原点）程序结构主程序+子程序子程序1（手动）子程序2（自动——按顺序从原点位置执行）子程序3（回原点）机械手工作示意图工作过程：手臂下降-夹紧-上升-右行机械手的全部动作由气缸驱动（电磁阀控制）。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈的两位电磁阀控制。机械手控制

外部接线图操作面板手动操作按钮手动工作程序回原点工作程序顺序功能图法：1.在顺序功能图中，步之间没有重叠。这使系统中大量复杂的联锁关系在步的转换中得以解决。2.对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。3.编程方法简单易学，规律性强。4.设计出的控制程序结构清晰、可读性好；调试、运行方便。优点：4．合理接入输入信号的触点从设备的可靠性、安全性角度考虑故障断线时，设备应向着安全状态发展。

停止按钮

启动按钮

本书前面章节各图均按常开触点接入处理

四、程序设计过程中应注意的几个问题

1．先编制I/O分配表，后设计梯形图2．合理排列梯形图，使输入、输出响应滞后现象不影响实际响应速度。

3．一个发信元件只能占一个输入地址编号故障断线时，设备状态

111启动

停止

000故障断线

断线：0停不了！？合理接入

111启动

断线：0停止

000故障断线停车！5．重大安全部分不接入PLC的输入端接至PLC的输出端子上紧急停车按钮热继电器控制触点互锁触点紧急限位开关闭锁按钮

输出端子6．应保证有效输入信号的电平保持时间

周期循环的扫描方式采用集中采样、集中输出的形式设置脉冲捕捉功能大于一个扫描周期7．电平有效跳变有效

区别电平有效跳变有效

8．由电气图转换为梯形图时

应注意的问题

改造旧设备时，可借鉴原电路图先断后合型状态的转换9.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例9.5.1

节日彩灯的PLC控制9.5.2恒温控制9.5.3基于增量式旋转编码器和PLC高速计

数器的转速测量9.5.4室内游泳池水处理系统PLC控制9.5.1节日彩灯的PLC控制1.彩灯闪烁一般控制方法——环形分配器原理2.环形分配器法编程3.彩灯“花式”节拍输出分配表程序节日彩灯控制程序9.5.2恒温控制1.恒温控制的基本思路9.5.2恒温控制2.数据的变化和处理1)数据输入变化过程2)控制量输出变化过程9.5.2恒温控制3.梯形图程序设计1)主程序(MAIM)2)子程序0(SBR0)3)子程序1(SBR1)4)中断0(INT0)主程序子程序9.5.3基于增量式旋转编码器和PLC高速计数器的转速测量1.增量旋编与S7-200SMART的连接1)增量旋编与PLC的选型一相输出，每转脉冲数为1024的增量旋编。西门子S7-200SMARTCPUST40作为PLC控制器。2)增量旋编与PLC的连接9.5.3基于增量式旋转编码器和PLC高速计数器的转速测量2.PLC控制增量旋编转速测量的程序设计1)主程序OB12)中断子程序INT09.5.4室内游泳池水处理系统PLC控制游泳池水处理工艺流程图9.5.4室内游泳池水处理系统PLC控制1.控制系统的I/O信号及地址分配1)输入信号2)输出信号表9-5PLC控制系统输入/输出分配表名

称代号地址名

称代号地址数字量输入信号浊度仪输出的浊度信号TAIW4急停总按钮SB0I0.0余ClO2消毒剂仪信号ClO2AIW6总接触器启动（常开触点）SA2-1I0.1PH仪信号PHAIW8自/手动选择（常闭触点）SA2-2I0.2数字量输出信号7号泵启动按钮SB3I0.3电源总接触器KM0Q0.07号泵停止按钮SB4I0.4PLC控制方式KA0Q0.17