plc 电气控制基础知识 第十三章 系统设计学习资料

第十三章基于S7系列PLC单机控制系统设计13.1PLC应用系统设计原则、内容与步骤13.2PLC应用系统的硬件设计13.3PLC应用系统的软件设计13.1PLC应用系统设计原则、内容与步骤13.1.1设计原则在可编程序控制器控制系统的设计中，应该最大限度地满足生产机械或生产流程对电气控制的要求，在满足控制要求的前提下，力求PLC控制系统简单、经济、安全、可靠、操作和维修方便，而且应使系统能尽量降低使用者长期运行的成本。设计一个PLC控制系统有多种途径：可以在原有的继电接触控制系统基础上加以改造，形成可编程序控制器的控制系统。13.1.2设计的内容拟定控制系统设计的技术条件，一般以设计任务书的形式来确定。选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构。选定PLC的型号编制PLC的I/O分配表或绘制I/O端子接线图。根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言进行程序设计。了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与计算机之间的友善关系。设计操作台、电气柜及非标准电器元部件。编写设计说明书和使用说明书。13.1.3系统设计和调试的主要步骤被控对象的工艺条件和控制要求分析。确定I/O设备选择合适的PLC类型分配I/O点设计应用系统梯形图程序将程序输入PLC进行软件测试应用系统整体调试编制技术文件13.2PLC应用系统的硬件设计13.2.1PLC选型性能与任务相适应开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，选用小型PLC就能满足要求。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转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，运算功能较强的中小型PLC。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联网等，可选择中大型PLC。PLC的处理速度应满足实时控制的要求提高PLC的处理速度，可采用以下几种方法：选择CPU处理速度快的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，如高速计数模块。PLC应用系统结构合理、机型系列统一整体式模块式13.2.2PLC容量估算I/O的点数的估算统计PLC系统的开关量I/O点数和模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。考虑设计中I/O点数可能有疏漏，I/O端口的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10％－15％的余量。考虑余量后的I/O总点数即为I/O点数估计值，改估计值是PLC选型的主要技术依据。为了今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估计算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30％左右的余量。用户存储器的容量用户应用程序占用多少内存与I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等有关。开关量输入所需存储器字数＝输入点数X10开关量输出所需存储器字数＝输出点数X8定时器/计数器所需存储器字数＝定时器/计数器数量X2模拟量所需存储器字数＝模拟量通道数X100通信接口所需存储器字数＝接口个数X300存储器的总字数＋备用量＝存储器容量一般应用下的经验公式：所需存储器容量(KB)＝(1~2.5)X(DIX10+DOX8+AI/OX100+CPX300)/1024其他考虑的因素：经验公式仅是对一般应用系统，而且主要是针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用和功能需要更大的存储器容量。不同型号的PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异，会影响存储器的需求量程序编写水平对存储器的需求量有较大的影响。工程实践中大多采用粗略估算，加大余量，实际选型时采用就高不就低的原则。13.2.3I/O模块的选择开关量输入模块的选择开关量输入模块按输入点数分8点、12点、16点、32点等。按工作电压分直流5V、12V、24V，交流110V、220V等。按外部接线方式分汇点输入、分隔输入等。选择输入模块考虑两点根据现场输入信号（如按钮、行程开关）与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般，24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过10m。距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。高密度的输入模块，如32点输入模块，允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60％开关量输出模块的选择输出模块有3种方式输出：继电器输出、双向可控硅输出、晶体管输出。输出方式的选择：继电器输出价格便宜、使用电压范围广、导通压小、承受瞬间过电压和过电流的能力较强，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。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会有较高的反压，必须采取抑止措施。输出电路的选择模块的输出电路必须大于负载的额定电流值。若负载电流较大，输出模块不能驱动，则应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，过要留有足够的余量。允许同时接通的输出点数输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流。模拟量及特殊功能模块的选择模拟量输入、输出及温度控制模块就是用于将过程变量转换为PLC可以接收的数字信号以及将PLC内的数字信号转换成模拟信号输出。一些特殊情况，如位置控制、脉冲计数以及联网、与其他外部设备连接等需要专用的接口模块，如传感器模块、I/O连接模块等。这些模块有字节的CPU、存储器、能在PLC的管理和协调下独立地处理特殊任务，这样既完善了PLC的功能，又减轻了PLC的负担，提高了处理速度。13.2.4安全回路设计安全回路的作用：保护人身安全和设备安全。它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。设计对人身安全的安全回路应考虑使用独立于PLC的紧急停机功能。在操作人员易受机器影响的地方，应考虑使用一个机电式过载器和其他独立于PLC的冗余工具，用于启动和中止转动。确保系统安全的硬接线逻辑回路在以下几种情况下将发挥安全保护作用：PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时。PLC失控时操作人员需要紧急干预时。设计安全回路的任务包括以下内容：确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系。设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段。确定其他与安全和完善运行有关的要求。为PLC定义故障形式和重新启动特性。13.3PLC应用系统的软件设计8.3.1PLC应用软件设计的内容深入现场，了解并熟悉被控对象的控制要求。明确PLC系统必须具备的功能，为应用软件的编制提出明确的要求和技术指标，并形成软件需求说明书。进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分。分析各部分之间在逻辑上、时间上的相互关系，是设计出的软件在总体上结构清晰、简洁，流程合理。选择适当的编程语言进行程序设计。PLC软件工程的设计有以下几方面的内容：PLC软件功能的分析与设计I/O信号及数据结构分析与设计程序结构分析与设计软件设计规格说明书编制用编程语言、PLC指令进行程序设计软件测试程序使用说明书编制13.3.2PLC应用系统的软件设计步骤制定设备运行方案根据生产工艺的要求分析各I/O与各种操作之间的逻辑关系确定需要检测的量和控制的方法设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序画控制流程图制定系统的抗干扰措施硬件上的电源隔离、信号滤波软件上的平均值滤波编写程序根据被控对象的I/O信号及所选的PLC型号分配PLC的硬件资源为梯形图的各种继电器或接点进行编号按照软件规格说明书的技术要求、编制依据、测试等进行编程软件测试要对系统程序进行离线测试。调试、排错、修改及模拟运行后，才能正式投入使用。程序测试注意以下问题：程序能否按设计要求进行各种必要的功能是否具备发生意外事故时能否做出正确的响应对于现场干扰等环境因素适应能力如何控制现场运行，进一步完善。编制程序使用说明书程序设计的依据、结构、功能、流程图、各项功能单元的分析PLC的I/O信号软件程序操作使用的步骤、注意事项对程序中需要测试的必要环节进行注释。例题：液体混合搅拌控制系统设计系统有3个液面传感器：H为液体B液面检测传感器；I为液体A液面检测传感器；L为最低液面检测传感器。3个电磁阀：X1为液体A输入电磁阀；X2为液体B输入电磁阀；X3为混合液体输出电磁阀；电磁阀为OFF状态时，阀门关闭。M搅拌电动机，M为OFF时，电动机停止；为ON时，电动机运行。HILXXX（1）控制要求初始状态:启动搅拌器之前，容器是空的。各阀门关闭X1=X2=X3=OFF,传感器H=I=L=OFF，搅拌电动机M=OFF。启动操作:按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作：液体A阀门X1打开，液体A流入容器。当液面到达L时，使L=ON，并继续注入液体A，直到液面达到I时，I=ON，使X1=OFF,X2=ON，即关闭液体A阀门X1。打开液体B阀门X2。当液面到达H时，关闭液体B阀门X2，搅动电机M开始搅动，即X2=OFF,M=ON。搅动电机工作60秒后停止搅动，即M=OFF。混合液体阀门X3打开，开始放出混合液体。当液面低于到L时，即L=OFF，经过延时10秒后，容器放空，混合液阀门X3关闭，即X3=OFF。自动开始下一个操作周期。停止操作:按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。（2）硬件设计开关量输入点有5个：启动、停止、H、I、L。开关量输出点有4个：X1、X2、X3、M。估算内存容量为90个地址单元：9X10＝90。根据估算可以选用一般中小型PLC。选用S7-200CPU222，I/O点总数位14个，其中8点输入，6点输出。搅拌控制系统组成（3）I/O点的地址分配模块号输入端子号输出端子号地址号信号名称说明CPU2221I0.0启动，上升沿有效按钮2I0.1停止，上升沿有效按钮3I0.2液面检测H，上升沿有效液位传感器4I0.3液面检测I，上升沿有效液位传感器5I0.4液面检测L，下降沿有效液位传感器1Q0.0A液电磁阀X1，1有效电磁阀2Q0.1B液电磁阀X2，1有效电磁阀3Q0.2混合液电磁阀X3，1有效电磁阀4Q0.3搅拌电动机，1有效电磁阀（4）控制流程图原始状态是，容器是空的。各阀门关闭X1=X2=X3=0,传感器I0.2=I0.3=I0.4=0，搅拌电动机Q0.3=0。按下启动按钮SB1，I0.0=1,执行任务1，液体A阀门Q0.0＝1打开，液体A流入容器。当液面到达L时，使L=ON，即I0.4=1并继续注入液体A，直到液面达到I时，I=ON，即I0.3=1使Q0.0=0,Q0.1=1，即关闭液体A阀门，开始输入液体B。当液面到达H时，即，I0.2=1,关闭液体B阀门X2，搅动电机M开始搅动，启动搅拌定时器，即Q0.1=0,Q0.3=1，启动T101。搅动电机工作60秒后停止搅动，即Q0.3=0