第9章 PLC控制系统设计讲义教材
学习内容, PLC控制系统设计的基本原则及步骤, PLC的选择, PLC控制系统硬件设计, PLC控制系统的软件设计,学习目标 掌握PLC控制系统的设计原则及步骤； 掌握PLC机型选择的方法； 掌握PLC输入输出线路及供电线路的设计方法； 掌握PLC程序的顺序设计法及功能图设计法。,为了实现生产工艺的控制要求，以提高生产效率和产品质量，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则： 最大限度地满足被控对象的控制要求。 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用、维修方便。 保证控制系统的安全、可靠。 考虑到生产的发展和工艺的改进，应适当留有扩充裕量。,9.1.1 PLC控制系统设计的基本原则,9.1 PLC控制系统设计的基本原则及步骤,1分析生产工艺过程，明确工艺过程对电气控制的要求 2确定控制方案 3选择可编程控制器机型 4硬软件设计 5总装调试 6编制技术说明书,9.1.2 PLC控制系统设计的一般步骤,随着PLC的推广普及，PLC产品的种类越来越多，而且功能也日趋完善。PLC的品种繁多，其结构形式、性能、存储容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要的作用。,9.2 PLC的选择,1结构合理 2功能合理 3机型统一 4是否在线编程,9.2.1 机型的选择,1PLC控制系统IO点数的估算 2输入输出模块的选择,9.2.2 输入输出的选择,1内存利用率 2开关量输入输出点数 3模拟量输入输出点数 4程序编写质量,9.2.3 内存估计,PLC控制系统的硬件设计包括设计PLC输入输出接线原理图、PLC供电系统图以及选择输入输出元器件等工作。,9.3 PLC控制系统的硬件设计,设计输入输出电路通常还要考虑一下问题： 1）一般情况下，输入输出器件可以直接与PLC的输入输出端子相连，但是，当配线距离较长或接近强干扰源、或大负荷频繁通断的外部信号，最好加中间继电器再次隔离。 2）输入电路一般由PLC内部提供电源，输出电路需根据负载额定电压和额定电流外接电源。输出电路需注意每个输出点可能输出的额定电流及公共端子的总电流的大小。,9.3.1 PLC输入/输出电路的设计,输出电路的设计,AC220V,FR,N,L,Q0.1,R C,KM1 KM2,R C,KM2 KM1,3）对于双向晶闸管及晶体管输出型的PLC，如输出点接感性负载，为保证输出点的安全和防止干扰，需并接过电压吸收回路。 对交流负载应并接浪涌吸收回路，如阻容电路（电阻取51120，电容取0.10.47F，电容的额定电压应大于电源峰值电压 ）或压敏电阻。,S7-200 CPU214,M M,L+ L,1M,I0.0 1L I0.1 Q0.0 I0.2 Q0.1,对直流负载需并接续流二极管，续流二极管可以选1A的管子，其额定电压应大于电源电压的三倍。,输出电路的设计,4）当接近开关、光电开关这一类两线式传感器的漏电流较大时，可能出现故障的输入信号。通常在输入端并联旁路电阻，以减小输入电阻。旁路电阻的阻值R可由下式确定： 式中I为传感器漏电流，Ue、Ie分别是PLC的额定输入电压和额定输入电流，UL是PLC输入电压低电平的上限值。,5）为防止负载短路损坏PLC，输出公共端需加熔断器保护。 6）对重要的互锁，如电动机正反转等，需在外电路中用硬件再互锁。 7）对输入点不够时，可参考下列方法扩展：,硬件逻辑组合输入法,M,L+,硬件逻辑组合输入法 对两地操作按钮、安全保护开关等可先进行串并联后再接入PLC输入端子。,译码输入法 硬件逻辑组合输入法 对在工艺上绝对不可能同时出现的的开关信号，用二极管译码的方法扩展输入点。,分组输入法 对在工艺中不同工作方式使用的输入点，可通过外电路分组的方法达到扩展输入点的目的。,矩阵输入法 当PLC的输出点富裕且输入点不够用时，可通过对输出点的扫描，实现二极管矩阵输入，从而大大扩展输入点数。,1L,AC220V,输入按钮的直接控制法,Q0.2,Q0.1,Q0.0,输入按钮直接控制法 将输入按钮直接连接在需要控制的输出设备上，以减少对输入点数的使用。,分组控制法 对不同时工作的负载，可通过分组控制的方法减少输出点的使用。,8）对输出点不够时，可参考下列方法扩展：,K3,K3,K2 K2,K1,输出继电器接点译码法 通过输出继电器接点译码可扩展输出点。,1）电源进线处应该设置紧急停止PLC的硬线主控继电器(Master Control Relay)，它可以专用一只零压继电器，也可以借用液压泵电机接触器的常开触点。 2）用户电网电压波动较大或附近有大的电磁干扰源，需在电源与PLC间加设隔离变压器或电源滤波器，使用隔离变压器的供电。 3）当输入交流电断电时，应不破坏控制器程序和数据，故使用UPS供电。 4)在控制系统不允许断电的场合，考虑供电电源的冗余，采用双路供电。,9.3.2 PLC供电系统的设计,PLC的主机和扩展单元可以和电源断路器、控制变压器、主控继电器以及保护电器一起安装在控制柜内，既要防水、防粉尘、防腐蚀，又要注意散热，若PLC的环境温度大于550C时，要用风扇强制冷却。 与PLC装在同一个开关柜内、但不是由PLC控制的电感性元件，如接触器的线圈，应并联消弧电路，保证PLC不受干扰。 PLC在柜内应远离动力线，两者之间的距离应大于200mm,PLC与柜壁间的距离不得小于100mm，与顶盖、底板间距离要在150mm以上。,9.3.3 电气柜结构设计,1）PLC系统应单独接地，其按地电阻应小于100，不可与动力电网共用接地线，也不可接在自来水管或房屋钢筋构件上，但允许多个PLC机或与弱电系统共用接地线，接地极应尽量靠近PLC主机。 2）敷设控制线时要注意与动力线分开敷设（最好保持200mm以上的距离），分不开时要加屏蔽措施，屏蔽要有良好接地。控制线要远离有较强的电气过渡现象发生的设备（如晶闸管整流装置、电焊机等）。交流线与直流线、输入线与输出线都最好分开走线。开关量、模拟量I/O线最好分开敷设，后者最好用屏蔽线。,9.3.4 现场布线图设计,94 PLC控制系统的软件设计,1绘制系统控制流程图 2编制程序 3程序测试 4编制程序设计说明书,9.4.1 梯形图的经验设计法,在PLC应用的初期，大多数工程技术人员设计继电接触控制电路的习惯，基本上还是沿用设计继电接触控制电路图的方法来设计PLC应用程序的梯形图，这种方法即称为梯形图的经验设计法。 用经验法设计复杂系统的梯形图应用程序，存在着以下一些问题： 1设计方法不规范，难于掌握，设计周期长 2装置交付使用后维修困难,942 梯形图的功能图设计法,功能图设计法又称状态流程图设计法，亦称为Grafacet法，是专门用于顺序控制的一种程序设计法。,1功能图的概念 功能图是一种描述顺序控制系统功能的图解表示方法，主要由“步”、“转移”及“有向线段”等元素组成。,1）步 (1)初始步 (2)工作步 (3)与步对应的动作 当系统中的某步处于活动状态时，称该步为“活动步”。,2）有向线段 3）转移,2功能图构成规则 控制系统的功能图必须满足以下规则： 步与步不能相连，必须用转移分开； 转移与转移不能相连，必须用步分开； 步与转移、转移与步之间的连接必须采用有向线段，从上向下画时，可以省略箭头。当有向线从下向上画时，必须画上箭头，以表示方向； 一个功能图至少要有一个初始步。,3功能图的基本结构形式及其逻辑表达式 单序列功能图由一系列相继激活的步组成。每一步仅连接一个转移，每个转移也仅连接一个步，如图9-19所示。各步的状态可用逻辑表达式表示，如图9-19中第三步的状态可表示为:,选择序列是指在一步后有若干个单序列等待着选择，且一次仅能选择进入其中的一个序列。用逻辑表达式表示第三、第六步的状态分别为：,并行序列是指在某一转移条件下，同时启动若干个序列。并行序列之间的逻辑表达式为：,跳步与循环,某组合机床由动力头、液压滑台及液压夹紧装置组成。,控制要求为： 机床工作时，首先启动液压及主轴电机。机床具有半自动和手动调整两种工作方式，由SA方式选择开关选择。SA接通时为调整方式，SA断开时为半自动方式。 半自动工作方式时，其工作过程为：按下夹紧按钮SB1，待工件夹紧后，压力继电器SP动作，使滑台快进，快进过程中压下液压行程阀后转工进，加工结束压下行程开关SQ2转快退，快退至原位压下SQ1，自动松开工件，一个工作循环结束。其工作循环图如图9-25所示，元件动作表如表9-1所示。 手动调整工作方式时，用四个点动按钮分别单独点动滑台的前进和后退及夹具的夹紧与放松。,（1）绘制功能图 用启动脉冲P激活预备状态后，通过方式选择开关SA建立半自动和手动调整两个选择序列。当选择开关SA断开时，通过它的常闭触点进入半自动工作方式，按下夹紧按钮SB1，系统开始工作，并按夹紧快进工进快退放松的步骤自动顺序进行，当最后工步完成后，自动返回之预备状态，以确保下一次自动工作的启动。当选择开关SA闭合时，通过选择开关的常开接点激活手动调整方式，此方式激活后，按下任意一按钮均可开启相应的调整工步并自锁，直到后续工步开启才能关断，而后续工步的开启条件是调整按钮常闭接点的复位，由此可见，用调整按纽的常开、常闭接点分别作为调整工步启动、停止的转换条件，就可以达到手动调整的目的，而且调整结束后都开启了预备步，保证了后续工步的顺利进行。对应的功能图如图9-26所示。,（2）编制现场信号与PLC输入输出端子分配表,（3）用LPC内部寄存器的状态位表示功能图,（3）用PLC内部寄存器的状态位表示功能图,采用触点及线圈指令编写程序,（4）编写梯形图程序,采用置位/复位指令编写程序,采用移位指令编写程序,采用专用顺序控制继电器指令编写程序,采用跳转指令实现工作方式的选择,本章小结 PLC控制系统的设计是使用PLC的前提，能否充分利用PLC的资源，实现系统的最优配置，是PLC控制系统硬软件设计要解决的关键问题。 1PLC控制系统的设计原则是：最大限度地满足被控对象的控制要求；在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用、维修方便；保证控制系统的安全、可靠；考虑到生产的发展和工艺的改进，应适当留有扩充裕量。 2PLC控制系统的设计步骤主要是：分析生产工艺过程，明确工艺过程对电气控制的要求；确定控制方案；选择可编程控制器机型；硬软件设计；总装调试；编制技术说明书。 3PLC的机型选择主要包括以下内容：机型的选择；输入/输出的选择；内存的估计；响应时间。 4PLC控制系统的硬件设计的主要内容是：PLC输入/输出电路的设计；PLC供电系统的设计；电气柜结构设计；现场布线图设计；器件、导线选择。 5PLC控制系统的软件设计步骤是：绘制系统控制系统流程图；编制程序；程序测试；编写程序设计说明书。梯形图程序设计方法常用的是：经验设计法和功能图设计法。,再见！,
