[工学]第8章 可编程序控制器控制系统设计.ppt

第8章,可编程序控制器控制系统设计,8.1 PLC控制系统设计概述,一、PLC控制系统设计的原则,控制系统就是以实现被控对象的自动化要求为前提，以保证系统安全为准则，以提高生产效率和产品质量为宗旨。因而在PLC控制系统设计中要遵循以下原则：,（1）最大限度地满足被控对象的要求。,（2）尽可能使得控制系统简单、经济、实用、可靠 且维护方便。,（3）保证控制系统、操作人员及其生产设备的安全。,（4）要考虑生产的发展和工艺的更改，对所采用 PLC的容量留出适当的余地。,8.1 PLC控制系统设计概述,二、PLC控制系统设计的内容,PLC控制系统是由PLC、输入/输出元器件和用户程序等构成，其设计的主要内容有： 详细分析被控对象，明确设计任务及要求。 选择输入/输出元器件（按钮、转换开关、行程开关、 传感器/接触器、电磁铁、信号灯等）以及由输出元件 所驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。 根据系统要求确定PLC的型号，以及所需要的各种模块 （开关量I/O模块、模拟量I/O模块、通讯模块等）。 编制PLC的输入/输出分配表，绘制控制系统电气原理图 设计控制系统程序（应用程序）。应用程序是控制系统 的核心，是保证系统正常工作和安全运行的关键，因此 设计过程中应用程序须反复修改调试，直至满足要求。 设计电器控制柜以及操作台。 编写设计说明书和控制系统操作说明书。,8.1 PLC控制系统设计概述,三、PLC控制系统设计的步骤,8.2 PLC控制系统硬件配置,一、PLC机型选择,1. I/O 点数,I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数可以既满足控制系统要求，又降低系统的成本。PLC的I/O点数和种类应根据被控对象的开关量、模拟量等输入输出设备的状况来确定。考虑到以后的调整和发展，可以适当留出备用量（一般20%左右）。,2. 存储器容量的选择,微型和小型PLC的容量是固定的，约12KB。用户程序所占用的内存与很多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。,8.2 PLC控制系统硬件配置,3. CPU 功能和结构选择,PLC通常都具备开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些高档PLC还可以扩展各种特殊模块，如模拟量I/O模块、PID模块、位控模块、高速计数模块等。因此，选型时要注意：,（1）功能和任务相适应,（2）PLC的处理速度必须满足实时控制要求,（3）PLC结构合理,（4）在线编程和离线编程的选择,8.2 PLC控制系统硬件配置,二、开关量I/O选择,1. 开关量输入选择,开关量输入是将外部的各种开关、按钮、传感器的信号传递到PLC内部的连接部件，把现场的信号转换为PLC的CPU可以接收的TTL标准电平的数字信号。开关量输入的原理如图8.2所示。,8.2 PLC控制系统硬件配置,2. 开关量输出选择,（1）继电器输出,负载能力为交流2A/250V,8.2 PLC控制系统硬件配置,（2）晶体管输出,负载能力为直流0.30.5A,8.2 PLC控制系统硬件配置,（3）双向晶闸管输出,负载能力为交流1A,8.2 PLC控制系统硬件配置,三、模拟量I/O选择,1. 模拟量输入模块选择,（1）模拟量值的输入范围,标准电压信号为05V、010V（单极性），2.5+2.5V、5+5V（双极性）； 标准电流信号为020mA、420mA等,（2）模拟量输入模块的参数指标,分辨率、精度、转换时间等参数指标必须 满足现场的要求,（3）抗干扰措施,8.2 PLC控制系统硬件配置,2. 模拟量输出模块选择,模拟量输出模块有电压输出和电流输出两种，电压、电流输出范围分别为010V、 10+10V、020mA、420mA等。一般模拟量输出模块都同时具有这两种输出类型，只是在与负载相连接时接线方式不同。,模拟量输出模块有不同的输出功率，选择时 要根据负载来确定。,模拟量输出模块的参数指标和抗干扰措施 与模拟量输入模块类似,8.2 PLC控制系统硬件配置,四、智能功能I/O模块的选择,智能I/O模块包括高速计数模块（如三菱的FX2N-1HC）、PID过程控制模块（如三菱的FX2N-2LC）、通讯模块（如三菱的FX2N-232IF）、运动控制模块（如三菱的FX2N-1PG）、凸轮控制模块（如三菱的FX2N-1RM-SET）、网络通讯模块（如三菱的FX2N-16CCL-M）等。通常这些模块价格较昂贵，而有些功能采用一般的I/O模块或功能指令也可以实现，只是编程复杂，增加程序设计的工作量，因此选择时要根据实际情况决定。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,一、恒压供水泵站的PLC控制实例,恒压供水的主要目标是保持管网水压恒定，水泵电机的转速随用水量变化而改变。其基本思路是：用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转速以保持管网中的水压不变，用水量小时做出相反的调节。,两种配置方案： 方案一：每台水泵电机配一台变频器，电机与变频器 间不需切换，但购变频器的费用较高； 方案二：数台电机配一台变频器，变频器与电机间可 以切换，供水时，一台水泵电机变频运行， 其余工频运行，以满足不同用水量的需求。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,以下介绍一个以三台泵组成的生活/消防双恒压供水泵站,蓄水池中放置上/下两个液位传感器SH/SL，并将其信号送给PLC，水淹没时为OFF，露出时为ON。其中，水位上限液位传感器SH控制自来水网注水电磁阀YVl动作，只要水位低于水位上限，就自动向蓄水池注水；水位下限液位传感器SL则作为低水位报警信号。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,1. 系统控制要求,（1）生活供水时系统低恒压值运行，消防供水时 系统高恒压值运行； （2）三台泵根据恒压的需要，采取“先开先停” 的原则接入和退出； （3）如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要 切换下一台泵，使系统具有“倒泵功能”， 避免某一台泵工作时间过长； （4）三台泵在启动时都要有软启动功能； （5）要有完善的报警功能。 （6）要有手动控制功能，在应急或检修时使用。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,2. 控制系统的I/O点地址分配,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,3. PLC系统选型,系统共需5个开关量输入、13个开关量输出，以及 1点模拟量输入和1点模拟量输出，故实际应用中可选用 FX2N-32MR PLC一台、2点模拟输入模块FX2N-2AD 一台和2点模拟输出模块FX2N-2DA一台。由于在第6章 中介绍了4点模拟输入模块FX2N-4AD和4点模拟输出模 块FX2N-4DA，该系统选用FX2N-4AD模拟输入模块和 FX2N-4DA模拟输出模块。,PLC整体系统的组成如图8.5所示,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,4. 电气控制系统原理图,（1）主电路图,接触器KM1、KM3、KM5分别控制三台泵的工频运行；,接触器KM2、KM4、KM6分别控制三台泵的变频运行,FR1、FR2、FR3分别为三台泵的过载保护用热继电器,VVVF为通用变频器；QF0为主断路器,QF1、QF2、QF3、QF4分别为变频器和三台泵主电路的断路器,QF5为控制电源断路器；T为隔离变压器；FU为控制电路熔断器,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,（2）控制电路图,ST为手动/自动转换 开关,Y0Y17为PLC输出继电器触点,“1”的位置为手动控制状态； “2”的位置为自动控制状态,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,（3）PLC I/O电路接线图,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,5. 控制系统程序设计,1）实现水压PID调节,本系统PID运算只用了比例和积分控制，其回路增益和时间常数可通过工程计算初步确定，但还需要进一步调整以达到最优控制效果。,2）工作泵组数量的管理,为了恒定水压，在水压升高/降落时要相应减小/增加变频器的输出频率，如果调解值超过了变频器可调解的最大/最小范围，就需要增加/减小工频泵的数量。增泵/减泵控制逻辑可通过比较指令实现。为了判断变频器工作频率达到上限/下限的确实性，在程序中采取时间滤波。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,3）多泵组泵站的泵组管理,变频器泵站规定每一次启动电动机均为软启动，同时要求各台水泵交替使用（连续变频运行不得超过3小时）。因此每次需启动新泵或切换变频泵时，将新运行泵设定为变频泵。即将当前运行的变频泵从变频器上切换掉并接入工频电源运行，同时将变频器复位并用于新运行泵的启动。此外，泵组的工作循环控制也是泵组管理的一个主要问题，可使用泵号加1的方法实现变频泵组的循环控制（当泵号为3再加1后数据寄存器清零），将工频运行泵总台数寄存器与变频工作泵泵号寄存器相结合实现泵组的循环控制。,4）泵站的其他逻辑控制,除了泵组的运行管理工作外，泵站还有许多逻辑控制工作，如泵站的工作状态指示，泵站工作异常的报警，系统的自检等，这些都在PLC的控制程序中设计实现。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,5）程序结构,PLC程序主要包括：参数初始化，模拟输入单元设置，模拟输出单元设置，增泵程序，减泵程序，倒泵程序，泵站工作状态输出，系统报警处理等。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,二、电梯运行的PLC控制实例,电梯拖动系统示意图,电梯的工作原理,控制柜,曳引钢丝绳,轿门,曳引机,限速器,轿厢架,轿厢体,导轨,对重,缓冲器,厅门,召唤箱及指层器,随行电缆,限速器涨紧,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,井道是建筑物中用于安装电梯并提供电梯运行的通道，轿厢及配重都在井道中运行。井道在各楼层都设有门厅及呼梯设备。门厅有门厅门，厅门顶部装有楼层指示灯，用于指示电梯的运行方向及电梯所在的位置。门厅外还设有呼梯盒，用于在每层站召唤电梯，基站与顶站的呼梯盒只有一个按钮，中间层站有上呼与下呼两个按钮，按钮下带有呼梯记忆灯。基站的呼梯盒上还设有钥匙开关，供开关电梯。为了实现轿厢的正常运行及准确停层，井道中安装有许多定位装置及安全设备，井道的顶部和底部还设有冲顶及蹲底的缓冲设备。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,轿厢设有自动门机用来完成电梯的开门及关门任务。电梯门分厅门及轿门，当电梯在某层停层时，此层的厅门在轿门的带动下开启及关闭。电梯的操纵盘安装在轿厢内，设有与电梯层站数相同的内选层按钮（带内选记忆指示灯），上下行启动按钮（带上下行记忆指示灯），开关门按钮，报警按钮，急停按钮，电梯运行状态选择钥匙开关（选择电梯是自动或检修运行）以及风扇、照明、楼层指示灯等。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,电梯安全是电梯最重要的技术指标。电梯的安全设备有：安全窗及其开关、安全钳及其开关、限速器及其开关、限速开关等，安全窗位于轿厢的顶部，供应急情况下疏散乘客。安全钳是为了防止电梯曳引钢绳断裂及超速运行的机械装置，用以在上述情况下将轿厢夹持在轨道上。限速器是检测电梯运行速度的装置，当电梯超速运行时，限速器动作，带动安全钳使电梯停止运行。极限开关、强迫换速开关是电梯位置安全装置，当电梯运行至上下极限位置时仍不停车，上下限开关动作，发出停车信号；若仍不能停车，将压下强迫停车开关，强制电梯停止运行；若还不能停车，将通过机械装置带动极限开关切断曳引电动机电源，以达到停车的目的，避免电梯出现冲顶或蹲底事故。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,1. 系统控制要求,1）电梯位置的确定与显示,轿厢及门厅中设有楼层指示灯，使轿厢中的乘客及门厅中等待乘梯的人了解电梯的位置。为了满足制动停层等控制的需要，电梯运行中还需要更加准确的位置信号。电梯的位置信号一般由设在井道中的位置开关，如磁感应器提供，当轿厢上设置的隔磁板插入感应器时，发出位置信号，并启动楼层指示,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,2）轿厢内的运行命令及门厅的召唤信号,司机及乘客可按下轿厢内操控盘上的选层按钮，选定电梯运行的目标楼层，称为内选信号，按钮按下后，该信号被记忆并点亮相应的指示灯。在门厅等候电梯的乘客可以按门厅的上行/下行召唤信号，称为外唤信号，该信号也被记忆并点亮门厅的上行/下行指示灯。这些信号在要求得到满足时自动消号。,3）电梯自动运行时的信号响应,电梯自动运行时应根据内选及外唤信号，决定电梯的运行方向及在哪些楼层停层。一般情况下，电梯自动登记所有内选信号和外唤信号，上行时顺应答上行召唤，直至最高层自动反向应答下行召唤。在运行方向确定之后，不应答中途的反向召唤要求，直到到达本方向的最远站点才开始返程。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,4）轿厢的启动与运行,轿厢的运行方向确定且轿厢门已关好后启动运行，运行开始加速运行，达到最高转速后稳定运行。,5）轿厢的平层与停车,轿厢运行后需确定在哪一层站停车，平层即指停车时，轿厢的底与门厅“地平面”应相平齐，一般有具体的平层误差规定：如平层时两平面相差不得超过5mm。平层停车过程需在轿厢底面与停车楼面相平之前开始，先减速后制动，以满足平层的准确性及乘客的舒适感。电梯的减速开始信号由平层感应器发出。上平层感应器及下平层感应器都装在轿厢顶部，距离较近，隔磁板安装在井道壁上。上行时，上平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至下平层感应器插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号，电动机停转，抱闸抱死；下行时下平层感应器首先插入隔磁铁板，发出减速信号，电梯开始减速，至上平层感应器插入隔磁铁板时，发出停车及开门信号。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,6）安全保护,电梯的安全保护很多，如前边提到的冲顶与蹲底、断钢丝绳、轿厢内人员的跌落、逃生等保护，还有消防运行等。,2. 运行速度运行曲线,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,3. 控制系统的选型及I/O点地址分配,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,4. 系统程序设计,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,1）轿厢楼层位置的确定与显示环节,当电梯位于某一层时，相应楼层感应器产生该楼层的位置信号，控制7段数码管显示楼层状态；离开该层时，该楼层信号应被新的楼层信号（上一层或下一层）所取代。PLC输出端直接与7段数码管相连，无需外部硬件译码器译码，直接通过PLC软件进行7段译码，驱动数码管显示所在楼层位置。,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,2）内选与外唤信号的登记与消除环节,乘客在轿厢内或厅门外呼梯时，内选与外唤的呼梯信号应被接收和记忆。当电梯到达该楼层且定向方向与目的地方相一致（基站和顶站除外），应满足呼梯要求并同时消除该信号。如图8.14和8.15分别为2层的内选与外唤梯形图，15层的梯形图与其类似，只需将相应的输入、输出和中间继电器地址改变即可。,2层内选信号登记与消除,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,2层外唤信号登记与消除,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,3）停层信号的登记与消除环节,电梯在停车制动之前，应首先确定其停层信号。即根据电梯的运行方向与内选和外唤信号的位置比较后得出确定的停靠楼层。 （下图为2层）,8.3 PLC控制系统设计及现场应用,4）电梯的定向环节,电梯处于待命状态，接收到内选和外唤信号时，应将电梯所处的位置与内选和外唤信号进行比较，确定是上行还是下行。一旦电梯定向后，内选与外唤信号对电梯进行顺向运行的要求没有满足的情况下，定向信号不能消除,8.3 PLC