大学工厂电气与可编程序控制器应用技术-李雪梅-PPT文稿资料课件PPT
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大学工厂电气与可编程序控制器应用技术-李雪梅-PPT文稿资料课件PPT,大学,工厂,电气,程序,控制器,应用技术,李雪梅,ppt,文稿,资料,课件
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第8章PLC控制系统的设计与应用,8.1 PLC应用系统设计 8.2 减少PLC输入和输出点数的方 8.3 PLC控制系统应用实例 8.4 PLC应用中的若干问题,8.1 PLC应用系统设计,8.1.1 PLC应用系统设计的内容和原则 PLC应用系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面。任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象(生产设备或生产过程)的控制要求和工艺需要，从而提高产品质量和生产效率。因此在进行PLC应用系统的设计开发过程中，应遵循以下原则： 1.硬件设计 PLC应用系统硬件设计的主要内容包括PLC机型的选择、输入输出设备的选择、控制柜的设计和控制系统各种技术文件的编写。在进行硬件设计时应注意：在满足生产工艺控制的前提下，尽可能使PLC控制系统结构简单、经济实用、维护方便。,2.软件设计 PLC应用系统软件设计的主要内容就是编写PLC用户程序，即绘制梯形图或编写语句表。其设计的基本原则是： (1)PLC的用户程序要做到网络段结构简明，逻辑关系清晰，注释明了，动作可靠。 (2)程序简短，占用内存少，扫描周期短。这样可以提高PLC对输入的响应速度。 (3)可读性 程序可读性好，不仅可以方便设计者对程序的理解、调试，而且便于他人阅读。要做到这一点，所设计的程序要注意层次结构，尽可能清晰，采用标准化模块设计，并加注释,8.1.2 PLC系统设计调试步骤,设计一个PLC应用系统，关键要解决的第一个问题是进行PLC应用系统的功能设计，即根据受控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件。第二个问题是进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式、控制信号的种类、数量，系统的规模、布局。第三个问题是根据系统分析的结果，具体的确定PLC的机型和系统的具体配置。,PLC控制系统设计可以按如下步骤进行。,1.熟悉被控对象，制定控制方案 在进行系统设计之前，要深入控制现场，熟悉被控对象。 全面详细地了解被控对象的机械工作性能、基本结构特点、生产工艺和生产过程。 在分析被控对象的基础上，根据PLC的技术特点，与继电接触器控制系统、DCS系统、微机控制系统进行比较，优选控制方案。 2.确定IO点数 根据被控对象对PLC控制系统的技术指标和要求，确定用户所需的输人、输出设备，据此确定PLC的IO点数。在估算系统的IO点数和种类时，要全面考虑输入、输出信号的个数，IO信号类型(数字量模拟量)，电流、电压等级，是否有其他特殊控制要求等因素。以上统计的数据是一台PLC完成系统功能所必须满足的，但具体要确定I0点数时则要按实际I0点数再向上附加20-30的备用量。,PLC控制系统设计可以按如下步骤进行。,3.选择PLC机型 选择PLC机型时应考虑厂家、性能结构、I0点数、存储容量、特殊功能等方面。 在选择过程中应注意：CPU功能要强，结构要合理，I0控制规模要适当，输入、输出功能及负载能力要匹配以及对通信、系统响应速度的要求。还要考虑电源的匹配等问题。 输入、输出点数多少是选择PLC规模大小的依据。如果是为了单机自动化或机电一体化产品可选用小型机；若控制系统较大，输入、输出点数较多，控制要求比较复杂，则可选用中型或大型机。 在选择PLC IO点数的同时，还必须考虑用户存储器的存储容量。 4.选择输入输出设备，分配PLC的IO地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮、行程开关、接触器、电磁阀、信号灯等各种输入输出备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号，列出输人输出设备与PLC的IO端子的对照表，以便绘制PLC外部I0接线图和编制程序。,PLC控制系统设计可以按如下步骤进行。,5.设计PLC应用系统电气图纸 PLC应用系统电气线路图主要包括电动机的主电路、PLC外部IO电路图、系统电源供电线路、电气元件清单以及电气控制柜内电器安装位置图、电气安装接线图等工艺设计。 6.程序设计 PLC的程序设计，就是以生产工艺要求和现场信号与PLC编程元件的对照表为依据，根据程序设计思想，绘出程序流程框图，然后以编程指令为基础，画出程序梯形图，编写程序注释。 编程时要注意：(1)认真分析被控对象工艺过程的控制要求，用功能流程图的形式，表示程序设计的思想，为编程做好准备。(2)根据现场信号与PLC外部电路图或PLC软继电器编号对照表以及程序功能流程图进行编程。(3)要严格遵守梯形图、指令语句表的格式规则，编写程序。,PLC控制系统设计可以按如下步骤进行。,7.系统调试 根据电气接线图安装接线，用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行，直至运行正确。 8.建立文档 整理全部电路设计图，程序流程框图，程序清单，元器件参数计算公式、结果，列出元件清单，编写系统的技术说明书及用户使用、维护说明书。,8.2 减少PLC输入和输出点数的方法,8.2.1 减少PLC输入点数的方法 1.分时分组输入 一般控制系统都存在多种工作方式，但各种工作方式又不可能同时运行。所以可将这几种工作方式分别使用的输入信号分成若干组，PLC运行时只会用到其中的一组信号。因此，各组输入可共用PLC的输入点，这样就使所需的PLC输入点数减少。,分时分组输入 如图所示，系统有“自动”和“手动”两种工作方式。将这两种工作方式分别使用的输入信号分成两组：“自动输入信号“S1S8”、 “手动”输入信号“Q1Q8”两组输入信号共用PLC输入点I00I07(如S1与Q1共用PLC输入点I00)。用“工作方式”选择开关SA来切换“自动”和“手动”信号输入电路，并通过I10让PLC识别是“自动”信号，还是“手动”信号，从而执行自动程序或手动程序。图2 输入触点的合并 图中的二极管是为了防止出现寄生电路，产生错误输入信号而设置的。假设图中没有这些二极管，当系统处于“自动”状态，若Ql、Q2、S1闭合，S2断开，这时电流从L+端子流出，经Sl、Q1、Q2形成寄生回路流人I01端子，使输入继电器I01错误地接通。因此，必须串入二极管切断寄生回路，避免错误输入信号的产生。,2.输入触点的合并 如果某些外部输入信号总是以某种“与或非”组合的整体形式出现在梯形图中，可以将它们对应的触点在可编程序控制器外部串、并联后作为一个整体输入可编程序控制器，只占可编程序控制器的一个输入点。 3.将信号设置在可编程序控制器之外 系统的某些输入信号，如手动操作按钮、保护动作后需手动复位的电动机热继电器FR的常闭触点提供的信号，可以设置在可编程序控制器外部的硬件电路中。某些手动按钮需要串接一些安全联锁触点，如果外部硬件联锁电路过于复杂，则应考虑仍将有关信号送人可编程序控制器，用梯形图实现联锁。,8.2.3 减少PLC输出点数的方法,1.矩阵输出 图中采用8个输出组成4x4矩阵，可接16个输出设备。要使某个负载接通工作，只要控制它所在的行与列对应的输出继电器接通即可。要使负载KMl得电，必须控制QO0和QO4输出接通。因此，在程序中要使某一负载工作均要使其对应的行与列输出继电器都要接通。这样用8个输出点就可控制16个不同控制要求的负载。 应该特别注意：当只有某一行对应的输出继电器接通，各列对应的输出继电器才可任意接通； 或者当只有某一列对应的输出继电器接通，各行对应的输出继电器才可任意接通的。否则将会出现错误接通负载。因此，采用矩阵输出时，必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中，否则无法控制。,2.分组输出 当两组负载不会同时工作，可通过外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换，这样PLC的每个输出点可以控制两个不同时工作的负载，如图所示。 KMl、KM3、KM5，KM2、KM4、KM6这两个组不会同时接通，可用外部转换开关SA进行切换。,3.并联输出 当两个通断状态完全相同的负载，可并联后共用PLC的一个输出点。但要注意PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑PLC点的驱动能力是否足够。 4.负载多功能化 一个负载实现多种用途。例如在传统的继电器电路中，一个指示灯只指示一种状态。而在PLC系统中，利用PLC编程功能，很容易实现用一个输出点控制指示灯的常亮和闪烁，这样一个指示灯就可表示两种不同的信息，从而节省了输出点数。 5.某些输出设备可不用PLC控制 系统中某些相对独立、比较简单的部分可考虑直接用继电器电路控制。,8.3 PLC控制系统应用实例,8.3.1 PLC在控制驱动进给装置中的应用 8.3.2 可编程控制器在电镀生产线上的应用,8.3.1 PLC在控制驱动进给装置中的应用,1.工艺要求 一由交流电机驱动的往复运行进给装置，由PLC控制，其工艺要求如下。分自动运行和手动操作两种情况。当自动运行时，选择开关打在自动档，按下运行键，电机运转使进给装置自动右行，碰右限位SQl后，再延时3s，掉头返回左行。碰左限位SQ2后，再延时5s，掉头右行，自动循环，直到按下“停止”按钮后停止。手动时，有两个按钮，分别负责点动左行、点动右行。即按钮按下电机运行，手放掉即停止。 自动或手动状态时另有指示灯显示，且要求手动和自动互锁。,2.设计主电路原理图 FU：熔断器，一般为防止过载电流、短路电流用，其容量可取比额定电流大一些。 QS：隔离开关或闸刀开关。 QF：自动空气开关，也称低压断路器，过流或短路时自动跳闸，容量选择应小于FU。 lKM：正转用交流接触器。 2KM：反转用交流接触器。 M：这里的主控对象是交流电动机。 FR：热继电器，以检测电机是否过热。 一个电机要正反转，必须有两个接触器分别控制，在这个简单的系统中，只有电机的正反转受PLC的控制，故1KM、2KM由PLC输出点驱动。热继电器作为检测电机是否过热的电器，用来保护电机不致烧坏，作为PLC的一个输入点。图中的各种其他电器均按M的功率大小选取。,3设计PLC输入输出原理图 我们先列出所有PLC输入点、输出点。注意，驱动1KM、2KM的PLC输出点一般用继电器隔离。但如果1KM、2KM功率较小，其线圈工作电流小于lA，则PLC输出(继电器方式)触点可直接驱动1KM、2KM，如图所示。 注意，输入点采取直流输入方式，使用PLC内部24V电源。一般24V正端接输入公共端，24V负端接直流输入COM端。但各生产厂家以及不同型号的PLC不尽相同，读者要看该PLC的内部接线原理图，才能确定。 输出点采用相同电源的输出，如1KM、2KM的线圈，均采用AC220V电源，可合用一个COM端。另外，如该系统所用交流接触器均为小功率的，可直接由PLC输出点驱动。Ll、L2为显示灯，用6V直流电源。,4梯形图的设计 梯形图的编制，一般以一个输出编一个子梯形图。每个输出点只能输出一次(在步进指令中除外)，因此，使用过的输出点不能重复使用。复杂的大系统中所使用过的中间继电器、定时器、计数器等必须列出清单，以防止今后修改程序时，因重复使用而出现故障。 (1)Y31：电机正转右行，1KM工作，其梯形图如图8-9所示。 电机正转（Y31为1）分两方面内容：自动状态和手动状态。 SA1是自动/手动选择开关，输入点为PLC的X7。当X71时，选择自动状态，X70时，为手动状态。在梯形图中分别代表自动、手动两条不同的支路。 自动时，按开始健X11运行，且由Y31自保，第二次及以后的循环时，则由左限位经T50延时5s后再输出信号，代替Xll，因此并联在Xl的位置下。手动时，只要按下按钮SB3，即X31，则电机右行，手放，即停。图 电机正转（右行）梯形图 不管是手动还是自动状态时，以下三种情况电机都将停转，所以他们串联在Y31之前。 其一，当电机过热时，热继电器FR动作，X8l，使Y3l0，电机停转。其二，当电机右行碰右限位SQl时，X51，电机停转。其三，电机可逆运行时，正反接触器必须互锁，所以Y32l时，Y31必须为零。,(2)Y32：电机反转左行，2KM工作，其梯形图如图所示 电机反转左行梯形图同右行类似，也分为自动、手动两条支路，最终汇合。热继电器动作、正反转的互锁、碰左限位等这些动作均要求绝对停车。要单独左行时，可选择手动，再用点动方式左行。当自动状态时，则由右限位得电后延时3s再左行。,(3)Y33、Y34：分别代表自动灯显示Ll、手动灯显示L2,梯形图如图 . Ll灯亮表示选择自动运行，L2灯亮表示选择手动工作，它们的输出仅与选择开关X7的取向有关。 (4)最后是将以上梯形图译成语句，通过编程器输入PLC中。,8.3.2 可编程控制器在电镀生产线上的应用,1.电镀工艺要求 2.控制流程,1电镀工艺要求,电镀生产线有三个槽，工件由可升降吊钩的行车移动，经过电镀、镀液回收、清洗工序，实现对工件的电镀。工艺要求是：工件放人电镀槽中，电镀280s后提起，停放28s，让镀液从工件上流回电镀槽，然后放入回收液槽中浸30s，提起后停15s，再放人清水槽中清洗30s，最后提起停15s后，行车返回原位，电镀一个工件的全过程结束。,2.控制流程,电镀生产线除装卸工件外，要求整个生产过程能自动进行。同时行车和吊钩的正反向运行均能实现点动控制，以便对设备进行调整和检修。 行车自动运行的控制过程是：行车在原位，吊钩下降在最下方时，行车左限位开关SQ4、吊钩下限开关SQ6被压下动作，操作人员将电镀工件放在挂具上，即准备开始进行电镀。电镀生产线的自动工作状态流程图如图所示。 (1)吊钩上升 (2)行车前进 (3)吊钩下降 (4)定时电镀 (5)吊钩上升 (6)定时滴液 (7)行车后退,3.PLC的选型,根据上图的自动工作状态流程图，PLC控制系统的输入信号有14个，均为开关量。其中各种单操作按钮开关6个，行程开关6个，自动、手动选择开关2个(占两个输入接点)。 PLC控制系统的输出信号有5个，其中2个用于驱动吊钩电机正反转接触器KMl、KM2，2个用于驱动行车电机正反转接触器KM3、KM4，1个用于原位指示。控制系统选用FX2N-32MR-00l，I/O点数各为16点，可以满足控制要求，且留有一定裕量。,4.I/O地址编号及接线图,将14个输入信号、5个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O点一一对应，编排地址。表8-3是外部I/O信号与PLC的I/O接点地址编号对照表。 可绘出I/O接线图 如下图示，,5.程序设计,电镀生产线的PLC控制程序包括点动操作和自动操作两部分。 （1）点动操作 点动操作有行车的进、退操作，吊钩的升、降操作。点动操作程序如图所示梯形图的起始处至标号PO之间的程序段,（2）自动控制 图示其工作过程是典型的顺序控制，主要由单序列构成，一般采用移位指令来实现顺序控制较为方便。另外，考虑到生产中急停或停电后，希望能通过点动操作来完成剩下的工序或者返回原位，因此辅助继电器采用非停电保持型的通用继电器即可。定时器也采用普通型定时器。自动控制程序如图所示梯形图中条件跳转指令CJ P1P1程序段。,8.4 PLC应用中的若干问题,8.4.1 PLC的工作环境 1.温度 PLC要求环境温度在055。安装时不能把发热量大的元件放在PLC下面。 PLC四周通风散热的空间应足够大。开关柜上、下部应有通风的百叶窗。 2.湿度 为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度一般应小于85%(无疑露)。 3.振动 应使PLC远离强烈的振动源。可以用减振橡胶来减轻柜内和柜外产生的振 动的影响。 4.空气 如果空气中有较浓的粉尘、腐蚀性气体和盐雾，在温度允许时可以将PLC封闭，或者将PLC安装在密闭性较好的控制室内，并安装空气 净化装置。,8.4.2 对电源的处理 电源是干扰进入可编程序控制器的主要途径之一，电源干扰主要是通过供电线路的阻抗 耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。 在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在可编程序控制器的交流电源输入端加接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，如图所示。隔离变压器可以抑制从电源线窜入的外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠接地。,在电力系统中，使用220V的直流电源(蓄电池)给PLC供电，可以显著地减少来自交流电源的干扰，在交流电源消失时，也能保证PLC的正常工作；动力部分、控制部分、PLC、IO电源应分别配线，隔离变压器与PLC和与I0电源之间应采用双绞线连接；外部输入电路用的外接直流电源最好采用稳压电源，那种仅将交流电压整流滤波的电源含有较强的纹波，可能使PLC接收到错误的信息。,PLC的供电系统一般采用下列几种方案。,1.使用隔离变压器的供电系统 图所示为使用隔离变压器的供电系统图，控制器和IO系统分别由各自的隔离变压器供电，并与主电路电源分开。这样当某一部分电源出了故障时，而不会影响其它部分，如输入、输出供电中断时控制器仍能继续供电，提高了供电的可靠性。,2.使用UPS供电系统 间断电源UPS是电子计算机的有效保护装置，当输入交流电失电时，UPS能自动切换到输出状态继续向控制器供电。 3.双路供电系统 为了提高供电系统的可靠性，交流供电最好采用双路，其电源应分别来自两个不同的变电站。当一路电路出现故障时，能自动切换到另一路供电。,8.4.4 安装与布线的注意事项,数字量信号一般对信号电缆无严格的要求，可选用一般电缆，信号传输距离较远时，可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线(如脉冲传感器、计数码盘等提供的信号)应选择屏蔽电缆。通信电缆对可靠性的要求高，有的通信电缆的信号频率很高(如大于等于10MHz)，一般应选用专用电缆(如光纤电缆)，在要求不高或信号频率较低时，也可以选用带屏蔽的多芯电缆或双绞线电缆。图8-24 感性输入/输出的处理 PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、变频器、高频焊机和大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内，在柜内PLC应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件，如继电器、接触器的线圈，应并联RC消弧电路。 信号线与功率线应分开走线，电力电缆应单独走线，不同类型的线应分别装入不同的电缆管或电缆槽中，并使其有尽可能大的空间距离，信号线应尽量靠近地线或接地的金属导体。,8.4.4 安装与布线的注意事项,当数字量输入、输出线不能与动力线分开布线时，可用继电器来隔离输入输出线上的干扰。当信号线距离超过300m时，应采用中间继电器来转接信号，或使用PLC的远程I0模块。 IO线与电源线应分开走线，并保持一定的距离。如不得已要在同一线槽中布线，应使用屏蔽电缆。交流线与直流线应分别使用不同的电缆；如IO线的长度超过300m时，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量、模拟量I0线应分开敷设，后者应采用屏蔽线。如果模拟量输入输出信号距离PLC较远，应采用420mA或010mA的电流传输方式，而不是易受干扰的电压传输方式 传送模拟信号的屏蔽线，其屏蔽层应一端接地，为了泄放高频干扰，数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线，其电阻应小于屏蔽层电阻的110，并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线，或只考虑抑制低频干扰时，也可以一端接地。 不同的信号线最好不用同一个插接件转接，如必须用同一个插接件，要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰 。,8.4.5 PLC的接地,良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件，PLC一般应最好单独接地，与其它设备分别采用各自独立的接地装置（见图a）。如果实在做不到，也可以采用公共接地方式，可与其它弱电设备共用一个接地装置（如图b）。但是，禁止使用串联接地的方式（见图c），或者把接地端子接到一个建筑物的大型金属框架上，因为这种接地方式会在各设备间产生电位差，可能会对PLC产生不利影响。PLC接地导线的截面应大于2mm2，接地电阻应小于100。,8.4.6 冗余系统与热备用系统,在冗余控制系统中，整个PLC控制系统(或系统中最重要的部分，如CPU模块)由两套完全相同的“双胞胎”组成。是否使用备用的IO系统取决于系统对可靠性的要求。两块CPU模块使用相同的用户程序并行工作。其中一块是主CPU，另一块是备用CPU。后者的输出是被禁止的。当主CPU失效时，马上投入备用CPU。这一切换过程是用所谓冗余处理单元RPU(Redundant Processing Unit)控制的(见图a)。IO系统的切换也是用RPU完成的。在系统正常运行时，由主CPU控制系统的工作，备用CPU的IO映象表和寄存器通过RPU被主CPU同步地刷新。接到主CPU的故障信息后，RPU在13个扫描周期内将控制功能切换到备用CPU。,另一类系统没有冗余处理单元RPU。两台CPU用通信接口连在一起(见图b)。当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU。这一切换过程一般不是太快。这种结构较简单的系统叫做热备用系统。,8.4.7输入输出端口的保护,PLC自带的输入口电源一般为直流24V，技术手册提供的输入口可承受的浪涌电压一 般为35V0.5s，这是直流输入的情况。交流输入时输入额定电压一般为数十伏，因而当输入口接有电感类器件，有可能感应生成大于输入口可承受的电压，或输入口有可能窜入高于输入口能承受的电压时，应当考虑输入口
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