第九章 PLC控制系统综合设计.ppt

第八章PLC应用设计举例 8 1PLC的应用设计方法8 2应用实例 1系统设计的原则与内容设计原则 1 最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求 2 在满足控制要求的前提下 力求简单 经济 操作方便 3 保证控制系统工作安全可靠 4 考虑到今后的发展改进 应适当留有进一步扩展的余地 设计内容 1 拟定控制系统设计的技术条件 它是整个设计的依据 2 选择电气传动形式和电动机 电磁阀等执行机构 3 选定PLC的型号 4 编制PLC的输入 输出分配表或绘制输入 输出端子接线图 5 根据系统要求编写软件说明书 然后再进行程序设计 6 重视人机界面的设计 增强人与机器之间的友善关系 7 设计操作台 电气柜及非标准电器元部件 8 编写设计说明书和使用说明书 2系统设计和调试的主要步骤 1 深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求2 确定I O设备 常用的输入设备有按钮 选择开关 行程开关 传感器等 常用的输出设备有继电器 接触器 指示灯 电磁阀等 3 选择合适的PLC类型 根据已确定的用户I O设备 统计所需的输入信号和输出信号的点数 选择合适的PLC类型 4 分配I O点 编制出输入 输出端子的接线图 5 设计应用系统梯形图程序 这一步是整个应用系统设计最核心的工作 6 将程序输入PLC 当使用计算机上编程时 可将程序下载到PLC中 7 进行软件测试 在将PLC连接到现场设备上之前 必须进行软件测试 以排除程序中的错误 8 应用系统整体调试 在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后 就可以进行整个系统的联机调试 调试中发现的问题要逐一排除 直至调试成功 9 编制技术文件 系统技术文件包括功能说明书 电气原理图 电器布置图 电气元件明细表 PLC梯形图等 3PLC选型在满足控制要求的前提下 选型时应选择最佳的性能价格比 具体应考虑以下几点 1 性能与任务相适应2 PLC的处理速度应满足实时控制的要求3 PLC应用系统结构合理 机型系列应统一4 在线编程和离线编程的选择 4 PLC容量估算PLC容量包括两个方面 一是I O的点数 二是用户存储器的容量 1 I O点数的估算根据功能说明书 可统计出PLC系统的开关量I O点数及模拟量I O通道数 以及开关量和模拟量的信号类型 应在统计后得出I O总点数的基础上 增加10 15 的裕量 选定的PLC机型的I O能力极限值必须大于I O点数估算值 并应尽量避免使PLC能力接近饱和 一般应留有30 左右的裕量 2 存储器容量估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关 如I O点数 控制要求 运算处理量 程序结构等 因此在程序设计之前只能粗略的估算 根据经验 每个I O点及有关功能器件占用的内存大致如下 所需存储器容量 KB 1 1 25 DI 10 DO 8 AI O 100 CP 300 1024其中 DI为数字量输入总点数 DO为数字量输出总点数 AI AO为模拟量I O通道总数 CP为通信接口总数 5 I O模块的选择1 开关量输入模块的选择PLC的输入模块用来检测来自现场 如按钮 行程开关 温控开关 压力开关等 电平信号 并将其转换为PLC内部的低电平信号 开关量输入模块按输入点数分 常用的有8点 12点 16点 32点等 按工作电压分 常用的有直流5V 12V 24V 交流110V 220V等 按外部接线方式又可分为汇点输入 分隔输入等 2 开关量输出模块的选择输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号 驱动外部负载 输出模块有三种输出方式 继电器输出 双向可控硅输出和晶体管输出 输出方式的选择继电器输出价格便宜 使用电压范围广 导通压降小 承受瞬间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产生较高的反压 必须采取抑制措施 输出电流的选择模块的输出电流必须大于负载电流的额定值 如果负载电流较大 输出模块不能直接驱动 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 故要留有足够的裕量 允许同时接通的输出点数在选用输出模块时 还要看整个输出模块的满负荷能力 如OMRON公司的CQM1 OC222是16点输出模块 每个点允许通过电流2A AC250V DC24V 但整个模块允许通过的最大电流仅8A 6分配输入 输出点一般输入点与输入信号 输出点与输出控制是一一对应的 在个别情况下 也有两个信号用一个输入点的 那样就应在接入输入点前 按逻辑关系接好线 如两个触点先串联或并联 然后再接到输入点 1 明确I O通道范围不同型号的PLC 其输入 输出通道的范围是不一样的 应根据所选PLC型号 弄清相应的I O点地址的分配 2 内部辅助继电器内部辅助继电器不对外输出 不能直接连接外部器件 而是在控制其他继电器 定时器 计数器时作数据存储或数据处理用 根据程序设计的需要 应合理安排PLC的内部辅助继电器 在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途 避免重复使用 3 分配定时器 计数器对用到定时器和计数器的控制系统 注意定时器和计数器的编号不能相同 若扫描时间较长 则要使用高速定时器以保证计时准确 5安全回路设计安全回路起保护人身安全和设备安全的作用 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 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 1 确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系 2 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 3 为PLC定义故障形式和重新启动特性 8PLC应用软件设计的内容PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作 它要求设计人员既要有PLC 计算机程序设计的基础 又要有自动控制的技术 还要有一定的现场实践经验 一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容 1 PLC软件功能的分析与设计 2 I O信号及数据结构分析与设计 3 程序结构分析与设计 4 软件设计规格说明书编制 5 用编程语言 PLC指令进行程序设计 6 软件测试 7 程序使用说明书编制 9PLC应用系统的软件设计步骤根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求 在软件规格说明书的基础上 编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统的软件设计 1 制定设备运行方案制定方案就是根据生产工艺的要求 分析各输入 输出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 并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序 据此便可画出流程图 2 画控制流程图对于较复杂的应用系统 需要绘制系统控制流程图 用以清楚地表明动作的顺序和条件 对于简单的控制系统 可省去这一步 3 制定系统的抗干扰措施根据现场工作环境 干扰源的性质等因素 综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施 如硬件上的电源隔离 信号滤波 软件上的平均值滤波等 4 编写程序根据被控对象的输入 输出信号及所选定的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 再按照软件规格说明书 技术要求 编制依据 测试 用梯形图进行编程 5 软件测试刚编写好的程序难免有缺陷或错误 为了及时发现和消除程序中的错误和缺陷 需要对程序进行离线测试 经调试 排错 修改及模拟运行后 才能正式投入运行 6 编制程序使用说明书当一项软件工程完成后 为了便于用户和现场调试人员的使用 应对所编制的程序进行说明 说明书应包括程序设计的依据 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 注意事项等 8 2应用实例 1 异步电动机Y 起动控制 任务描述Y 起动是交流鼠笼型电动机的降压起动方式之一 这种降压起动方式适用于正常运转时为 接的交流鼠笼型电动机 在起动过程中将电机定子绕组接成Y形起动 起动电流是直接起动的三分之一 达到规定的速度后 或者经过一定的时间 再将电动机的定子绕组切换成 形运行 Y 起动控制的原理图和时序图如图11 2所示 方案选择及地址分配1 方案选择由于系统的输入 输出点较少 3I 3O 且控制任务比较简单 所以选用S7 200的CPU222 8I 6O 完成控制 而且控制任务中只涉及到延时控制 采用S7 200的基本指令即可完成控制 2 编程元件的地址分配 输入 输出地址分配采用CPU222控制的电动机Y 起动的输入 输出接线如图11 3所示 其输入 输出地址分配如表11 1所示 图11 3电动机Y 起动的输入 输出接线 表11 1输入 输出继电器地址分配 3交通路口信号灯控制 控制要求在十字路口南北方向以及东西方向均设有红 黄 绿三只信号灯 六只信号灯依一定的时序循环往复工作 信号灯受电源总开关控制 接通电源 信号灯系统开始工作 关闭电源 所有的信号灯都熄灭 当程序运行出错 东西与南北方向的绿灯同时点亮时 程序自动关闭 在晚上车辆稀少时 要求交通灯处于下班状态 即两个方向的黄灯一直闪烁 在信号灯工作期间 东西以及南北方向的红灯为长亮 时间为30s 在红灯亮时的最后2s 东西以及南北方向的黄灯同时点亮 时间为2s 东西以及南北方向的绿灯为长亮25s 然后闪烁3s 红绿灯示意图如图11 8所示 具体要求如表11 6所示 图11 8十字路口交通信号灯示意图 表11 6交通灯控制具体要求 采用S7 200 一 系统配置根据信号控制要求 如果采用S7 200控制 可选用CPU222 其I O接线及其分配如图11 9所示 图中用一个输出点驱动两个信号灯 如果PLC输出电流不够 可以用一个输出点驱动一个信号灯 也可以在PLC输出端增设中间继电器 由中间继电器再去驱动信号灯 二 程序设计1 用基本逻辑指令编程十字路口交通信号灯控制的时序图如图11 10所示 用基本逻辑设计的信号灯控制梯形图如图所示 2 用步进指令编程以为十字路口交通信号灯分为上班状态和下班状态 即存在选择结构 东西和南北方向同时显示 即存在并行结构 其信号系统的状态转移图如图11 所示 4 机械手工件取放控制 一 工艺过程与控制要求1 工艺过程图11 15是这种机械手的动作示意 其过程并不复杂 一共6个动作 分三组 即上升 下降 左移 右移和放松 夹紧 控制要求机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式 自动操作方式又分为单周期和连续操作方式 手动操作 就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制 例如 当选择上 下运动时 按下启动按钮 机械手下降 按下停止按钮 机械手上升 当选择左 右运动时 按下启动按钮 机械手右移 按下停止按钮 机械手左移 当选择夹紧 放松运动时 按下启动按钮 机械手夹紧 按下停止按钮 机械手放松 单周期操作 机械手从原点开始 按一下启动按钮 机械手自动完成一个周期的动作后停止 连续操作 机械手从原点开始 按一下启动按钮 机械手的动作将自动地 连续不断地周期性循环 在工作中若按一下停止按钮 机械手将继续完成一个周期的动作后 回到原点自动停止 一 操作面板布置操作面板布置如图11 17所示 图11 17机械手操作面板布置图 图中用 单操作 表示手动操作方式 按照加载选择开关所选择的位置 用启动 停止按钮选择加载操作 例如 当加载选择开关打到 左 右 位置时 按下启动按钮 机械手左行 按下停止按钮 机械手右行 用上述方法 可使机械手停在原点 单周期操作方式 机械手在原点时 按下启动按钮 自动操作一个周期 连续操作方式 机械手在原点时 按下启动按钮 自动 连续地执行周期性循环 当按下停止按钮 机械手完成当前周期动作后自动回到原点停车 一 采用S7 200控制1 输入 输出端子地址分配该机械手控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7 200CPU224 图11 18是S7 200CPU224输入 输出端子地址分配图 该机械手控制系统共使用了13个输入点 6个输出点 图11 18机械手I O端子接线 1 整体程序结构机械手的整体程序结构如图11 19所示 图11 19机械手控制系统S7 200整体程序结构 图11 20单操作梯形图 图11 21自动操作功能图 图11 22自动操作梯形图 采用S7 300控制1 硬件配置在机械手操作面板 图11 17 上共有8个输入点 外加机械手装置上的4个限位 上 下 左 右 和1个工件检测 整个机械手控制系统一共需要13个输入点 输出点较少 共6个 不需要模拟量模块 选择S7 300系列的CPU313 加上一块16点的输入模块SM321和一块8点的输出模块SM322就可满足控制要求 2 I O地址分配将SM321安装在4号槽 SM322安装在5号槽 将系统的I O分别连接到S7 300PLC的输入 输出模