第8章 可编程序控制器系统设计与应用.ppt

主编 陈建明副主编 巫付专朱晓东熊军华 电气控制与PLC应用 第八章 第8章可编程序控制器系统设计与应用 了解可编程序控制器系统设计的一般原则与步骤熟悉可编程序控制器系统设计的硬件配置及软件设计掌握软 硬件设计的基本环节及设计技巧 学习目标 教学内容 8 1PLC控制系统设计8 2PLC控制系统硬件配置8 3PLC控制系统软件设计8 4PLC应用程序的典型环节及设计技巧8 5PLC在工业控制中的应用8 6提高PLC控制系统可靠性的措施 第8章可编程序控制器系统设计与应用 8 1PLC控制系统设计 返回 编程控制系统设计时应遵循以下原则 8 1 1PLC控制系统设计的基本原则 最大限度的满足被控对象的要求 在满足控制要求的前提下 力求使控制系统简单 经济 适用及维护方便 保证系统的安全可靠 考虑生产发展和工艺改进的要求 在选型时应留有适当的余量 8 1 2PLC控制系统设计的内容 PLC控制系统设计的主要内容有 分析控制对象 明确设计任务和要求 选定PLC的型号 对控制系统的硬件进行配置 保证系统的安全可靠 选择所需的输入 输出模块 编制PLC的输入 输出分配表和输入 输出端子接线图 根据系统设计要求编写程序规格要求说明书 再用相应的编程语言进行程序设计 设计操作台 电气柜 选择所需的电器元件 编写设计说明书和操作使用说明书 8 1 3PLC控制系统设计的一般步骤 PLC的结构和工作方式与一般微机和继电器相比各有特点 其具体设计步骤如下 详细了解被控对象的生产工艺过程 分析控制要求 根据控制要求确定所需的用户输入 输出设备 选择PLC类型 分配PLC的I O点 设计I O连接图 PLC软件设计 同时可进行控制台的设计和现场施工 系统调试 固化程序 交付使用 8 2PLC控制系统硬件配置 硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计 电气线路的设计和抗干扰措施的设计等内容 随着PLC功能的不断提高和完善 PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务 但PLC还是有它最适合的应用场合 所以在接到一个控制任务后 要分析被控对象的控制过程和要求 看看用什么控制装备 PLC 单片机 DCS或IPC 来完成该任务最合适 返回 8 2 1PLC的选型 当确定由PLC来完成控制后 设计者接下来要解决两个主要问题 PLC容量的选择 首先要对控制任务进行详细的分析 把所有的I O点找出来 包括开关量I O和模拟量I O以及这些I O点的性质 PLC机型的选择 由于生产PLC的厂家众多 实现的功能虽基本相同 但性能 价格和编程语言却有较大差别 一般应从功能方面 价格方面和售后服务等几个方面考虑 8 2 2I O地址分配 输入 输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础 对软件设计来说 I O地址分配以后才可进行编程 对控制柜及PLC的外围接线来说 只有I O地址确定以后 才可以绘制电气接线图 装配图 让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜 在进行I O地址分配时最好把I O点的名称 代码和地址以表格的形式列写出来 8 2 3响应时间 对于过程控制 扫描周期和响应时间必须认真考虑 PLC顺序扫描的工作方式 使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号 选定PLC及其扩展模块 如需要的话 和分配完I O地址后 硬件设计的主要内容就是完成电气控制系统原理图的设计 电气控制元器件的选择和控制柜的设计 8 3PLC控制系统软件设计 在一些典型的控制环节和电路的基础上 根据被控制对象对控制系统的具体要求 凭经验进行选择 组合 有时为了得到一个满意的设计结果 需要进行多次反复地调试和修改 增加一些辅助触点和中间编程元件 经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计是比较奏效的 可以收到快速 简单的效果 但是 由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计 所以对设计人员的要求也比较高 特别是要求设计者有一定的实践经验 8 3 1经验设计法 返回 8 3 2逻辑设计法 工业电气控制线路中 有不少都是通过继电器等电器元件来实现 因此 用 0 和 1 两种取值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的 用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下 列出执行元件动作节拍表 绘制电气控制系统的状态转移图 进行系统的逻辑设计 编写程序 对程序检测 修改和完善 8 3 3顺序功能图法 顺序功能图法是首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图 然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序 在顺序功能图中 实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始 步之间没有重叠 顺序控制继电器 SCR 指令是基于顺序功能图 SFC 的编程方式 专门用于编制顺序控制程序 使用它必须依据顺序功能图进行编程 8 4PLC应用程序的典型环节及设计技巧 复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节有机地组合而成的 因此 掌握这些基本环节尤为重要 它有助于程序设计水平的提高 几个常用的典型环节 8 4 1应用程序的典型环节 电动机的起动与停止控制程序 具有点动功能电动机起动 停止控制程序 电动机的正 反转控制程序 返回 几个常用的典型环节 8 4 1应用程序的典型环节 通电禁止输出程序 闪烁电路 报警电路 高精度时钟程序 脉冲宽度可控制电路 分频电路 8 4 2PLC控制程序设计技巧 在工艺要求改变后 常常要改变程序 有时会出现I O点数不够又不想增加PLC扩展单元 此时可采用一些方法来减少输入点和输出点 减少输入点的方法 用二极管隔离的分组输入法 触点合并式输入方法 单按钮起 停控制程序 减少输出点的方法 对于两个通断状态完全相同的负载 可将它们并联后共用一个PLC的输出点 8 5PLC在工业控制中的应用 现有四台电动机M1 M2 M3 M4 要求四台电动机顺序启动和顺序停车 顺序启动的时间间隔为30s 顺序停车的时间间隔为10s 可选用S7 200 CPU224 进行控制 对电动机顺序启 停控制有很多种方法 可根据编程习惯选择 本题给出两种方法 8 5 1四台电动机的顺序启 停控制 利用顺序控制继电器指令设计程序 利用移位寄存器指令设计程序 返回 现有四台电动机M1 M2 M3 M4 要求四台电动机顺序启动和顺序停车 启 停的顺序均为M1 M2 M3 M4 顺序启动时的时间间隔为30s 顺序停车的时间间隔为10s 输入输出分配表如表8 5所示 PLC的I O接线图如图8 23所示 四台电动机顺序启 停利用顺序控制继电器设计梯形图 如图8 24所示 1 利用顺序控制继电器指令设计程序 1 利用顺序控制继电器指令设计程序 表8 5输入输出分配表 1 利用顺序控制继电器指令设计程序 图8 23四台电机顺序启 停I O接线图 四台电动机启动的顺序为M1 M2 M3 M4 停止的顺序为M4 M3 M2 M1 顺序启动时的时间间隔为30s 顺序停止的时间间隔为10s 输入输出分配表如表8 5所示 PLC的I O接线图如图8 23所示 四台电动机顺序启 停利用移位寄存器指令设计梯形图 如图8 25所示 2 利用移位寄存器指令设计程序 8 5 2电动机星形 三角形减压起动控制 现选用S7 200 CPU222 进行电动机星形 三角形减压起动控制 输入输出分配表如表8 6所示 控制接线图如图8 26所示 梯形图如图8 27所示 图8 26中 电动机由接触器KM1 KM2 KM3控制 其中KM3将电动机定子绕组连接成星形 KM2将电动机定子绕组连接成三角形 KM2与KM3不能同时吸合 否则将产生电源短路 在程序设计过程中 应充分考虑由星形向三角形切换的时间 即由KM3完全断开 包括灭弧时间 到KM2接通这段时间应锁定住 以防电源短路 返回 8 5 2电动机星形 三角形减压起动控制 表8 6输入输出分配表 8 5 2电动机星形 三角形减压起动控制 电动机星形 三角形减压起动控制I O接线图 8 5 3节日彩灯的PLC控制 用PLC实现对节日彩灯的控制 结构简单 变幻形式多样 价格低 彩灯形式及变幻尽管花样繁多 但其负载不外乎三种 长通类负载 变幻类负载及流水类负载 本例所选彩灯变幻花样为逐次闪烁方式 程序开始时 灯1 Q0 0 灯2 Q0 1 亮 一次循环扫描且定时时间到后 灯1 Q0 0 灭 灯2 Q0 1 亮 灯3 Q0 2 亮 再次循环扫描且定时时间到后 灯2 Q0 1 灭 灯3 Q0 2 亮 灯4 Q0 3 亮 其动作时序表如下表8 7所示 梯形图如图8 28所示 返回 8 5 4十字路口交通信号灯的PLC控制 控制要求 接通启动按钮后 信号灯开始工作 南北向红灯 东西向绿灯同时亮 东西向绿灯亮30s后 闪烁3次 每次0 5s 接着东西向黄灯亮 2s后东西向红灯亮 35s后东西向绿灯又亮 如此不断循环 直至停止工作 南北向红灯亮35s后 南北向绿灯亮 30s后南北向绿灯闪烁3次 每次0 5s 接着南北向黄灯亮 2s后南北向红灯又亮 如此不断循环 直至停止工作 返回 8 5 4十字路口交通信号灯的PLC控制 交通信号灯设置示意图 8 5 4十字路口交通信号灯的PLC控制 交通信号灯时序图 8 5 4十字路口交通信号灯的PLC控制 交通信号灯输入输出分配表 8 5 4十字路口交通信号灯的PLC控制 交通信号灯I O接线图 8 5 5造纸厂碱回收蒸发工段PLC控制 整个蒸发工段控制系统的控制信号主要有开关量输入信号 切断阀 泵的状态反馈等 开关量输出信号 切断阀 泵的控制等 模拟量输入信号 如温度 压力 液位等 模拟量输出信号 调节阀的控制等 整个蒸发工段控制系统需要控制与检测的变量有 66个模拟量输入 AI 23个模拟量输出 AO 10个数字量输入 DI 和19个数字量输出 DO 表8 9给出了部分测控点 返回 8 5 5造纸厂碱回收蒸发工段PLC控制 控制系统硬件配置图 8 5 5造纸厂碱回收蒸发工段PLC控制 蒸发工段控制工程视图 8 6提高PLC控制系统可靠性的措施 PLC专为在工业环境下应用而设计 其显著特点之一就是高可靠性 为了提高PLC的可靠性 PLC本身在软 硬件上均采取了一系列抗干扰措施 在一般工厂内使用完全可以可靠地工作 一般平均无故障时间可达几万小时 在过于恶劣的环境条件下 如强电磁干扰 超高温 超低温 过欠电压等情况 或安装使用不当等 都可能导致PLC内部存储信息的破坏 引起控制紊乱 严重时还会使系统内部的元器件损坏 为了提高PLC控制系统运行的可靠性 必须选择合理的抗干扰措施 使系统正常可靠的工作 返回 8 6 1PLC安装的环境条件 要提高PLC控制系统可靠性 一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力 另一方面 要求设计 安装和使用维护中引起高度重视 多方配合才能完善解决问题 有效地增强系统的抗干扰性能 因此在使用中应注意以下问题 温度 PLC要求环境温度在0 55oC 湿度 空气的相对湿度应在35 85 无凝露 震动 应使PLC远离强烈的震动源 空气 避免有腐蚀和易燃的气体 电源 PLC对于电源线的干扰具有一定的抵制能力 8 6 2抗干扰措施 现场电磁干扰是PLC控制系统中最常见也是最易影响系统可靠性的因素 所谓治标先治本 找出问题所在 才能提出解决问题的办法 因此必须知道现场干扰的源头 干扰源及分类 影响PLC控制系统的干扰源 大都产生在电流或电压剧烈变化的部位 其原因是电流改变产生磁场 对设备产生电磁辐射 磁场改变产生电流 电磁高速产生电磁波 通常电磁干扰按干扰模式不同 分为共模干扰和差模干扰 8 6 2抗干扰措施 干扰来源及途径 强电干扰 柜内干扰 信号线引入的干扰 接地系统混乱时的干扰 PLC系统内部的干扰 变频器干扰 抗干扰措施 合理处理电源 抑制电网引入干扰 安装与布线 动力线 控制线以及PLC的电源线和I O线应分别配线 隔离变压器与PLC和I O之间应采用双胶线连接 输入接线一般不要太长 但如果环境干扰较小 电压降不大时 输入接线可适当长些 正确选择接地点 完善接地系统 变频器干扰的抑制 8 6 3PLC系统的故障检查 表8 10给出了S7 200主要硬件故障诊断指导相关内容 8 6 4PLC系统的试运行与维护 运行错误信息 PLC在运行中发生错误时 一般会给出错误信息 利用简单编程器可读出错误信息 从而有针对性地去排除故障 主要故障检查 总体检查 电源故障检查 致命错误检查 非致命错误检查 输入输出检查 环境条件检查 维护检查