211111PLC在龙门刨床电气控制系统中的应用.doc

安徽理工大学毕业设计本科毕业设计说明书PLC在龙门刨床电控系统中的应用设计PLC CONTROL SYSTEM IN LONGMEN PLANER APPLICATION DESIGN学 院：电气工程学院专业班级：电气07-2学生姓名：刘辉指导教师：胡霞副教授 2011年05月 日PLC在龙门刨床电控系统中的应用设计摘要龙门刨床具有门式框架和卧式长床身的刨床。龙门刨床主要用于刨削大型工件，也可在工作台上装夹多个零件同时加工，是工业的母机。龙门刨床的工作台带着工件通过门式框架作直线往复运动，空行程速度大于工作行程速度。横梁上一般装有两个垂直刀架，刀架滑座可在垂直面内回转一个角度，并可沿横梁作横向进给运动龙门刨床；刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动；横梁可在两立柱上作上下调整。PLC（Programmable Controller）是为工业控制应用而设计制造的。它是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。关键词：龙门刨床，PLC，继电器，控制装PLC CONTROL SYSTEM IN LONGMEN PLANER APPLICATION DESIGNABSTRACTLongmen planer have door type framework and horizontal long lathe bed of planers. Longmen planer is mainly used for cutting large-sized workpiece, also can be in workbench jacket clip multiple parts and processing, industrial tools. Longmen planer workbench with workpiece through frame of door type straight reciprocating motion, spare travel faster than working travel speed. The beam are usually equipped with two vertical cutter, cutter slider can turn a restricted in the Angle, and can make the crossbar traverse movement longmen planer; Planer knives can be in the tool carrier vertical or inclined to feed movement; Beams can be in two pillar make fluctuation adjustments.PLC (Programmable Controller) is for industrial control application and the design and manufacture It is the traditional order controller based on introducing the microelectronics technology, computer technology, automatic control technology and communication technology and the formation of new industrial control device of generation, the purpose is used to replace relays, executing logic, timing, count etc, establishing flexible sequence control function of program-controlled systemKEYWARDS: longmen planer, PLC, relays, control device 目录摘要2Absract31、龙门刨床简介51.1龙门刨床的基本结构51.2 B2012A型龙门刨床原控制系统特点61.2.1横梁工作特点71.2.2 刀架工作特点72.龙门刨床的工艺特点83.B2012A型龙门刨床的结构及运动形式、原理103.1 B2012A型龙门刨床的结构及运动形式103.2 B2012A型龙门刨床的原理113.2.1 主传动的控制原理114.B2012A型龙门刨床的主传动控制系统125.PLC组成及原理135.1、PLC的基本概念135.2、PLC的基本结构135.2.1 中央处理单元(CPU)135.2.2 存储器145.2.3 电源145.3 PLC的工作原理145.3.1 输入采样阶段145.3.2 用户程序执行阶段155.3.3 输出刷新阶段156.PLC应用系统设计的内容和步骤166.1 PLC的控制系统设计的基本原则166.2 PLC控制系统设计的一般步骤166.2.1熟悉被空对象，制定指控方案166.2.2 确定I/O设备176.2.3 选择PLC176.2.4 分配PLC的I/O地址176.2.5 设计软件及硬件176.2.6 联机调试186.2.7 整理技术文件187.PLC的选择197.1、PLC的机型选择197.1.1合理的结构型式197.1.2 安装方式的选择197.1.3 相当的功能要求207.1.4响应速度的要求207.1.5 系统可靠性的要求207.1.6 机型统一217.2 PLC的容量选择217.2.1 I/O点数217.2.2 用户存储容量217.3 I/O模块的选择227.3.1 开关量输入模块的选择227.3.2 开关量输出模块的选择237.4电源模块及其他外设的选择267.4.1 电源模块的选择267.4.2 编程器的选择267.4.3 写入器的选择278.B2012A型龙门刨床电力控制电路图289.B2012A型龙门刨床电力控制梯形图29致谢32参考文献331、龙门刨床简介1.1龙门刨床的基本结构 龙门刨床是机械工业的主要工作母机之一，在工业生产中占有重要位置。B2012A型龙门刨床主要有7部分组成，包括床身，工作台，横梁，垂直刀架，侧刀架，立柱，龙门顶梁。其床身上有导轨，工作台安放在床身上，工作台下面有斜齿条，可以做往复运动。立柱上装有横梁和侧刀架。横梁上安装有垂直刀架，工作台工作时横梁不能工作，只有在工作台停止运动时，横梁才能动作用于调整刀架。龙门刨床的刨削过程是刨刀和工件做相对运动的过程，因此，工件必须和工作台紧密的链接在一起，工件的切削加工只在工作行程中完成，返回行程是空行程。在切削过程中只有工作台由返回行程转到工作行程的期间刀架才给一定的进给量。工作台的往复运动是机床的主运动，其他如横梁的上下移动，垂直刀架沿横梁左右移动，侧刀架沿立柱的上下移动的往复运动称作辅助运动。1.2 龙门刨床分类刨床系指用刨刀加工工件表面的机床。刀具与工件做相对直线运动进行加工，主要用于各种平面与沟槽加工，也可用于直线成形面的加工。即用刨刀对工件的平面、沟槽或成形表面进行刨削的直线运动机床。按其结构可分为以下类型： (1)悬臂刨床：具有单立柱和悬臂的刨床，工作台沿床身导轨作纵向往复运动，垂直刀架可沿悬臂导轨横向移动、侧刀架沿立柱导轨垂向移动。 (2)龙门刨床：具有双立柱和横梁，工作台沿床身导轨作纵向往复运动，立柱和横梁分别装有可移动侧刀架和垂直刀架的刨床。 (3)牛头刨床：刨刀安装在滑枕的刀架上作纵向往复运动的刨床。通常工作台作横向或垂向间歇进给运动。 (4)插床(立刨床)：该类机床刀具在垂直面内作往复运动，工作台做进给运动。1.3 B2012A型龙门刨床控制系统特点 济南第二机床厂设计制造的A系列龙门刨床主拖动系统是采用以电机扩大机作为励磁调节器的直流发电机电动机系统，它采用调节直流电动机电压来调节电动机的速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。 1.3.1横梁工作特点 横梁设有放松、夹紧、上升、下降等动作。B2012A型龙刨采用横梁夹紧电动机的正反转实现横梁的加紧、放松。横梁上升、下降由横梁升降电动机来完成。 1.3.2 刀架工作特点 B2012A型龙 刨采用交流电动机拖动的机械进刀方法，由控制机械与电器共同完成。本刨床有2个垂直刀架，可实现左右（水平）及上下（垂直）四个方向动作，这些都由垂直刀架电机来完成。左侧、右侧刀架只有上、下两个方向运动，分别由左侧刀架电机、右侧刀架电机完成，且左、右侧刀架上运动均与横梁下运动有限位保护。抬刀控制工作台返回行程中，刀具自动抬起，当后退返前进时，抬刀停止供电，垂直刀架靠抬刀板自重返回，侧刀架由压簧拉回。在分析和研究龙门刨床(B2012A)原控制系统的基础上，根据生产工艺的特殊要求，设计了龙门刨床全数字直流调速系统。 该系统以西门子公司的直流调速器(6RA70)为主要调速控制器件，主拖动直流电机采用反电动势反馈的控制方法，根据主电机实际转速自动调节电枢电压和电流，平滑改变电动机转速。刨床各运动部件采用PLC逻辑控制，根据工艺要求可实现各部分单独运动及联动。以可编程控制器检测速度过零为换向条件，实现了工作台的无冲击换向。以精密电位计为速度给定元件，可手动实时精确地调节主电机转速，从根本上克服了龙门刨床换向冲击大、工作效率不高、耗电量大等一系列缺点。系统以数字显示输出主电机实时转速和电枢电流值，显示准确、直观。对直流调速器进行了参数自动优化设置，可根据速度调节过程的偏差自动调节内部控制参数，使其运行在最佳状态，保证主电机转速波动小，工作台运行平稳。 论文详细地给出了整个系统电路(包括电机拖动电路、直流调速系统电路及逻辑控制电路)的设计过程和工作原理，对PLC逻辑控制程序的设计方法及实现过程、控制系统的优点及实现方法做了详细说明，同时对相关控制理论及参数优化理论进行了分析研究，并给出了本系统参数优化的实现过程。一年多的实际生产运行显示，本系统硬件结构简单，操作方便，直观性好，控制安全可靠，运行平稳，调速精度高，具有其他龙门刨床控制系统所没有的若干优点，且经济实用，具有广阔的应用前景。2.龙门刨床的工艺特点传统的龙门刨床电气控制系统普遍采用接触器继电器控制技术。由于采用硬点接触且连线复杂，因此电气系统时常发生触点故障，使龙门刨床经常处于停机维修状况，不能保证正常生产。应用PLC对多台龙门刨床电气控制系统进行控制，对龙门刨床各个运动部件的控制很方便。PLC替换了原机械式进刀量控制机构，极大地改善了进刀精度和可操作性，并具有很好的可移植性，可广泛应用于各种机床的进刀系统控制。B2012A型龙门刨床主控系统采用PLC，实现其全部工作过程自动控制，包括横梁上下、刀架移动、抬刀落刀、工作台自动往复运动及联锁保护、报警等。PLC的硬件设计基本上按照常规进行。本设计中不直接用PLC的输出继电器带动交流接触器，而是在每个输出触点后面增加了一个24V的直流继电器，用该继电器的触点驱动负载，不仅可以扩展输出点数，提高通用性，也对PLC的输出继电器起到了保护作用。其中工作台拖动电机的起动、停止、正反转以及转速调节由PLC控制调速装置完成，取代原有的继电器接触器控制系统和交直流发电机组拖动装置。横梁升降仍然用原有的电动机，抬刀仍然保留原有的电磁铁，但是都由PLC统一控制。龙门刨床的工艺特点：（1）、可逆性：龙门刨的工作台在加工过程中作反复运动，在工作行程（工作台前进，电机正转） 时进行刨削加工，返回行程（工作台后退，电机反转）时空载返回原地。（2）、调速范围：龙门刨的切削速度决定于下列三个因素：第一，切削条件（吃刀深度、走刀量）；第二，刀具（刀具的几何形状、刀具的材料）；第三，工件材料。对于每一个具体情况，有一最佳切削速度。空载返回时要求提高生产率采用高速。为了调整与磨削要求低速。因此，工作台在不同情况下工作时，应有不同速度。所以，龙门刨要求调速范围广,A系列龙门刨D20，高速90m/min,低速4.5m/min。（3）、静差度：由于工件表面不平和材料的不均匀而使切削力发生波动。如果拖动工作台的电动机转速随负载波动而波动很大，将降低生产能力，还会影响加工精度和表面光洁度。因此，A系列的龙门刨静差度的要求为0.1。（4）、作台往返循环中的速度图：工作台的速度图如图(2-1)示。在工作行程中，为避免刀具切入工件时的冲击而使工件崩裂，或损坏刀具，要求切入速度低；在切削结束时，为避免刀具将工件剥落，要求切出速度低；在返回行程中，为了提高生产率采用高速返回；由于返回速度高，工作台的惯性大，为了减小停车时的超程（又称越位），要求返回行程结束前先减速，然后停车。图2-1 工作台运动图其中0-a工作台前进起动阶段a-b刀具慢速切入阶段； b-c加速至稳定工作速度c-d工作速度阶段d-e减速退出工件阶段f-l返回阶段慢速切入切出，即防止崩坏工件又可以提高刀具使用寿命。高速切削、返回以提高加工效率。慢速切入切出，即防止崩坏工件又可以提高刀具使用寿命。高速切削、返回以提高加工效率。运动控制过程如下：工作台前进时，撞块A撞击SQ3，B撞击SQ5，经过一段越位后，刨台后退。后退时，撞块B使SQ5复位，撞块A使SQ3复位。后退末了，工件退出刀具后，撞块C撞击SQ4使电机减速，D撞击SQ6使电机换向，经过一段越位后，刨台从后退换成前进。刨台即按此方式循环工作。SQ2、SQ1分别起前进、后退的限位保护。为满足龙门刨床的加工要求，要求工作台具有调整的正反向点动控制和正常工作时的自动往返控制，并能进行低速的磨削工作。控制电路除包括刨台的往返运动外，还有刨台运动与横梁、刀架之间的配合。为简化控制电路，减小维护工作量，可采用PLC作为控制元件与变频器结合实现刨床的自动化控制。（5）、快速性：为了提高生产率，要求工作台正反向的起动与制动过程要快。而且停车要迅速，越位不能超过允许值。B2010A小于300mm。（6）、要有一定的联锁保护：为了保证龙门刨正常而可靠地工作，需要一定的联锁保护。在下列情况下，工作台应该立即停止：如工作台越位超过允许值、油泵停止工作、横梁在移动、电动机过载等。 3.B2012A型龙门刨床的结构及运动形式、原理 3.1 B2012A型龙门刨床的结构及运动形式龙门刨是机械制造业中的主要工作机床。常用它来加工大型机械零件，如导轨、立柱、箱体和机床的床身等部件。龙门刨的结构示意图如图3-1所示图3-1 龙门刨床结构示意图8工作台1放在床身2上，工作台由直流电动机拖动可在床身上作往复运动。当工作台带动工件运动时，刨刀8对工件进行刨削加工。刨刀装在垂直刀架4或侧刀架3上。侧刀架可上下移动并横向进给，它又分为左侧刀架和右侧刀架。垂直刀架装在横梁5上，它可作横向移动和垂直进给，它又分为左垂直刀架与右垂直刀架。横梁可沿着立柱6作上下移动。7为龙门顶。龙门刨床的运动可分为主运动、进给运动与辅助运动。主运动是指工作台的往复运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是调整刀具运动（如横梁的夹紧与放松、横梁的上升与下降、刀架的快速移动与抬刀等）。3.2 B2012A型龙门刨床的原理3.2.1 刀架工作方式的控制龙门刨床的刀架分为垂直刀架、左侧刀架和右侧刀架，其动作原理基本一样，只是位置不同，现以垂直刀架为例进行说明。刀架的移动分为手动快速移动和自动进给两种工作方式，由控制柜面板上的刀架工作方式选择开关给PLC发送指令进行选择。变频器输出频率由两个电位器给定，WR1决定快移速度；WR2决定自动进给速度；由操作人员根据需要随时进行调节。当需要刀架快移对刀时，刀架工作方式选择开关选择“快移”方式，由按钮通过PLC控制变频器的状态，进而控制电机运转的起停，电动机的转速由WR1给定。在需要刀架自动进给时，刀架工作方式选择开关选择“进给”方式，此时，电动机的转速由WR2给定。每次工作台由前进转换到后退时，PLC接通抬刀电磁铁的电源，刨刀抬起，同时刀架完成进给动作。当工作台由后退转换到前进时，抬刀电磁铁线圈断电，刨刀弹簧复位落下。当自动进给行程结束后，刀架撞击行程开关，刀架以快移速度快速返回，可以设置另一行程开关控制刀架停止，也可以由操作人员手动停止。另外还有一个手动抬刀控制开关在选刀架时使用。3.2.2刀架进刀量的控制刀具进给时，由PLC通过变频器调速装置控制刀架进给电机的起动和停止，进刀量则由每次电动机运转的时间t和电动机的转速决定。设电动机的转速为n转/分，每次进给时转动的时间为t秒，传动丝杠的螺距为L毫米，则进给当量为：=tnL/60 (mm).式中传动丝杠的螺距L是固定的，t在PLC中由专业人员通过修改程序参数设定，一般也不需要变更。在t和L不变的情况下，自动进刀量可通过控制柜上的速度调节电位器WR2调整电机的转速来调节，方便工人的现场操作。3.2.2 刀架进刀量的精度控制一般来说，PLC能够很好地保障t的精度，传动丝杠的螺距L的精度也可以保证，所以电机转速的稳定性是保证进刀量精度的关键。龙门刨床的刀架在自动进刀时的进刀量通常都为几个毫米，如果由电动机直接带动丝杠，电机转速相应就要调得很低，而低速状态下电机转速的变化率高，同时，由于交流异步电动机起动的时间难于精确控制，从而会引起较大的误差。为了减少误差，我们在电机和刀架传动丝杠之间加装了减速箱，这样，电机就可以工作在较高的速度上，时间也可以加长。转速不稳和起动时间不确定性所造成的误差就可以大大减小。举例来说，设进刀量为2 mm，传动丝杠的螺距L为2 mm，由电动机直接带动丝杆，电动机转速调节到20 r/min，按照理想的情况，电动机不需要起动时间，由(1)式可以计算出电动机运行时间需要3 s。但是，如果电动机起动时间由0.6 s的变化范围，就有可能造成20%左右的误差。如果加上301的加速器，误差就可以控制在1%之内，可以满足加工要求。在实际设计时，由于电机的转动时间设定和速度调节都有很好的自由度，减速箱的减速比设定主要考虑电机的额定转速和进刀速度要求，以使电机可以有较高的工作效率和稳定性。3.2.3 工作方式龙门刨的刨削过程是工件（放在刨台上）与刨刀之间做相对运动的过程。也就是刨台频繁的往复运动。刨台的运动分为人工点动运行和自动往复循环运行。图2-1是刨台的往复周期运行图。3.2.4 主传动的控制原理 龙门刨床是机械化自动化程度很高的大型机床。龙门刨床的动力及控制回路比较复杂，尤其是刨床工作台主拖动系统完全依靠电气自动化控制来执行的。七、八十年代，龙门刨床的主拖动采用A-G-M调速系统，即电机扩大机-直流发电机-直流电动机组系统。如图3-2所示。图3-2 A-G-M调速系统图工作原理是三相交流异步电动机M1拖动同轴连接的的两台直流发电机G和MG，并励直流发电机MG作为励磁机，G为直流发电机。MG直流电动机M2的励磁绕组提供直流电源。G发出的电动势供给直流电动机3M的电枢回路，最后由直流电动机拖动负载。电机扩大机又称交磁电机放大机或交磁放大机。它是一种特殊的直流发电机，其主要功能是，能用较小的控制电压实现对较大输出直流电流的控制。直流电动机的调速由转速负反馈控制电路和电机扩大机实现。控制电路转换调节器输出的控制电压加在电机扩大机的控制绕组上，控制扩大机输出的直流直流电流，即直流发电机G的励磁电流大小，以改变直流发电机输出的直流电压，实现调压调速。进刀机构采用进刀继电器进刀，而继电器铁芯及机械磨损又造成动作异常，损坏线圈，既影响加工精度又影响效率。这种A-G-M调速系统，它具有占地面积大、噪声污染严重、尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重。从工作情况来看，直流电动机的功率并没有得到充分利用，并且维护保养较困难。目前许多在使用该系统工作的厂家都在想办法解决以上问题。主传动采用转速闭环、转差频率控制的变频调速系统，来满足工作台频繁换向和负载变化时转速快速跟随性的要求。在交流异步电动机中，转距Te 为 (1)试中： 电磁常数， 气隙磁通 折算到定子边的转子电流转子功率因数可见，气隙磁通、转子电流、转子功率因数都影响转距。而 （2） （3）式中：(4)Eq 气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动s 转差率 折算到定子侧的转子电阻折算到定子侧的转子电抗定子磁场转速角频率定子绕组匝数定子绕组有效系数将式（2）、（3）、（4）代入式（1），则得(5)令，则(6)式中：(7)当电机稳定运行时，s 很小，因而很小，一般为的25，可以认为，则由上式可以看出，在s 很小的范围内，只要能够维持气隙磁通m 不变，异步电动机的转距就近似与转差角频率成正比。控制 就能达到控制转速的目的。在设计中我们用了转差调节器，使 ，以使电动机运行在最佳状态。因为使用的通用型变频器具有恒定电压/频率（V/F）比的功能，电机的气隙磁通就可以基本保持不变，因此控制s 为最佳就实现了控制转距为最佳的目的。3.2.5 制动系统原理工作台换向制动采用能量回馈制动，用两组晶闸管(GTR)组成可逆调速系统，制动时将系统中交流电动机发电制动状态的再生电能进行逆变，变成与电网同频的交流电送回电网，来实现电机的再生回馈制动，这种制动方式与能耗型制动方式相比具有很多的优点。能节约电能，并使电机运行平稳，发热少，制动效果好，延长了电机的使用寿命。5.PLC组成及原理PLC主要是指数字运算操作电子系统的可编程逻辑控制器，用于控制机械的生产过程。也是公共有限公司、电源线车等的名称缩写。5.1、PLC的基本概念可编程控制器(Programmable Controller)是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 5.2、PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。5.2.1 中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。5.2.2 存储器 存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。 存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。5.2.3 电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去 5.3 PLC的工作原理当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。5.3.1 输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。5.3.2 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。5.3.3 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。6.PLC应用系统设计的内容和步骤6.1 PLC的控制系统设计的基本原则任何一种电器控制系统都是为了实现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，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：1）充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。3）保证控制系统安全可靠。4）应考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I/O点数和存储器容量等内容时，应留有适量的余量，以利于系统的调整和扩充。6.2 PLC控制系统设计的一般步骤 设计PLC应用系统时，首先是进行PLC应用系统的功能设计，即根据被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。然后是进行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。最后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以下步骤进行。6.2.1熟悉被空对象，制定指控方案 分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。6.2.2 确定I/O设备根系系统的控制要求，确定用户所需的输入（如按钮、行程开关、选择开关等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯等），由此确定PLC的I/O点数。6.2.3 选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I/O模块、电源的选择。6.2.4 分配PLC的I/O地址 根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量：根据所选的PLC的型号，列出输入/输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。6.2.5 设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电器孔氏线路后才能进行施工设计。 其中，PLC程序设计的一般步骤如下：1）对于较复杂系统，需要绘制系统的功能图；对于简单的控制系统也可省去这一步。2）设计梯形图程序。3）根据梯形图编写指令程序表。4）对程序进行模拟调试及修改，知道满足控制要求为止。调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。其中，硬件设计及现场施工的步骤如下：1）设计控制柜机操作面板电器布置图及安装接线图。2）控制系统各部分的电器互连图。3）根据图样进行现场接线，并检查。6.2.6 联机调试 联机调试是指将模拟调试通过的程序进行再线统调。开始时，先带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等），不带负载进行调试。利用编程器的监控功能，采用分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如不正常工作、程序不需要修改则将程序固化到EPROM中，以为程序丢失。6.2.7 整理技术文件 包括设计说明书、电气安装图、电器元件明细表及使用说明书等。7.PLC的选择7.1、PLC的机型选择机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比7.1.1合理的结构型式整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，所以一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，I/O点数量、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面，选择余地较大。维修时只要更换模块，判断故障的范围也很方便。因此，模块式PLC一般适用于较复杂系统和环境差（维修量大）的场合。7.1.2 安装方式的选择 根据PLC的安装方式，系统分为集中式、远程I/O式和多台PLC联网分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低。大型系统经常采用远程I/O式，因为它们的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在I/O装置附近，I/O连线比集中式的短，但需要鞥社驱动器和远程I/O电源。多台联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通信模块。7.1.3 相当的功能要求 一般小型（抵挡）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A/DHE D/A单元、具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。 对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度没选用中档或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般大型机主要用于大规模过程和集散控制系统等场合。7.1.4响应速度的要求 PLC的扫描工作方式引起的延迟可达23个扫描周期。对于大多数应用场合来说，PLC的响应速度都可以满足要求，不是主要问题。然而对于某些个别场合，则要求考虑PLC的响应速度。为了简单PLC的I/O响应的延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，或选用具有高速I/O处理功能指令的PLC，或选用具有快速响应模块和终端输入模块的PLC等。7.1.5 系统可靠性的要求 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备用系统。7.1.6 机型统一 一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑以下三个方面的问题:1）同一机型的PLC，其编程方法相同，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。 2）统一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理。 3）同一机型的PLC，其外围设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。7.2 PLC的容量选择 PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。7.2.1 I/O点数 PLC的I/O点数的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数的数量，在满足控制要求的前提下力争使用I/O点数最少，但必须留有一定的备用量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%的备用量来确定。7.2.2 用户存储容量用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量。需要的哦那个湖存储容量的大小由用户程序的长短决定。 以便可按下式估算，在按实际需要留适当的余量（20%30%）来选择。存储容量=开关量I/O点总数*10+模拟量通道数*100绝大部分PLC均能满足上式要求。应当要注意的是：当控制系统较复杂、数据处理量较大时，可能会出现存储量不够的问题，这是应特殊对待。 7.3 I/O模块的选择 一般I/O模块的价格战PLC价格的一半一行。不用的I/O模块、其电路及功能也不同。直接影响PLC的应用范围和价格。 下面仅介绍有关开关量I/O模块的选择。7.3.1 开关量输入模块的选择 PLC的输入模块式用来检测接受现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接受的低电压信号。 1、输入信号的类型及电压等级的选择 常用宏的开关量输入模块的信号类型有三种：直流输入、交流输入、和交流/直流输入。选择时一般根据现场输入信号机周围环境来决定。 交流输入模块接触可靠，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用；直流输入模块的延迟时间较短。还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接。 PLC的开关量输入模块按输入信号的电压大小分类有：直流5V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时应根据现场输入设备与输入模块之间的距离来决定。一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合。如：5V的输入模块最远不得超过10m.距离，较远的应选用电压等级较高的模块。2、输入接线方式的选择 按输入电路接线方式的不同，开关量输入模块可分为汇点式输入和分组式输入两种，如图7-1(a)、图7-1(b)所示。（a）汇点式输入 （b）分组式输入图7-1 汇点式输入模块的所有输入点只公用一个公共端；二分组式输入模块式将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）用用一个公共端COM，各组之间是分隔的。分组式输入的每点平均价格较高，如果输入信号之间不需要分开，应选用汇点式。 3、同时接通的输入点数量 对于选用高密度的鼠兔模块（如32点、48点灯），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。7.3.2 开关量输出模块的选择 输出模块式将PLC内部低电压信号转换为外部输出设备所需的驱动信号。选择时主要应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等。 1、输出方式的选择 开关量输出模块有三种输出方式:继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出。 继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可以用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降下，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强。但它属于有触点元件，其动作速度较慢、寿命短，可靠性较差，因此，只能适用于不频繁通断的场合。档用于驱动感性负载时，其触点动作频率不超过1Hz。 对于频繁通断的负载，应该选用双向晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但双向晶闸管输出值能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。2、输出接线方式的选择 按PLC得输出接线方式的不同，一般有分组式输出和分个式输出两种。如图7-2（a）、（b）所示。 （a) 分组式输出 （b）分隔式输出图7-2 输出的接线形式 分组式输出时几个输出点为一组，公用一个公共端，各组之间是分割的，可分别使用不同的电源。而分隔式输出的每一个输出点有一个公共端，个输出点之间相互隔离，每个输出点可使用不同的电源。主要应根据系统负载的电源种类的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。 3、 输出电流的选择 输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于负载的额定电流。用户应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。如果实际负载电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。 4、同时接通的输出点数量 选择输出模块式，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值。如一个220V/2A的8点输出模块，每个输出点可以通过2A的电流，但输出公共端通过的电流不是6A（8*2），通常比此值小得多。一般来说，同时接通的点数不要超出统一公共端点数的60%。 5、输出的最大负载电流与负载类型、环境温度等因素的关系 表为FX2系列PLC的输出技术指标，它与不同的负载密切相关。另外，