PLC控制系统的设计与应用.doc

模块五 PLC控制系统的设计与应用知识目标：掌握PLC控制系统设计的内容、步骤和方法，熟悉PLC在常用控制系统中的典型应用能力目标：具有应用PLC实现电气自动控制要求的设计能力，能够进行对一般电气控制设备的PLC改造并初步形成PLC应用系统的设计、安装、调试、故障排除能力第一部分 理论基础一、控制系统设计概要我们在学习了PLC的大量的相关知识后，要能够把其运用在实际训练当中。当然要设计经济、可靠、简洁的PLC控制系统，需要丰富的专业知识和实际的工作经验。本章主要介绍PLC控制系统设计的基本规则、基本内容、步骤以及典型应用。1.PLC控制系统设计的基本原则最大限度地满足被控对象的控制要求。保证控制系统的高可靠、安全。满足上面条件的前提下，力求使控制系统简单、经济、实用和维修方便。选择PLC时，要考虑生产和工艺改进所需的余量。2. PLC控制系统设计的基本内容选择合适的用户输入设备、输出设备以及输出设备驱动的控制对象。分配I/O，设计电气接线图，考虑安全措施。选择适合系统的PLC。设计程序。调试程序,一个是模拟调试，一个是联机调试。设计控制柜，编写系统交付使用的技术文件，说明书、电气图、电气元件明细表。验收、交付使用。3.PLC控制系统设计的一般步骤1）流程图功能说明分析生产工艺过程。根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，分配I/O。选择PLC。设计PLC接线图以及电气施工图。程序设计和控制柜接线施工。2）PLC程序设计的步骤对于复杂的控制系统，最好绘制编程流程图，相当于设计思路。设计梯形图。程序输入PLC模拟调试，修改，直到满足要求为止。现场施工完毕后进行联机调试，直至可靠地满足控制要求。编写技术文件交付使用。3）设计步骤框图如下：图5-1二、PLC控制系统设计的要点在现代化的工业生产设备中，有大量的数字量及模拟量的控制装置，例如电机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数，温度、压力、流量的设定与控制等，工业现场中的这些自动控制问题，若采用可编程序控制器（PLC）来解决自动控制问题已成为最有效的工具之一。1.LC硬件选购2.输入回路的设计要点1）电源回路。2）PLC上DC24V电源的使用。3）外部DC24V电源。4）输入的灵敏度。3.输出回路的设计要点1）各种输出方式之间的比较。2）抗干扰与外部互锁。3）“COM“点的选择。4）PLC外部驱动电路。4.扩展模块的选用对于小的系统，如80点以内的系统一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时要注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，请看相关的技术手册。各公司的扩展模块种类很多，如单输入模块、单输出模块、输入输出模块、温度模块、高速输入模块等。PLC的这种模块化设计为用户的产品开发提供了方便。5.PLC的网络设计当用PLC进行网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先你应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应你的实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。6.软件编制在编制软件前，应首先熟悉所选用的 PLC产品的软件说明书，待熟练后再编程。若用图形编程器或软件包编程，则可直接编程，若用手持编程器编程，应先画出梯形图，然后编程，这样可少出错，速度也快。编程结束后先空调程序，待各个动作正常后，再在设备上调试。三、PLC的软件设计方法1.经验设计法经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。这种方法没有规律可遵循，设计所用时间和质量与设计者的经验有很大关系，所以称为经验设计法。经验设计法用于较简单的梯形图设计。应用经验设计法必须熟记一些典型的控制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等。2.翻译法用PLC中软元件，代替原继电器接触器控制线路图中的元器件，直接翻译成梯形图的方法。主要用于对旧设备、旧控制系统的技术改造。设计举例：正反转。图5-23.状态转移图针对顺序控制方式或步进控制方式的程序设计。在程序设计时，首先将系统的工作过程分解成若干个连续的阶段，每一阶段称为“工步”或“状态”，以工步（或状态）为单元，从工作过程开始，一步接着一步，一直到工作过程的最后一步结束。设计举例见后面的应用范例1。4.逻辑设计法以布尔逻辑代数为理论基础，以逻辑变量“0”或“1”作为研究对象，以“与”、“或”、“非”三种基本逻辑运算为分析依据，对电气控制线路进行逻辑运算，把触点的“通、断”状态用逻辑变量“0”或“1”来表示。设计举例：“与、或、非”逻辑关系。图5-3四、应用案例传统的自动控制系统由继电器接触器控制组成，存在故障多、可靠性差、工作寿命短、不易检修等缺点。随着PLC的普及和完善，以及PLC本身所具有的高可靠性、易编程修改的特点，在自动控制系统中应用取得了良好的效果。如：MPS模块化自动生产加工系统、智能群控电梯控制系统。 图5-4 MPS生产加工系统图 图5-5 智能群控电梯【应用范例1】机械手臂控制图5-6 机械手臂控制示意图1. 机械电气控制设计的手臂控制要求1）工件的补充使用人工控制，可直接将工件放在D点（LS0动作）。2）只要D点有工件，机械手臂即先下降（B缸动作）将工件抓取（C缸动作）后上升（B缸复位），再将工件搬运（A缸动作）到E点上方，机械手臂再次下降（B缸动作）后放开（C缸复位）工件，机械手臂上升（B缸复位），最后机械手臂再回到原点（A缸复位）。3）A,B,C缸均为单作用气缸，使用电磁控制。4）C缸在抓取或放开工件后，都需有1秒的间隔，机械手臂才能动作5）当E点有工件且B缸已上升到LS4时，传送带马达转动以运走工件，经2秒后传送带马达自动停止。工件若未完全运走（计时未到）时，则应等待传送带马达停止后才能将工件移走。2. 机械电气控制设计的功能分析1）原点复位：选定以A缸退回至右极限位置（LS2 ON）、B缸上升至上极限位置（LS4 ON）及C缸松开为机械手臂的原点。执行一个动作之后，应做原点复位的侦测（因为A、B、C缸2）工件搬运流程：依题意其动作为一循环式单一顺序流程。3）传送带流程：在侦测到E点有工件且B缸在上极限位置时，应驱动传送带转动。4）上述两个流程可以同时进行，因此使用并进分支流程来完成组合。3. 机械电气控制设计的元件分配D点工件传感器LS0，使用输入继电器X0A缸左限位传感器LS1，使用输入继电器X1A缸右限位传感器LS2，使用输入继电器X2B缸下限位传感器LS3，使用输入继电器X3B缸上限位传感器LS4，使用输入继电器X4E点工件传感器LS5，使用输入继电器X5A缸驱动，使用输出继电器Y0B缸驱动，使用输出继电器Y1C缸驱动，使用输出继电器Y2传送带驱动，使用输出继电器Y3 图5-7 I/O接线4. 机械电气控制设计的绘制状态流程图1）原点复位流程图5-82）工件搬运流程（图5-9）3）传送带流程（图5-10）图5-9 图5-104）并进-合流分支（图5-11）图5-11 图5-125. 机械电气控制设计的步进阶梯图转换（图5-12）6. 机械电气控制设计的程序清单表5-1五、PLC故障诊断及其处理PLC有很强的自诊断能力，当PLC自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮灭来诊断。1PLC故障查找流程图1）总体检查根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障，如图5-13所示。图5-132）电源故障检查电源灯不亮需对供电系统进行检查，检查流程图如图5-14所示。图5-143）输入输出故障检查输入输出是PLC与外部设备进行信息交流的通道，其是否正常工作，除了和输入输出单元有关外，还与联接配线、接线端子、保险管等元件状态有关。检查流程图如图5-15、图5-16所示。图5-15图5-164）运行故障检查电源正常，运行指示灯不亮，说明系统已因某种异常而终止了正常运行，检查流程图如图5-17所示。图5-175）外部环境的检查影响PLC工作的环境因素主要有温度、湿度、噪音与粉尘，以及腐蚀性酸碱等。2可编程序控制器输入、输出单元故障处理表5-2 可编程序控制器输入单元故障处理表5-3 可编程序控制器输出单元故障处理第二部分 课堂演示一、演示内容用PLC构成霓虹灯控制系统，要求：合上启动按钮，按以下内容显示:12、83、74、654、63、72、811、21、2、3、41、2、3、4、5、61、2、3、4、5、6、7、83、4、5、6、7、85、6、7、87、81、54、83、72、61、3、5、72、4、6、81、3、5、72、4、6、8全部闪烁3次1如此循环。注：可根据学生的实际情况，控制显示内容的难易程度。二、霓虹灯饰实验面板图图5-18图5-18下框中的1、2、3、4、5、6、7、8分别接主机的输出点YO、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7，启动按钮接主机的输入点，COM插孔与输入COM相连，+24V为输出端电源。三、演示步骤1讲解霓虹灯饰的工作原理2按要求接好主机与输入输出设备3在编程状态下，将编制好的指令表程序输入编程器，并进行检查和修改。4将运行模式选择开关拨到RUN位置，使PLC进入运行方式。5、合上启动按钮，观察霓虹灯显示现象。四、边学边议1. 用PLC控制霓虹灯有何优越性？当前最流行的霓虹灯控制方式是什么？2分别设置一个硬件和软件故障，让学生查找并答问。第三部分 基本技能训练实训一 运料小车控制模拟一、实训目的1掌握SFTL指令或ADD、MOV等功能指令的使用方法。2熟悉生产机械多种运行方式控制的编程方法及运行情况。3掌握PLC的I/O点数的选择原则。4进一步掌握程序的调试方法，提高分析问题和解决问题的能力。二、实训器材1.PLC主机FXOS-20MR 1台。2.编程器FX-20P-E 1台。3.PLC的模拟实验板1块。三、控制要求如图5-19所示送料装置运行过程示意图，控制要求如下：l送料装置在原位时压下行程开关SQ1。2起动后送料装置前进至A处压下SQ2，停留T1(30S)送料装置自动返回原位。3返回原位SQ1处后，延时T2(30s)，再自动前进至A处压下SQ2不停，一直运行至B处压下SQ3停止，停留T3（30s）后，自动返回原位压下SQ1停止。4在原位停留T4(30s)后再自动前进，按上述过程进行自动循环。5要求循环到预定的次数（预设2次），送料装置自动停在原位，循环次数可以通过程序设定，也可以通过外部进行设定。6可在运行的任意位置停止，停止后可点动返回原位。图5-19 送料装置运行过程示意图四、实验线路及原理如图5-20为送料装置PLC控制的硬件原理图。说明：KM1、KM2为拖动送料装置电动机正反向运行的交流接触器；SB1为起动按钮，SB2为反向起动按钮；SB3为外部设置循环次数的按钮；SB3接通的次数，即为送料装置的循环次数；SB4为停止按钮；SA1为程序置数和外部置数的选择开关，接通时为外部设置循环置数。SA2为点动和自动的选择开关。图5-20五、实训步骤1. 在THPLC-A型实验装置上连接好PLC的电源及输入端接线，检查无误后通电。2编写PLC程序。3将程序输入PLC内存。4将PLC的工作状态选择至RUN状态，运行程序。5调试程序是否符合控制要求，若不符合要求，应对所输入的程序进行修改，反复调试直到满足要求为止。6程序模拟调试完成后，再根据硬件接线图，接好PLC的输出部分的接线，然后带负载调试，直到满足要求。 7记录在调试程序过程中出现的问题，并分析其产生的原因。 六、实训报告与考核要求（一）实训报告1.画出PLC的I/O端口接线图，列出I/O分配表。2.列出送料装置PLC控制的梯形图和程序说明。3.说明实验过程中出现的问题是如何解决的。（二）考核要求1严格按操作规程作业。2正确配置输入输出接口。3按照规定的步骤编程、写入程序、调试与修改程序。4遵守安全文明生产规定实训二 机械手动作的模拟控制一、实训目的1掌握移位指令的使用方法。2熟悉生产机械多种运行方式控制的编程方法及运行情况。二、实训器材1.PLC主机FXOS-20MR 1台。2.编程器FX-20P-E 1台。3.PLC的模拟实验板1块。三、控制要求机械手将工件A处传送到B处，上升/下降和左移/右移的执行用双线圈二位电磁阀推动气缸完成。当某个电磁阀线圈通电，就一直保持现有的机械动作，例如一旦下降的电磁阀线圈通电，机械手下降，即使线圈在断电，仍保持现有的下降动作状态，直到相反方向的线圈通电为止。另外，夹紧/放松由单线圈二位电磁阀推动气缸完成，线圈通电执行夹紧动作，线圈断电时执行放松动作。设备装有上、下限位和左、右限位开开关，它的工作过程如图5-所示，有八个动作。四、实验面板图图5-21图5-21下框中的YV1、YV2、YV3 、YV4 、YV5、HL分别接主机的输出点Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5；SB1、SB2分别接主机的输入点X0、X5；SQ1、SQ2、SQ3、SQ4分别接主机的输入点X1、X2、X3、X4。上框中的起动、停止用动断按钮来实现，限位开关用纽子开关来模拟，电磁阀和原位指示灯用发光二极管来模拟。五、实训步骤1根据硬件接线图，在THPLC-A型实验装置上连接好PLC的电源及输入、输出端接线，检查无误后通电。2编写PLC程序。3将程序输入PLC内存。4将PLC的工作状态选择至RUN状态，运行程序。5调试程序是否符合控制要求，若不符合要求，应对所输入的程序进行修改，反复调试直到满足要求为止。6记录在调试程序过程中出现的问题，并分析其产生的原因。 六、实训报告与考核要求（一）实训报告1.列出送料装置PLC控制的梯形图和程序说明。2.说明在调试程序过程中，各行程开关应如何模拟操作。3.说明实验过程中出现的问题是如何解决的。（二）考核要求1严格按操作规程作业。2正确配置输入输出接口。3按照规定的步骤编程、写入程序、调试与修改程序。4遵守安全文明生产规定第四部分 综合项目项目一 三层楼电梯PLC控制一、工作任务 设计一个三层楼电梯PLC控制装置，提出如下控制要求：当电梯停于1F或2F时，如果按3F按钮呼叫，则电梯上升到3F。2当电梯停于3F或2F时，如果按1F按钮呼叫，则电梯下降到1F。3当电梯停于1F， 如果按2F按钮呼叫，则电梯上升到2F。4当电梯停于3F，如果按2F按钮呼叫，则电梯下降到2F。5当电梯停于1F，而2F、3F有人呼叫，电梯先上升到2F，由SQ2控制暂停2秒，继续上升到3F。.当电梯停于3F，而1F、2F按钮有人呼叫时，电梯下降到2F，由SQ2控制暂停2秒，继续下降到1F。. 梯上升途中，任何反方向的下降按钮呼叫均无效。. 电梯上升途中，任何反方向的上升按钮呼叫均无效。.层楼之间的到达时间应在10秒内完成，否则电梯停机。二、内容及步骤1.总体方案的确定根据控制要求，确定总体方案。 2.正确选用电气控制元件和PLC根据选用的输入输出设备的数目和电气特性，选择合适的PLC，要求进行电气元件的选用说明。3.分配I/O点，画出I/O连线图根据选用的输入输出设备，确定I/O端口。依据输入输出设备和PLC的I/O端口分配关系，画出I/O连线图。4.程序设计说明及过程分析要求绘制控制系统流程图，详细进行程序设计过程的分析说明。5.软件设计及调试设计简单、可靠的控制程序，并上机调试通过。6.编写简要说明书三、教学设计1.分组2.确定工程解决方案和控制电路3.方案验证4.学习评价习题与思考题5- 用经验法设计满足题5-1图所示波形的梯形图。(a) (b)题5-1图5-2 电动葫芦起升机构的动负荷试验，控制要求如下：可手动上升、下降。自动运行时，上升6s停9s下降6s