第11章可编程序控制器系统设计 建筑电气控制与PLC教学课件

第11章PLC系统设计 11 1PLC控制系统设计内容和步骤 可编程控制系统设计时应遵循以下原则 一 PLC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 二 PLC控制系统设计的内容 PLC控制系统设计的主要内容有 1 分析控制对象 明确设计任务和要求 2 选定PLC的型号 对控制系统的硬件进行配置 3 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 4 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 5 设计操作台 电气柜 选择所需的电器元件 6 编写设计说明书和操作使用说明书 三 PLC控制系统设计的一般步骤 具体设计步骤如下 1 详细了解被控对象的生产工艺过程 分析控制要求 2 根据控制要求确定所需的用户输入 输出设备 3 选择PLC类型 4 分配PLC的I O点 设计I O连接图 5 PLC软件设计 同时可进行控制台的设计和现场施工 6 系统调试 固化程序 交付使用 PLC控制系统设计步骤 11 2PLC控制系统硬件设计 PLC硬件系统设计主要包括 1 PLC及外围线路的设计2 电气线路的设计3 抗干扰措施的设计等这里主要讨论PLC的选型及其I O地址分配 一 PLC的选型 一 PLC机型的选择 二 PLC容量选择 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1 结构合理2 功能合理3 机型统一作业 比较各大品牌PLC 性能特点 价格 市场占有等 一 PLC机型的选择 1 结构合理整体式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 一般用于系统工艺较为固定的小型控制系统中 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 故障判断很方便 一般用于较复杂系统和环境较差 维修量大 的场合 2 功能合理对于只需要开关量控制的系统应具有逻辑运算 定时 计数等功能 一般选用小型 低档 PLC 对于以开关量控制为主 带少量模拟量控制的系统 应选用带A D D A单元的增强型低档PLC 对于复杂控制系统 根据系统规模和复杂程度 选用中档或高档PLC 3 机型统一一个企业 一个系统尽量做到PLC机型统一 统一机型相互兼容 模块相互备用 易于联网通信 便于采购 二 PLC的容量的选择 1 用户控制系统I O点数计算及I O点性质分析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 I O点性质主要指它们是直流信号还是交流信号 它们的电源电压以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型 控制系统输出点类型非常关键 如果它们之中既有交流220V的接触器 电磁阀你 又有直流24V的指示灯 则最后选用的PLC输出点数可能大于实际点数 因为PLC的输出点一般是几个一组公用一个公共端 这样一组输出只能一种电源种类和等级 所以尽可能选择相同等级和种类的负载 比如使交流220V的指示灯等 2 估算PLC容量 PLC的容量包括I O点数和用户程序存储容量两个方面 1 I O点数PLC的I O点的价格比较高 因此应该合理选用PLC的I O点的数量 在满足控制要求的前提下力争使I O点最少 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 2 用户程序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 需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定 一般可按下式估算 再按实际需要留适当的余量 20 30 来选择 存储器容量 字数 开关量I O点总数 10 模拟量通道数 150 1 开关量输入模块的选择常用的开关量输入模块的信号类型有3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及周围环境来考虑 三 I O模块的选择 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 12V 24V 48V 60V等 交流110V 220V等 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 对于选用高密度的输入模块 如32点 48点等 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 2 开关量输出模块的选择 2 输出接线方式的选择按PLC的输出接线方式的不同 一般有分组式输出和分隔式输出两种 如图所示 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 选择输出模块时 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 一般来说 同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60 四 电源模块及编程器的选择 1 电源模块的选择模块式PLC的电源模块额定电流必须大于CPU模块 I O模块及其他模块的总消耗电流 2 编程器的选择小型控制系统或不需要在线编程的系统 一般选用价格便宜的简易编程器 中高档PLC构成的复杂系统或需要在线编程的系统 选用智能编程器或计算机编程 二 I 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 如下表所示 三 响应时间 对大多数应用场合 PLC的响应速度都可满足要求 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 个别响应速度要求高的场合 可选用扫描速度高的PLC 或有高速I O处理功能指令的PLC 或有快速响应模块的PLC等 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 11 3PLC控制系统软件设计 软件设计包括主程序 子程序 中断程序设计 小型系统一般只有主程序 对于复杂系统 应先绘制出系统功能图 流程图 再进行各块设计 一般先根据功能图设计梯形图程序 再编写语句表程序 最后对程序进行调试 修改 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 要设计的控制系统象哪个典型控制系统或哪几个典型控制系统的组合 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 这种方法要求设计者有一定的实践经验 一 经验设计法 二 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 三 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 又称流程图 是一种用于描述顺序控制系统控制过程的一种图形 它具有简单 直观等特点 是设计PLC顺序控制程序的一种有力工具 它由步 转换条件及有向连线组成 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 顺序控制功能图 1 步 将系统的工作过程可以分为若干个阶段 这些阶段称为 步 步 是控制过程中的一个特定状态 步又分为初始步和工作步 在每一步中要完成一个或多个特定的动作 初始步表示一个控制系统的初始状态 所以 一个控制系统必须有一个初始步 初始步可以没有具体要完成的动作 用编程元件 例如内部标志位存储器M和顺序控制继电器S 来代表各步 与步对应的动作或命令如果某一步有几个动作 则要将几个动作全部标注在步的后面 可以平行并列排放 也可以上下排放 如图所示 但同一步的动作之间无顺序关系 步与步之间用 有向连线 连接 在有向连线上用一个或多个小短线表示一个或多个转换条件 当条件得到满足时 转换得以实现 当系统正处于某一步时 把该步称为 活动步 2 转换条件 功能图示例 1 单序列 反映按顺序排列的步相继激活这样一种基本的进展情况 3 功能图的结构 2 选择序列 个活动步之后 紧接着有几个后续步可供选择的结构形式称为选择序列 3 并行序列 当转换的实现导致几个分支同时激活时 采用并行序列 其有向连线的水平部分用双线表示 4 跳步 重复和循环序列 在实际系统中经常使用跳步 重复和循环序列 这些序列实际上都是选择序列的特殊形式 4 顺序功能图中转换实现的基本规则 1 顺序功能图中转换的实现1 该转换的前级步必须是 活动步 2 相应的转换条件得到满足 2 转换实现应完成的操作 1 使所有由有向连线与相应转换条件相连的后续步都变为活动步 2 使所有由有向连线与相应转换条件相连的前级步都变为不活动步 3 绘制顺序功能图时的注意事项 1 步与步之间不能直接相连 必须用一个转换条件将它们隔开 2 转换条件与转换条件之间也不能直接相连 必须用一个步将它们隔开 3 顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待起动的初始状态 这一步可能没有输出 只是做好预备状态 5 使用SCR指令编程 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 例 图为小车运动的示意图和顺序功能图 设小车在初始位置时停在左边 限位开关I0 2为1状态 当按下起动按钮I0 0后 小车向右运行 运动到位压下限位开关I0 1后 停在该处 3s后开始左行 左行到位压下限位开关I0 2后返回初始步 停止运行 小车运动示意图 顺序功能图和梯形图 11 4PLC应用程序的设计技巧 一 减少输入点的方法 1 用二极管隔离的分组输入法 控制系统一般具有手动和自动的两种工作方式 由于手动与自动是不同时发生的 可分成两组 并由转换开关SA选择自动 位置2 和手动 位置1 的工作位置 如图所示 这样一个输入点就可当作两个输入点使用 用二极管隔离输入法 二极管的作用是避免产生寄生电路 保证信号的正确输入 假如图中无二极管 SA处于自动位置2 SB2闭合 SB4和SB6断开 同时SB1 SB3闭合 这时电流从 流出经过SB2流入I0 0 同时再经过SB1 SB3流入I0 1 使I0 1被错误接通 串入二极管后就可避免错误信号产生 2 触点合并输入法 将某些功能相同的开关量输入设备合并输入 如果是常闭触点则串联输入 如果是常开触点则并联输入 这样就只占用PLC的一个输入点 例如某负载可在多处起动和停止 可以将3个起动信号并联 将3个停止信号串联 分别送给PLC的两个输入点 如图所示 与每一个起动信号和停止信号占用一个输入点的方法相比 不仅节省了输入点 还简化了梯形图电路 两地控制电动机启动 停止 I O接线图 I O分配表 3 单按钮启 停控制程序 单按钮控制梯形图 现介绍只用一个按钮 通过软件编程 实现起动与停止的控制 如图所示 I0 0作为起动 停止按钮的地址 第一次按下时Q1 0有输出 第二次按下时Q1 0无输出 第三次按下Q1 0又有输出 二 减少输出点的方法 并联输出法 1 并联输出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 如图所示 两个负载并联共用一个输出点 应注意两个输出负载电流总和不能大于输出端子的负载能力 当两组负载不会同时工作时 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 KM1 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 2 分组输出 3 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 11 6提高PLC控制系统可靠性的措施 PLC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 一 PLC安装的环境条件 PLC控制系统在设计 安装和使用维护中应注意以下问题 1 温度 PLC要求环境温度在0 55 安装时不能放在发热量答的元件下面 四周通风散热的空间应足够大 2 湿度 空气的相对湿度应在35 85 无凝露 3 振动 应使PLC远离强烈的振动源 防止振动频率为10 55Hz的频繁或连续振动 4 空气 避免有腐蚀和易燃的气体 如氯化氢 硫化氢等 对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境 可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中 5 电源PLC对于电源线的干扰具有一定的抵制能力 在可靠性要求很高或电源干扰特别严重的环境中 可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器 以减少设备与地之间的干扰 一般PLC都有直流24V输出提供给输入端 当输入端使用外接直流电源时 应选用直流稳压电源 因为普通的整流滤波电源 由于纹波的影响 容易使PLC接收错误信息 二 抗干扰措施 1 干扰源 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 电磁场高速运动产生电磁波 2 干扰来源及途径 1 强电干扰 PLC系统的正常供电电源均有电网供电 由于电网覆盖范围广 它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压 象电网内部的变化 刀开关操作 大型电力设备启停 交直流传动装置引起的谐波 电网短路暂态冲击等都会产生干扰 2 柜内干扰 控制柜内的高压电器 大的感性负载 混乱布线都容易对PLC造成一定程度干扰 3 信号线引入的干扰 与PLC控制系统连接的各类信号传输线 除了传输有效的各类信息之外 总会有外部干扰信号侵入 4 接地系统混乱时的干扰 正确 良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件 错误的接地会引入严重的干扰信号 使PLC系统无法工作 5 PLC系统内部的干扰 主要是系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射 6 变频器干扰 一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传到干扰 引起电网电压畸变 影响电网的供电质量 二是变频器输出会产生较强的电磁辐射干扰 影响周边 1 合理处理电源 抑制电网引入干扰 3 抗干扰措施 对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽层的变比为1 1的隔离变压器 以减少设备与地之间的干扰 还可以在电源输入端串接LC滤波器 a 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 将PLC的IO线和大功率线分开走线 如必须在同一线槽内 分开捆扎交流线 直流线 若条件允许 分槽走线最好 这不仅能使其有尽可能大的空间距离 并能将干扰降到最低限度 b PLC应远离强干扰源如电焊机 大功率硅整流装置和大型动力设备 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 二者之间距离应大于200mm 与PLC装在同一个柜子内的电感性负载 如功率较大的继电器 接触器的线圈 应并联RC消弧电路 2 安装与布线 双绞线采用了一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰 把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起 可以降低信号干扰的程度 每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消 c PLC的输入与输出最好分开走线 开关量与模拟量也要分开敷设 模拟量信号的传送应采用屏蔽线 屏蔽层应一端或两端接地 d 交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆 输出线应尽量远离高压线和动力线 避免并行 a 输入接线 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 输入 输出线不能用同一根电缆 输入 输出线要分开 b 输出连接 输出端接线分为独立输出和公共输出 在不同组中 可采用不同类型和电压等级的输出电压 但在同一组中的输出只能用同一类型 同一电