PLC-3第二章控制系统设计

1、l控制系统设计包括控制对象及范围的确控制系统设计包括控制对象及范围的确 定、系统构成形式的确定、可编程控制器定、系统构成形式的确定、可编程控制器 选型、软选型、软/ /硬件设计、系统调试及投运等步硬件设计、系统调试及投运等步 骤。骤。 l 设计步骤 确定控制对象及范围确定控制对象及范围 确定系统构成形式确定系统构成形式 可编程控制器选型可编程控制器选型 硬件系统设计硬件系统设计软件系统设计软件系统设计 系统模拟调试系统模拟调试 系统现场调试系统现场调试 系统投运系统投运 l1、单机控制系统 单机控制系统是最常见的系统构成形 式，由一台PLC控制一组对象。 受控对象受控对象 PLC 上位机上位机

2、 该构成形式结构简单，通常使用中小型PLC。 PLC作为底层控制器，上位机作为监控机。一 般用于工艺过程较为简单的中小型系统。 l2、集中控制系统 受控对象受控对象A PLC 上位机上位机 受控对象受控对象B受控对象受控对象C 多组对象由一台PLC控制，一般采用高档中 型机或大型机。该构成形式系统简单，相对 成本低。一般用于各受控对象位置比较集中 且相互之间有一定联系的多组对象的场合。 l3、分散控制系统 受控对象受控对象A 上位机上位机B 受控对象受控对象B受控对象受控对象C PLC APLCBPLCC 上位机上位机A 由多台PLC组成控制系统，每台PLC的控制 一部分对象，视各组对象控制的

3、复杂程度， 相应选择适当形式的PLC 。该构成形式安 全性较高，便于维护。多用于大型生产装 置或流水线的控制。 l4、远程控制系统 该形式系统配有远程控制站，适用于 受控对象远离主控室的场合。 本地对象本地对象 上位机上位机 远程对象远程对象远程对象远程对象 PLC 远程控制站远程控制站远程控制站远程控制站 本地控制站本地控制站 l5、冗余控制系统 主要用于可 靠性要求较 高的场合 本地控制站本地控制站 上位机上位机 远程控制站远程控制站 远远 程程 控控 制制 远程控制站远程控制站 本地控制站本地控制站 I O 控控 制制 冗冗 余余 控控 制制 其其 它它 单单 元元 主主 机机 系系 统

4、统 远远 程程 控控 制制 I O 控控 制制 冗冗 余余 控控 制制 其其 它它 单单 元元 主主 机机 系系 统统 l1、功能选择 l 开关量控制 l 模拟量控制 l 数据处理功能 l 特殊I/O控制 l 诊断功能 l 通信功能 l 其它高级功能 l2、确定I/O点数 l 根据I/O点数的多少选择相应的机型， 小型机、中型机、大型机等。 l 各种输入/输出点应分别统计。 一般按数字量输入、数字量输出、模 拟量输入、模拟量输出、特殊I/O点、其 它点等分别统计。 l应注意留有余量。 l3、输入/输出模块选择 l开关量： l 输入模块：注意交流/直流信号、信号 电压等级、外部/内部供电 等。

5、l 输出模块：注意交流/直流负载、输出 电压等级、负载电流、动 作频率等，可选择继电器 式、晶体管式或可控硅式 输出。 l模拟量： l A/D模块：注意输入信号类型，如电流 信号、电压信号、信号 范围及标度变换等。 l D/A模块：注意同A/D模块。 l智能单元： l 温度模块：注意热电偶、热电阻、相 应的分度号标度变换等。 l 其它模块：PID控制模块、转速控制模 块、位置控制模块等。 l4、存储器选择 l 类型选择：RAM型、EPROM型、 E2PROM型等。现大多采用 E2PROM+RAM。 l 容量估算： l 开关量：M = DI*10+DO*5 l 模拟量：M =（AI+AO）*10

6、0 在此基础上，再留20%余量。 l5、其它方面 l 编程语言：梯形图、SFC等 l 编程软件：灵活、方便性及费用 l 各种工控软件的支持情况：需配上位 监控系统时应重点考虑。 l1、系统硬件配置图 l 反映系统整体构成及连接关系等。 l2、硬件模块一览表 l 系统各模块类型、型号、数量等。 l3、 I/O地址分配表 l 各I/O点的地址分配。 l4、 I/O硬件接线图 l 各I/O模块接线。 l1、运行方式 l 自动 l 半自动 l 手动 l2、停运方式 l 正常停运 l 暂停 l 紧急停运 l1、环境技术条件 l 温度、湿度、振动、冲击等。 l2 、冗余设计 l1）环境条件方面 l 使用条

7、件应留有余地。 l2）控制系统的并列运行 l 冷备用 l 热备用 l3）其它备用系统 l 如对于主要开关量控制点设置继电 器系统，对于主要模拟量控制点设置手 动操作系统等。 l3、 供电系统设计 l1）主要考虑因素 l 电源电压允许在一定范围内波动； l 系统断电时应保证程序及数据安全； l 对不允许断电的场合应设置后备电源。 l2）常用供电方案 l 单路供电： 控制器电源控制器电源 I/O电源电源 其它设备电源其它设备电源 总总 电电 源源 220VAC 隔离变压器隔离变压器 l 采用UPS备用电源： 控制器电源控制器电源 I/O电源电源 其它设备电源其它设备电源 总总 电电 源源 220V

8、AC 隔离变压器隔离变压器 UPS l 双路供电： 220VAC A路路 B路路 AA AB 双双 路路 切切 换换 控控 制制 系系 统统 l4、 抗干扰设计 l1）电源抗干扰设计 l 使用隔离变压器 l 使用滤波器 l PC、I/O与其它设备分别供电 l2）接地设计 l 分别接地 控制器控制器其它设备其它设备 控制器控制器其它设备其它设备 控制器控制器其它设备其它设备 l 不允许采用共通接地 l 共用接地 l3）输入/输出及配线抗干扰设计 l 输入端有感应电压时的处理方法 控控 制制 器器 控控 制制 器器 Z 直流时加续流二极管直流时加续流二极管交流时加浪涌吸收器交流时加浪涌吸收器 控控

9、 制制 器器 Z 控控 制制 器器 R l 输出端有感性负载时的处理方法 加中间继电器转接加中间继电器转接加浪涌吸收器加浪涌吸收器 l 配线抗干扰方法 *交流与直流输入信号电缆尽量分开； *输入与输出信号电缆尽量分开； *信号电缆与动力电缆应分开； *信号电缆应使用屏蔽电缆，并采用屏 蔽层在控制器处单端接地； l主要用于老系统的改造。 l 原控制系统大都有继电器线路图或 逻辑图等，可在此基础上将其转换为梯 形图。 l 应注意等效转换以及输入、输出信号 的处理问题。 l继电器控制线路图至梯形图转换实例继电器控制线路图至梯形图转换实例 R1 BL X R1-2 R2 AL R1-3 R2-3 R2

10、-2 FR PB1 PB2 R2-4 FR 例：一般闪光报警系统 I/O分配：分配： XX0 PB1X1 PB2X2 ALY0 BLY1 中间元件：中间元件： R1R1 R2R2 l一般闪光报警系统梯形图程序 l1、设计步骤 分析工分析工 艺要求艺要求 根据工艺根据工艺 要求列写要求列写 动作表动作表 根据动作根据动作 表列写逻表列写逻 辑式辑式 化简化简 逻辑式逻辑式 根据逻辑根据逻辑 式绘制梯式绘制梯 形图形图 修改修改 补充补充 l2、设计举例 l例：设计一联锁保护环节，要求三个检测 开关中只要有两个或两个以上动作，则相 应的电磁阀打开。检测开关为常开型，电 磁阀为带电打开。 状态状态

11、元件元件 1234 输入输入 X1 X2 X3 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 输出输出Y1111 逻辑式：逻辑式： Y=X1X2 + X1X3 + X2X3 + X1X2X3 Y= X1X2 + X1X3 + X2X3 l SFC设计方法是用于工业顺序控制程序 设计的一种方法，该方法能描述被控系 统的工作过程，其设计规则与步进控制 非常相似。 l1、 SFC SFC设计基础设计基础 l SFC的基本元素是流程步、有向线段、 转移和动作说明。这些内容与步进控制 基本相同。 l1）流程步 l 流程步也称作工作步，它是控制系统 中的一个稳定状态。流程图用矩形框表 示，框内用数字表示

12、该步的编号，编号 可以是实际的控制步号，也可以是PLC 中的工作位编号。 l流程步有两种：初始步和一般步。 30 初始步初始步一般步一般步 l2）转移和有向线段 l 转移就是从一个步向另外一个步的转 换条件，两步之间用一个有向线段表示 可以从一个步转换到另一个步，代表向 下转移方向的箭头可以忽略。 1 2 转移条件转移条件 转移条件转移条件 转移条件转移条件 1 2 转移条件转移条件 转移条件转移条件 转移条件转移条件 转移条件转移条件 l3）动作说明 l动作说明标在工作步旁 3 启动定时器启动定时器1 D1指示灯亮指示灯亮 电机电机M1启动启动 l常见动作类型 l非自锁动作 l自锁动作 l复

13、位 l启动定时/计数器 l启动功能指令 方框可省略 l2、SFCSFC的结构的结构 l SFC的结构与步进控制结构基本相同 l1）顺序结构 0 1 2 等待等待 M1启动启动 T0定时启动定时启动 M2启动启动 按按M1启动按钮启动按钮 T0定时到定时到 按按M1停止按钮停止按钮 l2）选择分支结构 0 1 2 3 4 5 6 7 B C D E F G H I J A 各步动作略各步动作略 l3）并行分支结构 0 1 2 3 4 5 6 7 B CD E F A 各步动作略各步动作略 l4）循环结构 0 1 2 A B C 3 D 5）复合结构 由上述各种结构构成。 l3、 SFC SFC描

14、述问题举例描述问题举例 l例：运料小车控制 l小车可在A、B两地分别起动。若在A地起动， 则小车先返回A地，停车5s等待装料，然后自 动驶向B地。到达B地后，停车2s等待卸料，然 后再返回A地，如此往复。若从B地起动，则 先返回B地，停车2s等待卸料，然后自动驶向A 地，停车5s等待装料，如此往复。 小车小车 A地地 B地地 前进前进后退后退 0 1 2 B地启动地启动 B点行程开关闭合点行程开关闭合 2S定时到定时到 3 4 停止停止 停止停止 停止停止 停止停止 A地启动地启动 A点行程开关闭合点行程开关闭合 5S定时到定时到 小车前进小车前进 启动启动2S定时定时 小车后退小车后退 启动

15、启动5S定时定时 l4 、SFCSFC转换为梯形图转换为梯形图 l1)初始（第0）工作步的梯形图 l该步的启动条件之一是其它工作步均未 工作。 第第1步步第第2步步第第n步步 第第0步步 当初始步的建立需要一定的条件时，还 应将各条件的逻辑组合作为启动条件。 条件条件 条件条件第第1步步第第n步步 第第0步步 l有循环返回第0步时： 第第1步步第第2步步第第n步步 第第0步步 返回第返回第0步条件步条件 l2)其它工作步的梯形图 上一步上一步 工作工作 转移转移 条件条件 停止停止 条件条件 下一步下一步 工作工作 本步本步 自锁自锁 工作步工作步 其他启动条件其他启动条件 l3)运料小车控制

16、系统的梯形图 l习题1：液体混合装置控制 M H I L 液体A 液体B V1 V2 V3 初始状态：混合器空，初始状态：混合器空， V1、V2、V3均关闭，搅拌器均关闭，搅拌器 不工作。不工作。 控制要求：按启动按钮后，控制要求：按启动按钮后， V1打开，充液体打开，充液体A；充至；充至I位位 后，后，V1关闭，关闭，V2打开，充液打开，充液 体体B；充至；充至H位后，位后，V2关闭，关闭， 搅拌器启动，搅拌搅拌器启动，搅拌6秒；搅拌秒；搅拌 停止后，开停止后，开V3阀排放，排放阀排放，排放 至至L位位2秒后，关闭秒后，关闭V3，开始，开始 下循环。下循环。 按停止按钮后，系统不立即停止工作

17、，须待一个循环结按停止按钮后，系统不立即停止工作，须待一个循环结 束后再停止工作。束后再停止工作。 l习题习题2：水槽充灌：水槽充灌 l设设P1P1和和P2P2两台水泵，当液位低于两台水泵，当液位低于L1L1时，启动一时，启动一 台水泵；当液位低于台水泵；当液位低于L2L2时，启动两台水泵。同时，启动两台水泵。同 时要求，单台工作时。时要求，单台工作时。P1P1、P2P2轮流工作。轮流工作。 L2 L1 P1 P2 l水槽充灌水槽充灌SFCSFC图图 0 1 23 4 5 P1=ON，P2=ON P1=ON，P2=OFF P1=OFF，P2=OFF P1=OFF，P2=OFF P1=OFF，P

18、2=ON P1=ON，P2=ON L2以上以上 L2以下以下 L1以下以下 L1以上以上 L1以下以下 L2以下以下 L2以上以上 L1以上以上 l习题习题3：电梯控制：电梯控制 l以三层电梯为例以三层电梯为例 1层层 上呼按钮及指示灯上呼按钮及指示灯 2层层 上呼按钮及指示灯上呼按钮及指示灯 2层层 下呼按钮及指示灯下呼按钮及指示灯 3层层 下呼按钮及指示灯下呼按钮及指示灯 1层平层行程开关层平层行程开关 2层平层行程开关层平层行程开关 3层层 平层行程开关平层行程开关 lI/O分配分配 lX1 一层平层开关； lX2 二层平层开关； lX3 三层平层开关； lX4 一层向上（1U）呼叫；

19、lX5 二层向上（2U）呼叫； lX6 二层向下（2D）呼叫； lX7 三层向下（3D）呼叫； lY0向上；Y1向下； lY21U指示；Y32U指示； lY43U指示；Y52D指示； lR1有1U；R2有2U； lR21有2D；R3有3D。 lT1上升时，2层停定时； lT2上升时，3层停定时； lT3下降时，2层停定时； lT4下降时，1层停定时； 3秒到&下面有呼叫 （2U或2D或1U之1） 2层到&有2D呼叫 或到2层&无1U&有2U 3秒到&有1U呼叫 到2层&无2U呼 叫&有3D呼叫 R10在1层 R11上升 上面有呼叫 （2U或2D或3D之1） R12停3秒 2层到&有2U呼叫 或

20、到2层&无3D&有2D R13上升 3秒到&有3D呼叫 R14停3秒 3层到&有3D呼叫 R15下降 R16停3秒 R17下降 R18停3秒 1层到 到2层&无2D呼叫 &有1U 3秒到 3秒到&上面无呼叫& 下面有1U呼叫 3秒到&下面无1U呼 叫&上面有3D呼叫 SFC图图 l习题习题4：自动售货机控制：自动售货机控制 l动作要求：动作要求： l1）可投）可投1元、元、5元、元、10元币。元币。 l2）果汁每瓶）果汁每瓶12元，啤酒每瓶元，啤酒每瓶15元。元。 l3）投币总额大于等于）投币总额大于等于12元时，果汁指示灯亮；元时，果汁指示灯亮； 大于等于大于等于15元时，果汁及啤酒指示灯均

21、亮。元时，果汁及啤酒指示灯均亮。 l4）果汁指示灯亮时，按果汁按钮，售出果汁。）果汁指示灯亮时，按果汁按钮，售出果汁。 l5）啤酒指示灯亮时，按啤酒按钮，售出啤酒。）啤酒指示灯亮时，按啤酒按钮，售出啤酒。 l6）计算货款余额，并以）计算货款余额，并以1元硬币找零。元硬币找零。 l自动售货机自动售货机SFCSFC图图 0 1 2 2 3 输出果汁输出果汁 计算余额计算余额 退款计数退款计数 退款计数为零退款计数为零 余额不为零余额不为零 余额为零余额为零 2 4 5 输出啤酒输出啤酒 计算余额计算余额 退款计数退款计数 退款计数为零退款计数为零 余额不为零余额不为零 余额为零余额为零 啤酒按钮啤

22、酒按钮果汁按钮果汁按钮 总金额计算总金额计算 确认可买饮料确认可买饮料 投币计数投币计数 l自动售货机自动售货机SFCSFC图图 输出啤酒输出啤酒 计算余额计算余额 0 1 2 输出果汁输出果汁 计算余额计算余额 2 4 5退款计数退款计数 退款计数为零退款计数为零 余额不为零余额不为零 啤酒按钮啤酒按钮果汁按钮果汁按钮 总金额计算总金额计算 确认可买饮料确认可买饮料 投币计数投币计数 余额为零余额为零 l习题习题5 5：十字路口交通灯控制：十字路口交通灯控制 控制要求为总控开关闭合后，按先东西向绿灯控制要求为总控开关闭合后，按先东西向绿灯 亮（南北向红灯）的顺序控制，具体动作顺序为：亮（南北

23、向红灯）的顺序控制，具体动作顺序为： 东西向绿灯亮东西向绿灯亮4 4秒秒东西向绿灯闪东西向绿灯闪2 2秒秒东西向黄灯东西向黄灯 亮亮2 2秒秒东西向红灯亮东西向红灯亮8 8秒；秒； 与其对应的南北向各灯控制：与其对应的南北向各灯控制： 南北向红灯亮南北向红灯亮8 8秒秒南北向绿灯亮南北向绿灯亮4 4秒秒南北向绿灯南北向绿灯 闪闪2 2秒秒南北向黄灯亮南北向黄灯亮2 2秒；秒； l交通灯控制交通灯控制I/OI/O分配分配: : lX0X0总控开关；总控开关； lY0Y0东西向红灯；东西向红灯； lY1Y1东西向黄灯；东西向黄灯； lY2Y2东西向绿灯；东西向绿灯； lY3Y3南北向红灯；南北向红

24、灯； lY4Y4南北向黄灯；南北向黄灯； lY5Y5南北向绿灯；南北向绿灯； l1 1、直接使用高级语言设计、直接使用高级语言设计 l需解决的关键问题：需解决的关键问题： l1 1）监控计算机与）监控计算机与PLCPLC的通信的通信 l 利用利用PLCPLC生产厂家提供的通信协议来实现。生产厂家提供的通信协议来实现。 l2 2）数据的提取）数据的提取 l 主要是文本字符串的处理问题。主要是文本字符串的处理问题。 l3 3）显示数据与通信数据之间的转换）显示数据与通信数据之间的转换 l 通常显示数据要求以工程单位显示，而通通常显示数据要求以工程单位显示，而通 信数据是信数据是PLCPLC的内部数

25、据，应在监控计算机上的内部数据，应在监控计算机上 完成数据的转换。完成数据的转换。 l2 2、使用工控组态软件设计、使用工控组态软件设计 l需解决的关键问题：需解决的关键问题： l1 1）工控组态软件是否支持所使用的）工控组态软件是否支持所使用的PLCPLC l 如支持，则工控组态软件可完成数据传输、如支持，则工控组态软件可完成数据传输、 数据的提取、及显示数据与通信数据之间的转数据的提取、及显示数据与通信数据之间的转 换等，可直接使用最终转换好的数据。换等，可直接使用最终转换好的数据。 l 如不支持，则需开发相应的接口软件。如不支持，则需开发相应的接口软件。 l2 2）是否需使用高级语言功能）是否需使用高级语言功能 l 如需要，则需解决高级语言与工控组态软如需要，则需解决高级语言与工控组态软 件的数据交换问