第九章可编程控制器控制系统设计

1、电气控制与PLC 第第六六章章 可编程控制器应用系统设计可编程控制器应用系统设计 第一节 可编程控制器应用系统设计基本内容和步骤 本节介绍可编程控制器应用系统设计的原则、方法和步骤 。o一、 PLC应用系统设计的原则 o1. 硬件设计o 选择PLC的型号、I/O点数、存储器容量等内容时，应留有适当的余量，以利于系统的调整和扩充。o2. 软件设计二、二、PLC应用系统设计的内容应用系统设计的内容 拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据；计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据； 选择电气传动形式和电动机、电

2、磁阀等执行机构；选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； 选定选定PLC的型号；的型号； 编制编制PLC的输入的输入/输出分配表或绘制输入输出分配表或绘制输入/输出端子输出端子接线图；接线图； 根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计； 了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，了解并遵循用户认知心理学，重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系；增强人与机器之间的友善关系； 设计操作台、电气柜及非标准电器元部件；设计操作台、电气柜及非标准电器元部件

3、； 编写设计说明书和使用说明书。编写设计说明书和使用说明书。根据具体任务，上述内容可适当调整。根据具体任务，上述内容可适当调整。三、 可编程控制器系统设计步骤 o1. 熟悉被控对象，制定控制方案 在分析被控对象的基础上，根据PLC的技术特点，与继电接触器控制系统、DCS系统、微机控制系统进行比较，优选控制方案。 o2. 确定IO点数及类型 o 根据被控对象，确定用户所需的输入、输出设备，并确定PLC的I/O点数和类型。确定I/O点数时则要按实际I/O点数再向上附加2030的备用量。 o 选择I/O类型主要考虑：数字量模拟量、电流容量、电压等级、工作速度等。常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开

4、关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 PLC的选择主要考虑结构形式、性能、容量、输出类型、控制功能。的选择主要考虑结构形式、性能、容量、输出类型、控制功能。三、 可编程控制器系统设计步骤 o 3. 选择PLC机型o 对于以开关量控制为主的系统，PLC响应时间无需考虑。一般的机型都能满足要求。对于有模拟量控制的系统，特别是闭环控制系统，则要注意PLC响应时间，根据控制的实时性要求，选择合适的高速PLC。有时也可选用快速响应模块和中断输入模块来提高响应速度。o 若被控对象不仅有逻辑运算处理，同时还有算术运算，如A/D、D/A、BCD码、PID、中断等控制，则需选择指令功

5、能丰富的PLC。 o 若控制系统需要进行数据传输通信，则应选用具有联网通信功能的PLC。一般PLC都带有通信接口如RS232、RS422、RS485，但有些PLC通信口仅能用于连接手持式编程器。 三、 可编程控制器系统设计步骤 o4. 选择输入输出设备，分配PLC的I/O地址o 根据生产设备现场需要，确定控制按钮、行程开关、接触器、电磁阀、信号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的I/O端子的对照表，以便绘制PLC外部I/O接线图和编制程序。o5. 设计PLC应用系统电气图纸 PLC应用系统电气线路图主要包括电动机的主电路、PLC外部IO电路

6、图、系统电源供电线路、电气元件清单，以及电气控制柜内电器安装位置图、电气安装接线图等工艺设计。详细内容参看本章第5节。三、 可编程控制器系统设计步骤o6. 程序设计 根据程序设计思想，绘出程序流程框图，然后以编程指令为基础，画出程序梯形图，编写程序注释。 o7. 系统调试 根据电气接线图安装接线，用编程工具将用户程序输入计算机，经过反复编辑、编译、下载、调试、运行，直至运行正确。o8. 建立文档 系统技术文件包括说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图 第二节第二节 应用程序设计方法应用程序设计方法 一、 应用程序设计的基本内容 PLC程序设计的基本内容一般包括参数表的定义

7、及地址分配、程序流程框图绘制、程序编制、程序调试和程序使用说明书等五项内容。 二、 参数表的定义及地址分配 三、 梯形图的功能流程图设计 o 1. 功能流程图的组成 功能（状态）流程图由状态、转换、转换条件和动作说明四部分组成。 第i+1步执行的动作第i步执行的动作ab第i-1步执行的动作Xi-1XiXi+1第三节第三节 PLC应用举例应用举例 一、 组合机床的PLC控制系统 o 液压动力滑台采用电磁换向阀来实现动力头的快进、工进和快退，其一个工作循环的工步图如图7.6所示。换向阀电磁铁通断电及动力头工作状态见表7.1 。o1. PLC外部输入输出设备和机型选择 SB2、SB1用作起、停控制开

8、关信号，SQ1，SQ2，SQ3作为位置检测开关信号，接至 PLC输入端，需占用五个输入端，电磁铁YV1-1，YV1-2，YV2需占用三个输出端点，液压泵电机采用开关直接控制起停，主轴电机采用继电接触器构成起停控制，而不需要用PLC 控制，选用10点（6入，4出）以上的PLC，即可满足本系统的简单控制要求。 2. PLC外部电气接线图及I/O地址分配表 o PLC外部接线图，输入输出设备、负载电源的类型等的设计应结合系统的控制要求来设定。液压动力滑台PLC外部接线图如图7.7所示。 +24V1MI0.5I0.4I0.3I0.2I0.1I0.0KMSQ3SQ1SQ2SB2SB1L1GNDN1L22

9、0VAC+24VQ0.0Q0.1Q0.2PLCYV2YV1-2YV1-13. 程序设计 o 依照流程图的设计思想，用传统的顺序控制的程序结构，画出满足控制要求的梯形图 。 原 位延时2秒周期结束SQ1=1KT=1快退停留SQ3=1SQ2=1工进快进SB2=1YV1-1=1 YV2=1YV1-1=1 YV2=0YV1-1=0 YV2=0 YV1-2=1二、全自动洗衣机PLC控制系统设计 1.全自动洗衣机的工作简介 全自动洗衣机的实物示意图如下图所示。全自动洗衣机的洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。外桶固定，作盛水用。内桶可以旋转，作脱水（甩水）用。内桶的四周有很多小孔，使内外桶的

10、水涌相通。该洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统使进水阀打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀打开，将水由外桶排出到机外。洗涤正转、反转由洗涤电动机驱动波盘正、反转来实现，此时脱水桶并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电动机带动内桶正转进行甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工作。停止按钮用来实现手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。自动洗衣机示意图自动洗衣机示意图 按下启动按扭，开始进水，水满（即水位到达高低）时停按下启动按扭，开始进水，水满（即水位到达高低）时停止进水。

11、止进水。 2秒后开始洗涤。秒后开始洗涤。 洗涤时，正转洗涤时，正转15秒后暂停，暂停秒后暂停，暂停3秒后开始反转洗涤，反秒后开始反转洗涤，反转洗涤转洗涤15秒后暂停，暂停秒后暂停，暂停3秒。秒。 如此循环如此循环3次，总共次，总共108秒后开始排水，排空后（水位下降秒后开始排水，排空后（水位下降到低位）开始脱水并继续排水。脱水到低位）开始脱水并继续排水。脱水10秒即完成一次从进水到秒即完成一次从进水到脱水的工作循环过程。脱水的工作循环过程。 若未完成若未完成3次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进次大循环，则返回从进水开始的全部动作，进行下一次大循环；若完成了行下一次大循环；若完成了3次大循

12、环，则进行洗完报警。次大循环，则进行洗完报警。 报警报警10秒结束全部过程，自动停机。秒结束全部过程，自动停机。 此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按扭可停止进水、此外按排水按钮可实现手动排水；按停车按扭可停止进水、排水、脱水及报警。排水、脱水及报警。 2.控制要求控制要求PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。3.主电路设计主电路设计4.PLC的选择的选择PLC的选择主要考虑结构形式、性能、容量、输出类型、控制功能。的选择主要考虑结构形式、性能、容量、输出类型、控制功能。(1) PLC的的I/O选择选择 PLC的I/O选择非常重要，I/O点数既

13、要满足需求也要考虑经济效益，一般I/O点数多的PLC价格比较贵，特别是大型PLC，虽然速度比较快，但是体积大、价格贵，不适合一般情况下使用。在全自动洗衣机PLC控制系统中，我们只实现单机自动化，并只用到了5个输入点（排水按扭、启动按扭、停止按扭、低水位开关、高水位开关）和6个输出点（进水、电动机正转、电动机反转、排水、脱水、报警），故使用小型PLC即可。在设计中，我们采用输入输出点数为16点的PLC。 （2）PLC的输出类型的选择的输出类型的选择 PLC的输出有三种类型：继电器输出型，为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路；可控硅输出型，为无触点输出方式，用于接通

14、或断开开关频率较高的交流电源负载；晶体管输出型，为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。在对频率要求不高的情况下，我们采用继电器输出。（3）PLC的控制功能的选择的控制功能的选择 对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能够满足要求。 对于以开关量控制为主，带有少量的模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机。 对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档机或者高档机。 对于工艺过程比较固定、环境条件比较好的场合，选用整体式结构PLC。 在全自动洗衣机PLC控制系

15、统中，主要以开关量进行控制，所以我们采用低档的PLC既可以满足要求。在设计中我们用到的PLC型号为FX2N-32MR-001。5.PLC的的I/O分配表及接线图分配表及接线图将5个输入信号、6个输出信号按各自的功能类型分类，并与PLC的I/O点一一对应，编排地址，下表是外部I/O信号与PLC的I/O接点地址分配表。表 外部I/O信号与PLC的I/O接点地址分配表输入分配输出分配输入器件PLC的输入端子输出器件PLC输出端子排水按扭SB1X0电动机正转KM1Y0停止按扭SB3X1电动机反转KM2Y1启动按扭SB2X2进水YA1Y2低水位开关SQ1X3排水YA2Y3高水位开关SQ2X4脱水YA3Y

16、4报警显示HLY5根据I/O分配表绘出PLC的I/O接线图 6.程序设计程序设计第四节第四节 可编程控制器的安装与维护可编程控制器的安装与维护一、问题提出一、问题提出 可编程控制器是一种新型的通用自动化控制装置，它有许多优点，尽管可编程控制器在设计制造时已采取了很多措施，是它对工业环境比较适应，但是工业生产现场的工作环境较为恶劣，为确保可编程控制器控制系统稳定可靠，还是应当尽量使可编程控制器有良好的工作环境条件，并采取必要抗干扰措施。 （一）安装的注意事项 1 安装环境 为保证可编程控制器工作的可靠性，尽可能地延长其使用寿命，在安装时一定要注意周围的环境，其安装场合应该满足以下几点： （ 1

17、）环境温度在 0 55 范围内。 （ 2 ）环境相对湿度应在 35 85 范围内。 （ 3 ）周围无易燃和腐蚀性气体。 （ 4 ）周围无过量的灰尘和金属微粒。 （ 5 ）避免过度的震动和冲击。 （ 6 ）不能受太阳光的直接照射或水的溅射。 2 注意事项 （ 1 ）可编程控制器的所有单元必须在断电时安装和拆卸。 （ 2 ）为防止静电对可编程控制器组件的影响，在接触可编程控制器前，先用手接触某一接地的金属物体，以释放人体所带静电。 （ 3 ）注意可编程控制器机体周围的通风和散热条件，切勿将导线头、铁屑等杂物通过通风窗落入机体内。二、可编程控制器的安装和接线二、可编程控制器的安装和接线1 PLC 系

18、统的安装 FX 系列可编程控制器的安装方法有底板安装和 DIN 导轨安装两种方法。 （ 1 ）底板安装。利用可编程控制器机体外壳四个角上的安装孔，用规格为 M4 的螺钉将控制单元、扩展单元、 A/D 转换单元、 D/A 转换单元及 I/O 链接单元固定在底板上。 （ 2 ） DIN 导轨安装。利用可编程控制器底板上的 DIN 导轨安装杆将控制单元、扩展单元、 A/D 转换单元、 D/A 转换单元及 I/O 链接单元安装在 DIN 导轨上。安装时安装单元与安装导轨槽对齐向下推压即可。将该单元从 DIN 导轨上拆下时，需用一字形的螺丝刀向下轻拉安装杆。 （二）安装与接线 PLC 系统的接线主要包括

19、电源接线、接地、 I/O 接线及对扩展单元接线等。 （ 1 ）电源接线。 FX 系列 PLC 使用直流 24V 、交流 100V 120V 或 200V 240V 的工业电源。 FX 系列 PLC 的外接电源端位于输出端子板左上角的两个接线端。使用直径为 0.2cm 的双绞线作为电源线。过强的噪声及电源电压波动过大都可能使 FX 系列可编程控制器的 CPU 工作异常，以致引起整个控制系统瘫痪。为避免由此引起的事故发生，在电源接线时，需采取隔离变压器等有效措施，且用于 FX 系列可编程控制器， I/O 设备及电动设备的电源接线应分开连接，。 2 PLC 系统的接线所有外部设备都上电后再将方式选择

20、开关由“ STOP ”方式设置为“ RUN ”方式。 将 FX 系列 PLC 编程设置为在外部设备未上电前不进行输入、输出操作。 当控制单元与其他单元相接时，各单元的电源线连接应能同时接通和断开。 当电源瞬间掉电时间小于 10ms 时，不影响 PLC 的正常工作。 为避免因失常而引起的系统瘫痪或发生无法补救的重大事故，应增加紧急停车电路。 当需要控制两个相反的动作时，应在 PLC 和控制设备之间加互锁电路。 另外，在进行电源接线时还要注意以下几点： FX 系列 PLC 必须在所有外部设备通电后才能开始工作。为保证这一点，可采取下面的措施：（ 2 ）接地。 良好的接地是保证 PLC 正常工作的必

21、要条件。在接地时要注意以下几点： PLC 的接地线应为专用接地线，其直径应在 2mm 以上。 接地电阻应小于 100 。 PLC 的接地线不能和其他设备共用，更不能将其接到一个建筑物的大型金属结构上。 PLC 的各单元的接地线相连。 （ 3 ）控制单元输入端子接线。 FX 系列的控制单元输入端子板为两头带螺钉的可拆卸板，外部开关设备与 PLC 的之间的输入信号均通过输入端子进行连接。在进行输入端子接线时，应注意以下几点： 输入线尽可能远离输出线、高压线及电机等干扰源。 不能将输入设备连接到带“ . ”端子上。 交流型 PLC 的内藏式直流电源输出可用于输入；直流型 PLC 的直流电源输出功率不

22、够时，可使用外接电源。 切勿将外接电源加到交流型 PLC 的内藏式直流电源的输出端子上。 切勿将用于输入的电源并联在一起，更不可将这些电源并联到其他电源上。 （ 4 ）控制单元输出端子接线。 FX 系列控制单元输出端子板为两头带螺钉的可拆卸板， PLC 与输出设备之间的输出信号均通过输出端子进行连接。在进行输出端子接线时，应注意以下几点： 输出线尽可能远离高压线和动力线等干扰源。 不能将输出设备连接到带“ . ”端子上。 各“ COM ”端均为独立的，故各输出端既可独立输出，又可采用公共并接输出。当各负载使用不同电压时，采用独立输出方式；而各个负载使用相同电压时，可采用公共输出方式。 当多个负

23、载连到同一电源上时，应使用型号为 AFP1803 的短路片将它们的“ COM ”端短接起来。 若输出端接感性负载时，需根据负载的不同情况接入相应的保护电路。在交流感性负载两端并接 RC 串联电路；在直流感性负载两端并接二极管保护电路；在带低电流负载的输出端并接一个泄放电阻以避免漏电流的干扰。以上保护器件应安装在距离负载 50cm 以内。 在 PLC 内部输出电路中没有保险丝，为防止因负载短路而造成输出短路，应在外部输出电路中安装熔断器或设计紧急停车电路。 （ 5 ）扩展单元接线。 若一台 PLC 的输入输出点数不够时，还可将 FX 系列的基本单元与其他扩展单元连接起来使用。具体配置视不同的机型

24、而定，当要进行扩展配置时，请参阅有关的用户手册。 （ 6 ） FX 系列可编程控制器的 A/D ， D/A 转换单元接线。 A/D ， D/A 转换单元的接线方法在有关章节已叙述，下面是连接时的注意事项。 A/D 模块： 为防止输入信号上有电磁感应和噪声干扰，应使用两线双绞式屏蔽电缆。 建议将屏蔽电缆接到框架接地端（ F.G ） 若需将电压范围选择端（ RNAGE ）短路，应直接在端子板上短接，不要拉出引线短接。 应使主回路接线远离高压线。 应确保使用同一组电源线对控制单元和 A/D 单元进行供电。 D/A 模块： 为防止输出信号上有电磁感应和噪声干扰，应使用两线双绞式屏蔽电缆。 建议将屏蔽电

25、缆接到负载设备的接地端。 在同一通道上的电压输出和电流输出不能同时使用。没有使用的输出端子应开路。 应使主回路接线远离高压线。 应确保使用同一组电源线对控制单元和 D/A 单元进行供电。 三、可编程控制器的维护和检修三、可编程控制器的维护和检修 （一）维护检查 可编程控制器的主要构成元器件是以半导体器件为主体，考虑到环境的影响，随着使用时间的增长，元器件总是要老化的。因此定期检修与做好日常维护是非常必要的。 要有一支具有一定技术水平、熟悉设备情况、掌握设备工作原理的检修队伍，做好对设备的日常维修。 对检修工作要制定一个制度，按期执行，保证设备运行状况最优。每台 PLC 都有确定的检修时间，一般

26、以每 6 个月 1 年检修一次为宜。当外部环境条件较差时，可以根据情况把检修间隔缩短。定期检修的内容见表 1 。 表 1 可编程控制器定期检修 序号 检修项目 检修内容 判断标准 1 供电电源 在电源端子处测量电压波动范围是否在标准范围内 电动波动范围： 85 110 供电电压 2 外部环境 环境温度 环境湿度 积尘情况 0 55 3585RH，不结露 不积尘 3 输入输出用电源 在输入输出端子处测电压变化是否在标准范围内 以各输入输出规格为准 4 安装状态 各单元是否可靠固定 电缆的连接器是否完全插紧 外部配线的螺钉是否松动 无松动 无松动 无异常 5 寿命元件 电池、继电器、存储器 以各元

27、件规格为准 （二）故障排除 对于具体的 PLC 的故障检查可能有一定的特殊性。有关 FX 系列的 PLC 故障检查和处理方法见表 2 。 表 2 FX 系列 PLC 故障处理 问题 故障原因 解决方法 输出不工作 输出的电气浪涌使被控设备损坏 程序错误 接线松动或不正确 输出过载 输出被强制 当接到感性负载时，需要接入抑制电路 修改程序 检查接线，如果不正确，要改正 检查输出的负载 检查 CPU 是否有被强制的 I/O CPU SF （系统故障）灯亮 用户程序错误 电气干扰 元器件损坏 对于编程错误，检查 FOR 、 NEXT 、 JMP 、比较指令的用法。 对于电气干扰 - 检查接线。控制盘良好接地和高电压与低电压不要并行引线是很重要的 -