可编程序控制器 在电气控制系统中应用

第8章

可编程序控制器在电气控制系统中的应用可编程序控制器不仅广泛地应用在各种工业部门，而且扩展到了楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等各个领域。8.1可编程序控制器控制系统

设计的基本步骤8.1.1被控系统的分析对被控系统进行调查研究，搜集、分析一切与被控对象相关的工艺、机械和电气等方面的资料。明确实现系统控制各种功能和要求。

功能和要求被控系统应用的环境，系统机械、液压、电气和仪表等组成设备各自的作用和相互的关系；系统机械和电气等部件实现具体功能的动作顺序、动作条件、驱动要求（如驱动电压、电流等）和保护措施等；被控对象的参数（如压力、温度等）；系统采用的操作方式（手动、半自动、自动、连续、单步等）；人机接口和监控的方式。PLC在系统中的控制作用PLC在系统中需要实现的具体控制作用；PLC实现控制功能所需的接口信号（哪些信号应从受控对象输入到PLC，哪些信号需从PLC输出到受控对象；信号是开关量还是模拟量；信号的数量；PLC与计算机等外部设备的相互关系等。8.1.2可编程序控制器系统的

硬件设计保证系统的可靠性；保证完成控制功能；添加自检、报警等功能，使系统功能更为完善；考虑系统的性价比、先进性、可扩展性等因素。选择PLC的输入、输出元件选择合适的输入元件对系统的控制命令和被控制对象的参数等信号进行采集。例如，按钮、行程开关、拨码开关、光电管开关、传感器和变送器等。选择输出元件以驱动受控对象和指示设备等进行工作。例如，继电器线圈、电磁阀线圈、抱闸、风机、指示灯等。2.选择PLC型号及其硬件配置根据被控对象对控制系统要求的复杂程度、控制精度、存储器容量、I/O点数、电气性能指标及特殊功能等因素进行选择。PLC的扩展模块（I/O模块和专用功能模块）的型号、数量等硬件配置则根据PLC输入、输出量的类型和数量以及特殊功能要求进行选择。注意I/O的驱动能力；硬件配置上需要保证一定的冗余，便于控制系统的调整和扩展，但要注意系统的性价比，避免大材小用。例如，接口模块在满足输入信号采集和输出驱动的情况下，还需要保留一些空闲的点数备用。3.分配输入、输出点给各种输入、输出（I/O）信号分配接口模块的接线端子，从而也明确输入、输出继电器的元件号（元件号与它们对应的I/O信号所接的接线端子编号一致）。列出I/O信号表，标明各信号的名称、代号和分配的元件号。4.外设的选择根据功能的要求，选择PLC的其他外部设备。例如，打印机、编程器等。5.画出硬件接线图画出PLC的外部硬件接线图以及其他电气部分原理图、接线图和安装图纸等。8.1.3可编程序控制器系统

的软件设计主要包括：参数表的定义绘制程序框图程序的编写调试编写程序说明书8.1.4现场安装、调试通常先调试各个功能模块，最后进行系统整体调试。对调试中出现的问题，通过修改程序，调整硬件接线，甚至重新选择部分元件等手段进行解决，从而最终实现系统的整体控制要求。8.1.5编写技术文档根据整个设计的要求和实现过程，整理出完整的技术文档，便于系统的维修和改造。技术文档主要包括：使用说服书电气原理图元件明细表程序清单PLC的编程元件参数表等。8.2可编程序控制器

在电机控制中的应用鼠笼式电动机Y-D降压起动控制Y-D降压起动控制，要求在起动时电动机采用Y形接法，经过一段延时，当电动机的转速上升到一定值时，再将其换成D接法。PLC控制的Y-D降压起动系统

的控制电路接线图

元件分配表输入元件元件号输出元件元件号辅助元件元件号起动按钮SB1I0.0主电路线圈KM1Q0.1定时器：定时5秒T37停止按钮SB2I0.1Y形启动线圈KM2Q0.2D形运行线圈KM3Q0.3采用顺序功能图法设计的梯形图程序

8.2.2异步电动机的调速1.调速方法改变转差率s调速的方法改变磁极对数p的变极调速改变供电电源的频率f1的变频调速2.基于PLC的变频调速（1）变频器变频调速需要采用专门的变频设备。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它主要采用交－直－交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、滤波、逆变和控制4个部分组成。变频器的控制方式V/F=常数的正弦脉宽调制电压空间矢量控制矢量控制直接转矩控制矩阵式交－交控制方式V/F=常数的正弦脉宽调制特点：控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。电压空间矢量控制方式以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，可以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。矢量控制方式矢量控制变频调速是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。直接转矩控制方式直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。矩阵式交－交控制方式该方式省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术的实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。（2）PLC＋变频器的调速方案PLC对变频器通常采用两种方式进行控制：开关量＋模拟量方式串口通讯方式开关量＋模拟量方式利用PLC的开关量和模拟量接口模块与变频器相联，按照变频器的工作方式产生相应的控制信号，控制变频器的输出频率。串口通讯方式利用RS-232或RS-485串口，只需一根双芯屏蔽电缆就可更改控制功能，通过串行接口设置和修改变频器的参数还可以连续对变频器的特性进行监视和控制。8.2.3步进电机的控制步进电动机：是一种用电脉冲信号进行控制的同步电动机，它将输入电脉冲信号转换成直线位移或角位移，其位移量与脉冲的个数成正比，线速度或转速与脉冲的频率成正比，通过改变脉冲的顺序来改变电机的转向。借助于PLC的集成脉冲输出，通过控制步进电机来实现相对的位置控制。PLC控制步进电机基本结构图

8.3可编程序控制器在机床控制系统中的应用8.3.1车床控制1.硬件接线图2.元件分配表

输入元件元件号输出元件元件号辅助元件元件号M1停止按钮SB1I0.0线圈KM1Q0.0定时器：10秒T37M1点动按钮SB2I0.1线圈KM2Q0.1定时器：10秒T38M1正向起动按钮SB3I0.2线圈KM3Q0.2位存储器M0.1M1反向起动按钮SB4I0.3线圈KM4Q0.3位存储器M0.2M2停止按钮SB5I0.4线圈KM5Q0.4位存储器M0.3M2起动按钮SB6I0.5线圈KAQ1.0位存储器M0.4速度继电器KSF触头I0.6速度继电器KSR触头I0.7行程开关SQI1.03.梯形图程序设计8.3.2铣、镗床控制采取基于PLC的C650卧式车床控制设计的思路，在不改变主电路的基础上，对XA6132铣床和T68镗床的电气控制电路进行调整，采用西门子的CPU226进行控制。XA6132铣床输入、输出元件分配表输入元件元件号输出元件元件号主轴电机M2控制：主轴电机M2方向选择开关SA4I0.0正转线圈KM1Q0.4M2停止按钮SB1I0.1反转线圈KM2Q0.5M2停止按钮SB2I0.2M2中间继电器线圈KA1Q0.6M2起动按钮SB3I0.3制动电磁摩擦离合器线圈YBQ0.0M2起动按钮SB4I0.4主轴变速行程开关SQ5I0.5

输入元件元件号输出元件元件号工作台进给控制：转换开关SA3I0.6左/前/下向进给线圈KM3Q0.7行程开关SQ1I0.7右/后/上向进给线圈KM4Q1.0行程开关SQ2I1.0中间继电器KA2Q1.1行程开关SQ3I1.1进给离合器YC1Q0.1行程开关SQ4I1.2快移离合器YC2Q0.2快速移动按钮SB5I1.3快速移动按钮SB6I1.4变速冲动行程开关SQ6I1.5其它控制：冷却泵旋转式转换开关SA1I1.6冷却泵中间继电器线圈KA3Q1.2主轴上刀制动开关SA2I1.7T68镗床输入、输出元件分配表

输入元件元件号输出元件元件号主电机M1控制：正向点动按钮SB3I0.0正转线圈KM1Q0.0反向点动按钮SB4I0.1反转线圈KM2Q0.1高/低速正向控制按钮SB2I0.2三角形连接线圈KM3Q0.2高/低速反向控制按钮SB5I0.3中间继电器KAQ0.3高低速转换限位开关SQ1I0.4制动电磁摩擦离合器线圈YBQ0.4停止按钮SB1I0.5高速转动控制线圈KM4Q0.5变速冲动控制限位开关SQ2I0.6高速转动控制KM5线圈Q0.6M2快速移动控制：正转限位开关SQ5I0.7正转线圈KM6Q0.7反转限位开关SQ6I1.0反转线圈KM7Q1.0注意XA6132铣床和T68镗床的PLC控制电路中，各种输入、输出量均为开关量，可直接接到PLC的开关量I/O口上。XA6132铣床的控制电路中有直流和交流元件，在PLC输出端要分开连接；T68镗床的两个限位开关SQ3和SQ4直接串联在PLC输出模块的电源和公共端COM间，实现主轴箱、工作台与主轴机动进给的互锁功能。8.4可编程序控制器在工业控制系统中的应用8.4.1机械手控制机械手是模拟人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动搬运、抓举和装配等操作。它可将操作人员从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来，极大地提高生产的自动化水平和劳动生产率，保证产品质量和实现安全生产，特别是在高温、危险、有害的恶劣环境中。机械手的组成和结构机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置所组成。执行机构为机械手的主体部分，主要包括手部、手腕、手臂、立柱、行走机构和机座等。驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置，常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等。控制系统是机械手的核心部分，它支配机械手按规定的程序运行，记忆给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时，对机械手的动作进行监视；位置检测装置主要用于控制机械手的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，与设定的位置进行比较，再通过控制系统进行调整，以达到所需的精度控制。机械手动作原理图控制要求机械手将A处的工件搬运到B处的操作过程图机械手共有6个动作：上升/下降；左行/右行；夹紧/放松。机械手的动作由汽缸驱动；汽缸由相应的电磁阀进行控制。说明上升/下降、左行/右行4个动作——分别由单独的电磁阀控制；夹紧/放松动作——由一个电磁阀控制。电磁阀线圈通电，机械手夹紧；反之，机械手放松。各个动作的起动和停止由相应的按钮和限位开关进行控制。机械手的操作方式手动；自动。自动操作方式分为：步进、单周期和连续操作。机械手的操作方式通过按钮进行选择。手动操作利用按钮操作对机械手的每一步运动进行单独控制。步进操作方式下，每按一次起动按钮，机械手完成一步动作后自动停止；单周期操作是在按下起动按钮后，机械手自动完成一个搬运周期后停止；连续操作为按下起动按钮后，机械手自动不间断的重复完成搬运工作，直到按下停止按钮，机械手完成当次搬运，回到原位自动停止。自动操作方式2.系统设计系统采用西门子的CPU226构成PLC控制电路。机械手控制系统共使用了15个输入点，各输入元件均采用其常开触点与PLC相连；输出点除驱动5个电磁阀外，还设置了一些指示灯。例如：操作方式指示灯，当这4个指示灯均不点亮时，为停止状态。元件分配表

输入元件元件号输出元件元件号手动操作选择按钮SB1I0.0上升电磁阀YV1Q0.0步进操作选择按钮SB2I0.1下降电磁阀YV2Q0.1单周期操作选择按钮SB3I0.2左行电磁阀YV3Q0.2连续操作选择按钮SB4I0.3右行电磁阀YV4Q0.3起动按钮SB5I0.4夹紧电磁阀YV5Q0.4停止按钮SB6I0.5手动操作指示灯Q1.0上升按钮（手动）SB7I0.6步进操作指示灯Q1.1下降按钮（手动）SB8I0.7单周期操作指示灯Q1.2左行按钮（手动）SB9I1.0连续操作指示灯Q1.3右行按钮（手动）SB10I1.1原点指示Q1.4夹紧（手动）开关QS1I1.2上限位开关SQ1I1.3下限位开关SQ2I1.4左限位开关SQ3I1.5右限位开关SQ4I1.63.程序设计主程序手动操作子程序

连续操作子程序

8.4.2模拟量采集在生产、生活的各种领域中，通常需要对温度、压力、流量、重量等连续变化的模拟量进行处理和控制。PLC利用模拟量I/O模块，实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换和D/A转换。在生产中，温度是最常见的一种模拟量信号，PLC厂商专门生产了相应的热电阻、热电偶模块。系统构成温度采集系统由CPU224、模拟量扩展模块EM235和PT100温度传感器构成。EM235的A输入端采集PT100的端电压信号。将A端的量程设为0～10V的单极性电压。其它未使用的三个模块量输入端（B+/B-，C+/C-和D+/D-）短路。PT100——铂电阻温度传感器，适用于测量-60ºC到400ºC之间的温度。在0ºC时的电阻值为100Ω，随着温度的变化，电阻呈线性变化，约为0.4Ω/ºC。EM235——是西门子公司生产的输出模拟量扩展模块（4路模拟量输入和2路模拟量输出），具有12位的分辨率和多种输入/输出范围，能够不用外加放大器而与传感器和执行器直接相连。EM235通过总线连接电缆与CPU互相连接，并利用CPU的24V直流给EM235供电。说明为了把PT100的随温度变化的电阻转换成电压，EM235的模拟量输出端Io输出12.5mA恒电流（设置AQW0＝20000）供给PT100传感器。在A+/A-端产生5mV/ºC的线性输入电压。EM235把这个电压转换成数字量，通过程序周期性的读这些数字量，并利用公式计算出温度值：T＝（温度数字量－偏置量ºC）/1ºC数字量ºC偏置量是在ºC时测量出来的数字量。采集到的温度数字量被存储在AIW0中；由于10V对应的数字量为32000在ºC时，PT端电压的值为：4000（100Ω×0.0125A×32000/10V）1ºC数字量——温度每升高1ºC的数字量，其值为16（0.005V×32000/10V）。程序设计特殊标志位存储器SM0.1只在首次扫描时为1，用于引导程序的初始化。程序通过传送指令MOVW将1ºC数字量16存储在VW100中，将ºC偏置量4000存储在VW102中，同时还将20000写入AQW0，使EM235产生12.5mA输出；通过MOVD将VD100双字清零，用于存储温度计算中除法的结果。梯形图程序

如果模拟信号直接来源于电压或电流变送器8.4.3PLC在楼宇自动化和家用电器中的应用由于PLC优良的性能特点，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业、楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等各个领域。高塔供水（1）控制要求以某生活小区供水为例，生活水塔高50米，由泵站中额定电压为380V的三台水泵为其供水。水塔内正常水位的控制由安装在水箱内的上、下液位开关进行检测，设定水位的变化为2米。水位的检测也可采用液位继电器、液位变送器等液位测量仪器。水泵电机控制要求：电机额定运行时定子绕组为D连接，采用Y-D降压起动，降压起动到全压运行的转换时间为5秒。三台电机需要错开时间起动，一台电机全压运行10秒后，下一台电机才能开始起动。电机有过载保护。采用手动和自动两种工作方式。手动方式是由操作者分别起动每台水泵机组；自动方式下，水泵的起、停控制由液位开关自动控制。正常情况下，两台水泵机组运行一台备用，为防止备用泵的长期闲置，操作台上用按钮任意切换。任一台电机出现故障，备用机应立即投入运行。控制台上应能对水泵的状态及液位等信号进行显示。 （2）系统设计M1～M3为水泵电机，每台电机用3个接触器分别控制电源、Y起动和D运行；FR1～FR3为三台电机过载保护的热继电器。系统采用在水泵出口处设置压力继电器SP1～SP3的手段，检测电机是否工作正常。主电路

元件分配表

输入元件元件号输出元件元件号1M备用按钮SB1I0.0KM1线圈Q0.02M备用按钮SB2I0.1KM2线圈Q0.13M备用按钮SB3I0.2KM3线圈Q0.21M手动起动按钮SB4I0.3KM4线圈Q0.32M手动起动按钮SB5I0.4KM5线圈Q0.43M手动起动按钮SB6I0.5KM6线圈Q0.5选择开关：手动方式I0.6KM7线圈Q0.6选择开关：自动方式I0.7KM8线圈Q0.7输入元件元件号输出元件元件号1M热继电器触点I1.0KM9线圈Q2.02M热继电器触点I1.11＃备用指示灯Q1.03M热继电器触点I1.22＃备用指示灯Q1.1水位上限液位开关Q1I1.33＃备用指示灯Q1.2水位上限液位开关Q2I1.4水位上限报警灯Q1.3压力继电器SP1I1.5水位下限报警灯Q1.4压力继电器SP2I1.61＃故障指示灯Q1.5压力继电器SP3I1.72＃故障指示灯Q1.61＃泵停止按钮SB7I2.03＃故障指示灯Q1.72＃泵停止按钮SB8I2.13＃泵停止按钮SB9I2.2总停止按钮SB0I2.3（3）程序设计1）备用机组选择及水泵机组的起动PLC首次启动时，首先选择备用机组；在运行过程中，也可通过按钮改变备用机组。在自动工作方式下，水泵机组采用联动方式。根据选择的备用机组，首先起动备用机组的后一台机组。例如，如果选择了2＃机组备用，则在水箱内水位过低造成下液位开关动作时，首先起动3＃机组。PLC接通线圈KM8选择Y形连接，然后接通线圈KM7接通3＃机组的电机M3，5秒后，断开线圈KM8后接通线圈KM9，电机切换为D运行。经过10秒后，再采用同样的过程起动1＃机组。其中，使用PLC内部定时器实现定时5秒和10秒的功能。如果3＃机组备用，则先起动1＃机组，再起动2＃机组。注意备用机组发生改变时，首先判断该水泵机组是否运行，如果正在运行，则先停止该机组电机，进入备用状态，10秒后再启动原先的备用机组工作。反之，只记录所选备用机组，等待下液位开关动作时按前述联运方式起动运行。当水箱内水位升高造成上液位开关动作或者按下总停止按钮时，各机组停止工作。程序流程图

2）故障的检测及处理在任何一台运行机组出现故障时，立即停止该机组的运行，同时进行声、光报警，然后使备用机组自动投入运行。水泵机组故障主要有两种情况：当某机组运行后，水泵出水压力很低，表明机组存在各种机械或电气故障，使水泵不能正常工作。系统在机组出水管处装设压力继电器，通过其动作压力和管路压力的比较来检测是否存在故障；水泵电机过载运行。针对电机长期过负荷工作或由于缺相引起的过载现象，采用热继电器进行检测。3）工作方式的切换手动/自动转换开关是一个用动触点完成两种工作方式切换的开关，保证了只能选择其中一种工作方式。在进行工作方式的切换操作时，要求首先按下总停止按钮SB0，然后进行工作方式的选择。手动状态下，通过手动起动和停止控制按钮（SB4～SB9）分别对各个水泵机组进行单独控制。手动方式通常用于系统的调试。无塔供水最基本的方式是直接利用水泵加压供水。与高塔供水情况相同，在用水量大时电机满负荷运行，而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态，这种情况一方面需要消耗大量的电能，造成能量的浪费；另一方面，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故。2.无塔供水基于PLC的变频调速恒压控制的无塔供水系统成为现代供水控制系统的主要方式，广泛地应用于工业、农业、科研和民用等领域。无塔供水系统利用PLC、传感器、电气控制设备、变频器及水泵机组组成闭环控制系统。PLC根据给定的压力信号和检测到的供水管网压力反馈信号，通过模糊控制或PID控制等处理，控制变频器调节水泵转速，使供水管网用户段不管用水量的大小，均保持管网水压基本恒定。无塔供水系统既可满足用户对水的需求，又减小了电能的浪费，具有自动化程度高、高效节能、安全卫生、维护方便等特点，还极大地改善环境污染。同时，由于用变频器驱动的交流异步电动机能够快速平稳的进行调