第7章PLC系统设计

第七章PLC的控制系统设计学习目的：学习PLC控制系统的设计方法，提高实际应用的能力。学习内容：综合PLC硬件及软件知识，联系工业控制的实际，介绍小型PLC控制系统设计方法.学习要求：（1）了解PLC控制系统设计的内容和步骤。（2）掌握PLC控制系统硬件配置的方法。（3）掌握PLC应用程序设计方法及其设计技巧。（4）结合工业控制中的应用实例的设计，提高实际应用能力。

第一节

PLC控制系统设计的内容和步骤

设计原则1.最大限度地满足被控对象对生产工艺的要求。2.力求控制系统安全、可靠、优质、经济。3.应考虑到今后控制规模的发展和工艺的改进。设计内容

1．拟定控制系统设计的技术条件。

2．选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构。3．选择PLC机型和扩展模块，配置系统硬件；4．编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图；5．根据系统对控制的要求设计用户程序；

6．设计操作台、电气柜，选择所需的电器元件。7．编写设计说明书和操作使用说明书。根据具体控制对象，上述内容可适当调整。

设计步骤

(一)分析控制对象(二)PLC系统的硬件配置(三)程序设计(四)输入程序并调试程序(五)程序固化

第二节PLC控制系统的硬件配置一、选择PLC机型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比。1．I/O点数的估算2．用户存储器容量的估算3．CPU性能的选择二、开关量I/O模块的选择三、模拟量I/O模块的选择四、智能I/O模块的选择第三节PLC控制系统应用程序的设计PLC系统硬件配置后，可进行应用程序设计。PLC应用程序的设计是软、硬件知识的综合应用，有时硬件设计与应用程序设计可同时进行。

一、程序设计的步骤1．系统框图设计2．分配I/O编号3．设计应用程序4．程序调试5．编写程序说明书自来水厂的系统框图

二、应用程序的设计方法

应用程序设计过程中，应正确选择能反映生产过程的变化参数作为控制参量进行控（例如：取水泵站的控制选用水位作控制参量）；应正确处理各执行电器、各编程元件之间的互相制约、互相配合的关系，即联锁关系（例，水不能溢出水池）（参见第一章第二节）。PLC应用程序的设计方法有多种，常用的设计方法有经验设计法、顺序功能图法等。

（一）经验设计法

经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较多的典型应用程序的基本环节。根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地组合起来。其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳方案，程序初步设计后，还需反复调试、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。教学目的1、掌握顺序控制设计法的设计规律2、掌握功能表图控制的步骤3、功能表图转换为梯形图步骤（二）顺序控制设计法4.顺序控制设计应用编程举例2.顺序功能图的主要类型3.顺序控制梯形图程序设计方法1.顺序控制设计的基本概念

在工业领域中，许多的控制对象（过程）都属于顺序控制，其特点是整个控制过程可划分为几个工步，每个工步中的各个执行机构在各自输入信号的作用下，按照生产工艺预先规定的顺序轮流工作，而且任何时候都只有一个工步在工作。1.顺序控制设计的基本概念一、顺序控制的含义

动画—进入二、顺序控制设计法①.顺序控制设计法基本思想

是将系统的一个工作周期分解成若干个顺序相连的阶段，即“步”，并用编程元件(M和S)来代表各步。动画—进入根据顺序功能图设计PLC顺序控制程序的方法。顺序控制设计法动画系统工艺过程顺序功能图梯形图程序设计转化②.顺序控制设计法基本流程3YA1YAS0.2S0.3启动2YASBS0.0S0.1S0.2S0.31YA2YASBST1ST2ST33YAS0.1ST2ST1ST3顺序功能图S0.21YAST2ST3S0.32YA3YASM0.1SM0.1ST1S0.11YA3YAS0.11YA3YAS0.0SBSB③.顺序功能图

转换条件步动作或命令将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段每一步所完成的工作使系统由前级步进入下一步的信号称为转换条件转换有向线段是一种功能说明性技术语言。主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（命令）组成。

又叫工作步，是控制系统中的一个稳定状态。表示方法：用矩形方框表示各步，方框中可以用数字、编程元件的地址作为步的编号。初始步：系统的初始状态相对应的步称为初始步，初始步用双线方框表示。活动步:正在执行的步。步的划分:根据输出量的状态,在任何一步之内，各输出量的ON／OFF状态不变，但是相邻两步输出量的状态是不同的。S0.2S0.3S0.1S0.1S0.01YAST2ST32YA3YASM0.1SM0.1ST11YA3YA1YA3YASBSB1.步:

转移就是从一个步过渡到另外一个步时的变化。

转移条件：转换条件是与转换相关的逻辑命题转移实现的条件：（1）该转移所有的前级步都是活动步。（2）相应的切换条件得到满足。表示方法：转移用有向线段加一段横线表示某个转移。线段方向即为转移方，代表向下转移的有向线段的箭头可以忽略。转移条件可以用文字语言、布尔代数表达式或图形符号标注在表示转换的短线的旁边。1YA2YA3YA1YA3YA1YA3YAS0.2S0.3S0.1S0.1S0.0ST2ST3SM0.1ST1SBSB12.转移：一个控制系统可以划分为被控系统和施控系统。对于被控系统，在某一步中要完成某些“动作”；对于施控系统，在某一步中则要向被控系统发出某些“命令”，将动作或命令简称为动作。动作的表示：矩形框中的文字或符号表示，该矩形框应与相应的步的符号相连。一步中的动作是同时进行的，与表示方法无关。1YA2YA3YA1YA3YA1YA3YAS0.2S0.3S0.1S0.1S0.0ST2ST3SM0.1ST1SBSB3.动作：四、绘制顺序功能图的规则：1、步与步之间必须有转移隔开。2、转移和转移之间必须有步隔开。3、步和转移、转移和步之间用有向线段连接，正常画功能图的方向是从上到下或从左到右，按照正常顺序画图时，有向线段可以不加箭头，否则必须加箭头。4、一个功能图中至少有一个初始步。5、自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，因此在功能图中应由步和有向连线构成一闭环回路，以体现工作周期的完整性。五.顺序功能图法的优势顺序功能图中的各“步”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。这使系统中大量复杂的联锁关系在“步”的转换中得以解决。对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。编程方法简单、易学，规律性强。程序结构清晰、可读性好，调试方便。工作效率。液压动力头系统动画ST1ST2ST32.顺序功能图的主要类型单序列结构选择序列结构并行序列结构跳转和循环功能图类型

S0.21YAST2ST3S0.32YA3YASM0.1SM0.1ST1S0.11YA3YAS0.11YA3YAS0.0SBSB(1)单序列结构梯形图—进入单序列——最简单的功能图，没有分支，每个步后只有一个步，各步间需要转换条件。分支1分支2●选择序列的结束称为合并，当某个分支的最后一步成为活动步、且转换条件满足时，都要转向合并步

。(2)选择序列结构●序列的开始称为分支，各分支不能同时执行。若选择转向某个分支，其他分支的首步不能成为活动步。SM0.1Ⅰ0.1S0.6Ⅰ0.6Ⅰ0.4Q0.2Q0.4S0.2S0.5Ⅰ0.2Q0.5S0.4Ⅰ0.5Q0.3S0.0S0.1Q0.0Q0.1Ⅰ0.0S0.3Ⅰ0.3梯形图—进入●并行序列的开始用双线表示，转换条件放在双线之上。●当并行序列首步为活动步且条件满足时，各分支首步同时变为活动步。●并行序列的结束称为合并，用双线表示并行序列的合并，转换条件放在双线之下。分支2分支1●当各分支的末步都为活动步、且条件满足时，将同时转换到合并步，且各末步都变为不活动步。(3)并行序列结构SM0.1Ⅰ0.1Ⅰ0.4Ⅰ0.2Q0.2S0.2S0.5Ⅰ0.3Q0.5S0.4Q0.4S0.0S0.1Q0.0Q0.1Ⅰ0.0S0.3Q0.3梯形图—进入Ⅰ0.6Ⅰ1.2Ⅰ1.2Ⅰ0.3Ⅰ1.1Ⅰ1.1S0.0S0.1S0.2S0.3S0.4S0.5S0.6Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Ⅰ0.0Ⅰ0.1Ⅰ0.4Ⅰ0.5SM0.1(4)跳转和循环序列结构

循环结构用于一个顺序过程的多次或往复执行。Ⅰ0.2Ⅰ1.0Ⅰ1.0梯形图—进入

单一顺序、并发和选择是功能图的基本形式。多数情况下，这些基本形式是混合出现的，跳转和循环是其典型代表。3.顺序控制梯形图程序设计方法Ⅱ.使用起保停电路的顺序控制梯形图设计方法Ⅲ.以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法Ⅰ.使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法1.使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法a.顺控继电器顺控继电器按位寻址的形式是S×.×。在S7—200中，顺控继电器的编号从S0.0到S31.7共256个。

顺控继电器有专门与之配合的SCR指令，用于顺序控制编程；如果不进行顺序控制编程，顺控继电器可以按位存储器一样使用。无条件顺序状态结束CSCRE顺序控制继电器条件转换指令无顺序状态结束─(SCRE)SCRE顺序控制继电器转换指令S(位)顺序状态转移bit─(SCRT)SCRTbit顺序控制继电器结束指令S(位)顺序状态开始bitLSCRbit装载顺序控制继电器指令操作对象功能LADSTLSCR顺序控制指令是PLC厂家为用户提供的可使功能图编程简单化和规范化的指令，可将程序功能流程图转换成梯形图程序。b.顺序控制指令的形式及功能步的开始驱动负载转换条件顺序控制指令结构S7-200将顺序控制程序划分为LSCR与SCRE指令之间的若干个SCR段，一个SCR段对应顺序功能图中的一步,即从LSCR指令开始到SCR指令结束的所有指令。转换到下一步SCRTSCRSx.nSx.n+1SCRE步的结束顺序控制继电器(SCR）段

1、装载顺序控制转换指令SCR即状态步的开始。2、顺序控制转换指令SCRT用于表示SCR段之间的转换。它有两层含义：一方面使当前激活的SCR程序段S位复位，以使SCR程序段停止工作；另一方面使下一个将要执行的SCR程序段的S位置位。3、顺序控制指令SCRE用于表示一个SCR段结束。1、初始步激活：用置位指令激活SM0.1+I0.0S0.0SM0.1S0.0S1I0.0其它初始准备工作c.顺控继电器指令编程方法S0.1SCRSCRTSCRE网络8

网络7Q0.1网络6

网络5S0.2SM0.0Ⅰ0.1Q0.3SS网络11SCRSCRTSCRE网络10网络12Q0.3网络9S0.3SM0.0Ⅰ0.2S0.2R1SCRSCRTSCREQ0.2网络14

网络13S0.0SM0.0Ⅰ0.3SS0.32网络15网络161SS0.0SM0.1网络0S0.2S0.3S0.1S0.0I0.2I0.3SM0.1I0.1I0.0Q0.1Q0.3Q0.1Q0.2Q0.3Q0.1Q0.2Q0.3SCRSCRTSCRE网络4

S0.1网络3S0.0Ⅰ0.0网络2Q0.13RSM0.0网络1单序列2、步内编程（中间、选择分支SCR段）：I0.1S0.2S1.0S2.0I0.2I0.1SCRTI0.2SCRS0.2SCRTS1.0S2.0SCRE3、选择分支的合并SCR段I1.0S0.7S1.4S2.3I1.0SCRTSCRS1.4S0.7SCREI2.0SCRTSCRS2.3S0.7SCRE………………系统功能图—进入梯形图—进入SCRSCRSCRTSCRESCRTSCRE网络26网络25

网络24Q0.5网络23

网络22网络21

S0.6SM0.0Q0.4网络19

S0.5网络20S0.4S0.5SM0.0Ⅰ0.5Ⅰ0.6SCRSCRSSCRTSCRESCRT网络9

网络8Q0.1网络7网络6网络4

S0.2SM0.0Q0.0网络2

1S0.1网络1SM0.1网络3S0.0S0.1SM0.0Ⅰ0.0Ⅰ0.1S0.0SCRT网络5

S0.3Ⅰ0.3SCRSCRTSCRESCRTSCRE网络18网络17网络16Q0.3网络15网络14S0.4SM0.0Q0.2S0.5网络11网络12S0.3SM0.0Ⅰ0.2Ⅰ0.4SCRE网络10网络13SCRS0.2可选择的分支和联接梯形图系统功能图—进入I0.1S0.2S1.0S2.0I0.1SCRTSCRS0.2SCRTS1.0S2.0SCRE4、步内编程（中间、并行分支）：5、并行分支的合并：用S\R编程I1.0·I2.0S0.7S1.4S2.3对于步S1.4S2.3I1.0I2.0S0.7S1S1.4R1S2.3R1S1.4I1.0S1.4的输出S2.3I2.0S2.3的输出对于输出，可能：S1.4是左边分枝的最后一个工作步，I1.0是S1.4的转出条件；S2.3是右边分枝的最后一个工作步，I2.0是S2.3的转出条件。SCRSCRESCRTSCRE网络16网络15网络14Q0.3网络13网络12S0.4SM0.0Q0.2网络10网络11S0.3SM0.0Ⅰ0.2SCRSCRSCRESCRTSCRE网络24网络23

网络22Q0.5网络21网络19S0.6SM0.0Q0.4网络17网络18S0.4S0.5SM0.0Ⅰ0.4SCRSCRSSCRTSCRESCRTSCRE网络9网络8

网络7Q0.1网络6网络5网络4

S0.2SM0.0Q0.0网络2

1S0.1网络1SM0.1网络3S0.0S0.1SM0.0Ⅰ0.0Ⅰ0.1S0.0SCRTS0.3SCRS0.2SS0.51RS0.21RS0.41S0.2S0.4Ⅰ0.3网络20并行分支和联接梯形图系统功能图—进入例：小车控制的顺序功能图与梯形图一、控制要求1、交通信号灯自动控制：要求：设置启动按钮SB0，按下SB0，交通信号灯进入自动控制状态，即：东西绿灯亮4s后闪2s灭，黄灯亮2s灭，红灯亮8s灭，绿灯又亮开始循环；对应东西绿黄灯亮时南北红灯亮8s灭，接着绿灯亮4s后闪2s灭；黄灯亮2s灭，红灯又亮开始循环。设置停止按钮SB1，按下SB1，交通信号灯进入停止状态，所有信号灯均灭。交通灯控制二、I/O分配I0.0—启动按钮SB0；I0.1—停止按钮SB1；Q0.0—东西绿灯；Q0.3—南北绿灯；Q0.1—东西黄灯；Q0.4—南北黄灯；Q0.2—东西红灯；Q0.5—南北红灯；输入：输出：三、控制时序启动SB0东西绿灯Q0.0东西黄灯Q0.1东西红灯Q0.2南北黄灯Q0.4南北红灯Q0.5南北绿灯Q0.34秒2秒2秒4秒2秒2秒四、顺序功能图S0.1S0.2S0.4S0.3I0.0T37T38T40T39·C0Q0.0T38Q0.1C0SM0.1+I0.1S0.0S1.1S1.2S1.4S1.3T37S0.5Q0.0T39T39·C0T40Q0.2T41S1.5Q0.5T42Q0.3T43Q0.3T45Q0.4T46T45·C1T44C1T42T43T44T45·C1T41·T46五、增加控制要求2、人工干预控制：设置东西绿灯长亮按钮SB2，南北绿灯长亮按钮SB3，按下SB2，出现东西绿灯长亮，南北红灯常亮的状态；按下SB3，出现南北绿灯长亮，东西红灯常亮的状态。3、两种状态之间应满足下列关系：①在任何时候按SB2（或SB3），系统立即进入相应的人工干预状态；②在人工干预状态时按SB0，系统进入自动控制状态的相应位置并进行循环：东西绿灯长亮时按SB0，东西绿灯再亮4s后闪2s灭，……；南北绿灯长亮时按SB0，南北绿灯再亮4s后闪2s灭，……；③任何时候按SB1系统停止运行。选择序列与并行序列的编程方法硫化机控制的顺序功能图与梯形图运行中发现，合模到位和开模到位限位开关的故障率最高，设置了诊断和报警功能。Q0.2在步S0.2和S0.3均应为1，不能在这两步的SCR区内分别设置一Q0.2线圈，必须在各SCR区外，用S0.2和S0.3常开触点的并联来控制一个Q0.2要将SCR指令直接连到左侧的母线上。不能在不同的程序段中使用相同的S位。不能用跳转的方式（JMP和LBL指令）跳入或跳出SCR段。不能在SCR段中使用FOR,NEXT和END指令。3.使用SCR指令的限制——一要，三不能

Ⅱ.使用起保停电路的顺序控制梯形图设计方法在画顺序功能图时，步是用辅助继电器M来代表，某一步为活动步时，对应的辅助继电器为ON，某一转换条件满足时，该转换的后续步变为活动步，前级步变为不活动步。起保停电路的顺序控制步起保停电路特点：

仅使用与触点和线圈有关的指令,是一种通用的编程方法。短信号的‘记忆’和‘自保持’功能.起保停电路根据顺序功能设计梯形图程序的方法：在起保停电路中将前级步的常开触点和转换条件的常开触点串联，作为控制当前步的启动电路；根据转换实现时，该转换后续步变为活动步前级步变为非活动步的规则，应将后续步的常闭触点与前级步的线圈串联；须使用有记忆功能的电路来控制代表步的存储器位；根据前级步为活动步且满足相应转换条件的规则输出电路部分的设计方法若某一输出量仅在某一步中为ON，可以将它的线圈与对应步的存储器位线圈并联。若某一输出量在几步中均为ON，应将代表各有关步的存储器位的常开触点并联后驱动该输出的线圈。若某一输出量在连续几步中均为ON，可用置位复位指令来控制它们。控制锅炉的鼓风机和引风机的要求:按启动按钮开引风机，12秒后自动开鼓风机；按停机按钮后，先停鼓风机，10秒后再停引风机。一、单序列的编程方法用“起、保、停”语句实现的控制程序二、选择序列的编程方法分支的编程方法如果某一步的后面有一个由N条分支组成的选择序列，该步可能转换到不同的N步去，则应将这N个后续步对应的存储器位的常闭触点与该步的线圈串联；合并的编程方法：如果某一步之前有N个转换，即有N条分支进入该步，则控制代表该步的存储器位的起保停电路的启动电路由N条支路并联而成，各支路有某一前级步对应的存储器位的常开触点与相应转换条件对应的触点串联而成。仅有两步的闭环的处理选择分支选择合并选择序列与并行序列仅有两步的闭环的处理1.请根据顺序功能图a，设计梯形图。2.能否正常工作？M0.2和I0.2均为1时，M0.3的启动电路接通，但这时与M0.3线圈串联的M0.2的常闭触点却是断开的，M0.3线圈不能“通电”。电路不能正常工作。3.不能正常工作的原因？Ｍ０.２既是Ｍ０．３的前级步又是他的后续步４.改进试用用转换条件I0.2和I0.3的常闭触点分别代替后续步M0.3和M0.2的常闭触点。新的问题：当M0.2为活动步时I0.2变为1态，它的常闭触点断开，使M0.2的线圈断电。M0.2的常开触点断开，使控制M0.3的启动电路开路，不能转换到步M0.3仅有两步的闭环的处理5.解决办法仅有两步的闭环的处理增设一个受I0.2控制的中间元件M1.0，用M1.0的常闭触点取代b图中I0.2的常闭触点。当M0.2为活动步时I0.2变为1态，M1.0变为1态，M1.0的常闭触点断开，M0.2变为非活动步，同时M0.2的常开触点闭合，启动步M0.3选择序列应用举例-------液体混合装置电磁阀，线圈通电时打开，断电时闭合。液位传感器，被液体淹没时为1状态。工作过程：初始状态时，容器空，各阀门关闭，各传感器为0态；按下启动按钮I0.3，打开阀A，液体A流入，中限位为ON时，关闭阀A，打开阀B，液体B流入。上限位为ON时，关闭阀B，电动机M开始运行，搅拌液体，60s后停止搅拌，打开阀C，放出混合液。当液面降至下限位之后再过5s,容器放空，关闭阀C，打开阀A，开始下一周期。按下停止按钮I0.4，当前工作周期操作结束后，才停止操作，返回并停留在初始状态。液体混合控制系统的顺序功能图

液体混合系统的顺序功能图和梯形图

三、并行序列的编程方法分支的编程方法用分支前的步和转换条件常开触点的串联分别作为分支后面的各步的启动控制电路与此同时，分支前的步应变为非活动步，需将分支后面各步中的一步的常闭触点与表示分支的双划线前的步线圈串联。（因分支是同时变为活动步的）合并的编程方法转换实现的条件是所有的前级步都是活动步和转换条件满足。应将所有前级步的常开触点和转换的常开触点串联，作为启动控制电路。选择序列与并行序列四、并行序列应用举例-------专用钻床控制系统两只钻头同时钻两个孔。开始之前两钻头在最上面，上限位开关为ON。操作人员放好工料后，按下起动按钮I0.0.工件夹紧后，两只钻头同时开始工作，钻到限位I0.2和I0.4设定的深度时，分别上行，回到限位I0.3和I0.5时分别停止。两个都到位后，工件被松开，松开到位后，加工结束，返回初始态。钻床控制系统专用钻床系统的顺序功能图专用钻床系统等待步夹紧电磁阀线圈压力继电器转换条件总是满足梯形图

专用钻床系统的顺序功能图和梯形图转换条件总是满足，只要M0.4和M0.7都变为活动步，就实现步的转换Ⅲ以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法一、单序列的编程方法方法：将该转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联，（该串联电路即起保停电路中的启动电路），用它作为使所有后续步对应的存储器位置位（S指令）的条件，作为使所有的前级步对应的存储器位复位（R指令）的条件。不能将输出位的线圈与置位指令和复位指令并联。用代表步的存储器位的常开触点或他们的并联电路来驱动输出位的线圈。每一个转换对应一个这样的控制置位和复位的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。优点：在任何情况下，代表步的存储器位的控制电路都可以使用。有规律，易掌握，不易错例子：动力头控制系统工作过程：初始状态时停在最左边，I0.3为1态。按下启动按钮I0.0，动力头的进给运动如图所示。动力头控制系统工作过程动力头控制系统顺序功能图快进动力头控制系统的顺序功能图与梯形图本质上与单序列完全相同。每一个控制置位复位的电路块都由前级步对应的一个存储器位的常开触点和转换条件对应的触点组成的电路、一条置位指令、一条复位指令组成。二、选择序列的编程方法三、并行序列的编程方法分支的编程方法每一个控制置位复位的电路块都由前级步对应的一个存储器位的常开触点和转换条件对应的触点组成的电路、多条置位指令、一条