第九章-PLC控制系统设计及应用实例

2023/3/2本章主要内容9.1PLC应用系统设计内容及步骤

9.2PLC程序设计方法9.3

PLC应用实例

2023/3/2本章学习要求重点内容：驾驭PLC应用程序设计的方法了解内容：PLC应用系统设计的原则、方法和步骤难点内容：PLC综合应用2023/3/29.1PLC应用系统设计内容及步骤在可编程序限制器限制系统的设计中，应当最大限度地满足生产机械或生产流程对电气限制的要求，在满足限制要求的前提下，力求PLC限制系统简洁、经济、平安、牢靠、操作和修理便利，而且应使系统能尽量降低运用者长期运行的成本。9.1.1PLC限制系统设计内容1.设计原则包括：硬件设计和软件设计2023/3/29.1PLC应用系统设计内容及步骤9.1.1PLC限制系统设计内容（1）电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；选择输入设备和输出设备；（2）选定PLC的型号（包括机型、容量、I/O模块和电源等）。（3）安排PLC的I/O点，编制PLC的输入/输出安排表，绘制PLC的I/O硬件接线图；（4）依据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计，编写程序并调试。（5）设计限制系统的操作台、电气限制柜等以及安装接线图，重视人机界面的设计，增加人与机器之间的友善关系；（6）编写设计说明书和运用说明书。1.设计内容：硬件设计和软件设计2023/3/22.硬件设计时应留意：(1)最大限度地满足被控对象的工艺要求，具体了解工艺流程，然后与各方面人员协同工作，解决设计过程中出现的各种问题。(2)在满足生产工艺限制的前提下，尽可能使PLC限制系统结构简洁、经济好用、维护便利。(3)保证限制系统的平安牢靠。(4)考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、I／0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。9.1PLC应用系统设计内容及步骤9.1.1PLC限制系统设计内容2023/3/23.软件设计的基本原则：(1)PLC的用户程序要做到网络段结构简明，逻辑关系清晰，注释明白，动作牢靠，能经得起实际工作的检验。(2)程序简短，占用内存少，扫描周期短。这样可以提高PLC对输入的响应速度。(3)可读性9.1PLC应用系统设计内容及步骤9.1.1PLC限制系统设计内容2023/3/29.1.2PLC系统设计的步骤1．熟悉被控对象，制定限制方案2．确定I/O点数3．选择PLC机型4．选择输入输出设备，安排PLC的I／O地址5.程序设计6．系统调试7、编制技术文件2023/3/29.2PLC程序设计方法程序设计的方法是指用什么方法和编程语言来编写用户程序。程序设计方法：1.阅历设计法（分析设计法）2.继电器限制电路转换法3.逻辑设计法4.依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.1阅历设计法（分析设计法）方法：在一些典型的限制电路程序的基础上，依据被限制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些协助触点和中间编程环节，才能达到限制要求。特点：没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的阅历有很大的关系，所以称为阅历设计法。适用：较简洁的梯形图设计，主要针对系统原先无限制方案,干脆用PLC进行限制系统的设计。要求：应用阅历设计法必需熟记一些典型的限制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等，这些电路在前面的章节中已经介绍过。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.1阅历设计法（分析设计法）【例9-1】：自动来回限制的梯形图设计动作要求：按起动按钮X0或反转起动按钮X1后，要求设备的运动部件(如机床的工作台或小车)在左限位开关X3和右限位关X4之间不停地循环来回，直到按停止按钮X2。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.1阅历设计法（分析设计法）【例9-1】：自动来回限制的梯形图设计三菱PLC梯形图2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.1阅历设计法（分析设计法）【例9-2】：时序限制电路的设计基本限制：闪烁电路2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.1阅历设计法（分析设计法）【例9-2】：时序限制电路的设计三菱PLC梯形图2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法已有一套能完成系统要求的限制功能并经过验证的限制电路图，可以干脆转换成PLC梯形图。比照PLC的I/O端子接线图，将继电器电路图上的被控器件（如接触器线圈、指示灯、电磁阀等）换成接线图上对应的输出点的编号，将电路图上的输入装置（如传感器、按钮开关、行程开关等）触点都换成对应的输入点的编号。将继电器电路图中的中间继电器、定时器，用PLC的协助继电器、定时器来代替。画出全部梯形图，并予以简化和修改。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法限制原理：按下启动按钮SB2,KM1、KM3、KT通电并自保，电动机接成Y型起动，2s后，KT动作，使KM3断电，KM2通电吸合，电动机接成△型运行。按下停止按扭SB1，电动机停止运行。【例9-3】电动机Y/△降压起动限制主电路和电气限制2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法【例9-3】电动机Y/△降压起动限制主电路和电气限制（2）I/O安排输入停止按钮SB1：I0.0起动按钮SB2：I0.1过载爱护FR：I0.2

输出KM1：Q0.0KM2：Q0.1KM3：Q0.22023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法（3）梯形图程序【例9-3】电动机Y/△降压起动限制主电路和电气限制（2）I/O安排输入输出停止按钮SB1：I0.0KM1：Q0.0起动按钮SB2：I0.1KM2：Q0.1过载爱护FR：I0.2KM3：Q0.22023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法（4）梯形图简化【例9-3】电动机Y/△降压起动限制主电路和电气限制2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法（1）组合机床机械滑台电气限制线路的分析组合机床机械滑台具有一次工进的电气限制线路如图9-8所示。该限制线路中有两台进给电动机，一台为快速进给电动机，用来拖动滑台快进和快退运动；另一台为慢速工进拖动电动机。主轴旋转由另一台特地电动机拖动，由KM限制(图中虚线内)。滑台在快进或快退过程中，工作进给电动机可以工作，也可以不工作。若两台电动机同时工作，则快进和快退的速度不等，快进时的速度等于快进速度和工进速度之和；快退时的速度等于快退速度与工进速度之差。工作进给时只允许工进电动机单独工作，快速进给电动机应由电磁制动器YB制动。【例9-4】组合机床机械滑台PLC限制系统设计2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法【例9-4】组合机床机械滑台PLC限制系统设计2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法【例9-4】组合机床机械滑台PLC限制系统设计（2）组合机床机械滑台具有一次工进的PLC限制系统设计通过对组合机床机械滑台一次工进限制线路的分析可知，系统中共有开关量I/O点13个，其中输入点9个，输出点4个。系统选用SIEMENSS7-200系列PLC中的CPU224即可满足限制须要，其I/O配置图及I/O地址安排表分别如图9-9和表9-1所示，梯形图如图9-10所示。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法【例9-4】组合机床机械滑台PLC限制系统设计（2）组合机床机械滑台具有一次工进的PLC限制系统设计图9-9机械滑台具有一次工进PLC限制系统的I/O配置图2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法【例9-4】组合机床机械滑台PLC限制系统设计（2）组合机床机械滑台具有一次工进的PLC限制系统设计PLC限制系统的I/O地址安排2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.2继电器限制电路转换法【例9-4】组合机床机械滑台PLC限制系统设计（2）组合机床机械滑台具有一次工进的PLC限制系统设计PLC限制梯形图2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法阅历设计法没有固定的方法和步骤可以遵循，设计者依据各自的阅历和习惯进行设计，具有很大的摸爽性和随意性，设计周期长，考虑不周，程序可读性差，给维护和改造带来不便。尤其对于具有选择或分支结构的程序，设计困难程序，接受逻辑设计法具有明显的优越性。下面以三层集选电梯外呼信号停站限制为例，介绍逻辑设计方法及技巧。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法（1）限制要求：电梯位于不同楼层时对外呼信号的不同响应；电梯在上升途中，不允许下降；电梯在下降途中，不允许上升。【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计三层电梯集选外呼信号限制示意图2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简①当电梯位于1层或2层时，若按3层的向下外呼按钮SB23，则电梯上升到3层，由行程开关SQ3停止电梯上升。输出为电梯上升，由接触器KM1限制。其进入条件是SB23呼叫，且电梯位于1层（SQ1）或2层(SQ2)。因此，进入的条件为（SQ1+SQ2）*SB23。退出的条件是SQ3动作，同时考虑自锁，得KM1的逻辑方程式为：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简②当电梯位于1层时，若按2层的向上外呼按钮SB12，则电梯上升到2层，由行程开关SQ2停止梯上升。输出也是电梯上升，进入条件是SQ1*SB12

，退出条件是SQ2动作：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简③当电梯位于1层时，若按2层的向下外呼按钮SB22，此时3层的向下外呼按钮SB23不按，则电梯上升到2层，由行程开关SQ2停止电梯上升。输出也是电梯上升。进入条件为SB22呼叫，且电梯位于1层（SQ1），且不按SB23，即进入条件为SQ1*SB22*SB23，退出条件是SQ2动作。因此有：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简只要满足①，②，③中的一条，电梯就上升，合并为：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简同理，对④，⑤，⑥：输出都为电梯下降，由接触器KM2限制。分别有：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简只要满足④，⑤，⑥中的一条，电梯就下降，合并为：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（2）依据限制要求列写逻辑方程并化简⑦：为了实现上升与下降的互锁，只需在KM2的逻辑式中串联KM1的“非”，在KM1中串联KM2的“非”，得到最终的逻辑方程：2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（3）PLC选型及I/O地址安排本例输入/输出点数较少，选择小型PLC即可，如西门子S7-200CPU222。表9-2为输入/输出元件地址安排表。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（4）依据逻辑方程进行梯形图程序设计依据上述电梯上行和下行的逻辑方程，结合PLC输入/输出元件地址安排，得到三层电梯集选外呼信号限制梯形图程序如图9-12所示。假如梯形图出现几个串联支路相并联，触点多的支路放在上面；假如是几个并联回路相串联，触点多的并联回路放在左边，可削减用户程序内存占用量和执行时间。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（4）依据逻辑方程进行梯形图程序设计2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法【例9-5】三层集选电梯外呼信号停站限制程序设计（4）依据逻辑方程进行梯形图程序设计2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.3逻辑设计法同继电器限制电路逻辑设计法以布尔代数为理论基础，依据生产过程中各工步之间的各个检测元件（如行程开关、传感器等）状态的变更，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。【例9-6】：PLC交通灯限制系统试验二：城市交通灯的PLC限制（设计性）2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法阅历设计法和翻译法设计梯形图时,没有一套固定的方法和步骤可以遵循,特殊是在设计机床困难限制系统的梯形图时,常要用大量的中间单元来完成记忆、连锁和互锁的功能,须要考虑的因素很多。逻辑设计法对设计者的要求较高，所以不易驾驭。依次限制是依据生产工艺预先规定的依次,在不同的输入信号作用下,依据内部状态和时间的依次,使生产过程中的每个执行机构自动有步骤地进行操作。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法依据系统的工艺过程,设计出依次功能图。依次功能图(SequentialFunctionChart简称SFC),是设计PLC的依次限制程序的主要工具。依次功能图主要由步、动作、转换、转换条件、有向连线组成。依次功能图中,步表示将一个工作周期划分的不同连续阶段,当转换实现时,步便变为活动步，同时该步对应的动作被执行。2023/3/2（1）依次结构（2）分支结构选择性分支并发性分支（3）循环结构9.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法SFC的基本结构2023/3/21）起保停电路的依次限制设计法2）以转换为中心的依次限制设计法3）运用SCR指令的依次限制设计法9.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法三种比较常用的依次限制设计法针对某机械厂的专用钻床用来同时加工直径不同的大小两个孔,以西门子公司S7-200PLC为例，实例来介绍PLC梯形图的三种依次限制设计法。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法依次限制设计法实例起先自动运行之前两个钻头在最上面,即上限位开关I0.3和I0.5为ON；工件放好后,按下起动按钮I0.0,工件被加紧后两只钻头同时起先工作；当钻头钻到由限位开关I0.2和I0.4设定的深度时,分别上行到起始位置；当两钻头都上升到起始位置后,工件被松开,当松开到位后,加工结束,系统返回初始状态。2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法依次限制设计法实例依次功能图I0.0启动I0.1完全夹紧Q0.0执行夹紧I0.7完全松开Q0.5执行放松放松夹紧2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法依次限制设计法实例1.起保停电路的依次限制设计法起保停电路即起动保持停止电路,是在梯形图设计中应用比较广泛的一种电路。

工作原理：当输入信号的常开触点接通,输出信号的线圈得电,同时使输入信号进行“自锁”或“自保持”,即输入信号的常开触点失去作用。1.起保停电路的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法1.起保停电路的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法2.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法在以转换为中心的编程方法中,用该转换的全部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,该串联电路作为梯形图中起保停电路的起动电路。用它来限制对后续步存储器位的置位(运用置位指令S)和前级步存储器位的复位(运用复位指令R)。2.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法2.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法2.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法2.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法2.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法输出3.运用SCR指令的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法为了便利编制困难的依次限制梯形图,各种型号的PLC都有依次限制指令西门子S7-200PLC中的依次限制继电器(SCR)指令3.运用SCR指令的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法装载依次限制继电器指令(LSCR)表示一个SCR段的起先,依次限制继电器结束指令(SCRE)用来表示SCR段的结束,而依次限制继电器转换指令(SCRT)用来表示SCR段之间的转换,即步的活动状态的转换。依次限制程序被依次限制继电器指令(LSCR)划分为LSCR与SCRE指令之间的若干个SCR段,一个SCR段对应于SFC中的一步,每一个SCR段都应有SCRT、SCR、SCRE。3.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法夹紧将M置换为S3.以转换为中心的依次限制设计法大转头2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法转孔将M置换为S上升3.以转换为中心的依次限制设计法小转头2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法转孔将M置换为S上升3.以转换为中心的依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法将M置换为S松开4.三种依次限制设计法2023/3/29.2PLC程序设计方法9.2.4依次限制设计法（1）起保依次限制设计法,是一种通用的设计方法,它运用的仅是PLC中最基本的指令,对于任何依次限制系统的梯形图都可以用此方法进行设计；（2）以转换为中心的依次限制设计法,是一种规律性比较强的设计方法,它较好的体现了SFC中的转换原则,具有编程简洁、思路清晰、便于阅读的特点,尤其是对于困难的依次限制系统。该方法运用的是置位指令(S)和复位指令(R),而对于各种型号的PLC一般都具有,因此这种设计方法的通用性也比较好。不允许输出位的线圈与置位指令和复位指令并联,必需用表示步的存储器位的常开触点或它们的并联电路去驱动,因此梯形图中的语句条数比较多,程序的执行时间长一些；（3）SCR指令依次限制设计法,是一种特地性的设计方法。对于不同型号的PLC具有不同的步进指令,它们之间目前还不能实现功能互换。但是,它是一些PLC自带的一种设计方法,运用它在设计困难的依次限制系统时,可有效的减小内存占用的空间,削减程序的执行时间,提高PLC输入输出的响应速度。1）起保停电路的依次限制设计法2）以转换为中心的依次限制设计法3）运用SCR指令的依次限制设计法在娴熟驾驭以上三种方法的基础上,应针对不同的依次限制系统,考虑PLC的响应速度,系统的困难程度以及设计的效率等因素,去选择合适的设计方法。2023/3/29.3PLC应用实例

1.限制要求

按下按钮SB1，三相异步电动机M正转，或按下SB2电动机反转，按下按钮SB0电动机自然停车。工作过程中按下SB4，电动机能实现快速精确制动。9.3.1三相异步电动机正、反转、制动PLC限制2023/3/29.3PLC应用实例

2.I/O安排9.3.1机械手的模拟限制系统输入 输出自然停车SB3:I0.0 正转KM1:Q0.1正转启动SB1:I0.1 反转KM2:Q0.2反转启动SB2:I0.2 制动KM3:Q0.3精确制动SB4:I0.3速度信号KV：I0.4热继电器FR:I0.52023/3/29.3PLC应用实例

3.主电路设计9.3.1机械手的模拟限制系统2023/3/29.3PLC应用实例

4、PLC连线9.3.1三相异