可编程控制系统集成及应用（初级）课件 第六章 PLC系统综合应用

初级可编程控制系统

集成及应用“可编程控制系统集成及应用”1+X证书配套教材新形态教材学习指南2项目一电动机控制线路的装调项目二S7-1200PLC系统的初调项目三电气控制系统的S7-1200编程项目四触摸屏的应用与仿真项目五G120变频器的S7-1200控制项目六PLC系统综合应用教学目标3知识目标1.掌握有关生产线电动机的控制思路、气动回路的控制思路。2.掌握PLC控制系统设计的基本原则即步骤。Knowledgeobjectives01.02.能力目标1.能够对生产现场的各类机械设备进行电气控制要求的分析，并能通过分析提出PLC解决方案，开展PLC系统的设计、调试工作。2.面对PLC控制的各类机械设备，能够快速了解其工作过程，了解其电气接线，能够诊断、处理各类系统故障。Capabilityobjectives03.素养目标1.具有克服困难的信心和决心。2.具有实事求是的科学态度，乐于通过亲历实践实现，检验、判断各种技术问题。3.具有与他人合作的团队精神，敢于提出与别人不同的见解，有担当和责任感。LiteracyobjectivesContents6.1小型装配工作站的设计与PLC应用6.2物料输送系统的PLC综合应用小型装配工作站的设计与PLC应用/01知识技能knowledge76.1.1PLC控制系统设计的步骤图6-2所示为PLC控制系统设计的一般步骤。从工艺过程出发，分析控制要求、确定用户的I/O设备、选择PLC，然后分配I/O，设计I/O接线图。接下来分两路：一路是PLC程序设计，包括绘制流程图、设计梯形图、编制程序清单、输入程序并检查、调试与修改；一路是控制台（柜）设计及现场施工，完成电气接线。01PLC控制系统是由PLC、用户输入及输出设备、控制对象等连接而成的。需要选择用户输入设备（按钮、开关、限位开关和传感器等）和输出设备（继电器、接触器、信号灯、气动元件、液压元件等执行元件）。要求进行电气元件的选用说明，必要时应设计完成系统主电路图。根据选用的输入输出设备选择合适的PLC，包括机型、容量、I/O点数、输入输出模块（类型）、电源模块及特殊功能模块的选择等02作I/O分配表，对各I/O点功能做出说明（输入输出定义）。对于输入信号要做NC或NO说明，对NPN或PNP传感器要正确区分。对于输出信号要做电压等级说明，需要进行中间继电器转化的要特别说明。画出PLC外部I/O接线图，依据输入输出设备和I/O点分配关系，画出I/O接线图，接线图中各元件应有代号或编号说明。必要时列出电器元件明细表，并标注规格数量等详细信息。6.1.1PLC控制系统设计的步骤8选择PLC、电气和气动元件（液压）分配I/O点，设计I/O连接图关键步骤说明03绘制PLC控制系统程序流程图，完成程序设计过程的分析说明，尤其是步序控制流程图中把相关的转移条件和执行列出。04利用编程软件编写控制系统的梯形图程序，在满足系统技术要求和工作情况的前提下，应尽量简化程序，尽量减少PLC的输入输出点，设计简单、可靠的梯形图程序。同时注意安全保护，检查自锁和联锁要求、防误操作功能等是否实现。6.1.1PLC控制系统设计的步骤9绘制流程图设计梯形图关键步骤说明05利用在计算机上仿真运行调试PLC控制程序。与PLC仅输入及输出设备联机进行程序调试。调试中对设计的系统工作原理进行分析，审查控制实现的可靠性，检查系统功能，完善控制程序。控制程序必须经过反复调试、修改，直到满意为止。06技术文件应有控制要求、系统分析、主电路、控制流程图、I/O分配表、I/O接线图、内部元件分配表、系统电气原理图、PLC程序、程序说明、操作说明、结论等。技术文件要重点突出，图文并茂，文字通畅。6.1.1PLC控制系统设计的步骤10调试编制技术文件关键步骤说明6.1.2智能制造背景下的PLC应用11越来越多的传感器被用来监控环境、设备的健康状态和生产过程的各类参数，这些工业大数据的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安装在机架上，必须转型为分布式I/O。图6-3为PLC与分布式I/O拓扑结构。图6-3PLC与分布式I/O拓扑结构6.1.2智能制造背景下的PLC应用12云组态是PLC未来发展的一个方向，通过绑定相关网关，可对配对的PLC进行组态设计，并可通过手机APP、WEB网页等不同终端登录云后台，实时监控和信息检索。图6-4PLC的云组态6.1.2智能制造背景下的PLC应用1301-编程的标准化，促进了工控编程从语言到工具性平台的开放，同时为工控程序在不同硬件平台间的移植创造了前提条件。02-为控制系统创立统一的工程应用软环境打下坚实的基础。从应用工程程序设计的管理，到提供逻辑和顺序控制、过程控制、批量控制、运动控制、传动、人机界面等统一的设计平台，以至于将调试、投运和投产后的维护等统统纳入统一的工程平台。03-应用程序的自动生成工具和仿真工具。IEC61131-3推动了PLC在软件方面的平台化，进一步发展为工程设计的自动化和智能化，具体体现在四方面04-为适应工业4.0和智能制造的软件需求，IEC61131-3的第三版将面向用户的编程OOP纳入标准。任务实施assignment任务描述15任务描述任务要求1.实现所有气缸动作的气路图设计，并进行安装。2.实现PLC、触摸屏、变频器之间的PROFINET通讯设置。3.实现小型装配工作站工艺流程的触摸屏工艺控制。图6-1a所示是小型装配工作站示意，在本体元件

中嵌入

零件进行装配，组成一个最终产品

进行包装。推出气缸接二位五通电磁阀，气动机械手包括双杆气缸控制、回转气缸控制和吸盘控制（图6-1b）。同时在装配位安装阻挡气缸进行定位。在装配位、包装位均有光电开关进行检测。输送带电动机为变频器驱动。图6-1a主视图图6-1b装配位气动机械手左视图6.1.3小型装配工作站输入输出定义16PLC外接启动按钮、停止按钮和光电开关1、2四个输入信号，同时外接HL1指示灯、Y1-Y9电磁阀。小型装配站的I/O分配如表6-1所示，共计4个输入、10个输出点，选用符合要求的CPU1215CDC/DC/DC。表6-1小型装配站的I/O分配表6.1.3小型装配工作站输入输出定义17图6-5为小型装配站的PLC电气原理图，包括I/O连接、PROFINET连接。图6-5PLC电气原理图186.1.4小型装配工作站气路图设计与安装包括气泵、气源二联件（空气过滤器、调压阀）、气源开关、气阀底座、4对二位五通电磁阀（分别控制推出气缸、双杆气缸、回转气缸、阻挡气缸）、1个二位二通电磁阀和相应的真空发生器（用于吸盘）。小型装配工作站气路图196.1.4小型装配工作站气路图设计与安装由汇流板和电磁阀等组成的阀组，具体包括：电磁阀、进气孔及气管接头、去各气缸的出气孔及气管接头、消音器、堵头、汇流板。阀组安装示意图6.1.5小型装配工作站PLC编程20图6-8所示为本任务用到的PLC、G120变频器和KTP700触摸屏三个自动化产品，将他们组成PN/IE网络后，并设置为一个频段内的IP地址，确保网络测试成功。1.设备组网图6-8设备与网络6.1.5小型装配工作站PLC编程21图6-9所示为步序控制说明。其中从步序控制0步序控制1···步序控制END，步序控制转移条件为气缸动作时间、阻挡位物料检测和包装位光电开关检测。2.步序控制编程思路需注意：阻挡气缸从工作位到原位过程中，涉及到输送的速度问题，需要及时调整合理的时间，本程序是5s。6.1.5小型装配工作站PLC编程223.变量定义和数据块定义图6-10所示为PLC输入输出变量和中间变量说明。其中步序控制变量从M10.0到M11.3，HMI变频器运行、HMI箭头1、HMI箭头2、HMI箭头3和HMI方块为触摸屏显示用。（a）输入输出变量（b）中间变量6.1.5小型装配工作站PLC编程233.变量定义和数据块定义在编程中会用到大量的定时器作为气缸动作到位控制和步序控制转移条件，最简洁的方法是将这些定时器都放入在一个全局数据块，如图6-11所示添加的计时器DB1，并分别定义T0-T14的数据类型为IEC_TIMER（图6-12、图6-13）图6-11添加新块为数据块图6-12计时器数据块图6-13IEC_TIMER数据类型6.1.5小型装配工作站PLC编程244.PLC编程上电初始化复位相关电磁阀、步序控制状态6.1.5小型装配工作站PLC编程254.PLC编程01初始化1s后复位电磁阀到原位。程序段202程序段3启动信号，置位M10.0（步序控制0）。6.1.5小型装配工作站PLC编程264.PLC编程01步序控制0时，推出气缸动作。程序段402程序段5变频器控制的逻辑条件，即步序控制1、10、END时运行，其他时间停止，同时在上电初始化期间进行变频器复位，运行频率为12.5Hz。6.1.5小型装配工作站PLC编程274.PLC编程程序段6

-13：按步序控制1-8动作。6.1.5小型装配工作站PLC编程284.PLC编程6.1.5小型装配工作站PLC编程294.PLC编程01步序控制9，阻挡气缸到工作位。程序段1402程序段15推出气缸到原位，准备下一个循环。03程序段16步序控制10时，阻挡气缸到原位。6.1.5小型装配工作站PLC编程304.PLC编程01步序控制END时，等待继续运转信号。程序段1702程序段18停止按钮ON时，置位停止中间继电器。03程序段19指示灯Q0.0动作时的逻辑条件。6.1.5小型装配工作站PLC编程314.PLC编程01触摸屏显示的变量逻辑条件。程序段20-246.1.6小型装配工作站触摸屏组态32图6-15小型装配工作站画面组态图6-16触摸屏变量图6-15所示为小型装配工作站画面组态。其显示的变量逻辑条件从PLC程序段20-24处获得，具体变量定义如图6-16所示。6.1.6小型装配工作站触摸屏组态33（a）推出气缸动作（b）G120变频器运行小型装配工作站的动画示意6.1.6小型装配工作站触摸屏组态34（c）装配位感应（d）装配元件小型装配工作站的动画示意6.1.6小型装配工作站触摸屏组态35（e）装配元件结束（f）继续运行到包装位小型装配工作站的动画示意6.1.7小型装配工作站变频器故障诊断361.IO设备故障当G120变频器由于异常原因与PLC无法联网时，反映到PLCCPU操作面板上就是ERROR灯闪烁图6-19诊断缓冲区图6-20事件详细信息此时打开博图软件进行在线诊断，图6-19诊断缓冲区显示IO设备故障-找不到IO设备，事件详细信息如图6-20所示。6.1.7小型装配工作站变频器故障诊断371.IO设备故障可以检查驱动的以太网接口是否设置错误。图6-21驱动器的PROFINET接口6.1.7小型装配工作站变频器故障诊断382.变频器从子网断开图6-22从子网断开图6-23分配给新IO控制器图6-24选择IO控制器在实际工程中，经常需要进行分段调试，比如将变频器暂时不进行联机，这时可以将变频器的PROFINET端口中单击右键，选择“从子网断开”。当分段调试完成后，仍旧可以单击该变频器端口，选择“分配给新IO控制器”，在弹出窗口选择相应的PLC即可。技能考核assessment考核任务40实现所有气缸动作的气路图设计，并进行安装，经手动测试动作正常。01实现PLC、触摸屏、变频器之间的PROFINET通讯设置，信号传送正常。0203实现小型装配工作站工艺流程的触摸屏工艺控制，正常启停，符合工艺流程。物料输送系统的PLC综合应用/02知识技能knowledge436.2.1PLC控制系统的设计原则在设计之前，要调查清楚生产要求，对生产设备的工作性能、结构特点和实际运行情况要有充分的了解。生茶工艺要求一般是由机械设计人员和工艺人员提供的，常常是一般性的原则意见，这就需要电气设计人员深入现场对同类或类似的产品进行调查、收集资料，并加以分析和综合，在此基础上考虑逻辑控制方式和操作方式，以及电动机传动的启动、制动和调速要求，并设置各种联锁和保护装置。1.最大限度地实现生产设备对PLC控制系统的要求在满足生产工艺的前提下，力求使PLC控制系统简单、经济、合理，尽量选用标准的、常用的或经过实际考验过的算法、环节或电路。2.PLC控制系统力求简单经济合理PLC控制系统应该从操作与维修人员的实际工作出发，力求操作和维修方便。PLC的I/O点要有一定的余量，电气元件应留有备用，以便检修、改线用。控制方式如有必要，设置手动控制和自动控制。3.操作与维修方便446.2.1PLC控制系统的设计原则合理配置PLC供电电源：如果PLC控制系统设计过程中遇到特殊情况，通过屏蔽层隔离变压器进行供电，从而避免电磁波对供电电源的影响；如果附近的干扰源非常强，为了保证PLC控制系统能安全稳定的运行，就需要对PLC控制系统进行系统科学的优化。比如把供电电源单独安置在箱体中，既能减少外界高温、电磁波、灰尘对供电电源造成的干扰，还能实现供电电源的合理配置，对PLC控制系统安全稳定运行有非常重要的作用。PLC软件系统的安全性和可靠性在PLC控制系统设计中，软件系统可靠与否直接决定了PLC控制系统的效率和稳定性，所以要从避错设计、差错设计、改错设计、容错设计等几方面保证软件系统设计的安全性和可靠性。4.PLC控制系统的安全性和可靠性6.2.2设计PLC控制系统的注意事项451.合理选择PLC外围控制电路电源尽量减少PLC外围控制电路的电源种类。电源分交流和直流，接触器和继电器也分交流和直流，要尽量把电源规格统一。以直流24V电源为例，S7-1200CPU为信号模块的24V输入点、继电器输出模块或其他设备提供电源，如果实际负载超过了此电源的能力，则需要增加一个额外的电源，如图6-26所示，此电源不可与CPU提供的24V电源并联，并且建议将所有24V电源的负端连接到一起。图6-26直流24V电源接线方式6.2.2设计PLC控制系统的注意事项462.正确连接PLC输出负载的线圈如果PLC的输出点Q外接支流线圈负载的话，为抑制线圈浪涌，如图6-27所示，可以在线圈两端并联一个反向二极管A，规格如1N4001二极管或同等元件；若用户应用要求更快的关闭时间，则建议再增加一个稳压二极管（B），规格如8.2V稳压二极管（直流输出）或36V稳压二极管（继电器输出），确保正确选择稳压二极管，以适合输出电路中的电流量。图6-27直流线圈抑制电路图6-28交流线圈抑制电路对继电器型输出的S7-1200PLC来说，如果输出是交流线圈，可以采用电容C、电阻R和压敏电阻MOV进行浪涌抑制（图6-28），R、C具体规格如表6-3所示，MOV的工作电压要超过额定电压20%以上。表6-3感性负载和抑制值选型6.2.2设计PLC控制系统的注意事项473.正确连接电器元件的触点同一电器元件的常开触点和常闭触点靠得很近，如果连接不当则会造成电路工作不正常。如图6-29a所示，由于限位开关的常开、常闭触点相距很近，当触点断开时，则会产生电弧，形成电源短路。图6-29b就避免了这个情况。（a）

不合理（b）

合理图6-29正确连接电器的触点6.2.2设计PLC控制系统的注意事项484.尽量减少电器不必要的通电时间在电路正常工作的情况下，除了必要的电器通电外，可通可不通的电器均应断电，以减少电路故障隐患。以二位五通电磁阀为例：给正动作线圈通电，则正动作气路接通，即使断电仍然是接通的，将会一直持续到给反动作线圈通电为止；给反动作线圈通电，则反动作气路接通，即使断电仍然是接通的，将会一直持续到给正动作线圈通电为止。二位五通电磁阀工作原理图6-30二位五通电磁阀通电示意图基于电磁阀的工作原理，即使断电后，断电前的相关气路是接通的，因此在PLC程序中要用定时器或者电磁感应式接近开关确保气路动作到位后，就立即切断线圈电压。496.2.2设计PLC控制系统的注意事项5.电路应具有必要的保护环节电器控制电路在故障情况下，应能保护操作人员、电气设备及生产机械的安全，并能有效防止故障的扩大。为此，在PLC控制电路中应采取一定的保护措施，常用的有漏电开关保护器、过载、过电流、短路、过电压、联锁与限位保护等。必要时，还应考虑设置合闸、断开、故障及安全指示信号，甚至对于特种设备选用安全PLC来作为控制器（如S7-1200F-CPU）。任务实施assignment任务描述51任务描述任务要求1.实现物料在3号位进行计数，当满12个时，自动停机。2.实现物料输送过程中的步序控制。3.实现触摸屏物料输送过程中的流畅动画、气缸动作的流畅动画。如图6-25所示为某物料传送系统，该物料被推出气缸推到1号位后，经A产线电动机运行到2号位，然后经过双杆气缸、吸盘和回转气缸的动作被转送到3号位，再经B产线电动机输送到目的地。图6-25任务控制示意6.2.3物料输送系统电气系统设计52从物料输送系统的工艺过程出发，确定采用PLC和触摸屏，至于A产线和B产线的电动机可以自由选择直接传动或变频器驱动。PLC外接指示灯、电磁阀Y1-Y7、电动机控制KA1和KA2，同时通过PROFINET与KTP700触摸屏相连。表6-4I/O分配表6.2.3物料输送系统电气系统设计53图6-31为6.2.3物料输送系统的电气原理图，包括I/O连接、PLC与触摸屏的PROFINET连接。图6-31电气原理图6.2.4物料输送系统PLC编程54图6-32所示为步序控制说明。1.步序控制编程思路6.2.4物料输送系统PLC编程552.变量定义和计时器数据块图6-33所示为本任务编程用到的计时器数据块，包括T0-T12，定义数据类型为IEC_TIMER；图6-34为PLC输入输出变量和中间变量说明。其中MW100为步序控制字。图6-44计时器（a）输出变量（b）中间变量6.2.4物料输送系统PLC编程563.PLC编程01上电初始化或停止/复位按钮按下后的处理，即复位电磁阀（QB0），并将步序控制字MW100设为0。程序段102程序段2初始化1s后，相关电磁阀到原位。03程序段3启动信号，步序控制字加1，即MW100=1（用INC指令）。6.2.4物料输送系统PLC编程573.PLC编程01步序控制字=1时，推出气缸，计时1s后，步序控制字加1，即MW100=2。程序段402程序段5步序控制字=2时，A产线运行并计时（这里设定10s，用户可以根据实际情况设定），推出气缸回到原位，计时10s后，步序控制字加1，即MW100=3。6.2.4物料输送系统PLC编程583.PLC编程01步序控制字=3-9时，根据步序控制示意进行编程，每次计时1s后，步序控制字加1，直至MW100=10。程序段6-126.2.4物料输送系统PLC编程593.PLC编程6.2.4物料输送系统PLC编程603.PLC编程01步序控制字=10时，回转气缸到原位，物料计数进行判断。如果仍未到达12个，则返回MW100=1.如果达到12个，则将MW100清零。程序段136.2.4物料输送系统PLC编程613.PLC编程01B产线运行定时4s。程序段1402程序段15A产线和B产线的电机控制。6.2.4物料输送系统PLC编程623.PLC编程01HMI动画数据计算。其中A产线和B产线电机的物料移动以定时器时间除以100为动画数据，即动画数据2和6；双杆气缸的动画数据3和5则根据步序控制字的不同而改变（上行、保持和下降共3段）；B产线物料则是B产线电机动作或步序控制字大于8的情况。程序段16-176.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试631.触摸屏画面组态图6-36所示为物料输送系统触摸屏组态。需要注意HMI变量采样周期为100ms，才能确保动画流畅。图6-36触摸屏画面组态6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试641.触摸屏画面组态为了完整显示物料运输过程，该物料需要出现4次，分别是任务要求中的1号、2号、3号和3号正上方的4号。其中1号物料可见性如图6-37所示，设置步序控制字=2时为可见；1号物料的水平移动动画来自变量“动画数据2”，范围0-100，位移从X=102到X=450。图6-371号物料的可见性动画图6-381号物料的水平移动动画6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试651.触摸屏画面组态图6-39为双杆气缸的可见性动画，取自于步序控制字6到9为不可见；图6-40双杆气缸的垂直移动动画来自于变量“动画数据3”，范围0-1000，位移从Y=189到X=234。图6-39双杆气缸的可见性动画图6-40双杆气缸的垂直移动动画6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试662.触摸屏画面调试图6-41为触摸屏画面调试从初始状态、推出气缸动作、A产线输送带运行、A产线输送到位、双杆气缸到工作位、双杆气缸上升、回转气缸动作、A/B产线同时运行、A产线继续运行、计数满完成停机等过程。（a）初始状态（b）推出气缸动作6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试672.触摸屏画面调试（c）A产线输送带运行（c）A产线输送带到位6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试682.触摸屏画面调试（d）双杆气缸到工作位（e）双杆气缸上升6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试692.触摸屏画面调试（f）回转气缸动作（g）A/B产线同时运行6.2.5物料输送系统触摸屏组态和调试702.触摸屏画面调试（i）A产线继续运行（j）计数满完成考核任务71实现物料计数，当满12个时，自动停机。01实现步序控制字的编写并实现物料输送全过程。0203实现触摸屏物料输送过程中的动画、气缸动作的动画。思考与练习Thinkingandpracticing/73习题习题6.1 请用步序控制的方式来编写交通灯控制，具体要求如下：（1）信号灯系统由一个启动开关控制，当启动开关接通时，该信号灯系统开始工作，当启动开关关断时，所有信号灯都熄灭。（2）南北绿灯和东西绿灯不能同时亮。如果同时亮应关闭信号灯系统，并立即报警。（3）南北红灯亮维持25s。在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮，并维持20s.到20s时，东西绿灯闪，闪3s后熄灭，此时，东西黄灯亮，并维持2s。到2s时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。（4）东西红灯亮维持30s。南北绿灯亮维持25s，然后闪亮3s后熄灭。同时南北黄灯亮，维持2s后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。请绘制步序控制示意，进行触摸屏KTP700和PLC的电气连接，列出I/O分配表，并进行PLC编程和触摸屏编程。74习题图6-42题6.1图习题6.2 图6-43所示是气动风阀控制示意，要求如下：（1）实现触摸屏上对3台风机、3台