PLC控制系统应用习题及解析

PLC控制系统应用习题及解析引言可编程逻辑控制器（PLC）作为工业自动化的核心控制单元，广泛应用于机械制造、电力、冶金、市政等领域。掌握PLC控制系统的编程、组态与故障处理能力，是自动化工程师的核心技能之一。通过典型习题的练习与解析，可帮助读者深化对PLC指令系统、工程设计方法及故障诊断逻辑的理解，实现理论知识向工程实践的转化。本文精选基础编程、硬件组态、故障诊断、工程应用四大类典型习题，结合主流PLC（如西门子S7系列、三菱FX系列）的应用场景，提供详细解析与思路拓展。一、基础编程类习题及解析习题1：电机正反转控制程序设计控制要求：某三相异步电机需实现正转、反转、启动、停止控制，要求：正转（SB1）、反转（SB2）按钮为点动式，启动（SB3）、停止（SB4）为保持式；正反转之间电气互锁（防止相间短路）；过载保护（FR为热继电器常闭触点，过载时切断控制回路）。输入输出分配（以西门子S____为例）：输入：SB3（启动，I0.0）、SB4（停止，I0.1）、SB1（正转，I0.2）、SB2（反转，I0.3）、FR（过载，I0.4）；输出：KM1（正转接触器，Q0.0）、KM2（反转接触器，Q0.1）。解析：控制逻辑与梯形图设计1.保持电路（启动/停止）：通过“自锁+停止互锁”实现——启动信号（I0.0）触发后，Q0.0或Q0.1的常开触点自锁，保持输出；停止信号（I0.1常闭）串入控制回路，按下停止时切断输出。2.正反转互锁：将KM1的常闭触点（Q0.0常闭）串入KM2的线圈回路，KM2的常闭触点（Q0.1常闭）串入KM1的线圈回路。这样，当KM1得电时，KM2无法得电，反之亦然，避免主电路短路。3.过载保护：热继电器常闭触点（I0.4常闭）串入总控制回路，过载时I0.4断开，切断所有输出。梯形图核心逻辑：正转回路：`(I0.2ORQ0.0)ANDI0.3常闭ANDI0.4常闭ANDI0.1常闭`→输出Q0.0反转回路：`(I0.3ORQ0.1)ANDI0.2常闭ANDI0.4常闭ANDI0.1常闭`→输出Q0.1关键点拓展：若需机械互锁（接触器辅助触点故障时的冗余保护），可在KM1、KM2的主触点旁增加机械联锁装置；实际工程中，正反转切换前需延时（如0.5秒），避免接触器电弧未灭时切换导致短路，可通过定时器（如TON）实现。习题2：定时器与计数器的组合应用控制要求：设计一个循环控制程序，实现“电机运行5秒→停止3秒”的循环，累计运行10次后停止，且可通过复位按钮重启循环。解析：指令逻辑与程序结构1.定时控制：用接通延时定时器（TON）实现“运行5秒”和“停止3秒”的切换——电机运行时（Q0.0=1），TON1计时5秒，时间到后触发停止；电机停止时（Q0.0=0），TON2计时3秒，时间到后触发启动。2.计数控制：用加计数器（CTU）累计运行次数，每次电机从“停止→运行”时，计数器当前值（CV）加1，当CV=10时，复位计数器并停止循环。3.复位逻辑：复位按钮（I0.1）触发时，复位定时器、计数器，并置位初始状态（电机停止）。程序流程：初始状态：电机停止（Q0.0=0），TON2开始计时3秒；TON2计时到→Q0.0=1（电机运行），TON1计时5秒，计数器CTU加1；TON1计时到→Q0.0=0（电机停止），TON2计时3秒；当CTU.CV=10→复位CTU、TON1、TON2，Q0.0=0。关键点拓展：若需“无限循环”，可移除计数器，仅保留定时器切换逻辑；实际调试中，需注意定时器的时基精度（如S____的TON时基为1ms/10ms/100ms，需根据需求选择）。二、硬件组态与通信类习题及解析习题1：S____PLC的I/O扩展组态需求：某生产线需扩展8路数字量输入（DI）和4路数字量输出（DO），PLC型号为CPU1214CDC/DC/DC，如何通过TIAPortal完成硬件组态？解析：组态步骤与注意事项1.新建项目与添加CPU：打开TIAPortal，新建项目，在“设备与网络”中添加CPU1214C（DC/DC/DC，自带14DI/10DO）。2.扩展模块选型：DI扩展：选择SM12218DIDC24V，支持8路24VDC输入；DO扩展：选择SM12224DODC24V/0.5A，支持4路24VDC输出（晶体管型）。3.硬件组态：在“设备视图”中，将SM1221拖入CPU右侧的“扩展槽位1”，SM1222拖入“扩展槽位2”；配置模块地址：CPU自带DI为I0.0-I0.7（低8路）、I1.0-I1.5（高6路），扩展的SM1221地址为I2.0-I2.7（自动分配，可手动修改）；DO同理，CPU自带DO为Q0.0-Q0.7（低8路）、Q1.0-Q1.1（高2路），扩展的SM1222地址为Q2.0-Q2.3。4.电源与接线检查：确保扩展模块的“L+”（24VDC正极）与CPU的“L+”短接，“M”（负极）与CPU的“M”短接；数字量输入的“1M”（公共端）接24VDC负极，输入信号（如按钮）的一端接输入端子，另一端接24VDC正极；数字量输出的“1M”接24VDC负极，输出端子接负载（如继电器），负载另一端接24VDC正极。关键点拓展：若负载为交流设备（如AC220V接触器），需选择继电器输出型模块（如SM12224DORLY），并注意继电器的触点容量；扩展模块的数量限制：CPU1214C最多支持3个扩展模块，需根据实际需求合理选型。习题2：PLC与变频器的Modbus-RTU通信组态需求：S____PLC通过CM1241RS485模块（Modbus-RTU主站）控制一台变频器（从站地址1，波特率9600，数据位8，停止位1，无校验），实现“读取变频器运行频率”与“写入目标频率”功能。解析：通信参数与程序设计1.硬件组态：在TIAPortal中，为CPU1214C添加CM1241RS485模块，配置通信参数：波特率9600，数据位8，停止位1，无校验，从站地址（主站无需地址，从站为1）。2.Modbus-RTU指令调用：读取频率（功能码03，读取保持寄存器）：变频器的“运行频率”寄存器地址为____（假设），调用MB_CLIENT指令，设置：REQ：触发信号（如上升沿）；ID：通信连接ID（与CM1241的ID一致）；ADDR：从站地址1；MODE：0（读）；HOLD：____（保持寄存器起始地址）；LEN：1（读取1个寄存器）；DATA：数据存储区（如MW100）。写入频率（功能码06，写单个寄存器）：目标频率寄存器地址为____，调用MB_CLIENT指令，设置：MODE：1（写）；HOLD：____；DATA：目标频率（如MW102，需转换为变频器的频率格式，如0-50Hz对应____）。3.数据转换：变频器的频率通常以“0.01Hz”为单位（如50Hz对应5000），需将PLC的工程量（如MW102=5000）转换为实际频率（50Hz）；读取的频率（MW100）需除以100，得到实际频率值（如MW100=5000→50Hz）。关键点拓展：通信故障排查：检查RS485接线（A/B线是否接反，终端电阻是否启用）、从站地址与波特率是否匹配；功能码与寄存器地址需参考变频器手册（不同品牌变频器的寄存器地址可能不同，如西门子MM440的运行频率地址为r0026）。三、故障诊断与维护类习题及解析习题1：输出点“程序ON但硬件不动作”故障排查现象：PLC程序监控显示Q0.0为ON，但现场负载（如电磁阀）无动作，输出模块指示灯也不亮。解析：故障原因与排查步骤1.输出模块电源故障：检查模块的“L+”与“M”端子是否有24VDC输入（用万用表测量，电压应在22-26V之间）；若电源缺失，检查电源模块、接线端子是否松动，或熔断器是否熔断。2.输出模块硬件故障：替换同型号输出模块，若新模块指示灯亮起且负载动作，说明原模块损坏；若替换后仍故障，检查CPU的扩展槽位是否接触不良（重新插拔模块）。3.负载电路故障：断开负载，测量Q0.0端子与“M”端子的电压（程序ON时应为24VDC）；若有电压但负载不动作，检查负载（如电磁阀线圈是否断路、继电器触点是否粘连）、中间继电器或接触器是否损坏。4.程序逻辑隐藏故障：检查程序中是否有复位指令（如R指令）或互锁条件（如其他常闭触点串入Q0.0回路）；监控程序时，需确认“实际执行的逻辑”（如是否在OB1中调用，或被其他组织块中断）。关键点拓展：对于继电器输出模块，需注意触点容量（如最大电流2A），若负载电流过大（如直接驱动电机），会导致触点烧蚀，需通过中间继电器扩容；对于晶体管输出模块，需注意漏型/源型接线（如PNP/NPN），接线错误会导致输出无信号。习题2：PLC与触摸屏通信中断故障排查现象：触摸屏显示“通信超时”，PLC与触摸屏的PROFINET连接中断。解析：故障原因与排查步骤1.硬件连接故障：检查PROFINET网线是否松动、破损，水晶头是否氧化（重新插拔或更换网线）；检查交换机（若有）的端口状态，确认PLC和触摸屏的网口指示灯是否正常（绿色常亮、橙色闪烁为正常）。2.IP地址与设备名称冲突：检查PLC的IP地址与触摸屏的IP地址是否在同一网段，且无重复；检查TIAPortal中“设备与网络”的PROFINET设备名称是否唯一（如PLC为“PLC_1”，触摸屏为“HMI_1”，无重复）。3.固件版本不兼容：检查PLC的固件版本与触摸屏的驱动版本是否兼容（如TIAPortalV17需PLC固件V4.5以上）；升级PLC或触摸屏的固件（需备份程序，避免数据丢失）。4.防火墙或安全设置：检查PLC的“防火墙”设置（如S____的“保护”功能），是否禁止了HMI的访问；临时关闭防火墙（或添加HMI的IP到白名单），测试通信是否恢复。关键点拓展：对于无线通信（如Wi-Fi连接），需检查AP的信号强度、信道干扰，可通过ping命令（如在触摸屏的诊断界面pingPLC的IP）测试网络连通性；复杂网络中，需检查VLAN划分或路由设置，确保PLC与HMI在同一广播域。四、工程应用类习题及解析习题：恒压供水系统的PLC控制设计控制要求：某小区供水系统有2台水泵（一用一备），通过压力传感器（4-20mA）检测管网压力，要求：自动模式下，通过PID控制变频器频率，使管网压力稳定在0.6MPa；手动模式下，通过按钮启停水泵，变频器频率由电位器调节；水泵定时轮换（每8小时切换一次，累计运行时间长的泵优先停运）；具备“缺水保护”（液位传感器低电平触发时，停止所有泵）。解析：系统设计与程序实现1.硬件选型与IO分配：PLC：S____CPU1214C；模拟量输入：SM1231（4-20mA，PIW256，对应压力传感器）；模拟量输出：SM1232（0-10V，PQW256，对应变频器频率）；数字量输入：手动/自动（I0.0）、手动启动（I0.1）、停止（I0.2）、缺水信号（I0.3）；数字量输出：泵1（Q0.0）、泵2（Q0.1）、变频器使能（Q0.2）。2.控制逻辑分层：模式切换：I0.0=1（自动）时，启用PID控制；I0.0=0（手动）时，禁用PID，泵启停由I0.1/I0.2控制，频率由电位器（或数字量给定）。PID控制：调用FB41（S____的PID功能块），设定值SP=0.6MPa，过程值PV由PIW256转换而来（公式：`PV=(PIW256-5530)/(____-5530)*1MPa`，因4mA对应5530，20mA对应____）。水泵轮换：用两个定时器（TON）累计泵1、泵2的运行时间，每8小时（T#8H）比较时间，切换运行泵（时间长的停运，时间短的启动）。缺水保护：I0.3=1（缺水）时，复位所有输出，停