PLC原理及应用-三菱FX5U（第2版） 课件 第8章 控制系统设计

第八章PLC控制系统设计

第一部分组态软件通信第二部分控制系统设计第三部分控制系统实例8.1组态软件通信主流的国产组态软件包括昆仑通态（MCGS）、汇川技术（InoTouchPad）、威纶通（EasyBuilderPro）以及组态王（Kingview）。对于初学者而言，综合考虑性价比与上手速度等，最终选择昆仑通态（MCGS）。MCGS是由北京昆仑通态公司开发的一款组态软件，主要用于构建工业触摸屏（HMI）上的人机交互界面。用户可以通过模块化方式，在计算机上设计触摸屏界面（如按钮、指示灯、数据输入框、趋势曲线等），并将其与PLC、变频器、仪表等工业设备连接，实现对工业现场的监视与控制。MCGS分为嵌入版、通用版和网络版。其中，MCGS通用版（McgsPro）运行于Windows操作系统，适用于中大型复杂监控系统，功能最为全面，目前最新版本为McgsStu。8.1.1组态软件概述由McgsStu构建的用户应用系统，其工作台由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。主控窗口：定义系统的主框架，用于设置工程的整体属性，如启动画面、运行状态监控等。设备窗口：实现McgsStu与外部硬件（如PLC、仪表、变频器）之间的通信，需在此配置设备类型及通信参数。用户窗口：用于设计和实现可视化操作界面（如主画面、参数设置页、报警记录页），一个工程可包含多个用户窗口。实时数据库：系统的核心，负责存储、处理和交换来自外部设备的数据以及系统内部变量。画面中的元件（如指示灯、输入框）通过变量名与实时数据库中的数据点关联。运行策略：用于实现复杂的逻辑控制，如定时执行脚本、条件触发动作等。8.1.2McgsStu软件基本操作打开McgsStu组态环境，点击菜单栏【文件】→【新建工程】，弹出如图所示的新建工程设置界面。根据需要选择HMI型号及组态配置后，点击“确定”。点击工作台中的“设备窗口”标签，进入设备窗口界面。双击窗口内的图标或点击右侧“设备组态”按钮，即可打开设备编辑界面。1.设备窗口基本操作在McgsStu中，设备分为父设备和子设备两个层次。父设备对应物理通信接口（如网口、串口），子设备则挂载于父设备之下，用于与通过该接口连接的具体设备通信。双击父设备可设置通信参数（如IP地址、端口号等）。子设备的设备编辑窗口分为三个区域：驱动信息区：显示设备驱动的版本与路径信息。设备属性区：设置采集周期、设备地址、通信等待时间等参数。通道连接区：建立下位机寄存器与McgsStu变量之间的映射关系。动画组态：双击窗口图标或选中后点击此按钮，进入该窗口的编辑界面。新建窗口：每点击一次即创建一个新窗口。窗口属性：打开当前选中窗口的属性设置。2.用户窗口基本操作窗口编辑界面主要包括工具箱和编辑区域。工具箱提供了画面组态所需的各种构件，如输入框、标签、位图、按钮、曲线等。用户点击所需构件，在编辑区域拖拽即可将其添加到画面中。添加构件后，双击可打开其属性设置对话框。不同构件的属性界面差异较大，可通过右下角的“帮助”按钮查看详细说明。8.1.3三菱GXWorks3与MCGSStu通信实例1.SFB与FX5U通信连接

首先新建SFB工程及PLC工程。在SFB菜单栏中打开【信号】选项，选择【数据映射】，加载“三菱PLC通用”模板。

接着以管理员身份运行三菱PLC通信软件MXComponent的应用CommunicationSettingsUtility。点击“Wizard”，设置逻辑站号（该站号需与SFB中填写的一致）。此处填入逻辑站号“1”，点击“NEXT”。PLC使用GXWorks3编程，因此在PC端虚拟仿真中选择“GXSimulator3”，CPU选择“FX5U”，系统号（SystemNo.）填写模拟器编号“1”，点击“NEXT”。配置完成后如图所示，点击“Finish”完成逻辑站号定义。返回PLC编程软件启动仿真，点击“模拟开始”按钮。随后在SFB【数据映射】界面点击“测试”，若提示“通信连接测试成功”，则表明SFB与FX5U的通信已建立。数据映射测试测试成功仿真实验：从SFB软件左侧模型库中拖入4米皮带线、生成器、消失器、纸箱及按钮等组件，搭建场景。在SFB软件右侧配置生成器属性：指定生成工件为纸箱，设置生成时间间隔，并勾选“生成器-控制”端口。配置皮带线属性：勾选“皮带线-使能”。场景效果图在SFB软件【信号】菜单中打开【信号连接图】，新建连接并命名。将PLC数据映射及所用模型拖入图中，建立关联：启动按钮控制X0，停止按钮控制X1，Y0控制传送带反向运行，寄存器D40_D41连接至皮带线速度。完成后，在SFB中点击运行按钮

进入仿真，即可进行操作。在PLC编程软件GXWorks3中编写并编译控制程序，程序如图所示。2.MCGSStu与FX5U通信连接首先在SFB【信号】菜单中打开【数据服务】，勾选【启动服务】选项，开启ModbusTCP服务，以便触摸屏通过ModbusTCP协议与SFB通信，SFB做服务端，开关量、数字量与浮点量的对应地址如图所示，数字量与浮点量是1个信号量对应两个寄存器，且SFB从0开始，MCGS从1开始，点击【确定】，在SFB运行状态下，触摸屏即可与SFB通讯。接下来，通过SFB对触摸屏与PLC之间的信号进行中转。在【信号】菜单中打开【数据映射】添加一个用于中转的PLC通信模板，双击把设备名称修改为“HMI信号中转”。（1）M100、M101为触摸屏通过SFB发送至PLC的信号，变量地址对应PLC内部地址，信号索引是Modbus对应的地址，从100开始。（2）M102为PLC通过SFB发送至触摸屏的信号。信号类型变量地址控制功能信号索引开关量M100启动100开关量M101停止101开关量M102皮带线运行状态102浮点量D40_D41皮带线运行速度100此处需映射用于中转的辅助继电器及寄存器，而非直接映射

PLC的输入/输出继电器。（3）浮点量D40_D41由触摸屏通过SFB发送至PLC，需占用两个连续寄存器。其变量地址对应PLC的D40、D41（软件中输入D40_D41），“SFB信号索引”从100开始，如左图所示，是触摸屏通过SFB给PLC的。SFB场景里的模型都是通过PLC直接映射的，所以需要增加一个浮点量（PLC给SFB模型），采用同样的变量地址（D40_D41），但在SFB中信号索引是唯一的，不可以重复，此处可设为0，如右图所示。打开MCGSStu“设备窗口”，从工具箱中添加“TCP/IP父设备”及“ModbusTCP子设备”。双击父设备设置远程IP地址：若SFB与触摸屏在同一计算机，填写；否则填写SFB所在计算机的IP地址。双击ModbusTCP子设备进行通道配置。注意数字量与浮点量的字节序，需要修改32位浮点字节序。点击右侧“批量增加通道”按钮，在“通道类型”选择“0区输出继电器”（对应SFB开关量）；SFB中3个按钮信号索引从100开始，对应触摸屏3个按钮地址从101开始，因此在“通道地址”输入“101”；需要添加3个输出继电器，因此在“通道数量”输入“3”。点击右侧“增加设备通道”按钮，在“通道类型”选择“4区输出寄存器”（对应SFB数字量/浮点量），在“数据类型”选择“32位浮点数”；浮点量的寄存地址是从20000开始的，每个浮点数占用2个字节，即触摸屏的地址20001寄存SFB的第0个浮点量，触摸屏的20201寄存SFB第100个浮点量，因此在“通道地址”输入“20201”。编辑通道变量：①选择通道；②点击右侧“编辑设备通道”；③在弹出的窗口，把“默认变量名称”改为“自定义变量名称”；④在“变量名称”栏输入相应表8-1相应控制功能内容，方便识别，点击确定，则连接变量改为相应的变量名称。返回工作台，进入用户窗口进行动画组态设计。绘制包含按钮、指示灯、输入框等元素的监控画面。分别设置各构件属性：①按钮：在“变量属性”中设置“布尔操作”，关联对应变量。②指示灯：在“显示属性”中设置“数值显示”，关联状态变量。③输入框：在“操作属性”中关联速度设定变量。设置完成，点击下载按钮（或按F5）进行工程下载与模拟运行。启动SFB仿真与触摸屏运行程序。操作触摸屏：按下启动按钮，皮带开始运行；通过输入框设定速度，可实时改变场景中皮带线的运行速度；按下停止按钮，系统停止运行。运行效果如图所示。8.2.1设计的基本原则8.2PLC控制系统设计满足被控对象的全部控制要求确保PLC控制系统的安全、可靠性力求系统简单、经济以及使用、维修方便适应技术发展的需求8.2.2设计的步骤PLC控制系统设计一般包括系统规划、硬件设计、软件设计、系统调试及编制技术文件五个基本步骤。系统规划系统规划控制方案总体设计被控对象（机械、电气、液压、气动等系统）技术实现手段（各项性能指标、现场的设备布置情况和控制系统的工艺复杂性）组成部件总体结构布局控制要求系统类型I/O模块的数量PLC型号辅助控制设备1.PLC机型的选择结构形式的选择。PLC的基本结构可分为整体式、模块式2种。I/O点数的选择。I/O点数作为PLC选用的重要指标，也是衡量PLC规模大小的标志。I/O响应时间的选择。控制速度在PLC中具体体现为I/O响应时间的长短。考虑控制复杂程度。选择PLC机型时，需要考虑控制系统的复杂程度，选择功能适中，完全符合控制条件的PLC。机型统一性。由于同一机型的PLC具有相同的功能和编程方法，所以在一个控制系统中应尽量做到机型的统一。2.I/O模块的选择I/O模块的选择开关量输入模块的选择开关量输出模块的选择①输入信号电压②输入接线方式③同时接通的输入点数④输入阈值电平①输出方式②输出接线方式③同时接通的输出点数④驱动能力模拟量I/O模块的选择①实际量程②分辨率③转换精度硬件设计硬件设计是指在系统规划和总体设计完成后的技术设计，在这一阶段，主要是对系统进行原理、安装、施工、调试、维修等方面的设计，并且根据PLC的控制类型进行分区。PLC控制系统硬件设计一般包括控制系统主回路设计，控制回路设计，控制柜、操作台的电气元件安装设计，电气连线设计等。1.主回路设计主回路是指高压、大电流回路，PLC控制系统的主回路设计需要结合自身特点，充分考虑系统的可靠性和安全性。设计的主要内容包括电源总开关、保护装置、接地和抗干扰等。2.控制回路设计控制回路是指由传感器、I/O端口连接的继电器、接触器等装置构成的弱电回路。其电路形式分为输入接口电路和输出接口电路两种，电源一般使用AC220V或DC24V。在I/O模块选择中已经根据工作场合要求的不同选择了相应的输入模块，控制回路的设计只需符合模块的电源类型即可。3.安全电路设计安全触点的使用控制回路设备的互锁紧急分断电路安全防护门设计冗余设计4.PLC控制系统布局设计PLC控制系统安装环境的要求PLC控制系统安装位置的要求PLC控制系统安装操作的要求编制PLC控制程序的典型方法包括图解法、经验法、计算机辅助设计等，控制程序设计一般采用模块化设计思想，按照实现功能的不同来划分模块。8.2.2.3

软件设计8.2.2.4

系统现场调试调试一般按照以下步骤进行：前期检查、硬件调试、软件调试、空载运行试验、可靠性试验、实际运行试验，遵循先易后难，先空载再加载的原则。8.2.2.5编制技术文件主要包括控制系统基本结构的设计，各个功能块的原理分析，控制程序调试情况，电气原理图，设备使用说明书，PLC程序备份文件等。8.3实例：自动化立体仓库控制系统设计货架，多行列货位巷道堆垛机立库看板电气控制柜出入库流水线安全护栏核心部件-巷道堆垛机立库控制需求需求分析与选型三菱FX5UPLC2．巷道堆垛机高速运行，速度可调，定位精度要求±1mm；3．出入库平台输送线的速度可调；4．有一个触摸屏，可设置立库参数，手动调试，实时状态监控：各传感器状态，执行机构的状态，各轴的位置；1．有一个控制柜，能对整个自动化立库控制，如开启、停止、手动/自动、入库、出库等；1．巷道堆垛机速度可调且定位精度±1mm，因此考虑采用伺服电机，由PLC控制精确定位。2．PLC必须支持2个高速脉冲端口，分别驱动巷道堆垛机的X轴与Z轴。3．出入库输送线采用变频器调速，通过模拟量控制，PLC配置D/A模块。4．触摸屏采用人机界面屏（HMI），可直接与PLC通讯、最好与PLC是同一品牌。Fx5UPLC自动化立体仓库设备MCGSStu电平量输出（气缸）电平量输入（传感器）脉冲量输出（伺服电机）模拟量输出（变频电机）三菱虚拟Fx5UPLCGxSimulator3三菱PLC开发软件GxWorks3MXComponent基于SFB软件的三维虚拟对象MCGSStu电平量输出（气缸）电平量输入（传感器）脉冲量输出（伺服电机）模拟量输出（变频电机）立库的控制系统组成虚拟仿真的控制系统组成三菱PLC开发软件GxWorks3控制系统组成智能制造仿真软件（SFB）一款虚实结合的PLC训练软件一款虚实结合的工业机器人训练软件一款虚实结合的智能工厂训练软件一套用户自主定义、自主设计场景、自我训练的开放式软件平台SFB（SmartFactoryBuilder）是一款三维智能制造数字化设计仿真软件。基于海量元素模型，以拖拽方式快换搭建工程。虚拟设备与真实设备具有相同特性，以实际的PLC程序、机器人程序、机床数控程序等驱动虚拟设备运行，在虚拟场景中完成整个工程的调试与验证。通过力学物理引擎、达到实际的运行效果。SFB集成了PLC仿真、机器人仿真、智能工厂仿真等功能。提供用户自主建模与自主布局功能，并开放底层接口，支持用户二次开发。是一套工业4.0自动化的综合设计仿真验证平台。主界面SFB软件基本操作更多操作见智能制造教学网：/①菜单工具栏②模型列表③已布局模型列表④场景⑤状态栏虚拟电气集成概念数据映射表：把控制器信号转化为内部控制信号端子排设备端口Y0Y1YnX0X1Xn气缸1气缸2传感器1传感器2X1XnPLC控制器信号线连接123456N信号线连线电气集成概念图虚拟设备控制器（PLC）数据映射表总线端口总线通讯内部IO控制IO端口MXComponentSFB内部端口虚拟数据映射虚拟虚拟电气集成流程2、映射表开发如果是新控制器，则需要设置此控制器的映射表。如果已有映射表，跳过此步3、选择项目的映射表在一个具体的项目中，确定控制器型号后，选择对应的映射表4、电气连接图设计用画线的方式，把控制器与各虚拟设备之间连接起来1、通讯环境设置本项目采用MXComponent通讯，在集成之前，先对MXComponent配置控制系统软件设计本地电控柜操作人机界面操作控制柜按键功能电源开关权限切换手动自动通用操作键手动调试键轴位置显示PLC程序流程图(1)物料生成：进料线运行，传感器检测到位后停止；(2)入库取料：堆垛机移至取料点，货叉执行下降→伸叉→上升→缩叉动作；(3)入库动作：堆垛机移至目标库位；(4)入库存物：货叉执行伸叉→下降→缩叉动作，完成存放；(5)入库复位：堆垛机返回初始位置;(6)重复入库：重复2-5步骤，直至满库（如10次）；自动化运行的流程第一阶段：入库操作流程(7)出库动作：堆垛机移至待取库位；(8)出库取物：货叉执行伸叉→上升→缩叉动作；(9)出库复位：堆垛机返回初始位置；(10)出库放物：货叉执行伸叉→下降→缩叉动作，完成出库；(11)重复出库：重复7-10步骤直至完成设定数量；第二阶段：出库操作流程控制流程解析（1）上电与初始化流程①上电处理：电源开关（X0）闭合后，电源指示灯（Y17）点亮，上电信号（M0）置1，提示系统就绪。②停止指示灯闪烁：上电后且急停按钮（X6）未触发时，1秒脉冲（SM8013）驱动停止指示灯（Y7）闪烁。③作业模式控制：控制权限开关（X1）、手动/自动开关（X2）分别设定系统为本地（SFB）或远程（触摸屏）、手动（单机）或自动（联机）作业模式（2）复位与停止流程①复位指示灯闪烁控制：当有上电信号（M0=ON）、自动模式（M2=ON）、停止信号（M5=ON），急停按钮X6（常闭）未触发，启动信号M3、复位信号M4、停止按钮X5未按下，且本地复位按钮X4或远程复位按钮M1001按下时，复位中信号M7=ON并自锁，复位指示灯闪烁，表示系统处于复位状态。②停止指示灯控制：当有上电信号（M0=ON）、自动模式（M2=ON）、本地复位按钮（X4）和远程复位按钮（M1001）均未按下，且本地停止按钮（X5）或远程停止按钮（M1002）按下时，停止指示灯（Y7）亮，同时置位停止信号（M5）。③停止初始化处理：当停止（M5变为ON）、断电（M0变为OFF）或工作模式由自动切换为手动（M2变为OFF）时，复位Y5至Y15输出和M100至M200标志位。④复位完成指示灯控制：当有复位中信号（M7=ON），系统执行复位操作。复位完成后，存取机构下降到位（X10=ON）、取物机构缩回到位（X12=ON）、存物机构缩回到位（X14=ON）、X轴回原点（X16=ON）、Z轴回原点（X17=ON），且无急停（X6常闭=ON）、无启动信号（M3=OFF）、无停止信号（M5=OFF），则输出复位完成信号（M4=ON）并自锁，复位完成指示灯（Y6）亮，停止指示灯（Y7）灭。⑤复位初始化处理：当有复位中信号（M7=ON）时，清零Y7至Y14输出，置位X轴寻零（M100=ON）和Z轴寻零（M101=ON）。⑥机构复位：当有复位中信号（M7=ON）、X轴寻零信号（M100=ON）、Z轴寻零信号（M101=ON）时，调用寻零功能块DSZRS，寻零速度为脉冲频率D0、接近速度的脉冲频率为K1000，K1/K2分别为X/Z轴脉冲通道，启动X轴、Z轴寻零。完成后M100、M101清零，同时复位M100至M200标志。（3）自动出入库操作流程①自动模式启动：当启动条件满足时，按下本地启动按钮（X3）或远程启动按钮（M1000），启动信号（M3）置位并自锁，运行指示灯（Y5）亮。②物料生成：当启动信号（M3）上升沿时，置位生成器（Y10）生成托盘，置位进料线（Y11）、出料线（Y15）启动物料输送，置位入库启动标志（M102），复位入库数（D1）；当托盘传感器检测到托盘，即物料到位传感器信号（X7）上升沿时，复位生成器和进料线，进料线停止运行。③

入库取料：当入库启动（M102=ON）、物料到位传感器信号（X7=ON）、X轴原点信号(X16=ON)、Z轴原点信号(X17=ON)有效时，延时0.2秒后，置位入库取物标志（M103），复位入库启动标志（M102）。入库取物标志（M103）上升沿置位取物动作（Y14），货叉从输送线进料。④入库取物：取物（M103=ON）完成（X12上升沿）后，置位XZ轴动作标志（M130、M140）、伺服动作标志（M104），复位入库取物标志（M103）。⑤目标位置分配：根据入库数判断此次XZ轴需运动到的位置。⑥XZ轴绝对定位：根据XZ轴动作标志（M130、M140）和伺服动作标志（M104），调用DRVAS模块完成XZ轴绝对定位，完成后复位相应标志。⑦出入库判断：伺服动作完成后，根据出入库状态判断下一步动作。入库时置位入库放物标志（M105），出库时置位出库放物标志（M108）。⑧入库放物：入库放物（M105）上升沿置位存物动作指示灯（Y13），入库放物完成后入库数（D1）加1，当入库数已满（本例为10）时，置位出库入库判断状态（M109），置位回原点标志（M106），XZ轴动作标志（M130、M140），复位入库放物标志（M105）。⑨回原点后处理：回原点完成（M106=ON）后，根据出/入库状态判断下一步操作。若为入库状态（M109=OFF），复位回原点标志（M106），置位入库启动标志（M102）；若为出库状态（M109=ON），复位回原点标志（M106），置位出库启动标志（M107）。⑩出库启动：出库启动（M107=ON）时置位伺服动作标志（M104）、X