PLC应用设计举例课件

PLC應用設計舉例

1系統設計的原則與內容設計原則

(1)最大限度地滿足被控設備或生產過程的控制要求；

(2)在滿足控制要求的前提下，力求簡單、經濟，操作方便；

(3)保證控制系統工作安全可靠；

(4)考慮到今後的發展改進，應適當留有進一步擴展的餘地。設計內容

(1)擬定控制系統設計的技術條件，它是整個設計的依據；

(2)選擇電氣傳動形式和電動機、電磁閥等執行機構；

(3)選定PLC的型號；

(4)編制PLC的輸入/輸出分配表或繪製輸入/輸出端子接線圖；

(5)根據系統要求編寫軟體說明書，然後再進行程式設計；

(6)重視人機介面的設計，增強人與機器之間的友善關係；

(7)設計操作臺、電氣櫃及非標準電器元部件；

(8)編寫設計說明書和使用說明書。2系統設計和調試的主要步驟1)深入瞭解和分析被控對象的工藝條件和控制要求2)確定I/O設備，常用的輸入設備有按鈕、選擇開關、行程開關、感測器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈、電磁閥等。3)選擇合適的PLC類型，根據已確定的用戶I/O設備，統計所需的輸入信號和輸出信號的點數，選擇合適的PLC類型。4)分配I/O點，編制出輸入/輸出端子的接線圖。5)設計應用系統梯形圖程式，這一步是整個應用系統設計最核心的工作。6)．將程式輸入PLC，當使用電腦上編程時，可將程式下載到PLC中。7)．進行軟體測試，在將PLC連接到現場設備上之前，必須進行軟體測試，以排除程式中的錯誤。

8)．應用系統整體調試，在PLC軟硬體設計和控制櫃及現場施工完成後，就可以進行整個系統的聯機調試。調試中發現的問題要逐一排除，直至調試成功。

9)．編制技術檔，系統技術檔包括功能說明書、電氣原理圖、電器佈置圖、電氣元件明細表、PLC梯形圖等。3PLC選型在滿足控制要求的前提下，選型時應選擇最佳的性能價格比，具體應考慮以下幾點。

1)．性能與任務相適應

2)．PLC的處理速度應滿足即時控制的要求

3)．PLC應用系統結構合理、機型系列應統一

4)．線上編程和離線編程的選擇4、PLC容量估算

PLC容量包括兩個方面：一是I/O的點數，二是用戶記憶體的容量。

1）．I/O點數的估算

根據功能說明書，可統計出PLC系統的開關量I/O點數及模擬量I/O通道數，以及開關量和模擬量的信號類型。應在統計後得出I/O總點數的基礎上，增加10％～15％的裕量。選定的PLC機型的I/O能力極限值必須大於I/O點數估算值，並應儘量避免使PLC能力接近飽和，一般應留有30％左右的裕量。2）.記憶體容量估算用戶應用程式佔用多少記憶體與許多因素有關，如I/O點數、控制要求、運算處理量、程式結構等。因此在程式設計之前只能粗略的估算。根據經驗，每個I/O點及有關功能器件佔用的記憶體大致如下：所需記憶體容量(KB)＝(1～1.25)×(DI×10＋DO×8＋AI/O×100＋CP×300)/1024其中：DI為數字量輸入總點數；DO為數字量輸出總點數；AI/AO為模擬量I/O通道總數；CP為通信介面總數。5、I/O模組的選擇

1）．開關量輸入模組的選擇

PLC的輸入模組用來檢測來自現場(如按鈕、行程開關、溫控開關、壓力開關等)電平信號，並將其轉換為PLC內部的低電平信號。開關量輸入模組按輸入點數分，常用的有8點、12點、16點、32點等；按工作電壓分，常用的有直流5V、12V、24V，交流110V、220V等；按外部接線方式又可分為匯點輸入、分隔輸入等。2）．開關量輸出模組的選擇

輸出模組的任務是將PLC內部低電平的控制信號轉換為外部所需電平的輸出信號，驅動外部負載。輸出模組有三種輸出方式：繼電器輸出、雙向可控矽輸出和電晶體輸出。輸出方式的選擇

繼電器輸出價格便宜，使用電壓範圍廣，導通壓降小，承受瞬間過電壓和過電流的能力較強，且有隔離作用。但繼電器有觸點，壽命較短，且回應速度較慢，適用於動作不頻繁的交/直流負載。當驅動電感性負載時，最大開閉頻率不得超過1Hz。晶閘管輸出(交流)和電晶體輸出(直流)都屬於無觸點開關輸出，適用於通斷頻繁的感性負載。感性負載在斷開瞬間會產生較高的反壓，必須採取抑制措施。

輸出電流的選擇模組的輸出電流必須大於負載電流的額定值，如果負載電流較大，輸出模組不能直接驅動，則應增加中間放大環節。對於電容性負載、熱敏電阻負載，考慮到接通時有衝擊電流，故要留有足夠的裕量。允許同時接通的輸出點數在選用輸出模組時，還要看整個輸出模組的滿負荷能力，如OMRON公司的CQM1-OC222是16點輸出模組，每個點允許通過電流2A(AC250V/DC24V)。但整個模組允許通過的最大電流僅8A。6分配輸入/輸出點一般輸入點與輸入信號、輸出點與輸出控制是一一對應的；在個別情況下，也有兩個信號用一個輸入點的，那樣就應在接入輸入點前，按邏輯關係接好線(如兩個觸點先串聯或並聯)，然後再接到輸入點。1）.明確I/O通道範圍不同型號的PLC，其輸入/輸出通道的範圍是不一樣的，應根據所選PLC型號，弄清相應的I/O點地址的分配。2）.內部輔助繼電器內部輔助繼電器不對外輸出，不能直接連接外部器件，而是在控制其他繼電器、定時器、計數器時作數據存儲或數據處理用。根據程式設計的需要，應合理安排PLC的內部輔助繼電器，在設計說明書中應詳細列出各內部輔助繼電器在程式中的用途，避免重複使用。3）．分配定時器/計數器對用到定時器和計數器的控制系統，注意定時器和計數器的編號不能相同。若掃描時間較長，則要使用高速定時器以保證計時準確。5安全回路設計安全回路起保護人身安全和設備安全的作用，它應能獨立於PLC工作，並採用非半導體的機電元件以硬接線方式構成。確保系統安全的硬接線邏輯回路，在以下幾種情況下將發揮安全保護作用：①PLC或機電元件檢測到設備發生緊急異常狀態時；②PLC失控時；③操作人員需要緊急干預時。設計安全回路的任務包括以下內容：

(1)確定控制回路之間邏輯和操作上的互鎖關係；

(2)設計硬回路以提供對過程中重要設備的手動安全性干預手段；

(3)為PLC定義故障形式和重新啟動特性。8PLC應用軟體設計的內容

PLC應用軟體的設計是一項十分複雜的工作，它要求設計人員既要有PLC、電腦程式設計的基礎，又要有自動控制的技術，還要有一定的現場實踐經驗。一個實用的PLC軟體工程的設計通常要涉及以下幾個方面的內容：(1)PLC軟體功能的分析與設計；(2)I/O信號及數據結構分析與設計；(3)程式結構分析與設計；(4)軟體設計規格說明書編制；(5)用編程語言、PLC指令進行程式設計；(6)軟體測試；(7)程式使用說明書編制。9PLC應用系統的軟體設計步驟根據可編程序控制器系統硬體結構和生產工藝要求，在軟體規格說明書的基礎上，編制實際應用程式並形成程式說明書的過程就是應用系統的軟體設計。1）.制定設備運行方案制定方案就是根據生產工藝的要求，分析各輸入、輸出與各種操作之間的邏輯關係，確定需要檢測的量和控制的方法，並設計出系統中各設備的操作內容和操作順序。據此便可畫出流程圖。2）.畫控制流程圖對於較複雜的應用系統，需要繪製系統控制流程圖，用以清楚地表明動作的順序和條件。對於簡單的控制系統，可省去這一步。3）.制定系統的抗干擾措施根據現場工作環境、干擾源的性質等因素，綜合制定系統的硬體和軟體抗干擾措施，如硬體上的電源隔離、信號濾波，軟體上的平均值濾波等。4）.編寫程式根據被控對象的輸入/輸出信號及所選定的PLC型號分配PLC的硬體資源，為梯形圖的各種繼電器或接點進行編號，再按照軟體規格說明書(技術要求、編制依據、測試)，用梯形圖進行編程。5）.軟體測試剛編寫好的程式難免有缺陷或錯誤。為了及時發現和消除程式中的錯誤和缺陷，需要對程式進行離線測試。經調試、排錯、修改及模擬運行後，才能正式投入運行。6）.編制程式使用說明書當一項軟體工程完成後，為了便於用戶和現場調試人員的使用，應對所編制的程式進行說明，說明書應包括程式設計的依據、結構、功能、流程圖，各項功能單元的分析，PLC的I/O信號，軟體程式操作使用的步驟、注意事項等。11.2應用實例1、非同步電動機Y-△起動控制

任務描述Y-△起動是交流鼠籠型電動機的降壓起動方式之一，這種降壓起動方式適用於正常運轉時為△接的交流鼠籠型電動機。在起動過程中將電機定子繞組接成Y形起動，起動電流是直接起動的三分之一，達到規定的速度後（或者經過一定的時間），再將電動機的定子繞組切換成△形運行。Y-△起動控制的原理圖和時序圖如圖11-2所示。

圖11-2Y-△起動控制的原理圖和時序圖方案選擇及地址分配1.方案選擇由於系統的輸入/輸出點較少(3I/3O)且控制任務比較簡單，所以選用S7-200的CPU222(8I/6O)完成控制，而且控制任務中只涉及到延時控制，採用S7-200的基本指令即可完成控制。2.編程元件的地址分配①輸入/輸出地址分配採用CPU222控制的電動機Y-△起動的輸入/輸出接線如圖11-3所示,其輸入/輸出地址分配如表11-1所示.圖11-3電動機Y-△起動的輸入/輸出接線表11-1輸入/輸出繼電器地址分配編程元件I/O端子電路器件作用輸入繼電器I0.0SB2起動按鈕I0.1SB1停止按鈕I0.2FR超載保護輸出繼電器Q0.0KM1電源接觸器Q0.1KM2Y接觸器Q0.2KM3△接觸器

②其他編程元件地址分配表如表11-2所示編程元件編程地址PT值作用輔助繼電器M0.0--起動/停止控制定時器T3750(5s)起動時間表11-2其他編程元件地址分配表程式設計採用PLC控制的梯形圖如圖11-4所示（參考）。圖11-4非同步電動機Y-△起動控制梯形圖程式2機床順序控制

任務描述某組合機床動力頭初始位置停在最左邊（見圖11-5），行程開關SQ1接通，系統控制要求如下：（1）系統啟動後，動力頭的進給運動如圖11-5所示。工作一個迴圈後，返回初始位置延時10s後，進入下一個迴圈的運行。（2）若斷開控制開關，必須將當前的運行過程結束（即退回初始位置）後才能自動停止運行。（3）動力頭的運行狀態取決於電磁閥線圈的通、斷電，對應關係如表11-3所示。表中的“+”表示該電磁閥線圈通電，“-”表示該電磁閥線圈不通電。圖11-5某機床動力頭運行工藝簡圖動作YV1YV2YV3YV4快進-++-工進1++--工進2-+--快退--++表11-3某機床動力頭運行對應關係表方案選擇及地址分配

1．方案選擇由控制任務可以看出，本例需要一個啟/停開關、4個限位開關，一個急停按鈕，它們是PLC的輸入元件；系統還需要4個電磁閥，它們是PLC的輸出執行元件，可選用CPU222（8I/6O）來完成控制。由控制任務描述可知機床動力頭的工作步數和相應的轉換條件，這是一個非常典型的順序控制系統，可選用步進指令編程方法進行設計，由於每個步和步之間的轉換條件是單向進行的，可採用單流程步進指令結構。①輸入/輸出地址分配如表11-4所示。

表11-4輸入/輸出繼電器地址分配編程元件I端子電路器件作用編程元件O端子電路器件作用輸入繼電器I0.0SA啟/停開關輸出繼電器Q0.0YV1電磁閥1I0.1SQ1限位開關Q0.1YV2電磁閥2I0.2SQ2限位開關Q0.2YV3電磁閥3I0.3SQ3限位開關Q0.3YV4電磁閥4I0.4SQ4限位開關

I0.5SB急停按鈕

②其他編程元件地址分配表如表11-5所示表11-5其他編程元件地址分配表編程元件編程地址PT值作用順序控制繼電器S0.0～0.6--存放各工作步定時器T37100(10s)迴圈間延時程式設計步進控制程式可借助狀態流程圖來編程，該機床動力頭的狀態流程圖如圖11-6所示。採用PLC控制的梯形圖及語句表程式如圖11-7所示（參考）。圖11-6某機床動力頭的狀態流程圖

圖11-7某機床動力頭的參考程式3交通路口信號燈控制

控制要求

在十字路口南北方向以及東西方向均設有紅、黃、綠三只信號燈，六只信號燈依一定的時序循環往復工作。信號燈受電源總開關控制，接通電源，信號燈系統開始工作；關閉電源，所有的信號燈都熄滅。當程式運行出錯，東西與南北方向的綠燈同時點亮時，程式自動關閉。在晚上車輛稀少時，要求交通燈處於下班狀態，即兩個方向的黃燈一直閃爍。在信號燈工作期間，東西以及南北方向的紅燈為長亮，時間為30s，在紅燈亮時的最後2s，東西以及南北方向的黃燈同時點亮，時間為2s，東西以及南北方向的綠燈為長亮25s，然後閃爍3s。紅綠燈示意圖如圖11-8所示，具體要求如表11-6所示。圖11-8十字路口交通信號燈示意圖表11-6交通燈控制具體要求東西方向信號燈綠燈亮綠燈閃亮黃燈亮紅燈亮

黃燈亮信號時間25s3s2s2s30s南北方向信號燈紅燈亮綠燈亮綠燈閃亮黃燈亮

黃燈亮信號時間2s25s3s2s30s

採用S7-200（一）系統配置根據信號控制要求，如果採用S7-200控制，可選用CPU222，其I/O接線及其分配如圖11-9所示。圖中用一個輸出點驅動兩個信號燈，如果PLC輸出電流不夠，可以用一個輸出點驅動一個信號燈，也可以在PLC輸出端增設中間繼電器，由中間繼電器再去驅動信號燈。圖11-9交通燈PLCI/O接線圖（二）程式設計1．用基本邏輯指令編程十字路口交通信號燈控制的時序圖如圖11-10所示。用基本邏輯設計的信號燈控制梯形圖如圖11-11所示。圖11-10十字路口交通信號燈控制的時序圖圖11-11用基本指令控制的十字路口交通信號燈按下白天啟動按鈕I0.0，系統進入上班狀態，工作時序如圖11-10所示；按下夜間按鈕I0.1，系統進入下班狀態，只有黃燈閃爍；按下停止按鈕I0.2，信號系統終止運行，所有信號燈熄滅。2．

用步進指令編程以為十字路口交通信號燈分為上班狀態和下班狀態，即存在選擇結構；東西和南北方向同時顯示，即存在並行結構。其信號系統的狀態轉移圖如圖11-所示。圖11-12十字路口信號系統的狀態轉移圖採用步進指令編程，重要的是狀態轉移圖的繪製，從狀態轉移圖轉換成梯形圖或語句表非常簡單（格式化）。但是在轉化過程中需注意以下幾點（圖11-13只給出了將流程圖轉化成梯形圖中最關鍵也是最易出錯的部分）：（1）

由狀態轉移圖可以看出，系統總體上屬於選擇結構（上班/下班選擇），但是其中最主要的上班狀態的流程圖結構屬於並行結構，兩種結構的開始轉化為梯形圖較為簡單，如圖11-13中段S0.0所示，並行結構的結束轉化為梯形圖就相對複雜（如圖11-13標注處），在並行結構中必須所有分支全部結束任務才可進行並行匯總，即除了最後一條並行分支的其他分支結束段中不能有段轉移指令（SCRT），而在最後一條分支的結束段用S/R指令完成段的結束和轉移。（2）

雖然在S7-200的編程中允許同一輸出繼電器多次使用，但是只有最後一次的輸出有效（跳轉指令除外）。所以對於同一輸出繼電器的多個控制條件應採用並聯之後在輸出，如圖11-13中，東西方向的綠燈，應是常亮狀態和閃爍狀態中亮的時間段並聯；所有黃燈輸出應是所有情況下有可能黃燈亮的時間段進行並聯輸出的結果。圖11-13採用步進指令編程的部分梯形圖採用S7-3001．

控制系統的硬體設計（1）

硬體配置控制系統中，PLC的具體配置如表11-7所示。表11-7PLC配置說明序號名稱型號說明槽位號1CPU模組313-1AE01-0AB0CPU31322電源模組307-1EA00-0AA0PS30713開關量輸入模組321-1BH01-0AA0SM32144開關量輸出模組322-1BH01-0AA0SM32255前連接器390-1AJ00-0AA020針型

（2）I/O地址分配控制系統中I/O地址及編程元件地址分配見表11-8。表11-8I/O地址及編程元件地址分配一覽表類型信號名稱地址類型信號名稱地址輸入元件上班按鈕I0.0.輸出元件東西綠燈Q4.0下班按鈕I0.1東西黃燈Q4.1電源開關I0.2東西紅燈Q4.2內部編程元件上班狀態中間繼電器M2.1南北綠燈Q4.3下班狀態中間繼電器M2.2

南北黃燈Q4.4定時器T0～T6，T10，T11南北紅燈Q4.51．

程式設計本例因功能比較簡單，採用線性化編程，OB1中程序（梯形圖編程方式）如圖11-14所示圖11-14十字路口信號系統的S7-300程式

4、機械手工件取放控制

一、

工藝過程與控制要求

1．工藝過程圖11-15是這種機械手的動作示意，其過程並不複雜。一共6個動作，分三組，即上升/下降、左移/右移和放鬆/夾緊。圖11-16機械手動作的流程圖

機械手動作的流程圖如圖11-16所示。圖11-15機械手的動作示意圖控制要求機械手的操作方式分為手動操作方式和自動操作方式。自動操作方式又分為單週期和連續操作方式。手動操作：就是用按鈕操作對機械手的每一步運動單獨進行控制。例如，當選擇上/下運動時，按下啟動按鈕，機械手下降；按下停止按鈕，機械手上升。當選擇左/右運動時，按下啟動按鈕，機械手右移；按下停止按鈕，機械手左移。當選擇夾緊/放鬆運動時，按下啟動按鈕，機械手夾緊；按下停止按鈕，機械手放鬆。單週期操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手自動完成一個週期的動作後停止。連續操作：機械手從原點開始，按一下啟動按鈕，機械手的動作將自動地、連續不斷地週期性迴圈。在工作中若按一下停止按鈕，機械手將繼續完成一個週期的動作後，回到原點自動停止。

一、

操作面板佈置操作面板佈置如圖11-17所示。圖11-17機械手操作面板佈置圖。圖中用“單操作”表示手動操作方式。按照加載選擇開關所選擇的位置，用啟動/停止按鈕選擇加載操作。例如，當加載選擇開關打到“左/右”位置時，按下啟動按鈕，機械手左行；按下停止按鈕，機械手右行。用上述方法，可使機械手停在原點。單週期操作方式。機械手在原點時，按下啟動按鈕，自動操作一個週期。連續操作方式。機械手在原點時，按下啟動按鈕，自動、連續地執行週期性迴圈。當按下停止按鈕，機械手完成當前週期動作後自動回到原點停車。

一、

採用S7-200控制1．

輸入/輸出端子地址分配該機械手控制系統所採用的PLC是德國西門子公司生產的S7-200CPU224。圖11-18是S7-200CPU224輸入/輸出端子地址分配圖。該機械手控制系統共使用了13個輸入點，6個輸出點。圖11-18機械手I/O端子接線1．

整體程式結構機械手的整體程式結構如圖11-19所示。圖11-19機械手控制系統S7-200整體程式結構