第7章PLC的控制系统设计

第七章PLC的控制系统设计学习目的：学习PLC控制系统的设计方法，提高实际应用的能力。学习内容：综合PLC硬件及软件知识，联系工业控制的实际，介绍小型PLC控制系统设计方法.学习要求：（1）了解PLC控制系统设计的内容和步骤。（2）掌握PLC控制系统硬件配置的方法。（3）掌握PLC应用程序设计方法及其设计技巧。（4）结合工业控制中的应用实例的设计，提高实际应用能力。.

第一节

PLC控制系统设计的内容和步骤

设计原则1.最大限度地满足被控对象对生产工艺的要求。2.力求控制系统安全、可靠、优质、经济。3.应考虑到今后控制规模的发展和工艺的改进。.设计内容

1、拟定控制系统设计的技术条件。2、选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构。3、选择PLC机型和扩展模块，配置系统硬件；4、编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图；5、根据系统对控制的要求设计用户程序；6、设计操作台、电气柜，选择所需的电器元件。7、编写设计说明书和操作使用说明书。根据具体控制对象，上述内容可适当调整。

.设计步骤

(一)分析控制对象(二)PLC系统的硬件配置(三)程序设计(四)输入程序并调试程序(五)程序固化.

第二节PLC控制系统的硬件配置一、选择PLC机型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比。1．I/O点数的估算I/O点数是PLC的一项重要指标。合理选择I/O点数既可使系统满足控制要求，又可使系统总投资最低。一般一个输入/输出元件要占用一个输入/输出点。考虑到今后的调整和扩充，一般应在估计的总点数上再加上20%～30%的备用量。.2．用户存储器容量的估算据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存量大致如下:开关量输入元件：10～20B/点；开关量输出元件：

5～lOB/点；定时器/计数器：

2B/个；模拟量：

100～150B/点；通信接口：一个接口一般需要300B以上；根据上面算出的总字节数再考虑增加25%左右的备用量,就可估算出用户程序所需的内存。.3.CPU功能与结构a.功能与任务相适应b.PLC处理速度应满足实时控制的要求c.PLC结构合理，机型统一d.在线编程和离线编程的选择.二、开关量I/O模块的选择为了适应各种各样的控制信号，PLC有多种I/O模块供选择，包括数字量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块及各种智能模块。

(一)开关量输入模块的选择

开关量输入模块种类很多，按输入点数分：常用的有8点、12点、16点、32点等；按工作电压分：常用的有直流5V、12V、24V、48V几种，交流110V、220V两种：按外部接线方式又可分为：汇点输入、分隔输入等。选择开关量输入模块时主要考虑以下几点:1.选择工作电压等级2.选择模块密度3.门槛电平4.输入端漏电流的控制.(二)开关量输出模块的选择

1.输出方式的选择继电器输出：价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点,寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1Hz。晶闸管输出(交流,直流):都属于无触点开关输出，使用寿命长，适用于通断频繁的感性负载。对于开关频率高、电感大、低功率因数的交流负载可选用晶闸管输出模块:而对于开关频率较高的直流负载,可选用晶体管输出模块。

.2.输出电流的选择(1)模块的输出电流必须大于负载电流的额定值(2)如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动时，应增加中间放大环节。(3)对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，要留有足够的余量。(4)选用输出模块注意同时接通点数的电流累计值必须小于公共端(COM)所允许通过的电流值。(5)为防止由于负载短路等原因而烧坏PLC的输出模块，输出回路必须外加熔断器作短路保护。.三、模拟量l/0模块的选择(一)模拟量输入模块的选择(二)模拟量输出模块的选择

电压输出：0~10V,-10~10V电流输出:：0~20mA,4~20mA.四、智能I/O模块的选择一般的智能I/0模块包括:1.通信处理模块(如西门子EM277模块)；2.调制解调器模块(如Em41模块)；3.高速计数模块；4.带有PID调节的模拟量控制模块；5.中断控制模块；6.位置控制模块(如西门子EM253)。.第三节PLC控制系统应用程序的设计PLC系统硬件配置后，可进行应用程序设计。PLC应用程序的设计是软、硬件知识的综合应用，有时硬件设计与应用程序设计可同时进行，大多数功能是软件和硬件相配合才得以实现。.

一、程序设计的步骤1．系统框图设计2．分配I/O编号3．设计应用程序4．程序调试5．编写程序说明书自来水厂的系统框图

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二、应用程序的设计方法

应用程序设计过程中，应正确选择能反映生产过程的变化参数作为控制参量进行控制（例如：取水泵站的控制选用水位作控制参量）；应正确处理各执行电器、各编程元件之间的互相制约、互相配合的关系，即联锁关系（例，水不能溢出水池）。PLC应用程序的设计方法有多种，常用的设计方法有经验设计法、顺序功能图法等。.

（一）经验设计法

经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较多的典型应用程序的基本环节。根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地组合起来。其设计过程是逐步完善的，一般不易获得最佳方案，程序初步设计后，还需反复调试、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。.

1．顺序功能图

所谓顺序控制，使生产过程按生产工艺的要求预先安排的顺序自动地进行生产的控制方式。

（二）顺序功能图法.顺序功能图法

经验设计法的设计方法不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性。

由于联锁关系复杂，用经验设计法进行设计一般难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，即使有经验的工程师阅读它也很费时。同时，给日后产品的使用、维护带来诸多不便。

与经验设计法相比，顺序功能图法有着明显的优势。.顺序功能图法设计举例

.根据工艺流程设计顺序功能图

系统的工作过程分解为：◆第一步装料◆第二步右行◆第三步卸料◆第四步左行（1）设计顺序功能图

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运料小车顺序功能图

.设计顺序控制程序（梯形图）◆依据顺序功能图设计梯形图。◆设计步骤：

（1）对各输入、输出信号进行编址，列出输入、输出信号分配表I/O分配表

输入信号输出信号启动按钮I0.0装料YV1Q0.0停止按钮I0.1卸料YV2Q0.1SQ1I0.2左行KM1Q0.2SQ2I0.3右行KM2Q0.3.（2）画出可编程序控制器I/O端子接线图.（3）依据顺序功能图设计梯形图

◆编程时，对应顺序功能图中的每一个“步”，组成一个SCR程序段。

◆4步~4个SCR段◆每一个SCR程序段都由LSCRn、SCRT、SCRE指令构成。.编程步骤：（对照顺序功能图）◆先设置初始步（在初始状态下启动）◆编制第一SCR程序段的程序。◆编制第二SCR程序段的程序。◆编制第三SCR程序段的程序。◆编制第四SCR程序段的程序。◆编制系统停止工作的程序。..◆初始步

◆第一SCR程序段.

◆第二SCR程序段.◆第三SCR程序段

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◆第四SCR程序段.注意：

系统停止后，应使所有的输出线圈（S0.1~S0.4，Q0.0~Q0.3）复位，返回初始状态。保证系统再次启动时，从“初始步”开始。.四台电机顺序启动的顺序功能图

.四台电机顺序启动I/O接线图

..三、梯形图程序编写规则

1．输入“继电器”的状态由外部输入设备的开关信号驱动，程序不能随意改变它。2．梯形图中同一编号的“继电器线圈”只能出现一次，通常不能重复使用，但是它的接点可以无限次地重复使用。3．几个串联支路相并联，应将触点多的支路安排在上面；几个并联回路的串联，应将并联支路数多的安排在左面。按此规则编制的梯形图可减少用户程序步数、缩短程序扫描时间，如下页图所示。4.程序的编写按照从左到右，从上到下的顺序。一个梯形始于左母线，终于右母线。线圈与右母线直接相连。.梯形图的合理画法

.四、程序设计过程中应注意的几个问题（自学）.现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动机顺序启动和顺序停车。启动时的顺序为M1→M2→M3→M4，时间间隔为1分钟。停车时的顺序为M4→M3→M2→M1，时间间隔为30秒。可选用S7-200PLC（CPU222）进行控制。举例：

一、四台电动机顺序启、停控制.输入输出分配表

输入信号停止按钮SB1I0.0启动按钮SB2I0.1输出信号接触器KM1Q0.0接触器KM2Q0.1接触器KM3Q0.2接触器KM4Q0.3.I/O接线图

.顺序功能图.梯形图.PLC专为在工业环境下应用而设计,其显著特点之一就是高可靠性,为了提高PLC的可靠性,PLC本身在软、硬件上均采取了一系列抗干扰措施,在一般工厂内使用完全可以可靠地工作,一般平均无故障时间可达几万小时。但这并不意味着对PLC的环境条件及安装使用可以随意处理。在过于恶劣的环境条件下,可能导致系统紊乱或者系统内部元件损坏。

第六节提高PLC控制系统可靠性的措施

.一、PLC安装的环境条件良好的环境条件是PLC系统正常运行的重要保证。各厂家的PLC对安装环境都有规定,通常应满足以下条件:(1)环境温度约在0~55℃，环境温度过高或过低，使PLC长期处于极限温度下工作，会影响PLC工作的稳定性和可靠性。(2)PLC允许的相对湿度一般在35%~80%，湿度太高不仅使漏电流增大影响绝缘性能，而且直接影响模拟量输入/输出装置的精度，必要时可设置小加热器或夜间不切断电源(3)周围不应有导电尘埃、油性物或有机溶剂、腐蚀性气体。以防锈蚀元器件,造成绝缘降低、严重漏电、局部短路等故障，甚至损坏设备。(4)PLC能承受的振动和冲击有一定规定，振动过大会引起插接件松动。为了减少震动和冲击，可将PLC控制柜与振动和冲击源分开，或用抗震垫来固定PLC控制柜。.二、抗干扰措施(一)抑制电源系统引入的干扰(1)在PLC电源的输入端加接隔离变压器,由隔离变压器的输出端直接向PLC供电(2)在PLC电源的输入端加接低通滤波器可滤去交流电源输入的高频干扰和高次谐波。(二)抑制输入、输出电路引入的干扰(l)开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输(2)数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰,应选用屏蔽电缆传输。(3)模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰信号都会迭加在模拟信号上而造成干扰，因此要选用屏蔽电缆或带防护的双绞线。如果模拟量I/O信号距离PLC较远，应采用4~20mA或0~10mA的电流传输方式，而不用易受干扰的电压信号传输。对于功率较大的开关量输入、输出线最好与模拟量输入、输出线分开敷设。.(4)PLC的输入、输出线要与动力线分开,距离应在2Ocm以上，如果不能保证上述最小距离，可将这部分动力线穿套管，并将管接地。绝对不允许把PLC的输入、输出线与动力线、高压线捆扎在一起。(5)应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离以减少噪声干扰。一般两线间距离为2Ocm。当两线平行敷设的长度100~200m时，两线间距离应在40cm以上；平行敷设的长度在200~300m时,两线间距离应在60cm以上。(6)PLC的输入、输出线最好单独敷设在封闭的电缆槽架内(线槽外壳良好接地)。不同种类信号(如不同电压等级、交流、直流等)的输入、输出线，不能放在同一根多芯屏蔽电缆内(引线部分更不许捆扎在一起)，而且在槽架内应隔开一定距离安放，屏蔽层应