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1、第6章 PLC控制系统的设计,主要内容,PLC控制系统设计的基本步骤常用的几种编程方法设计实例,主要内容,PLC控制系统设计的基本步骤常用的几种编程方法常用的梯形图程序逻辑设计法时序图设计法经验设计法顺序控制设计法继电器控制电路图转换设计法具有多种工作方式的系统的编程方法设计实例,6.1 概述,1 PLC控制系统设计的基本步骤2 PLC的应用程序,PLC控制系统设计的基本步骤,1.对控制任务作深入的研究，确定系统总体设计方案2.根据控制要求确定输入/输出元件，选择PLC机型3.确定PLC的输入/输出点分配5.设计应用程序6.应用程序的调试7.制作电器控制柜和控制盘8.连机调试程序9.编写技术文
2、件,基本步骤,6.1.2 PLC控制系统的硬件配置,1 PLC机型选择(1)结构合理：整体式 模块式PLC(2)功能上要适当(3)机型统一(4)是否在线编程(5)对网络通信的要求2 I/O分配I/O 点数的估算 I/O 模块的选择,（1）开关量输入模块的选择,PLC的输入模块用来检测来自现场(如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等)电平信号,并将其转换为PLC内部的低电平信号。开关量输入模块按输入点数分，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,交流110V、220V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。,（2）开关量输出模块的选择,输出
3、模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号,驱动外部负载.输出模块有3 种方式:继电器输出双向可控硅输出晶体管输出.,（3）模拟量及特殊功能模块的选择,除了开关量信号以外，工业控制中还要对温度、压力、液位、流量等过程变量进行检测和控制。模拟量输入、模拟量输出以及温度控制模块就是用于将过程变量转换为PLC可以接收的数字信号以及将PLC内的数字信号转换成模拟信号输出。,PLC控制系统设计的 三个重要环节,（1）通过对控制任务的分析，确定控制系统的总体设计方案。（2）根据控制要求确定硬件构成方案。（3）设计出满足控制要求的应用程序。,6.1.3 PLC的应用程序,1.应用程
4、序的内容 最大限度地满足系统控制功能的要求，还应包括：（1）初始化程序（2）检测、故障诊断、显示程序。（3）保护、连锁程序。,2.应用程序的质量,（1）程序的正确性（2）程序的可靠性好（3）参数的易调整性好（4）程序要简练（5）程序的可读性好,PLC常用的几种编程方法,逻辑设计法时序图设计法经验设计法顺序控制设计法继电器控制电路图转换设计法具有多种工作方式的系统的编程方法,6.2 逻辑设计法,逻辑设计法基础是逻辑代数方法：在程序设计时，对控制任务进行逻辑分析和综合，将控制电路中元件的通、断电状态视为以触点通、断状态为逻辑变量的逻辑函数对逻辑函数化简利用PLC的逻辑指令进行设计。使用场合：当主要
5、对开关量进行控制时，使用逻辑设计法比较好。,逻辑设计法举例,某系统中有四台通风机，要求在以下几种运行状态下发出不同的显示信号：三台及三台以上开机时，绿灯常亮；两台开机时，绿灯以5 Hz的频率闪烁；一台开机时，红灯以5 Hz的频率闪烁；全部停机时，红灯常亮。,解：设四台通风机分别为A、B、C、D，红灯为F1，绿灯为F2。将几种运行情况分开进行程序设计。,1.红灯常亮的程序设计设灯常亮为“1”、灭为“0”，通风机开机为“1”、停为“0”（下同）。其状态表为：由状态表可得F1 逻辑函数：F1=A B C D(1)根据逻辑函数（1）容易画出其梯形图如图6.1所示。,A B C D F10 0 0 0
6、1,F1,图6.1 红灯常亮的梯形图,A B C D,2.绿灯常亮的程序设计 能引起绿灯常亮的情况有5 种，列状态表为：,由状态表可得F2的逻辑函数为：F2=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD(2)对逻辑函数(2)进行简化，如下：F2=AB(D+C)+CD(A+B)(3)根据(3)画出的梯形图如图6.2所示。,图6.2 绿灯常亮的梯形图,C A B,A C D,D,B,由状态表可得F1的逻辑函数为：F1=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD(4),3.红灯闪烁的程序设计 设红灯闪烁为“1”，列状态表为：,将（4）简化为：F1=A B（CD+CD）+C D（AB+AB）(5)由（
7、5）画出的梯形图如图6.3所示。其中25501能产生0.2s即5Hz的脉冲信号。,图6.3 红灯闪烁的梯形,F1,采用S7-200编程,4.绿灯闪烁的程序设计 设绿灯闪烁为“1”，列状态表为：,由状态表可得F2的逻辑函数为：F2=ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD+ABCD(6)将（6）化简为：F2=（AB+AB）（CD+CD）+ABCD+ABCD(7)根据（7）画出其梯形图如图6.4所示。,图6.4 绿灯闪烁的梯形图,5.选择PLC机型，作I/O点分配I/O分配如表6.1所示：由I/O分配即图6.1、6.2、6.3、6.4，综合在一起便得到总梯形图6.5。,逻辑设计法小结,用不
8、同的逻辑变量表示各输入、输出信号，设定其对应各种状态时的逻辑值。根据控制要求，列出状态表。由状态表写出相应的逻辑函数，并化简。根据化简后的逻辑函数画出梯形图。上机调试，使程序满足要求。,6.3 时序图设计法,如果PLC各输出信号的状态变化有一定的时间顺序，可用时序图设计法设计程序。,举例-时序图设计法,在十字路口上设置的红、黄、绿交通信号灯，其布置如图6.6 所示。由于东西方向的车流量较小，南北方向的车流量较大，所以南北方向的放行（绿灯亮）时间为30s，东西方向的放行时间（绿灯亮）为20s。当在东西（或南北）方向的绿灯灭时，该方向的黄灯与南北（或东西）方向的红灯一起以1Hz 的频率闪烁5s，以
9、提醒司机和行人注意。闪烁5s之后，立即开始另一个方向的放行。要求只用一个控制开关对系统进行启停控制。,绿 黄 红,红黄绿,绿黄红,南,西,北,东,图6.6 交通灯布置图,编程思路：（1）分析PLC的输入和输出信号，以作为选择PLC机型的依据之一。（2）弄清各灯之间亮、灭的时间关系，画出时序图。（3）由时序图分析各输出信号之间的时间关系。（4）4个时间区段必须用4个定时器来控制。可列出定时器功能明细表（5）进行PLC的I/O分配。（6）画出的梯形图如图6.8所示,启动,南北绿灯,南北黄灯,东西红灯,东西绿灯,东西黄灯,南北红灯,30s,30s,5s,5s,5s,20s,20s,5s,一个循环,t
10、0,t1,t2,t3,t4,30s+5s,5s,20s+5s,5s,30s+5s,20s,各定时器一个循环中的功能,Q0.5,Q0.4,Q0.3,Q0.2,Q0.1,Q0.0,南北绿灯,输 出,输入,I/O的分配：,南北黄灯,南北红灯,东西黄灯,东西红灯,东西绿灯,控制开关,I0.0,南北绿灯、东西红灯亮30s定时,南北黄灯、东西红灯闪5s定时,东西绿灯、南北红灯亮20s定时,东西黄灯、南北红灯闪5s定时,南北绿灯,东西红灯亮30s，闪5s,南北黄灯闪5s,东西绿灯亮20s,南北红灯亮20s，闪5s,东西黄灯闪5s,图6.8 交通信号灯控制梯形图,Q0.0,Q0.1,T37 SM0.5 T38
11、,T38 T39,Q0.3,Q0.4,T39 SM0.5 T40,Q0.1(),Q0.2(),Q0.3(),Q0.4(),Q0.5(),时序图设计法步骤,详细分析控制要求，确定各输入/输出信号个数，合理选择机型。明确输入和输出信号之间的时序关系，画出工作时序图。根据时序图划分时间段，并确定各段的时间长短。根据时间区段确定定时器的个数，定时器号及其设定值。对PLC进行I/O分配。根据定时器的功能明细表、时序图和I/O分配画出梯形图。模拟运行程序，对不合理之处进行修改。,6.4 经验设计法,如果能透彻地理解PLC各种指令的功能，可以凭经验比较准确地选择使用PLC的各种指令设计出相应地程序。这种方法
12、没有固定的模式,分析控制要求、选择控制原则；设计主令和检测元件，确定输入输出设备；设计执行元件的控制程序；检查修改和完善程序。,基本步骤,使用置位、复位指令,起保停电路的功能也可以用S和R指令来实现,1典型电路环节,一、起保停电路,二、定时器应用电路,例1：用定时器设计延时接通延时断开电路，要求输入I0.0和输出Q0.1的波形如图所示。,参考答案,例2：用计数器扩展定时器的定时范围。如进行10000h的定时控制（如图波形图所示）。,参考答案,例3：用定时器设计输出脉冲的周期和占空比可调的振荡电路（即闪烁电路）。,2经验设计法举例,例1：,为什么硬件应互锁？,例2 送料小车自动控制的梯形图程序设
13、计,X4处装料，25s后装料结束，开始右行，碰到X3后停下卸料，20s后左行，碰到X4后又停下装料，这样不停地循环工作。按钮X0和X1分别用来起动小车右行和左行。X2停车。,控制要求,送料小车自动控制的梯形图程序设计设计思路:,以众所周知的电动机正反转控制的梯形图为基础，设计出的小车控制梯形图。为使小车自动停止，将X3和X4的常闭触点分别与Y0和Y1的线圈串联。为使小车自动起动，将控制装、卸料延时的定时器T0和T1的常开触点，分别与手动起动右行和左行的X0、X1的常开触点并联;用两个限位开关对应的X4和X3的常开触点分别接通装料、卸料电磁阀和相应的定时器。,送料小车自动控制的梯形图程序设计,右
14、行启动左行启动,方案1,方案2：使用正跳变触点指令EU,6.5 继电器控制电路图转换设计法,1.对各种继电器、电磁阀等的处理交直流接触器、电磁阀、电磁铁的线圈 输出继电器中间继电器 内部辅助继电器2.对常开、常闭按钮的处理 对停车按钮而言,3.对热继电器触点的处理 分配PLC的输入点或接入PLC外部的控制电路4.对时间继电器的处理,KT,KA,KM,KT,KM,KM,I0.0,I0.1,I0.1,T38,Q0.1,（）,5.处理电路的连接顺序一般对控制电路作一些调整,I/O分配表,由I/O分配表画出的PLC梯形图,输入器件：指连接到PLC输入接线端子用于产生输入 信号的器件。,分类,主令器件,
15、检测器件,有源触点输入器件,无源触点输入器件,输入信号,模拟信号,数字信号,开关信号,PLC I/O端口选择,压力传感器、温度传感器,数字开关,按钮、转换开关、形成开关、触点,输出器件：指连接到PLC输出接线端子用于执行程序运行结果的器件。,分类：,驱动负载,显示负载,输出端口：,继电器输出,晶体管输出,晶闸管输出,接触器、继电器、电磁阀,PLC I/O端口选择,指示灯、数字显示装置、电铃、蜂鸣器,交直流负载,直流负载,交流负载,I/O点数的确定 I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。确定依据：将与PLC相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小和种类分别统计，考虑将来发展的需要
16、再相应增加 1015的余量,PLC I/O端口选择,我国优先选择220V的交流电源电压，特殊情况可选择24V直流电源供电。输入信号电源，一般利用PLC内部提供的直流24V电源。对于带有有源器件的接近开关可外接220V交流电源，提高稳定避免干扰。选用直流I/O模块时，需要外设直流电源。,电源电压的选择,课堂练习,三台电动机M1、M2、M3，按下面的要求运行：1.启动时，M1、M2同时启动，此后5分钟M3才能启动；2.停车时，M3必须先停，M3停后2分钟M1、M2同时停。按上述要求，选择PLC机型，作I/O分配、I/O接线图，设计出一个满足要求的梯形图。,S7-200 I/O点数的分配,输入,输出
17、,采用10点的主机可满足要求,I/O点数的分配,输入,输出,采用10点的主机可满足要求,使用S7-200接线图,PLC,使用OMRON的CPM1A接线图,PLC,梯形图,梯形图,课 堂 练 习,设计用PLC控制一台电动机Y接降压启动，3秒后转换成运行的程序（包括主回路、I/O接线图和梯形图）。,1.主电路,2.I/O分配表,3.梯形图,I0.0 I0.1,Q0.0,TON,Q0.0,T37,T37,Q0.0(),Q0.2(),Q0.1(),30,T37,4.I/O接线图,I0.0 I0.11M,Q0.0Q0.1Q0.21L,6.6 顺序控制设计法,适合按动作的先后顺序进行控制的系统。特点：程序
18、长，但结构清晰、规律性强、可读性好。,6.6.1 功能表图,功能表图 用来表示各工作步的功能、步与步的转换顺序及转换条件。1、组成 步、有向连线、转换条件和动作内容说明等。,例如：图6.14动力头控制功能表图 某动力头运动状态有：快进工进快退各状态的转换条件：压下行程开关,功能表图组成举例,动作内容,工作步,初始步,活动步,转换条件,2.功能表的类型,单序列结构：功能表图没有分支，每步一步，步与步之间只有一个转换条件。选择序列结构：开始为分支，各分支不能同时执行。并行序列结构：开始为分支，各分支同时执行。,（2）选择序列结构,分支,条件,注意：各分支应联锁,合并,（3）并 行 序 列 结 构,
19、图6.16 并行序列,e,分支,步234同时激活,合并,鼓风机和引风机的控制。,一 使用起保停电路的顺序控制梯形图设计方法,基本方法：使用起保停电路关键:找出每一步的起动条件和停止条件,单序列的编程方法,根据顺序功能图设计梯形图时，可以用存储器M来代表步。某一步为活动步时，对应的存储器位为1，某一转换实现时，该转换的后续步变为活动步，前级步变为不活动步。很多转换条件都是短信号，即它存在的时间比它激活的后续步为活动步的时间短，因此应使用有记忆功能的电路和指令来控制代表步的存储位。,大家想一想，前面我们所学的哪些指令或者程序段具有记忆的功能？,鼓风机和引风机的控制时序图可分多少步？,鼓风机和引风机
20、的顺序功能图,每一步的启动条件和转换条件？启动条件：其前级步为活动步，并且转换条件满足。停止条件：后续步转换为活动步。,鼓风机和引风机的顺序控制梯形图,鼓风机和引风机的顺序控制梯形图输出电路部分,此方法中，用某转换所有前级步对应的存储器位的常开触点与转换对应的触点或电路串联，（该串联电路即起保停电路），用它作为使所有后续步对应的存储器位置位（使用置位指令）和使所有前级步对应的存储器位复位（使用复位指令）的条件。在任何情况下，代表步的存储器位的控制电路都可以用这一原则来设计，每一个转换对应一个这样的控制置位和复位的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。这种方法有规律，容易掌握，不容易出错，
21、适用于设计复杂的顺序功能图的梯形图程序。,二 以转换为中心的顺序控制梯形图设计方法,下面以某组合机床的动力头控制系统为例说明。,举例：单序列的编程方法,S7-200PLC提供了三条顺序控制指令:其中S是顺序控制继电器，用S的位状态表示步的活动状态（前面两种方法中用M的位状态表示步的活动状态）;一个SCR段对应于顺序功能图中的一步;S位的状态决定对应的SCR段程序是否执行.,三 使用SCR指令的顺序控制梯形图设计方法,1 顺序控制继电器指令P128,1、不能在不同的程序中使用相同的S位；2、不能在SCR段之间使用JMP及LBL指令，即不允许用跳转的方法跳入或跳出SCR段；3、不能在SCR段中使用
22、FOR，NEXT和END指令。,注意，使用SCR时有如下限制,2 单序列的编程方法,1、哪个S位置位，对应的哪个步的SCR段程序才会执行；2、每一步的SCR段程序由步开始指令开始，步结束指令结束，两者之间有动作输出及步转换的内容；3、SM0.0的作用：无条件触点，始终接通；,举例,请按照下图中所给出的波形图，进行程序设计（顺序控制图和梯形图）。,举例：图示是运料小车运行的示意图，小车可以在A、B之间运动，在A、B点各有一个行程开关SQ1、SQ2。小车从A点向B点前进，到达B点，停车10s后，从B点后退到A点，在A点停车20s后再向B点前进，如此往复不止。要求可以人为控制小车的前进启动和后退启动
23、，并且任何时候都可以停止小车运行。,分析：,该题共有4步：小车前进、定时10s、小车后退和定时20s。各步的转换条件：小车到达B点时的行程开关闭合、B点定时10s时间到、小车到达A点时的行程开关闭合和A点定时20s时间到。各步的动作分别是：小车从A点到B点的前进动作、启动10s定时器动作、小车从B 点到A点的后退动作、启动20s定时器动作。要求能够前进启动和后退启动，需要选择分支结构。停止按钮的动作来停止正在运行的步。,3.根据功能表图画梯形图的方法,每个步可设置一个控制位，激活下步的条件之一：当某步的控制位为ON时，该步成为活动步，同时与该步对应的程序开始执行；激活下一步的条件之二：当转换条
24、件满足时，下一步的控制位为ON，上一步的控制位变为OFF，且上步对应的程序停止执行。步与步的联锁：只要在顺序上相邻的控制位之间进行联锁，就可以实现这种步进控制。,20000,I0.1,20004,20001,T37,20005,20002,20008,20003,20006,20007,I0.0,C2,HR0000,C3,T38,I0.2,TIM004,HR0001,图2.功能表图,举例,根据功能表图画梯形图的方法,（1）步20000,（2）步20001,（3）步20004,（4）步20005,I/O分配表,I/O分配表,Q0.0(),6.8 PLC编程实例,某自动定时搅拌系统的动作过程如下：
25、（1）初始状态是出料阀门A关闭，然后进料阀门B打开，开始进料，液面开始上升。（2）当液面传感器L1的触点接通后，搅拌机开始搅拌。（3）搅拌5min后，停止搅拌，打开出料阀门A。当液面下降到传感器L2的触电断开时，关闭出料阀门A，又重新打开进料阀门B，开始进料，重复上述过程。,出料阀门A,传感器L2,传感器L1,进料阀门B,M,搅拌电机,图 定时搅拌系统,I/O点数的分配,输入,输出,步,0,1,2,3,打开进料阀门B,启动,传感器L1触点接通,5min定时到,启动搅拌电机,启动5min定时,L2触点断开“与”不连续工作,L2触点断开“与”连续工作,打开出料阀门A,6.2 常用的梯形图程序,一、
26、启停控制电路,1.单继电器线圈控制,2.多继电器线圈控制,3.多地控制,4.互锁控制,5.互控程序,00000,01000,01000,01002,00003,01001,00001,01001,01001,01000,00003,01002,00002,01002,01002,01001,00003,01000,(b),00001,00002,00002,00000,00000,00001,6.顺序启动程序,二、脉冲电路,三、定时计数程序,使用一个按钮的延时得电和延时失电,a,三、顺序控制程序,01000,00100,01002,01001,01000,01001,00101,01000,01002,01001,25315,01002,00102,01001,01000,01002,四、3个灯轮流闪烁程序,TIM002,01001,01000,TIM000#0005,01000,00000,TIM000,01002,01001,TIM001#0005,01001,TIM001,01000,01002,TIM002#0005,01002,
