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1、第10章PLC控制系统设计,10.1 概 述 10.2 梯形图的基本电路10.3 梯形图的经验设计方法 10.4 梯形图的逻辑设计方法 10.5 梯形图的顺序控制设计方法 10.6 多种工作方式的程序设计 10.7 具有断电保持功能的程序设计10.8 PLC控制泡沫塑料切片机,10.1 概 述,系统设计包括硬件电路设计和软件程序设计设计应遵循以下基本原则：控制系统应安全、可靠、实用，且易于维修；在满足控制要求的前提下，系统应力求简单、经济，性价比高；考虑到今后的发展和工艺的改进，在硬件配置上应留有一定的裕量。,系统设计的一般步骤和基本内容如下：,弄清开关量、模拟量还是数字量控制？其规模有多大？
2、I/O点数有多少？模拟量的路数和位数各多少？数字量控制时，PLC接收或输出高速脉冲的频率是多少？是否有数据采集、显示监控的要求？是否有PID运算、闭环控制和通信联网等更高的要求？必要时进行内存容量的估算。,10.1.1 系统分析,必须对生产的工艺过程进行深入调查，明确PLC控制的任务,要弄清操作方式和在每一种操作方式下应完成的动作操作方式通常分手动、自动，自动方式又分单周期（半自动）、连续（全自动）。完成的动作：动作顺序、动作条件、必需的保护和联锁等。弄清PLC的使用环境。PLC使用时，对环境温度、防潮、防尘、防腐、防震、防电磁干扰都有相应的要求。,10.1.2 硬件电路设计,1.选择PLC机
3、型基本原则：满足控制要求的前提下，保证可靠、维护方便，最佳性价比。1）性能与任务相适应：主要指标有最大I/O点数，工作速度，内存容量、内存配置，工作电源，PLC的输出方式，特殊功能配置，PLC的安装尺寸2）PLC结构合理、机型统一：同一个企业里，应尽量使机型一致。3）可靠性控制系统必须可靠地工作，可靠性是第一位的问题应尽可能选择使用广泛、口碑好的大公司产品应考虑生产厂家的售后服务、技术支持重要行业（如发电厂、港口），采用双机热备或冗余配置,2选择输入元件、输出执行元件,输入元件：按钮、行程开关、接近开关、光电开关、旋转编码器、液位开关、变送器等。输出执行元件：接触器、电磁阀、指示灯、数码管等。
4、对上述外围器件应按控制要求，从实际出发，选择合适的类别、型号和规格。3进行I/O点的分配，设计PLC控制线路，设计主电路1）I/O点的分配建立I/O点与输入、输出元件的对应关系：利于记忆、方便编程、节省配线。为了减少投资，用一些方法节省PLC的I/O点数。如：单按钮控制启动/停止，相同控制功能的按钮并联使用，等等。,2）设计PLC控制线路PLC的输入端可以使用自身配置的DC 24V电源。如果该电源还用于其他目的，注意不要超过其额定容量。PLC的输出端需要注意的问题：在PLC的输出公共端子COM上串入保险丝，作为短路保护用。如输出端接感性负载时，要考虑接入相应的保护电路，保护PLC的输出点。交流
5、感性负载使用RC吸收电路，直流感性负载使用RC吸收电路或续流二极管。如果输出端的负载电流超过最大限额，可先外接继电器，然后驱动负载。装接外部紧急停车电路。当运行中发生故障时，按紧急停车按钮，切断负载电源。3）主电路的设计按照继电器控制电路的设计规范进行。,10.1.3 软件程序设计,1熟悉PLC指令系统和PLC的内部软器件2程序应结构分明、层次清楚3程序应能正确、可靠地实现控制功能,逻 辑 设 计 法,经 验 设 计 法,顺 序 控 制 设 计 法,设 计 方 法,注意问题,10.1.4 制作控制柜及现场施工,先画出PLC的电源进线接线图和输出执行元件的供电接线图；画出电气柜内元器件布置图、相
6、互间接线图；画出控制面板元器件布置图。现场安装要安全、正确、可靠、合理、美观，要处理好PLC的接地，注意提高系统的抗干扰能力。10.1.5 系统调试安装完毕后先对各单元环节和各电柜分别进行调试，然后按动作顺序，模拟输入控制信号，逐步进行调试。如果有问题，修改软件，必要时再调整硬件，直到符合要求。10.1.6 编制技术文件系统调试和运行成功后，整理技术资料，编制技术文件，包括电气原理图、元件明细表、软件清单、使用说明书等。,10.2 梯形图的基本电路,10.2.1 启保停电路,按下启动按钮，0.01常开触点闭合，使100.00线圈得电，100.00常开触点闭合，维持100.00线圈继续得电，接触
7、器KM通电，电机运转。具有自锁或自保持作用。按下停止按钮，0.02常闭触点断开，100.00线圈断电，电机停转。,启保停电路,停止按钮,启动按钮,10.2.2 双向控制电路,按下正转启动按钮0.00，0.00常开触点闭合，100.00线圈得电并自锁，KM1得电，电机正转；此时若按下反转启动按钮0.01，0.01常闭触点断开，100.00线圈断电，电机正转停止；0.01常开触点闭合，100.01线圈得电并自锁，KM2得电，电机反转。按下停止按钮0.02，0.02常闭触点断开，线圈断电，电机停转。KM1、KM2不能同时得电。,双向控制电路,机械互锁,机械互锁,机械互锁,10.2.3 电动机Y-降压
8、启动控制,启动按钮SB1：0.00停止按钮SB2：0.01；供电电源接触器KM1：100.00星形连接接触器KM2：100.01三角形连接接触器KM3：100.02,按下启动按钮后，KM1与KM2接通，电动机绕组星形连接降压启动；Y-换接时，KM2断开，KM3接通，绕组接成三角形全压运行。,运行过程,10.2.4 单按钮启停控制,用KEEP指令设计单按钮启停控制,用基本指令设计单按钮启停控制,10.2.5 优先权程序,10.2.6 分频器,（b）波形,二分频器,10.2.7 脉冲发生器,1.单脉冲发生器,2.连续脉冲发生器,图为定时器实现的脉冲序列发生器。,定时器实现的脉冲序列发生器,自复位计
9、数器也可以产生周期性脉冲序列，如图所示。,计数器实现的脉冲序列发生器,下图是一个脉冲宽度可调、占空比为1:1的连续脉冲发生器。,下图是一个脉冲宽度和占空比均可调的连续脉冲发生器。,10.2.8 长定时程序,图是用两个定时器级连实现长定时的程序总的定时时间是SV1SV2,用CNT设计具有断电保持功能的长定时程序，第一级可采用各种形式的周期性脉冲序列发生器，第二级只能用计数器。图是用两个计数器设计的具有断电保持功能的长定时程序，第一级CNT0100用来产生计数脉冲，P_1min为分钟脉冲，由CNT0100产生的计数脉冲周期为SV1分钟，第二级CNT0101对CNT0100产生的脉冲序列进行计数，计
10、满SV2个数时，20.00线圈通电总的定时时间为SV1SV2,10.2.9 断电延时定时器,一般为通电延时型的，即当定时器输入接通时，定时器从设定值开始做减法运算，减到零时，定时器才有输出，其常开触点闭合、常闭触点断开。当定时器输入断开时，定时器立即复位，即由当前值恢复到设定值，其常开触点断开、常闭触点闭合。有时需要另一种定时器，即从某个输入条件断开时开始延时，这就是断电延时定时器，如图所示。,10.2.10 双延时定时器,所谓双延时定时器，是指通电和断电均延时的定时器，用两个定时器完成双延时控制，如图所示。,10.2.11 移位寄存器的应用举例,1.在自动生产线上的应用 移位寄存器在物品分选
11、的应用如图所示，某生产线有5个工位，1号工位是检查站，5号工位是剔除站。产品经过检查站要检查其是否合格，如果不合格将在5号工位被剔除。从1号工位到5号工位要移动4次，因此，使用4位移位寄存器20.0020.03。,2.彩灯控制,彩灯控制的梯形图如图所示，用移位寄存器的20.0020.07通过100.0001007控制外接8个彩灯，20.07用作移位寄存器的数据输入端，这样即可实现环形移位。用自复位定时器产生周期为2s的脉冲序列，作为移位脉冲。外接输入开关给移位寄存器中的各位设置初始值。彩灯移动的方向由100.02控制，既可以左移，也可以右移。当100.02为ON时，彩灯右移；当100.02为O
12、FF时，彩灯左移。,10.3 梯形图的经验设计方法,经验设计法没有普遍的规律可以遵循，随意性较大，设计的质量与编程者的经验有很大的关系，最后的程序也不是唯一的。例1 送料小车自动控制系统的梯形图设计。,工作示意图如图，在ST1处装料，15s后装料结束，开始右行，碰到ST2后停下来卸料，10s后左行，碰到ST1又停下来装料，这样不停地循环工作。在右行或左行过程中，按一下停止按钮SB3，小车停止运行。系统设置右行启动按钮SB1和左行启动按钮SB2。,装料15s、卸料10s。,1）I/O分配输入：右行启动按钮SB1 0.00 左行启动按钮SB2 0.01 停止按钮SB3 0.02 右端行程开关ST2
13、 0.03 左端行程开关ST1 0.04输出：右行接触器 100.00 左行接触器100.01 装料电磁阀100.02 卸料电磁阀100.032）设计梯形图,例2 电机优先启动控制。有5个电机M1M5，都有启动和停止控制按钮，要求按顺序启动，即前级电机不启动时，后级电机无法启动；前级电机停，后级电机也都停。1）I/O分配输入：5个启动按钮 SB1SB5 0.00、0.02、0.04、0.06、0.08。5个停止按钮 SB6SB10 0.01、0.03、0.05、0.07、0.09。输出：5个控制电机的接触器 KM1KM5 100.0001004。2）设计梯形图,10.4 梯形图的逻辑设计方法,
14、基本逻辑表达式与梯形图的对应关系,i=1,n,例1 三个开关控制一个灯，任何一个开关都可以改变灯的状态，即控 制灯的亮或灭。1）I/O分配输入：三个开关 0.000.02输出：灯 100.002）设计梯形图开关1、0表示接通或断开两个状态;灯1、0表示亮或灭两个状态。表为三个开关控制一个灯的真值表，一共8种组合，分成两组;奇数个1为1组，4个组合，对应灯亮；偶数个1为另一组，有4个组合，对应灯灭。任何一个开关状态的改变，都可以把组合从一组改到另一组，从而实现所要求的控制。,由逻辑表达式画出梯形图，如图所示。,逻辑表达式为：,例2 通风机监视，有三个通风机，设计一个监视系统，监视通风机的运转。要
15、求如下：如果两个或两个以上在运转，信号灯就持续发亮；如果只有一个通风机在运转，信号灯就以0.5Hz的频率闪烁；如果三个通风机都不运转，信号灯就以2Hz的频率闪烁。用一个开关来控制系统的工作，开关闭合时系统工作，开关断开时，系统不工作，信号灯熄灭。1）I/O分配 输入：风机状态 13 0.000.02 控制开关 0.03输出：信号灯 100.002）设计梯形图：通风机运转有三种情况用三个辅助继电器20.0020.02表示这三种状态，再由这三个继电器控制指示灯。,20.00、20.01、20.02的控制电路设计：20.0020.02和0.000.02的关系可用真值表列出，如表所示。,从逻辑关系上2
16、0.01可由20.00、20.02来表示：,写出20.0020.02的逻辑表达式，并用逻辑代数的公式化简如下：,由逻辑表达式可以画出梯形图，如图。,10.5 梯形图的顺序控制设计方法,顺序控制的特点工作过程特点：系统的工作过程可以分为若干步（如第一步装料，第二步右行，第三步卸料，第四步左行等），当满足某个条件时（如时间15秒、碰到行程开关等），系统从当前步转入下一步，同时上一步的动作结束。步进工作过程，可以用顺序功能图来描述。例如小车送料控制系统的顺序功能图如图所示，该顺序功能图可直观、清晰地描述小车的工作过程。,10.5.1 顺序控制设计方法,2.顺序功能图及其对应的梯形图状态转移图、状态图
17、或流程图，是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，由步、转换条件、有向连线、动作来组成。步用矩形框表示，框内的数字表示步的编号。顺序功能图基本结构：1）单序列结构:每一步后面仅有一个转换条件，每一转换条件后仅有一步。2）选择序列结构，3）并行序列结构,10.5.2 顺序控制程序设计举例,例1 图为一动力头进给运动的示意图。初始状态时，动力头停在ST3处，按一下启动按钮后，动力头快进；碰到行程开关ST1时，改为工进；碰到行程开关ST2时，改为快退；快退碰到行程开关ST3时，停止。1）I/O分配输入：三个行程开关：0.01、0.02、0.03；启动按钮：0.00输出：三个电磁阀：100.0
18、0、100.01、100.02，如表所示。,2）画出顺序功能图顺序功能图如图（a）所示进一步改画为图（b）3）设计梯形图如图（c）所示。,例2 两处送料小车的控制梯形图。送料小车工作示意图如图，初始状态小车空车停在行程开关ST1处，按一下启动按钮，小车在ST1处装料；15s后装料结束，开始右行；碰到行程开关ST2后停下来卸料；10s后左行，碰到行程开关ST1又停下来装料；15s后装料结束，开始右行，碰到行程开关ST3后停下来卸料，10s后左行，碰到行程开关ST1又停下来装料。这样循环工作，直到按一下停止按钮，小车在完成最后一个周期的工作后空车停在ST1处。,1）I/O分配,I/O分配表,2）画
19、出顺序功能图顺序功能图如图所示。系统是一种连续工作方式，即在初始点ST1处，按一下启动按钮，系统进行连续循环工作，直到按一下停止按钮，系统在完成最后一个周期的工作后，停止在初始点。,3）设计梯形图 根据顺序功能图画出梯形图，如图所示,例3 用传送带传送长物体的控制系统如图所示。为了减少传送带的运行时间，采用分段传送方式。A、B为两条传送带，GK1、GK2为两个光电开关，工作过程如下：按一下启动按钮，A开始运行，B不运行；当长物体前端靠近GK1时，A、B都运行；当长物体后端离开GK1时，B运行，A不运行；当长物体后端离开GK2时，A、B都不运行。1）I/O分配I/O分配见表。,2）画出顺序功能图
20、顺序功能图如图所示。表示转换条件为0.00 OFF，0.01表示转换条件为0.01的下降沿微分。,3）设计梯形图 梯形图如下图所示,10.6 多种工作方式的程序设计,很多工业控制设备设置有以下几种工作方式：手动、单周期、连续，后两种属于自动工作方式。下面以运料小车的控制系统为例，介绍多种工作方式的程序设计。下图是运料小车的工作示意图。,操作面板如图所示。,系统设有3种工作方式，由工作方式选择开关确定。,工作方式开关拨到手动位置，1.01接通。按住右行按钮1.04，小车右行，松开或碰到ST2（0.03），右行停止。按住左行按钮1.05，小车左行，松开或碰到ST1（0.04），左行停止。小车停在0
21、.04处时，按住装料按钮1.06，小车装料，松开按钮，装料停止。小车停在0.03处时，按住卸料按钮1.07，小车卸料，松开按钮，卸料停止。,1）手动工作方式,工作方式开关拨到单周期位置，1.02接通。小车在左限位ST1时，按一下启动按钮0.00后，小车装料15秒，右行至ST2处停止，卸料10秒，左行至ST1停止，一个运行周期结束。若小车再次工作，需再按启动按钮，即按一下启动按钮，小车只能工作一个周期。,2）单周期工作方式,工作方式开关拨到连续位置，1.03接通。在初始状态按一下启动按钮小车工作一个周期返回ST1处，又开始下一个周期的工作，小车不停地连续循环工作，按一下停止按钮停止工作。,3）连
22、续工作方式,程序流程如图所示，整个程序可分为两段：手动程序、自动程序。手动程序完成手动工作方式下的控制功能，自动程序完成自动工作方式下的控制功能，用跳转指令控制手动程序和自动程序的切换。,下图为运料小车自动运行的顺序功能图。21.02表示手动/自动工作方式，21.02为“1”时表示手动方式，为“0”时表示自动方式。21.00表示自动方式下的连续运行状态，21.00为“1”时表示处在连续运行状态，为“0”时表示连续运行处在停止状态。,运料小车的控制程序,程序说明如下：,（1）手动程序当系统从自动方式切换到手动方式下，应将代表各步的辅助继电器和代表连续工作方式的21.00复位。否则，在返回自动方式
23、时可能会出现错误动作。手动按钮1.041.07控制小车的各个动作，程序中设置了一些必要的互锁。（2）自动程序如果系统上电时处在自动方式，则P_First_Cycle将初始步20.00激活；从手动切换到自动切换时，21.02将20.00步激活，随后，21.02应马上失去作用，即21.02只能激活20.00一次，因此自动程序的最后一条将21.02置“0”。,10.7 具有断电保持功能的程序设计,如果要求系统有断电保持功能，即在自动工作方式下，当发生断电再恢复供电后，小车从断电前的状态继续运行下去，例如，小车装料到10秒钟时发生断电，再恢复供电，小车继续装料5秒，累计完成装料15秒，然后进行下一步动
24、作，要使运料小车具有断电保持功能，顺序功能图修改为。,与前图相比较，运料小车具有断电保持功能的顺序功能图有以下变化（1）自动方式下的连续工作标志位21.00改用H01.00，手动/自动工作状态位21.02改用H01.02，状态步20.0020.04改用H00.00H00.04。（2）定时器TIM0000、TIM0001改用计数器CNT0000、CNT0001。（3）将等待步启动条件中的P_First_Cycle去掉，防止断电再启动时激活H00.00，破坏断电保持功能。去掉P_First_Cycle带来一个问题，如果系统首次投入运行，在自动工作方式下，系统不能启动，这时可以转换到手动方式，再转回
25、自动方式，系统就可以启动了。运料小车具有断电保持功能的程序如图所示。,系统具有断电保持功能,10.8 PLC控制泡沫塑料切片机,1.泡沫塑料切片机工作原理 把泡沫塑料块切成一片片一定厚度的海绵，其工作原理如图所示。泡沫块置于台面上，切割开始时，使台面后移到限位，接着刀架下降一定位移量并锁住，然后台面带动泡沫块一起前移至限位，旋转的刀片随之切割出一片一定厚度的海绵，台面再后移至限位，不断重复上述过程。,切片机主电路图所示。,2.PLC控制系统设计切片机控制系统原理图，切割厚度由4位拨盘开关设定输入，范围为000.0 199.9mm。刀架电动机的转轴上装有测速齿轮，沿圆周均匀开5个槽。使用二线制接
26、近开关，电机轴每转1圈，向PLC发出5个计数脉冲，转两圈刀架高度变化1mm，接近开关发出10个脉冲，根据设定的切割厚度可以简单地计算出PLC应计的脉冲个数。电动机轴转速为10转/秒，PLC的计数频率应达到50Hz。选用CP1E-E40DR-A型PLC，使用其高速计数器0，它的计数频率可达10KHz。,PLC接线图，高速计数器0的输入点是0.00。,工作方式有两种：手动和自动。S1接通时为手动，断开时为自动。两种方式下的输入点共有30个，超出PLC本身24个输入点，由于手动和自动只能以一种方式工作，故某些输入点可分时复用，一点顶两点用。PLC控制系统的功能如下：两种工作状态：手动/自动。由手动进
27、入自动时，先停止手动状态动作，按下自动启动按钮后，根据拨盘开关设定厚度值，进行自动切割，如图所示。自动进入手动时，先停止自动状态工作，而后手动操作按钮，控制切片机动作。台面前/后运动时，带锯电动机必须先启动，带锯电动机停转，台面前/后运动立即停止。磨刀必须在带锯电动机启动（即刀片旋转）时才能进行。手动/自动方式下，按下总停按钮后，除带锯、磨刀外，其余动作应立即停止。电源接通后，台面刹车交流接触器KM7立即通电。,自动方式下使用高速计数器0，用CX-P设置，设计步骤如下：1）在PLC系统设定的“内置输入”中 对高速计数器0进行设定高速计数器0：使用计数模式：线性模式台面向后落刀台面向前后到位到位
28、前到位循环最大计数：无复位：软件输入设置：增量,2）将目标值一致比较表数据登记在D0D3D0 比较的次数（置为0001）D1 目标值1低4位（计算设置）D2 目标值1高4位（置为0000）D3 置为0000（加法计数,中断任务编号00）3）分别设计循环任务00和中断任务00。循环任务00的程序共分三部分：公用程序、手动程序、自动程序。,高速计数器0设定,在自动程序里，选用23.0023.05这6个内部辅助继电器作为工作的步标志，控制循环动作，顺序功能图如图所示。,中断任务00的功能是当刀架下降距离达到一个设定的厚度时，立即将步3复位，即停止刀架电动机的运行，同时将步4置位，启动台面前移，开始切
29、割。注意:在自动程序中，初始步的产生及中间步的转换不是采用通常的启保停电路的结构形式，而是用置位/复位（SET/RSET）指令来实现的，它们同样可以实现启保停电路的功能。,思考题与习题,10.1 某自动门，在门内侧和外侧各装有一个超声波探测器。探测器探测到有人 后0.5秒，自动门打开，探测到无人后1秒，自动门关闭。设计PLC梯形图。10.2 利用PLC控制三盏灯自动顺序点亮，逆序熄灭。按下启动按钮SB1，第一盏灯亮，2秒后，第二盏灯亮，再过2秒，第三盏灯亮；按下停止按钮SB2，第三盏灯灭，2秒后，第二盏灯灭，再过2秒，第一盏灯灭；按下停止按钮SB3，全部灭。分配I/O点，设计出梯形图。10.3
30、 设计具有断电记忆功能的长定时器，定时时间为365天。10.4 设计三开关表决逻辑电路，当有两个或两个以上开关接通时，绿灯亮，表示通过；当只有一个或没有开关接通时，红灯亮，表示不通过。10.5 按一下启动按钮后，电动机运转10s，停止5s，重复如此动作3次后停止运转。设计梯形图。10.6 某广告牌上有六个字，每个字显示0.5秒后六个字一起显示1秒，然后全灭。0.5秒后再从第一个字开始显示，重复上述过程。试用PLC实现之。10.7 粉末冶金制品压制机如第7图所示，装好粉末后，按一下启动按钮0.00，冲头下行。将粉末压紧后，压力继电器0.01接通。保压延时5s后，冲头上行至0.02接通。然后模具下
31、行至0.03接通。取走成品后，工人按一下按钮0.05，模具上行至0.04接通，系统返回初始状态。画出顺序功能图，设计出梯形图。,10.8 动力头按第10.8题图（a）所示的步骤动作：快进，工进1，工进2，快退。输出M0M3在各步的状态如第6题图（b）所示，表中的“1”、“0”分别表示接通和断开。设计该动力头运动的梯形图程序，要求设置连续、单周期、单步3种工作方式。0.04冲头0.02模具0.03第10.7题图快进工进1工进2快退第10.8题图 步M0M1M2M3快进0110工进11100工进20100快退0011（b）（a）,10.9 分拣大、小球的机械装置如第9题图所示。工作顺序是：手臂在左
32、上点（原点），ST2、ST3闭合，按一下启动按钮，手臂向下运动，碰到下端限位开关ST1时，停止下行；手伸出，碰到球时，压力继电器闭合，手动停止；电磁铁线圈通电吸住球1秒后，手开始缩回，缩回到位的时间为0.5秒；手臂上行，碰到上端限位开关ST2时，停止上行；右行，行至右端光电开关GK1（抓小球）或GK2（抓大球）处，停止右行，电磁铁线圈断电释放球；1秒后，左行，至左端限位开关ST3处，停止左行。再次下行。如此循环，直到按一下停止按钮，机械手完成最后一次循环后，停止在原点。抓住小球时，极限开关ST4闭合，抓住大球时，极限开关ST4不闭合。分配I/O点，画出顺序功能图，设计出梯形图。,10.10 剪板机如第10.10题图所示，初始状态时，压钳和剪刀在上限位置，0.00和0.01接通。按一下启动按钮0.05，工作过程如下：首先板料右行（100.00接通），至0.02接通，然后压钳下行（100.01接通）。压紧板料时，压力继电器0.03接通，压钳需保持压紧（100.01仍接通），剪刀开始下行（100.02接通）。剪断板料后，0.04接通，压钳和剪刀同时上行（100.03和100.04接通，100.01和100.02断开）。当它们碰到各自的上限位开关0.00和0.01后，都停止上行。接着又开始下一周期的工作。剪完10块料后，停止工作，并停在初始状态。画出顺序功能图，设计出梯形图。,
