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1、第7章PLC控制系统设计与应用实例,7.1PLC控制系统设计的内容和步骤7.2PLC控制系统的硬件配置7.3PLC控制系统梯形图程序的设计7.4顺序控制梯形图的设计方法7.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例,7.1PLC控制系统设计的内容和步骤,7.1.1PLC控制系统设计的内容7.1.2PLC控制系统设计的步骤,7.1.1PLC控制系统设计的内容,1)分析控制对象、明确设计任务和要求是整个设计的依据。2)选定PLC的型号及所需的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置。3)编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图。4)用编程语言(常用梯形图)进行程序设计。5)设计操作台、电
2、气柜，选择所需的电气元件。6)编写设计说明书和操作使用说明书。,7.1.2PLC控制系统设计的步骤,1.系统规划2.硬件设计3.软件设计4.系统调试5.技术文件编制,图7-1PLC控制系统设计的步骤,7.2PLC控制系统的硬件配置,7.2.1PLC机型的选择7.2.2开关量I/O模块的选择7.2.3模拟量I/O模块的选择7.2.4智能模块的选择,7.2.1PLC机型的选择,考虑以下几方面的要求：性能与任务相适应；PLC的处理速度应满足实时控制的要求；PLC机型尽可能统一；指令系统。,1.性能与任务相适应,对控制速度要求不高的开关量控制系统，选用小型PLC；对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控
3、制的应用系统，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带D/A转换的模拟输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型PLC；西门子公司的S7-200、S7-1200PLC在进行小型数字、模拟混合系统控制时具有较高的性价比，实施起来也较为方便。对于比较复杂、控制功能要求较高的应用系统，如需要PID调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC，如西门子公司的S7-300、S7-400。,2.提高PLC快速响应的几点措施,1)选择CPU速度比较快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5s。2)优化应用软件，缩短扫描周期。3)采用高速响应模块，其响应的时间不受
4、PLC周期的影响，而只取决于硬件的延时。,3.PLC机型尽可能统一,一个大型企业，应尽量做到机型统一；模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理，这不仅使模块通用性好，减少备件量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给扩展系统升级留有余地；外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可把控制各独立系统的多台PLC连成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中管理。,4.指令系统,1)指令系统的总语句数。2)指令系统种类。3)指令系统的表达方式。4)应用软件的程序结构。（有模块化和子程序式）（模块化：编写调试方便，但处理速度慢；子程序式：响应速度快，但不利于编写和调试）,各种机型的指令系统不完全相同，在
5、控制指令、数学运算指令、逻辑指令方面各有侧重。选择机型时，从指令方面注意以下几点：,7.2.2开关量I/O模块的选择,1.开关量输入模块的选择2.开关量输出模块的选择,自学！,1.开关量输入模块的选择,1)选择工作电压等级 根据现场检测元件和模块之间的距离来选择2)选择模块密度 根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择3)门坎电平 门坎电平指：接通电平和关门电平的差值；门坎电平越大，抗干扰能力越强，传输距离越远。,自学！,2.开关量输出模块的选择,1)输出方式的选择：继电器输出方式：交直流负载，响应速度慢，不能频繁动作；晶闸管输出方式：开关频率高、电感强、功率因数低的交流负载；晶体管输
6、出方式：开关频率高的直流负载2)输出电流的选择：模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，并留有余量；当负载电流较大，输出模块不能直接驱动负载时，要增加中间放大环节；接通点数的电流和必须小于公共端允许通过的电流值。,自学！,7.2.3模拟量I/O模块的选择,1.模拟量输入模块的选择2.模拟量输出模块的选择,1.模拟量输入模块的选择,1)模拟量值的输入范围 电压信号：05V,010V,-55V等 电流信号：020mA,420mA等2)模拟量输入模块的分辨率、输入精度、转换时间等参数指标应符合具体的系统要求；3)应用中要注意抗干扰措施方法：模块和电源保持一定距离；模拟量输入信号线采用屏蔽措施；采用一
7、定的补偿措施，减少环境变化对信号的影响。,2.模拟量输出模块的选择,模拟量输出模块的输出类型有电压输出和电流输出两种，输出范围：010V、10V10V、020mA等；模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块的情况类似；S7-200 PLC提供了各种模块，可根据实际需要选用 EM231 4路模拟量输入模块、EM231 4路输入热电偶、EM231 2路热电阻(RTD)、EM232 2路模拟量输出模块、EM235 4输入/1输出组合。,7.2.4智能模块的选择,一般的智能模块包括PROFIBUS-DP模块(如EM277模块)、工业以太网模块(如CP243-1、CP243-1
8、IT)、调制解调器模块(如EM241模块)、定位模块(如EM253模块)等。需要注意：一般智能模块价格比较昂贵，而有些功能采用一般I/O模块也可以实现，只是要增加软件的工作量，因此应根据实际情况决定取舍。,7.3PLC控制系统梯形图程序的设计,7.3.1经验设计法7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图,7.3.1经验设计法,依据：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，并把它们有机组合起来,经验设计法的特点：,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。,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
9、性和随意性设计出的程序不唯一，其质量与设计者的经验有关对于简单的系统，用经验设计法进行设计，简单、易行，可以收到明显的效果对于一些旧设备的改造常采用经验设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑PLC的特点对于复杂的系统，由于联锁关系复杂，难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，使用、维护不便,举例：电机的启动和自锁,I/O分配表：,对应的梯形图：,图7-2运料小车控制系统,7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图,1.顺序功能图2.顺序功能图的基本结构3.顺序功能图法,1.顺序功能图,(1)步与动作(2)有向连线(3)转换和转换条件,图7-3顺序功能图举例,步：将系统的一个工作周期划
10、分为若干个顺序相连的阶段；初始步：与系统的初始状态对应的步；用M和S来代表各个步；,(1)步与动作,初始步：双线方框表示,步用矩形框表示,“活动步”“非活动步”,活动步：步处于活动状态（该过程正被执行）非活动步：步处于非活动状态（该步未被执行）,与步相关的动作（或命令）,步处于活动状态时，该步内相应的动作（或命令）即被执行；反之，不被执行,与相应步的矩形框相连,与步相关的动作（或命令）,“非存储型”“存储型”,动作（或命令）可分：,“存储型”：当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）继续保持它的状态,“非存储型”：当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）返回到该活动步前的状态,“点动电机M
11、1”,“非存储型”命令,“启动电机M1并一直保持”,“存储型”命令,(2)有向连线,步之间的进展，采用有向连线表示，它将步连接到转换并将转换连接到步。,有向连线,步的进展按有向连线规定的路线进行习惯进展的方向：从上到下或从左到右,箭头表示步进展的方向,(3)转换和转换条件,步与步之间由“转换”分隔；当两步之间的转换条件得到满足时，转换得以实现，即上一步的活动结束而下一步的活动开始；每个活动步持续的时间取决于步之间转换的实现。,转换符号,转换条件,例子：要求M1起动30s后，M2自动起动，运行15s后，M2停止，同时M3自动起动，再运行45s后，电机全部停止,2.顺序功能图的基本结构,(1)单序
12、列结构(2)选择序列结构(3)并行序列结构,(1)单序列结构,单序列由一系列相继激活的步组成。每步的后面仅有一个转换条件，每个转换条件后面仅有一步，如图7-4所示。,图7-4单序列结构,(2)选择序列结构,选择序列的开始称为分支。某一步的后面有几个步，当满足不同的转换条件时，转向不同的步；选择序列的结束称为合并。几个选择序列合并到同一个序列上，各个序列上的步在各自转换条件满足时转换到同一个步，如图7-5b所示。,图7-5选择序列的分支与合并,并行序列的分支与合并,满足b条件，12、14、18步同时被激活，成为活动步,当13、15、17都为活动步，若满足d条件，则13等同时变为不活动步，18变为
13、活动步,(3)并行序列结构,并行序列的分支中只允许有一个转换条件，并标在水平双线之上。并行序列的合并只允许有一个转换条件，并标在水平双线之下。,步骤：1.首先根据系统的工艺流程，设计顺序功能图。2.然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。,优点：,1.在顺序功能图中，步之间没有重叠。这使系统中大量复杂的联锁关系在步的转换中得以解决。2.对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。3.编程方法简单易学，规律性强。4.设计出的控制程序结构清晰、可读性好；调试、运行方便,3.顺序功能图法,7.4顺序控制梯形图的设计方法,7.4.1置位、复位指令编程7.4.2顺序控制继电器指令编程7.4.3具有多种
14、工作方式的顺序控制梯形图设计方法,S7-200 PLC采用顺序功能图法设计时，可用置位/复位(S/R)指令、顺序控制继电器(SCR)指令、移位寄存器(SHRB)指令等实现编程。,7.4.1置位、复位指令编程交通灯控制,1.控制要求2.输入、输出信号地址分配3.设计顺序功能图和梯形图程序,1.控制要求,1)接通起动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时亮。2)东西向绿灯亮25s后，闪烁3次(1s/次)，接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，30s后东西向绿灯又亮如此不断循环，直至停止工作。3)南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次(1s/次)，接着南北向黄灯亮
15、，2s后南北向红灯又亮如此不断循环，直至停止工作。,图7-7交通信号灯控制示意图,2.输入、输出信号地址分配,表7-1交通信号灯控制I/O地址分配表,图7-8I/O接线图,3.设计顺序功能图和梯形图程序,图7-9交通信号灯控制顺序功能图,图7-10交通信号灯梯形图程序,东西向绿灯亮25s后，1步结束，2步开始，绿灯灭,250,0.5s后，2步结束，3步开始，绿灯亮启动计数器，要求闪烁3次3次不到，0.5s后，2步开始，3步结束3次到了，0.5s后，4步开始，3步结束，黄灯亮,2s后，4步结束，5步开始，红灯亮30s后，5步结束，1步开始，循环,东西绿灯东西黄灯东西红灯停止,7.4.2顺序控制继
16、电器指令编程深孔钻组合机床,1.深孔钻组合机床控制要求2.I/O信号地址分配和接线图3.画出顺序功能图4.由顺序功能图设计梯形图,1.深孔钻组合机床控制要求,刀具进退与行程开关示意图如图7-11所示。在起始位置O点时，行程开关SQ1被压合，按起动按钮SB2，电动机正转起动，刀具前进。退刀由行程开关控制，当动力头依次压在SQ3、SQ4、SQ5上时电动机反转，刀具会自动退刀，退刀到起始位置时，SQ1被压合，退刀结束，又自动进刀，直到三个过程全部结束。,图7-11深孔钻组合机床工作示意图,2.I/O端子接线图,图7-12深孔钻控制I/O接线图,3.顺序功能图,根据深孔钻组合机床工作示意图，可画出顺序
17、功能图如图7-13所示。,图7-13深孔钻顺序功能图,4.由顺序功能图设计梯形图,图7-14深孔钻控制梯形图,自学！,7.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例,7.5.1节日彩灯的PLC控制7.5.2恒温控制,7.5.1节日彩灯的PLC控制,1.彩灯闪烁一般控制方法环形分配器原理2.环形分配器法编程3.编写彩灯“花式”节拍输出分配表程序,1.彩灯闪烁一般控制方法环形分配器原理,图7-23环形分配器示意“钟”,表7-3节日彩灯“步进单闪”花式节拍输出分配表,表7-4节日彩灯“奇偶跳变”花式节拍输出分配表,2.环形分配器法编程,(1)时基(2)单步环形移位(3)“长针”周期触发、“短针”单步环形
18、移位,3.编写彩灯“花式”节拍输出分配表程序,图7-24节日彩灯控制程序,7.5.2恒温控制,1.恒温控制的基本思路2.数据的变换与处理3.设计梯形图程序,1.恒温控制的基本思路,图7-25温度控制系统硬件示意图,2.数据的变换与处理,(1)数据输入变换过程(2)控制量输出变换过程,图7-26420mA模拟量变换坐标,3.设计梯形图程序,1)主程序(OB1)：网络1将温度信号输入值转换成025600存入VW162，以及再转换成0100范围并存入VW170，该温度值可用于数码显示或后面的“比较器”数值比较。2)子程序0(SBR0)：初始化变量存储器，其中VD160、VW170开机清零；VW180
19、置最大输出调控量32000(20mA)；VW182置0输出调控量(4mA)。3)子程序1(SBR1)：填写除给定值以外其他PID回路表参数。4)中断0(INT0)完成以下功能：将VW162以上16位补0成为双字整数，再划为实数，并除以25600.0使之成为0.01.0的过程变量(PVn)；I0.0置1时PID回路指令有效；将0.01.0的输出转换成025600的整数，再加6400，成为640032000的输出，其中还有上/下限幅，当失调温度超过设定值5时，输出6400，反之低于5时，输出32000。（具体程序见教材）,本章小结,本章主要介绍了PLC控制系统设计的内容和步骤；PLC控制系统的硬件配置方法。重点介绍了梯形图程序的设计方法，包括经验设计法和顺序控制设计法。介绍了顺序功能图的结构和应用方法，并通过典型的应用实例来介绍顺序控制梯形图的设计方法、步骤和内容。通过学习，应掌握顺序功能图和顺序控制设计法的设计步骤，能进行简单的控制系统的设计，包括统计输入/输出信号点数和类型，进行合理的机型选择，画出输入输出接线图，画出顺序功能图，设计出梯形图程序并进行调试。习题：2，3，5。,
