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1、第四章 控制系统设计第1节 PLC控制系统构成形式与选型一、PLC控制系统的设计步骤,PLC控制系统设计包括控制对象及范围的确定、系统构成形式的确定、可编程控制器选型、软件/硬件设计、系统调试及投运等步骤。,设计步骤,1.单机控制系统 单机控制系统是最常见的系统构成形式，由一台PLC控制一个对象。,该形式系统构成简单，PLC作为底层控制器，上位机作为监控机。一般用于控制简单的受控对象。,二、PLC控制系统的构成形式,2.集中控制系统,该形式系统构成简单，相对成本低。一般用于各受控对象位置比较集中且相互之间有一定联系的场合。通常采用中、大型PLC。,3.分散控制系统,该形式系统安全性较高，便于维
2、护。多用于大型生产装置或多条流水线的控制。,4.远程控制系统,该形式系统配有远程控制站，适用于受控对象远离主控室的场合。,5.冗余控制系统,主要用于可靠性要求较高的场合。,1.功能选择 开关量控制 模拟量控制 数据处理功能（注意浮点数处理功能）特殊I/O控制 诊断功能 通信功能 其它高级功能,三、PLC选型,2.确定I/O点数 根据I/O点数的多少选择相应的机型，小型机、中型机、大型机等。各种输入/输出点应分别统计。一般按DI、DO、AI、AO、特殊I/O点、其它点等分别统计。应注意留有余量。3.输入/输出模块选择 开关量模块：输入模块：注意交流/直流信号、信号电压等级、外部/内部供电等。输出
3、模块：注意交流/直流负载、输出电压等级、负载电流、动作频率等，可选择继电器、晶体管式或可控硅式输出。,模拟量模块：A/D模块：注意输入信号类型，如电流信号、电压信号、信号范围及标度变换等。D/A模块：注意同A/D模块。其它单元模块：通信模块：注意接口类型、通信速率等。功能模块：PID控制模块、转速控制模块、位置控制模块等。,4.存储器选择 类型选择：RAM型、EPROM型、E2PROM型、闪存等。容量估算：开关量：M=DI*10+DO*5 模拟量：M=（AI+AO）*100 在此基础上，再留20%余量。5.其它方面 编程语言：梯形图、SFC等 编程软件：灵活、方便性及费用 各种工控软件的支持情
4、况：需配上位监控系统时应重点考虑。,第2节 硬件系统设计一、硬件设计主要文件,1、系统硬件配置图 反映系统整体构成及连接关系等。2、系统硬件一览表 系统各硬件名称、型号、数量等。3、I/O地址分配表 各I/O点的地址分配。4、I/O硬件接线图 各I/O模块接线。,系统配置图示例：系统组成图,PC_1,综合实验装置1,综合实验装置2,综合实验装置3,综合实验装置4,S7-300 _1,ET-200M_1,S7-300_2,ET-200M_2,ROFIBUS-DP,PC_2,PCS7-BOX_2,PCS7-BOX_1,以太网交换机,PC_3,PC_4,PC_5,PC_6,Server_1,Serv
5、er_2,Server_3,Server_4,ES/OS_1,ES/OS_2,ES/OS_3,ES/OS_4,OS_1_1,OS_2_1,OS_3_1,OS_4_1,Client_1,Client_2,Client_3,Client_4,装置区,监控区,1,2,系统配置图示例：各站的系统配置图,PC_1（配CP-5611）,PC_3,Server_1,ES/OS_1,OS_1_1,Client_1,综合实验装置1,PS307,CPU314C-2DP,SM334,以太网交换机,DI/DO AI/AO,PCS7-BOX_1,PC_4,Server_2,ES/OS_2,OS_2_1,Client_2
6、,综合实验装置2,PS307,SM334,DI/DO AI/AO,1,2,IM-153,SM321,SM322,PROFIBUS-DP,DP-ADD:22,DP-ADD:23,DP-ADD:8,DP-ADD:6/7,192.168.1.101,192.168.1.111,192.168.1.102,192.168.1.112,1#装置控制系统硬件一览表：,S7-300站（CPU机架）,1#装置控制系统硬件一览表：续,ES/OS_1（兼服务器）,OS_1_1（客户端）,2#装置控制系统硬件一览表：,PCS7-BOX（ES/OS，兼服务器）,PCS7 BOX技术描述：BOX PC 627（主机系统
7、，含CP5611卡）WINAC SLOT416（PCI卡，槽装PLC-CPU416）PCS7 SW SINGLE STATION（ES/OS软件）,OS_2_1（客户端）,2#装置控制系统硬件一览表：续,ET200M分布式I/O系统：,1#装置控制系统I/O地址分配：,1#装置控制系统I/O地址分配：续,1#装置S7-300站I/O接线图示例：A12模块,A12-X1,AI/AO,1,2,3,4,5,6,7,17,19,20,IX1-2,IX1-1,IX1-22,IX1-3,IX1-4,IX1-20,IX1-21,IX1,A12-X1-4,N1-B1,N1-B2,N1-B3,A12-X1-5,
8、A12-X1-2,A12-X1-7,N1-B4,N2-B1,N2-B2,AI,AO,N1/N2配电器1/2，各B1/B2及B3/B4分别对应各变送器信号+/-。JB1装置接线箱1，14和15接V1阀控制信号+/-，16和17接V2阀控制信号+/-。,18,IX1,A12-X1-19,JB1-14,JB1-16,JB1-15,A12-X1-20,A12-X1-17,JB1-17,16,至JB1,1#装置S7-300站I/O接线图示例：A12模块续1,A12-X2,DI,1,2,3,4,5,6,7,8,9,20,IX1-31,PB1-2,PB2-2,PX1-6,PB3-2,PB4-2,IX1-32
9、,A12-X2-2,PX1-1,IX1,A12-X2-5,PX1-3,PX1-5,A12-X2-4,JB1-20,JB1-21,JB1-22,A12-X2-7,至JB1(装置接线箱1),PX1-15,JB1-20 泵1/泵2状态接点公共端JB1-21 泵1状态接点JB1-22 泵2状态接点,1#装置S7-300站I/O接线图示例：A12模块续2,A12-X2,DO,21,22,23,24,25,26,27,28,29,40,R2-A1,R1-A1,L1-1,PX1-7,L2-1,30,PX1-16,R1/R2泵1/泵2接触器控制继电器L1/L2泵1/泵2运行指示灯,A12-X2-20,PB4-
10、1,PB3-1,IX-30,A12-X2-1,R1-A2,L1-2,R2-A2,L2-2,PB1-1,PB2-1,A12-X2-21,A12-X2-30,电源分配,PX1,PX1,1.运行方式 自动 半自动 手动2.停运方式 正常停运 暂停 紧急停运,二、运行方式与停运方式设计,1.环境技术条件 温度、湿度、振动、冲击等。2.冗余设计（1）环境条件方面 使用条件应留有余地。（2）控制系统的并列运行 冷备用；热备用（3）其它备用系统 如对于主要开关量控制点设置继电器系统，对于主要模拟量控制点设置手动操作系统等。,三、可靠性设计,3、供电系统设计（1）主要考虑因素 电源电压允许在一定范围内波动；系
11、统断电时应保证程序及数据安全；对不允许断电的场合应设置后备电源。,（2）常用供电方案 单路供电：,隔离变压器,采用UPS备用电源：,双路供电：,4.抗干扰设计（1）电源抗干扰设计 使用隔离变压器，使用滤波器，PC、I/O与其它设备分别供电。（2）接地设计 分别接地 共用接地 不允许采用共通接地,（3）输入/输出及配线抗干扰设计 输入端有感应电压时的处理方法,直流时加续流二极管,交流时加浪涌吸收器,输出端有感性负载时的处理方法,加中间继电器转接,加浪涌吸收器,配线抗干扰方法*交流与直流输入信号电缆尽量分开；*输入与输出信号电缆尽量分开；*信号电缆与动力电缆应分开；*信号电缆应使用屏蔽电缆，并采用
12、屏 蔽层在控制器处单端接地；,主要用于老系统的改造。原控制系统大都有继电器线路图或逻辑图等，可在此基础上将其转换为梯形图。应注意等效转换以及输入、输出信号的处理问题。,第3节 软件设计一、梯形图转换,继电器控制线路图至梯形图转换实例,例：一般闪光报警系统,I/O分配：X I0.1PB1 I0.2PB2 I0.3(改为常开按钮）AL Q4.0BL Q4.1中间元件：R1 M1.1R2 M1.2FR M0.5,（CPU中设置MB0为时钟字节，则M0.5为秒脉冲位。）,一般闪光报警系统梯形图程序,I/O分配：X I0.1PB1 I0.2PB2 I0.3(改为常开按钮）AL Q4.0BL Q4.1中间
13、元件：R1 M1.1R2 M1.2FR M0.5,Network 1：,Network 2：,Network 4：,（CPU中设置MB0为时钟字节，则M0.5为秒脉冲位。）,I/O接线示意图输入模块(24VDC型）,(6ES7 321-1BH02-0AA0）,I/O接线示意图输出模块（24VDC晶体管型）,（注：使用24VDC指示灯及蜂鸣器）,(6ES7 322-1BH01-0AA0),SFC设计方法是用于工业顺序控制程序设计的一种方法，该方法能描述被控系统的工作过程，其设计规则与步进控制非常相似。1.SFC设计基础 SFC的基本元素是流程步、有向线段、转移和动作说明。这些内容与步进控制基本相
14、同。,二、顺序功能图（SFC）设计方法,（1）流程步 流程步也称作工作步，它是控制系统中的一个稳定状态。流程图用矩形框表示，框内用数字表示该步的编号，编号可以是实际的控制步号，也可以是PLC中的工作位编号。流程步有两种：初始步和一般步。,初始步,一般步,（2）转移和有向线段 转移就是从一个步向另外一个步的转换条件，两步之间用一个有向线段表示可以从一个步转换到另一个步，代表向下转移方向的箭头可以忽略。,（3）动作说明 动作说明标在工作步旁,常见动作类型非自锁动作自锁动作复位启动定时/计数器启动功能指令,2.SFC的结构 SFC的结构与步进控制结构基本相同（1）顺序结构,S1,S2,S3,等待，系
15、统指示灯亮。,M1启动,M1指示灯亮,T0定时启动。,M2启动，M2指示灯亮。,按M1启动按钮,T0定时到,按M1停止按钮,（2）选择分支结构,各步动作略,（3）并行分支结构,各步动作略,（4）循环结构,S1,S2,S3,A,B,C,S4,D,5）复合结构由上述各种结构构成。,3.SFC描述问题举例例：运料小车控制 小车可在A、B两地分别起动。若在A地起动，则小车先返回A地，停车5s等待装料，然后自动驶向B地。到达B地后，停车2s等待卸料，然后再返回A地，如此往复。若从B地起动，则先返回B地，停车2s等待卸料，然后自动驶向A地，停车5s等待装料，如此往复。,B地启动,B点行程开关闭合,2S定时
16、到,停止,停止,停止,停止,A地启动,A点行程开关闭合,5S定时到,S2,S3,S4,S5,4.SFC转换为梯形图（1)初始（第1）工作步的梯形图该步的启动条件之一是其它工作步均未工作。,当初始步的建立需要一定的条件时，还应将各条件的逻辑组合作为启动条件。,有循环返回第1步时：,（2)其它工作步的梯形图,上一步工作,转移条件,停止条件,下一步工作,本步自锁,工作步,其他启动条件,3)运料小车控制系统的梯形图程序转换,下一步工作,SFC图及地址分配：,I/O分配：I0.0 停止I0.1 A地启动I0.2 B地启动I0.3 A地行程开关I0.4 B地行程开关Q4.1 后退Q4.2 前进Q4.3 后
17、退指示Q4.4 前进指示,中间元件分配：A地定时T1B地定时T2步号M0.1M0.5,运料小车控制系统梯形图程序,I/O分配：I0.0 停止I0.1 A地启动I0.2 B地启动I0.3 A地行程开关I0.4 B地行程开关Q4.1 后退Q4.2 前进Q4.3 后退指示Q4.4 前进指示,中间元件分配：A地定时T1B地定时T2步号M0.1M0.5,接上页:,I/O分配：I0.0 停止I0.1 A地启动I0.2 B地启动I0.3 A地行程开关I0.4 B地行程开关Q4.1 后退Q4.2 前进Q4.3 后退指示Q4.4 前进指示,中间元件分配：A地定时T1B地定时T2步号M0.1M0.5,I/O接线示
18、意图输入模块（24VDC型）,(6ES7 321-1BH02-0AA0),I/O接线示意图输出模块(继电器型）,A4,输出模块(QB4),1,2,3,4,5,6,7,8,9,20,M,1,2,3,4,5,6,7,8,9,20,H2-1,K1-1,PS1-2,10,L+,10,PS1-1,N,PS2-1,H1-1,K2-1,K1-2,H1-2,K2-2,H2-2,(6ES7322-1HH01-0AA0),SFC设计习题,习题1：液体混合装置控制,初始状态：混合器为空，V1、V2、V3均关闭，搅拌器不工作。控制要求：按启动按钮（Q）后，V1打开，充液体A；充至I位后，V1关闭，V2打开，充液体B；
19、充至H位后，V2关闭，搅拌器启动，搅拌6秒；搅拌停止后，开V3阀打开，开始排放，排放至L位后，再过2秒，关闭V3，自动开始下一循环。,按停止按钮（T）后，系统不立即停止工作，须待一个循环结束后再停止工作。,液体混合装置控制SFC图,S1,S2,按启动按钮,S3,到I位,V1=ON,V2=ON,S4,到H位,M=ON；定时6s,S5,6s定时到,V3=ON,S6,低于L位,定时2s,2s定时到且未按过停止按钮,2s定时到且按过停止按钮,初始状态,液体混合装置控制梯形图程序,I/O分配：I0.0 启动I0.1 停止I0.2 H位I0.3 I位I0.4 L位Q4.0 MQ4.1 V1阀Q4.2 V2
20、阀Q4.3 V3阀液位开关为淹没时闭合。阀门为带电时打开。,接上页,I/O分配：I0.0 启动I0.1 停止I0.2 H位I0.3 I位I0.4 L位Q4.0 MQ4.1 V1阀Q4.2 V2阀Q4.3 V3阀液位开关为淹没时闭合。阀门为带电时打开。,接上页,I/O分配：I0.0 启动I0.1 停止I0.2 H位I0.3 I位I0.4 L位Q4.0 MQ4.1 V1阀Q4.2 V2阀Q4.3 V3阀液位开关为淹没时闭合。阀门为带电时打开。,习题2：水槽充灌设P1和P2两台水泵，当液位低于L1时，启动一台水泵；当液位低于L2时，启动两台水泵。同时要求，单台工作时。P1、P2轮流工作。,水槽充灌S
21、FC图,S2,S3,S4,S6,L2以上,L2以下,L1以下,L1以上,L1以下,L2以下,L2以上,习题3：电梯控制以三层电梯为例,I/O分配I0.1 一层平层开关；I0.2 二层平层开关；I0.3 三层平层开关；I0.4 一层向上（1U）呼叫；I0.5 二层向上（2U）呼叫；I0.6 二层向下（2D）呼叫；I0.7 三层向下（3D）呼叫；Q0.0向上；Q0.1向下；Q0.21U指示；Q0.32U指示；Q0.43U指示；Q0.52D指示；,中间环节：S1S7M10.1M10.7；S8M11.0；S9M11.1M1.0有1U；M2.0有2U；M2.1有2D；M3.1有3D。T1上升时，2层停定
22、时；T2上升时，3层停定时；T3下降时，2层停定时；T4下降时，1层停定时；,3秒到&下面有呼叫（2U或2D或1U之1）,2层到&有2D呼叫或到2层&无1U&有2U,3秒到&有1U呼叫,到2层&无2U呼叫&有3D呼叫,S2上升,上面有呼叫（2U或2D或3D之1）,S3停3秒,2层到&有2U呼叫或到2层&无3D&有2D,S4上升,3秒到&有3D呼叫,S5停3秒,3层到&有3D呼叫,S6下降,S8下降,S9停3秒,1层到,到2层&无2D呼叫&有1U,3秒到,3秒到&上面无呼叫&下面有1U呼叫,3秒到&下面无1U呼叫&上面有3D呼叫,SFC图,S7停3秒,习题4：自动售货机控制动作要求：（1）可投1
23、元、5元、10元币。（2）果汁每瓶12元，啤酒每瓶15元。（3）投币总额大于等于12元时，果汁指示灯亮；大于等于15元时，果汁及啤酒指示灯均亮。（4）果汁指示灯亮时，按果汁按钮，售出果汁。（5）啤酒指示灯亮时，按啤酒按钮，售出啤酒。（6）计算货款余额，并以1元硬币找零。,自动售货机SFC图,自动售货机SFC图,1.直接使用高级语言设计需解决的关键问题：（1）监控计算机与PLC的通信 利用PLC生产厂家提供的通信协议来实现。（2）数据的提取 主要是文本字符串的处理问题。（3）显示数据与通信数据之间的转换 通常显示数据要求以工程单位显示，而通信数据是PLC的内部数据，应在监控计算机上完成数据的转换
24、。,四、监控系统设计,2.使用工控组态软件设计需解决的关键问题：（1）工控组态软件是否支持所使用的PLC 如支持，则工控组态软件可完成数据传输、数据的提取、及显示数据与通信数据之间的转换等，可直接使用最终转换好的数据。如不支持，则需开发相应的接口软件。（2）是否需使用高级语言功能 如需要，则需解决高级语言与工控组态软件的数据交换问题。,综合实验,要求：1、最少设计两套系统（简单、复杂各一套）。2、要有设计文件：包括控制要求、I/O分配、SFC图，梯形图程序。3、鼓励自主设计题目。4、必须有预习报告。5、避免雷同。,可供参考的简单题目：1、水槽充灌，参见习题2。2、十字路口交通灯控制，参见习题5
25、。3、三种液体混合控制,初始状态：混合器空，V1、V2、V3、V4均关闭，搅拌器不工作。,控制要求：按启动按钮后，V1打开，充液体A；充至L1位后，V1关闭，V2打开，充液体B；充至L2位后，V2关闭，搅拌器启动，搅拌3秒；搅拌停止后，V3打开，充液体C；充至L3位后，V3关闭，搅拌器再次启动，搅拌5秒；搅拌停止后，开V4阀排放，排放至低于L0位后，再2秒，关闭V4，自动开始下一循环。按停止按钮后，系统不立即停止工作，须待一个循环结束后再停止工作。,实验室计算机中提供了三种液体混合控制仿真程序，实验时可利用该仿真程序调试个人所编写的控制程序。监控界面采用WinCC设计，可直接使用。PLCSIM
26、与WinCC之间使用PROFIBUS-DP通信，需将访问接口改为PROFIBUS。使用时的基本设置如下：（1）在管理器菜单条的“选项（O）”中，选择“设置 PG/PC接口”，在打开的窗口中将访问路径改为PLCSIM（PROFIBUS）。（2）在启动PLCSIM时，选择CPU访问节点为SIMATIC 300（1）站下的DP:PROFIBUS(1)adr:(2)节点。,三种液体混合控制动态仿真模块由功能块FB1实现，实验时将个人设计的控制程序写在OB1内，在程序最后调用FB1，则FB1可依据控制信号模拟液位变化并自动改变液位开关的状态。地址分配 液位开关L0L3I0.0I0.3；启动按钮I0.4；
27、停止按钮I0.5；搅拌器MQ4.0；阀门V1V4Q4.1Q4.4。MB100字节系统占用。,FB1的调用：,监控界面(WinCC平台开发),4、运料小车三地往返控制小车在中间O地。控制系统设有两个启动按钮（QA和QB），且在O、A、B三地设有行程开关。要求：当按动QA时，小车按OAO规律运行一次；当按动QB时，小车按OBO规律运行一次。各地停车时间为：A地2秒，B地4秒。,A,O,B,可供参考的复杂题目：1、三层运货电梯控制，参见习题3。2、自动售货机控制，参见习题4。3、四地运货小车控制。控制要求：初始可在A、B、C、D四地任意位置，每地设置一呼叫按钮和一位置开关。假设每次只有一地呼叫，某地呼叫后，小车自动运行到呼叫地点停止，并等待下一呼叫。,4、四级传送带控制 四条传送带分别由电机M1M4带动，为防止所送物料堆积，要求启动时按M4M3M2M1顺序启动，而停止时按相反顺序停止，且均间隔3秒钟。当某一传送带发生故障时，故障点处及其前面的传送带立即停止运行，故障点后的传送带依次间隔3秒停止运行。,
