第八章 PLC在機(jī)電控制工程中的應(yīng)用

1、第八章 PLC在機(jī)電控制工程中的應(yīng)用可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和繼電器控制技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的一種技術(shù)。當(dāng)前，PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金工業(yè)、化工、電力、交通、采礦、建材、輕工、環(huán)保、食品等各行各業(yè)。既可以用于舊設(shè)備的技術(shù)改造，又可以用于新產(chǎn)品的開發(fā)和機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，PLC技術(shù)也得到了很好的發(fā)展，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過早期PLC的邏輯控制，更多的具有了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，使之與CAD/CAM以及機(jī)器人技術(shù)一起被稱為當(dāng)代工業(yè)自動化生產(chǎn)的三大支柱。第

2、一節(jié) PLC的主要特點(diǎn)一、 PLC的主要特點(diǎn)PLC是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有以下主要特點(diǎn)。1、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠地工作，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。例如，能夠抗擊電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等，能抵抗1000V、l s脈沖的十?dāng)_；能在高溫、高濕以及空氣中存有各種強(qiáng)腐蝕物質(zhì)粒子的惡劣環(huán)境下可靠地工作；能承受電網(wǎng)電壓的變化可直接由交流市電供電，允許電壓波動范圍大。 一般由直流24v供電的機(jī)型，電源電壓允許為16V32V；由交流電的機(jī)型，允許電壓為115V，230V(±15)、47Hz63Hz的電源供電。即使在電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作。P

3、LC在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中，除了對元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波、光隔離和故障診斷、自動恢復(fù)等措施。有的PLC 還采用了冗余技術(shù)等，進(jìn)一步增強(qiáng)了PLC的可靠性。通常PLC的平均無故障時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)以上，有的甚至達(dá)幾十萬小時(shí)。2、通用性強(qiáng)、更活性好、功能齊全PLC是通過軟件實(shí)現(xiàn)控制的，其控制程序編在軟件中，實(shí)現(xiàn)程序軟件化，因而對于不同的控制對象都可采用相同的硬件進(jìn)行配置。目前，PLC產(chǎn)品已系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化能方便靈活地組成大小不同、功能不同的控制系統(tǒng)，通用性強(qiáng)。由于可編程序控制功能齊全幾乎可以滿足所有控制場合的需求。組成系統(tǒng)后，即使控制程序發(fā)生變化只要修改軟件即可，增強(qiáng)了控

4、制系統(tǒng)的柔性。3、編程簡單使用方便PLC在基本控制方面采用梯形圖語言進(jìn)行編程其電路符號和表達(dá)式與繼電器電路原理圖相似，形式簡練、直觀，容易被廣大電氣工程人員所接受。用梯形圖編程出錯(cuò)率比匯編語言低得多。PLC還可以采用面向控制過程的控制系統(tǒng)流程圖編程和語句表方式編程。梯形圖、流程圖、語句表之間可有條件地相互轉(zhuǎn)換，使用極其方便。這是PLC能夠迅速普及和推廣的重要原因之一。4、模塊化結(jié)構(gòu)PLC的各個(gè)部件，包括CPU、電源、I/O（包括特殊功能I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來。系統(tǒng)的功能和規(guī)模可根據(jù)用戶的實(shí)際需求自行配置，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能價(jià)格比。由于配置靈活，使擴(kuò)展、維護(hù)方便。5

5、安裝簡便、調(diào)試方便PLC安裝簡便，只要把現(xiàn)場的IO設(shè)備與PLC相應(yīng)的IO端了相連就完成了合部的接線任務(wù)，縮短了安裝時(shí)間。PLC的調(diào)試可作分為室內(nèi)調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試。室內(nèi)調(diào)試時(shí)，用模擬開關(guān)模擬輸入信號其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以以觀察PLC 上的相應(yīng)的發(fā)光二極管?？梢愿鶕?jù)PLC上的發(fā)光二極管和編程器提供的信息方便地進(jìn)行測試、排錯(cuò)和修改。室內(nèi)模擬調(diào)試后，即可到現(xiàn)場進(jìn)行連機(jī)調(diào)試。6維修工作量小，維護(hù)方便PLC的故障率很低，且有完善的自診斷和顯示功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行結(jié)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程器提供的信息迅速地查明故障的原因，更換棚應(yīng)的故障模塊。7體積小、能耗低對于復(fù)雜的控制

6、系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的_中間繼電器和時(shí)間繼電器，小型PLC的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器大小，極人地減小了了開關(guān)柜的體積，另外，PLC的配線比繼電器控制系統(tǒng)的配線少得多，節(jié)省了大量的配線和附件，因此可以節(jié)省大量的費(fèi)用。PLC體積小、能耗低便于設(shè)備的機(jī)電一體化控制。第二節(jié) 磁性編碼檢測機(jī)的總體設(shè)計(jì)磁性編碼檢測機(jī)的總體設(shè)計(jì)的步驟和內(nèi)容如下：一、 磁性編碼檢測機(jī)的需求分析見實(shí)例7二、 磁性編碼檢測機(jī)的原理設(shè)計(jì)見實(shí)例7三、 磁性編碼檢測機(jī)的布局設(shè)計(jì)1、 按主要工作機(jī)構(gòu)（進(jìn)紙機(jī)構(gòu)和收紙機(jī)構(gòu)）的布置方式設(shè)計(jì)成自立式2、 觸摸顯示屏可旋轉(zhuǎn)升降3、 外型尺寸長×寬×高為1500

7、15;1200×9004、顏色采用與該車間多數(shù)控制柜顏色一樣的淺灰色第三節(jié) 磁性編碼檢測機(jī)的PLC控制器的選擇和編程磁性編碼檢測機(jī)PLC控制的設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟如下一、 PLC控制系統(tǒng)的硬件配置1、 選擇PLC機(jī)型（1）IO點(diǎn)數(shù)的估算I/O點(diǎn)數(shù)是PLC的一項(xiàng)重要指標(biāo)，選擇I/O點(diǎn)數(shù)既要滿足控制要求，又要使投資最低。一般一個(gè)輸入輸出元/件要占用一個(gè)輸入/輸出點(diǎn)?？紤]到今后的調(diào)整和擴(kuò)展，一般應(yīng)在估計(jì)的總點(diǎn)數(shù)上再加上2030的備用量。典型傳動設(shè)備及常用電器元件所需PLC的IO點(diǎn)數(shù)列表如下：序號電氣設(shè)備、元件輸入點(diǎn)數(shù)輸出點(diǎn)數(shù)I/O點(diǎn)數(shù)1Y起動的籠型電機(jī)4372單向運(yùn)行籠型電機(jī)4153可逆運(yùn)行籠型

8、電機(jī)5274單向變極電動機(jī)5385可逆變極電動機(jī)64106單向運(yùn)行的直流電機(jī)96157可逆運(yùn)行的直流電機(jī)128208單線圈電磁閥2139雙線圈電磁閥32510比例閥35811按鈕開關(guān)1112光電管開關(guān)2213信號燈1114拔碼開關(guān)4415三檔波段開關(guān)3316行程開關(guān)1117接近開關(guān)1118抱閘31119風(fēng)機(jī)31120位置開關(guān)22 （2）存儲容量的估算用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略地估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)IO點(diǎn)及有關(guān)功能元件占用的內(nèi)存量大致如下：開關(guān)量輸入元件：1020B/點(diǎn)；開關(guān)量輸出元件：510B/點(diǎn)；定時(shí)器/

9、計(jì)數(shù)器：2B/個(gè)；模擬量：100150B/個(gè)；通信接口：一個(gè)接口一般需要300B以上；根據(jù)算出的總字節(jié)數(shù)再考慮增加25左右的備用量，就可估算出用戶程序所需的內(nèi)存量，選擇合適的PLC內(nèi)存（3）CPU功能與結(jié)構(gòu)的選擇 A、功能與任務(wù)相適應(yīng)對于開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)對控制速度要求不高時(shí)，選用小型PLC就能滿足要求，例如，對小型泵的順序控制、單臺機(jī)械的自動控制等。 對于以開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如工業(yè)生產(chǎn)中常遇到的溫度、壓力、流量、液位等連續(xù)量的控制，應(yīng)選用帶有AD轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶DA轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，并且選擇運(yùn)算功能較強(qiáng)的小型PLC。 對于工藝復(fù)雜、控制要求較高的

10、系統(tǒng)，如需要PID調(diào)節(jié)、位置控制、快速控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能的系統(tǒng)，可選用中、大型PLC。B、 PlC的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求PLC工作時(shí)，從輸入信號到輸出控制存在著滯后現(xiàn)象，即輸入量的變化，一般要在l2個(gè)掃描周期之后才能反映到輸出端，這對于一般的工業(yè)控制是允許的。但對于實(shí)時(shí)性要求較高設(shè)備，不允許有較大的滯后時(shí)間。滯后時(shí)間一般應(yīng)控制在幾十毫秒之內(nèi)(相當(dāng)于普通繼電器的動作時(shí)間)，否則就沒有意義了。滯后時(shí)間的長短與I/O總點(diǎn)數(shù)、應(yīng)用程序的長短、編程質(zhì)量等有很大關(guān)系。 為了提高PLC的實(shí)時(shí)處理速度，可選擇CPU處理速度快的PLC，使執(zhí)行一條基本指令的時(shí)間不超過0.5 s；同時(shí)對編制的程序進(jìn)行優(yōu)化

11、，縮短掃描周期；必要時(shí)可采用高速響應(yīng)模塊。其響應(yīng)時(shí)間不受PLC掃描周期的影響，而只取決于硬件的延時(shí)。C、 PLC結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型統(tǒng)一PLC的結(jié)構(gòu)主要有整體式和模塊式兩種，對于單機(jī)控制系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)往往選用整體式結(jié)構(gòu)；對于控制規(guī)模較大的集散控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程I0系統(tǒng)常選用模塊式結(jié)構(gòu)-模塊式結(jié)構(gòu)組態(tài)靈活、易于擴(kuò)充。在一個(gè)單位或一個(gè)企業(yè)里應(yīng)盡量使機(jī)型統(tǒng)一，這不僅使模塊通用性好-減少備件量，而且給編程和維修帶來極大的方便，也給擴(kuò)展系統(tǒng)升級留有余地。D、 在線編程和離線編程的選擇小型PLC一般使用簡易編程器，它必須插在PLC上才能進(jìn)行編程操作，其特點(diǎn)是編程器與PLC共用一個(gè)CPU。通過編程器上的方式開關(guān)選

12、擇PLC的編程、監(jiān)控和運(yùn)行工作狀態(tài)。這種方法就是“離線編程”。簡易編程器結(jié)構(gòu)簡單、體積小，攜帶方便，很適合在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試、修改程序用?，F(xiàn)在很多PLC都有相應(yīng)的編程軟件，與個(gè)人計(jì)算機(jī)或筆記本電腦相配合，就可以實(shí)現(xiàn) “在線編程”。如運(yùn)用西門子STEP7-MicroWIN32編程軟件編寫、調(diào)試程序并下載到PLC 中，讓PLC完成相應(yīng)的控制任務(wù)。還可以在PLC運(yùn)行模式下調(diào)試程序，非常方便。在線編 程需要計(jì)算機(jī)，并配備編程軟件。2、 I/O模塊的選擇I/O模塊的選擇包括開關(guān)量I/O模塊、模擬量模塊和智能模塊的選擇，在磁性編碼檢測機(jī)的控制中只有開關(guān)量的選擇（1）輸入模塊的選擇A、 選擇工作電壓等級電壓等級

13、主要根據(jù)現(xiàn)場檢測元件與模塊之間的距離來選擇。距離較遠(yuǎn)時(shí)可選用較高電壓的模塊來提高系統(tǒng)的可靠性，以免信號衰減后造成誤差。距離較近時(shí)，可選擇電壓等級低一些的模塊，如5V、12V、24V等。B、 選擇模塊密度模塊密度主要根據(jù)分散在各處輸入信號的多少和信號動作的時(shí)間選擇。集中在一處的輸入信號盡可能集中在一塊或幾塊模塊上，以便于電纜安裝和系統(tǒng)調(diào)試。對于高密度輸入模塊，如32點(diǎn)或64點(diǎn)，同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般來講，同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)最好不超過模塊總點(diǎn)數(shù)的60。以保證輸入/輸出點(diǎn)承受負(fù)載能力在允許范圍內(nèi)。C、 門檻電平為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，必須考慮門檻電平的大小。所謂門檻電平指輸入點(diǎn)的接通

14、電平和關(guān)斷電平的差值。門檻電平值越大。抗干擾能力越強(qiáng)傳輸距離也就越遠(yuǎn)。D、 輸入端漏電流的控制在進(jìn)行連接配線時(shí)，存在著不同程度的漏電流。如連接電纜和雙絞線的線路電容可能引起交流漏電晶閘管截止時(shí)也會存在少量漏電流；帶LED指示的開關(guān)也可能會產(chǎn)生較大的漏電流。這些漏電流會像信號一樣輸入到輸入點(diǎn)去形成干擾。解決的方法是在輸入端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙荩越档洼斎肟傋杩?。目前許多型號的PLC內(nèi)部都提供DC 24V電源，用做集電極開路傳感器的電源。但該電源容量較小，當(dāng)用做本機(jī)輸入信號的工作電源時(shí)，需考慮電源的容量。如果電源容量要求超出了內(nèi)部DC 24V電源的定額，須采甩外接電源，建議采用穩(wěn)壓電源。（2）輸出

15、模塊的選擇A、方式的選擇 繼電器輸出方式價(jià)格便宜，使用電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，且有隔離作用。但繼電器有觸點(diǎn)，壽命較短，且響應(yīng)速度鞍慢，適用于動作不頻繁的交直流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動電感性負(fù)載時(shí)，最大開閉頻率不得超過1Hz。 晶閘管輸出方式（交流）和晶體管輸出方式(直流)都屬于無觸點(diǎn)開關(guān)輸出，使用壽命長，適用于通斷頻繁的感性負(fù)載。對于開關(guān)頻率高、早感大、低功率因數(shù)的交流負(fù)載可先用晶閘管輸出模塊；而對于開關(guān)頻率較高的直流負(fù)載，可選用晶體管輸出模塊。 B、輸出電流的選擇 模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值，如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能直接驅(qū)動時(shí)，應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。對于

16、電容性負(fù)載、熱敏電阻負(fù)載，考慮到按通時(shí)有沖擊電流，耍留有足夠的余量。選用輸出模塊還應(yīng)注意同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的電流幕計(jì)值必須小于公共端所允許通過的電流值。 為防止由于負(fù)載短路等愿因而燒壞PLC的輸出模塊，輸出回路必須外加熔新器作短路保護(hù)。對于繼電器輸出方式可選用普通熔斷器；對于晶體管輸出方式和晶閘管輸出方式應(yīng)選用快速熔斷器。當(dāng)PLC基本單元所提供的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)I/O總點(diǎn)數(shù)需求時(shí)，可增加輸入/輸出擴(kuò)展模塊。對于S7-200，可選的擴(kuò)展模塊有EM221數(shù)字量輸入模塊（點(diǎn)24V直流輸入）、EM222數(shù)字量輸出模塊（*點(diǎn)直流繼電器輸出）、EM223數(shù)字量組合模塊（有24V直流4輸入/4輸出、

17、MOSFET或繼電器輸出；24V直流8輸出；16輸出三種規(guī)格）等。這些擴(kuò)展模塊通過E-Stand10針擴(kuò)展連接器及扁平電纜與主機(jī)直接相連，安裝方便。二、 分配I/O編號見實(shí)例7的I/O編號分配表三、 編制程序在完成PLC控制系統(tǒng)硬件配置和畫好I/O接線圖后，可進(jìn)行應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。事實(shí)上，PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)有時(shí)需交叉進(jìn)行，就系統(tǒng)的控制功能而言，有些可由硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)功能是軟件和硬件相配合才得以實(shí)現(xiàn)。所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通盤考慮，總體服務(wù)于設(shè)計(jì)的綜合要求。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟如下：1、程序設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)就是根據(jù)被控對象(機(jī)電設(shè)備或生產(chǎn)過程)的

18、控制要求及系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的要求，為應(yīng)用程序的編程提出明確的目的、依據(jù)、要求和指標(biāo)，編制出程序規(guī)格說明書，然后在程序規(guī)格說明書的基礎(chǔ)上，使用相應(yīng)的編程語言、指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。對于一個(gè)可以在工程上應(yīng)用的PLC控制系統(tǒng)，程序設(shè)計(jì)一般包含：PLC程序功能分析和設(shè)計(jì)、程序的結(jié)構(gòu)分析、編制程序規(guī)格說明書、程序設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 A、PLC程序功能分析和設(shè)計(jì)PLC程序功能分析和設(shè)計(jì)實(shí)際上是PLC系統(tǒng)功能分析設(shè)計(jì)中的一個(gè)組成部分。系統(tǒng)的整體功能要求，可以通過硬件和程序兩方面來實(shí)現(xiàn)。就軟件而言，對工程設(shè)計(jì)人員就是編制應(yīng)甩程序。在編寫程序之前，首先要確定應(yīng)用程序的功能，大體上可以從控制功能、操作功能、自診斷功能三個(gè)方面來

19、考慮?？刂乒δ苁荘LC的基本功能，主要依據(jù)受控對象和生產(chǎn)工藝要求來設(shè)計(jì)。根據(jù)受控設(shè)備的動作時(shí)序、精度、控制條件等規(guī)定，分析這些規(guī)定是否合理、能否實(shí)現(xiàn)。必要時(shí)可修改與之配合的硬件系統(tǒng)，直至所有的控制功能都被證明是可行的為止。為了便于操作人員的操作，PLC系統(tǒng)就需要有友善的人機(jī)對話界面。而且系統(tǒng)的規(guī)模越大，自動化程度越高，對這部分的要求也越高。如下拉式菜單設(shè)計(jì)、帕信息的顯示、趨勢報(bào)警、有關(guān)的數(shù)據(jù)、裒格的更新、存儲和輸出等。自診斷功能，它包括PLC自身工作狀態(tài)的自診斷和系統(tǒng)中受控設(shè)備工作狀態(tài)的自診斷兩部分。對于前者可利用PLC自身的一些信息和手段來完成。對于后者，則可以通過分析受控設(shè)備接收到的控制指

20、令及受控動作的反饋信息，來判斷受控設(shè)備的工作狀態(tài)，如果有故障發(fā)生，則以電、聲、光報(bào)警，并通過計(jì)算機(jī)還可顯示發(fā)生故障的原因以及處理故障的方法和步驟。當(dāng)然并不是每個(gè)PLC系統(tǒng)都需有自診斷功能。但如果有條件的話，設(shè)計(jì)良好的自診斷功能與操作功能相結(jié)合，可以給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)帶來極大的方便。B、程序結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，是PLC程序設(shè)計(jì)最有效、最基本的方法。程序結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的基本任務(wù)就是以模塊化程序結(jié)構(gòu)為前提，以系統(tǒng)功能要求為依據(jù)，按照相對獨(dú)立的原則，將全部程序劃分為若干個(gè)“程序模塊”，并對每一“模塊”提供程序要求、規(guī)格說明。程序設(shè)計(jì)常采用“自頂而下”的設(shè)計(jì)方法(Top to Down)，使編出的程序清楚、易讀。C、編制程序規(guī)格說明書程序規(guī)格說明書應(yīng)包括技術(shù)要求、編制依據(jù)等內(nèi)容。如整體應(yīng)用程序功能要求；程序模塊功能要求；受控設(shè)備(生產(chǎn)過程)及其動作時(shí)序、精度、計(jì)時(shí)(計(jì)數(shù))和響應(yīng)速度要求；輸入裝置、輸入條件、執(zhí)行裝置、輸出條件和接口條件；輸入模塊和輸出模塊接口或I/O分配表等。D、程序設(shè)計(jì)根據(jù)PLC控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝要求，在程序規(guī)格說明書的基礎(chǔ)上，使用相應(yīng)的編程語言指令，編制實(shí)際應(yīng)用程序的過程就是程序設(shè)計(jì)。2、程序設(shè)計(jì)