第8章-可編程控制器系統(tǒng)設計與應用2

1、第8章 可編程序控制器系統(tǒng)設計與應用 了解可編程序控制器系統(tǒng)設計的一般原則與步驟 熟悉可編程序控制器系統(tǒng)設計的硬件配置及軟件設計 掌握軟、硬件設計的基本環(huán)節(jié)及設計技巧 學習目標：學習目標：8.1 PLC控制系統(tǒng)設計 編程控制系統(tǒng)設計時應遵循以下原則： 最大限度的滿足被控對象的要求；最大限度的滿足被控對象的要求； 在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡在滿足控制要求的前提下，力求使控制系統(tǒng)簡單、經濟、適用及維護方便；單、經濟、適用及維護方便；保證系統(tǒng)的安全可靠；保證系統(tǒng)的安全可靠； 考慮生產發(fā)展和工藝改進的要求，在選型時應考慮生產發(fā)展和工藝改進的要求，在選型時應留有適當?shù)挠嗔?。留有適當?shù)挠嗔俊?/p>

2、 8.1.2 PLC控制系統(tǒng)設計的內容 uPLC控制系統(tǒng)設計的主要內容有：控制系統(tǒng)設計的主要內容有： 分析控制對象，明確設計任務和要求；分析控制對象，明確設計任務和要求； 選定選定PLC的型號，對控制系統(tǒng)的硬件進行配置；的型號，對控制系統(tǒng)的硬件進行配置；選擇所需的輸入選擇所需的輸入/輸出模塊，編制輸出模塊，編制PLC的輸入的輸入/輸輸出分配表和輸入出分配表和輸入/輸出端子接線圖輸出端子接線圖;根據(jù)系統(tǒng)設計要求編寫程序規(guī)格要求說明書，根據(jù)系統(tǒng)設計要求編寫程序規(guī)格要求說明書，再用相應的編程語言進行程序設計；再用相應的編程語言進行程序設計；設計操作臺、電氣柜、選擇所需的電器元件；設計操作臺、電氣柜、

3、選擇所需的電器元件；編寫設計說明書和操作使用說明書。編寫設計說明書和操作使用說明書。 8.1.3 PLC控制系統(tǒng)設計的一般步驟 u設計步驟：設計步驟： 詳細了解被控對象的生產工藝過程，分析控制要詳細了解被控對象的生產工藝過程，分析控制要求。求。根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入根據(jù)控制要求確定所需的用戶輸入/輸出設備。輸出設備。選擇選擇PLC類型。類型。分配分配PLC的的I/O點，設計點，設計I/O連接圖。連接圖。PLC軟件設計，同時可進行控制臺的設計和現(xiàn)場軟件設計，同時可進行控制臺的設計和現(xiàn)場施工。施工。系統(tǒng)調試，固化程序，交付使用。系統(tǒng)調試，固化程序，交付使用。 8.2 PLC控制系統(tǒng)硬件配置

4、 I/O點的數(shù)量和種類點的數(shù)量和種類 PLC機型的選擇機型的選擇 CPU的速度的速度 內存容量內存容量 編程器編程器 打印機打印機 I/O模塊模塊 通訊接口模塊通訊接口模塊 通訊傳輸電纜通訊傳輸電纜PLC及外圍電路設計，電氣線路設計，抗干擾設計等。及外圍電路設計，電氣線路設計，抗干擾設計等。一、一、PLC機型選擇機型選擇結構形式結構形式 整體式整體式 模塊式模塊式安裝方式安裝方式 集中式集中式 遠程遠程IO式式 分布式分布式功能要求功能要求響應速度響應速度系統(tǒng)可靠性系統(tǒng)可靠性機型統(tǒng)一機型統(tǒng)一 輸入器件：指連接到輸入器件：指連接到PLC輸入接線端子用于產生輸入輸入接線端子用于產生輸入 信號的器件

5、。信號的器件。分類分類 主令器件主令器件 檢測器件檢測器件 有源觸點輸入器件有源觸點輸入器件 無源觸點輸入器件無源觸點輸入器件輸入信號輸入信號 模擬信號模擬信號 數(shù)字信號數(shù)字信號 開關信號開關信號二、二、PLCI/O端口選擇端口選擇按鈕、選擇開關、數(shù)字開關按鈕、選擇開關、數(shù)字開關行程開關、接近開關、光電開關、繼行程開關、接近開關、光電開關、繼電器觸點，接觸器輔助觸點電器觸點，接觸器輔助觸點行程開關、接近開關、光電行程開關、接近開關、光電開關、繼電器觸點，接觸器開關、繼電器觸點，接觸器輔助觸點輔助觸點行程開關、接近開關、光電行程開關、接近開關、光電開關、繼電器觸點，接觸器開關、繼電器觸點，接觸器

6、輔助觸點輔助觸點壓力傳感器、溫度傳感器壓力傳感器、溫度傳感器數(shù)字開關數(shù)字開關按鈕、轉換開關、形成開關、按鈕、轉換開關、形成開關、觸點觸點 輸出器件：指連接到輸出器件：指連接到PLC輸出接線端子用于執(zhí)行程序輸出接線端子用于執(zhí)行程序 運行結果的器件。運行結果的器件。分類：分類： 驅動負載驅動負載 顯示負載顯示負載 輸出端口：輸出端口： 繼電器輸出繼電器輸出 晶體管輸出晶體管輸出 晶閘管輸出晶閘管輸出接觸器、繼電器、電磁閥接觸器、繼電器、電磁閥二、二、PLCI/O端口選擇端口選擇指示燈、數(shù)字顯示裝置、電指示燈、數(shù)字顯示裝置、電鈴、蜂鳴器鈴、蜂鳴器交直流負載交直流負載直流負載直流負載交流負載交流負載

7、I/O點數(shù)的確定點數(shù)的確定 確定依據(jù)：將與確定依據(jù)：將與PLC相連的全部輸入、輸出器件根據(jù)所需的電壓、相連的全部輸入、輸出器件根據(jù)所需的電壓、電流的大小和種類分別統(tǒng)計，考慮將來發(fā)展的需要再相應增加電流的大小和種類分別統(tǒng)計，考慮將來發(fā)展的需要再相應增加 1015的余量。的余量。 CPU CPU的運行速度是指執(zhí)行每一步用戶程序的時間。對于以開關的運行速度是指執(zhí)行每一步用戶程序的時間。對于以開關量為主的控制系統(tǒng)，不用考慮掃描速度，一般的量為主的控制系統(tǒng)，不用考慮掃描速度，一般的PLCPLC機型都可使用。機型都可使用。對于以模擬量為主的控制系統(tǒng)，則需考慮掃描速度，必須選擇合對于以模擬量為主的控制系統(tǒng)，

8、則需考慮掃描速度，必須選擇合適適CPUCPU種類的種類的PLCPLC機型。機型。三、三、CPU的速度的速度 遠程遠程I/OI/O模塊：輸入、輸出裝置比較分散，工作現(xiàn)場遠離控制站模塊：輸入、輸出裝置比較分散，工作現(xiàn)場遠離控制站 高速計數(shù)器模塊：當高速計數(shù)器模塊：當PLCPLC內部的高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率不能滿內部的高速計數(shù)器的最高計數(shù)頻率不能滿足要求時，可選擇使用足要求時，可選擇使用 定位模塊：在機械設備中，保證加工精度進行定位定位模塊：在機械設備中，保證加工精度進行定位 通信聯(lián)網模塊：通信聯(lián)網模塊：PLCPLC與與PLCPLC之間，或之間，或PLCPLC與計算機之間的通信與聯(lián)網與計算機之間的

9、通信與聯(lián)網 模擬輸入模塊、輸出模塊：把流量、速度、壓力、風力、張力等模擬輸入模塊、輸出模塊：把流量、速度、壓力、風力、張力等變換成數(shù)字量，及把數(shù)字量變換成模擬量，進行輸入、輸出。變換成數(shù)字量，及把數(shù)字量變換成模擬量，進行輸入、輸出。 四、四、PLC模塊的選擇模塊的選擇 PLC PLC的外圍設備主要是人的外圍設備主要是人機對話裝置，用于機對話裝置，用于PLCPLC的編程和監(jiān)控。的編程和監(jiān)控。通過人通過人機對話裝置可以進行編程、調試及顯示圖形報表、文件機對話裝置可以進行編程、調試及顯示圖形報表、文件復制、報警等。復制、報警等。PLCPLC外圍外圍設備有編程器、打印機、外圍外圍設備有編程器、打印機、

10、EPROMEPROM寫入寫入器、顯示器等。器、顯示器等。五、五、PLC外圍設備外圍設備 我國優(yōu)先選擇我國優(yōu)先選擇220V220V的交流電源電壓，特殊情況可選擇的交流電源電壓，特殊情況可選擇24V24V直流電直流電源供電。源供電。 輸入信號電源，一般利用輸入信號電源，一般利用PLCPLC內部提供的直流內部提供的直流24V24V電源。對于帶電源。對于帶有有源器件的接近開關可外接有有源器件的接近開關可外接220V220V交流電源，提高穩(wěn)定避免干擾。交流電源，提高穩(wěn)定避免干擾。 選用直流選用直流I/OI/O模塊時，需要外設直流電源。模塊時，需要外設直流電源。六、電源電壓的選擇六、電源電壓的選擇8.3

11、PLC控制系統(tǒng)軟件設計 在一些典型的控制環(huán)節(jié)和電路的基礎上，根據(jù)被控制對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經驗進行選擇、組合。有時為了得到一個滿意的設計結果，需要進行多次反復地調試和修改，增加一些輔助觸點和中間編程元件。 經驗設計法對于一些比較簡單的控制系統(tǒng)的設計是比較奏效的，可以收到快速、簡單的效果。但是，由于這種方法主要是依靠設計人員的經驗進行設計，所以對設計人員的要求也比較高，特別是要求設計者有一定的實踐經驗。8.3.2 邏輯設計法 u工業(yè)電氣控制線路中，有不少都是通過繼電器等工業(yè)電氣控制線路中，有不少都是通過繼電器等電器元件來實現(xiàn)，因此，用電器元件來實現(xiàn)，因此，用“0 0”和和“1 1”兩種取

12、值兩種取值的邏輯代數(shù)設計電器控制線路是完全可以的，用的邏輯代數(shù)設計電器控制線路是完全可以的，用邏輯設計法設計邏輯設計法設計PLC應用程序的一般步驟如下：應用程序的一般步驟如下： 列出執(zhí)行元件動作節(jié)拍表；列出執(zhí)行元件動作節(jié)拍表；繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉移圖；繪制電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)轉移圖；進行系統(tǒng)的邏輯設計；進行系統(tǒng)的邏輯設計；編寫程序；編寫程序；對程序檢測、修改和完善。對程序檢測、修改和完善。 8.3.3 順序功能圖法 u順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設計順順序功能圖法是首先根據(jù)系統(tǒng)的工藝流程設計順序功能圖，然后再依據(jù)順序功能圖設計順序控制序功能圖，然后再依據(jù)順序功能圖設計順序控制程序。在

13、順序功能圖中，實現(xiàn)轉換時使前級步的程序。在順序功能圖中，實現(xiàn)轉換時使前級步的活動結束而使后續(xù)步的活動開始，步之間沒有重活動結束而使后續(xù)步的活動開始，步之間沒有重疊。疊。 內部標志位繼電器置位復位法內部標志位繼電器置位復位法順序控制繼電器（順序控制繼電器（SCR）指令是基于順序功能圖（）指令是基于順序功能圖（SFC）的編程方式，專門用于編制順序控制程序。使用它必須的編程方式，專門用于編制順序控制程序。使用它必須依據(jù)順序功能圖進行編程。依據(jù)順序功能圖進行編程。移位寄存器法移位寄存器法 8.4 PLC應用程序的典型環(huán)節(jié)及設計技巧 復雜的控制程序一般都是由一些典型的基本環(huán)節(jié)有機地組合而成的，因此，掌握

14、這些基本環(huán)節(jié)尤為重要。它有助于程序設計水平的提高。 幾個常用的典型環(huán)節(jié)：電動機的起動與停止控制程序；電動機的起動與停止控制程序；具有點動功能電動機起動、停止控制程序；具有點動功能電動機起動、停止控制程序；電動機的正、反轉控制程序；電動機的正、反轉控制程序； 幾個常用的典型環(huán)節(jié) ： 通電禁止輸出程序；通電禁止輸出程序；閃爍電路；閃爍電路；報警電路；報警電路；高精度時鐘程序；高精度時鐘程序；脈沖寬度可控制電路；脈沖寬度可控制電路；分頻電路分頻電路 。8.4.2 PLC控制程序設計技巧 u在工藝要求改變后，常常要改變程序，有時會出在工藝要求改變后，常常要改變程序，有時會出現(xiàn)現(xiàn)I/O點數(shù)不夠又不想增加

15、點數(shù)不夠又不想增加PLC擴展單元，此時擴展單元，此時可采用一些方法來減少輸入點和輸出點?？刹捎靡恍┓椒▉頊p少輸入點和輸出點。u減少輸入點的方法：減少輸入點的方法： 用二極管隔離的分組輸入法用二極管隔離的分組輸入法；觸點合并式輸入方法觸點合并式輸入方法；單按鈕起、?？刂瞥绦騿伟粹o起、停控制程序。u減少輸出點的方法：對于兩個通斷狀態(tài)完全相同減少輸出點的方法：對于兩個通斷狀態(tài)完全相同的負載，可將它們并聯(lián)后共用一個的負載，可將它們并聯(lián)后共用一個PLC的輸出點的輸出點 。8.6 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施 PLC專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，其顯著特點之一就是高可靠性，為了提高PLC的可靠性，PLC本

16、身在軟、硬件上均采取了一系列抗干擾措施，在一般工廠內使用完全可以可靠地工作，一般平均無故障時間可達幾萬小時。8.6 提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施 在過于惡劣的環(huán)境條件下，如強電磁干擾、超高溫、超低溫、過欠電壓等情況，或安裝使用不當?shù)?，都可能導致PLC內部存儲信息的破壞，引起控制紊亂，嚴重時還會使系統(tǒng)內部的元器件損壞。為了提高PLC控制系統(tǒng)運行的可靠性，必須選擇合理的抗干擾措施，使系統(tǒng)正常可靠的工作。 8.6.1 PLC安裝的環(huán)境條件 u要提高要提高PLCPLC控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求控制系統(tǒng)可靠性，一方面要求PLC生產生產廠家提高設備的抗干擾能力；另一方面，要求設廠家提高設備的抗干擾能力；

17、另一方面，要求設計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合計、安裝和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性才能完善解決問題，有效地增強系統(tǒng)的抗干擾性能。因此在使用中應注意以下問題：能。因此在使用中應注意以下問題： 溫度：溫度：PLCPLC要求環(huán)境溫度在要求環(huán)境溫度在0 05555o oC C； 濕度：空氣的相對濕度應在濕度：空氣的相對濕度應在35%35%85%85%（無凝露）。（無凝露）。 震動：應使震動：應使PLCPLC遠離強烈的震動源。遠離強烈的震動源?？諝猓罕苊庥懈g和易燃的氣體?？諝猓罕苊庥懈g和易燃的氣體。電源：電源：PLCPLC對于電源線的干擾具

18、有一定的抵制能力。對于電源線的干擾具有一定的抵制能力。 8.6.2 抗干擾措施 u現(xiàn)場電磁干擾是現(xiàn)場電磁干擾是PLC控制系統(tǒng)中最常見也是最易控制系統(tǒng)中最常見也是最易影響系統(tǒng)可靠性的因素，所謂治標先治本，找出影響系統(tǒng)可靠性的因素，所謂治標先治本，找出問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須問題所在，才能提出解決問題的辦法。因此必須知道現(xiàn)場干擾的源頭。知道現(xiàn)場干擾的源頭。u干擾源及分類：影響干擾源及分類：影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源，大控制系統(tǒng)的干擾源，大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，其原因是電流改變產生磁場，對設備產生電磁輻射；磁場電流改變產生磁場，

19、對設備產生電磁輻射；磁場改變產生電流，電磁高速產生電磁波。通常電磁改變產生電流，電磁高速產生電磁波。通常電磁干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。干擾按干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。 8.6.2 抗干擾措施-干擾源 1、來自空間的輻射干擾、來自空間的輻射干擾 空間的輻射電磁場（EMI）主要是由電力網絡、電氣設備的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的，通常稱為輻射干擾，其分布極為復雜。 影響路徑： 一是直接對PLC內部的輻射，由電路感應產生干擾； 二是對PLC通信內網絡的輻射，由通信線路的感應引入干擾。 輻射干擾與現(xiàn)場設備布置及設備所產生的電磁場大小，特

20、別是頻率有關，一般通過設置屏蔽電纜和PLC局部屏蔽及高壓泄放元件進行保護。8.6.2 抗干擾措施-干擾源 2、來自系統(tǒng)外引線的干擾、來自系統(tǒng)外引線的干擾 1）、來自電源的干擾 PLC系統(tǒng)的正常供電電源均由電網供電。由于電網覆蓋范圍廣，它將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電路。尤其是電網內部的變化，入開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流傳動裝置引起的諧波、電網短路暫態(tài)沖擊等，都通過輸電線路傳到電源原邊。 PLC電源通常采用隔離電源，但其機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上，由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在，絕對隔離是不可能的。8.6.2 抗干擾措施-干擾源 2、來自系統(tǒng)外引線的

21、干擾、來自系統(tǒng)外引線的干擾2）、來自信號線引入的干擾主要途徑： 一是通過變送器供電電源或共用信號儀表的供電電源串入的電網干擾，這往往被忽視； 二是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾，這是很嚴重的。 由信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和測量精度大大降低，嚴重時將引起元器件損傷。8.6.2 抗干擾措施-干擾源 2、來自系統(tǒng)外引線的干擾、來自系統(tǒng)外引線的干擾2）、接地系統(tǒng)混亂引入的干擾 接地是提高電子設備電磁兼容性（EMC）的有效手段之一。正確的接地，既能抑制電磁干擾的影響，又能抑制設備向外發(fā)出干擾；而錯誤的接地，反而會引入嚴重的干擾信號，使PLC系統(tǒng)將無法正常工作。 PL

22、C控制系統(tǒng)的地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護地等。接地系統(tǒng)混亂對PLC系統(tǒng)的干擾主要是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在地電位差，引起地環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。 屏蔽層、接地線和大地有可能構成閉合環(huán)路，在變化磁場的作用下，屏蔽層內有會出現(xiàn)感應電流，通過屏蔽層與芯線之間的耦合，干擾信號回路。8.6.2 抗干擾措施 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾設計控制系統(tǒng)的抗干擾設計 抑制電磁干擾的基本原則：抑制電磁干擾的基本原則：抑制干擾源；切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑；提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。設備選型 選擇有較高抗干擾能力的產品，了解抗干擾指標，如共模擬制比、差模擬制比，耐壓能力、允許在多大電場強

23、度和多高頻率的磁場強度環(huán)境中工作；參考應用實績。采用國外產品時，應按我國的標準（GB/T13926）合理選擇。 2、綜合抗干擾設計 主要考慮外部干擾抑制。主要內容包括：外引線屏蔽以防空間輻射電磁干擾；對外引線進行隔離和濾波，以防傳導電磁干擾；正確設計接地點和接地裝置，完善接地系統(tǒng)。另外還必須利用軟件手段，進一步提高系統(tǒng)的安全可靠性。8.6.2 抗干擾措施1、合理選擇電源、合理選擇電源 電網干擾串入PLC控制系統(tǒng)主要通過PLC系統(tǒng)的供電電源（如CPU 電源、I/O電源等）、變送器供電電源和與PLC系統(tǒng)具有直接電氣連接的儀表供電電源等耦合進入的。8.6.2 抗干擾措施2、鋪設電纜、鋪設電纜 不同信

24、號分別由不同電纜傳輸，信號電纜應按傳輸信號種類分層敖設。嚴禁用同一電纜的不同導線同時傳送動力電源和信號避免信號線與動力電纜靠近平行敖設，減少電磁干擾。8.6.2 抗干擾措施3、硬件濾波及軟件抗如果措施、硬件濾波及軟件抗如果措施硬件濾波硬件濾波 ： 信號線與地間并接電容，以減少共模干擾； 信號兩極間加裝濾波器可減少差模干擾。 軟件方面常用措施：軟件方面常用措施： 數(shù)字濾波和工頻整形采樣，可有效消除周期性干擾； 定時校正參考點電位，并采用動態(tài)零點，可有效防止電位漂移； 采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位； 采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。8.6.2 抗干擾措施4、完善接地系統(tǒng)、

25、完善接地系統(tǒng) 接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。 系統(tǒng)接地方式有：浮地方式、直接接地方式和電容接地浮地方式、直接接地方式和電容接地三種方式。 對PLC控制系統(tǒng)而言，應采用直接接地方式。由于信號電纜分布電容和輸入裝置濾波等的影響，裝置之間的信號交換頻率一般都低于1MHz，所以PLC控制系統(tǒng)接地線采用一點接地和串聯(lián)一點接地方式。 集中布置的PLC系統(tǒng)適于并聯(lián)一點接地方式，各裝置的柜體中心接地點以單獨的接地線引向接地極。如果裝置間距較大，應采用串聯(lián)一點接地方式。用一根大截面銅母線（或絕緣電纜）連接各裝置的柜體中心接地點，然后將接地母線直接連接接地極。 信號源接地時，屏蔽層應在信號側接地；不接地時，應在PLC側接地；信號線中間有接頭時，屏蔽層應牢固連接并進行絕緣處理，一定要避免多點接地；多個測點信號的屏蔽雙絞線與多芯對絞總屏電纜連接時，各屏蔽層應相互連接好，并經絕緣處理。選擇適當?shù)慕拥靥巻吸c接點。8.6.4 PLC系統(tǒng)的試運行與維護 u運行錯誤信息：運行錯