第7章 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

第七章PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用7.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則7.2PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟7.3應(yīng)用舉例教學(xué)目標(biāo)1、掌握可編程序控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的步驟2、掌握可編程序控制器減少輸入輸出點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法7.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

最大限度地滿足生產(chǎn)過程的控制要求在滿足控制要求的前提下，盡量使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)保證控制系統(tǒng)安全可靠選擇PLC容量時(shí)，應(yīng)考慮到生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn)，必須留有余地7.2PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟7.2.1熟悉控制對(duì)象的工藝條件確定控制范圍7.2.2選擇合適的PLC類型7.2.3I/O設(shè)備選擇及I/O點(diǎn)分配7.2.4編寫程序7.2.5程序測(cè)試7.2.6畫電氣接線圖7.2.1熟悉控制對(duì)象的工藝條件確定控制范圍

首先，根據(jù)該系統(tǒng)需完成的控制任務(wù)，對(duì)被控對(duì)象的工藝過程、工作特點(diǎn)、控制系統(tǒng)的控制過程、控制規(guī)律等等進(jìn)行詳細(xì)分析，歸納出狀態(tài)流程圖。明確控制任務(wù)和設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求進(jìn)行分析，選擇合適的控制系統(tǒng)。與繼電器控制系統(tǒng)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較后加以選擇。如果控制對(duì)象是工業(yè)環(huán)境較差，而安全性、可靠性要求又特別高、系統(tǒng)工藝又復(fù)雜、輸入輸出點(diǎn)數(shù)多，則用常規(guī)繼電器系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，工藝流程又要經(jīng)常變動(dòng)的機(jī)械和現(xiàn)場(chǎng)，用PLC進(jìn)行控制是合適的。7.2.2選擇合適的PLC類型

PLC是一種通用工業(yè)控制裝置．功能的設(shè)置總是面向大多數(shù)用戶的。眾多的PLC產(chǎn)品既給用戶提供了廣闊的選擇余地，也給用戶帶來了一定困難。

PLC的選用與繼電器接觸器控制系統(tǒng)的元件的選用不同，繼電器接觸器系統(tǒng)元件的選用，必須要在設(shè)計(jì)結(jié)束之后才能定出各種元件的型號(hào)、規(guī)格和數(shù)量以及確定控制臺(tái)、控制柜的大小等。

PLC的選用在應(yīng)用設(shè)計(jì)的開始即可根據(jù)工藝提供的資料及控制要求等預(yù)先選擇PLC的型號(hào)

1.功能與任務(wù)相適應(yīng)PLC的選型基本原則是滿足控制系統(tǒng)的功能需要?？刂葡到y(tǒng)需要什么功能，就選擇具有什么樣功能的PLC。當(dāng)然要兼顧維修、備件的通用性。對(duì)于小型單機(jī)僅需要開關(guān)量控制的設(shè)備，一般的小型PLC都可以滿足要求。小型、中型和大型PLC已普遍進(jìn)行PLC與PLC、PLC與上位機(jī)的通信與聯(lián)網(wǎng)，具有數(shù)據(jù)處理、模擬量控制等功能，例如三菱的FX2與FX2C系列小型PLC。因此在功能的選擇方面，要著重注意的是特殊功能的需要。這就是要選擇具有所需功能的PLC主機(jī)，還要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的模塊，例如開關(guān)量的輸入輸出模塊、模擬量的輸入輸出模塊、高速計(jì)數(shù)模塊、通信模塊和人機(jī)界面單元等。

2.I/O點(diǎn)數(shù)是基礎(chǔ)

準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出被控設(shè)備對(duì)輸入輸出點(diǎn)數(shù)的總需要量是PLC選型的基礎(chǔ)。把各輸入設(shè)備和被控設(shè)備詳細(xì)列出；然后在實(shí)際統(tǒng)計(jì)出I／O點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上加l5％～20％的備用量，以便今后調(diào)整和擴(kuò)充。多數(shù)小型PLC為整體式，除了按點(diǎn)數(shù)分成許多檔次外，還有擴(kuò)展單元。例如FX2系列PLC主機(jī)分為l6、24、32、64、80、128點(diǎn)六檔，還有多種擴(kuò)展模塊和單元。

模塊式結(jié)構(gòu)的PLC采用主機(jī)模塊與輸入輸出模塊、功能模塊組合使用方法，I／O模塊按點(diǎn)數(shù)分為8、l6、32、64點(diǎn)不等。根據(jù)需要，選擇和靈活組合使用主機(jī)與I／O模塊3.用戶存儲(chǔ)器容量的估算PLC的程序存儲(chǔ)器容量通常以字或步為單位。例如叫1K字、4K步。PLC的程序步是由一個(gè)字構(gòu)成的，即每個(gè)程序步占一個(gè)存儲(chǔ)器單元。用戶程序所需存儲(chǔ)器容量可以預(yù)先估算。對(duì)于開關(guān)量控制系統(tǒng)，用戶程序所需存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)等于I／O信號(hào)總數(shù)乘以8。對(duì)于有模擬量輸入輸出的系統(tǒng)，每一路模擬量信號(hào)大約需100字的存儲(chǔ)器容量。大多數(shù)PLC的存儲(chǔ)器采用模塊式的存儲(chǔ)器卡盒，同一型號(hào)的PLC可以選配不同容量的存儲(chǔ)器卡盒，實(shí)現(xiàn)可選擇的多種用戶存儲(chǔ)器的容量，例如FX2型PLC可以有2K步、8K步等。4.PLC的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來說，PLC的響應(yīng)時(shí)間不是主要的問題。響應(yīng)時(shí)間包括輸入濾波時(shí)間、輸出濾波時(shí)間和掃描周期。PLC的順序掃描工作方式使它不能可靠地接收持久時(shí)間小于掃描周期的輸入信號(hào)。為此，需要選取掃描速度高的PLC，像FX2型PLC能處理速度達(dá)0.48μs／步的順控指令。5.編程器與外圍設(shè)備的選擇小型PLC控制系統(tǒng)通常都選用價(jià)格便宜的簡(jiǎn)易編程器。如果系統(tǒng)大，用PLC多．選一臺(tái)功能強(qiáng)、編程方便的圖形編程器也不錯(cuò)，如果有現(xiàn)成的個(gè)人計(jì)算機(jī)，也可選用能在個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程軟件包。

7.2.3I/O設(shè)備選擇及I/O點(diǎn)分配PLC控制系統(tǒng)中，通常用作輸入器件的強(qiáng)電元件是控制按鈕類操作器件、行程開關(guān)、光電開關(guān)類檢測(cè)元件。PLC的負(fù)載通常有接觸器、繼電器、電磁閥、信號(hào)燈等。確定輸出電源的種類、電壓等級(jí)和容量。編制I/O分配表即對(duì)PLC的輸入、輸出進(jìn)行合理的地址編號(hào)

編寫程序就是根據(jù)設(shè)計(jì)的框圖編寫程序。梯形圖語言是最普遍使用的編程語言。編寫程序過程中，需要及時(shí)對(duì)編出的程序進(jìn)行注釋7.2.4編寫程序7.2.5程序測(cè)試模擬調(diào)試用編程器將設(shè)計(jì)好的程序輸入PLC中，進(jìn)行編輯和檢查，改正程序設(shè)計(jì)語法錯(cuò)誤。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行用戶程序的模擬運(yùn)行和程序調(diào)試。觀察各輸入量、輸出量之間的變化關(guān)系及邏輯狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)要求，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改，直到滿足工藝流程和狀態(tài)流程圖的要求。2.現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行調(diào)試

在現(xiàn)場(chǎng)使用PLC進(jìn)行調(diào)試，可先不帶負(fù)載，只帶接觸器線圈，信號(hào)燈等。利用編程器的監(jiān)控功能，采用分段、分級(jí)調(diào)試方法進(jìn)行。待各部分功能都調(diào)試正常后，再帶上實(shí)際負(fù)載運(yùn)行。7.2.6畫電氣接線圖1.外部電路設(shè)計(jì)主要包括與PLC的連接電路，各種運(yùn)行方式的強(qiáng)電電路，電源系統(tǒng)及接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.注意：1）按輸入輸出分配表的規(guī)定，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接在PLC的對(duì)應(yīng)端子上2）輸入回路一般由PLC內(nèi)部提供電源，輸出電路根據(jù)負(fù)載額定電壓和額定電流外接電源。3）為保證輸出觸點(diǎn)的安全和防止干擾，當(dāng)執(zhí)行元件為感性負(fù)載時(shí)，交流負(fù)載線圈兩端加浪涌吸收回路。直流負(fù)載線圈兩端加續(xù)流二極管7.3.1減少I/O點(diǎn)數(shù)的方法減少所需輸入點(diǎn)數(shù)的方法減少所需輸出點(diǎn)數(shù)的方法7.3應(yīng)用舉例1.減少所需輸入點(diǎn)數(shù)的方法分組輸入觸點(diǎn)合并式輸入矩陣式輸入充分利用可編程控制器的內(nèi)部功能分組輸入

多數(shù)設(shè)備都有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種狀態(tài)，自動(dòng)程序和手動(dòng)程序不會(huì)同時(shí)執(zhí)行，把自動(dòng)和手動(dòng)信號(hào)疊加起來，按不同控制狀態(tài)要求分組輸入到可編程控制器，可以節(jié)省輸入點(diǎn)數(shù)。例如：電梯轎箱內(nèi)的操縱箱內(nèi)一般都設(shè)有檢修運(yùn)行的手動(dòng)上、下按鈕，也有自動(dòng)運(yùn)行的選層按鈕，現(xiàn)在很多電梯在設(shè)計(jì)時(shí)就是利用最底層選層按鈕和最頂層的選層按鈕取代檢修手動(dòng)上、下按鈕，這樣不僅節(jié)省了輸入點(diǎn)，同時(shí)還減少了兩個(gè)按鈕，進(jìn)一步降低了成本。分組輸入電路圖X0自動(dòng)、手動(dòng)切換開關(guān)圖中的二極管是用來切斷寄生信號(hào)的，避免錯(cuò)誤信號(hào)的產(chǎn)生。

觸點(diǎn)合并式輸入

下圖是一個(gè)以繼電器接觸器控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止的電路。它可以實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)地方啟動(dòng)，三個(gè)地方停止的硬接線圖。但在轉(zhuǎn)換成PLC控制電路時(shí)，外部輸入有多種接線方式，對(duì)應(yīng)的梯形圖也有多種。

圖接線形式占用輸入點(diǎn)最多，梯形圖也顯得復(fù)雜，但判斷輸入外圍設(shè)備故障形象直觀

圖

2.減少所需輸出點(diǎn)數(shù)的方法1．通斷狀態(tài)完全相同的負(fù)載并聯(lián)后，可以共用PLC的一個(gè)輸出點(diǎn)，即一個(gè)輸出點(diǎn)帶多個(gè)負(fù)載。2．在采用信號(hào)燈做負(fù)載時(shí)，采用數(shù)碼管做指示燈可以減少輸出點(diǎn)數(shù)。例如電梯的樓層指示，如果使用信號(hào)燈，則一層就要一個(gè)輸出點(diǎn)，樓層越高占用輸出點(diǎn)越多，現(xiàn)在很多電梯使用數(shù)字顯示器顯示樓層就可以節(jié)省輸出點(diǎn)，常用的是用BCD碼輸出，9層站以下僅用4個(gè)輸出點(diǎn)，10到19層僅用5個(gè)輸出點(diǎn)。

7.3.2運(yùn)料小車控制1.控制要求：1）小車可以分別在A、B兩地分別起動(dòng)，小車在任何位置均可以通過手動(dòng)停車。2）運(yùn)料礦車停在A地起動(dòng)時(shí)，礦石裝入小車，1min后裝料完成，礦車左行。到達(dá)卸料地點(diǎn)后停下來，礦車底部開始卸料。1min后停止卸料，小車右行，返回裝料處繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。小車若從B地起動(dòng)，在B地等待1min卸料，然后駛向A地繼續(xù)裝料BA選用FX2N-16MR型可編程控制器2．設(shè)計(jì)步驟BAI/O分配表：輸入信號(hào)：輸出信號(hào)：停止按鈕SB1X0左行接觸器KM2Y1A起動(dòng)按鈕SB2X1右行接觸器KM1Y2B起動(dòng)按鈕SB3X2B限位開關(guān)SQ2X3A限位開關(guān)SQ1X4I/O分配表：輸入信號(hào)：輸出信號(hào)：停止按鈕SB1X0左行接觸器KM2Y1A起動(dòng)按鈕SB2X1右行接觸器KM1Y2B起動(dòng)按鈕SB3X2B限位開關(guān)SQ2X3A限位開關(guān)SQ1X4BAX1X0X3Y2Y1X0X3Y1T2X2Y2Y2T1X0X4Y1X0X4T2K600T1K600

物料傳送系統(tǒng)的控制：在自動(dòng)物流生產(chǎn)線上，一般通過加工、檢測(cè)、包裝等工位的傳送帶來運(yùn)送加工的工件。每套傳送系統(tǒng)由不同電機(jī)控制，為節(jié)能運(yùn)行，沒有工件的傳送暫不運(yùn)行，檢測(cè)到工件則啟動(dòng)傳送帶，工件到達(dá)傳送帶的尾端，啟動(dòng)下條傳送帶，如果前套傳送帶沒有工件則停止運(yùn)行。7.3.4傳輸帶電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)1.基本控制要求

某車間運(yùn)料傳輸帶分為三段，有三臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)。使載有物品的傳輸帶運(yùn)行，沒載物品的傳輸帶停止運(yùn)行，以節(jié)省能源。但是要保證物品在整個(gè)運(yùn)輸過程中連續(xù)地從上段運(yùn)行到下段。所以，既不能使下段電動(dòng)機(jī)起動(dòng)太早，又不能使上段電動(dòng)機(jī)停止太遲。2．設(shè)計(jì)步驟工作流程：按下起動(dòng)按鈕SB1電動(dòng)機(jī)3開始運(yùn)行被運(yùn)送的物品(金屬板)前進(jìn)，被3#傳感器檢測(cè)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)2運(yùn)載物品運(yùn)行被2#傳感器檢測(cè)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)1運(yùn)載物品前進(jìn)延時(shí)2s停止電動(dòng)機(jī)2物品被1#傳感器檢測(cè)延時(shí)2s停止電動(dòng)機(jī)1。上述過程不斷進(jìn)行，直到按下停止按鈕SB2為止。根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)及功能要求，選用FX2N-16MR型可編程控制器可以滿足控制系統(tǒng)的要求。（1）I/O分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)起動(dòng)按鈕SB1X0電機(jī)1接觸器Y11#傳感器X1電機(jī)2接觸器Y22#傳感器X2電機(jī)3接觸器Y33#傳感器X3急停按鈕SB2X42．設(shè)計(jì)步驟輸入信號(hào)輸出信號(hào)起動(dòng)按鈕SB1X0電機(jī)1接觸器Y11#傳感器X1電機(jī)2接觸器Y22#傳感器X2電機(jī)3接觸器Y33#傳感器X3急停按鈕SB2X47.3.7多種液體混合裝置1．控制要求圖是多種液體混合裝置，適合如飲料的生產(chǎn)、酒廠的配液、農(nóng)藥廠的配比等。L1、L2、L3為液面?zhèn)鞲衅鳎好嫜蜎]時(shí)接通，兩種液體的輸入和混合液體放液閥門分別由電磁閥Y0、Y1、Y3控制，M為攪勻電動(dòng)機(jī),由接觸器Y2控制。L1L2L3L1L2L3(1)初試狀態(tài)當(dāng)裝置投入運(yùn)行時(shí)，液體A、液體B閥門關(guān)閉，放液閥門打開20s將容器放空后關(guān)閉。（2）起動(dòng)操作按下起動(dòng)按鈕，液體混合裝置開始按下列給定規(guī)律操作：①Y0＝ON，液體A將流入容器，液面上升；當(dāng)液面達(dá)到L2處時(shí)，L2＝ON，使Y0＝OFF,Y1=ON，即關(guān)閉液體A閥門打開液體B閥門，停止液體A流入,液體B開始流入，液面上升；②當(dāng)液面達(dá)到L1處時(shí)，Ll=ON，Y1＝0FF，即關(guān)閉液體B閥門，液體停止流入，開始攪拌；

③攪勻電動(dòng)機(jī)工作1min后，停止攪拌，放液閥門打開，開始放液，液面開始下降；④當(dāng)液面下降到L3處時(shí)，L3由ON變到OFF，再過20S，容器放空，放液閥門關(guān)閉，開始下一個(gè)循環(huán)周期。

(3)停止操作在任何時(shí)候按下停止按鈕后，要將當(dāng)前容器內(nèi)的混合工作處理完畢后（當(dāng)前周期循環(huán)到底)，才能停止操作，否則會(huì)造成浪費(fèi)。2.設(shè)計(jì)步驟選用FX2N-16MR型可編程控制器可以滿足控制系統(tǒng)的要求。（1）I/O分配表輸入信號(hào)輸出信號(hào)起動(dòng)按鈕SB1X0液體A電磁閥Y0停止按鈕SB2X1液體B電磁閥Y1液面?zhèn)鞲衅鱈1X2攪拌電機(jī)Y2液面?zhèn)鞲衅鱈2X3放液電磁閥Y3液面?zhèn)鞲衅鱈3X4L1L2L3起動(dòng)按鈕SB1X0液體A電磁閥Y0停止按鈕SB2X1液