第七章可編程序控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計

2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院1第七章可編程序控制器的控制系統(tǒng)設(shè)計§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計§7-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施§7-3應(yīng)用設(shè)計舉例2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院2PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方法控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)機(jī)型及I/O模塊的選擇控制系統(tǒng)硬件設(shè)計文件系統(tǒng)供電設(shè)計I/O模塊供電電源設(shè)計系統(tǒng)接地設(shè)計電纜設(shè)計和敷設(shè)PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計方法控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程信號采樣和濾波處理方法與技巧§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院3一、控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計明確對控制對象的要求，然后根據(jù)實際需要確定控制系統(tǒng)類型和系統(tǒng)工作時的運行方式，即總體方案實際的內(nèi)容。1、PLC控制系統(tǒng)類型由PLC構(gòu)成的單機(jī)控制系統(tǒng)可分為下列四種類型。（1）由PLC構(gòu)成的單機(jī)控制系統(tǒng)（2）由PLC構(gòu)成的集中控制系統(tǒng)（3）由PLC構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)（4）由PLC構(gòu)成遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院4PLC控制對象輸入/輸出單機(jī)控制系統(tǒng)PLC控制對象輸入/輸出集中控制系統(tǒng)控制對象控制對象§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院5分散控制系統(tǒng)PLC-A控制對象APLC-B控制對象BPLC-C控制對象C計算機(jī)§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院6遠(yuǎn)程I/O控制系統(tǒng)PLC控制對象A控制對象B控制對象C控制對象M本地I/O通道遠(yuǎn)程I/O通道§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院72、系統(tǒng)的運行方式

用PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)有三種運行方式，即自動、半自動和手動。（1）自動運行方式。自動運行方式是控制系統(tǒng)的主要運行方式。這種運行方式的主要特點是在系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)按給定的程序自動完成被控對象的動作，不需要人工干預(yù)，系統(tǒng)的啟動可由PLC本身的啟動系統(tǒng)進(jìn)行，也可由PLC發(fā)出啟動信號，由操作人員確認(rèn)并按下啟動響應(yīng)按鈕后，PLC自動啟動系統(tǒng)?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院8（2）半自動運行方式。這種運行方式的特點是系統(tǒng)在啟動和運行過程中的某些步驟需要人工干預(yù)才能進(jìn)行下去。半自動方式多用于檢測手段不完善，需要人工判斷或某些設(shè)備不具備自控條件，需要人工干涉的場合。（3）手動運行方式。手動運行方式不是控制系統(tǒng)的主要運行方式，而是用于設(shè)備調(diào)試、系統(tǒng)調(diào)整和特殊情況下的運行方式，因此它是自動運行方式的輔助方式?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院93、PLC的停運方式

有正常停運、暫時停運和緊急停運三種。（1）正常停運。由PLC的程序執(zhí)行，當(dāng)系統(tǒng)的運行步驟執(zhí)行完且不需要重新啟動執(zhí)行程序時，或PLC接收到操作人員的停運指令后，PLC按規(guī)定的停運步驟停止系統(tǒng)運行；§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院10（2）暫停方式。用于程序控制方式時暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，使所有輸出都設(shè)置成OFF狀態(tài)，待暫停解除時將繼續(xù)執(zhí)行被暫停的程序。另外也可用暫停開關(guān)直接切斷負(fù)荷電源，同時將此信息傳給PLC，以停止執(zhí)行程序，或者把CPU的RUN切換成STOP，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的暫停運行；（3）緊急停運方式。是在系統(tǒng)運行過程中設(shè)備出現(xiàn)異常情況或故障時，若不中斷系統(tǒng)運行，將導(dǎo)致重大事故或有可能損壞設(shè)備，此時必須使用緊急停運按鈕使整個系統(tǒng)立即停運。它是既沒有連鎖條件也沒有延遲時間的停運方式，緊急停運時，所有設(shè)備都必須停運，且程序控制被解除，控制內(nèi)容復(fù)位到原始狀態(tài)?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院11二、系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)

系統(tǒng)硬件設(shè)計必須根據(jù)控制對象而定，應(yīng)包括控制對象的工藝要求、設(shè)備狀況、控制功能、I／O點數(shù)，并據(jù)此構(gòu)成比較先進(jìn)的控制系統(tǒng)。1、工藝要求機(jī)械手的控制系統(tǒng)為例，討論工藝要求所包含的內(nèi)容和對系統(tǒng)設(shè)計的要求。所要了解的工藝過程如下圖所示。（機(jī)械手動作示意圖）§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院12（1）下降；（2）夾緊；（3）上升；（4）右移；（5）下降；（6）放松；（7）上升；（8）左移。2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院132、設(shè)備狀況設(shè)備狀況應(yīng)滿足整個工藝要求。3、控制功能根據(jù)工藝要求和設(shè)備狀況就可提出控制系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)的控制功能。只有掌握了要實現(xiàn)的控制功能，才能據(jù)此設(shè)計系統(tǒng)的類型、規(guī)模、機(jī)型、模塊、軟件等內(nèi)容。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院144、I/O點數(shù)和種類在統(tǒng)計系統(tǒng)I／O時，要分清輸入和輸出、數(shù)字量和模擬量、各種電壓電流等級、智能模板要求。5、系統(tǒng)的先進(jìn)性初級的單體設(shè)備控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)

EIC綜合化控制系統(tǒng)§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院15EIC綜合化系統(tǒng)就是將電氣控制（Electric）、儀表控制（Instrumentation）、計算機(jī)系統(tǒng)（ComputerSystem）集于一體形成綜合化控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)功能強(qiáng)、層次清楚、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、應(yīng)用開發(fā)容易。鑒于控制思想的不斷更新，在設(shè)計可編程序控制器所組成的控制系統(tǒng)時，也要考慮到所組成的控制方案的先進(jìn)性?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院16三、PLC的機(jī)型選擇選擇機(jī)型所依據(jù)的性能指標(biāo)如下：1、CPU的能力2、I/O點數(shù)為了保證所設(shè)計的控制系統(tǒng)的正常運行，在系統(tǒng)硬件設(shè)計時，建議根據(jù)實際I／0點數(shù)留有10％～15％的余量。3、響應(yīng)速度§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院174、指令系統(tǒng)5、機(jī)型選擇的其它考慮性能價格比備品備件的統(tǒng)一考慮技術(shù)支持6、是否在線編程在線編程要求主機(jī)和編程器各有一個CPU。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院18

四、輸入/輸出模塊的選擇1、數(shù)字量輸入模塊的選擇（1）選擇電壓等級按電壓分有直流5V、12V、24V、48V、60V和交流110V、220V；（2）按保護(hù)形式分有隔離和不隔離兩種（3）選擇模塊密度按點數(shù)分有8點、16點、32點、64點。高密度模塊，如32點或64點，同時接通點數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般來講，同時接通點數(shù)最好不超過模塊總點數(shù)的70％。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院19（4）備用輸入點的設(shè)計考慮在設(shè)計總輸入點數(shù)時都留有了一定的余量，這些備用點的分配應(yīng)分別考慮到每塊輸入模塊上，最好分配到每組輸入點上。例如一塊輸入模塊具有32點輸入，它們每8點為一組，在設(shè)計時每8點留一個備用點，一旦其余7點發(fā)生故障，只有把接線從故障點改接到備用點，再修改相應(yīng)地址，系統(tǒng)就可恢復(fù)正常。這樣考慮，則有利于系統(tǒng)設(shè)計的修改和故障的處理?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院202、數(shù)字量輸出模塊的選擇（l）輸出方式的選擇。（2）輸出功率的選擇。在選擇模塊時要注意手冊上給出的輸出功率要大于實際負(fù)載所需的功率。在實際應(yīng)用中，如果負(fù)載要求的功率很大，數(shù)字量輸出模塊已不能滿足需要，此時在設(shè)計上可有兩種辦法：●采用中間繼電器，數(shù)字量輸出驅(qū)動中間繼電器的線圈。●用多個數(shù)字量輸出點并聯(lián)驅(qū)動一個負(fù)載，此時應(yīng)注意多個輸出點動作的一致性?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院21（3）負(fù)載。針對負(fù)載情況要注意兩點：●對于像電磁抱閘這類負(fù)載，雖然負(fù)載電流很小，但匝數(shù)多，斷電瞬間其反向電壓很高，有時會使輸出三極管反向擊穿，此時要在負(fù)載兩端并接電容和電阻抑制反向電壓；●對于燈負(fù)載，要注意啟動沖擊電流，一般啟動電流為負(fù)載額定電流的10倍，驅(qū)動燈負(fù)載時，手冊上都給出相對應(yīng)的輸出功率。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院223、模擬量輸入模塊的選擇（1）模擬量值的輸入范圍。模擬量輸入模塊有各種輸入范圍，它們包括0～10V，士10V，4～20mA等。有的產(chǎn)品用外加輸入量程子模塊來實現(xiàn)各種輸入范圍，使得同一個模擬量輸入模塊可以適應(yīng)不同的輸入范圍；也有的產(chǎn)品將各種不同輸入范圍的模塊做成各自獨立的模擬量輸入模塊。（2）模擬量值的數(shù)字表示方法。模擬量輸入模塊的功能是進(jìn)行模擬量到二進(jìn)制數(shù)值的轉(zhuǎn)換。在選擇時要注意轉(zhuǎn)換精度?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院23（3）采樣循環(huán)時間。采樣循環(huán)時間反映了系統(tǒng)處理模擬量輸入的響應(yīng)時間。（4）模擬量輸入模塊的外部連接方式。外部檢測元件各種各樣，其信號范圍和要求的連接也不相同。模擬量輸入模塊為適應(yīng)這些要求可提供各種連接方式，它們包括電阻的連接方式、熱電偶的連接方式、各種傳感器的連接方式；有時還包括兩線連接和帶補(bǔ)償?shù)乃木€連接，這些都要根據(jù)實際需要選擇。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院244、模擬量輸出模塊的選擇（1）輸出范圍和輸出類型。模擬量輸出范圍包括0～10V，士10V，4～20mA。輸出類型有電壓輸出和電流輸出，一般的模擬量模塊都同時具有這兩種輸出類型，只是在與負(fù)載連接時接線方式不同。（2）對負(fù)載的要求。對負(fù)載的要求主要是負(fù)載阻抗，在電流輸出方式下一般給出最大的負(fù)載阻抗。在電壓輸出方式下，則給出最小負(fù)載阻抗?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院255、智能I/O模塊的選擇

智能1／0模塊不同于一般的1／0模塊，它自身帶有微處理器芯片、系統(tǒng)程序、存儲器。智能接口模塊通過系統(tǒng)總線與CPU模塊相連，并在CPU模塊的協(xié)調(diào)管理下獨立進(jìn)行工作，提高廠處理速度，便于應(yīng)用。一般的智能I／0模塊包括通訊處理模塊、高速計數(shù)模塊、帶有PID調(diào)節(jié)的模擬量控制模塊、閥門控制模塊等?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院26五、系統(tǒng)硬件設(shè)計文件

一般系統(tǒng)的設(shè)計文件應(yīng)包括系統(tǒng)硬件配置圖、模塊統(tǒng)計表、PLC的I／O接口圖和I／O地址表。

1、系統(tǒng)硬件配置圖系統(tǒng)硬件配置圖應(yīng)完整地給出整個系統(tǒng)硬件組成，它應(yīng)包括系統(tǒng)構(gòu)成級別（設(shè)備控制級和過程控制級）、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)情況、網(wǎng)上可編程序控制器的站數(shù)、每個可編程序控制器站上的中心單元和擴(kuò)展單元構(gòu)成情況、每個可編程序控制器中的各種模塊構(gòu)成情況。下圖給出了一般的二級控制系統(tǒng)的基本系統(tǒng)硬件配置圖?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院272023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院282、模塊統(tǒng)計表模塊統(tǒng)計表應(yīng)包括模塊名稱、模塊類型、模塊訂貨號、所需模塊個數(shù)等內(nèi)容。3、I／O硬件接口圖反映了可編程序控制器輸入輸出模塊與現(xiàn)場設(shè)備的連接。如下圖

4、I／O地址表把輸入輸出列成表，給出相應(yīng)的地址和名稱，以備軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試時使用。這種表稱為I／0地址表，也叫輸入輸出表。下表為I／O地址表的典型格式?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院292023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院302023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院31一、系統(tǒng)軟件設(shè)計基本要求（1）與生產(chǎn)工藝結(jié)合緊密。（2）與硬件控制系統(tǒng)結(jié)合緊密。（3）設(shè)計人員需具備計算機(jī)和自動化控制方面的雙重知識。二、系統(tǒng)軟件設(shè)計的內(nèi)容一般包括：參數(shù)表的定義、程序框圖繪制、程序的編制和程序說明書編寫四項內(nèi)容?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院32

（1）參數(shù)表的定義。參數(shù)表的定義包括對輸入信號表，輸出信號表，中間標(biāo)志表和存儲單元表的定義。（2）程序框圖的繪制。程序框圖是指依據(jù)工藝流程而繪制的控制過程方框圖。（3）程序的編制（4）程序說明書的編寫。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院33三、梯形圖的特點及繪制原則

◆梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每個繼電器線圈為一個邏輯行，即一層階梯。每一個邏輯行起于左母線，然后是觸點的連接，最后終止于繼電器線圈或右母線?！粼谔菪螆D中某個編號繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而繼電器觸點（常開或常閉）可無限次引用。◆在每一邏輯行中，串聯(lián)觸點多的支路應(yīng)放在上方。如果將串聯(lián)觸點多的支路放在下方，則語句增多，程序變長。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院341

2

43(a)合理1

243(b)不合理◆在每一個邏輯行中，并聯(lián)觸點多的支路應(yīng)放在左邊。如果將并聯(lián)觸點多的電路放在右邊，則語句增多、程序變長。1

3

42

(a)合理3

1

42

(b)不合理§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院35◆梯形圖中，不允許一個觸點上有雙向“電流”通過。對于這樣的梯形圖，應(yīng)根據(jù)其邏輯功能作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q。5

1

2

64

3

（a）

5

2

3

5

4

1

62

4

（b）§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院36◆梯形圖中，當(dāng)多個邏輯行都具有相同條件時，為了節(jié)省語句數(shù)量，常將這些邏輯行合并。1

4

72

1

3

62

1

5

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（a）不合理2

4

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3

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（b）合理§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院37◆如果電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用ALD、OLD等指令難以處理時，可以重復(fù)使用一些觸點改成等效電路，再進(jìn)行編程。12345AB2A35B134§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院38一、系統(tǒng)供電設(shè)計

系統(tǒng)供電電源設(shè)計是指可編程序控制器CPU工作所需電源系統(tǒng)的設(shè)計。它包括供電系統(tǒng)的一般性保護(hù)措施、可編程序控制器電源模塊的選擇和典型供電電源系統(tǒng)的設(shè)計。1、供電系統(tǒng)的保護(hù)措施為了提高系統(tǒng)的可靠性和抗于擾性能，在可編程序控制器供電系統(tǒng)中一般可采取隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器、UPS電源、晶體管開關(guān)電源等措施?！?-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院392、電源模塊的選擇可編程序控制器CPU所需的工作電源一般都是5V直流電源，一般的編程接口和通訊模塊還需要5.2V和24V直流電源。這些電源都由可編程序控制器本身的電源模塊供給，所以在實際應(yīng)用中要注意電源模塊的選擇。在選擇電源模塊時，其額定輸出功率必須大于CPU模塊、所有I／O模塊、各種智能模塊等總的消耗功率之和，并且要留有30％左右的余量?！?-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院40§7-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施3、一般系統(tǒng)供電電源設(shè)計供電設(shè)計包括CPU工作電源、各種I／0模塊的控制回路工作電源、各種接口模塊和通訊智能模塊的工作電源。這些工作電源都是由PLC的電源模塊供電，所以系統(tǒng)供電電源設(shè)計就是針對PLC電源模塊而言的。2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院41

在工程實際中，需要注意以下幾點：（l）電源模塊的接線一般的PLC電源模塊都有三個進(jìn)線端子，在圖中分別用LI、N、PE表示。其中LI和N為交流220V進(jìn)線端子，PE為系統(tǒng)的地，并與機(jī)殼相連。（2）系統(tǒng)接地連接

PLC電源模塊的接地端應(yīng)選擇不小于10mm2的銅導(dǎo)體并盡可能短地與交流穩(wěn)壓器、UPS電源、隔離變壓器和系統(tǒng)接地相連?！?-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院422023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院43二、系統(tǒng)接地設(shè)計

在實際控制系統(tǒng)中，接地是抑制干擾使系統(tǒng)可靠工作的主要方法。在設(shè)計中如能把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，可以解決大部分干擾問題。1、正確的接地方法接地設(shè)計有兩個基本目的：消除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓和避免磁場與電位差的影響，使其不形成地環(huán)路，如果接地方式不好就會形成環(huán)路，造成噪聲耦合。理想的情況是一個系統(tǒng)的所有接地點與大地之問阻抗為零，但在實際接地中總存在著連接阻抗和分散電容?！?-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院442、各種不同接地的處理◆數(shù)字地（也叫邏輯地，是各種開關(guān)量信號的零電位）◆模擬地（是各種模擬量信號的零電位）◆信號地（是指傳感器的地）◆交流地（交流供電電源的地線，這種地通常是產(chǎn)生噪聲的地）◆直流地（直流供電電源的地）◆屏蔽地（也叫機(jī)殼地，為防止靜電感應(yīng)而設(shè)）§7-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2023/2/3西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院45（