第七章可編程序控制器的控制系統(tǒng)設計

第七章可編程序控制器的控制系統(tǒng)設計§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計§7-2提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施§7-3應用設計舉例2/6/20231西南科技大學信息工程學院PLC控制系統(tǒng)硬件設計方法控制系統(tǒng)總體方案設計控制系統(tǒng)硬件設計根據(jù)機型及I/O模塊的選擇控制系統(tǒng)硬件設計文件系統(tǒng)供電設計I/O模塊供電電源設計系統(tǒng)接地設計電纜設計和敷設PLC控制系統(tǒng)軟件設計方法控制系統(tǒng)軟件設計流程信號采樣和濾波處理方法與技巧§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/20232西南科技大學信息工程學院一、控制系統(tǒng)總體方案設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構成的單機控制系統(tǒng)可分為下列四種類型。（1）由PLC構成的單機控制系統(tǒng)（2）由PLC構成的集中控制系統(tǒng)（3）由PLC構成的分布式控制系統(tǒng)（4）由PLC構成遠程I/O控制系統(tǒng)§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/20233西南科技大學信息工程學院PLC控制對象輸入/輸出單機控制系統(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)的總體設計2/6/20234西南科技大學信息工程學院分散控制系統(tǒng)PLC-A控制對象APLC-B控制對象BPLC-C控制對象C計算機§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/20235西南科技大學信息工程學院遠程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通道遠程I/O通道§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/20236西南科技大學信息工程學院2、系統(tǒng)的運行方式

用PLC構成的控制系統(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，系統(tǒng)的啟動可由PLC本身的啟動系統(tǒng)進行，也可由PLC發(fā)出啟動信號，由操作人員確認并按下啟動響應按鈕后，PLC自動啟動系統(tǒng)。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/20237西南科技大學信息工程學院（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才能進行下去。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)的總體設計2/6/20238西南科技大學信息工程學院

3、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)的總體設計2/6/20239西南科技大學信息工程學院（2）暫停方式。用于程序控制方式時暫停執(zhí)行當前程序，使所有輸出都設置成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直接切斷負荷電源，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)運行過程中設備出現(xiàn)異常情況或故障時，若不中斷系統(tǒng)運行，將導致重大事故或有可能損壞設備，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，所有設備都必須停運，且程序控制被解除，控制內(nèi)容復位到原始狀態(tài)?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202310西南科技大學信息工程學院二、系統(tǒng)硬件設計根據(jù)

系統(tǒng)硬件設計必須根據(jù)控制對象而定，應包括控制對象的工藝要求、設備狀況、控制功能、I／O點數(shù)，并據(jù)此構成比較先進的控制系統(tǒng)。1、工藝要求機械手的控制系統(tǒng)為例，討論工藝要求所包含的內(nèi)容和對系統(tǒng)設計的要求。所要了解的工藝過程如下圖所示。（機械手動作示意圖）§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202311西南科技大學信息工程學院（1）下降；（2）夾緊；（3）上升；（4）右移；（5）下降；（6）放松；（7）上升；（8）左移。2/6/202312西南科技大學信息工程學院2、設備狀況設備狀況應滿足整個工藝要求。3、控制功能根據(jù)工藝要求和設備狀況就可提出控制系統(tǒng)應實現(xiàn)的控制功能。只有掌握了要實現(xiàn)的控制功能，才能據(jù)此設計系統(tǒng)的類型、規(guī)模、機型、模塊、軟件等內(nèi)容?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202313西南科技大學信息工程學院4、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)的先進性初級的單體設備控制系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)

EIC綜合化控制系統(tǒng)§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202314西南科技大學信息工程學院

EIC綜合化系統(tǒng)就是將電氣控制（Electric）、儀表控制（Instrumentation）、計算機系統(tǒng)（ComputerSystem）集于一體形成綜合化控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)功能強、層次清楚、可靠性高、可擴展性強、應用開發(fā)容易。鑒于控制思想的不斷更新，在設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性?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202315西南科技大學信息工程學院三、PLC的機型選擇選擇機型所依據(jù)的性能指標如下：1、CPU的能力2、I/O點數(shù)為了保證所設計的控制系統(tǒng)的正常運行，在系統(tǒng)硬件設計時，建議根據(jù)實際I／0點數(shù)留有10％～15％的余量。3、響應速度§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202316西南科技大學信息工程學院4、指令系統(tǒng)5、機型選擇的其它考慮性能價格比備品備件的統(tǒng)一考慮技術支持6、是否在線編程在線編程要求主機和編程器各有一個CPU?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202317西南科技大學信息工程學院四、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)的總體設計2/6/202318西南科技大學信息工程學院（4）備用輸入點的設計考慮在設計總輸入點數(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，再修改相應地址，系統(tǒng)就可恢復正常。這樣考慮，則有利于系統(tǒng)設計的修改和故障的處理?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202319西南科技大學信息工程學院2、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載所需的功率。在實際應用中，如果負載要求的功率很大，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?！裼枚鄠€數(shù)字量輸出點并聯(lián)驅(qū)動一個負載，此時應注意多個輸出點動作的一致性。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202320西南科技大學信息工程學院（3）負載。針對負載情況要注意兩點：●對于像電磁抱閘這類負載，雖然負載電流很小，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，此時要在負載兩端并接電容和電阻抑制反向電壓；●對于燈負載，要注意啟動沖擊電流，一般啟動電流為負載額定電流的10倍，驅(qū)動燈負載時，手冊上都給出相對應的輸出功率?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202321西南科技大學信息工程學院3、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行模擬量到二進制數(shù)值的轉換。在選擇時要注意轉換精度?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202322西南科技大學信息工程學院（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償?shù)乃木€連接，這些都要根據(jù)實際需要選擇?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202323西南科技大學信息工程學院4、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，只是在與負載連接時接線方式不同。（2）對負載的要求。對負載的要求主要是負載阻抗，在電流輸出方式下一般給出最大的負載阻抗。在電壓輸出方式下，則給出最小負載阻抗。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202324西南科技大學信息工程學院5、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)管理下獨立進行工作，提高廠處理速度，便于應用。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。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202325西南科技大學信息工程學院五、系統(tǒng)硬件設計文件

一般系統(tǒng)的設計文件應包括系統(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)硬件配置圖應完整地給出整個系統(tǒng)硬件組成，它應包括系統(tǒng)構成級別（設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展單元構成情況、每個可編程序控制器中的各種模塊構成情況。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。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202326西南科技大學信息工程學院2/6/202327西南科技大學信息工程學院2、模塊統(tǒng)計表模塊統(tǒng)計表應包括模塊名稱、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)的總體設計2/6/202328西南科技大學信息工程學院2/6/202329西南科技大學信息工程學院2/6/202330西南科技大學信息工程學院一、系統(tǒng)軟件設計基本要求（1）與生產(chǎn)工藝結合緊密。（2）與硬件控制系統(tǒng)結合緊密。（3）設計人員需具備計算機和自動化控制方面的雙重知識。二、系統(tǒng)軟件設計的內(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。§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202331西南科技大學信息工程學院（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?！?-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202332西南科技大學信息工程學院三、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?！粼诿恳贿壿嬓兄校?lián)觸點多的支路應放在上方。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)的總體設計2/6/202333西南科技大學信息工程學院1

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

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(a)合理3

1

42

(b)不合理§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202334西南科技大學信息工程學院◆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，應根據(jù)其邏輯功能作適當?shù)牡刃ё儞Q。5

1

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（a）

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（b）§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202335西南科技大學信息工程學院◆梯形圖中，當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

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1

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（a）不合理2

4

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（b）合理§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202336西南科技大學信息工程學院◆如果電路結構復雜，用ALD、OLD等指令難以處理時，可以重復使用一些觸點改成等效電路，再進行編程。12345AB2A35B134§7-1PLC控制系統(tǒng)的總體設計2/6/202337西南科技大學信息工程學院一、系統(tǒng)供電設計

系統(tǒng)供電電源設計是指可編程序控制器CPU工作所需電源系統(tǒng)的設計。它包括供電系統(tǒng)的一般性保護措施、可編程序控制器電源模塊的選擇和典型供電電源系統(tǒng)的設計。1、供電系統(tǒng)的保護措施為了提高系統(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、晶體管開關電源等措施?！?-2

提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2/6/202338西南科技大學信息工程學院2、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。§7-2

提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施2/6/202339西南科技大學信息工程學院§7-2

提高PLC控制系統(tǒng)可靠性的措施3、一般系統(tǒng)供電電源設計供電設計包括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)供電電源設計就是針對PLC電源模塊而言的。2/6/202340西南科技大學信息工程學院在工程實際中，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線端子，在圖中分別用LI、N、PE表示。其中LI和N為交流220V進線端子，PE為系統(tǒng)的地，并與機殼相連。（2）系統(tǒng)接地連接

PLC電源模塊的接地端應選擇不小于10mm2的銅導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2/6/202341西南科技大學信息工程學院2/6/202342西南科技大學信息工程學院二、系統(tǒng)接地設計

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。在設計中如能把接地和屏蔽正確地結合起來使用，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2/6/202343西南科技大學信息工程學院2、各種不同接地的處理◆數(shù)字地（也叫邏輯地，是各種開關量信號的零電位）◆模擬地（是各種模擬量信號的零電位）◆信號地