电气控制与可编程控制器技术电子课件9.ppt

第九章 可编程控制系统设计,前面介绍了可编程控制器的硬件基本结构与工作原理、指令系统与编程方法。本章在前面的基础上，进一步介绍可编程控制系统设计的基本原则、设计的一般步骤与方法及PLC控制系统设计应用举例。,一、PLC控制系统设计的基本原则 设计任何一个PLC控制系统，如同设计任何一种电气控制系统一样，其目的都是通过控制被控对象（生产设备或生产过程）来实现工艺要求，提高生产效率和产品质量。因此，在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：1、PLC控制系统控制被控对象应最大限度地满足工艺要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜索资料，并与机械部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。,第一节 PLC控制系统设计的基本内容和步骤,2、在满足工艺要求的前提下，力求使PLC控制系统简单、经济、使用及维修方便。3、保证控制系统的安全、可靠。4、考虑到生产的发展和工艺的改进，在配置PLC硬件设备时应适当留有一定的裕量。二、PLC控制系统设计的基本内容 PLC控制系统是由PLC与用户输入、输出设备连接而成的。因此，PLC控制系统设计的基本内容应包括：,1、选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法在前面第一四章中已作介绍。2、PLC的选择。PLC是PLC控制系统的核心部件。正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济性能指标起着重要的作用。选择PLC，包括机型、容量的选择以及I/O模块、电源模块等的选择。,3、分配I/O点，绘制I/O连接图。4、控制程序设计。包括控制系统流程图、梯形图、语句表（即程序清单）等设计。控制程序是控制整个系统工作的软件，是保证系统工作正常、安全、可靠的关键。因此，设计的控制程序必须经过反复调试、修改，直到满足要求为止。5、必要时还需设计控制台（柜）。6、编制控制系统的技术文件。包括说明书、电气图及电气元件明细表。,传统的电气图，一般包括电气原理图、电器布置图及电气安装图。在PLC控制系统中，这一部分图统称为“硬件图”。它在传统电气图的基础上增加了PLC部分，因此在电气原理图中应增加PLC的I/O连接图。另外，在PLC控制系统中的电气图中还应包括程序图（梯形图），通常称它为“软件图”。向用户提供“软件图”，可便于用户在生产发展或工艺改进时修改程序，并有利于用户在维修时分析和排除故障。,三、PLC控制系统设计的一般步骤及内容 设计PLC控制系统的一般步骤如图9-1所示。1、根据生产的工艺过程分析控制要求，需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和联锁等）、操作方式（手动、自动；连续、单周期、单步等）。2、根据控制要求确定所需要的输入、输出设备。据此确定PLC的I/O点数。3、选择PLC机型及容量。4、定义输入、输出点名称，分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。,5、根据PLC所要完成的任务及应具备的功能，进行PLC程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。PLC程序设计的步骤与内容是：（1）对于较复杂的控制系统，需绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，也可省去这一步。（2）设计梯形图。这是程序设计的关键一步，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。（3）根据梯形图编制程序清单。,图9-1 PLC控制系统设计步骤,（4）用计算机或编程器将程序键入到PLC的用户存储器中，并检查键入的程序是否正确。（5）对程序进行调试和修改，直到满足要求为止。6、待控制台（柜）设计及现场施工完成后，进行联机调试。如不满足要求，再修改程序或检查接线，直到满足要求为止。7、编制技术文件。8、交付使用。四、PLC机型的选择 这是PLC应用设计中很重要的一步，目前，国内外生产的PLC种类很多，在选用PLC时应考虑以下几方面。,1、规模要适当 输入、输出点数以及软件对PLC功能及指令的要求是选择PLC机型规模大小的重要依据。首先要确保有足够的输入、输出点数，并留有一定的余地（要有10%的备用量）。如果只是为了实现单机自动化，或机电一体化产品，可选用小型PLC。如果控制系统较大，输入、输出点数较多，被控设备较分散，可以选用中型或大型PLC。还应确定用户程序存储器的容量。一般粗略的估计方法是：（输入+输出）（1012）=指令步数。特别要注意因控制较复杂，数据处理量较大，可能出现存储容量不够的问题。,2、功能要相当，结构要合理 对于以开关量进行控制的系统，一般的低档机就能满足要求。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，应选用带A/D、D/A转换，加减运算、数据传送功能的低档机。对于控制比较复杂，控制性能要求较高的系统，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等，可视控制规模及复杂的程度，选用中档或高档机。其中高档机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂自动化等。对于工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，选用整体式结构PLC。其它情况则选用模块式结构PLC。,3、输入、输出功能及负载能力的选择 选择哪一种功能的输入、输出形式或模块，取决于控制系统中输入和输出信号的种类、参数要求和技术要求，选用具有相应功能的模块。为了提高抗干扰能力，输入、输出均应选用具有光电隔离的模块。对于输出形式，有无触点和有触点之分。无触点输出大多使用大功率三级管（直流输出）或双向可控硅（交流输出）电路，其优点是可靠性高、响应速度快、寿命长，缺点为价格高、过载能力差些。有触点输出是使用继电器触点输出，其优点是适用电压范围宽、导通压降损失小、价格便宜，缺点是寿命短、响应速度慢。,此外，还应考虑输入、输出的负载能力，要注意承受的电压值和电流值。应该指出的是，输出电流值和导通负载电流值是不同的概念。输出电流值是指每一个输出点的驱动能力。导通负载电流值是指整个输出模块驱动负载时所允许的最大电流值，即整个输出模块的满负荷能力。4、使用环境条件 在选择PLC时，要考虑使用现场的环境条件是否符合它的规定。一般考虑的环境条件有：环境温度、相对湿度、电源允许波动范围和抗干扰等指标。,一、电镀工艺要求 电镀生产线有三个槽，工件由可升降吊钩的行车移动，经过电镀、镀液回收、清洗工序，实现对工件的电镀。工艺要求是：工件放入电镀槽中，电镀280秒后提起，停放28秒，让镀液从工件上流回电镀槽，然后放入回收液槽中浸30秒，提起后停15秒，再放入清水槽中清洗30秒，最后提起停15秒后，行车返回原位，电镀一个工件的全过程结束。电镀生产线的工艺流程如图9-2所示。,第二节 可编程控制器在电镀生产线上的应用,二、控制流程 电镀生产线除装卸工件外，要求整个生产过程能自动进行。同时行车和吊钩的正反向运行均能实现点动控制，以便对设备进行调整和检修。,图9-2 电镀工艺流程图,行车自动运行的控制过程是：行车在原位，吊钩下降在最下方时，行车左限位开关SQ4、吊钩下限开关SQ6被压下动作，操作人员将电镀工件放在挂具上，即准备开始进行电镀。（1）吊钩上升 按下启动按钮SB1，使辅助继电器M1接通，吊钩提升电机正转，吊钩上升，当碰撞到上限位开关SQ5后，吊钩上升停止。（2）行车前进 在吊钩上升停止的同时，辅助继电器M2接通，行车电机正转前进。,（3）吊钩下降 行车前进碰撞到右限位开关SQ1，行车前进停止，同时辅助继电器M3接通，吊钩电机反转，吊钩下降。（4）定时电镀 吊钩下降碰撞到下限位开关SQ6动作时，同时辅助继电器M4接通，使定时器T0定时280秒电镀。（5）吊钩上升 T0定时时间到，辅助继电器M5接通，吊钩电机正转，吊钩上升。（6）定时滴液 吊钩上升碰撞到上限位开关SQ5动作时，吊钩停止上升，同时辅助继电器M6接通，定时器T1定时28秒，工件滴液。,（7）行车后退 T1定时时间到，辅助继电器M7接通，行车电机反转，行车后退，转入下道镀液回收工序。后面各道工序的顺序动作过程，依此类推。最后行车退回到原位上方，吊钩下放到原位。若再次按下启动按钮SB1，则开始下一个工作循环。电镀生产线的自动工作状态流程图如图9-3所示。三、PLC的选型 根据图9-3的自动工作状态流程图，PLC控制系统的输入信号有14个，均为开关量。其中各种单操作按钮开关6个，行程开关6个，自动、点动选择开关2个（占两个输入接点）。,图9-3 电镀生产线自动工作状态流程图,PLC控制系统的输出信号有5个，其中2个用于驱动吊钩电机正反转接触器KM1、KM2，2个用于驱动行车电机正反转接触器KM3、KM4，1个用于原位指示。控制系统选用FX2N-32MR-001，I/O点数各为16点，可以满足控制要求，且留有一定裕量。四、I/O地址编号及接线图 将14个输入信号、5个输出信号按各自的功能类型分好，并与PLC的I/O点一一对应，编排地址。表9-1是外部I/O信号与PLC的I/O接点地址编号对照表。根据表9-1，可绘出I/O接线图如图9-4所示。,图9-4 I/O接线图,五、PLC程序设计 电镀生产线的PLC控制程序包括点动操作和自动操作两部分。整个PLC控制程序如图9-5。1点动操作 点动操作有行车的进、退操作，吊钩的升、降操作。点动操作程序如图9-5所示梯形图的起始处至标号P0之间的程序段。2自动控制 自动控制程序如图9-5所示梯形图中条件跳转指令CJ P1到P1程序段。,图9-5 电镀生产线PLC控制梯形图程序,第三节 可编程控制器在 化工过程控制中的应用,一、工艺过程及要求 某化学反应过程由四个容器组成，如图9-6所示。容器之间用泵连接，每个容器都装有检测容器空和满的传感器。#1、#2容器分别用泵P1、P2将碱和聚合物灌满，灌满后传感器发出信号，P1、P2泵关闭。#2容器开始加热，当温度升到60时，温度传感器发出信号，关断加热器。然后，泵P3、P4分别将#1、#2容器中的溶液输送到#3反应池中，同时搅拌器启动，搅拌60秒。一旦#3反应池满或#1、#2空，则泵P3、P4停，处于等待状态。当搅拌时间到，P5将混合液抽入#4产品池，直到#4产品池满或#3反应池空。产品用泵P6抽走，直到#4产品池空。这样就完成了一次循环，等待新的循环开始。,图9-6 化学反应过程示意图,二、控制流程 根据生产流程及工艺要求，可绘出状态流程图如图9-7所示。控制系统采用半自动工作方式，即系统每完成一次循环，自动停止在初始状态，等待再次启动信号，才开始下一次循环。图中L为激活脉冲，用于初始阶段的激活。三、机型选择 从图9-7控制系统状态流程图可知，输入信号有10个，均为开关量信号，其中启动按钮1个，检测元件9个。输出信号有8个，也都为开关量，其中7个用于电机控制，1个用于电加热控制。因此，控制系统选用FX2N-32MR可编程控制器即可满足控制要求。,图9-7 控制系统状态流程图,四、I/O地址编号 将输入、输出信号按各自的功能类型分好，并将状态流程图中的14个步序用辅助继电器一一对应，编排好地址。列出外部I/O信号与PLC的I/O口地址编号对照表，如表9-2所示。五、PLC梯形图程序设计 该化学反应过程控制程序可以通过逻辑法进行编写，也可以通过步进指令来编写STL。这里介绍逻辑法进行梯形图程序设计，作为程序设计方法的补充。,表9-2 外部信号与PLC的I/O口地址编号对照表,（一）列写逻辑方程 由控制系统的状态流程图看出，控制主要是由单流程和并联分支两种基本结构组成。通过状态流程图，可以写出14个步序的状态逻辑表达式。（1）第0步为初始步 第0步的激活条件是:PLC通电，M8002产生一个初始脉冲，激活程序处于开始运行状态或第13步P6泵将4#产品池抽空时,开始重新循环，即(M8002+M613X010）,第0步的关断条件是第1、3步使P1泵和P2泵开启，即M601和M603都为ON时，第0步才被关断。第0步逻辑表达式如下：M600=（M8002+M613X010+M600）（M601+M603）,(2)第1步到第12步，包含了两组并列序列（即第1步第5步，第6步第12步）。其逻辑表达式为：M601=（M600X000+M601）M602 按启动按 钮SB，P1泵开，直到#1容器满；M603=（M600X000+M603）M604 按启动按 钮SB，P2泵开，直到#2容器满；M602=（M601X001+M602）M605#1容器满 后，P1泵关闭；M604=（M603X003+M604）M605#2容器满 后，P2泵关闭；M605=（M602M604+M605）.（M606+M608+M610）#1、#2容器都满后，加热器开启；,M606=（M605X011+M606）M607 加温到 60，泵P3 开启，直到#3池满或#1容器空;M608=（M605X011+M608）M609 加温到60，泵P4开启，直到#3池满或#2容器空;M610=（M605X011+M610）M611 加温到60，搅拌机开启，直到60秒时间到;M607=M606X002+M606X005+M607）M612#3池满或#1容器空，P3泵关闭；M609=（M608X004+M608X005+M609）M612#3池满或#2容器空，P4泵关闭；M611=（M610T250+M611）M612 搅拌计时；M612=（M607M609M611+M612）M613 搅拌时间到，P5泵开启；,(3)第13步为单序列结构，它的激活条件是第12步P5泵使4#产品池注满或3#反应池抽空时开始，即（M612X007+M612X006）；第13步的关断条件是执行第0步时第13步结束，即M600为ON时结束。其逻辑表达为 M613=（M612X006+M612X007+M613）M600#4池满或#3池空，P5泵关，P6泵开。（4）执行电器的逻辑表达式Y000（P1泵）=M601；Y001（P2泵）=M603；Y002（P3泵）=M606；Y003（P4泵）=M608；Y004（P5泵）=M612;Y005（P6泵）=M613;Y006（加热器）=M605;Y007（搅拌机）=M610;定时器T250由M610控制,（二）控制系统的梯形图程序 化学反应过程控制系统的梯形图及有关注释如图9-8所示。梯形图的获得是直接通过逻辑表达式完成的。执行电器的控制梯形图可并接在步序线圈中，也可以分开绘制，当执行电器由多个步序线圈驱动时，必须分开绘制。,第四节 PLC在随动控制系统中的应用,在化工、冶金、轻工等行业中，有许多是当某参量的变化规律无法预先确定时间函数时，要求被控量能够以一定的精度跟随该参量变化的随动控制系统。随着PLC的指令系统和功能模块的不断完善，它在随动控制系统中的应用已越来越广，本节将以刨花板生产线的拌胶机系统为例，介绍PLC在随动控制系统中的应用。,一、工艺过程及控制要求 拌胶机工艺流程如图9-9所示。刨花由螺旋给料机供给，压力传感器检测刨花量。胶由胶泵抽给，用电磁流量计检测胶的流量；刨花和胶要按一定的比率送到拌胶机内搅拌，然后将混合料供给下一道热压机工序蒸压成型。要求控制系统控制刨花量和胶量恒定，并有一定的比例关系，即胶量随刨花量的变化而变化，精度要求3%。,二、控制方案 根据控制要求，刨花控制回路采用比例（P）控制，胶量控制回路采用比例积分（PI）控制，其控制原理框图如图9-10所示。随动选择开关SK用于随动/胶设定方式的转换。三、PLC的选择 拌料机控制系统输入信号有7个，其中用于启动、停车、随动选择的3个输入信号是开关量，而刨花给定、压力传感器信号、流量计信号4个输入信号是模拟量；输出信号有2个，一个用于驱动晶闸管调速器，另一个用于驱动螺旋给料机，均为模拟量信号。,根据I/O信号数量、类型以及控制要求，选择FX2-16MR主机，4通道模拟量输入模块FX2-4AD，2通道模拟量输出模块FX2-2DA。这样共有8个开关量输入点，8个开关量输出点，4个模拟量输入通道，2个模拟量输出通道，能够满足控制要求。PLC主机与外部模块连接如图9-11所示。四、I/O地址编号 将7个输入信号、2个输出信号按各自功能类型分好，并与PLC的I/O端一一对应，编排好地址，列出外部信号与PLC的I/O端地址编号对照表，如表9-3所示。,图9-11 PLC主机与外部模块连接图,表9-3 外部信号与PLC的I/O地址编号对照表,五、程序设计 根据控制原理图9-10，刨花量设定经FX2-4AD的CH1通道和压力传感器的刨花反馈信号经A/D转换后作差值运算，并取绝对值，然后乘比例系数Kp=2，由FX2-2DA的CH1通道输出;当SK转接到随动方式时，刨花的反馈量作胶的给定量，反之，由胶量单独给定。两种输入方式都是将给定量与反馈量作差值运算，通过PI调节，抑制输入波动，达到控制要求。拌胶机控制系统的梯形图程序设计及解释如图9-12所示。,图9-12 拌料机控制系统梯形图程序,