PLC1可编程序控制器的控制系统设计.ppt

第七章 可编程序控制器的控制系统设计,第一节 PLC控制系统设计的内容和步骤 第二节 PLC控制系统的硬件配置 第三节 PLC控制系统应用程序的设计第四节 PLC应用程序的基本环节及设计技巧第五节 减少PLC输入/输出点的方法第六节 PLC在工业控制中的应用,7-1 PLC控制系统设计的内容和步骤一、PLC控制系统设计的内容(1)分析控制对象，明确设计任务和要求。这是整个设计的依据。(2)选定PLC的型号以及所需要的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置。(3)编制PLC的输入/输出分配表和画出输入/输出端子接线图。(4)根据系统设计的要求编写程序规格要求说明书，然后进行程序设计。(5)设计操作台、电器柜，选择所需的电器元件。(6)编写设计说明书和操作使用说明书。,二、PLC控制系统的设计步骤PLC控制系统设计的一般步骤如图7-1所示。,三、PLC控制系统的类型 以PLC为主控制器的控制系统有以下4种控制类型。1.由PLC构成的单机控制系统 单机控制系统是由1台PLC控制1台设备或1条简易生产线。2.由PLC构成的集中控制系统 集中控制系统是由1台PLC控制多台设备或几条简易生产线。3.远程I/O控制系统 远程控制系统是集中控制系统的特殊情况，也是由1台PLC控制多个被控对象，但是却有部分I/O系统远离PLC主机。4.由PLC构成的分布式控制系统 分布式控制系统有多个被控对象，每个被控对象由1台具有通信功能的PLC控制，由上位机通过数据总线与多台PLC进行通信，各个PLC之间也有数据交换。,返回目录,7-2 PLC控制系统的硬件配置一、选择PLC机型二、开关量I0模块的选择三、模拟量I0模块的选择四、智能I0模块的选择,返回目录,7-2 PLC控制系统的硬件配置一、选择PLC机型 目前生产PLC的厂家有很多，比如有西门子、三菱、松下、欧姆龙等。所以在做系统配置时，第一步是确定机型。选型时的基本原则：在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，一般是从以下几个方面加以考虑：(一)IO点数的估算 选择IO点数的原则：使系统满足控制要求，还要使系统投资最低。一般在估计的总点数的基础上再加上2030的备用量。(二)用户存储器容量的估算 根据经验，每个IO点及有关功能元件占用的内存为：开关量输入元件：1020B点；开关量输出元件：510B点；定时器计数器：2B个：模拟量：100150B点；通信接口：一个接口一般需要300B以上：根据上面计算出来的总字节数，再考虑增加25左右的备用量，就可以估算出用户程序所需要的内存容量，从而选择合适的PLC内存。,(三)CPU功能与结构的选择 PLC都具有开关量逻辑运算、定时、计数、数据处理等基本功能，有些PLC还可扩展各种特殊功能模块，如通信模块、位置控制模块等，选型时CPU满足实际控制的需要就可以了。例如：对于小型的开关量控制的应用系统，选用小型PLC就能满足要求；对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，应选用带有AD转换的模拟量输入模块和带DA转换的模拟量输出模块，并且选择运算功能较强的小型PLC。对于工艺复杂,控制要求较高的系统,如需要PID调节、位置控制、快速控制、通信联网等功能的系统，可选用中、大型PLC,返回目录,二、开关量I0模块的选择 PLC与工业生产过程的联系是通过I/O模块来实现的。现场的输入信号通过输入模块与CPU相连，PLC的输出通过输出模块与生产现场相连.(一)、开关量输入模块的选择 将生产现场信号进行电平转换(TTL电平)。1.类型：按输入点数分：常用的有8点、12点、16点、32点等。按工作电压分：有直流5V、12V、24V、48V；交流110V、220V等。按外部接线方线可分为：汇点式输入、分隔式输入。汇点式输入：各输入回路有一个公共端，可以是全部输入点为一组共用一个公共端和一个电源，也可以将全部输入点分为几组，每组有一个公共端和单独的一个电源。可用于直流输入模块，也可用于交流输入模块。分隔式输入：每个输入点需要独立的电源。相对于电源来说，各个输入点之间是相互隔离的。用于交流输入模块。,2.选择开关量输入模块时主要考虑的因素 选择工作电压等级 选择模块密度 门槛电平 输入端漏电流的控制.(二)、开关量输出模块的选择作用：是将PLC的输出信号传递给外部负载，并将PLC内部的低电平信 号转换为外部所需电平的输出信号。1.类型：按照负载使用的电源不同：可分为 直流输出模块，交流输出模块和交直流输出模块。按输出形式的不同：晶体管输出方式，可控硅输出方式及继电器输出方式。2.选择开关量输出模块时主要考虑的因素 输出方式的选择 输出电流的选择:模块输出电流必须大于负载电流的额定值.,返回目录,三、模拟量I0模块的选择 1.选择模拟量输入模块时主要考虑的因素 模拟量值的输入范围:模拟量的输入可以是电压信号或电流信号,标淮值为05V、010V（单极性），-2.5V2.5V、-55V(双极性)、020mA、420mA等。在选用时一定要注意与现场过程检测信号范围相对应。模拟量输入模块的分辨率、精度、转换时间等参数指标应符合系统的要求。在应用中要注意抗干拢措施，比如：模拟量输入信号线要采用屏蔽措施；要采用一定的补偿措施，来减少环境变化对模拟量输入信号的影响。2.选择模拟量输出模块时主要考虑的因素 模拟量输出模块的输出类型有电压输出和电流输出两种，输出范围有010V、-1010V、020mA、420mA等。一般模拟量输出模块都有这些类型，在与负载连线时，一定要满足要求。,模拟量输出模块的的输出精度、分辨率、抗干拢措施等都要符合控制系统的要求。四、智能I0模块的选择 智能I0模块包括通信处理模块、调制解调器模块、高数计算器模块、带有PID调节的模拟量控制模块、中断控制模块、位置控制模块等。是为了满足特殊功能的需要。总结：对PLC的机型、开关量I/O模块、模拟量I/O模块以及智能模块I/O模块进行选择后，基本上就完成了PLC系统的硬件配置工作。接下来就是程序设计了。,返回目录,7-3 PLC控制系统应用程序的设计一、PLC控制系统应用程序设计的基本原则二、PLC控制系统应用程序设计的内容三、PLC控制系统应用程序设计的步骤四、应用程序设计的方法五、梯形图程序的编写规则六、应用程序设计过程中应注意的几个问题,一、PLC控制系统应用程序设计的基本原则 PLC控制系统应用程序设计是以系统要实现的工艺要求、硬件组成和操作方式等条件为依据来进行的。二、PLC控制系统应用程序设计的内容 应用程序设计是指根据系统硬件结构和工艺要求，使用相应编程语言，来编制实际应用程序以及形成相应的文件。包含：1.参数表的定义：参数表定义是指按一定格式对系统各接口参数进行规 定和整理，为编制程序做准备。2.程序框图的绘制：程序框图是指依据工艺流程而绘制的控制过程方框 图。3.程序的编制：程序的编制是程序设计最主要且最重要阶段，是控制功 能的具体实现过程。4.程序测试：程序测试是整个程序设计工作中一项很重要的内容，它可 以初步检查程序的实际效果。,三、PLC控制系统应用程序设计的步骤 1.程序框图设计 2.分配I/O编号 3.编写程序 4.程序调试 5.编写程序说明书,返回目录,四、应用程序设计的方法 第一个方法：经验设计法 设计者根据自已的经验来设计控制程序 要求：设计者有丰富的经验 缺点：不规范。第二个方法：顺序功能图法（一）、顺序功能图的涵义（二）、顺序功能图(状态转移图)(功能表图)的基本结构（三）、顺序功能图法,返回目录,（一）、顺序功能图的涵义 1 步（状态）的涵义 2 顺序功能图(又称为功能表图)（或流程图）(状态转移图)的涵义 3 步（状态）的划分 4 顺序功能图(功能表图)的组成要素 5 顺序功能图（功能表图)中转换的实现,返回目录,1 步（状态）的涵义:一个控制过程可以分为若干个阶段，每一阶段称为步（或状态）2 顺序功能图(又称为功能表图)（或流程图）(状态转移图)的涵义 它是表示控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。3 步（状态）的划分 步是根据PLC输出量的状态来划分的，状态不变的阶段称为步，只要系统的输出量状态发生变化，系统就从原来的步进入新的步.如下图所示,整个工作过程可以分为四步。在每一步内PLC的输出量状态保持不变。,返回目录,4 顺序功能图(功能表图)的组成要素 左图所示为功能表图的一般形式。它主要由步、转换、转换条件、有向连线和动作等要素组成。(1)、步步：步是根据系统输出状态的变化，将系统的工作过程分成若干个状态不变的阶段，这些阶段称为“步”,步在功能表图的表示,顺序功能图的一般形式,步在功能表图中用矩形方框表示。如，框内的数字是该步的编号。如图所示各步的编号为n-1、n、n+1。活动步:当系统正工作于某一步时，该步处于活动状态，称为“活动步”。初始步：控制过程刚开始阶段的活动步与系统初始状态相对应，称为“初始步”。在功能表图中初始步用双线框表示,如。每个功能表图至少应该有一个初始步。,(2).与步相关的动作（命令）动作：是指某步活动时，PLC向被控系统发出的命令，或被控系统应该执行的动作。动作在功能表图中的表示 动作在功能表图中用矩形方框表示，矩形框中的文字或符号表示动作的涵义,该矩形框与相应步的矩形框连接.如果某一步有几个动作，可以用下图中的两种画法来表示，但并不表示这些动作之间的任何顺序.当步处于活动状态时，相应的动作被执行,(3)、有向线段 步与步之间由有向线段连接。步的活动状态的进展是按有向连线规定的路线进行的。有向连线上没有箭头时，其进展方向是从上到下、从左到右。如果不是上述方向，应在有向线段上用箭头表示方向。,(4)、转换和转换条件 步的活动状态的进展是由转换来完成的。转换是由与有向连线垂直的短划线来表示。步与步之间不允许直接相连，必须有转换隔开，而转换与转换之间也同样不能直接相连，必须有步隔开。转换条件是与转换相关的逻辑命题。转换条件可以标注在短划线旁边。,返回目录,5 顺序功能图（功能表图)中转换的实现 步与步之间实现转换应同时具备两个条件：前级步必须是“活动步”；对应的转换条件成立。当同时具备以上两个条件时，才能实现步的转换。即后续步变为活动步，而前级步变为不活动步。例如图3-17中n步为活动步的情况下转换条件 c成立，则转换实现，即n+1步变为活动，而n步变为不活动。,返回目录,2.顺序功能图(状态转移图)(功能表图)的基本结构：有单序列结构、选择序列结构、并列序列结构、子步结构（1）.单序列结构 单序列结构是由一系列按顺序排列、依次激活的步组成。每一步的后面只有一个转换，每一个转换后面只有一步，如图3-17所示,（2).选择序列结构 是指某一步的后面有几个步，当满足不同的转换条件时，转向不同的步。分支：选择序列的开始称为分支。如图7-3a所示，当步5为活动步时，若满足条件e=1，则步5转向步6；合并：选择序列的结束称为合并。几个选择序列合并到同一个序列上，每一个分支也都有自已的转换条件，转换条件只能标在水平线之上。如图7-3b所示，当步7为活动步，且满足条件h=1，则步7转向步16。,（3）.并行序列结构 是指当转换实现后将同时使多个后续步激活。分支：并行序列的开始称为分支。水平连线用双线表示。它们被同时 激活后，每个序列中的活动步的进展是独立的。如图7-4a所示，当步11为活动步时，若满足条件b=1，步12、14、18同时变为活动步；步11变为不活动步。并行序列的分支只有一个转换条件，并标在水平双线之上。,合并：并行序列的结束称为合并。当所有前级步都为活动步时，且转换条件满足时，同时转换到 同一个步。如图7-4b所示，当步13、15、17都为活动步，若满足条件d=1，则步13、15、17同时变为不活动步，步18变为活动步。并行序列的合并只有一个转换条件，标在水平双线之下。,（4）子步（microstep）在顺序功能图中，某一步又可分为几个子步。如图7-5所示。图7-5a是以简略形式表示的步3；如图7-5b所示将步3细分为5个子步；详细表示了步3的具体细节。,返回目录,(三）、顺序功能图法 含义：根据系统的工艺流程设计顺序功能图(Sequential Function Chart)(SFC)，然后，再根据顺序功能图来设计控制程序。实现编程的方法：1 可以由顺序控制继电器(SCR)指令来编程、2 置位/复位(S/R)指令来编程、3 移位寄存器(SHRB)指令来编程。,返回目录,1 可以由顺序控制继电器(SCR)指令来编程(1)、顺序控制继电器(Sequential Control Relayt)(SCR)指令 顺序控制继电器指令有3条，由LSCR(程序段的开始)、SCRT(程序段的转换)、SCRE(程序段的结束)构成，其操作数为顺序控制继电器(S)。从LSCR开始到SCRE结束的所有指令组成一个SCR程序段,一个SCR程序段对应顺序功能图中的一个步.指令梯形图和指令表格式如下表所示,指令功能a.LSCR(装载顺序控制继电器指令)，标志一个顺序控制继电器程序段(SCR段)的开始。LSCR指令把s位的值装载到SCR堆栈，其值决定SCR段是否执行，值为l执行该SCR段；值为0不执行该段。b.SCRT(顺序控制继电器转换指令)，用于执行SCR段的转换。SCRT指令有两方面功能：第一：通过置位下一个要执行的SCR段的S位，使下一个SCR段开始 工 作；第二：复位当前工作的SCR段的S位，使该段停止工作。c.SCRE顺序控制继电器结束指令，使程序退出当前正在执行的 SCR段，表示一个SCR段的结束。每个SCR段必须由SCRE指令结束。,指令使用举例 控制红灯、绿灯、黄灯，要求：红灯先亮，2s后绿灯亮、再过3s后黄灯亮，待红灯、绿灯、黄灯全亮3min后，全部熄灭。程序如下：每一个SCR程序段中均包含三个要素：第一：输出对象：在这一步序中应完成的动作 第二：转换条件，满足转换条件后，实现SCR段的转换 第三：转换目标，转换到下一个步序,(2）、顺序控制继电器(SCR)指令编程。要点：第一.顺序控制继电器指令的SCR程序段对应顺序功能图中的步。第二.当顺序控制继电器S位的状态为“1”（例S0.1=1）时，对应的SCR段被激活，即顺序功能图对应的步被激活，成为活动步，否则是非活动步。第三.SCR段中执行程序所完成的动作（或命令）对应顺序功能图中该步相关的动作（或命令）。例：运料小车运行示意图如图7-6所示。,控制要求：系统起动后首先在原位进行装料。15s后装料停止，小车右行。右行至行程开关SQ2,右行停止，进行卸料。10s后，卸料停止，小车左行。左行至行程开关SQ1,左行停止，进行装料。如此循环一直进行下去，直至停止工作。步的划分：系统的工作过程可以分为四步：第一步装料，第二步右行，第三步卸料，第四步左行等。当满足某个条件时（如时间15s、碰到行程开关等），系统从当前步转入下一步，同时上一步的动作结束。,上述过程可以由顺序功能图来表示。运料小车控制系统的顺序功能图如图7-7所示,依据顺序功能图设计梯形图，首先对各输入、输出信号进行编址,列出输入、输出信号分配表，如表7-1所示。并画出PLC输入、输出端子接线图，如图7-8所示。最后设计梯形图。运料小车控制程序如图7-9所示。系统停止后，应使所有的输出线圈（S0.1S0.3，Q0.0Q0.3）复位，返回初始状态。,返回目录,2 置位、复位(S、R)指令编程 依据顺序功能图由置位、复位(R、S)指令来编制顺序控制程序。(1).顺序功能图如下：,(2).I/O分配表,(3).程序,返回目录,3移位寄存器（SHRB）指令编程 依据顺序功能图用移位寄存器（SHRB）指令编制顺序控制程序。现以四台电动机的顺序起动为例设计梯形图。起动的顺序为M1M2M3M4，顺序起动的时间间隔为2min，起动毕，进入正常运行，直至停车。(1)设计顺序功能图（见图7-13）,(2)然后依据顺序功能图设计梯形图。(3)四台电动机顺序起动的输入、输出信号分配表如表7-3所示。PLC的I/O接线如图7-14所示。四台电动机顺序起动的梯形图如图7-15所示。,由移位寄存器的各位分别控制各输出信号。移位寄存器的各位与顺序功能图的各步相对应。移位寄存器每2min移位一次,梯形图中，先设置移位寄存器的参数，且让其每2min移位一次。再用移位寄存器的各位分别控制各输出信号。移位寄存器的各位与顺序功能图的各步相对应。四台电动机顺序起动的顺序功能图中的命令是存储型命令，梯形图中各步活动状态的进展也与顺序功能图一致。,返回目录,五、梯形图程序的编写规则编写梯形图程序时应遵循下列规则：“输入继电器”的状态由外部输入设备的开关信号驱动，程序不能随意改变它。梯形图中同一编号的“继电器线圈”只能出现一次，通常不能重复使用，但是它的触点可以无限次地重复使用。所谓双线圈输出是指在一个程序中，同一编号的“继电器线圈”出现两次或两次以上。通常，在一个程序中不允许出现双线圈输出。但在下列情况下允许出现双线圈输出：a.置位和复位指令中，置位指令将某继电器置位，复位指令又可将该继电器复位。这时在程序中出现的双线圈是允许的，它们实际上是一个“继电器线圈”的两个输入端。b.在由顺序功能图法设计的控制程序中，只有在活动步中的命令或动作才被执行。因此在不同的步中，允许有相同编号的“继电器线圈”出现。因为这些“继电器线圈”只在某步成为活动步时才起作用。,几个串联支路相并联，应将触点多的支路安排在上面；几个并联回路的串联，应将并联支路多的安排在左面。按此规则编制的梯形图可以减少用户程序步数，缩短程序扫描时间，如图7-16所示。,程序的编写按照从左至右、由上至下顺序排列。一个梯形开始于左母线，终止于右母线，线圈与右母线直接相连（S7-200绘图时，将右母线省略）。a.桥式电路必须修改后才能画出梯形图，如图7-17所示。（不允许一个触点上有双向“电流”通过）b.非桥式复杂电路必须修改后才能画出梯形图。修改方法可按照前几条规则，举例如图7-18所示。,返回目录,六、应用程序设计过程中应注意的几个问题1.先编制I/O分配表，后设计梯形图。先对输入输出信号及内部线圈进行编号分配，注意输入信号是电器的常开触点还是常闭触点接入PLC的输入端子，然后再设计梯形图。2.合理排列梯形图，使输入、输出响应滞后现象不影响实际响应速度。由于PLC的工作方式是循环扫描的工作方式，因而语句的安排直接影响输入输出响应速度。,如下图所示,1.输入信号在第一个扫描周期的程序执行阶段接通,2.该输入信号到第二个扫描周期的输入采样阶段时被读入,存入输入映象寄存器I0.2,然后进入程序执行阶段.3.I0.2=1,Q0.0带电,Q0.0=1的状态存入输出映象寄存器Q0.0,M2.1=1,4.输出刷新阶段,将输出映象寄存器Q0.0=1的状态,转存到输出锁存器,由输出锁存器输出到输出端子Q0.05.到第三个扫描周期,M2.0才接通.6.将网络1和网络2的位置交换,M2.0在第二个扫描周期也有输出.,3.高速计数指令、高速脉冲输出指令尽量安排在整个用户程序的前部。4.在PLC输入端子接线图中，对于同一个发信元件通常只需要选它的常开触点或常闭触点接入输入端子。即对同一个发信元件它只能占一个输入地址编号5.合理接入输入信号的触点（常开或常闭触点），提高设备的可靠性、安全性，PLC实际I/O接线图中，某输入信号（如按钮）是接入电器的常开触点还是常闭触点应从设备的可靠性、安全性方面考虑。当输入端接线故障断线时,设备状态应朝安全的状态发展,因此,停止按钮应以常闭触点接入PLC输入接线端子,起动按钮应以常开触点接入PLC输入接线端子,6.从安全考虑,重大安全部分不接入PLC的输入端,而作硬件处理,例如:紧急停车按钮、互锁触点、紧急限位开关、热继电器控制触点等，可以将这些电器的触点接到PLC的输出端子上，直接对输出负载（KM1、KM2）进行控制。,7.输入信号的电平保持时间必须大于PLC的一个扫描周期。由于PLC的工作方式是循环扫描的方式，且是集中采样、程序执行、集中输出。8.PLC指令执行的条件有信号电平有效和跳变有效的区别，编程应加以注意。,返回目录,