第七章 PLC应用系统的设计.ppt

《第七章 PLC应用系统的设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 PLC应用系统的设计.ppt（99页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第7章 可编程控制器应用系统的设计,7.1 PLC应用系统的总体设计7.2 PLC应用系统的硬件设计与选型7.3 PLC应用系统的程序设计7.4 控制系统设计举例思考与练习题,第7章 可编程序控制器应用系统的设计,7.1 PLC应用系统的总体设计 由于工作方式与工业控制计算机不完全一样，因此用可编程控制器进行系统设计与用计算机进行系统的开发过程也不完全相同。在实际应用中，需要根据可编程控制器本身的特点进行系统设计。第一章讲过PLC系统的软件和硬件可以分开进行设计，这是可编程控制器的一大特点。随着近年来3C技术的突飞猛进，大中型PLC的功能不断加强，它们常应用于控制要求复杂、系统I/O点数较多或

2、对可靠性要求特别高，不宜采用继电器控制的工业场合。同时PLC处理模拟量的能力也得到增强，特别是在,网络通信、数据处理等方面非常突出。PLC已成为CIMS（计算机集成制造系统）和SCADA（监控和数据采集）系统的重要组成部分。一般来说，可编程控制器系统设计的总体原则是：最大限度地满足被控对象的控制要求，并在此前提下，力求使控制系统简单、经济，用户使用和维护方便，保证系统的安全性、可靠性，并使之具有一定的可扩展性。可编程控制器应用系统的设计步骤如P261页图7.1.1所示。,1.熟悉控制对象，确定控制范围 首先要全面详细的了解被控对象的特点和生产工艺流程，归纳出工作循环图或状态流程图。如果控制对象

3、是工业环境较差，对安全性、可靠性要求特别高，系统工艺流程较复杂、输入/输出点数多，使用常规继电器控制系统难以实现，或工艺流程要经常变动的机械或现场，用可编程控制器进行控制是非常合适不过的。对确定了的控制对象，还要明确控制任务和实际要求，要深入了解工艺流程，明确机械运动与电气执行元件之间的顺序关系，了解PLC是否需要通信联网，了解系统对电控系统的控制要求和需要显示哪些物理量及显示方式。,2.制订控制方案，选择可编程控制器机型 根据生产工艺和机械运动的控制要求，确定电控系统的工作方式，是手动、半自动还是全自动，是单机运行还是联网运行。通过研究工艺过程和机械运动的各个步骤和状态，确定各种控制信号和检

4、测反馈信号的相互转换关系，选择系统的外部电气元件，如系统输入元件：包括按钮、传感器、变送器、接近开关、限位开关等；输出元件：包括电动阀、接触器、指示灯等设备，具体的选择方法可参阅电气类有关的资料。还要确定哪些信号需要输入PLC，哪些信号要PLC输出或者哪些负载,要由PLC驱动，分门别类地统计出各输入/输出量的性质及参数，即它们是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小等级等，然后根据所得结果，选择合适的PLC型号和功能模块，并确定框架或基板的型号，选择所需模块的种类、型号及数量。3.系统硬件设计和软件编程 PLC选型和I/O点配置是硬件设计的重要内容。根据被控对象的特点，以及PLC

5、的I/O类型和数量，合理地对PLC的输入、,输出的地址进行编号。同时，设计出现规范的PLC外部接线图也是一个重要部分，这对PLC系统的硬件设计、软件编程和系统调整带来诸多方便。输入、输出地址编号确定后，硬件设计和软件工作可平行进行。有些系统还要设计必要的控制柜、显示盘等，有些系统还要进行部分外围电路设计工作，这些都属于硬件设计方面的内容。而软件设计即用户程序的编写一般包括画出梯形图，写出语句指令表或用计算机辅助软件编写程序等。在程序设计和模拟调试时，可平行地进行电控系统其他部分的设计。,4.模拟调试 将设计好的程序键入PLC后应仔细检查与验证，改正程序设计的语法错误。然后在实验室里进行用户程序

6、的模拟运行和调试，即在离线的方式下运行所编制的程序，观察各输入量、输出量之间的变化关系，检查逻辑状态是否符合设计要求。若条件许可，可带模拟的负载做些必要的试验，例如用电流或电压信号代替压力变化，观察系统的运行状态是否正常，是否符合设计要求。5.现场运行调试 将模拟调试好的程序传送现场使用的PLC存储器中，接入PLC的输入接线和负载。进行现场调试的前提是PLC的外部接线,一定是准确无误的。经过调试、修改后，如程序能达到用户控制设计要求指标，可将程序用写入器固化在EPROM中。6.编制系统的技术文件 在系统交付用户使用后，有时还要进行必要的技术培训，并为用户整理出完整的技术文件，如PLC控制系统的

7、说明书、外部接线图、其他电气图纸及元件明细表等，以利于日后系统的维护和改进。最后，再强调一下PLC控制应用系统的设计内容中还包括的几个方面：,（1）可靠性设计 它是整体设计的重要组成部分，其中包括系统硬件和软件可靠性设计。系统任何部分的故障都会使系统不能正常运行，因此在系统设计时必须遵循可靠性分配原则。冗余设计、系统安装的工作环境设计等就属于可靠性设计的内容，其中冗余设计常采用热后备或冷后备方式。对PLC来说，冗余系统的范围主要包括CPU、存储单元、电源系统和通信单元等，系统工作环境要能够满足温度、湿度、振动和冲击等条件的要求。（2）安全性设计 主要指系统在紧急异常状况下能处于安全状态。因此在

8、,系统设计过程中要求系统具有及时处理事故或故障的功能，可在主要设备和回路中设置紧急停车按钮或事故按钮，或者设计安全回路。这里所指的安全回路可由非半导体的机电元件以硬接线的方式构成，它能够独立与PLC工作，并起到保护现场工作人员和设备的作用。设计任何控制系统时，安全性是头等大事，这一点希望能引起每个工程设计者足够的重视。（3）标准化设计 在系统硬件和软件设计中，选用符合国际标准的元件和应用软件系统将有利于控制系统的日常维护及系统将来的升级、规模的扩展等，可以减少不必要的冲突，增强系统的兼容性。,7.2 PLC应用系统的硬件设计与选型 在PLC的工业设计中，硬件选型是十分重要的工作，工艺流程的特点

9、和用户应用的要求是设计选型的主要依据。由于PLC产品的种类和数量繁多，其结构形式、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，国内外近千种PLC的性能指标、适用场合也各有侧重，因此合理地选择PLC，使其具备较高的性能价格比显得非常重要。PLC的选型和硬件设计应从以下的七个方面加以考虑。,1.控制结构和方式的选择 由PLC构成控制系统有以下几种方式：（1）单机控制系统 单机控制系统是指用一台PLC控制一台设备或多台设备，控制的输入/输出点数比较少，属于一种小系统。有的文献称之为集中控制系统。该系统一般多用于各控制对象所处地理位置较集中，且相互之间的动作存在一定的顺序关系的情况下，适用于简单的流水线

10、控制。,（2）远程I/O系统 远程I/O系统是指当各控制对象地理位置比较分散，输入/输出线要引入控制器时，可采用I/O模块组成的远程I/O系统。远程I/O系统主单元通过I/O通道号可正确地操作远程I/O点，输入/输出通道分配在现场的几个区域内，适合于被控对象远离中控室的工业现场。（3）分布式控制系统 分布式控制系统是指采用几台PLC分别独立控制某些设备，各PLC之间、PLC与上位机之间通过数据通信线相连组成的,系统，也叫分散型控制系统。这种系统多用于多台生产线的控制，并且控制某设备的PLC如果停运的话，不影响其他设备，适合于控制规模较大的工业现场。实际应用时不可能只选取一种结构，而是要结合控制

11、的难易程度、被控设备的特点、系统的经济性和可靠性等因素，全盘考虑。2.PLC机型的选择 PLC选型的基本原则是所选PLC能够满足控制系统的功能需要。一般从系统控制功能、PLC物理结构、指令和编程方式、,PLC存储量和响应时间、通信联网功能等几个方面综合考虑。下面分别进行论述。从应用角度来看，PLC可按控制功能或输入/输出点数分类。对于简单控制系统，即仅需要开关量控制的设备，一般的小型PLC所具有的简单运算、定时、计数等功能就可以满足要求。如果还含有少量的模拟量控制，具有算术运算、A/D和D/A转换、BCD码处理等功能的系统，那么增强型小型PLC便可胜任。而对于复杂控制系统，如生产线控制，因它含

12、有较多的开关量，模拟量的控制要求也较高，所以可考虑选择大中型PLC。假若控制点多又分散，要求具有较快的响应速度和数据处理、分析,决策等功能，就必须选用具备联网通信功能的PLC网络系统，组成集散型或多级分布式的工业控制网络系统。从PLC的物理结构来看，PLC分为模块式和整体式。整体式PLC具有固定的输入/输出点数，结构简单，价格较低，但系统灵活性和扩展能力较差。模块式可进行灵活的输入和输出配置，I/O模块的种类和数量选择余地较大，应用场合广泛，系统的安装和扩展容易，系统维修更换模块及判断故障范围都很方便，但价格偏高。根据生产应用的要求，对输入/输出点数少的可选用整体式结构，输入/输出点数较多，控

13、制性能要求高的可选择模块式结构。需要提醒的是同一企业或系统应尽量使用统一机型或同一生产厂家的PLC，这样可减少备件的数量，PLC,的外部设备和工具软件（如编程器、EPROM写入器等）还可以共享，以降低成本。PLC的指令系统一般包括逻辑指令、运算指令、控制指令、数据处理和其他特殊指令，这些指令能完成诸如开平方、对数运算、网络通信等功能。用户可从便于控制系统编程的角度来加以选择，只要能满足实际需要就可以了，避免大材小用。PLC的编程有两种方式：在线和离线编程。采用离线编程可降低成本，对大多数应用系统来说都可以满足生产需要，因而较多的中小型PLC都使用这种方法。在线编程所需成本较高，但使用方便，大型

14、PLC中常采用。,目前PLC联网已成为一种发展趋势，也成为CIMS、（计算机集成制造系统）SCADA（监控和数据采集）系统的基础。除小型PLC外，大中型PLC都具有联网通信的接口功能。如果用户要求使用PLC网络系统，建议选择符合Internet的TCP/IP协议标准的产品。网络传输介质可根据实际组网的需要进行选择。有关PLC网络通信系统可参阅本书相关章节的内容。3.I/O点数的估算 准确统计出被控设备对输入/输出点数的总需要量是PLC选型的基础。通常输入/输出点数是衡量PLC规模大小的主要技术指标，同时也是影响PLC价格的主要因素之一。把各输入/输出,设备和被控设备详细地列出，然后再跟据常用电

15、气元件所需PLC的I/O点数（如表7.2.1所示）统计出实际I/O总点数。在此基础上还要留出1015的备用量，便于以后调整和扩充。如果采用主机模块与输入/输出模块、功能模块组合使用的方法，I/O模块按点数分为8、16、32、64点不等，可根据用户的需要选择，灵活使用。,表7.2.1 常用电气元件所需PLC的I/O点数,4.输入/输出模块的选择 输入模块将现场设备（如按钮开关）的信号进行检测并转换成PLC机内部的电平信号，它按电压分为交流式和直流式，按电路形式分为汇点输入式和分隔输入式。选择输入模块时应考虑：输入信号电压的大小，信号传输的距离长短，是否需要隔离及采用何种方式隔离，内部供电还是外部

16、供电等问题。输出模块把PLC内部信号转换为外部过程的控制信号，以驱动外部负载。输入/输出模块是可编程控制器与被控对象之间的接口，按照输入/输出信号的性质一般可分为开关量（或数字量）和,模拟量模块。开关量模块包括输入模块和输出模块，有交流、直流和TTL电平三种类型。开关量输入模块按输入点数分为4、8、16、32、64等，按电压等级分为直流24V、48V、60V和交流110V、230V等。模块密度要根据实际需要来选择，一般以每块1664点为好。如果是长距离传输通信，开关量输入模块的门坎电平也是不容忽视的一个因素。直流开关量输入模块的延迟时间较短，可直接与接近开关、光电开关等电子装置相连。开关量输出

17、模块按输出点数分有16、32、64点，按输出方式分有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出。选择,的输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。对于频繁通断、低功率因数的感性负载，应采用无触点开关器件，即选用晶闸管输出（交流输出）或晶体管输出（直流输出），这样做的缺点是价格较高。继电器输出属于有触点器件，其优点是适应电压的范围宽，价格便宜，但存在寿命短、响应速度较慢的缺点。注意：对于输入输出模块可同时接通的接点不要超过它总数的60。输出功率和负载同样是要注意的细节问题。模拟量模块也包括输入模块和输出模块。模拟量输入模块把来自于传感器或变送器的电压、压力、流量、位移等电量或非电量转变为一定范围内的电压

18、或电流信号，所以它分为电压型和电流型。电流型又分为020mA、420mA两种，,电压型分为15V、-10+10V、05V等多种型号。通道有2、4、8、16个。在选用时应注意外部物理量的输入范围，模拟通道循环扫描的时间和信号的连接方式。一般来说，电流型的抗干扰能力优于电压型。模拟量输出模块能输出被控设备所需的电压或电流，它的电压型和电流型的型号与模拟量输入模块的大体相似，选用输出模块驱动执行机构时，中间有可能要增加必要的转换装置，同时还要注意信号的统一性和阻抗的匹配性。当前PLC生产厂商相继推出了一些智能式输入/输出模块，如高速计数器、PID闭环控制模块等，由于它们本身含有处理器，因此可提高PL

19、C的处理速度，节约存储器容量。用户可结合实际应用进行选择使用。,5.估算系统对PLC响应时间的要求 响应时间包括输入滤波时间、输出滤波时间和扫描周期。PLC的程序扫描工作方式决定了它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。为此，需要选取扫描速度高的PLC来提高对输入信号的接收准确性。扫描速度是用执行指令所需要的时间来估算的，单位是ms/k字。大多数机器的性能指标中都给出了扫描速度的具体数值。对于慢速大系统，如大型料场、码头、高炉、轧钢厂的主令控制等可选用多台中小型PLC或低速网络进行控制；对于快速实时控制，如高速线材、中低速热连轧等速度控制可,选择运行速度快的CPU、功能强的大型PLC或

20、高速网络来满足信息快速交换的要求。需要引起注意的是，一定要保证最长的扫描周期要小于系统电气状态改变的时间，这样才能使系统正常工作。6.对程序存储器容量的估算 PLC的程序存储器容量通常以字或步为单位。用户程序所需存储器容量可以预先估算。一般情况下用户程序所需存储的字数可按照如下经验公式来计算:开关量输入输出系统,输入：用户程序所需存储的字数输入点总数10 输出：用户程序所需存储的字数输出点总数8 模拟量输入输出系统：每一路模拟量信号大约需要120字的存储容量，当模拟输入和模拟输出同时存在时，应有 所需内存字数模拟量路数250 定时器和计数器系统：所需内存字数定时器/计数器数量2 含有通信接口的

21、系统（多指PLC网络系统）：,所需存储字数通信接口个数300 另外，根据系统控制要求的难易程度也可采用另一种方法进行估算，采用的计算公式如下：程序容量K总输入/输出点数 对于简单控制系统来说，K=6；若为普通系统，则K=8;若为较复杂系统，则K=10；若为复杂系统，则K=12。7.可编程控制器的电源选择 电源是PLC干扰引入的主要途径之一，因此选择优质电源无疑有助于提高PLC控制系统的可靠性。一般可选用畸变较小,的稳压器或带有隔离变压器的电源。使用直流电源要选用桥式全波整流电源。对于供电不正常或电压波动较大的情况，可考虑采用不间断电源（UPS）或稳压电源供电。对于输入触点的供电可使用PLC本身

22、提供的电源，如果负载电流过大，可采用外设电源供电。输出电流是电源的一个关键因素，应特别注意。,7.3 PLC应用系统的程序设计7.3.1 可编程控制器应用程序设计语言 可编程控制器应用程序是指用户根据各自的控制要求所编写的各种实用程序，尽管这些实用程序各不相同，但它们的编程语言限于以下几种：梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它们通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如代替继电器、计数器、定时器完成顺序控制和,逻辑控制等。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它们可根据

23、需要去执行更有效的操作，例如模拟量的控制、数据的运算、报表的打印和采用其他程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，而且在集散控制系统的编程和组态中也常常被采用。由于功能模块图语言具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，所以为广大工程设计的应用人员所喜爱。国际电工委员会（IEC）的SC65B WG7工作组为可编程控制器制定了相应的国际标准IEC1131，它包括五部分，,其中IEC1131-3对PLC所用的上述5种程序设计语言作了相应描述和规定。1.梯形图（Ladder Diagram）程序设计

24、语言 梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果，每个梯级是一个因果关系，梯级中描述事件发生的条件表示在左面，事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于继电器逻辑控制系统常用的接触器、继电器的梯形图，与电气操作原理图相呼应。由于在工业过程控制领域中，电气,技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉，因此这种梯形图语言受到了普遍的欢迎，并得到了广泛的应用。具体的编程规则可参见本书的第4章，这里不再重复。梯形图程序设计语言的特点是：（1）与电气操作原理图相对应，直观、形象和实用；（2）与

25、原有继电器逻辑控制技术相一致，电气技术人员易于掌握和学习；（3）梯形图中的能流（Power Flow）不是实际意义的物理电流，而是“概念”电流；内部的继电器也不是实际,存在的继电器，每个继电器和输入接点都是存储器中的一位，因此梯形图中的继电器接点在编制用户程序时能无限使用，可常开又可常闭；（4）梯形图中的输入接点和输出线圈不是物理接点和线圈，用户程序的解算是根据PLC内部I/O映像区相应位的状态得到的，并不是解算现场的实际状态。用户程序的逻辑解算结果可马上为后面的程序所利用。梯形图程序设计方法适用于简单控制系统的梯形图设计，无法清楚地描述较复杂的控制系统。这种方法要求设计人员对典型控制电路相当

26、熟悉，有较丰富的电器控制设计经验，,且设计过程中往往要经过多次反复修改、调试，具有很大的试探性和随意性，最终设计出的梯形图也不一定是最佳方案。2.布尔助记符（Boolean Mnemonic）程序设计语言 布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言，与计算机中的汇编语言非常相似。所谓助记符语言编程就是用一个或几个容易记忆的字符代表PLC的某种操作功能。助记符语言也可称为命令语句表达式语言，它的一般格式为：（1）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于掌握的特点；,（2）在编程器的键盘上采用助记符表示，便于键入，可在无计算机的场合下进行编程设计；（3）与梯形图有一一对应

27、的关系，电气技术人员对程序易于理解和检查；（4）在编程支路的元素数量不受限额。这种方法也存在对较复杂控制系统设计较难描述清楚的缺点。3.功能表图（Sequential Function Chart）程序设计语言功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种图形,程序设计语言，它是近年来由欧洲发展起来的一种程序设计语言，又叫做顺序功能图或状态转移图程序设计语言。在1994年5月公布的IEC1131中，顺序功能图（SFC）被确定为PLC位居首位的编程语言。近几年推出的可编程序控制器和小型集散控制系统中已提供了采用功能表图描述语言进行编程的软件。功能表图主要由步、有向连线、转移、转换条件和动作（或

28、命令）组成。最基本的思想是：将控制系统的一个工作周期分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为步；实际上步就是工位的某一个状态，它由PLC的内部元件来代表。步,是以输出量的状态变化来划分的，一般用矩形框来表示，框中的数字是该状态的编号，原始状态（“0”状态）用双线框表示。两个相邻状态之间的有向线段代表转移，系统从当前步进入下一步的信号称为转移条件，用与转移线段垂直的短线表示。短线旁的文字、图形符号或逻辑表达式标明转移条件的内容。转移条件可能来自外部输入信号或PLC内部产生的信号。用转移条件控制代表各步的编程元件，使它们的状态按一定的顺序变化，然后去控制各输出继电器。动作或命令就是状态框旁与之对应的

29、各步内容的文字描述，可用矩形框将它们围起来，以短线连接到状态框。,采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统。这种描述从功能入手，使系统的操作具有明确的含义，便于程序的分工设计和检查调试。功能表图程序设计语言的特点是：（1）以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；（2）以大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时间；（3）两个步（或转移）不能直接相连，必须用一个,转移（或步）将它们隔离；（4）初始步必不可少，一般对应于系统等待启动的初始状态；（5）仅当某一步所有的前级步都是活动步时，该步才有可能变成活动步，只有在活动步的命令和操作被执行后，系统才

30、对活动步后的转移进行扫描，因此，整个程序的扫描时间较用其他语言编制的程序的扫描时间要大大缩短。4.功能模块图（Function Blook）程序设计语言功能模块图程序设计语言是采用功能模块来代表模块所具有,的功能，不同的功能模块功能各异。功能模块有若干个输入端和输出端，通过软连接的方式，分别连接到所需的其他端子上，满足用户的控制运算或控制功能。系统功能模块可以分为不同的类型，即使在同一种类型中，也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别。由于功能模块之间及功能模块与外部端子之间采用软连接的方式连接，因此控制方案的更改、信号连接的替换等操作可以很容易地实现，所以这种程序设计语言适合于控制参

31、数经常改变的应用系统。功能模块图程序设计语言的特点是：（1）以功能模块为单位，功能模块用图形化的方法描述,功能，它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态，有较好的易操作性；（2）适用于控制规模较大、控制关系较复杂的系统，它将控制功能的关系较清楚地表达出来，因此编程和组态时间可以缩短，调试时间也能大大减少；（3）由于每种功能模块需要占用一定的内存，功能模块的执行需要一定的执行时间，因此这种设计语言在大中型可编程序控制器和集散控制系统的编程和组态中才被采用。,5.结构化语句描述（Structured Text）结构化语句描述程序设计语言是用结构化的描述语句来描述的一种程序设计语言，它是一种类似于高

32、级语言的程序设计语言。在大中型的可编程序控制器系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。集散控制系统的编程和组态也常使用这种语言。结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的运算关系，完成用户所需的功能和操作。大多数PLC制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、C语言等高级语言相类似。为了应用方便，,语句描述程序设计语言在语句的表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。结构化程序设计语言具有下列特点：（1）采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算；（2）常被用于其他语言（如功能模块图等）较难以实现的一些控制功能的方案实施

33、，例如自适应控制功能的实现。该方法也存在对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法完成，直观性和易操作性较差等缺点。,7.3.2 可编程序控制器的应用程序设计方法 可编程序控制器的应用程序往往是一些典型的控制环节和基本的电路的组合，编程人员可以依靠经验来选择合适的语言，直接设计用户程序，以满足生产过程的控制要求。PLC用户程序的设计方法没有固定的模式，一般常采用经验设计法、逻辑设计法、状态流程图法、计算机辅助编程设计法等。1.经验设计法 利用各种典型控制环节和基本单元控制电路，依靠经验直接用PLC设计电气控制系统，来满足生产机械和工艺过程的,控制要求的设计方法称为经验设计法。使用该法设计用户程

34、序时可以大致按下面几步来进行：分析控制要求、选择控制原则；设计主令元件和检测元件，确定输入/输出信号；设计执行元件的控制程序；检查、修改和完善程序。在设计执行元件的控制程序时，一般又可分为以下几个步骤：按所给的要求将生产机械的运动分成各自独立的简单运动，分别设计这些简单运动的基本控制程序；根据制约关系，选择连锁触点，设计连锁程序；根据运动状态选择控制原则，设计主令元件、监测元件及继电器等；设置必要的保护措施。经验设计法多用于梯形图程序设计，而且是比较简单的,控制系统设计，它要求设计人员具有一定的实践经验，熟悉工业现场中常用的典型控制环节，所以这种方法不适合于初学设计的人员。看下面的例题。【例1

35、】如图7.3.1所示，有一送料车自动循环送料。小车处于起始位置时，CK0闭合；系统启动后，小车在起始位置装料，20s后向右运动，到CK1位置时，CK1闭合；小车下料后再返回起始位置，再用20s的时间装料，其后向右运动到CK2位置，此时CK2闭合；小车下料后返回起始位置。以后重复上述过程，直至有复位信号输入。,小车的工作循环过程如下：启动 装料 第一次向右运动 第一次返回 第二次装料第二次向右运动 第二次返回 根据小车的工作循环过程可以画出CK0、CK1、CK2,及定时器的时间关系图。因为小车在第一次到达CK1时改变运动方向，而第二次和第三次到达CK1时不改变运动方向。定时器用来记录装料时间。由

36、经验设计法可知小车控制属于一种双向控制，非常适合采用PLC控制。其PLC控制的I/O分配如图7.3.1所示。,表7.3.1 送料小车控制系统I/O分配表,程序梯形图见图7.3.2，其说明如下：中间辅助继电器20000作为系统工作允许继电器，启动信号00009使20000置“ON”，复位信号00010使之置“OFF”。只有当20000为“ON”时，小车才能循环工作，当20000为“OFF”时，小车回到起始位置后停止工作。小车位于CK0时，开始定时装料，20秒后定时器接通，小车右行即01000得电。当小车离开CK0时，定时器TIM000复位，但01000的自锁功能使之仍得电，小车仍右行。小车行至C

37、K1时，计数器减一，由于CK1的常闭触点断开，使01000失电，小车停止右行。,小车停止右行使中间继电器20001失电产生一个脉冲，使01002得电即小车左行。01002的自锁功能使得小车左行直至达到CK0位置。定时器重新定时，小车第二次装料，之后小车右行，均与第一次相同。但是当小车行至CK1时，计数器减一至零，使CNT001的常开触点接通，所以此时小车继续右行直至达到CK2位置，CK2的常闭触点断开，01000失电，小车停止右行，再次改变为左行。左行过程中经过CK1位置时使计数器复位，为下一次循环作准备。小车左行至CK0位置停止，等待下一次循环。,2.逻辑设计法 逻辑设计方法的基本含义是以逻

38、辑组合的方法和形式设计电气控制系统。这种设计方法既有严密可循的规律性和明确可行的设计步骤，又具有简便、直观和十分规范的特点。布尔助记符程序设计语言常采用这类设计方法。PLC的早期应用就是替代继电器控制系统，因此用“0”、“1”两种取值的逻辑代数作为研究PLC应用程序的工具就是顺理成章的事了。从某种意义上说，PLC是“与”、“或”、“非”三种逻辑电路的组合体，而梯形图程序的基本形式也是“与”、“或”、“非”的逻辑组合。当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表示出来后，实现该逻辑函数功能的线路也随之确定，并进一步由梯形图直接写出对应的指令语句程序。用逻辑设计法对PLC组成的电控系统进行设,计一般可分

39、为下面几步：明确控制任务和控制要求 首先要明确控制任务和控制要求，通过分析工艺过程，绘制工作循环和检测元件分布图，取得电气执行元件功能表。绘制电控系统状态转换表 详细地绘制电控系统状态转换表（通常由输出信号状态表、输入信号状态表、状态转换主令表和中间记忆装置状态表四部分组成），状态转换表可全面、完整地展示电控系统各部分、各时刻的状态和状态之间的联系及转换，它是进行电控系统的分析和设计的有效工具。,进行逻辑设计 列出中间记忆元件的逻辑函数表达式和执行元件的逻辑函数表达式，这两个函数表达式，既是生产机械或生产过程内部逻辑关系和变化规律的表达形式，又是构成电控系统实现目标的具体程序。如果设计者需要使

40、用梯形图程序作为一种过渡，或者选用的PLC编程器也具有图形输入的功能，则也可以首先由逻辑函数式转换为梯形图程序。完善和补充程序 包括手动调整工作方式的设计、手动工作方式的选择、自动工作循环、保护措施等。逻辑设计法的缺点是设计难度较大，不易掌握。,3.状态流程图设计方法 状态流程图又叫SFC或状态转移图，它是完整的描述控制系统的工作过程、功能和特性的一种图形，是分析和设计电控程序的重要工具。所谓“状态”是指特定的功能，因此状态的转移实际就是控制系统的功能的转移。SFC适合于顺序控制的标准化语言，利用状态流程图进行程序设计就是顺序控制设计法，它具有简单、规范、通用的优点，不仅使梯形图设计变得容易，

41、大大节约设计时间，而且初学者容易掌握，有一定的方法和步骤可遵循。状态流程图能清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件。,1）状态流程图的组成 状态流程图由步、有向连线、转换条件和动作内容说明等组成。用矩形框表示各步，框内用数字表示该步的编号。编号可以是实际的控制步序号，还可以是PLC中的工作编号。对应于系统的初始状态工作步，称为初始步。该步是系统运行的起点，一个系统至少需要有一个初始步。初始步用双线矩形框表示，流程图如图7.3.3所示，其中步1就是初始步。每步的动作内容放在该步旁边的框中，步与步之间用有向线段相连，箭头表示步的转换方向（简单的功能表图可不画箭头），步与步

42、之间的短横线旁标注转换条件，可以用文字、图形符号或逻辑表达式来描述。正在,执行的步叫活动步，当前步为活动步且转换条件满足时，将启动下一步并终止前一步的执行。步并不是PLC的输出触点的动作，步只是控制系统中的一个稳定的状态。对于一个步，可以有一个或几个动作，表示的方法是在步的右侧加一个或几个矩形框，并在框中加文字对动作进行说明。,2）状态流程图的类型 状态流程图从结构上来分，可分为以下几种：单序列结构 这种结构的功能表图没有分支，每个步后只有一个步，步与步之间只有一个转换条件。选择性序列结构 图7.3.4是选择性序列结构的状态流程图。选择性序列结构中有分支，如图7.3.4中的步1之后有三个分支（

43、或更多），各选择分支不能同时执行：当步1为活动步且条件a满,足时则转向步2；当步1为活动步且条件b满足时则转向步3；当步1为活动步且条件c满足时则转向步4。无论步1转向哪个分支，当其后续步成为活动步时，步1自动变为不活动步。当已选择了转向某一个分支，则不允许另外几个分支的首步成为活动步，所以应该使各选择分支之间连锁。选择性序列结构的结束称为合并，如图7.3.4中，不论哪个分支的最后一步成为活动步，当转换满足时都要转向步5。,并发性序列结构 图7.3.5是并发性序列结构的状态流程图。并发性序列,结构中也有分支，为了区别于选择性序列结构的状态流程图，一般用双线来表示并发性序列结构中分支的开始，转换

44、条件放在双线之上。如图7.3.5中的步1之后有三个并行分支（或更多），当步1为活动步且条件a满足时，则步2、3、4同时被激活变为活动步，而步1则变为不活动步。图中步2和步5、步3和步6、步4和步7是三个并行的单序列。并发性序列结构的结束称为合并，也用双线表示，转换条件放在双线之下。图7.3.5中，当各并行分支的最后一步即步5、6、7都为活动步且条件e满足时，将同时转换到步8，且步5、6、7同时都变为不活动步。,循环性结构 循环性结构用于一个顺序过程的多次反复执行。复合性结构 符合性结构就是一个集以上各结构于一体的结构。其结构较为复杂，必须仔细分析才能正确描述。状态流程图编程的步骤分为以下几步：

45、把整个系统的工作过程划分阶段 把整个系统的工作过程划分为若干个清晰的阶段，每个,阶段（称为步）完成一定任务的操作；确定各步之间的转换条件 确定各步之间的转换条件，它是系统由前一步转入下一步的基础，经常以PLC输入点或其他元件定义状态转换条件，当转换条件的实际内容不止一个时，每个具体内容定义一个PLC元件编号，并以逻辑组合的形式表现为有效转换条件；画出系统的状态流程图 根据前两步画出系统的状态流程图。有了状态流程图，,利用不同的指令就能设计出相应的梯形图，支持顺序控制指令的执行；写出程序清单 写出程序清单，完成PLC控制系统应用程序的设计。下面我们通过一个例子来熟悉一下状态流程图的设计步骤。【例

46、2】某台自动清洗机，该机的动作如下：按下启动按钮时，打开喷淋阀门，同时清洗机开始移动；当检测到物体到达清洗机时，启动旋转刷子开始清洗汽车；当,检测到物体离开清洗机时，停止清洗机移动，停止刷子旋转并关闭阀门；当按下停止开关时，任何时候都可以停止所有的动作。根据题意，作出系统I/O分配表如表7.3.2所示，画出SFC图如图7.3.6所示，梯形图如图7.3.7所示。,表7.3.2 自动清洗机的I/O分配表,4.计算机辅助编程设计法 近年来由于计算机技术的飞速发展，使得PLC在微机辅助编程方面取得了巨大进步。计算机辅助编程可以把梯形图直接译成指令形式，可进行在线编程、远程编程，也可离线编程，有些还具备

47、网络监控等更强大的功能，优势明显，因此计算机辅助编程设计法代表着可编程序控制器的应用程序设计方法今后的发展方向。,目前各大PLC生产厂商都很重视这方面的开发，都有性能各异的计算机辅助编程应用软件推出，如SIMENS的STEP7、WinCC等，三菱公司的FX-PCS/AT-EE SFC、FX MING等，OMRON公司的CX-Programmer、CPT等，有关OMRON公司这方面的应用在本书第五章中有较详细的介绍。,7.4 控制系统设计举例 本节以下面两个例题来说明PLC控制系统的设计过程。7.4.1 植物灌溉的PLC控制系统 根据不同植物生长的特点和要求，对灌溉系统提出以下控制功能要求：A区

48、有两小块采用喷雾，每喷2分钟，停5分钟，工作时间要求每天7点开始，17点停止；B区采用旋转式喷头进行喷灌，分为两组喷灌工作，每组每工作5分钟，停20分钟，每天9点开始，14点停止；C区也分为两组，交替工作，每个两天灌溉一天。考虑到系统的可靠性和经济性，要求系统有手动,和自动控制功能。如果遇到阴雨天会自动停止对沙床苗圃和盆栽花卉的灌溉。温室滴灌不仅要受时间控制，而且要求具有温度、湿度测控功能，即温度、湿度达到某一控制点就报警并改变程序的运行方式。系统在自动（或手动）工作方式时，能自动（或手动）控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开关。根据上述控制对象的工作过程，在A区、B区、C区分别设4个、2个

49、、2个电磁阀，分别控制不同作物的灌溉，用1个继电器控制供水的水泵。为了避免意外事故或故障的发生，系统设有声光报警系统。本系统只有数字开关量的输入而无模拟量的输入，凭可编程控制器本身的抗干扰能力已能满足要求。因此该,植物灌溉控制属于一个典型的PLC控制系统。为了系统能正常运行，特设计报警灯和报警器试验按钮，系统每次运行前可进行检查。系统的具体设计过程如下：1）I/O点数的估算 系统输入信号：自动/手动选择开关，需要1个输入端；报警器和报警灯试验按钮，占有一个输入端；,自动工作方式时，总开、总停按钮，需要2个输入端；故障报警消音按钮，需要1个输入端；1个雨量传感器，需要1个输入端；4只湿度传感器，

50、需要4个输入端；4只温度传感器，需要4个输入端。以上共需14个输入信号点，考虑到以后可能会对系统进行调整与扩充，所以留出15的备用点，即14152.1，取3个点，这样共需用17个输入点。,系统输出信号：A、B、C三个灌溉区共有8个电磁阀，需用8个输出端；一台水泵，需用1个控制输出端；系统自动和手动指示、水泵运行指示，需要3个输出端；温度、湿度报警和报警器分别占用一个输出端。以上共需要15个输出点，考虑到以后可能会对系统,进行调整与扩充，所以留出15的备用点，即15152.3，取3个点，这样共需用18个输出点。2）用户应用程序占用内存大小的估算 用户应用程序占用多少内存与I/O点数、控制要求、运