控制系统设计与应用实例

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第7章PLC控制系统设计与应用实例,7.1PLC控制系统设计的内容和步骤,7.2PLC控制系统的硬件配置,7.3PLC控制系统梯形图程序的设计,7.4顺序控制梯形图的设计方法,7.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例,1,7.1PLC控制系统设计的内容和步骤,7.1.1PLC控制系统设计的内容7.1.2PLC控制系统设计的步骤,2,7.1.1PLC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是整个设计的依据。2)选定PLC的型号及所需的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置。3)编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图。4) 用编程语言(常用梯形图)进行程序设计。5)设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件。6)编写设计说明书和操作使用说明书。,3,7.1.2PLC控制系统设计的步骤,1.系统规划2.硬件设计3.软件设计4.系统调试5.技术文件编制,4,图7-1PLC控制系统设计的步骤,5,6,7,8,7.2PLC控制系统的硬件配置,7.2.1PLC机型的选择7.2.2开关量I/O模块的选择7.2.3模拟量I/O模块的选择7.2.4智能模块的选择,9,7.2.1PLC机型的选择,考虑以下几方面的,要求,：,性能与任务相适应；,PLC的处理速度应满足实时控制的要求；,PLC机型尽可能统一；,指令系统。,10,1.性能与任务相适应,对控制速度要求不高的开关量控制系统，选用小型,PLC,；,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,A/D,转换的模拟量输入模块和带,D/A,转换的模拟输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的小型,PLC,；,西门子公司的,S7-200,、,S7-1200PLC,在进行小型数字、模拟混合系统控制时具有较高的性价比，实施起来也较为方便。,对于比较复杂、控制功能要求较高的应用系统，如需要,PID,调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型,PLC,，如西门子公司的,S7-300,、,S7-400,。,11,2. 提高PLC快速响应的几点措施,1)选择CPU速度比较快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5s。2)优化应用软件，缩短扫描周期。3)采用高速响应模块，其响应的时间不受PLC周期的影响，而只取决于硬件的延时。,12,3. PLC机型尽可能统一,一个大型企业，应尽量做到机型统一；,模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理，这不仅使模块通用性好，减少备件量，而且给编程和维修带来极大的方便，也给扩展系统升级留有余地；,外部设备通用，资源可共享，配以上位计算机后，可把控制各独立系统的多台,PLC,连成一个,多级分布式控制,系统，相互通信，集中管理。,13,4.指令系统,1)指令系统的总语句数。2)指令系统种类。3)指令系统的表达方式。4)应用软件的程序结构。（有模块化和子程序式）,（模块化：编写调试方便，但处理速度慢；,子程序式：响应速度快，但不利于编写和调试）,各种机型的指令系统不完全相同，在控制指令、数学运算指令、逻辑指令方面各有侧重。,选择机型时，从指令方面注意以下几点：,14,7.2.2开关量I/O模块的选择,1.开关量输入模块的选择2.开关量输出模块的选择,自学！,15,1.开关量输入模块的选择,1)选择工作电压等级,根据现场检测元件和模块之间的距离来选择,2)选择模块密度,根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择,3)门坎电平,门坎电平指：接通电平和关门电平的差值；,门坎电平越大，抗干扰能力越强，传输距离越远。,自学！,16,2.开关量输出模块的选择,1) 输出方式的选择：,继电器输出方式：交直流负载，响应速度慢，不能频繁动作；,晶闸管输出方式：开关频率高、电感强、功率因数低的交流负载；,晶体管输出方式：开关频率高的直流负载,2) 输出电流的选择：,模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，并留有余量；,当负载电流较大，输出模块不能直接驱动负载时，要增加中间放大环节；,接通点数的电流和必须小于公共端允许通过的电流值。,自学！,17,7.2.3模拟量I/O模块的选择,1.模拟量输入模块的选择2.模拟量输出模块的选择,18,1.模拟量输入模块的选择,1)模拟量值的输入范围,电压信号：,0,5V,0,10V , -5,5V,等,电流信号：,0,20mA,4,20mA,等,2),模拟量输入模块的分辨率、输入精度、转换时间等参数指标应符合具体的系统要求；3)应用中要注意抗干扰措施,方法：,模块和电源保持一定距离；,模拟量输入信号线采用屏蔽措施；,采用一定的补偿措施，减少环境变化对信号的影响。,19,2.模拟量输出模块的选择,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：,0,10V,、,10V,10V,、,0,20mA,等；,模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块的情况类似；,S7-200 PLC,提供了各种模块，可根据实际需要选用,EM231 4,路模拟量输入模块、,EM231 4,路输入热电偶、,EM231 2,路热电阻,(RTD),、,EM232 2,路模拟量输出模块、,EM235 4,输入,/1,输出组合。,20,7.2.4智能模块的选择,一般的智能模块包括,PROFIBUS-DP,模块,(,如,EM277,模块,),、工业以太网模块,(,如,CP243-1,、,CP243-1 IT),、调制解调器模块,(,如,EM241,模块,),、定位模块,(,如,EM253,模块,),等。,需要注意：一般智能模块价格比较昂贵，而有些功能采用一般,I/O,模块也可以实现，只是要增加软件的工作量，因此应根据实际情况决定取舍。,21,7.3PLC控制系统梯形图程序的设计,7.3.1经验设计法7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图,22,7.3.1经验设计法,依据：,根据被控对象对控制系统的具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机组合起来,经验设计法的特点,：,其设计过程是,逐步完善,的，一般不易获得最佳方案,程序初步设计后，还需,反复调试,、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。,23,设计方法不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性,设计出的,程序不唯一,，其质量与设计者的经验有关,对于,简单的系统,，用经验设计法进行设计，简单、易行，可以收到明显的效果,对于一些,旧设备的改造,常采用经验设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑,PLC,的特点,对于复杂的系统，由于联锁关系复杂，难于掌握，且设计周期较长，设计出的程序可读性差，使用、维护不便,24,举例：电机的启动和自锁,I/O,分配表：,对应的梯形图：,25,图7-2运料小车控制系统,26,7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图,1. 顺序功能图2. 顺序功能图的基本结构3. 顺序功能图法,27,1.顺序功能图,(1)步与动作(2)有向连线 (3)转换和转换条件,图7-3顺序功能图举例,28,步：,将系统的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段；,初始步：,与系统的初始状态对应的步；,用,M,和,S,来代表各个步；,(1) 步与动作,初始步：双线方框表示,步用矩形框表示,29,“活动步” “非活动步”,活动步 ：,步处于活动状态,（该过程正被执行）,非活动步 ：,步处于非活动状态,（该步未被执行）,30,与步相关的动作（或命令）,步处于活动状态时，该步内相应的动作（或命令）即被执行；反之，不被执行,与相应步的矩形框相连,与步相关的动作（或命令）,31,“非存储型” “存储型”,动作（或命令）可分 ：,“,存储型,”,：,当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）继续保持它的状态,“,非存储型,”,：,当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）返回到该活动步前的状态,“,点动电机,M1”,“,非存储型,”,命令,“,启动电机,M1,并一直保持,”,“,存储型,”,命令,32,33,(,2),有向连线,步之间的进展，采用,有向连线,表示，,它将步连接到转换并将转换连接到步。,有向,连线,步的进展按有向连线规定的路线进行,习惯进展的方向：,从上到下或从左到右,箭头表示步进展的方向,34,(,3),转换和转换条件,步与步之间由,“,转换,”,分隔；,当两步之间的转换条件得到满足时，转换得以实现，即上一步的活动结束而下一步的活动开始；,每个活动步持续的时间取决于步之间转换的实现。,转换,符号,转换条件,35,例子：,要求,M1,起动,30s,后，,M2,自动起动，运行,15s,后，,M2,停止，同时,M3,自动起动，再运行,45s,后，电机全部停止,36,2.顺序功能图的基本结构,(1)单序列结构(2)选择序列结构(3)并行序列结构,37,(1)单序列结构,单序列由一系列相继激活的步组成。每步的后面仅有一个转换条件，每个转换条件后面仅有一步，如图,7-4,所示。,图7-4单序列结构,38,(2) 选择序列结构,选择序列的开始称为,分支,。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；,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，各个序列上的步在各自转换条件满足时转换到同一个步，如图,7-5b,所示。,图7-5选择序列的分支与合并,39,并行,序列的,分支,与,合并,满足,b,条件，12、14、18步同时被激活，成为活动步,当13、15、17都为活动步，若满足,d,条件，则13等同时变为不活动步，18变为活动步,(3) 并行序列结构,40,并行序列的分支中只允许有一个转换条件，并标在水平双线之上。,并行序列的合并只允许有一个转换条件，并标在水平双线之下。,41,步骤：,1.,首先根据系统的工艺流程，设计顺序功能图。,2.,然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。,优点：,1.,在顺序功能图中，步之间没有重叠。这使系统中大量复杂的联锁关系在步的转换中得以解决。,2.,对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。,3.,编程方法简单易学，规律性强。,4.,设计出的控制程序结构清晰、可读性好；调试、运行方便,3. 顺序功能图法,42,7.4顺序控制梯形图的设计方法,7.4.1置位、复位指令编程,7.4.2顺序控制继电器指令编程,7.4.3具有多种工作方式的顺序控制梯形图设计方法,S7-200 PLC,采用顺序功能图法设计时，可用,置位,/,复位,(S/R),指令、顺序控制继电器,(SCR),指令、移位寄存器,(SHRB),指令等,实现编程。,43,7.4.1置位、复位指令编程,交通灯控制,1.控制要求2.输入、输出信号地址分配3.设计顺序功能图和梯形图程序,44,1.控制要求,1)接通起动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时亮。,2)东西向绿灯亮25s后，闪烁3次(1s/次)，接着东西向黄灯亮，2s后东西向红灯亮，30s后东西向绿灯又亮如此不断循环，直至停止工作。,3)南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁3次(1s/次)，接着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯又亮如此不断循环，直至停止工作。,45,图7-7交通信号灯控制示意图,46,2.输入、输出信号地址分配,表7-1交通信号灯控制I/O地址分配表,输入信号,输出信号,起动按钮SB1,I01,南北红灯HL1、HL2,Q00,停止按钮SB2,I02,南北绿灯HL3、HL4,Q04,南北黄灯HL5、HL6,Q05,东西红灯HL7、HL8,Q03,东西绿灯HL9、HL10,Q01,东西黄灯HL11、HL12,Q02,47,图7-8I/O接线图,48,3.设计顺序功能图和梯形图程序,图7-9交通信号灯控制顺序功能图,49,图7-10交通信号灯梯形图程序,50,东西向绿灯亮,25s,后，,1,步结束，,2,步开始，绿灯灭,250,51,0.5s,后，,2,步结束，,3,步开始，绿灯亮,启动计数器,，要求闪烁,3,次,3,次不到，,0.5s,后，,2,步开始，,3,步结束,3,次到了，,0.5s,后，,4,步开始，,3,步结束，黄灯亮,52,2s,后，,4,步结束，,5,步开始，红灯亮,30s,后，,5,步结束，,1,步开始，循环,53,东西绿灯,东西黄灯,东西红灯,停止,54,7.4.2顺序控制继电器指令编程,深孔钻组合机床,1.深孔钻组合机床控制要求2. I/O信号地址分配和接线图3.画出顺序功能图4.由顺序功能图设计梯形图,55,1.深孔钻组合机床控制要求,刀具进退与行程开关示意图如图,7-11,所示。,在起始位置,O,点时，行程开关,SQ1,被压合，按起动按钮,SB2,，电动机正转起动，刀具前进。退刀由行程开关控制，当动力头依次压在,SQ3,、,SQ4,、,SQ5,上时电动机反转，刀具会自动退刀，退刀到起始位置时，,SQ1,被压合，退刀结束，又自动进刀，直到三个过程全部结束。,图7-11深孔钻组合机床工作示意图,56,2. I/O端子接线图,图7-12深孔钻控制I/O接线图,57,3,.,顺序功能图,根据深孔钻组合机床工作示意图，可画出顺序功能图如图,7-13,所示。,图7-13深孔钻顺序功能图,58,4.由顺序功能图设计梯形图,图7-14深孔钻控制梯形图,自学！,59,7.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例,7.5.1节日彩灯的PLC控制,7.5.2恒温控制,60,7.5.1节日彩灯的PLC控制,1.彩灯闪烁一般控制方法环形分配器原理,2.环形分配器法编程,3.编写彩灯“花式”节拍输出分配表程序,61,1.彩灯闪烁一般控制方法环形分配器原理,图7-23环形分配器示意“钟”,62,表7-3节日彩灯“步进单闪”花式节拍输出分配表,长针节拍,中间输出,V20,V21,V22,V23,V24,V25,V26,V27,M10,+,+,+,+,+,+,+,M11,+,+,+,+,+,+,+,M12,+,+,+,+,+,+,+,M13,+,+,+,+,+,+,+,M14,+,+,+,+,+,+,+,M15,+,+,+,+,+,+,+,M16,+,+,+,+,+,+,+,M17,+,+,+,+,+,+,+,63,表7-4节日彩灯“奇偶跳变”花式节拍输出分配表,长针节拍,中间输出,V20,V21,V22,V23,V24,V25,V26,V27,M20,+,+,+,+,M21,+,+,+,+,M22,+,+,+,+,M23,+,+,+,+,M24,+,+,+,+,M25,+,+,+,+,M26,+,+,+,+,M27,+,+,+,+,64,2.环形分配器法编程,(1) 时基,(2) 单步环形移位,(3) “长针”周期触发、“短针”单步环形移位,65,3.编写彩灯“花式”节拍输出分配表程序,图7-24节日彩灯控制程序,66,7.5.2恒温控制,1.恒温控制的基本思路,2.数据的变换与处理,3.设计梯形图程序,67,1.恒温控制的基本思路,图,7-25,温度控制系统硬件示意图,68,2.数据的变换与处理,(1)数据输入变换过程,(2)控制量输出变换过程,图7-26420mA模拟量变换坐标,69,3.设计梯形图程序,1)主程序(OB1)：,网络1将温度信号输入值转换成025600存入VW162，以及再转换成0100范围并存入VW170，该温度值可用于数码显示或后面的“比较器”数值比较。,2)子程序0(SBR0)：,初始化变量存储器，其中VD160、VW170开机清零；VW180置最大输出调控量32000(20mA)；VW182置0输出调控量(4mA)。,3)子程序1(SBR1)：,填写除给定值以外其他PID回路表参数。,4)中断0(INT0)完成以下功能,：将VW162以上16位补0成为双字整数，再划为实数，并除以25600.0使之成为0.01.0的过程变量(,PV,n,)；I0.0置1时PID回路指令有效；将0.01.0的输出转换成025600的整数，再加6400，成为640032000的输出，其中还有上/下限幅，当失调温度超过设定值5时，输出6400，反之低于5时，输出32000,。（具体程序见教材）,70,本章小结,本章主要介绍了PLC控制系统设计的内容和步骤；PLC控制系统的硬件配置方法。重点介绍了梯形图程序的设计方法，包括经验设计法和顺序控制设计法。介绍了顺序功能图的结构和应用方法，并通过典型的应用实例来介绍顺序控制梯形图的设计方法、步骤和内容。,通过学习，应掌握顺序功能图和顺序控制设计法的设计步骤，能进行简单的控制系统的设计，包括统计输入,/,输出信号点数和类型，进行合理的机型选择，画出输入输出接线图，画出顺序功能图，设计出梯形图程序并进行调试。,习题：,2,，,3,，,5,。,71,