第八章 可编程序控制器系统设计与应用.docx
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第八章可编程序控制器系统设计与应用
第8章可编程序控制器系统设计与应用
可编程控制器的结构和工作方式与单片机、工控机等不尽相同，与传统的继电器控制也有本质的区别。
这就决定了其控制系统的设计也不完全一样，其最大的特点软件与硬件可以分开设计。
本章主要内容包括：
●可编程序控制器系统设计一般原则与步骤
●可编程序控制器系统的硬件配置
●可编程序控制器系统的软件设计
●可编程序控制器应用程序的基本环节及设计技巧
●可编程序控制器在工业控制中的应用实例
●可编程序控制器系统提高可靠性的措施
本章的重点是可编程序控制器应用程序的基本环节、设计技巧与应用实例。
通过本章
的学习，使读者了解可编程序控制器系统设计一般原则与步骤、硬件配置、软件设计，熟悉掌握基本环节及设计技巧。
通过本章的学习使读者对可编程序控制器系统设计有一个全面地了解。
8.1PLC控制系统设计
8.1.1PLC控制系统设计的基本原则
对于工业领域还是其他领域的被控对象，电气控制的目的在满足其生产工艺要求的情况下，最大限度的提高生产效率和产品质量。
为达到此目的在可编程控制系统设计时应遵循以下原则：
1）最大限度的满足被控对象的要求。
2）在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、适用及维护方便。
3）保证系统的安全可靠。
4）考虑生产的发展和工艺的改进，在选型时应留有适当的余量。
8.1.2PLC控制系统设计的内容
PLC控制系统设计的主要内容有：
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）根据系统设计的要求编写程序规格要求说明书，然后再用相应的编程语言进行程序设计。
5）设计操作台、电气柜、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。
根据具体控制对象，上述内容可适当调整。
8.1.3PLC控制系统设计的一般步骤
由于PLC的结构和工作方式与一般微机和继电器相比各有特点，所以其设计的步骤也不尽相同，具体设计步骤如下：
1）详细了解被控对象的生产工艺过程，分析控制要求。
2）根据控制要求确定所需的用户输入/输出设备。
3）选择PLC类型。
4）分配PLC的I/O点，设计I/O连接图。
5）PLC软件设计，同时可进行控制台的设计和现场施工。
6）系统调试，固化程序，交付使用。
其设计流程如图：
图8-1PLC控制系统设计步骤
8.2PLC控制系统硬件配置
硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。
随着PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。
但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，看看用什么控制装备（PLC、单片机、DCS或IPC）来完成该任务最合适。
比如仪器及仪表装置、家电的控制器就要用单片机来做；大型的过程控制系统大部分要用DCS来完成。
而PLC最适合的控制对象是：
工业环境较差，而对安全性、可靠性要求较高，系统工艺复杂，输入／输出以开关量为主的工业自控系统或装置。
其实，现在的可编程序控制器不仅处理开关量，而且对模拟量的处理能力也很强。
所以在很多情况下，也可取代工业控制计算机（IPC）作为主控制器，来完成复杂的工业自动控制任务。
控制对象及控制装置（选定为PLC）确定后，还要进一步确定PLC的控制范围。
一般来说，能够反映生产过程的运行情况，能用传感器进行直接测量的参数，控制逻辑复杂的部分都由PLC完成。
另外，如紧急停车等环节，对主要控制对象还要加上手动控制功能，这就需要在设计电气系统原理图与编程时统一考虑。
8.2.1PLC的选型
当确定由PLC来完成控制后，设计者接下来要解决两个主要问题：
1.PLC容量的选择
首先要对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及这些I/O点的性质。
I/O点的性质主要指它们是直流信号还是交流信号，它们的电源电压，以及输出是用继电器型还是晶体管或是可控硅型。
控制系统输出点的类型非常关键，如果它们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有直流24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们是交流220V的负载使用，则直流24V的负载只能使用其他组的输出端了。
这样有可能造成输出点数的浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，如运动控制时的高速脉冲输出，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
知道这些以后，就可以定下选用多少点和I/O是什么类型的PLC了。
然后要对用户存储器容量进行估算。
PLC常用的内存用EPROM、EEPROMHE和带锂电池供电的RAM。
一般微型和小型PLC的存储容量是固定的，介于1～2KB之间。
用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。
因此在程序设计之前只能粗略地估算。
根据经验，每个I/O点及有关功能元件占用的内存大致如下：
开关量输入元件：
10～20B/点；
开关量输出元件：
5～10B/点；
定时器/计速器：
2B/个；
模拟量：
100～150B/点；
通信接口：
一个接口一般需要300B以上；
根据上面算出的总字节数再考虑25％左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存容量，从而选择合适的PLC内存。
2.PLC机型的选择
由于生产PLC的厂家众多，实现的功能虽基本相同，但性能、价格和编程语言却有较大差别，一般从以下几个方面考虑：
（1）功能方面所有PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就要知道所选用的PLC是否有能力完成控制任务。
如对PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间有灵活方便的通信要求；或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求；或对PLC的位置控制有特殊要求等。
这就要求用户对市场上流行的PLC品种有一个详细的了解，以便做出正确的选择。
（2）价格方面不同厂家的PLC产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40％以上。
在使用PLC较多的情况下，性价比是一个重要的因素。
（3）售后服务应考虑相关的技术支持，统一型号方便维护，系统改造、升级等因素。
PLC主机选定后，如果控制系统需要，则相应的配套模块也就选定了。
如模拟量单元、显示设定单元、位置控制单元或热电偶单元等。
8.2.2I/O地址分配
输入／输出信号在PLC接线端子上的地址分配是进行PLC控制系统设计的基础。
对软件设计来说，I/O地址分配以后才可进行编程；对控制柜及PLC的外围接线来说，只有I/O地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据线路图和安装图安装控制柜。
分配输出点地址时，要注意8.2.1节中所说的负载类型的问题。
在进行I/O地址分配时最好把I/O点的名称、代码和地址以表格的形式列写出来。
8.2.3响应时间
对于过程控制，扫描周期和响应时间必须认真考虑。
PLC顺序扫描的工作方式，使它不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的输入信号。
例如，电机转速的测量，就需要选用高速计数指令来完成。
总之，PLC的处理速度应满足实时控制的要求。
选定PLC及其扩展模块（如需要的话）和分配完I/O地址后，硬件设计的主要内容就是完成电气控制系统原理图的设计；电气控制元器件的选择和控制柜的设计。
电气控制系统原理图包括主电路和控制电路。
控制电路中包括PLC的I/O接线和自动部分、手动部分的详细连接等，有时还要在电气原理图中标上器件代号或另外配上安装图、端子接线图等，以方便控制柜的安装。
电气元器件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯和电磁阀等。
8.3PLC控制系统软件设计
在实际的工作中，软件的实现方法有很多种，具体使用哪种方法，也因人因控制对象而异，以下是几种常用的方法。
8.3.1经验设计法
在一些典型的控制环节和电路的基础上，根据被控制对象对控制系统的具体要求，凭经验进行选择、组合。
有时为了得到一个满意的设计结果，需要进行多次反复地调试和修改，增加一些辅助触点和中间编程元件。
这种设计方法没有一个普遍的规律可遵循，即具有一定的试探性和随意性，最后得到的结果也不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验的多少有关。
经验设计法对于一些比较简单的控制系统的设计是比较奏效的，可以收到快速、简单的效果。
但是，由于这种方法主要是依靠设计人员的经验进行设计，所以对设计人员的要求也比较高，特别是要求设计者有一定的实践经验，对工业控制系统和工业上常用的各种典型环节比较熟悉。
对于比较复杂的系统，经验法一般设计周期长，不易掌握，系统交付使用后，维护困难，所以，经验法一般只适合于比较简单的或与某些典型系统相类似的控制系统的设计。
8.3.2逻辑设计法
工业电气控制线路中，有不少都是通过继电器等电器元件来实现，而继电器，交流接触器的触点都只有两种状态即吸合和断开，因此，用“0”和“1”两种取值的逻辑代数设计电器控制线路是完全可以的，PLC的早期应用就是替代继电器控制系统，因此用逻辑设计方法同样也可以适用于PLC应用程序的设计。
当一个逻辑函数用逻辑变量的基本运算式表达出来后，实现这个逻辑函数的线路就确定了。
当这种方法使用熟练后，甚至梯形图程序也可以省略，可以直接写出与逻辑函数和表达式对应的指令语句程序。
关于逻辑函数和运算式与梯形图、指令语句的对应关系见
用逻辑设计法设计PLC应用程序的一般步骤如下：
1）列出执行元件动作节拍表。
2）绘制电气控制系统的状态转移图。
3）进行系统的逻辑设计。
4）编写程序。
5）对程序检测、修改和完善。
8.3.3顺序功能图法
顺序功能图法首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。
在顺序功能图中，实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始，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。
而对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。
因而这种编程方法简单易学，规律性强。
设计出的控制程序结构清晰、可读性好，程序的调试和运行也很方便，可以极大地提高工作效率。
S7-200PLC采用顺序功能图法设计时，可用顺序控制继电器（SCR）指令、置位/复位（S/R）指令、移位寄存器（SHRB）指令等实现编程。
控制系统设计的难易程度因控制任务而异，也因人而异。
对于经验丰富的工程技术人员来说，在长时间的专业工作中，受到过各种各样的磨练，积累了许多经验，除了一般的编程方法外，更有自己的编程技巧和方法。
但不管怎么说，平时多注意积累和总结是很重要的。
在程序设计时，除了I/O地址列表外，有时还要把在程序中用到的中间继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）和存储单元（V）以及它们的作用或功能列写出来，以便编写程序和阅读程序。
在编程语言的选择上，用梯形图编程还是用语句表编程或使用功能图编程，这主要取决于以下几点：
1）有些PLC使用梯形图编程不是很方便，则可以使用语句表编程，但是梯形图总比语句表直观。
2）经验丰富的人员可以使用语句表直接编程，就像使用汇编语言一样。
3）如果是清晰的单顺序、选择顺序或并发顺序的控制任务，则最好是用功能图来设计。
8.4PLC应用程序的典型环节及设计技巧
8.4.1应用程序的典型环节
复杂的控制程序一般都是由一些典型的基本环节有机地组合而成的，因此，掌握这些基本环节尤为重要。
它有助于控制程序设计水平的提高。
以下是几个常用的典型环节。
1.电动机的起动与停止控制程序
电动机的起动与停止是最常见的控制，通常需要设置起动按钮、停止按钮及接触器等电器进行控制。
由图可得I/O分配表如表8-1所示。
PLC的I/O接线圈如图8-2所示。
图8-2I/O接线图
表8-1I/O分配表
输入信号
输出信号
停止按钮SB1
I0.1
接触器KM
Q0.1
起动按钮SB2
I0.2
（1）停止优先控制程序
为确保安全，通常电机的启动、停止控制总是选用图8-3所示的停止优先控制程序。
对于该程序，若同时按下启动和停止按钮，则停止优先。
（2）起动控制优先程序
对于有些场合，需要起动优先控制，若同时按下启动和停止按钮，则启动优先。
具体程序如图8-4。
图8-4启动优先梯形图
图8-3停止优先梯形图
2.具有点动功能电动机起动、停止控制程序
表8-2I/O分配表
输入信号
输出信号
停止按钮SB1
I0.0
接触器KM
Q0.1
起动按钮SB2
I0.1
点动按钮SB3
I0.2
有些设备的运动部件的位置常常需要进行调整，这就要用到具有点动调整的功能。
这样除了上述起动按钮、停止按钮外，还需要增添点动按钮SB3，I/O分配表如表8-2所示。
PLC的I/O接线圈如图8-5所示。
图8-6电动机起、停、点动控制
在继电器控制柜中，点动的控制是采用复合按钮实现的，即利用常开、常闭触点的先断后合的特点实现的。
而PLC梯形图中的“软继电器”的常开触点和常闭触点的状态转换是同时发生的，这时，可采用图8-6所示的位存储器M2.0及其常闭触点来模拟先断后合型电器的特性。
该程序中运用了PLC的周期循环扫描工作方式而造成的输入、输出延迟响应来达到先断后合的效果的。
注意：
若将M2.0内部线圈与QO.1输出线圈两个线圈的位置对调一下，则不能产生先断后合的效果。
图8-5起、停、点动控制I/O接线图
表8-3I/O分配表
输入信号
输出信号
停止按钮SB1
I0.0
正转接触器KM1
反转接触器KM2
Q0.1
Q0.2
起动按钮SB2
I0.1
点动按钮SB3
I0.2
3.电动机的正．反转控制程序
电动机的正、反转控制是常用的控制形式，输入信号设有停止按钮SBl、正向起动按钮SB2、反向起动按钮SB3，输出信号应设正、反转接触器KM1、KM2，I/O分配表如表8-3所示。
I/O接线图如图8-7所示。
图8-8电动机正、反转梯形图
图8-7电动机正、反转I/O接线图
电动机可逆运行方向的切换是通过两个接触器KMl、KM2的切换来实现的。
切换时要改变电源的相序。
在设计程序时，必须防止由于电源换相所引起的短路事故，例如，由正向运转切换到反向运转时，当正转接触器KMl断开时，由于其主触点内瞬时产生的电弧，使这个触点仍处于接通状态：
如果这时使反转接触器KM2闭合，就会使电源短路。
因此必须在完全没有电弧的情况下才能使反转的接触器闭合。
由于PLC内部处理过程中，同一元件的常开、常闭触点的切换没有时间的延迟，因此必须采用防止电源短路的方法，图8-8所示梯形图中，采用定时器T37、T38分别作为正转、反转切换的延迟时间，从而防止了切换时发生电源短路故障。
4.大功率电动机的星-三角降压起动控制程序
大功率电动机的星—三角降压起动控制的主电路，如图8-9所示。
图中，电动机由接触器KMl、KM2、KM3控制，其中KM3将电动机绕组连接成星形联结，KM2将电动机绕组连接成三角形联结。
KM2与KM3不能同时吸合，否则将产生电源短路。
在程序设计过程中，应充分考虑由星形向三角形切换的时间，即当电动机绕组从星形切换到三角形时，由KM3完全断开（包括灭弧时间）到KM2接通这段时间应锁定住，以防电源短路。
设置停止按钮SBl、起动按钮SB2，接触器KMl、KM2、KM3。
I/O分配表如表8-4所示，
I/O接线图如图8-9所示。
表8-4
输入信号
输出信号
停止按钮SB1
I0.0
接触器KM1
Q0.1
起动按钮SB2
I0.1
接触器KM2
Q0.2
接触器KM3
Q0.3
图8-10星-三角起动梯形图
图8-9星-三角起动控制I/O接线图
图8-10中，用T38定时器使KM3断电t2s后再让KM2通电，保证KM3、KM2不同时接通，避免电源相间短路。
定时器T37、T38、T39的延时时间t1、t2、t3可根据电动机起动电流的大小、所用接触器的型号，通过实验调整，选定合适的数值。
t1、t2、t3的值过长或过短均对电动机起动不利。
4.通电禁止输出程序
在实际工作中，因停电而停止生产是常有的事。
在复电时，有些设备是不允许立即恢复工作的，不然会发生严重事故。
在这种场合必须采用通电禁止输出程序（见图8-11）。
PLC上电进入RUN状态时，SM0.3接通一个扫描周期。
使M1.0置1，M1.0的常闭接点切断了输出线圈Q1.0、Q1.1…Q2.3的控制逻辑，故输出被禁止。
只有接通允许工作的按钮Il.0时，M1.0被复位，输出线圈Q1.0、Q1.1…Q2.3才有可能输出。
图8-11通电禁止输出梯形图
6.报警电路
8－12故障报警梯形图
报警是电气自动控制中不可缺少的重要环节，标准的报警功能应该是声光报警。
当故障发生时，报警指示灯闪烁，报警电铃或蜂鸣器响。
操作人员知道故障发生后，按消铃按钮，把电铃关掉，报警指示灯从闪烁变为长亮．故障消失后，报警灯熄灭。
另外还应设置试灯、试铃按钮，用于平时检测报警指示灯和电铃的好坏。
图8－12为标准报警电路，图中的输入／输出信号地址分配如下：
输人信号I0.0为故障信号；I1.1为消铃按钮；I1.1为试灯、试铃按钮
输出信号Q0.0为报警灯；Q0.7为报警电铃。
在实际的应用系统中可能出现的故障一般有多种，这时的报警电路就不一样了。
对报警指示灯来说，一种故障对应于一个指示灯，但一个系统只能有一个电铃。
下面分析一个有两种故障的报警电路供大家在实际使用时参考。
7.定时器、计数器的扩展
S7-200PLC定时器的最大计时时间为3276.7s。
为产生更长的设定时间，可将多个定时器、计数器联合使用，扩展其计时范围如图8-14和图8-15所示。
图8-14定时器、计数器串联使用
图8-13定时器串联使用
（1）定时器串联扩展计时范围
图8-13中，从输入信号I0.1接通后到输出线圈Q0.0有输出，共延时T＝（30000+30000）×0.1s=6000s。
若还要增大计时范圃，可增加串联的定时器数目。
（2）定时器、计数器串联扩展计时范围
图8-14中，从电源接通到输出线圈Q1.0有输出，共延时T=3000.0s×30000=9×107s若还要增大计时范围，可增加串联的计数器数目
（3）计数器串联扩展计数范围
S7-200CPU226模块的最大计数值为32767，若需要更大的计数范围可将多个计数器串联使用以扩大计数范围。
图8-16中，若输入信号I0.3是一个光电脉冲（如用来计工件数），从第一个工件产生的光电脉冲，到输出线圈Q3.0有输出，共计数N=30000×30000=9×108个工件。
可用于班产量达规定值后，由输出线圈发出信号。
8.高精度时钟程序
图8-16所示是高精度时钟程序，秒脉冲特殊存储器SM0.5作为秒发生器，用作计数器C51的计数脉冲信号，当计数器C51的计数累计值达设定值60次时（即为lmin时）计数器位置“1”，即C51的常开触点闭合，该信号将作为计数器C52的计数脉冲信号：
计数器C51的另一常开触点使计数器C51复位（称为自复位式）后，使计数器C51从0开始重新计数。
相似地，计数器C52计数到60次时（即为1h时）其两个常开触点闭合，一个作为计数器C53的计数脉冲信号，另一个使计数器C52自复位，又重新开始计数；计数器C53计数到24次时（即为l天），其常开触点闭合，使计数器C53自复位，又重新开始计数。
从而实现时钟功能。
输入信号I0.1、I0.2用于建立期望的时钟设置，即调整分针、时针。
图8-16高精度时钟梯形图
图8-15计数器串联使用
8.4.2PLC控制程序设计技巧
图8-18用二极管隔离输入法
在工艺要求改变后，常常要改变程序，有时会出现I/O点数不够又不想增加PLC扩展单元，此时可采用一些方法来减少输入点和输出点。
1.减少输入点的方法
（1）用二极管隔离的分组输入法
控制系统一般具有手动和自动的两种工作方式。
由于手动与自动是不同时发生的，可分成两组，并由转换开关SA选择自动（位置2）和手动（位置1）的工作位置，如图8-18所示。
这样一个输入点就可当作两个输入点使用。
二极管的作用是避免产生寄生电路，保证信号的正确输入。
（2）触点合并式输入方法
在生产上艺允许条件下，将具有相同性质和功能的输入触点串联或并联后再输入PLC输入端，这样使几个输入信号只占用一个输入点。
下面，以两地控制程序为例来说明。
图8-19I/O接线图
表8-5I/O分配表
输入信号
输出信号
甲、乙停止按钮串联（SB1*SB2）
I0.0
I0.1
接触器KM
Q0.5
甲、乙起动按钮并联（SB3+SB4）
设有一台电动机，要求分别在甲、乙两地均可对其进行起、停控制。
甲地设停止按钮SB1，起动按钮SB3：
乙地设停止按钮SB2，起动按钮SB4．如图8-19和表8-5所示。
图8-20I/O梯形图
对应的梯形图如图8-20所示。
这样，不管是在甲地或乙地均可对电动机进行起、停控制。
而只占用于PLC两个输入点（I0.0、I0.1）。
推而广之，对于多地点控制，只要将n地的停止按钮的常闭触点串联起来，接入PLC的一个输入点；再将n地的起动按钮并联起来，接入PLC的一个输入点。
（3）单按钮起、停控制程序
通常起、停控制（例对某电动机的起、停控制）均要设置两个控制按钮作为起动控制和停止控制。
现介绍只用一个按钮，通过软件编程，实现起动与停止的控制。
图8-22单按钮控制梯形图
如图8－22所示，I0.0作为起动、停止按钮的地址，第一次按下时Q1.0有输出，第二次按下时Q1.0无输出，第三次按下Q1.0又有输出。
图中示出了其工作时序图。
图8-21并联输出法
减少输入点的方法除了上述方法外，还有编码输入法等方法，不再一一介绍。
2.减少输出点的方法
对于两个通断状态完全相同的负载，可将它们并联后共用一个PLC的输出点，如图8-21所示。
两个负载并联共用一个输出点，应注意两个输出负载电流总和不能大于输出端子的负载能力。
由于信号灯负载电流很小，故常用信号灯与被指示的负载并联的方法，这样可少占用PLC一个输出点。
8.6提高PLC控制系统可靠性的措施
PLC专为在工业环境下应用而设计，其显著特点之一就是高可靠性，为了提高PLC的可靠性，PLC本身在软、硬件上均采取了一系列抗干扰措施，在一般工厂内使用完全可以可靠地工作，一般平均无故障时间可达几万小时。
但这并不意味着对PLC的环境条件及安装使用可以随意处理。
在过于恶劣的环境条件下，如强电磁干扰、超高温、超低温、过欠电压等情况，或安装使用不当等，都可能导致PLC内部存储信息的破坏，引起控制紊乱，严重时还会使系统内部的元器件损坏。
为了提高PLC控制系统运行的可靠性，必须选择合理的抗干扰措施，使系统正常可靠的工作。
8.6.1PLC安装的环境条件
PLC是一种用于工业生产自动化控制的设
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