PLC与变频器项目教程4.docx
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PLC与变频器项目教程4
项目四学习PLC程序设计
应用程序的设计是PLC控制系统设计的核心，要设计好PLC的应用程序，首先必须充分了解被控对象的情况，诸如生产工艺、技术特性、工作环境及其对控制的要求等。
据此，设计出PLC控制系统，包括设计出控制系统图、选出合适的PLC型号、确定PLC的输入器件和输出执行器、确定接线方式等。
为了很好的掌握PLC应用程序设计的基本步骤、方法和技巧，下面分四个任务来进行学习。
任务一油循环控制
一、任务目标
二、任务分析
某工厂有一油循环系统，如图4-1所示。
控制要求如下：
图4-1油循环系统
1．当起动按钮SB1按下时，泵1、泵2通电运行，由泵1将油从循环槽打入淬火槽，经沉淀槽，再由泵2打入循环槽，运行15分钟后，泵1、泵2停。
2．在泵1、泵2运行期间，当沉淀槽液位到达高液位时，液位传感器SL1接通，此时泵1停，泵2继续运行1分钟。
3．在泵1、泵2运行期间，沉淀槽液位到达低液位时，液位传感器SL2由接通变为断开，泵2停，泵1继续运行1分钟。
4．当停止按钮SB2按下，泵1、泵2停。
5．用PLC实现控制要求。
分析控制要求可知，按下起动按钮时，泵1、泵2开始运行，同时定时器开始定时，到达预定时间15分钟，泵1、泵2停止。
在泵1、泵2运行期间，如果当沉淀槽液位到达高液位时，液面传感器SL1发出信号，泵1停止，同时定时器定时，延时1分钟后，泵2停止。
在延时1分钟期间即使沉淀槽液位下降，液面传感器SL1不再发出信号，泵2仍运行，直到延时1分钟时间到。
同理，当沉淀槽液位下降到低液位时，泵2停止，同时定时器定时，延时1分钟后，泵1停止。
在延时1分钟期间即使沉淀槽液位上升，泵1仍运行，直到延时1分钟时间到。
在油循环系统中，启动按钮SB1、停止按钮SB2、液位传感器SL1、SL2属于控制信号，应作为PLC的输入量分配接线端子；而泵1、泵2属于被控对象，应作为PLC的输出量分配接线端子。
三、相关知识
脉冲输出指令
（1）指令格式及梯形图表示方法见表4-1所示。
表4-1
助记符
功能
LAD图示
操作元件
程序步
PLS
上升沿脉冲输出
M
2
PLF
下降沿脉冲输出
M
2
（2）使用说明
1）PLS、PLF指令仅用于普通辅助继电器，不能驱动其它线圈。
PLS产生的脉冲宽度为驱动输入接通后的一个扫描周期。
PLF产生的脉冲宽度为驱动输入断开后的一个扫描周期。
2）在脉冲输出指令脉冲输出期间，用跳转指令使脉冲输出指令发生跳转，该脉冲仍保持输出。
（3）程序举例如图4-2所示。
图4-2脉冲输出指令应用
四、任务实施
1.I/O点分配
根据任务分析，对输入量、输出量进行分配，见表4-2所示。
表4-2
输入量（IN）
输出量（OUT）
元件代号
功能
输入点
元件代号
功能
输出点
SB1
启动按钮
X000
KM1
泵1接触器线圈
Y000
SB2
停止按钮
X001
KM2
泵2接触器线圈
Y001
SL1
液位传感器
X002
SL2
液位传感器
X003
2.绘制PLC硬件接线图
根据图4-1所示及I/O分配表，绘制PLC硬件接线图，如图4-3所示，以保证硬件接线操作正确。
图4-3PLC硬件接线图
3．设计梯形图程序及语句表
设计梯形图程序及语句表如图4-4所示。
（a）梯形图（b）语句表
图4-4梯形图程序及语句表
五、知识链接
PLC应用系统的程序设计步骤
为了保证系统应用程序设计及控制的准确性，需要深入了解被控对象的工作原理，清楚输入和输出变量及它们之间的关系，并用文字或表格的形式进行描述。
所有的PLC编程环境都支持助记符程序设计语言和梯形图程序设计语言，在所有的PLC程序设计语言中，使用最多的是梯形图程序设计语言，现以梯形图程序设计语言为例来说明PLC应用系统的程序设计步骤。
1.梯形图程序设计注意事项
（1）每个网络以接点开始，以线圈或功能指令结束，信号总是从左向右传递。
（2）内部和中间继电器接点可以使用无数次，但继电器线圈在一个程序中只能使用一次。
（3）有些系统要求程序结束时必须使用END指令，但有些可以不用。
如松下E26PLC.
（4）中间继电器、定时器和计数器等功能性指令不能直接产生输出，必须用OUT指令才能输出。
（5）在一个网络中要将得电条件和失电条件综合考虑，以保证控制的可靠性和准确性。
（6）在梯形图中没有真实的电流流动，为了便于分析PLC的周期扫描原理和逻辑上的因果关系，假定在梯形图中有“电流”流动，这个”电流”只能在梯形图中单方向流动，即从左向右流动，层次的改变只能从上向下。
2.梯形图经验设计法步骤
梯形图经验设计法是目前使用比较广泛的一种设计方法，该方法的核心是输出线圈，这是因为PLC的动作就是从线圈输出的（可以称为面向输出线圈的梯形图设计方法）。
以下是一些经验设计步骤。
分析工艺流程并对系统任务进行分块，对系统任务进行分块即是分解梯形图程序。
根据控制任务将要编制的梯形图程序分解成功能独立的子梯形图程序。
将主要的工艺流程作为主程序，整个工艺流程多次重复进行的部分可以作为子程序进行调用，同时可以根据工艺情况加入中断服务程序。
根据系统任务编制控制系统的逻辑关系图。
编制系统逻辑关系图可以各个控制活动顺序为基准，也可以整个活动的时间节拍为基准，其主要目的是反映系统各环节中的I/O关系，为梯形图的设计做好准备。
绘制各种电路图。
绘制电路图的目的是把系统的I/O所涉及的地址和名称联系起来。
绘制时主要考虑以下几点。
（1）在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到输入信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，是否会把高电压引入到PLC的输入端。
（2）在PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑PLC的输出模块的带负载能力和耐电压能力。
（3）要考虑电源的输出功率和极性问题。
3.编制PLC程序并进行模拟调试
编制PLC程序时要注意以下问题。
（1）以输出线圈为核心设计梯形图，并画出该线圈的得电条件、失电条件和自锁条件。
在画图过程中，注意程序的启动、停止、连续运行、选择行分支和并行分支。
（2）如果不能直接使用输入条件逻辑组合成输出线圈的得电和失电条件，则需要使用中间继电器建立输出线圈的得电和失电条件。
（3）如果输出线圈的得电和失电条件中需要定时或计数条件时，要注意定时器或计数器得电和失电条件。
在此注意，一般定时器和计数器的地址范围是相同的，即某一地址如果作为定时器使用，那么在同一个控制程序中就不能作为计数器使用。
（4）如果输出线圈的得电和失电条件中需要功能指令的执行结果作为条件时，使用功能指令梯级建立输出线圈的得电和失电条件。
（5）画出各个输出线圈之间的互锁条件。
互锁条件可以避免同时发生互相冲突的动作，保证系统工作的可靠性。
（6）画保护条件。
保护条件可以在系统出现异常时，使输出线圈的动作保护控制系统和生产过程。
在设计梯形图程序时，要注意先画基本梯形图程序，当基本梯形图程序的功能能够满足工艺要求时，再根据系统中可能出现的故障及情况，增加相应的保护环节，以保证系统工作的安全。
根据以上要求绘制好梯形图后，将程序下载到PLC中，通过观察其输出端发光二极管的变化进行模拟调试，并根据要求进行修改，直到满足系统要求。
4.制作控制台和控制柜
以上步骤完成后，就可以制作控制台和控制柜了。
如果时间紧张，这一步可以和上述编制PLC程序的第（4）步同时进行。
在制作控制台与控制柜时要注意开关、按钮和继电器等器件规格和质量的选择。
设备的安装要注意屏蔽、接地和高压隔离等问题的处理。
5.现场调试
现场调试时整个控制系统完成的重要环节。
只有通过现场调试，才能发现控制回路和控制程序之间是否存在问题，以便及时调整控制电路和控制程序，适应控制系统的要求。
6.编写技术文件并现场试运行
经过现场调试后，控制电路和控制程序就基本确定了，即整个系统的硬件和软件就被确定了。
这时就要全面整理技术文件，包括整理电路图、PLC程序、使用及帮助文件。
到此整个系统的设计就完成了。
六、技能训练
应用PLC控制天塔之光电路的设计与调试
1．准备要求
设备：
一个开关SB，天塔之光电路板、PLC及其相应的电气元件等。
2．控制要求
隔灯闪烁：
首先L1、L2、L3、L4、L5亮1S后灭；接着L6、L7、L8、L9亮1S后灭；然后L1、L2、L3、L4、L5亮1S后灭。
如此循环下去。
如图4-5所示。
图4-5天塔之光
3．考核要求
（1）电路设计列出PLC控制I/O接口元件地址分配表，设计梯形图及PLC控制I/O接线图，根据梯形图列出指令表。
（2）程序输入及调试能操作计算机或编程器，正确地所编程序输入PLC，按控制要求进行模拟调试，达到设计要求。
（3）评价标准考核要求及评分标准如表4-3所示。
表4-3
考核项目
考核要求
配分
评分标准
扣分
得分
备注
电路设计
根据任务，设计主电路图，列出PLC控制I/O（输入/输出）元件地址分配表，根据加工工艺，设计梯形图及PLC控制I/O口接线图，根据梯形图，列出指令表
20
1.电路图设计不全或设计有错，每处扣2分
2.输入输出地址遗漏或搞错，每处扣1分
3.梯形图表达不正确或画法不规范，每处扣2分
4.接线图表达正确或画法不规范，每处扣2分
5.指令有错，每条扣2分
程序输入及调试
熟练操作PLC键盘，能正确地将所编程序输入PLC，按照被控设备的动作要求进行模拟调试，达到设计要求
20
1.不会熟练操作PLC键盘输入指令，扣2分
2.不会用删除、插入、修改等命令，每项扣2分
3.缺少1个动作功能，扣8分
时间
240分钟
提前正确完成，每5分钟加2分
超过规定时间，每5分钟扣2分
开始时间：
结束时间：
实际时间:
合计得分：
思考与练习
1．使用脉冲指令应注意什么问题？
2．简述PLC逻辑指令的功能。
任务二送料小车运动控制
一、任务目标
二、任务分析
在自动生产线上，常使用有轨小车来转运工序之间的物件。
小车的驱动通常采用电机拖动，其行驶示意图如图4—6所示。
电机正转小车前进，电机反转小车后退。
对小车运行的控制要求为：
小车从原位A出发驶向l号位，抵达后立即返回原位：
接着直向2号位，到达后立即返回原位；第三次出发一直驶向3号位，到达后返回原位。
必要时，像上述一样小车出发三次运行一个周期后能停下来；根据需要小车也能重复上述过程，不停地运行下去，直到按下停止按钮为止。
图4—6小车运动示意图
分析控制要求可知，系统的输入量有：
启、停按钮信号；1号位、2号位、3号位限位开关信号；连续运行开关信号和原位点限位开关信号。
系统的输出信号有：
运行指示和原点
指示输出信号：
前进、后退控制电机接触器驱动信号。
共需实际输入点数7个，输出点数
4个。
三、相关知识
移位寄存器的移位与复位指令（SFT/RST）
1．移位寄存器的构成
移位寄存器是由一组辅助继电器通过指令构成的，其电路结构如图4—7所示。
移位寄存器有三个输入端，指令与功能如下：
图4-7移位寄存器电路
（1）数据输入端
由OUT指令构成数据输入端。
移位寄存器首位的通/断状态，由连接数据输入端接点的通/断状态所决定，即图4—7中M100的通/断状态与X000的通/断状态一致。
（2）移位输入端
由SFT指令构成移位输入端。
SFT：
使移位寄存器中的内容作移位的指令。
当连接移位输入端的接点（图4-7中的X001）由断变通时，移位寄存器中的每一个辅助继电器的通断状态前移一位，如图4-8所示。
图4-8移位输入
（3）复位输入
由RST指令构成复位输入端。
当连接复位输入端的接点（图4—6中的X002）接通时，除首位外，移位寄存器的其它辅助继电器全部断开，即复位（首位的状态仅由数据输入端的状态决定）。
2．移位寄存器的级联
如果需要多于16位的移位寄存器时，可以利用两个或两个以上的16位移位寄存器组合起来，如图4—9所示，后一级移位寄存器的程序应放在前面，用前级移位寄存器的末位输出作后级移位寄存器的数据输入。
图4—9移位寄存器的级联
四、任务实施
1.I/O点分配
根据任务分析，对输入量、输出量进行分配，见表4-4所示。
表4-4
输入量（IN）
输出量（OUT）
元件代号
功能
输入点
元件代号
功能
输出点
SB1
启动按钮
X000
KM1
原点指示
Y000
SB2
停止按钮
X001
KM2
运行指示
Y001
SQ0
原位点号位限位开关
X002
KM3
前进
Y002
SQ1
1号位限位开关
X003
KM4
后退
Y003
SQ2
2号位限位开关
X004
SQ3
3号位限位开关
X005
S
连续运行开关
X006
2.绘制PLC硬件接线图
根据图4-6所示及I/O分配表，绘制PLC硬件接线图，如图4-10所示，以保证硬件接线操作正确。
图4-10PLC硬件接线图
3．设计梯形图程序及语句表
设计梯形图程序及语句表如图4-11所示。
（a）梯形图（b）语句表
图4-11梯形图程序及语句表
五、知识链接
PLC通信网络简介
在PLC及其网络中存在两类通信：
一类是并行通信，另一类是串行通信，并行通信一般发生在可编程序控制器的内部，它指的是多处理器PLC中多台处理器之间的通信，以及PLC中CPU单元与智能模板的CPU之间的通信。
前者是在协处理器的控制与管理下，通过共享存储区实现多处理器之间的数据交换；后者则是经过背板总线（公用总线）通过双口RAM实现通信。
PLC的并行通信由于发生在PLC内部，对应用设计人员不必多加研究，重要的是了解PLC网络中的串行通信。
网络是由几级子网复合而成，每级子网中都配置不同的协议，其中大部分是各公司的专用通信协议。
各级子网的通信过程是由通信协议决定的，从根本上讲，要搞清楚某级子网的通信就必须彻底剖析它采用的通信协议。
网络的各级子网无论采用总线结构、还是环形结构，他的通信介质是共享资源。
挂在共享介质上的各站要想通信，首先要解决共享通信介质使用权的分配问题，这就是常说的存取控制或称访问控制。
一个站取得了通信介质使用权，并不等用完成了通信过程，还有怎样传送数据的问题，这就是常说的数据传送方式，比如说采用的数据传送方式是否先建立一种逻辑连接，然后再传送？
所采用的数据传送方式发给对方的数据是否要对方应答？
发出去的数据是由一个站收，或者多个站收，还是全体接收？
诸如此类就是所谓的数据传送方式。
工业局域网对实时性是有要求的，各级子网对实时性的的要求不同，通常越靠底层的子网对实时性要求越高，越靠近上层的子网对实时性的要求越低。
PLC网络中，各站通过通信子网互联在一起，当某站对子网请求通信时，他对响应的时间是有要求的，不同站对实时性的要求可能不同，同一站不同通信任务对实时性的要求也可能不同。
一项通信任务的实时性得到满足是指其响应时间小于规定的时限；一个站的实时性合乎要求是指该站提出的所有通信任务在指定的时限内都能获得响应。
整个通信子网的实时性符合要求是指分布在子网上每一个站的每项通信任务的实时性均得到保证。
PLC通信网络与PLC控制网络的区别
PLC网络包括PLC控制网络与PLC通信网络，这两种网络的功能是不同的。
PLC控制网络是指只传送ON/OFF开关量，且一次传送的数据量较少的网络。
例如，PLC的远程I/O控制。
这种网络的特点是PLC虽然远离控制设备，但对开关量控制如同自身的一样，简单方便。
PLC通信网络又称高速数据公路，此网络既可传送开关量又可传送数字量，且数据量较大。
其类似与普通局域网，如西门子的SINEC-H1网。
六、技能训练
应用PLC控制三台电动机的起动和停止电路的设计与调试
1．准备要求
设备：
一个启动按钮SB1，一个停止按钮SB2，一个急停按钮SB3和三台电动机M1、M2、M3及其相应的元件等，
2．控制要求
（1）当急停按钮SB3断开时，正常起动电动机。
第一次按启动按钮SB1，M1起动正常运行；第二次按启动按钮SB1，M2起动正常运行；第三次按启动按钮SB1，M3起动正常运行。
至此3台电动机全部起动正常运转。
（2）这时第一次按停止按钮SB2，先停止M3，其它电动机照常运行；第二次按停止按钮SB2，再停止M2；第三次按停止按钮SB2，停止M1；至此3台电动机全部停止运行。
（3）当急停按钮SB3接通时，所有电动机都停止运行，启动无效。
3．考核要求
（1）电路设计列出PLC控制I/O接口元件地址分配表，设计梯形图及PLC控制I/O接线图，根据梯形图列出指令表。
（2）程序输入及调试能操作计算机或编程器，正确地所编程序输入PLC，按控制要求进行模拟调试，达到设计要求。
（3）评价标准考核要求及评分标准如表4-5所示。
表4-5
考核项目
考核要求
配分
评分标准
扣分
得分
备注
电路设计
根据任务，设计主电路图，列出PLC控制I/O（输入/输出）元件地址分配表，根据加工工艺，设计梯形图及PLC控制I/O口接线图，根据梯形图，列出指令表
20
1.电路图设计不全或设计有错，每处扣2分
2.输入输出地址遗漏或搞错，每处扣1分
3.梯形图表达不正确或画法不规范，每处扣2分
4.接线图表达正确或画法不规范，每处扣2分
5.指令有错，每条扣2分
程序输入及调试
熟练操作PLC键盘，能正确地将所编程序输入PLC，按照被控设备的动作要求进行模拟调试，达到设计要求
20
1.不会熟练操作PLC键盘输入指令，扣2分
2.不会用删除、插入、修改等命令，每项扣2分
3.缺少1个动作功能，扣8分
时间
240分钟
提前正确完成，每5分钟加2分
超过规定时间，每5分钟扣2分
开始时间：
结束时间：
实际时间:
合计得分：
思考与练习
1．移位寄存器指令的构成是怎样的？
2．移位指令的基本功能是什么？
3．利用移位指令设计一个彩灯控制程序，共9盏彩灯，每隔1，点亮一盏，全亮后闪烁3全灭。
全灭后重复前面的循环过程，直到按下停止按钮，所有灯全部熄灭。
任务三液体自动混合装置的控制
一、任务目标
二、任务分析
图4-12所示为两种液体自动混合搅拌控制系统示意图，SL1、SL2、SL3为液面传感器，液面淹没时接通，液体A、B流量阀与混合液流量阀由电磁阀YV1、YV2、YV3控制，M为搅拌电动机。
具体控制要求如下：
图4-12两种液体自动混合搅拌控制系统示意图
1．初始状态
容器为空时，YV1、YV2、YV3均为OFF，液面传感器SL1、SL2、SL3均为OFF，搅拌电动机M为OFF。
2．启动运行
按下启动按钮SB1，系统控制要求如下：
（1）液体A阀门打开，液体A流入容器，当液面到达SL2时，SL2接通，关闭液体A阀门，打开液体B阀门。
（2）当液面到达SL1时关闭液体B阀门，搅拌电动机M开始搅拌，
（3）搅拌电动机工作1分钟后停止，混合液体阀门打开，开始放出混合液体。
（4）当液面下降到SL3时，SL3由接通变为断开，再过20秒后，容器放空，混合液阀门关闭，开始下一周期。
3．停止操作
按下停止按钮SB2，系统完成当前工作周期后停在初始状态。
三、相关知识
1．脉冲输出指令（见项目四任务一）。
2．置位、复位指令（见项目三任务四）。
四、任务实施
1.I/O点分配
根据任务分析，对输入量、输出量进行分配，见表4-6所示。
表4-6
输入量（IN）
输出量（OUT）
元件代号
功能
输入点
元件代号
功能
输出点
SB1
启动按钮
X000
KM1
电磁阀YV1线圈
Y000
SB2
停止按钮
X001
KM2
电磁阀YV2线圈
Y001
SL1
液面传感器
X002
KM3
电磁阀YV3线圈
Y002
SL2
液面传感器
X003
KM4
搅拌电动机M线圈
Y003
SL3
液面传感器
X004
2.绘制PLC硬件接线图
根据图4-12所示及I/O分配表，绘制PLC硬件接线图，如图4-13所示，以保证硬件接线操作正确。
图4-13PLC硬件接线图
3．设计梯形图程序及语句表
设计梯形图程序及语句表如图4-14、图4-15所示。
图4-14梯形图程序
图4-15语句表
五、知识链接
FX系列PLC专用协议通信指令一览
BR以1点为单位，读出位元件的状态
WR以16点为单位，读出位元件的状态，或以1字为单位，读出字元件的值
BW以1点为单位，写入位元件的状态
WW以16点为单位，写入位元件的状态，或以1字为单位，写入值到字元件
BT以1点为单位，SET/RESET 位元件
WT以16点为单位，SET/RESET 位元件，或写入值到字元件
RR控制PLC运行RUN
RS控制PLC停止STOP
PC读出PLC设备类型
TT连接测试
注：
位元件包括X,Y,M,S以及T,C的线圈等；
字元件包括D,T,C,KnX,KnY,KnM等
六、技能训练
应用PLC控制全自动洗衣机控制程序的设计与调试
1．准备要求
设备：
一个启动按钮SB1，一个停止按钮SB2，一个水位选择开关和一台电动机及其相应的元件等，
2．控制要求
（1）按下启动按钮及水位选择开关，注水直到高水位，关水。
（2）2s后开始洗涤。
洗涤时，正转30s，停2s，然后反转30s，停2s。
（3）如此循环5次，总共320s后开始排水，排空后脱水30s。
（4）重复第2、3项，清洗两遍。
（5）清洗完成，报警3s并自动停机。
（6）如按下停车按钮，可手动排水（不脱水）和手动脱水（不计数）。
3．考核要求
（1）电路设计列出PLC控制I/O接口元件地址分配表，设计梯形图及PLC控制I/O接线图，根据梯形图列出指令表。
（2）程序输入及调试能操作计算机或编程器，正确地所编程序输入PLC，按控制要求进行模拟调试，达到设计要求。
（3）评价标准考核要求及评分标准如表4-7所示。
表4-7
考核项目
考核要求
配分
评分标准
扣分
得分
备注
电路设计
根据任务，设计主电路图，列出PLC控制I/O（输入/输出）元件地址分配表，根据加工工艺，设计梯形图及PLC控制I/O口接线图，根据梯形图，列出指令表
20
1.电路图设计不全或设计有错，每处扣2分
2.输入输出地址遗漏或搞错，每处扣1分
3.梯形图表达不正确或画法不规范，每处扣2分
4.接线图表达正确或画法不规范，每处扣2分
5.指令有错，每条扣2分
程序输入及调试
熟练操作PLC键盘，能正确地将所编程序输入PLC，按照被控设备的动作要求进行模拟调试，达到设计要求
20
1.不会熟练操作PLC键盘输入指令，扣2分
2.不会用删除、插入、修改等命令，每项扣2分
3.缺少1个动作功能，扣8分
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