第四章 PLC控制系统的设计与故障诊断.docx

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第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

课程

可编程控制技术

班级

电气工程自动化

学期

5

课时

2h

累计课时

44h

累计课时

课程类型

理论，实验。

课程名称

（章、节）

第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

4.1PLC控制系统的设计

4.2PLC控制系统硬件设计方法

教学目的

要求

1.可编程序控制器系统设计的基本内容和步骤

2.系统总体方案设计.控制系统硬件设计方法

3.PLC及输入/输出模板的选择

4.供电系统设计

教学重点

总体方案设计。

.供电系统设计

教学难点

CPU及输入/输出模板的选择

主要教具

设备材料

多媒体教室、计算机投影、

可编程控制器S7-300/400，编程器/STEP7软件，

课后记

1．学生对实际场景概念很少。

想象能力不足；

2．应适当提供现场教学课，加强学员对控制系统的总体认识；

教案

教学内容

备注

第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

4.1PLC控制系统的设计

4.1.1可编程序控制器系统设计要求

1．最大限度地满足被控对象的控制要求。

设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

2．在保证控制系统的安全、可靠的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，满足控制要求。

3．考虑到生产的发展，工艺的改进及系统扩充，在选择可编程控制器的CPU模板及I/O模板时，应适当留有余量。

4.1.2PLC控制系统设计的基本内容

1．确定系统运行方式与控制方式。

PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。

在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。

2．选择用户输入设备（按钮、操作开关、限位开关、传感器等）、输出设备（继电器、接触器、信号灯等执行元件）以及由输出设备驱动的控制对象（电动机、电磁阀等）。

这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。

3．PLC的选择。

PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。

选择PLC应包括机型选择、容量选择、I／O模块选择、电源模块选择等。

4．分配I／0点，绘制I／0连接图，必要时还须设计控制台（柜）。

5．设计控制程序。

控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。

因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

6．编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I／0连接图、I／O地址分配表、控制软件。

幻灯片

S7-300/400

项目设计

系统文件

教学模型

教学课件

教案

教学内容

备注

4.1.3PLC控制系统的设计步骤

设计步骤框图

1．根据生产的工艺过程分析控制要求。

如需要完成的动作（动作顺序、动作条件、必须的保护和连锁等）、操作方式（手动、自动、连续、单周期、单步等）。

2．根据控制要求确定系统控制方案。

3．根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式。

4．根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备，据此确定PLC的I／0点数。

5．选择PLC。

分配PLC的I／O点，设计I／O连接图

6．进行PLC的程序设计，同时可进行控制台（柜）的设计和现场施工。

7．联机调试。

如不满足要求，再返回修改程序或检查接线，直到满足要求为止。

8．编制技术文件。

交付使用。

4.2PLC控制系统硬件设计方法

4.2.1应用系统总体方案设计

1．PLC控制系统类型

☞由PLC构成的单机控制系统。

☞由PLC构成的集中控制系统。

☞由PLC构成的分布式控制系统。

☞用PLC构成远程I／0控制系统。

2．系统的运行方式

☞手动运行方式。

☞半自动运行方式。

☞自动运行方式。

4.2.2系统硬件设计根据

1．工艺要求

2．设备状况

3．控制功能

4．I／0点数和种类

5．系统的先进性

幻灯片

S7-300/400

项目设计

系统文件

教学模型

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

4.2.3可编程序控制器的机型选择

1.CPU的功能

2.I/0点数

3.响应速度

4.指令系统

5.机型选择的其他考虑

4.2.4输入/输出模板的选择

1．数字量输入模块的选择

2．数字量输出模块的选择

3．模拟量模块的选择

4．智能I／0模块的应用选择

4.2.5系统硬件设计文件

1．系统硬件配置图

2．模块统计表

3．I／0硬件接口图及I／0地址表

4.2.6系统供电设计

1．供电系统的保护措施

2．电源模块的选择

4．I／0模块供电电源设计

5.系统接地设计

6.可编程序控制器供电系统设计

7.电缆设计和敷设

幻灯片

STEP7软件

S7-300/400

项目设计

系统文件

教学模型

教学课件

课堂练习

课程

可编程控制技术

班级

电气工程自动化

学期

5

课时

4h

累计课时

48h

教师

上课日期

课程类型

理论，实验。

课程名称

（章、节）

第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

4.3程序设计与调试

4.4PLC系统的现场调试

教学目的

要求

1，线性化编程；分部编程以及结构化编程。

2，PLC系统的现场调试。

（信号模拟，寻找/替换与换线，变量监控与修改，输出/输入强制）

教学重点

分部编程以及结构化编程。

变量监控与修改.

教学难点

输出/输入强制

主要教具

设备材料

多媒体教室、计算机投影、PLC实训室。

可编程控制器S7-300/400，编程器/STEP7软件。

课后记

1.实训教学的效果不错，结合实际场景来锻炼学员的实际动手能力；

2.可以尝试项目教学法，让学员独立完成一个项目。

3．在今后的教学中应在加强多媒体课件的投入。

教案

教学内容

备注

4.3程序设计与调试

4.3.1程序结构设计

线性化编程；分部编程以及结构化编程（工业搅拌系统）。

被搅拌的对象要求如下：

1．当成分A（B）泵工作时要求：

1）成分A（B）的进料阀已开，出料阀已开；2）搅拌桶未满，搅拌的出料阀关闭；3）泵的驱动电机无故障，没有紧急停止动作。

2．拌电机工作时的条件：

1）搅拌桶未空，搅拌桶的出料阀关闭；2）搅拌马达无故障，紧急停止没有动作。

3．开排放阀的条件：

搅拌马达停止，紧急停止没有动作。

系统中的液位开关让操作者了解搅拌桶内的液位情况，并且提供输送泵和搅拌电机之间的连锁关系。

一、线性化编程

线性化编程就是将用户程序连续放置在一个指令块内，即一个简单的程序块内包含系统的所有指令。

线性化编程不带分支，通常是OB1程序按顺序执行每一条指令，软件管理的功能相对简单。

二、分部编程

分部式编程是把一项控制任务分成若干个独立的块，每个块用于控制一套设备或一系列工作的逻辑指令，而这些块的运行靠组织块OB内指令来调用。

三、结构化编程

结构化程序把过程要求的类似或相关的功能进行分类，并试图提供可以用于几个任务的通用解决方案。

向指令块提供有关信息（以参数形式），结构化程序能够重复利用这些通用模块。

控制软件分为五个功能块：

FC10功能块用于控制成分A的供料泵；

FC20功能块用于控制成分B的供料泵；

FC30功能块用于控制搅拌马达；

FC40功能块用于控制排料电磁阀；

FC50功能块用于控制操作站上的指示灯。

幻灯片

STEP7软件

西门子网站

项目设计。

测试

教学模型

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

4.4PLC系统的现场调试

4.4.1信号模拟

4.4.2寻找/替换与换线

幻灯片

STEP7软件

西门子网站

项目设计。

测试

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

4.4.3变量监控与修改

4.4.4输出/输入强制

幻灯片

STEP7软件

西门子网站

项目设计。

测试

教学课件

课堂练习

课程

可编程控制技术

班级

电气工程自动化

学期

5

课时

4h

累计课时

52h

教师

上课日期

课程类型

理论，实验。

课程名称

（章、节）

第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

4.5组织块OB及其应用

中断优先级。

控制中断。

日时钟中断（OB10）。

延时中断OB20。

循环中断OB35。

硬件中断（OB40）。

初始化模块（OB100）

教学目的

要求

1.掌握控制系统的设计与故障诊断方法

2.正确使用常用组织块

教学重点

循环中断OB35。

初始化模块（OB100）

教学难点

初始化模块程序设计

主要教具

设备材料

多媒体教室、计算机投影、PLC实训室

可编程控制器S7-300/400，编程器/STEP7软件，

课后记

1.采用课件和在线答疑的方式，对学员的学习起到更好的辅助作用；

2.应适当提供下厂观摩，加强学员对PLC系统的进一步认识；

3.可以尝试项目教学法，让学员独立完成一个项目。

教案

教学内容

备注

4.5组织块OB及其应用

4.5.1中断优先级

OB类型（优先级）

说明

OB1主程序循环

（1）

在上一循环结束时启动

OB10时间中断

（2）

在程序设置的日期和时间启动

OB20延时中断（3）

受SFC32控制启动，在一特定延时后运行

OB35循环中断（12）

运行在一特定时间间隔内（1ms-1min）

OB40硬件中断（16）

当检测到来自外部模块的中断请求时启动

OB80到OB87响应异步错误（26/启动时28）

当检测到模块诊断错误或超时错误时启动

OB100启动（27）

当CPU从STOP到RUN状态时启动

OB121，OB122响应同步错误（与被中断OB相同）

当检测到程序错误或接受错误时启动

4.5.2中断过程

系统检测到一个OB块中断时，则被中断块的累加器和寄存器上的当前信息将被作为一个中断堆栈存起来（I堆栈）。

I堆栈中保存的内容有：

☞累加器及地址寄存器的内容；

☞数据块寄存器的内容；

☞局部数据堆栈，状态字，MCR寄存器和B堆栈指针。

如果新的OB块调用FB和FC，则每一个块的处理数据将被存储堆栈中（B堆栈）

B堆栈中保存的内容有：

☞DB和DI寄存器；

☞临时数据（L堆栈）的指针；

☞块的号码及返回地址。

STEP7软件

西门子网站资料

项目设计

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

4.5.3控制中断

OB可以分为两类：

执行周期性工作的OB（日时钟中断）和响应错误的OB（错误中断）。

执行周期性工作的OB（日时钟中断）

在特定的日期或时间执行

从一个编程事件开始一段特定延时后执行

按特定周期循环执行

响应错误的OB（错误中断）

当CPU检测到一个过程/硬件错误时执行

当CPU检测到一个不依赖于程序指令的错误时执行

当CPU检测到一个与程序指令处理有关的错误时执行

4.5.4时间中断组织块

一、日时钟中断（OB10）

OB10可按下列间隔运行：

Once（一次）：

只在特定日期和时间执行一次。

Every　minute：

从特定日期和时间开始，每分钟执行一次。

Hourly：

从某一特定日期和时间开始，每小时执行一次。

Daily：

从某一特定日期和时间开始，每天执行一次。

Weekly：

从某一特定日期和时间开始，每周执行一次。

Monthly：

从某一特定日期和时间开始，每月执行一次。

Annually：

从某一特定日期和时间开始，每年执行一次。

OB10的起始时刻和间隔时间设置：

1.过定义OB10执行的起始时刻（日期和/或时间）和间隔时间对OB10进行配置。

2.通过S7组态工具配置CPU的日时钟的中断参数或者在程序中调用SFC28（SET-TINT）设置时间。

3.通过S7组态工具在CPU的日时钟中断参数块中选择激活项，

4.在程序中调用SFC30（ACT-TINT）来激活OB10。

OB10的应用

幻灯片

STEP7软件

硬件组态

项目设计

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

二、延时中断OB20

由调用SFC32启动．调用SFC32时要提供实参。

OB-NR延时中断OB的号码

DTIME延时长度（1至60000ms）

SIGN延时OB被调用时进入OB的启动信息标志器

RET-VALOB执行过程中发生错误时的错误代码

处理延时中断的SFC

SFC32SRT_TINT启动延时中断

SFC33CAN_DINT取消延时中断

SFC34QRY_TINT查询延时中断

OB20的应用

三、循环中断OB35

时间间隔由编程工具设置或修改（缺省值为100ms）。

范围从lms～lmin。

当允许循环中断时，OB35以固定的间隔循环运行。

当OB1运行到OB35设定的时间，OB35就执行一次。

使用OB35特性时，应保证设置的间隔值比OB35中程序的运行时间长，否则造成系统异常，操作系统将调用异步错误OB80。

OB35的应用

四、硬件中断（OB40）

响应来自不同模块（如I/O模块、CP模块或FM模块）发出的过程警告或硬件中断请求信号．

OB40运行时，操作系统不再接收其它硬件中断的请求．

对于可修改参数的模拟或数字模块，用编程工具来设定由哪个信号启动OB40．对于CP和FM，必须用与模块配套同时提供的软件设定．通过调用SFC，也能在程序运行时在线设定是否用某模块的硬件中断。

OB40的应用

系统配置模拟量输入模板时，用户可以设定测量值的允许范围，如果测量值超过这个界限，OB40将被调用执行。

该功能与OB1中的比较逻辑相似，但是它省略了在OB1中的控制程序，节约了循环扫描时间。

幻灯片

STEP7软件

西门子网站

项目设计

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

4.5.5．初始化模块（OB100）

当CPU的状态由停止态转入运行态时，操作系统都调用OB100。

当OB100运行结束后，操作系统调用OB1。

利用OB100先于OB1执行的特性，可以为用户主程序的运行准备初始变量或参数。

应用举例：

设置初始方向的电动机正反转控制程序。

程序要求：

一小车在B1至B2之间往返运行，每次启动后小车自动向B2方向前进。

B1与B2之外分别B3和B4作为运行保护。

幻灯片

STEP7编程

西门子网站

项目设计

教学课件

课堂练习

课程

可编程控制技术

班级

电气工程自动化

学期

5

课时

2h

累计课时

54h

教师

上课日期

课程类型

理论，实验。

课程名称

（章、节）

第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

4.6故障特性及故障诊断。

系统故障。

硬件故障．软件故障。

编程控制器的自诊断测试功能。

教学目的

要求

掌握PLC系统的故障分类及排除方法

利用STEP7软件的功能进行自诊断测试

教学重点

STEP7软件的功能进行自诊断测试

教学难点

与工业现场结合的程序分析

主要教具

设备材料

多媒体教室、计算机投影、PLC实训室

可编程控制器S7-300/400，编程器/STEP7软件，

课后记

1．结合编程界面来锻炼学员的实际动手能力；

2。

教学中应在加强故障设置及排除训练。

教案

教学内容

备注

4.6故障特性及故障诊断

4.6.1系统故障率曲线

1．早期故障期

2．随机故障期

3．耗损故障期

可编程控制器系统的故障分布

系统故障：

整个控制系统失效的总故障。

外部故障：

系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载等部分的故障。

内部故障：

可编程控制器本身的故障。

只有10%的故障发生在可编程控制器中。

90%的故障发生在I/O模板中，

要提高系统的可靠性，在系统设计中要注意外部设备的选择，在可编程序控制器中我们要提高I/O模板的维修能力，缩短平均维修时间。

幻灯片

教学课件

课堂练习

教案

教学内容

备注

4.6.2故障诊断知识

故障的分类

1．外部设备故障

外部设备就是与实际过程直接联系的各种开关、传感器、执行机构、负载等。

这部分设备发生故障，直接影响系统的控制功能。

2．系统故障

这是影响系统运行的全局性故障。

系统故障可分为固定性故障和偶然性故障。

故障发生后，可重新启动使系统恢复正常，则可认为是偶然性故障。

重新启动不能恢复而需要更换硬件或软件，系统才能恢复正常，则可认为是固定故障。

3．硬件故障

这类故障主要指系统中的模板（特别是I/O模板）损坏而造成的故障。

这类故障一般比较明显，影响局部。

4．软件故障

软件本身所包含的错误，主要是软件设计考虑不周，在执行中一旦条件满足就会引发。

在实际工程应用中，由于软件工作复杂、工作量大，因此软件错误几乎难以避免。

对于可编程控制器组成的控制系统而言，绝大部分故障属于上述四类故障。

根据这一故障分类，可以帮助分析故障发生的部位和产生的原因。

可编程控制器的自诊断测试

可编程序控制器具有极强的自诊断测试功能，在系统发生故障时要充分利用这一功能。

在进行自诊断测试时，都要使用诊断调试工具，也就是编程器。

利用系统功能进行诊断测试

利用可编程控制器本身所具有的各种功能，自行编制软件、采取一定措施、结合具体分析确定故障原因。

用户通过程序可以编辑组织块，来告诉CPU当出现故障时应如何处理，

如果相应的故障组织块OB没有编程，当出现该故障时，CPU转到“STOP”状态。

幻灯片

STEP7软件

西门子网站

项目设计

教学课件

课堂练习

课程

可编程控制技术

班级

电气工程自动化

学期

5

课时

2h

累计课时

56h

教师

上课日期

课程类型

理论教学

课程名称

（章、节）

第四章PLC控制系统的设计与故障诊断

4.7STEP7软件操作

教学目的

要求

全面掌握S7基本软件包的功能

熟悉各指令元素的输入/显示/修改及测试方法

教学重点

输入/显示/修改及测试

教学难点

程序修改及测试

主要教具

设备材料

多媒体教室、计算机投影、PLC实训室

可编程控制器S7-300/400，编程器/STEP7软件，

课后记

1．实训教学的效果不错，结合实际场景来锻炼学员的实际动手能力；

2．采用课件和在线答疑的方式，对学员的学习起到更好的辅助作用；

3．应适当提供下厂观摩课，加强学员对S7—200的进一步认识；

4．可以尝试项目教学法，让学员独立完成一个项目。

5．今后的教学中应在加强多媒体课件的投入。

教案

教学内容

备注

4.7故障诊断知识

1.建立项目文件及程序

建立新项目文件

选择Program/S7Program.建立程序

选择Insert/S7Block/Function建立“功能”

选择编程语言LAD/FBD/STL

STEP7软件的编程元素

输入/显示方式的转换

建立数据块

数据格式及示例

2.程序测试及诊断

信号状态监视（FBD）

信号状态监视（LAD）

状态变量监控与修改

建立PLC的符号地址表

3.硬件组态

SIMATICS7的硬件组态

S7-300PLC的可组态选件

选择CPU模板及信号模板等

确定MPI站地址

确定时钟存储器字节地址

建立PLC系统的MPI/DP/IE网络

插入PROFIBUS子站

幻灯片

STEP7软件

西门子网站

项目设计

教学课件

课堂练习