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1、第七章第七章PLC的控制系统设计的控制系统设计学习目的：学习目的：学习学习PLC控制系统的设计方法，提高实际控制系统的设计方法，提高实际应用的能力。应用的能力。学习内容：学习内容：综合综合PLC硬件及软件知识，联系工业控制硬件及软件知识，联系工业控制的实际，介绍小型的实际，介绍小型PLC控制系统设计方法。控制系统设计方法。学习要求：学习要求：（1）了解）了解PLC控制系统设计的内容和步骤。控制系统设计的内容和步骤。（2）掌握）掌握PLC控制系统硬件配置的方法。控制系统硬件配置的方法。（3）掌握）掌握PLC应用程序设计方法及其设计技巧。应用程序设计方法及其设计技巧。（4）结合工业控制中的应用实例
2、的设计，）结合工业控制中的应用实例的设计，提高实际应用能力。提高实际应用能力。第一节第一节PLC控制系统设计的内容和步骤控制系统设计的内容和步骤 一、一、PLC控制系统设计的内容控制系统设计的内容（1）分析被控对象，明确设计任务和要求）分析被控对象，明确设计任务和要求（2）选择）选择PLC的型号及所需的输入的型号及所需的输入/输出模输出模块，配置系统硬件块，配置系统硬件（3）编制）编制PLC输入输入/输出分配表和绘制输入输出分配表和绘制输入/输出端子接线图输出端子接线图（4）根据系统对控制的要求设计用户程序）根据系统对控制的要求设计用户程序（5）设计操作台、电气柜，选择所需的电）设计操作台、电
3、气柜，选择所需的电器元件器元件（6）编写设计说明书和操作使用说明书）编写设计说明书和操作使用说明书二、二、PLC控制系统设计的步骤控制系统设计的步骤图图7-1PLC控制控制系统设计步骤系统设计步骤第二节第二节PLC控制系统的硬件配置控制系统的硬件配置一、选择一、选择PLC机型机型在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，如西门子、三菱、松下、欧姆龙、如西门子、三菱、松下、欧姆龙、LG、ABB等。等。（一）（一）I/O点数的估算：预留点数的估算：预留2030的备用量；的备用量；（二）用户存储器容量的估算：（二）用户存储器容量的估算
4、：开关量输入元件：开关量输入元件：1020B/点；点；开关量输出元件：开关量输出元件：510B/点；点；定时器定时器/计数器：计数器：2B/点；点；模拟量：模拟量：100150B/点；点；通信接口：一般一个接口需要通信接口：一般一个接口需要300B以上；以上；增加增加25左右的备用量。左右的备用量。（三）（三）CPU功能与结构的选择功能与结构的选择1、功能与任务相适应、功能与任务相适应2、PLC的处理速度满足实时控制的要求的处理速度满足实时控制的要求3、PLC结构合理、机型统一结构合理、机型统一4、在线编程和离线编程的选择、在线编程和离线编程的选择二、开关量二、开关量I/O模块的选择模块的选择
5、（一）开关量输入模块的选择（一）开关量输入模块的选择 输入点数、工作电压、接线方式（输入点数、工作电压、接线方式（汇点输入、分隔输入汇点输入、分隔输入）（二）开关量输出模块的选择（二）开关量输出模块的选择 继电器输出方式（交直流）、晶闸管输出方式（交流）、继电器输出方式（交直流）、晶闸管输出方式（交流）、晶体管输出方式（直流）晶体管输出方式（直流）三、模拟量三、模拟量I/O模块的选择模块的选择（一）模拟量输入模块（一）模拟量输入模块 单极性单极性010V，05V；双极性双极性5V5V，2.5V2.5V电流信号电流信号:020mA,420mA（二）模拟量输出模块（二）模拟量输出模块 电压输出为电
6、压输出为10V10V，010V 电流输出为电流输出为020mA、420mA等。等。四、智能四、智能I/O模块的选择模块的选择 通信处理模块、高速计数模块、通信处理模块、高速计数模块、PID模块等模块等图图4-5直流输入模块直流输入模块端子接线图端子接线图图图4-7交流输入模块端子接线图交流输入模块端子接线图第三节第三节PLC控制系统应用程序的设计控制系统应用程序的设计一、应用程序设计的内容及步骤一、应用程序设计的内容及步骤（一）程序设计的主要内容（一）程序设计的主要内容二、应用程序的设计方法二、应用程序的设计方法（一）经验设计法（一）经验设计法 经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较
7、经验设计法要求设计者具有较丰富的实践经验，掌握较多的典型应用程序的基本环节。根据被控对象对控制系统的多的典型应用程序的基本环节。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，并把它们有机地组合起来。具体要求，凭经验选择基本环节，并把它们有机地组合起来。（二）程序设计步骤（二）程序设计步骤1、系统框图设计、系统框图设计2、分配、分配I/O编号编号3、设计应用程序、设计应用程序4、程序调试、程序调试5、编写程序说明书、编写程序说明书（二）顺序功能图法（二）顺序功能图法1 1顺序功能图顺序功能图 所谓顺序控制，是使生产过程按生产工艺的要求预先安排所谓顺序控制，是使生产过程按生产工艺的要求预先
8、安排的顺序自动地进行生产的控制方式。的顺序自动地进行生产的控制方式。（1）步：活动步、非活动步、初始步）步：活动步、非活动步、初始步（2）与步相关的动作（或命令）与步相关的动作（或命令）（3）有向连线）有向连线（4）转换和转换条件）转换和转换条件（1）（2）（3）（）（4）顺序功能图是顺序功能图是IEC标准规定的用于顺序控制的标准化语言；标准规定的用于顺序控制的标准化语言；以功能为主线，是设计以功能为主线，是设计PLC的顺序控制程序的重要工具。的顺序控制程序的重要工具。2、顺序功能图的基本结构、顺序功能图的基本结构图图7-2单序列结构单序列结构图图7-3选择序列的分支与合并选择序列的分支与合并
9、a）b）图图7-4并行序列的分支与合并并行序列的分支与合并a）b）图图7-5顺序功能图的顺序功能图的子步子步经经验验设设计计法法的的设设计计方方法法不不规规范范，没没有有一一个个普普遍遍的的规规律律可可以以遵遵循，具有一定的试探性和随意性。循，具有一定的试探性和随意性。由由于于联联锁锁关关系系复复杂杂，用用经经验验设设计计法法进进行行设设计计一一般般难难于于掌掌握握，且且设设计计周周期期较较长长，设设计计出出的的程程序序可可读读性性差差，即即使使有有经经验验的的工工程程师师阅阅读读它它也也很很费费时时。同同时时，给给日日后后产产品品的的使使用用、维维护护带带来来诸多不便。诸多不便。与经验设计法
10、相比，顺序功能图法有着明显的优势。与经验设计法相比，顺序功能图法有着明显的优势。3、顺序功能图法、顺序功能图法（1）顺序控制继电器（）顺序控制继电器（SCR）指令编程）指令编程1、SCR程序段的程序段的S位置位时，允许该程序位置位时，允许该程序段工作；段工作；2、SCRT指令一方面使当前激活的指令一方面使当前激活的SCR程程序段序段S位复位，以使该程序段停止工作，另位复位，以使该程序段停止工作，另一方面使下一个将要执行的一方面使下一个将要执行的SCR程序段程序段S位位置位；置位；3、SCRE指示一个指示一个SCR程序段结束。程序段结束。工作过程：工作过程：系统启动后在原位进系统启动后在原位进行
11、装料，行装料，15s后停止装料，小车右后停止装料，小车右行。右行至行。右行至SQ2处停止，进行卸处停止，进行卸料。料。10s后卸料停止，小车左行。后卸料停止，小车左行。图图77运料小车顺序功能图运料小车顺序功能图系统的工作过程分解为：系统的工作过程分解为：第一步装料第一步装料第二步右行第二步右行第三步卸料第三步卸料第四步左行第四步左行图图7-6运料小车运行示意图运料小车运行示意图图图7-8I/O接线图接线图表表71小车在原位小车在原位装料装料15s小车右行小车右行卸料卸料10s小车左行小车左行停车后返回初始状态停车后返回初始状态（2）置位、复位（）置位、复位（S、R）指令编程）指令编程图图7-
12、10步进控制程序功能图步进控制程序功能图（3）移位寄存器（）移位寄存器（SHRB）指令编程）指令编程图图7-14四台电动机顺序启动四台电动机顺序启动I/O接线图接线图表表7-3图图7-13四台电机顺序启动的四台电机顺序启动的顺序功能图顺序功能图四台电动机顺序起动，同时停止。四台电动机顺序起动，同时停止。（1 1）输输入入“继继电电器器”的的状状态态由由外外部部输输入入设设备备的的开开关关信信号号驱动，程序不能随意改变它。驱动，程序不能随意改变它。（2 2）梯梯形形图图中中同同一一编编号号的的“继继电电器器线线圈圈”只只能能出出现现一一次次，通常不能重复使用，但是它的接点可以无限次地重复使用。通
13、常不能重复使用，但是它的接点可以无限次地重复使用。下列情况允许出现双线圈输出：下列情况允许出现双线圈输出：1 1）置位和复位指令；）置位和复位指令；2 2）在用顺序功能图法设计的控制程序中。）在用顺序功能图法设计的控制程序中。三、梯形图程序编写规则三、梯形图程序编写规则图图7-16梯形图的合理画法梯形图的合理画法（不合理）（不合理）（3）几个串联支路相并联，）几个串联支路相并联，应将触点多的支路安排在上面应将触点多的支路安排在上面；几个并联回路的串联，几个并联回路的串联，应将并联支路数多的安排在左面应将并联支路数多的安排在左面。按此。按此规则编制的梯形图可减少用户程序步数、缩短程序扫描时间，规
14、则编制的梯形图可减少用户程序步数、缩短程序扫描时间，如下图所示。如下图所示。（合理）（合理）图图7-18复杂电路修改后画成的梯形图复杂电路修改后画成的梯形图（4）程序的编写按照从左到右，从）程序的编写按照从左到右，从上到下的顺序。一个梯形始于左母上到下的顺序。一个梯形始于左母线，终于右母线。线圈与右母线直线，终于右母线。线圈与右母线直接相连（接相连（S7-200绘图时，将右母线绘图时，将右母线省略省略）。）。修改前修改前图图7-17桥式电路修改后桥式电路修改后画成的梯形图画成的梯形图修改后修改后（1 1）先编制）先编制I/OI/O分配表，后设计梯形图分配表，后设计梯形图（2 2）合合理理排排列
15、列梯梯形形图图，使使输输入入、输输出出响响应应滞滞后后现现象象不不影影响响实实际际响应速度。响应速度。四、程序设计过程中应注意的几个问题四、程序设计过程中应注意的几个问题图图7-19PLC的重大安全部分的重大安全部分作硬件处理作硬件处理（3）高高速速计计数数器器指指令令、高高速速脉脉冲冲输输出出指令尽量放在整个用户程序的前部。指令尽量放在整个用户程序的前部。（4）在）在PLC输入端子接线图中，对于输入端子接线图中，对于同一个发信元件通常只需选其中某一接同一个发信元件通常只需选其中某一接点（例常开接点或常闭点）接入输入端点（例常开接点或常闭点）接入输入端子，即对一个发信元件它只能占一个输子，即对
16、一个发信元件它只能占一个输入地址编号。入地址编号。（5）从安全考虑，重大安全部分不接）从安全考虑，重大安全部分不接入入PLC的输入端而作硬件处理。的输入端而作硬件处理。第四节第四节 PLCPLC应用程序基本环节及设计技巧应用程序基本环节及设计技巧一、一、PLC应用程序基本环应用程序基本环节节（一）电机的启动与停止控制程序（一）电机的启动与停止控制程序表7-4图图7-21停止优先梯形图停止优先梯形图图图7-22起动优先梯形图起动优先梯形图同时按下起动和停止按钮，停止优先同时按下起动和停止按钮，停止优先（二）具有点动调整功能的电机启、停控制程序（二）具有点动调整功能的电机启、停控制程序表表7-5说
17、明：说明：该程序中运用了该程序中运用了PLC的的周期循环扫描工作方式造成的周期循环扫描工作方式造成的输入、输出延迟响应来达到先输入、输出延迟响应来达到先断后合的效果的。断后合的效果的。（三）电机的正、反转控制程序（三）电机的正、反转控制程序采用定时器采用定时器T33、T34分别作为正转、分别作为正转、反转切换的延迟时间，从而防止了切换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。时发生电源短路故障。（四）大功率电机的（四）大功率电机的Y-起动控制程序起动控制程序图图7-27电动机星电动机星三角减压三角减压起动控制的起动控制的I/O接线图接线图t1为起动时间，为起动时间，t3为电源接通时
18、为电源接通时间，间，t4切换为延迟时间。切换为延迟时间。（五）通电禁止输出程序（五）通电禁止输出程序（六）闪烁控制程序（六）闪烁控制程序 在复电时，有些设备是不允在复电时，有些设备是不允许立即恢复工作的，不然会发生许立即恢复工作的，不然会发生严重事故。严重事故。SM0.3SM0.3接通一个扫描周期。接通一个扫描周期。（七）定时器、计数器的扩展（七）定时器、计数器的扩展1、定时器串联扩展计时范围、定时器串联扩展计时范围2、定时器、计数器串联扩展计时范围、定时器、计数器串联扩展计时范围图图7-31定时器串联使用定时器串联使用图图7-32定时器计数器串联使用定时器计数器串联使用从从I2.0接通后到接
19、通后到Q2.0有输出，共延时有输出，共延时T(3000030000)0.1s6000sT3000.030000s9107s3、计数器串联扩展计数范围、计数器串联扩展计数范围 若输入信号若输入信号I0.3是一个光电是一个光电脉冲，从第一个工件产生的光电脉冲，从第一个工件产生的光电脉冲，到输出线圈脉冲，到输出线圈Q3.0有输出，有输出，共计数共计数N30000300009108个工件。个工件。图图7-33数器串联使用数器串联使用二、应用程序的设计技巧二、应用程序的设计技巧（一）减少输入点的方法（一）减少输入点的方法1、用二极管隔离的分组输入法、用二极管隔离的分组输入法转换开关转换开关SA选择自动（
20、位置选择自动（位置2）和手）和手动（位置动（位置1）的工作位置；二极管的）的工作位置；二极管的作用是避免产生寄生电路。作用是避免产生寄生电路。2、触点合并式输入法、触点合并式输入法将具有相同性质和功能的输入电将具有相同性质和功能的输入电串联或并联后再输入串联或并联后再输入PLC输入端。输入端。3、单按起、停控制程序、单按起、停控制程序（二）减少输出点的方法（二）减少输出点的方法注意两个输出负载电流总和不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。能大于输出端子的负载能力。现有四台电动机现有四台电动机M1、M2、M3、M4，要求四台电动机顺序，要求四台电动机顺序启动和顺序停车。启动时的顺
21、序为启动和顺序停车。启动时的顺序为M1M2M3M4，时，时间间隔为间间隔为1分钟。停车的时间间隔为分钟。停车的时间间隔为30秒。可选用秒。可选用S7-200PLC（CPU222）进行控制。）进行控制。二、四台电动机顺序启、停控制二、四台电动机顺序启、停控制第五节第五节PLC在工业控制中的应用在工业控制中的应用输输入信号入信号停止按停止按钮钮SB1I0.0起起动动按按钮钮SB2I0.1输输出信号出信号接触器接触器KM1Q0.0接触器接触器KM2Q0.1接触器接触器KM3Q0.2接触器接触器KM4Q0.3顺序功能图顺序功能图起动电动机起动电动机M1初始状态，置初始状态，置S1.1=1起动电动机起动
22、电动机M2起动电动机起动电动机M3起动电动机起动电动机M4停止电动机停止电动机M1按停止按钮后，转换到按停止按钮后，转换到SCR（S1.5）段）段停止电动机停止电动机M2停止电动机停止电动机M3停止电动机停止电动机M4三、四台电动机的顺序起、停控制（二）三、四台电动机的顺序起、停控制（二）现有现有4台电动机台电动机M1、M2、M3、M4，要求要求4台电动机顺序起动和顺序停车。台电动机顺序起动和顺序停车。起动时顺序为起动时顺序为M1M2M3M4，时间间隔为时间间隔为1min。停车时的顺序为。停车时的顺序为M4M3M2M1，时间间隔为，时间间隔为30秒。秒。要求：用移位寄存器（要求：用移位寄存器（
23、SHRB）指令）指令设计梯形图。设计梯形图。系统清系统清0程序程序启动启动/停止控制停止控制首次扫描时首次扫描时SM0.1=1，M0.0、M0.1、VB100清零（初始状态）清零（初始状态）按起动按钮（按起动按钮（I0.1）后，）后，M0.01按停止按钮（按停止按钮（I0.0）后，）后，M0.11M0.11，程序跳转到入口，程序跳转到入口0顺序起动控制程序顺序起动控制程序顺序起动电动机顺序起动电动机M1、M2、M3、M4顺序停止控制程序顺序停止控制程序顺序停止电动机顺序停止电动机M4、M3、M2、M1四、节日彩灯的四、节日彩灯的PLC控制控制表表7-11节日彩灯动作时序表节日彩灯动作时序表用用
24、PLC实现对节日彩灯的控制，结构简单、变幻形式多样、实现对节日彩灯的控制，结构简单、变幻形式多样、价格低。彩灯形式及变幻尽管花样繁多，但其负载不外乎价格低。彩灯形式及变幻尽管花样繁多，但其负载不外乎三种：长通类负载、变幻类负载及流水类负载。三种：长通类负载、变幻类负载及流水类负载。MW0=16#0001M0.0M0.7；M1.0M1.70.5s脉冲发生脉冲发生五、五、十字路口交通信号灯十字路口交通信号灯PLC控制控制（一）交通信号灯设置示意图（一）交通信号灯设置示意图（二）控制要求（二）控制要求 （1）按通起动按钮后，信号灯开始工作，）按通起动按钮后，信号灯开始工作，南北向红灯、东西向绿灯同时
25、亮。南北向红灯、东西向绿灯同时亮。（2）东西向绿灯亮）东西向绿灯亮25s后，闪烁后，闪烁3次次（1s/次），接着东西向黄灯亮，次），接着东西向黄灯亮，2s后后东西向红灯亮，东西向红灯亮，30s后东西向绿灯又亮后东西向绿灯又亮如此不断循环，直至停止工作。如此不断循环，直至停止工作。（3）南北向红灯亮）南北向红灯亮30s后，南北向绿灯亮，后，南北向绿灯亮，25s后南北向绿灯闪烁后南北向绿灯闪烁3次（次（1s/次），接次），接着南北向黄灯亮，着南北向黄灯亮，2s后南北向红灯亮后南北向红灯亮如此不断循环，直至停止工作。如此不断循环，直至停止工作。图图7-49交通信号灯交通信号灯设置示意图设置示意图（三）交通信号灯时序图（三）交通信号灯时序图（四）（四）I/O分配表及分配表及I/O接线图接线图表表7-12I/O分配表分配表（五）程序设计（五）程序设计