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1、第第7章章PLC控制系统设计与应用实例控制系统设计与应用实例7.17.1PLCPLC控制系控制系统设计的内容和步的内容和步骤7.27.2PLCPLC控制系控制系统的硬件配置的硬件配置7.37.3PLCPLC控制系控制系统梯形梯形图程序的程序的设计7.47.4顺序控制梯形序控制梯形图的的设计方法方法7.57.5PLCPLC在工在工业控制系控制系统中的典型中的典型应用用实例例7.1PLC控制系统设计的内容和步骤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7.1.1PLC控制系统设计的内容控制系统设计的内容1)1)分析控制对象、明确设计任务和要求是整个
2、设计的分析控制对象、明确设计任务和要求是整个设计的依据。依据。2)2)选定选定PLCPLC的型号及所需的输入的型号及所需的输入/输出模块，对控制系输出模块，对控制系统的硬件进行配置。统的硬件进行配置。3)3)编制编制PLCPLC的输入的输入/输出分配表和绘制输入输出分配表和绘制输入/输出端子接输出端子接线图。线图。4)4)用编程语言用编程语言(常用梯形图常用梯形图)进行程序设计。进行程序设计。5)5)设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件。设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件。6)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。7.1.2PLC控制系统设计的步骤控制系统设
3、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.技术文件编制图7-1PLC控制系统设计的步骤7.2PLC控制系统的硬件配置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7.2.1PLC机型的选择机型的选择考虑以下几方面的要求要求：u 性能与任务相适应；u PLC的处理速度应满足实时控制的要求；u PLC机型尽可能统一；u 指令系统。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，选用小型对控制速度要求不高的开关量控制系统，选用小型PLCPLC；对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用
4、系统，应对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，应选用带有选用带有A/DA/D转换的模拟量输入模块和带转换的模拟量输入模块和带D/AD/A转换的模拟输出模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能较强的小型PLCPLC；西门子公司的西门子公司的S7-200S7-200、S7-1200PLCS7-1200PLC在进行小型数字、模拟混在进行小型数字、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。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
5、统，如需要对于比较复杂、控制功能要求较高的应用系统，如需要PIDPID调调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC PLC，如，如西门子公司的西门子公司的S7-300S7-300、S7-400S7-400。2.提高PLC快速响应的几点措施1)1)选择选择CPUCPU速度比较快的速度比较快的PLCPLC，使执行一条基本指令的，使执行一条基本指令的时间不超过时间不超过0.5s0.5s。2)2)优化应用软件，缩短扫描周期。优化应用软件，缩短扫描周期。3)3)采用高速响应模块，其响应的时间不受采用高速响应模块，其响应的时间不受PLCPLC周期的
6、周期的影响，而只取决于硬件的延时。影响，而只取决于硬件的延时。3.PLC机型尽可能统一 一个大型企业，应尽量做到机型统一；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；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，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可把控制各独立系统的多台PLCPLC连成一个连成一个多级分布式控
7、多级分布式控制制系统，相互通信，集中管理。系统，相互通信，集中管理。4.指令系统1)1)指令系统的总语句数。指令系统的总语句数。2)2)指令系统种类。指令系统种类。3)3)指令系统的表达方式。指令系统的表达方式。4)4)应用软件的程序结构。（有模块化和子程序式）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；（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）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。学运算指令、逻
8、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：选择机型时，从指令方面注意以下几点：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1.开关量输入模块的选择1)1)选择工作电压等级选择工作电压等级 根据现场检测元件和模块之间的距离来选择根据现场检测元件和模块之间的距离来选择2)2)选择模块密度选择模块密度 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)3)门坎电平门坎电平 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。门坎电平越
9、大，抗干扰能力越强，传输距离越远。2.开关量输出模块的选择1)1)输出方式的选择：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；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晶体管输出方式：开关频率高的直流负载2)2)输出电流的选择：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；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
10、；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。接通点数的电流和必须小于公共端允许通过的电流值。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1.模拟量输入模块的选择1)1)模拟量值的输入范围模拟量值的输入范围 电压信号：电压信号：0 05V,05V,010V,-510V,-55V5V等等 电流信号：电流信号：0 020mA,420mA,420mA20mA等等2)2)模拟量输入模块的分辨率、输入精度、转换时间等参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；数指标应符
11、合具体的系统要求；3)3)应用中要注意抗干扰措施应用中要注意抗干扰措施方法：方法：模块和电源保持一定距离；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；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。采用一定的补偿措施，减少环境变化对信号的影响。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模拟量输出模块的输出类型有电压输出和电流输出两种，两种，输出范围：输出范围：0 010V10V、10V10V10V10V、0 020mA20mA等；等；模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模
12、拟量输入模块的情况类似；等都与模拟量输入模块的情况类似；S7-200 PLCS7-200 PLC提供了各种模块，可根据实际需要选用提供了各种模块，可根据实际需要选用 EM231 4 EM231 4路模拟量输入模块、路模拟量输入模块、EM231 4 EM231 4路输入热电偶、路输入热电偶、EM231 2 EM231 2路热电阻路热电阻(RTD)(RTD)、EM232 2 EM232 2路模拟量输出模块、路模拟量输出模块、EM235 4 EM235 4输入输入/1/1输出组合。输出组合。7.2.4智能模块的选择 一般的智能模块包括一般的智能模块包括PROFIBUS-DPPROFIBUS-DP模块
13、模块(如如EM277EM277模块模块)、工业以太网模块、工业以太网模块(如如CP243-1CP243-1、CP243-1 IT)CP243-1 IT)、调制解调器模块调制解调器模块(如如EM241EM241模块模块)、定位模块、定位模块(如如EM253EM253模块模块)等。等。需要注意：一般智能模块价格比较昂贵，而有需要注意：一般智能模块价格比较昂贵，而有些功能采用一般些功能采用一般I/OI/O模块也可以实现，只是要增加软模块也可以实现，只是要增加软件的工作量，因此应根据实际情况决定取舍。件的工作量，因此应根据实际情况决定取舍。7.3PLC控制系统梯形图程序的设计控制系统梯形图程序的设计7
14、.3.1经验设计法经验设计法7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图顺序控制设计法与顺序功能图7.3.1经验设计法 依据：依据：根据被控对象对控制系统的具体要求，凭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选择基本环节，并把它们有机组合起来经验设计法的特点经验设计法的特点：n 其设计过程是其设计过程是逐步完善逐步完善的，一般不易获得最佳方的，一般不易获得最佳方案案n 程序初步设计后，还需程序初步设计后，还需反复调试反复调试、修改和完善，、修改和完善，直至满足被控对象的控制要求。直至满足被控对象的控制要求。设计方法不规范，没有一个普遍的规律可遵循，具设计方法不规范
15、，没有一个普遍的规律可遵循，具有一定的试探性和随意性有一定的试探性和随意性设计出的设计出的程序不唯一程序不唯一，其质量与设计者的经验有关，其质量与设计者的经验有关对于对于简单的系统简单的系统，用经验设计法进行设计，简单、，用经验设计法进行设计，简单、易行，可以收到明显的效果易行，可以收到明显的效果对于一些对于一些旧设备的改造旧设备的改造常采用经验设计法，借鉴原常采用经验设计法，借鉴原设备继电器控制电路图，并综合考虑设备继电器控制电路图，并综合考虑PLCPLC的特点的特点对于复杂的系统，由于联锁关系复杂，难于掌握，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，
16、使用、且设计周期较长，设计出的程序可读性差，使用、维护不便维护不便举例：例：电机的启机的启动和自和自锁 I/O分配分配表：表：对应的梯形图：对应的梯形图：图7-2运料小车控制系统7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图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顺序功能图举例步：步：将系统的一个工将系统的一个工作周期划分为若干个作周期划分为若干个顺序相连的阶段；顺序相连的阶段；初始步：初始步：与系统的初与系统的初始状态对应的步；始状态对应的步；用用M和和S来代表各个来代表各个步；步；(1)(1
17、)步与动作步与动作初始步：双初始步：双线方框表示线方框表示步用矩形步用矩形框表示框表示“活活动步步”“非活非活动步步”活动步活动步 ：步处于活动状态步处于活动状态（该过程正被执行）（该过程正被执行）非活动步非活动步 ：步处于非活动状态步处于非活动状态 （该步未被执行）（该步未被执行）与步相关的与步相关的动作（或命令）作（或命令）步处于活动状态时，该步内相应步处于活动状态时，该步内相应的动作（或命令）即被执行；反的动作（或命令）即被执行；反之，不被执行之，不被执行与相应步的矩形框相连与相应步的矩形框相连与步相关的动作与步相关的动作（或命令）（或命令）“非存非存储型型”“存存储型型”动作（或命令）
18、可分作（或命令）可分 ：n n“存储型存储型”：当步由活动转为不活动时，如果当步由活动转为不活动时，如果动作（或命令）继续保持它的状态动作（或命令）继续保持它的状态n n“非存储型非存储型”：当步由活动转为不活动时，如果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动作（或命令）返回到该活动步前的状态“点动电机点动电机M1”“非存储型非存储型”命令命令“启动电机启动电机启动电机启动电机M1M1并一直保持并一直保持并一直保持并一直保持”“存储型存储型存储型存储型”命令命令命令命令(2)2)有向有向连线 q步之间的进展，采用步之间的进展，采用有向连线有向连线表示，表示，它将步连接
19、到转换并它将步连接到转换并将转换连接到步。将转换连接到步。有向有向连线连线n步的进展按有向连线步的进展按有向连线规定的路线进行规定的路线进行n习惯进展的方向：习惯进展的方向：从上到下或从左到右从上到下或从左到右箭头表示步箭头表示步进展的方向进展的方向(3)3)转换和和转换条件条件 步与步之间由步与步之间由“转换转换”分隔；分隔；当两步之间的转换条件得到当两步之间的转换条件得到满足时，转换得以实现，即上满足时，转换得以实现，即上一步的活动结束而下一步的活一步的活动结束而下一步的活动开始；动开始；每个活动步持续的时间取决每个活动步持续的时间取决于步之间转换的实现。于步之间转换的实现。转换转换符号符
20、号转换条转换条件件例子：例子：要求要求M1M1起起动动30s30s后，后，M2M2自动自动起动，运行起动，运行15s15s后，后，M2M2停止，同时停止，同时M3M3自动起动，再运自动起动，再运行行45s45s后，电机全后，电机全部停止部停止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(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，如图换条件，每个转换条件后面仅有一步，如图7-4所示。所示。图7-4单序列结构(2)选择序列结构选择序列的开始称为选择序列的开始
21、称为分支分支。某一步的后面有几个步，。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；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选择序列的结束称为合并合并。几个选择序列合并到同一。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，如图换到同一个步，如图7-5b7-5b所示。所示。图7-5选择序列的分支与合并并行并行序列的序列的分支分支与与合并合并 满足满足满足满足b b b b条件，条件，条件，条件，12121212、14141414、18181818步同时被激活，成步同时被激活，成步同时被
22、激活，成步同时被激活，成为活动步为活动步为活动步为活动步当当当当13131313、15151515、17171717都为活动都为活动都为活动都为活动步，若满足步，若满足步，若满足步，若满足d d d d条件，则条件，则条件，则条件，则13131313等同时变为不活动步，等同时变为不活动步，等同时变为不活动步，等同时变为不活动步，18181818变为活动步变为活动步变为活动步变为活动步(3)并行序列结构并行序列的分支中只允许有一个转换条件，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，并并行序列的合并只允许有一个转换条件，并标在
23、水平双线之下。标在水平双线之下。步骤：步骤：1.1.首先根据系统的工艺流程，设计顺序功能图。首先根据系统的工艺流程，设计顺序功能图。2.2.然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。优点：优点：1.1.1.1.在顺序功能图中，步之间没有重叠。这使系统中大在顺序功能图中，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。量复杂的联锁关系在步的转换中得以解决。2.2.对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关对于每一步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。系。3.3.编程方法简单易学，规律性强。编程方法简单易学，规律性强。4.4.设计出的控制程序
24、结构清晰、可读性好；调试、运设计出的控制程序结构清晰、可读性好；调试、运行方便行方便3.顺序功能图法7.4顺序控制梯形图的设计方法7.4.17.4.1置位、复位指令置位、复位指令编程程7.4.27.4.2顺序控制序控制继电器指令器指令编程程7.4.37.4.3具有多种工作方式的具有多种工作方式的顺序控制梯形序控制梯形图设计方法方法 S7-200 PLC S7-200 PLC采用顺序功能图法设计时，可用采用顺序功能图法设计时，可用置位置位/复位复位(S/R)(S/R)指令、顺序控制继电器指令、顺序控制继电器(SCR)(SCR)指令、指令、移位寄存器移位寄存器(SHRB)(SHRB)指令等指令等实
25、现编程。实现编程。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。图7-7交通信号灯控制示意图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入信号输出信号
26、输出信号起动按钮起动按钮SB1I01南北红灯南北红灯HL1、HL2Q00停止按钮停止按钮SB2I02南北绿灯南北绿灯HL3、HL4Q04南北黄灯南北黄灯HL5、HL6Q05东西红灯东西红灯HL7、HL8Q03东西绿灯东西绿灯HL9、HL10Q01东西黄灯东西黄灯HL11、HL12Q02图7-8I/O接线图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图7-10交通信号灯梯形图程序东西向绿灯亮东西向绿灯亮25s后，后，1步结束，步结束，2步开始，绿灯灭步开始，绿灯灭2500.5s0.5s后，后，2 2步结束，步结束，3 3步开始，绿灯亮步开始，绿灯亮启动计数器启动计数器，要求闪，
27、要求闪烁烁3 3次次3 3次不到，次不到，0.5s0.5s后，后，2 2步开始，步开始，3 3步结束步结束3 3次到了，次到了，0.5s0.5s后，后，4 4步开始，步开始，3 3步结束，黄步结束，黄灯亮灯亮2s2s后，后，4 4步结束，步结束，5 5步步开始，红灯亮开始，红灯亮30s30s后，后，5 5步结束，步结束，1 1步开始，循环步开始，循环东西绿灯东西绿灯东西黄灯东西黄灯东西红灯东西红灯停止停止7.4.2顺序控制继电器指令编程顺序控制继电器指令编程深孔钻组合机床深孔钻组合机床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1.深孔钻
28、组合机床控制要求 刀具进退与行程开关示刀具进退与行程开关示意图如图意图如图7-11所示。所示。在起始位置在起始位置O点时，行点时，行程开关程开关SQ1被压合，按起动被压合，按起动按钮按钮SB2，电动机正转起动，电动机正转起动，刀具前进。退刀由行程开关刀具前进。退刀由行程开关控制，当动力头依次压在控制，当动力头依次压在SQ3、SQ4、SQ5上时电动机上时电动机反转，刀具会自动退刀，退反转，刀具会自动退刀，退刀到起始位置时，刀到起始位置时，SQ1被压被压合，退刀结束，又自动进刀，合，退刀结束，又自动进刀，直到三个过程全部结束。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2.I/O端子接
29、线图图7-12深孔钻控制I/O接线图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4.由顺序功能图设计梯形图图7-14深孔钻控制梯形图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”表表7-3节日彩灯节日彩灯“步进单闪步进单闪”花式节拍输出分配表花式节拍输出分配表长针节长针节拍拍中间中间输出输出V20V2
30、1V22V23V24V25V26V27M10+M11+M12+M13+M14+M15+M16+M17+表7-4节日彩灯“奇偶跳变”花式节拍输出分配表长针节长针节拍拍中间中间输出输出V20V21V22V23V24V25V26V27M20+M21+M22+M23+M24+M25+M26+M27+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1.恒温控制的基本思路图7-25温度控制系统硬件示意图2.数据的变换与处理
31、(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2560
32、0.0使之成为0.01.0的过程变量(PVn)；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）本章小结本章小结 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。