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1、第七章第七章 可编程控器的应可编程控器的应用系统设计用系统设计 7.1 应用系统设计步骤应用系统设计步骤 7.2 PLC应用系统的硬件设计应用系统的硬件设计 7.3 节省节省PLC I/O点数的方法点数的方法 7.4 应用实例应用实例 本章小结本章小结 习题与思考题习题与思考题 可编程控器由于具有高可靠性和应用的简便性，目前已广泛应用于机械制造、冶金、化工、水泥、汽车和轻工业。特别是在许多新建项目和设备的技术改造中，常常采用PLC作为控制装置。7.1 应用系统设计步骤应用系统设计步骤 PLC应用系统设计的基本原则应用系统设计的基本原则 任何一种控制系统都是为了实现生产设备或生产过程的控制要求和
2、工艺需要，以提高产品质量和生产效率。因此，在设计PLC应用系统时，应遵循以下基本原则：1.充分发挥充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对功能，最大限度地满足被控对象的控制要求。象的控制要求。2.在满足控制要求的前提下，力求使控制系统在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用及维修方便。简单、经济、使用及维修方便。3.保证控制系统安全、可靠。保证控制系统安全、可靠。4.考虑生产的发展和工艺的改进，在选择考虑生产的发展和工艺的改进，在选择PLC的型号、的型号、I/O点数和内存容量等内容时，应适当地留点数和内存容量等内容时，应适当地留有余量，以满足以后生产的发展和工艺改进的需要。有余量
3、，以满足以后生产的发展和工艺改进的需要。712 PLC控制系统设计的一般步骤控制系统设计的一般步骤 设计PLC应用系统时，首先是进行PLC的应用系统的功能设计，即根据被控对象的功能和工艺要求，明确系统必须要做的工作和因此必备的条件；然后进行PLC应用系统的功能分析，即通过分析系统功能，提出PLC控制系统的结构形式，控制信号的种类、数量，系统的规模、布局；最后根据系统分析的结果，具体确定PLC的机型和系统的具体配置。PLC控制系统设计可以按以下步骤进行：1熟悉被控对象及制定方案熟悉被控对象及制定方案 首先向有关工艺、机械设计人员和操作维修人员详细了解被控设备的工作原理、工艺流程、机械结构和操作方
4、法，了解工艺过程和机械运动与电气执行元件之间的关系和对控制系统的要求，了解设备运动要求、运动方式和步骤，在此基础上确定被控对象对PLC控制系统的控制要求，画出被控对象的工艺流程图，归纳出电气执行元件的动作节拍表（工作步骤）。2确定确定I/O设备设备 根据系统的控制要求，确定用户所需要的输入设备的数量及种类（如按钮、开关和传感器），明确各输入信号的特点（如开关量、模拟量、直流、交流、电压等级和信号幅度等），确定系统的输出设备的数量及种类（如接触器、电磁阀和信号灯等），明确这些设备对控制信号的要求（如电压和电流的大小、直流、交流、电压等级、开关量和模 拟量等），据此确定PLC的I/O设备的类型及数
5、量。3选择选择PLC 选择时主要包括PLC机型、容量、I/0模块、电源的选择。4分配分配PLC的的I/O地址地址 根据已确定的I/0设备和选定的可编程控器，列出I/0设备与PLC I/0点的地址对照表，以便绘制PLC外部I/0接线图和编制程序。5设计软件及硬件设计软件及硬件 进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同进行，因此PLC控制系统的设计周期可显著缩短，而对于继电器系统，必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。其中，PLC程序设计的一般步骤如下：1）较复杂系统，需要绘制系统的顺序控制功能图；对于简单的控制系统，可省去这一步。2）设计梯形
6、图程序。3）根据梯形图编写指令表程序清单。4）对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。在调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器或编程软件的监控功能。其中，硬件设计及现场施工的步骤如下：1）设计控制柜及操作面板电器布置图及安装接线图。2）设计控制系统各部分的电气连接图。3）根据图样进行现场接线，并检查。6调试调试 调试包括模拟调试和联机调试。1）模拟调试。根据I/O模块指示灯的显示，不带输出设备进行调试。首先要逐条进行检查和验证，改正程序设计中的逻辑、语法、数据错误或输入过程的按键及传输错误，观察在可能的情况下各个输入量、输出量之间的变化关系是否符合设计要求。发现问题及时修改设计
7、，直到完全满足工作循环或状态图的要求。2）联机调试。分2步进行，首先连接电气柜，先带上输出设备（如接触器线圈和信号指示灯等），不带负载（如电动机和电磁阀等），利用编程器或编程软件的监控功能，采用分段调试的方法进行，检查各输出设备的工作情况。待各部分调试正常后，再带上负载运行进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序进行调整，直到完全满足设计要求为止。全部调试完成后，还要经过一段时间的试运行 ，以检验系统的可靠性。如果工作正常，程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。7整理技术档案整理技术档案 包括设计说明书、电器元器件明细表、电气原理图和接线图及安装图、状态表、梯形图及软件数据和
8、使用说明书等。7.2 PLC应用系统的硬件设计应用系统的硬件设计 随着PLC技术的发展，PLC的应用领域越来越广泛，PLC产品的种类越来越多，其结构、功能、容量、指令系统、编程方法和价格等均不相同，适用的场所也各有侧重。因此，合理选择PLC控制系统的技术和性价比具有重要的意义。下面从PLC的机型选择、容量选择、I/O模块选择和电源模块选择等方面分别加以介绍。721 PLC的选型的选型 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，具有最佳的性能价格比，并具有一定的先进性和良好的售后服务。1结构合理结构合理 整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，
9、硬件配置不如模块式灵活，所以一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，I/O点数量、输入点数与输出点数比例和I/O模块的种类等方面，选择余地较大，维修时只需更换模块，判断故障的范围简单，排除故障时间较短。因此，模块式PLC一般适用于较复杂系统和环境差的场合。2安装方式安装方式 根据PLC的安装方式，系统分为集中式、远程I/O式和多台PLC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低；大型系统 常采用远程I/O式，因为它们的装置分布范围很广，远程I/O可以分散安装在I/O装置附近，I/O连线比集中式的短，但需要增设驱动器和远程I/O电
10、源；多台联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通信模块。3功能合理功能合理 对于只需要开关量控制的设备，一般选用具有逻辑运算、定时和计数等功能的小型（低档）PLC。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用带A/D和D/A单元，具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂、控制功能要求高的项目，如要求实现PID运算、循环控制和通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。对于控制较复杂、控制功能要求高的项目，如要求实现PID运算、循环控制和通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档
11、或高档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般大型机主要用于大规模过程控制、集散控制系统以及整个工厂的自动化控制等场合。4响应速度响应速度 PLC输入信号与相应的输出信号之间由于扫描工作方式引起的延迟时间可达23个扫描周期。对于大多数以开关量控制为主的应用场合来说，PLC的响应速度一般都可以满足要求，不必给予特殊的考虑。然而对于模拟量控制的系统，特别是具有较多循环控制的系统，则必须考虑PLC的响应速度。为了减少PLC的I/O响应的延迟时间，可选用扫描速度高的PLC，或选用具有高速I/O处理功能指令的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC等。5系统的可靠性系统的可靠性 对于一般系统
12、，PLC的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统应考虑是否采用冗余控制系统或热备用系统。6机型统一机型统一 当企业使用PLC较多的时候，为了提高经济效益，合理利用有效资源和管理方便，应尽量做到PLC的机型统一。1）同一机型的PLC，其编程方法相同，有利于技术力量的培训、技术水准的和功能的开发。2）同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品、备件的采购和管理。3）同一机型的PLC，其外围设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成1个多级分布式控制系统，便于集中管理。722 PLC的容量确定的容量确定 PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量2个方面。1I/O点数点数 由于PLC
13、的I/O点的价格目前比较高，因此应该合理选用PLC的I/O点数，在满足控制要求的前提下力争使I/O点最少。根据被控制对象的I/O信号的实际需要，在实际统计出I/O点数的基础上预留下10%15%的备用量，以便以后调整或扩充。2存储容量存储容量 内存是存放程序和数据的地方，它应包括内存的最大容量、可扩展性和内存的种类（RAM、EPROM、E2PROM）。内存扩展性和种类的多少体现了系统构成的方便性和灵活性。PLC的用户程序内存容量以步为单位。一般可按下式估算，再按实际需要留适当的信息量（20%30%）来选择。存储容量=开关量I/O点总数10+模拟量通道数100 绝大部分PLC均能满足上式要求。应当
14、注意的是：当控制系统较复杂、数据处理量较大时，可能会出现内存容量不够的问题，这时应特殊对待。723 I/O模块的选择模块的选择 一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上。不同的I/O模块，其电路及功能也不同，直接影响PLC的应用范围和价格。下面主要以开关量I/O模块的选择作为重点进行介绍。1开关量输入模块的选择开关量输入模块的选择 PLC的输入模块是用来检测接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部能够接收的欠电压信号。1)输入信号的类型及电压等级的选择。常用的开关量输入模块的信号类型有直流输入、交流输入和交流/直流输入3种。选择时一般根据现场输入信号及周围环境来考虑。交流输入模
15、块接触可靠，适用于有油雾、粉尘的恶劣环境下；直流输入模块的延迟时间短，还可以直接与接近开关和光电开关等电子输入设备连接。PLC的开关输入模块按输入信号的电压大小分类有：DC5V、DC24V、DC48V和DC60V等；AC110V和AC220V等。选择时应根据现场输入设备与输入模块之间的距离考虑。一般5V、12V、24V用于传输距离较近的场合，如5V的输入模块最远不得超过10m。距离较远的场合应选用电压等级较高的模块。图7-1 输入的接线方式a）汇点式输入 b）分组式输入 汇点式输入模块的所有输入点只共享1个公共端，而分组式输入模块是将输入点分成若干组，每组（几个输入点）共享1个公共端COM，各
16、组之间是分隔的。分组式输入的每点平均价格较高。如果输入信号之间不需要分开，应选用汇式。3)同时接通的输入点数。对于选用高密度的输入模块（如32点和96点等），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60%。2开关量输出模块的选择开关量输出模块的选择 输出模块是将PLC内部欠电压信号转换为外部输出设备所需的驱动信号。选择时主要应考虑负载电压的种类和大小，系统对延迟时间的要求和负载状态变化是否频繁等。1)输出方式的选择。开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出3种输出方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于驱动直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，
17、同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强。继电器属于有触点元器件，其动作速度较慢、寿命短、可靠性较差，因此只能适用于不频繁通断的场合。当用于驱动感性负载时，其触点动作频率不超过1Hz。对于频繁通断的负载，应该选用双向晶闸管输出或晶体管输出。双向晶闸管和晶体管属于无触点元器件，双向晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。2)输出接线方式的选择。按PLC的输出接线方式的不同，一般有分组式输出和分隔式输出2种，如图7-2所示。图7-2 输出的接线方式a）分组式输出 b）分隔式输出 分组式输出是几个输出点为1组，共享1个输出端，各组之间是分隔的，可分别使用不同的电源；分隔式输出的每个输出
18、点有1个公共端，各输出点之间相互隔离，每个输出点可使用不同的电源。输出接线方式主要应根据系统负载的电源种类的胸少而定，一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。3)输出电流的选择。输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于负载的额定电流。用户应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流。如果实际负载电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。4)同时接通的输出点数量。选择输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值。如1个220V/2A的确10点输出模块，每个输出点可以通过2A的电流，但输出公共端允许通过的电流不是20A（102A
19、），通常要比此值小得多。一般来说，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60%。5)输出的最大负载电流。输出的最大负载电流与负载类型和环境温度等因素有关，表7-1为FX系列PLC的输出技术指标，它与不同的负载密切相关。另外，双向晶闸管的最大输出电流随环境温度的升高会降低，在实际使用中也应注意。3模拟量输入模块的选择模拟量输入模块的选择 模拟量输入模块的选择主要考虑模拟量值的输入范围、转换精度、采样时间、输入信号的连接方式和抗干扰能力等。4模拟量输出模块的选择模拟量输出模块的选择 模拟量输出模块的选择主要考虑模拟量输出范围、输出形式（电流、电压）和对负载的要求等。5通信模块的选择通信模块的选
20、择 通信模块的选择主要考虑通信协议、通信速率、通信模块所能连接的设备、系统的自诊断能力和应用软件编制方法等。其它各模块可根据系统需要翻阅手册，查找相应的参数和要求。7.3 节省节省PLC I/O点数的方法点数的方法 在实际应用中，PLC经常会遇到2个问题：一是PLC的I/O点数不够，需要扩展，然而PLC的每个I/O点平均价格在数十元以上，增加扩展单元将提高成本；二是选定的PLC可扩展输入或输出点数有限，无法再增加。因此，在满足系统控制要求的前提下，合理使用I/O点数，尽量减少所需的I/O点数是很有意义的，不仅可以降低系统硬件成本，而且还可以解决已使用的PLC进行再扩展时I/O点数不够的问题。减
21、少输入点数的方法减少输入点数的方法 从表面上看，PLC的输入点数是按系统的输入设备或输入信号的数量来确定的，但实际应用中，经常通过以下方法，可达到减少PLC输入点数的目的。1分时分组输入分时分组输入 一般控制系统都存在多种工作方式，但各种工作方式又不可能同时运行。所以，可将这几种工作方式分别使用的输入信号分成若干组，PLC运行时只会用到其中的1组信号。因此，各组输入可共享PLC的输入点，这样就使所需的PLC输入点数减少。如图7-3所示，系统有“自动”和“手动”2种工作方式。将2种工作方式分别使用的输入信号分成2组：“自动”信号S1S8、“手动”输入信号Q1Q8。2组输入信号共享PLC输入点X0
22、X7（如S1与Q1共享PLC输入点X0）。用“工作方式”选择开关SA来切换“自动”和“手动”信号输入电路，并通过X10让PLC识别是“自动”信号，还是“手动”信号，从而执行“自动”程序或“手动”程序。图中的二极管是为了防止出现寄生电路，产生错误输入信号而设置的。假设图中没有这些二极管，当系统处于“自动”状态时，若S1闭合，S2断开，虽然Q1、Q2闭合，本应该是X0有输入，而X1没有输入，但由于没有二极管隔离，电流从X0流出，经Q2、Q1、S1、COM形成寄生回路，使输入继电器X1错误地接通。因此，必须串入二极管切断寄生回路，避免错误输入信号的产生。2输入触点的合并输入触点的合并 将某些功能相同
23、的开关量输入设备合并输入。如果是常闭触点则串联输入，如果是常开触点则并联输入，这样就只占用PLC的1个输入点。一些保护电路和报警电路就常常采用这种输入方法。例如，某负载可在多处启动和停止，可以将3个启动信号并联，将3个停止信号串联，分别送给PLC的2个输入点，如图7-4所示。与每个启动信号和停止信号占用1个输入点的方法相比，不仅节省了输入点，还简化了梯形图电路。图7-3 分时分组输入 图7-4 输入触点合并 3将信号设置在将信号设置在PLC之外之外 系统中的某些输入信号功能简单、涉及面很窄，如手动操作按钮和电动机保护的热继电器触点等，有时就没有必要作为PLC输入，将它们放在外部电路中同样可以满
24、足要求。如果外部硬件联锁电路过于复杂，则应考虑仍将有关信号送入PLC中，用梯形图实现联锁，如图7-5所示。图7-5 输入信号在PLC外部 图7-6 矩阵输出 732 减少输出点数的方法减少输出点数的方法 1矩阵输出矩阵输出 图7-6中采用8个输出组成44矩阵，可接16个输出设备。要使某个负载接通工作，只要控制它所在行与列对应的输出继电器接通即可。要使负载KM1得电，必须控制Y0和Y4输出接通。因此，在程序中要使某一负载工作，均要使其对应的行与列输出继电器都要接通。这样用8个输出点就可控制16个不同控制要求的负载。应该特别注意：当只有某一行对应的输出继电器接通，各列对应的输出继电器才可任意接通，
25、或者当只有某一列对应的输出继电器接通，各得对应的输出继电器才可任意接通，否则将会出现错误接通负载。因此，采用矩阵输出时，必须要将同一时间段接通的负载安排在同一行或同一列中，否则无法控制。2分组输出分组输出 当2组负载不会同时工作时，可通过外部转换开关或通过受PLC控制的电器触点进行切换，这样PLC的每个输出点可以控制2个不同时工作的负载，如图7-7所示。KM1、KM3、KM5与KM2、KM4、KM6这2个组不会同时接通，可用外部转换开关SA进行切换。3并联输出并联输出 当2个负载的通断状态完全相同时，可并联后共享PLC的1个输出点。但要注意，当PLC输出点同时驱动多个负载时，应考虑PLC点数是
26、否有足够的驱动能力。图7-7 分组输出 4留有余量留有余量 在设计中对I/O点的安排应有一定的余量。当现场生产过程需要修改控制方案时，可使用备用的I/O点。当I/O模块中某1点损坏时，也可使用备用点，并在程序中进行相应修改。5负载多功能化负载多功能化 负载多功能化是指用1个负载实现多种用途。例如，在传统的继电器电路中，1个指示灯只指示1种状态。而在PLC系统中，利用PLC编程功能，很容易实现用1个输出点控制指示灯的常亮和闪烁，这样1个指示灯就可表示2种不同的信息，从而节省了输出点数。733 PLC应用中的问题应用中的问题 1对对PLC的某些输入信号的处理的某些输入信号的处理图7-8 两线式传感
27、器输入的处理 图7-9 感性输入/输出的 a）支流感性负载 b）容性负载 1）当PLC输入设备采用两线式传感器（如接近开关等）时，它们的漏电流较大，可能会出现错误的输入信号，为了避免这种现象，可在输入端并联旁路电阻R，如图7-8所示。2）如果PLC输入信号由晶体管提供，则要求晶体管的截止电阻应大于10k，导通电阻应小于800。2PLC的安全保护的安全保护 1)短路保护。当PLC输出控制的负载短路时，为了避免PLC内部的输出元器件损坏，应该在PLC输出的负载回路中加装熔断器，进行短路保护。2)感性输入/输出的处理。PLC的输入端输出端常接有感性元器件。如果是直流电感性负载，应在电感性负载两端并联
28、续流二极管；若是交流电感性负载，则应在其两端并联阻容吸收回路，从而抑制电路断开时产生的电弧对PLC内部I/O元器件的影响，如图7-9所示。图中的电阻值可取50120；电容值可取0.10.47uF，电容的额定电压应大于电源的峰值电压；续流二极管可选用额定电流为1A、额定电压大于电源电压的23倍。3)供电系统的保护。可编程控器一般都使用市电（220V，50Hz），电网的冲击频率的波动将直接影响到实时控制系统的精度和可靠性。电网的瞬间变化可产生一定的干扰，并传播到可编程控器系统中，电网的冲击甚至会给整个系统带来毁灭性的破坏。为了提高系统的可靠性和抗干扰性能，在可编程控器供电系统中一般可采取隔离变压器
29、、交流稳压器、UPS电源和晶体管开关电源等措施。(1）隔离变压器的一次（侧）和二次（侧）之间采用隔离屏蔽层，用漆包线或铜等非导磁材料绕成。一次（侧）和二次（侧）间的静电屏蔽层与一次（侧）和二次（侧）间的零电位线相接，再用电容耦合接地。可编程控器供电系统采用隔离变压器后，可以隔离掉供电电源中的各种干扰信号，从而提高系统的抗干扰性能。(2）为了抑制电网电压的起伏，可编程控器系统中设置有交流稳压器。在选择交流稳压器时，其容量要留有余量，余量一般可按实际最大需求容量的30%计算。这样，一方面可充分保证交流稳压器的稳压特性，另一方面有助于其可靠工作。在实际应用中，有些可编程控制器对电源电压的波动具有较强
30、的适应性，此时为了减少开支，也可不采用交流稳压器。(3）在一些实时控制中，系统的突然断电会造成较严重的后果，此时就要在供电系统中加入UPS电源供电，可编程控器的应用软件可进行一定的断电处理，使生产设备处于安全状态。在选择UPS电源时，也要注意所需的功率容量。4）晶体管开关电源用调节脉冲宽度的办法调整直流电压。这种开关电源在电网或其它外加电源电压变化很大时，对其输出电压并没有多大影响，从而提高了系统抗干扰能力。3PLC系统的接地要求系统的接地要求 如果接地方式不好，就会形成环路，造成噪声耦合。接地设计有2个基本目的：消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压和避免磁场与电位差的影响，使其不形
31、成地环路。在实际控制系统中，接地是抑制干扰的主要方法。在设计过程中，如能把接地和屏蔽正确地结合使用，可以解决大部分干扰问题。1)接地的要求。为保证接地质量，接地应达到如下要求：(1)接地应在要求的范围内。对于可编程控器组成的控制系统，接地电阻一般应小于4。(2)要保证足够的机械强度。(3)要采取防腐蚀措施，进行防腐处理。(4)在整个工厂中，可编程控器组成的控制系统要单独设计接地。(2)接地的种类。在可编程控制器组成的控制系统中，大致有以下几种地线：（1）数字地。这种地也叫逻辑地，是各种开关量（数字量）信号的零电位。(2)模拟地。这种地是各种模拟量信号的零电位。(3)信号地。这种地通常是指传感器
32、的地。(4)交流地。这种地是交流供电电源的地线。(5)直流地。这种地是直流供电电源的地线。(6)屏蔽地（也叫机壳地）。这种地是为防止静电感应而设。如何处理以上这些地线是可编程控制器系统设计、安装、调试中的1个重要问题。3)接地的处理方法。正确接地是重要而又复杂的问题，理想的情况是1个系统的所有接地点与大地之间阻抗为零，但这是难以做到的。在实际接地中，总存在着连接阻抗和分散电容，所以如果地线不佳或接地点不当，都会影响接地质量。PLC一般最好单独接地，与其他设备分别使用各自的接地装置（见图7-10a），也可以采用公共接地（见图7-10b），但禁止使用串联接地方式（见图7-10c）。另外，PLC的接
33、地线应尽量短，使接地点尽量靠近PLC。同时，接地线的截面应大于2mm2。图7-10 PLC接地a）分别接地 b）公共接地 c）串联接地 7.4应用实例应用实例 可编程控器因其具有可靠性高和应用复合等特点而在国内外迅速普及和应用。复杂设备的电气控制柜正在被可编程控器所替代，PLC从替代继电器的局部范围进入到过程控制、位置控制和通信网路等领域。本节将结合典型的实例来介绍PLC在逻辑系统中的应用。在工业自动生产线中的应用在工业自动生产线中的应用 1.输送机分检大小球的输送机分检大小球的PLC控制装置控制装置 1）控制要求。图7-11所示为大、小球自动分检装置示意图。其工作过程如下：图7-11 大、小
34、球自动分检装置示意图 (1)当输送机处于起始位置时，上限位SQ3开关和左限位SQ1被压下，极限SQ断开。(2)起动装置后，操作杆下行，一直到极限开关SQ闭合。此时，操作杆下端的吸盘若碰到的是大球，则下限位开关SQ2仍为断开状态，若碰到的是小球，则下限位开关SQ2为闭合状态。(3)接通控制吸盘电磁阀Y1的线圈。(4)假设吸盘吸起小球，则操作杆向上行，碰到上限位开关SQ3后，操作杆向右行，碰到右限位开关SQ4（小球的右限位开关）后，再向下行，碰到下限位开关SQ2后，将小球释放到小球箱里，然后返回到原位。(5)如果起动装置后，操作杆下行一直到SQ闭合后，下限位开关SQ2仍为断开状态，则吸起的是大球，
35、操作杆右行碰到右限位开关SQ5（大球的右限位开关）后，将大球释放到大球箱里，然后返回到原位。图7-12 I/O地址分配图 3）顺序控制功能图的设计。自动分检控制STL顺序控制功能图如图7-13所示。人检装置自动控制过程如下：图中M8002产生初始脉冲，使状态继电器S20S30均复位，再将初始状态继电器S0置位。此时，操作杆在最上端上限位开关SQ3（X3）接通，最左端左限位开关SQ1（X1）接通，并且吸盘电磁阀Y1的线圈断开。状态由S0转移到S20，下行继电器Y0通电，使操作杆向下移动，直至极限开关SQ（X0）闭合上，进入选择顺序2个分支电路。此时，吸盘吸起的是大球，则下限位开关SQ2（X2）的
36、常开触点仍为断开状态，而常闭触点闭合，S20状态转移到S24；如果吸盘吸起的是小球，则下限位开关SQ2（X2）的常开触点闭合，S20状态转移到S21。图7-13 自动分检控制STL顺序控制功能图 当状态转移到S21后，吸盘电磁阀Y1被置位，其线圈通电吸起小球，并同时启动时间继电器T0；延时1s后，状态转移到S22，使上行继电器Y2通电，操作杆上行，直到压下上限位开关SQ3（X3），状态转移到S23，右行继电器Y3通电，使操作杆右行，直到压下小球右限位开关SQ4（X4），状态转移到S27，使下行继电器Y0通电，操作杆下行，直到压下下限位开关SQ2（X2），状态转移到S28，使得吸盘电磁阀Y1复位
37、，将小球释放在小球箱内，其动作时间由T1控制；延时1s后，状态转移到S29，使得上行继电器Y2通电，使操作杆上行，压下上限位开关SQ3（X3）后，状态转移到S30，使左行继电器Y4通电，操作杆左行，直到压下左限位开关SQ1（X1）后，操作杆返回到初始状态S0。系统中大球的检出过程和小球的检出过程相同。图7-14 大、小球分检控制系统梯形图5）编写指令语句表程序。大、小球分检控制系统的指令语句表见表7-2。4）梯形图设计。图7-14所示为大、小球分检控制系统梯形图。图7-15 某原料带式运输机示意图 2带式运输机的带式运输机的PLC控制控制 带式运输机广泛地用于冶金、化工、机械、煤矿和建材等工业
38、生产中。图7-15所示为某原村料带式运输机的示意图。原材料从料斗经过1号、2号2台运输带送出，电磁阀M0控制从料斗向1号运输带供料，1号运输带和2号运输带分别由电动机M1和M2控制。1）控制要求 (1)初始状态。料斗、1号运输带和2号运输带全部处于关闭状态。(2)起动操作。起动时为了避免在前段运输带上造成物料堆积，要求逆运料方向按一定的时间间隔顺序起动。其操作步骤如下：2号运输带延时5s1号运输带延时5s料斗 (3)停止操作。停止时为了使运输带上不留剩余的物料，要求顺物料流动的方向按一定的时间间隔顺序停止。其停止的顺序如下：料斗延时10s1号运输带延时10s2号运输带 (4)故障停止。在带式运
39、输机的运行中，若1号运输带超载，应把料斗和1号运输带同时关闭，2号运输带应在1号运输带停止10s后停止；若2号运输带载载，应把1号运输带、2号运输带和料斗都关闭。(5)要求采用FX系列PLC实现控制。2）I/O地址分配。I/O地址分配见表7-3。3）程序设计 和步进指令根据带式运输机控制要求设计的顺序控制功能图如图7-16所示。图7-16 带式运输机的PLC顺序控制功能图图7-17 带式运输机的PLC梯形图 (2)PLC梯形图如图7-17所示。4）编写指令语句表程序。带式运输机PLC控制的指令语句表见表7-4。在交通信号系统中的应用在交通信号系统中的应用 十字路口交通指挥信号灯是按时间顺序动作
40、的控制系统，在工业控制系统中这类系统也比较多。通过对其控制系统的设计，可以掌握时序控制环节和系统的设计方法。1.十字路口交通指挥信号灯控制要求十字路口交通指挥信号灯控制要求 1）正常情况下，信号灯系统开始工作时，先南北方向红灯亮30s，东西方向绿灯常亮25 s、闪亮3s（1s内通0.5s、断0.5s），然后东西方向黄灯亮2s，30s后东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮和黄灯停，即周期时间为60s，南北和东西采取对称接法（有些路口根据流量的不同采取非对称接法，即同一方向的通行时间和停止时间不对称）。3）东西方向出现紧急情况时，东西方向绿灯常亮，而南北方向红灯常亮。4）夜间情况下，东西与南北方向均只有
41、黄灯闪亮（1s内通0.5s、断0.5s）。2I/O电路设计电路设计 在对其控制程序进行设计之前，必须先对PLC的I/O电路进行设计。根据系统的情况，I/O电路如图7-18所示。3利用经验设计法进行梯形图设计利用经验设计法进行梯形图设计 1）绘制正常运行时Y0Y5的通断规律（波形）图。根据控制要求，可画出正常运行情况下Y0Y5的通断关系，如图7-19所示。图7-18 I/O电路图 图7-19 Y0Y5的通断规律 2）正常运行梯形图设计。先设计出如图7-20所示的延时环节梯形图，图中M100代表正常运行状态；T0为60s脉冲，每60s接通1次后立即断开；T1T5也都是60s脉冲，但通断的时间各不相
42、同；T6为1s时钟脉冲。对图7-20分析后，可画出T0T5的波形，如图7-21所示。图7-20 延时环节梯形图 图7-21 T0T5波形图 不难看出，T3的波形正好与Y0相反，与Y3相同，则用T3接通Y3、接通Y0即可实现东西和南北方向红灯的控制。同理，根据图7-21所示的波形图，用接通Y4可以实现东西绿灯的常亮；将T1和触点串联，Y4得到3s连续闪亮时间，再与T6（1s时钟脉冲）触点串联，接通Y4可以实现东西绿灯的闪亮。将T3和触点串联，接通Y1可以实现南北绿灯的常亮，T4和、T6 触点串联，接通Y1可以实现南北绿灯的闪亮。将T2和触点串联，接通Y5可以实现东西黄灯的常亮。用T5接通Y2可以
43、实现南北黄灯的常亮。将上述分析结果绘制成梯形图，得到驱动环节梯形图如图7-22所示。将图7-20和图7-22的梯形图串联起来，即可得到正常运行时的梯形图。图7-22 驱动环节梯形图图7-23 东西紧急状态梯形图 3）紧急与夜间运行梯形图设计。用M101、M102、M103分别代表东西紧急、南北紧急和夜间运行状态，3种情况的梯形图分别如图7-237-25所示。图7-24 南北紧急状态梯形图图7-25 夜间运行状态梯形图 4）各部分梯形图的组合。将上述用正常运行状态梯形图和紧急与夜间运行状态梯形图连接在一起，即可形成十字路口交通指挥信号灯控制总梯形图。但这样在各部分程序较长时会延长PLC的周期时间
44、。为此，可利用跳转指令将各部分梯形图连接在一起，如图7-26所示。图7-26 十字路口交通指挥信号灯控制梯形图的总体构成 7.4.3 PLC在机床中的应用在机床中的应用 1.T68镗床控制系统镗床控制系统 1）电气控制要求。在T68镗床的电气控制系统中，已知双速电动机M1作为主轴及进给的驱动，电动机M2为进给快速移动的驱动。对M1的具体控制要求如下：(1)正反转点动控制及反接制动。(2)正反转连续运转及反接制动。(3)高/低速的转换控制。2）I/O点的分配。I/O设备和PLC的I/O端子分配见表7-5，I/O设备与PLC的接线如图7-27所示。图7-27 I/O设备与PLC的接线 3）绘制梯形
45、图 (1)电动机M1正反转控制梯形图。用PLC来完成对电动机M1的正反转控制，需要PLC内部继电器M101和M102作为正反转控制的辅助继电器，为了保证正反转可靠地切换，要用定时器T1和T2来完成0.5s的转换延时，图7-28所示为电动机M1正反转控制梯形图。(2)电动机M1反转制动梯形图。速度继电器KV有2对独立的常开触点KV1和KV2。当电动机M1正转时KV1闭合，而反转时KV2闭合。KV1串接在反转电路中，KV2串接在正转电路中。当电动机正转时，通过自锁使反转电路通电，进行反接制动。当速度低到速度继电器触点KV1断开时，反转电路断电，制动结束。电动机M1反接制动梯形图如图7-29所示。图
46、7-28 电动机M1正反转控制梯形图 图7-29 电动机M1反接制动梯形图 (3)高/低速转换控制的梯形图。SQ为高/低选择开关，当将操作手柄推向高速位置时，SQ被压下，X5接通，经过定时器T4延时后，其常闭触点将低速接触器KM6断电，其常开触点将高速接触器KM7、KM8通电，此时电动机M1绕组为YY联结，进入高速运行。电动机M1高/低速转换控制梯形图如图7-30所示。图7-30电动机M1高/低速转换控制梯形图 在上述梯形图的基础上进行合并整理，适当增加一些程序，并去掉多余的程序，最后设计出T68普通镗床PLC控制梯形图，如图7-31所示。图7-31 T68普通镗床PLC控制梯形图 2.Z30
47、40型摇臂钻床的电气控制系统型摇臂钻床的电气控制系统 1）电气控制要求。Z3040型摇臂钻床是1个多台电动机拖动系统，采用PLC控制时，也必须实现如下控制要求：(1)主轴电动机M1的正反转运动（如加工螺纹要求电动机正反转）。(2)摇臂升降电动机M2正反转运动。(3)摇臂夹紧、放松液压泵电动机M3的正反转运动。(4)完成各种操作之间的互锁控制及延时控制。冷却根据加工任务来选用，冷却泵电动机控制简单，故采用手动控制。2）I/O点的分配。I/O设备和PLC I/O端子分配见表7-6，I/O设备与PLC联机如图7-32所示。图7-32 I/O设备与PLC接线图 3）绘制梯形图。Z3040型摇臂钻床主要
48、是电动机正反转控制和限位控制，相对比较简单。根据控制要球，并参考电气控制线路图，可直接画出PLC控制的梯形图。在I/O设计中要考虑PLC控制与继电接触器控制的不同，主要注意以下几点：(1)在继电接触器控制系统中，停止按钮与热继电器均用常闭触点，为了与继电接触器控制电路一致，在PLC梯形图中同样也要用常闭触点，这样一来，与输入端子相接的停止按钮和热继电器触点，就必须用常开触点。(2)根据PLC的工作原理可知，当输入端接常闭触点，若输入端的常闭未动作，相对应的输入继电器得电。若此输入继电器的常闭触点与输出继电器线圈串联，则输出继电器不能得电。(3）对同一台电动机进行正反转切换控制，必须采用PLC内
49、部的时间继电器进行延时控制，否则会造成正反转接触器同时接通引起电源短路，这是因为PLC执行程序的速度要比接触器动作速度快得多。Z3040型摇臂钻床的PLC控制梯形图如图7-33所示。图7-33 Z3040 型摇臂钻床的PLC控制梯形图7.4.3 PLC在水塔供水系统控制中的应用在水塔供水系统控制中的应用 1.控制要求控制要求 某高层建筑住宅屋顶上设有高4.2m的生活水箱,由设在地下设备层中的2台水泵为其供水水泵电动机功率为33kW，额定电压为380V。水塔正常水位变化3.5m，由安装在水箱内的上、下液位开关SU和SD分别对水箱的上限和下限水位进行控制。对水泵机的控制要求如下：1）为了减小启动时
50、的启动电流，2台电机均采用Y/型降压启动，降压启动至全压运行的转换时间为t1秒。并且2台电机均设有超载保护。2）设手动/自动方式转换开关SA，在手动方式工作时，可由操作者分别启动每台水泵，水泵之间不进行联动；在自动方式下工作时，由上、下液位开关对水泵的起、停自动控制，且启动时要联动。3）2台电机在正常情况下要求一开一备，当运行中任一台机组出现故障，备用机组应立即投入运行。为了防止备用泵长期闲置锈蚀，要求备用机组可在操作台上用按钮任意切换。4）在控制右上应有2台水泵的备用状态，运行、故障及上、下液位等信号指示。2系统设计系统设计 1）主电路设计 图7-34 主电路控制线路 2台水泵电机均Y/型启