《应用系统设计.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《应用系统设计.pptx（60页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、7.1系统设计的原则与内容 按照规范的设计步骤进行PLC系统设计，可以提高工作效率。设计PLC系统的方法不是一成不变的，它与设计人员习惯遵守的设计规范及实践经验有关。但是，所有设计方法解决的基本问题是相同的，即：1、进行PLC系统的功能设计，根据受控对象的工艺要求和特点，明确PLC系统必须做的工作和因此必须具备的功能；2、进行PLC系统设计分析，通过分析系统功能实现的可能性及实现的基本方法和条件，提出PLC系统的基本规模和布局；3、根据系统功能设计和系统分析的结果，确定PLC的机型和系统的具体配置。因此，可以提出适用于任何设计项目的一般性PLC的设计原则与设计过程的一些基本步骤。第1页/共60
2、页7.1.1设计原则1、最大限度满足被控设备或生产过程的控制要求。2、在满足控制要求的前提下，力求是系统简单、经济，操作方便。3、保证控制系统工作安全可靠。4、考虑到今后生产的发展和工业的改进，在设计容量时，应考虑适当留有进一步扩展的余地。第2页/共60页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 在掌握了PLC的基本工作原理及指令系统后，就可以把PLC应用在实际的工程项目中。不论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，PLC控制部分设计都可以参考图7-1所示的步骤。图7.1 PLC系统设计与调试的主要步骤有问题第3页/共60页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 1、深入了解和分析被控对象的工艺
3、条件和控制要求 PLC系统的控制要求并不仅仅局限于设备或生产过程本身的控制功能，除此之外，PLC系统还应具有操作人员对生产过程的高水平监控与干预功能、信息处理功能、管理功能等。PLC对设备或生产过程的控制功能是PLC系统的主体部分，其它功能是附属部分。PLC系统设计应围绕主体展开，兼顾考虑附属功能。对一个复杂的生产过程，通常可将控制任务分成几个独立部分，而每个部分往往又可分解为若干个具体步骤，这样做有以下好处：1)将复杂的控制任务明确化、简单化、清晰化；2)有助于明确系统中各PLC或PLC中各I/O区的控制任务分工及系统软硬件资源的合理分配；3)使分解后的自动化过程创建功能说明书变得更简单；4
4、)在程序设计阶段，有助于编写出结构化程序。这不仅使应用程序简洁明了，而且易于程序的测试与维护；5)在调试阶段，有助于调试工作分步化、系统化。第4页/共60页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 STEP 7开发软件包在各个技术层次上都支持自动化过程的分解处理，它将控制任务分为各控制项目，而项目又由一个或多个CPU程序组成，每个CPU程序也是由各种逻辑块和数据块构成的，逻辑块中的功能块对应于一个控制分过程或分过程中的一个组成部分。S7中的通信联网功能和“全局数据”概念可协调整个控制系统的正常运行。2、确定I/O设备 根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入和输出设备。常用的输
5、入设备有按钮、选择开关、行程开关和传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯和电磁阀等。3、选择合适的PLC类型 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择和电源模块的选择等。第5页/共60页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 3、选择合适的PLC类型 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型的选择、容量的选择、I/O模块的选择和电源模块的选择等。4、分配I/O点 分配PLC的输入/输出点，编制输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图。接着就
6、可以进行PLC程序设计，同时也可进行控制柜或操作台的设计和现场施工。5、设计应用系统梯形图程序 根据工作功能块图或状态流程图等设计出梯形图。这一步是整个应用系统设计最核心的工作，也是比较困难的一步。要设计好梯形图，首先要十分熟悉控制要求，同时还要有一定的电气设计的实践经验。第6页/共60页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 6、将程序输入PLC 当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中。7、进行软件测试 程序输入PLC后，应先进行测试工作。由于在程序设计过程中，难
7、免会有疏漏，因此在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。8、应用系统整体调试 在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试。如果控制系统是由几个部分组成的，则应先做局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。第7页/共60页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 9、编制技术文件 系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。功能说明书是在自动化过程分解的基础上对过程
8、的各部分进行分析，把各部分必须具备的功能、实现的方法和所要求的输入条件及输出结果，以书面形式描述出来。在有了各部分的功能说明书后，即可进行归纳统计，整理出系统的总体技术要求。因此，功能说明书是进行PLC系统设备选型、硬件配置、程序设计和系统调试的重要技术依据，也是PLC系统技术文档的重要组成部分。在创建功能说明书时，还可能发现过程分解中的不合理点并予以修正。在对每个分过程进行功能描述时，主要包括：1)动作功能描述；2)I/O点数及其电气特性；3)I/O逻辑状态与物理状态（电气或机械状态）的对应关系；4)与处理过程或设备的其它部分连接互锁等相互依赖的逻辑关系；5)与操作站的接口关系。第8页/共6
9、0页7.1.2系统设计和调试的主要步骤 根据分步功能要求，可以归纳出对PLC系统的总体功能要求：1)数字量输入、输出总点数及分类点数；2)模拟量输入、输出通道总数及分类通道数；3)特殊功能总数及类型；4)系统中各PLC的分布与距离；5)对通信能力的要求及通信距离。第9页/共60页7.2 PLC应用系统的硬件设计7.2.1 PLC选型 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，具体应考虑以下几点。1、性能与任务相适应 对于开关量控制的应用系统，当对控制速度要求不高时，可选用小型PLC（如西门子公司S7-200系列PLC或OMRON公司C系列CPM1A/CPM2A型PLC）就能满足要求
10、，如对小型泵的顺序控制、单台机械的自动控制等。对于以开关量控制为主，带有部分模拟量控制的应用系统，如对工业生产中常遇到的温度、压力、流量、液位等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带有D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器和驱动装置，并且选择运算功能较强的中小型PLC（如西门子公司的S7-300系列PLC或OMRON公司的COM1/CQM1H型等PLC）。对于比较复杂的中大型控制系统，如闭环控制、PID调节、通信联网等，可选用中大型PLC（如西门子公司的S7-400系列PLC或OMRON公司的CVM1等PLC）。当系统的各个控制对象分布在不同的地域时，应根据各部分
11、的具体要求来选择PLC，以组成一个分布式的控制系统。第10页/共60页7.2.1 PLC选型 2、PLC的处理速度应满足实时控制的要求 PLC工作时，从输入信号到输出控制存在着滞后现象，即输入量的变化，一般要在12个扫描周期之后才能反映到输出端，这对于一般的工业控制是允许的。但有些设备的实时性要求较高，不允许有较大的滞后时间。例如，PLC的I/O点数在几十到几千点范围内，这时用户应用程序的长短对系统的响应速度会有较大的差别。滞后时间应控制在几十毫秒之内，应小于普通继电器的动作时间(普通继电器的动作时间约为100 ms)，否则就没有意义了。为了提高PLC的处理速度，可以采用以下几种方法：1)选择
12、CPU处理速度快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5 s；2)优化应用软件，缩短扫描周期；3)采用高速响应模块，例如高速计数模块，其响应的时间可以不受PLC扫描周期的影响，而只取决于硬件的延时。第11页/共60页7.2.1 PLC选型 3、PLC应用系统结构合理、机型系列应统一 PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的I/O和CPU放在一块电路板上，省去插接环节，体积小，每一个I/O点的平均价格比模块式结构的便宜，适用于工艺过程比较稳定、控制要求比较简单的系统。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修更换模块、判断与处理
13、故障快速方便，适用于工艺过程变化较多、控制要求复杂的系统。在使用时，应按实际具体情况进行选择。在一个单位或一个企业中，应尽量使用同一系列的PLC，这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，也给系统的扩展升级带来方便。4、在线编程和离线编程的选择 小型PLC一般使用简易编程器。它必须插在PLC上才能进行编程操作，其特点是编程器与PLC共用一个CPU，在编程器上有一个“运行/监控/编程（RUN/MONITOR/PROGRAM）”选择开关，当需要编程或修改程序时，将选择开关转到“编程（PROGRAM）”位置，这时PLC的CPU不执行用户程序，只为编程器服务，这就是“离线编程”
14、。程序编好后再把选择开关转到“运行（RUN）”位置，CPU则去执行用户程序，对系统实施控制。简易编程器结构简单，体积小，携带方便，很适合在生产现场调试、修改程序时用。第12页/共60页7.2.1 PLC选型 图形编程器或者个人计算机与编程软件包配合可实现在线编程。PLC和图形编程器各有自己的CPU，编程器的CPU可随时对键盘输入的各种编程指令进行处理；PLC的CPU主要完成对现场的控制，并在一个扫描周期的末尾与编程器通信，编程器将编好或修改好的程序发送给PLC，在下一个扫描周期，PLC将按照修改后的程序或参数进行控制，实现“在线编程”。图形编程器价格较贵，但它功能强大，适应范围广，不仅可以用指
15、令语句编程，还可以直接用梯形图编程，并可存入磁盘或用打印机打印出梯形图程序。一般大中型PLC多采用图形编程器。使用个人计算机进行在线编程，可省去图形编程器，但需要编程软件包的支持，其功能类似于图形编程器。第13页/共60页7.2.2 PLC容量估算 PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的容量。1、I/O点数的估算 根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。考虑到在前面的设计中I/O点数可能有疏漏，并考虑到I/O端的分组情况以及隔离与接地要求，应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加1015的裕量。考虑裕量后的I/
16、O总点数即为I/O点数估算值，该估算值是PLC选型的主要技术依据。考虑到今后的调整和扩充，选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30左右的裕量。2、存储器容量的估算 用户应用程序占用多少内存与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量和程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下：第14页/共60页 开关量输入所需存储器字数输入点数10 开关量输出所需存储器字数输出点数8 定时器/计数器所需存储器字数定时器/计数器数量2 模拟量所需存储器字数模拟量通道数100 通信接
17、口所需存储器字数接口个数300 存储器的总字数再加上备用量即为存储器容量。例如，作为一般应用下的经 验公式是：所需存储器容量(KB)(11.25)(DI10DO8AI/O100CP300)/1024 其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数。根据上面的经验公式得到的存储器容量估算值只具有参考价值，但在明确对 PLC要求容量时，还应依据其它因素对其进行修正。需要考虑的因素有：1)经验公式仅是对一般应用系统，而且主要是针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用或功能可能需要更大的存储器容量；2)不同型号的PLC对存储器的使用规模与管理
18、方式的差异，会影响存储器的需求量；3)程序编写水平对存储器的需求量有较大的影响。由于存储器容量估算时不确定因素较多，因此很难估算准确。工程实践中大多采用粗略估算，加大裕量，实际选型时就应参考此值采用就高不就低的原则。第15页/共60页7.2.3 I/O模块的选择 1、开关量输入模块的选择 PLC的输入模块用来检测来自现场电平信号（如按钮、行程开关、温控开关和压力开关等），并将其转换为PLC内部的低电平信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有8点、16点、32点等；按工作电压分，常用的有直流5 V、12 V、24 V，交流110 V、220 V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。选
19、择输入模块主要应考虑以下两点：1)根据现场输入信号（如按钮、行程开关）与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般24 V以下属低电平，其传输距离不宜太远。如12 V电压模块一般不超过10 m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。2)高密度的输入模块，如32点输入模块，允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60。第16页/共60页7.2.3 I/O模块的选择 2、开关量输出模块的选择 输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。1)输出
20、方式的选择 继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1 Hz。晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流）都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反压，必须采取抑制措施。2)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，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，故要留有足够的裕量。第17页/共60页7.2.3 I
21、/O模块的选择 3)允许同时接通的输出点数 在选用输出模块时，不但要看一个输出点的驱动能力，还要看整个输出模块的满负荷能力，即输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流。如OMRON公司的CQM1-OC222是16点输出模块，每个点允许通过电流2 A（AC250 V/DC24 V）。但整个模块允许通过的最大电流仅8 A。3、模拟量及特殊功能模块的选择 除了开关量信号以外，工业控制中还要对温度、压力、物位、流量等过程变量进行检测和控制。模拟量输入、模拟量输出以及温度控制模块就是用于将过程变量转换为PLC可以接收的数字信号以及将PLC内的数字信号转换成模拟信号输出。此外，还有一些
22、特殊情况，如位置控制、脉冲计数以及联网，与其他外部设备连接等等都需要专用的接口模块，如传感器模块、I/O链接模块等。这些模块中有自己的CPU、存储器，能在PLC的管理和协调下独立地处理特殊任务，这样既完善了PLC的功能，又减轻了PLC的负担，提高了处理速度。有关特殊功能模块的应用参见PLC产品手册。第18页/共60页7.2.4 分配输入/输出点 一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的。分配好后，按系统配置的通道与接点号，分配给每一个输入信号和输出信号，即进行编号。在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线（如两个触点先串联或并联），然后再接到
23、输入点。1、明确I/O通道范围 不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，查阅相应的技术手册，弄清相应的I/O点地址的分配。2、内部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器、计数器时作数据存储或数据处理用。从功能上讲，内部辅助继电器相当于传统电控柜中的中间继电器。未分配模块的输入/输出继电器区以及未使用11连接时的链接继电器区等均可作为内部辅助继电器使用。根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。第19页/共60页7.2.4 分配输入
24、/输出点 3、分配定时器/计数器 对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。若扫描时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。4、数据存储器 在数据存储、数据转换以及数据运算等场合，经常需要处理以通道为单位的数据，此时应用数据存储器是很方便的。数据存储器中的内容，即使在PLC断电、运行开始或停止时也能保持不变。数据存储器也应根据程序设计的需要来合理安排，以避免重复使用。第20页/共60页7.2.5 安全回路设计 安全回路起保护人身安全和设备安全的作用，它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。设计对人身安全至关重要的安全回路，在很多国家和国际组织
25、发表的技术标准中均有明确的规定。例如，美国国家电气制造商协会(NEMA)的ICS3-304可编程序控制器标准中对确保操作人员人身安全的推荐意见为：应考虑使用独立于可编程序控制器的紧急停机功能。在操作人员易受机器影响的地方，例如在装卸机器工具时或者机器自动转动的地方，应考虑使用一个机电式过载器或其它独立于可编程序控制器的冗余工具，用于启动和中止转动。确保系统安全的硬接线逻辑回路，在以下几种情况下将发挥安全保护作用：1、PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；2、PLC失控时；3、操作人员需要紧急干预时。第21页/共60页7.2.5 安全回路设计 安全回路的典型设计，是将每个执行器连接到一特
26、别紧急停止（E-stop）区构成矩阵结构，该矩阵即为设计硬件安全电路的基础。设计安全回路的任务包括以下内容：1、确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系；2、设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段；3、确定其它与安全和完善运行有关的要求；4、为PLC定义故障形式和重新启动特性。第22页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例1、配置要求（1）AI：58点；AO：20点；DI：30点；DO：20点（2）操作站（工程师站）2套。（3）两点开关量同时满足调节时要求在20ms内停止电机运行（4）闭环调节回路16个，手动模拟量操作4个（5）电机启停控制8个，压力开关联锁4个 （6）要求预
27、留20%余量2、根据以上要求选定PLC型号及相应卡件并配置。根据以上要求决定CPU的主要参数有两个，一个是联锁条件为20ms停止电机联锁，另一个是系统I/O规模。第一个条件已经确定，即20ms联锁。第二个条件需要进一步确定，即将实际I/O点数加上20%余量。AI=58点*1.2=69.6，取整为70点，西门子S7-300AI有2/4/8点输入模块，选8点输入模块较为合理。70/8=8.75，取整为9个模块，实配点数为9*8=72点。第23页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例 AO=20点*1.2=24点，西门子S7-300 AO有4/8点输出模块，选8点输出模块较为合理。24/8=3
28、，9个模块，实配点数为3*8=24点 DI=30点*1.2=36点，西门子S7-300 DI有8/16/32点输入模块，选32点输入模块1块+16点输入模块1块较为合理，实配点数为48点。DO=20点*1.2=24点，西门子S7-300 DO有8/16/32点输出模块，选32点输入模块1块较为合理，实配点数为32点。因此 实际配置点数为：AI 72点、AO 24点，模拟量合计96点，DI 48点、DO 32点，开关量合计80点。（1）首先从控制规模选择CPU 根据CPU技术参数手册从I/O规模来看313C可带3个机架31个模块，314最多带3个机架32个模块，313开关量I/O为 992/99
29、2点,模拟量I/O为248/124点,314开关量I/O为 1024/1024点,模拟量I/O为256/256点,均可满足控制规模要求，从经济角度314CPU最为经济。第24页/共60页 （2）确定S7-300系列系统反应时间是否够用 由于要求控制时间比较短，西门子S7-300系统支持外部中断功能，因此采用中断处理方式来提高反应速度。决定系统中断反应时间的因素 1）DI模块的输入延迟，2）DO模块的输出延迟，3）CPU过程中断的响应时间，4）由于通讯造成的时间延长，5）DI模块中断延迟，6)DO中间继电器延迟。1）DI模块的输入延迟 西门子带中断功能开关量输入模块的输入延迟为可组态参数，延迟时
30、间分别为 0.1/0.5/3/15/20ms，取0.1ms 2）DO模块的输出延迟 DO输出延迟可忽略不计 3）CPU过程中断的响应时间 CPU过程中断的响应时间约为0.7ms 4）由于通讯造成的时间延长 通讯时间延长通过计算大约为0.6ms 5）DI模块中断延迟 DI模块中断延迟为0.25ms第25页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例 6）DO中间继电器延迟 DO中间继电器延迟一般最大为3ms 过程中断响应时间=0.1ms+0.7ms+0.6ms+0.25ms+3ms=4.65ms 因为此计算时间小于控制系统要求的20ms，所以完全满足控制要求。（3）核算CPU存储器容量是否满足控
31、制要求 一般模拟量显示按每点0.1k，调节回路按每点1k，开关量按每点0.1k。模拟量输入点存储容量=96点*0.1k=9.6k 调节回路存储容量=24点*1k=24k 开关量存储容量=80点*0.1k=8k 存储器使用总量=9.6+24+8=41.6k 314CPU存储器容量为48k，因为计算存储容量小于4CPU存储器容量，所以满足控制系统组态要求。第26页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例（4）确定系统I/O模块 1）开关量输入模块选择 因为开关量有两点为高速且应具备中断功能，所以至少有一个DI模块应具备高速输入及中断功能。其他只要满足数量要求即可。对于开关量输入输出模块出于安全
32、考虑尽量选用低电压产品，所以选择24V标准电压输入输出模块较好。根据前面I/O点数计算结果选择一块32点输入和一块16点输入模块，因为高速中断模块价格较高所以选定16点输入模块为高速中断模块。选型结果为：6ES7 321-1BL00-0AA0 32点 24V.DC输入模块一块 6ES7 321-7BH01-0AB0 16点 24V.DC输入模块(带中断）一块第27页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例 2）开关量输出模块选择 因为继电器存在机械结构故障率较高，且为了保护PLC系统一般DO输出均采用中间继电器隔离，所以选用晶体管输出的24V DO模块。选型结果为：6ES7 322-1BL
33、00-0AA0 32点 24V.DC 输出模块一块 3）模拟量模块选型选择 主要有两个方面，一是转换速度，二是转换分辨率。本项目中对转换速度没有特殊要求，所以不予考虑。对应分辨率因西门子AI模块最低分辨率为12位完全能满足一般工艺要求。选型结果为：6ES7 331-1KF01-0AB0 8路且13位精度模拟量输入模块一块 6ES7 332-5HF00-0AB0 8路模拟量输出模块一块 （5）PLC系统电源选择 PLC系统电源总功率=CPU+模块+系统外部供电第28页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例 CPU314满载电流为0.9A，模拟量输入模块不消耗24V电源，但其变送器回路需消耗
34、24V电源，假设全部模拟量均为二线制变送器则有72路*22mA=1.58A，模拟量输出模块3*每块模块消耗320mA=0.96A，16路高速带诊断数字量输入模块自身消耗90mA电流，32路自身不消耗，每个DI回路消耗7mA，总消耗电流=7mA*48=0.336A，DO模块自身消耗340mA，如果每路带一个中间继电器，每个继电器消耗40mA电流，则中间继电器最高消耗40mA*32=1.28A 核算总电流=CPU（0.9A）+变送器（1.58A）+模拟量输出模块（0.96A）+16路DI模块（0.09A）+DI回路（0.336A）+DO模块自身（0.34A）+中间继电器（1.28A）=5.486A
35、 因为不可能所有回路均为满载，所以在乘以满载系数0.8=4.388A 选型结果为：6ES7 307-1EA00-0AA0 5A电源模块一块第29页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例（6）核算机架数量 总模块数=AI(9)+AO(3)+DI(2)+DO(1)=15块 每个机架最多可插8个模块，所以需要一个扩展机架。由于只有一个扩展机架，所以选择经济性比较好的IM365接口扩展模块。因为每个接口模块都要从总线电源消耗一定电流，所以必须核算总线接口带载能力。本项目所选型号I/O模块总线消耗电流如下表型型 号，号，名名 称称总线消耗电流（总线消耗电流（mAmA）6ES7 321-1BL00-
36、0AA06ES7 321-1BL00-0AA03232点点 24V.DC24V.DC输入模块输入模块15156ES7 321-7BH01-0AB06ES7 321-7BH01-0AB01616点点 24V.DC24V.DC输入模块输入模块1301306ES7 322-1BL00-0AA06ES7 322-1BL00-0AA03232点点 24V.DC 24V.DC 输出模块输出模块1101106ES7 331-1KF01-0AB06ES7 331-1KF01-0AB08 8路路1313位精度模拟量输入模块位精度模拟量输入模块60606ES7 332-5HF00-0AB06ES7 332-5HF
37、00-0AB08 8路模拟量输出模块路模拟量输出模块100100第30页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例 IM365模块接口性能为主机架与扩展机架相加最大总线电流为1200mA，每个机架最大总线电流为800mA。根据以上要求并结合本项目模块数量，主机架放置八块AI模块，扩展机架放置一块AI模块、三块AO模块、两块DI模块、一块DO模块。主机架总线电流=60*8=480mA，因为计算值小于IM365每个机架最大800mA的规定，所以符合要求。扩展机架总线电流=60+3*100+15+130+110=615mA，因为计算值小于IM365每个机架最大800mA规定，所以符合要求。IM35
38、6总线总电流=480+615=1095 mA，因为计算值小于IM365总线电流总和1200mA的规定，所以符合要求。（7）通讯确定 系统有两台操作站故还需要选择两块通讯网卡，因为只有两台操作站和一套过程控制站（一套PLC），所以选择MPI网络通讯就能满足通讯要求。通讯卡具体型号如下：第31页/共60页7.2.6 PLC控制系统设计实例 选型结果：6GK1 561-1AA00 两块 同时组成通讯网络还需网线及网络接头，具体型号如下：网络接头：6ES7 972-0BA12-0XA0 三个 PROFIBUS网线:6XV1 830-0EH10 若干米（8）接线端子选择 另外，I/O模块本身不提供接线端
39、子，还需要订购接线端子及模块安装机架。本项目除16路DI输入模块选20线接线端子外，其他模块均选择40线接线端子。具体型号如下：20针接线端子：6ES7 392-1AJ00-0AA0 一个 40针接线端子：6ES7 392-1AM00-0AA0 十四个 480mm导轨（机架）：6ES7 390-1AE80-0AA0 两个 本工程所用西门子系统设备清单第32页/共60页型型 号号名名 称称数数 量量6ES7 307-1EA00-0AA06ES7 307-1EA00-0AA05A5A电源模块电源模块1 16ES7 314-1AF19-0AB96ES7 314-1AF19-0AB9314CPU 48
40、K314CPU 48K内存内存1 16ES7 953-8LF11-0AA06ES7 953-8LF11-0AA0内存卡内存卡1 16ES7 365-0BA01-0AA06ES7 365-0BA01-0AA0365365接口模块接口模块1 16ES7 390-1AE80-0AA06ES7 390-1AE80-0AA0480mm480mm导轨导轨2 26ES7 321-1BL00-0AA06ES7 321-1BL00-0AA03232点点 24V.DC24V.DC输入模块输入模块1 16ES7 321-7BH01-0AB06ES7 321-7BH01-0AB01616点点 24V.DC24V.DC
41、输入模块输入模块1 16ES7 322-1BL00-0AA06ES7 322-1BL00-0AA03232点点 24V.DC 24V.DC 输出模块输出模块1 16ES7 331-1KF01-0AB06ES7 331-1KF01-0AB08 8路路1313位精度模拟量输入模块位精度模拟量输入模块9 96ES7 332-5HF00-0AB06ES7 332-5HF00-0AB08 8路模拟量输出模块路模拟量输出模块3 36ES7 392-1AJ00-0AA06ES7 392-1AJ00-0AA02020针接线端子针接线端子1 16ES7 392-1AM00-0AA06ES7 392-1AM00-
42、0AA04040针接线端子针接线端子14146GK1 561-1AA006GK1 561-1AA0056115611网卡网卡2 26ES7 972-0BA12-0XA06ES7 972-0BA12-0XA0网络接头网络接头3 36XV1 830-0EH106XV1 830-0EH10PROFIBUSPROFIBUS网线网线若干米若干米第33页/共60页7.3 PLC应用系统的软件设计7.3.1 PLC应用系统的软件设计内容 首先设计人员必须深入现场，了解并熟悉被控对象（机电设备或生产过程）的控制要求，明确PLC控制系统必须具备的功能，为应用软件的编制提出明确的要求和技术指标，并形成软件需求说明
43、书。在此基础上进行总体设计，将整个软件根据功能的要求分成若干个相对独立的部分，分析它们之间在逻辑上、时间上的相互关系，使设计出的软件在总体上结构清晰、简洁，流程合理，保证后继的各个开发阶段及其软件设计规格说明书的完全性和一致性。然后在软件规格说明书的基础上，选择适当的编程语言进行程序设计。所以，一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容：1、PLC软件功能的分析与设计；2、I/O信号及数据结构分析与设计；3、程序结构分析与设计；4、软件设计规格说明书编制；5、用编程语言、PLC指令进行程序设计；6、软件测试；7、程序使用说明书编制。第34页/共60页7.3.2 PLC应用系统的
44、软件设计步骤 根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，用相应的编程语言指令，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统的软件设计。可编程序控制器应用系统的软件设计过程如图6.2所示。图7.2 PLC应用系统的软件设计过程第35页/共60页7.3.2 PLC应用系统的软件设计步骤 1、制定设备运行方案 制定方案就是根据生产工艺的要求，分析各输入、输出与各种操作之间的逻辑关系，确定需要检测的量和控制的方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。2、画控制流程图 对于较复杂的应用系统，需要绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系
45、统，可省去这一步。3、制定系统的抗干扰措施 根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波，软件上的平均值滤波等。4、编写程序 根据被控对象的输入/输出信号及所选定的PLC型号分配PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再按照软件规格说明书（技术要求、编制依据、测试），用梯形图进行编程。第36页/共60页 5、软件测试 为了及时发现和消除程序中的错误和缺陷，减少系统现场调试的工作量，确保系统在各种正常和异常情况时都能作出正确的响应，需要对程序进行离线测试。经调试、排错、修改及模拟运行后，才能正式投入运行。程序测试时重点应注意
46、下列问题：1)程序能否按设计要求运行；2)各种必要的功能是否具备；3)发生意外事故时能否作出正确的响应；4)对现场干扰等环境因素适应能力如何。经过测试、排错和修改后，程序基本正确，下一步就可到控制现场试运行，进一步查看系统整体效果，还有哪些地方需要进一步完善。经过一段时间试运行，证明系统性能稳定，工作可靠，已达到设计要求，就可把程序固化到EPROM或EEPROM芯片中，正式投入运行。6、编制程序使用说明书 当一项软件工程完成后，为了便于用户和现场调试人员的使用，应对所编制的程序进行说明，通常程序使用说明书应包括程序设计的依据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的I/O信号，软件程序
47、操作使用的步骤、注意事项，实际上说明书就是一份软件综合说明的存档文件。第37页/共60页7.47.4开关量控制系统的设计7.4.1开关量控制系统 开关量控制是指控制系统的输入信号和输出信号都是只有两个状态的开关量。这类系统包含手动、单次和自动控制。这类系统的设计要特别注意I/O模块的隔离、接口的匹配和功率的消耗问题。1、手动控制 手动控制在调试、维修过程中是不可少的。2、单次控制 这种控制的特点是一旦控制系统被启动之后，控制过程将自动完成一个周期。如果系统需要再次启动，则必须再次人工启动。这种系统更便于参数的修改和调整。3、自动控制 系统启动之后，就可以按照工程要求进行控制。整个控制过程无人工
48、干预。系统对输入和输出要求都很严格，系统的可靠性、安全性设计尤为重要。本节主要介绍自动控制的设计方法第38页/共60页7.4.2开关量控制系统设计举例 1、控制说明 如图7.3所示为一搅拌控制系统，由3个开关量液位传感器分别检测液位的高、中和低。现要求对A、B两种液体原料按等比例混合。要求：按启动按钮后系统自动运行，首先打开进料泵1，开始加入液料A至中液位传感器动作后，则关闭进料泵1，打开进料泵2，开始加入液料B至高液位传感器动作后，关闭进料泵2，启动搅拌器至搅拌10S后，关闭搅拌器，开启放料泵至当低液位传感器动作后，延时5S后关闭放料泵。按停止按钮，系统应立即停止运行。第39页/共60页7.
49、4.2开关量控制系统设计举例图7.3 搅拌控制系统第40页/共60页2、内存变量分配表表7.1内存变量分配表序号序号名称名称地址地址注注释1启启动I0.0上升沿有效上升沿有效2停止停止I0.1上升沿有效上升沿有效3H检测I0.2上升沿有效上升沿有效4I检测I0.3上升沿有效上升沿有效5L检测I0.4下降沿有效下降沿有效6阀X1Q0.0“1”有效有效7阀X2Q0.1“1”有效有效8电机机MQ0.2“1”有效有效9阀X3Q0.3“1”有效有效10搅拌拌计时器器T1SD定定时器器11缶排空延缶排空延时器器T2SD定定时器器12原始原始标志志M0.0BOOL13液位最低液位最低标志志M0.1BOOL第
50、41页/共60页3、搅拌控制系统分块结构软件设计1）规划程序结构图7.4 程序结构第42页/共60页2）编辑程序块OB1主程序第43页/共60页OB100初始化程序第44页/共60页第45页/共60页第46页/共60页第47页/共60页3）系统仿真第48页/共60页7.5模拟量控制系统的设计7.5.1.模拟量控制系统 模拟量控制系统是指输入信号和输出信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式上可分为开环控制和闭环控制。闭环控制根据其设定值的不同，又可分为调节系统和随动系统两种。调节系统的设定值是由控制系统的控制器给出，控制器的作用就是使反馈值向给定值靠近，以反馈值对设定值的偏差最小为目的。随动