第八章PLC控制系统的设计与应用.

第八章PLC控制系统的设计与应用PLC初始是针对工业顺序控制发展而研制的。经过近40年的发展，PLC技术发展水平已大大超过其出现时的技术水平，其定位在低成本自动化项目和作为大型DCS或FCS系统的I/O站。现在PLC的应用已遍布国民经济的各个领域，并几乎涉及到工业界所有领域的中、大型设备的自动控制中，形成了满足各种需要的PLC应用系统。本章主要论述内容为：可编程控制器(PLC)应用于工业自动控制的基本方法、PLC控制系统的软、硬件设计步骤、PLC使用注意事项以及根据控制对象的控制要求编制用户程序的设计技巧等。目的是使读者通过本章学习，掌握PLC应用于工业自动控制系统的基本设计方法，了解PLC控制系统的特点，充分利用PLC模块可扩性、软件编程灵活性、PLC的高抗干扰性，合理选用PLC，正确布局、布线，提高控制系统可靠性和系统性能价格比。第一节PLC控制系统的设计方法设计是人们根据客观条件以最佳方式实现具体目标的思维过程及其书面表达。它是一种创造性的工作。PLC控制系统的应用设计是属于工程类设计，其目的是将技术原理转化为技术实现；或者，将科研成果转换为生产力。工程类设计可划分为：1、产品设计；2、部件设计；3、布线设计；4、网络规划设计；5、试验优化设计；6、控制系统设计；7、管理系统设计；8、监测系统与综合系统设计等。PLC控制系统设计是电气控制工程设计的一种。与计算机控制系统设计基本相同。承接项目和项目设计过程主要由以下工作程序完成：思想和技术准备→承接和讨论项目→深入研究和讨论操作流程及使用工艺→制定技术指标→整体和分块剖析→拟定实施方案→划分分块目标内容→确定分块接口技术要求→深入实际调研，查阅文献和网络资料→方案比较及抉择→理论分析→技术经济分析→试验研究或试验优化设计→硬件电路及软件程序设计→工程或工艺设计→软件模拟试验→系统软硬件调试，修改，调试→现场调试→交接项目。一、PLC控制系统设计思想及原则PLC控制系统设计是针对现场（工业）进行控制的自动控制系统。在承接项目前要做好思想和技术准备。针对项目要求，一定要保证系统经济、合理；工作安全、可靠、稳定、耐用；操作、维护及维修方便。在设计过程中要充分查阅文献及网络资料，查找最新的技术及应用资料。充分利用工具软件、集成软件、系统仿真、软件仿真及硬件仿真技术。最大程度发挥硬件资源的作用，同时必须考虑系统小范围的更改和扩展需求。二、PLC控制系统的基本设计方法与步骤PLC广泛应用于工业自动控制系统领域。对PLC控制系统的设计首先必须符合电气控制设计的规范，其次还应充分考虑PLC的特殊性。在软、硬件的结合方面，应充分发挥PLC的软、硬件功能，使系统的技术、经济指标更加优越。(一)PLC控制系统的设计方法与步骤一般电气控制装置（系统）设计分成三个阶段：初步设计、技术设计和产品（系统）设计。1、初步设计初步设计是研究系统和电气控制装置的组成；技术指标；工作环境；操作流程；工艺过程与使用要求。拟定最佳控制方案，寻找技术设计的依据。初步设计可由机械设计人员和电气设计人员共同提出，也可由机械设计人员提供机械结构资料、传动参数、工艺流程和操作过程要求，由电气设计人员完成初步设计。(1)初步设计所需确定的相关内容1)设备（系统）名称、用途、工艺过程、技术性能、传动参数及现场工作条件。2)供电电网种类：电压等级、频率和容量。3)对电气控制的特殊要求(如控制方式、自动化程度、工作循环组成、电气保护等)。4)系统分辨率、控制精度、超调量、以及控制对象特性和执行机构选择。5)有关操作过程及显示要求。6)投资费用、研制工作量和周期估算。(2)PLC作为装置控制器的主要特点1)可靠性高、抗干扰能力强，便于实现机电一体化及信息控制一体化。2)构成的控制系统的开发周期短，调试方便。3)模块组合灵活、柔性大，设计者可根据系统控制要求和技术指标，合理地选用相应档次的PLC，配制相应的扩展模块，并可根据系统发展需要进行功能扩充。4)模块化结构便于系统在线维护，缩短维修时间。5)丰富的指令系统便于系统在硬件尽可能少改动情况下，改变生产工艺。6）便于网络联接，便于组成DCS或FCS系统。如果系统技术指标对上述几方面有较高的要求时，可优先考虑采用PLC作为系统的控制器。2、技术设计(1)技术设计需完成下述内容1)在系统设计过程中，对某些重要环节作必要的试验；写出试验报告。例如PLC编程中的某些特殊要求，新型传感器的测试结果等。2)绘制电气控制的电气原理图(包括可编程序控制器I/O接口)。3)编写系统参数计算书。4)选择整个系统的电气元件，提出专用元器件的技术指标，编写元件明细表。5)设计电气箱、控制面板等电气系统结构件及总装接线图。6)编写PLC内部元件分配表，编写软件流程图、梯形图或助记符程序。7)编写技术设计说明书，介绍系统原理、主要技术指标和运行、操作、维护说明书。(2)PLC控制部分设计步骤说明1)确定受控对象与PLC间的输入、输出信号关系。2)根据控制要求的复杂程度、控制精度，估计用户程序的容量、数据区容量、定时器、计数器数量及采用的内部元件。3)选择PLC机型和模块配置的主要依据是上述1)、2)条款中涉及到的硬件要求，同时从控制功能和数据处理要求方面考虑PLC指令系统的功能。4)根据选用的PLC及给定的元件地址范围(如输入、输出、计数器、定时器、数据区等)，对每个使用元件赋予相应名称和地址，以避免编程过程中重复使用而出错。5)根据受控对象的控制及有关动作转换逻辑，绘制PLC的控制流程图。6)由控制流程图编出相应控制功能的PLC用户程序(梯形图、状态图或助记符)。7)将编写的用户程序输人PLC，程序输入有两种方式：①用简易编程器键人助记符程序；②用图形编程器或计算机等专用设备输入程序，经串行通讯口写入PLC的用户程序内存中。8)在空载情况下，输入与实际负载工作相似的模拟信号，观察PLC运行时输出指示及模拟负载响应情况，采用分段调试程序方法(插人END指令)，逐步调试、修改、完善程序，直至程序符合系统控制要求为止。9)将控制系统与受控负载相连，经局部调试后再作系统总调，逐步修改、完善系统设计中存在的不足，直到系统工作符合技术指标要求。3、产品（系统）设计产品（系统）设计是根据技术设计中的系统电路图，柜、台、箱的布局图和元器件明细表转化设计成供生产用的总装配图，部件、组件、单元装配图、接线图、布线图及有关结构设计图纸等。其详细参考第九章内容，这里不再赘述。图8-1PLC控制系统设计步骤流程图图8-1PLC控制系统设计步骤流程图图8-1PLC控制系统设计步骤流程图(续上表)(续上表)(续上表)三、PLC使用注意事项(一)电源PLC电源通常采用交流llOV、220V和直流24V，使用时务必注意电源类型和幅值，若使用不当，会直接损坏PLC的电源模块。一般电气控制设备都具有电源接通控制和急停控制功能。从系统可靠性考虑，当处理紧急停止时，尽管PLC都能由程序控制输出点断开来切断负载，但PLC的输出电路应在PLC外部切断控制。其电源控制线路可参考图8-2。由于可编程序控制器的输出电路没有内部短路保护功能，因此，为防止由于负载短路等原因而烧坏可编程序控制器的输出点，输出回路必须加熔断器作短路保护，熔断器类型应根据输出元件选用。例如:输出为继电器元件，熔断器可选用普通熔断器；输出为晶体管或晶闸管元件，则必须选用快速熔断器。目前市场上许多型号的PLC内部都提供DC24V电源，该电源的容量较小，其输出电流一般在几百毫安以内。内部电源主要是用于集电极开路(OC门)传感器的电源，如前面章节所述。实际使用时必须考虑电源容量，对传感器等负载而言，PLC内部DC24V电源对外提供的容量随扩展元件数增加而减小，DC24V内部电源一般不允许与其它DC24V电源并接，使用时应加以注意。图8-2电源控制线路(二)输入端连接：连接时应注意以下几个问题：1)输入回路是否需要外接电源?2)要接什么类型电源(交流／直流)?3)电源的幅值多少、频率多少，极性要求如何?根据以往经验，一般在选型时可选择无电压汇流形式，这种输入电路使用时较为方便。实际应用中，许多传感器采用集电极开路输出方式来匹配接口电平，使用这类传感器时必须在其集电极上加驱动电源。PLC产品在设计时已考虑到这种应用形式，因而在PLC内部增加了可向外部传感器供电的电源（如西门子S7-200PLC可提供电流值如表(6-2所示)。a)无电压汇流b)交／直流汇流c)交流汇流图8-3PLC输入回路(三)输入点数统计系统设计中所需输入点数，一般最简单的方法就是统计输入到PLC的信号个数作为PLC输入点需求量，然而实际应用中必须考虑系统成本，尽可能减少输人点数。因为有些信号的出现是限制在系统工作某个特定条件下(例如手动状态下的指令信号不会出现在自动工作状态)。因此，我们在系统硬件设计时，可根据系统控制的不同工作状态，将信号划分到相应的程序模块中，在保证输入信号正确可靠的前提下，合理地将多个信号共用一个输入通道。例如系统中有两个分属不同程序块的输入信号，其基本实施的构思如图8-4所示。图8-4软件流程图及硬件图如果系统中信号不能保证出现在相应程序块运行阶段，简单地套用上述方法，系统会因输入信号混淆而出错。因此，较为严谨的方法是采用信号选通控制方式，这样就可避免共用通道信号间的相互干扰而误动作，线路原理如图8-5示。当需采集K1、K2、K3信号时，程序将Y1置“1”，KA线圈得电，输人端的COMl与COM联接，选通K类信号，同时COM2与COM断开，SQ类信号无法输人。反之Y1为“0”，COM2与COM连接，COMl与COM断开，输人选通SQ类信号。图8-5输入电路选通(四)输出端连接各种元件的输出原理图如图8-6所示，联接输出时应引起注意的是：1）负载电源类型(交／直流任意或指定其中一种)。2）负载电源的幅值和极性要求。3）负载容量和性质。PLC输出端对电源有具体要求，必须按照要求选用。例如选用晶闸管元件作输出模块，电源误用直流，那么输出晶闸管一经能触发，该管子将无法关断。另外，还要根据输出负载的性质，考虑采取相应保护电路。输出保护电路如图8-7示，因为当感性负载中的电流突然中止时(输出由ON到OFF)，就会产生一个很高的尖峰电压，若不抑制该尖峰电压，就可能损坏输出模块。a)继电器输出b)晶闸管输出c)晶体管输出图8-6PLC输出电路图8-7输出保护电路(五)输出点统计PLC的输出点具有一定的带载能力。在输出元件负载容量允许的情况下，可直接驱动负载。若负载需多付触点或输出点驱动容量不够的情况下，通常由PLC输出点驱动接触器线圈或其他执行元件（如中间继电器等），由接触器或其他执行元件再去驱动负载。一般情况下，PLC控制几个负载(不同时通断)，就需几个输出点。若考虑系统今后功能扩展，可增加一定余量（20％）的输出点作备用。(六)用户程序内存占用量估算用户应用程序存放的内存必须具有系统掉电保持功能(即系统掉电后仍能保持内存内容不变)。常用的内存有EPROM、EEPROM、和带锂电池供电的RAM。一些微型和小型PLC的存储容量一般是固定的(不可扩充)，介于1K和几K之间（近几年产品其容量较大，最大32KB），内存容量大小与PLC的输入／输出点数成正比。而中、大型PLC的指令系统较丰富，用户应用程序长短除了与I／O点数相关外，还与程序采用功能指令多少密切相关。由指令系统可知，PLC的一条基本指令一般占用一个步数内存，而有的一条功能指令却可占用十几步。因此，中、大型PLC的用户程序内存可按1K、2K、3K、4K、8K、…等单位扩充，用户在配置PLC内存时可按下式估算用户程序步数：A=(1+K1)×输出点数+(2+K2)×计时器点数+(3+K3)×计数器点数+功能指令数×K4实际选用时再考虑25％余量：A’=(1+0.25)×A式中的K1为平均组成驱动输出点的点数(梯形图中控制一个OUT指令左侧的控制逻辑平均点数)，根据程序可在5～10间取值。K2为平均组成驱动计时器的点数，根据程序取值2～5(括号内数值2为