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第7章PLC控制系统设计与应用实例7.1PLC控制系统设计的内容和步骤7.2PLC控制系统的硬件配置7.3PLC控制系统梯形图程序的设计7.4顺序控制梯形图的设计方法7.5PLC在工业控制系统中的典型应用实例7.1PLC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1)分析控制对象、明确设计任务和要求是整个设计的依据。2)选定PLC的型号及所需的输入/输出模块，对控制系统的硬件进行配置。3)编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图。4)根据系统设计的要求编写软件规格要求说明书，然后再用相应的编程语言(常用梯形图)进行程序设计。5)设计操作台、电气柜，选择所需的电气元件。6)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机型的选择性能与任务相适应PLC的处理速度应满足实时控制的要求PLC机型尽可能统一指令系统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PLC。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A/D转换的模拟量输入模块和带D/A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，并且选择运算功能较强的小型PLC。西门子公司的S7-200、S7-1200PLC在进行小型数字、模拟混合系统控制时具有较高的性能价格比，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统，如需要PID调节、闭环控制、通信联网等功能时，可选用中、大型PLC，如西门子公司的S7-300、S7-400。2.提高PLC快速响应的几点措施1)选择CPU速度比较快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5μs。2)优化应用软件，缩短扫描周期。3)采用高速响应模块，其响应的时间不受PLC周期的影响，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。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理，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，也给扩展系统升级留有余地；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，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PLC连成一个多级分布式控制系统，相互通信，集中管理。4.指令系统1)指令系统的总语句数。2)指令系统种类。3)指令系统的表达方式。4)应用软件的程序结构。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)选择工作电压等级。2)选择模块密度。3)门坎电平。2.开关量输出模块的选择1)输出方式的选择。2)输出电流的选择。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)模拟量值的输入范围。2)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。3)在应用中要注意抗干扰措施。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两种，输出范围有0~10V、±10V、0~20mA等。模拟量输出模块的输出精度、分辨率、抗干扰措施等都与模拟量输入模块的情况类似。S7-200PLC提供了EM2314路模拟量输入模块、EM2314路输入热电偶、EM2312路热电阻(RTD)、EM2322路模拟量输出模块、EM2354输入/1输出组合模块，可根据实际需要选用。7.2.4智能模块的选择一般的智能模块包括PROFIBUS-DP模块(如EM277模块)、工业以太网模块(如CP243-1、CP243-1IT)、调制解调器模块(如EM241模块)、定位模块(如EM253模块)等。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I/O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。7.3PLC控制系统梯形图程序的设计7.3.1经验设计法7.3.2顺序控制设计法与顺序功能图7.3.1经验设计法1.考虑不周、设计麻烦、设计周期长2.梯形图的可读性差、系统维护困难图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换条件，每个转换条件后面仅有一步，如图7-4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分支。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，如图7-5a所示。选择序列的结束称为合并。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换到同一个步，如图7-5b所示。图7-5选择序列的分支与合并并行序列的开始称为分支。当转换的实现导致几个序列同时激活时，这些序列称为并行序列。它们被同时激活后，每个序列中的活动步的进展将是独立的，如图7-6a所示。并行序列中，水平连线用双线表示，用以表示同步实现转换。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。并行序列的结束称为合并。在并行序列中，处于水平双线以上的各步都为活动步，且转换条件满足时，同时转换到同一个步，如图7-6b所示。并行序列的合并只允许有一个转换条件，并标在水平双线之下。(3)并行序列结构图7-6并行序列的分支与合并3.顺序功能图法顺序功能图法首先根据系统的工艺流程设计顺序功能图，然后再依据顺序功能图设计顺序控制程序。在顺序功能图中，实现转换时使前级步的活动结束而使后续步的活动开始，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。而对于每步的程序段，只需处理极其简单的逻辑关系。因而这种编程方法简单易学、规律性强,设计出的控制程序结构清晰、可读性好，程序的调试、运行也很方便，可以极大地提高工作效率。S7-200PLC采用顺序功能图法设计时，可用置位/复位(S/R)指令、顺序控制继电器(SCR)指令、移位寄存器(SHRB)指令等实现编程。7.4顺序控制梯形图的设计方法7.4.1置位、复位指令编程7.4.2顺序控制继电器指令编程7.4.3具有多种工作方式的顺序控制梯形图设计方法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出信号起动按钮SB1I0．1南北红灯HL1、HL2Q0．0停止按钮SB2I0．2南北绿灯HL3、HL4Q0．4南北黄灯HL5、HL6Q0．5东西红灯HL7、HL8Q0．3东西绿灯HL9、HL10Q0．1东西黄灯HL11、HL12Q0．2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南北向控制程序略南北向输出程序略171819237.4.2顺序控制继电器指令编程——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.深孔钻组合机床控制要求刀具进退与行程开关示意图如图7-11所示。在起始位置O点时，行程开关SQ1被压合，按起动按钮SB2，电动机正转起动，刀具前进。退刀由行程开关控制，当动力头依次压在SQ3、SQ4、SQ5上时电动机反转，刀具会自动退刀，退刀到起始位置时，SQ1被压合，退刀结束，又自动进刀，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0123456起始位置电动机正转起动O→A电动机反转起动A→O电动机反转起动B→O电动机正转起动O→B电动机反转起动C→O电动机正转起动O→CSQ1压合按下起动按钮SB2压合SQ3压合SQ1压合SQ4压合SQ1压合SQ5压合SQ14.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7-3节日彩灯“步进单闪”花式节拍输出分配表长针节拍中间输出V2．0V2．1V2．2V2．3V2．4V2．5V2．6V2．7M1．0+++++++M1．1+++++++M1．2+++++++M1．3+++++++M1．4+++++++M1．5+++++++M1．6+++++++M1．7+++++++表7-4节日彩灯“奇偶跳变”花式节拍输出分配表长针节拍中间输出V2．0V2．1V2．2V2．3V2．4V2．5V2．6V2．7M2．0++++M2．1++++M2．2++++M2．3++++M2．4++++M2．5++++M2．6++++M2．7++++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(1)数据输入变换过程(2)控制量输出变换过程图7-264~20mA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0~25600存入VW162，以及再转换成0~100℃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：①将VW162以上16位补0成为双字整数，再划为实数，并除以25600.0使之成为0.0~1.0的过程变量(PVn)；②I0.0置1时PID回路指令有效；③将0.0~1.0的输出转换成0~25600的整数，再加6400，成为6400~32000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