第八章PLC在机电控制工程中的应用

第八章PLC在机电控制工程中的应用可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）是随着计算机技术、通信技术、微电子技术和继电器控制技术的进步而发展起来的一种技术。当前，PLC已经广泛应用于机械制造、冶金工业、化工、电力、交通、采矿、建材、轻工、环保、食品等各行各业。既可以用于旧设备的技术改造，又可以用于新产品的开发和机电一体化设计。随着计算机技术、自动控制技术和网络通信技术的发展，PLC技术也得到了很好的发展，其功能远远超过早期PLC的逻辑控制，更多的具有了强大的网络通信功能，使之与CAD/CAM以及机器人技术一起被称为当代工业自动化生产的三大支柱。第一节PLC的主要特点一、PLC的主要特点PLC是专为在工业环境下应用而设计的，具有以下主要特点。1、可靠性高、抗干扰能力强PLC在恶劣的工业环境下能可靠地工作，具有很强的抗干扰能力。例如，能够抗击电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等，能抵抗1000V、lμs脉冲的十扰；能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作；能承受电网电压的变化．可直接由交流市电供电，允许电压波动范围大。一般由直流24v供电的机型，电源电压允许为16V～32V；由交流电的机型，允许电压为115V，230V(±15％)、47Hz～63Hz的电源供电。即使在电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作。PLC在设计、生产过程中，除了对元器件进行严格的筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波、光隔离和故障诊断、自动恢复等措施。有的PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。通常PLC的平均无故障时间可达几万小时以上，有的甚至达几十万小时。2、通用性强、更活性好、功能齐全PLC是通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前，PLC产品已系列化、模块化、标准化．能方便灵活地组成大小不同、功能不同的控制系统，通用性强。由于可编程序控制功能齐全．几乎可以满足所有控制场合的需求。组成系统后，即使控制程序发生变化．只要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。3、编程简单．使用方便PLC在基本控制方面采用梯形图语言进行编程．其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似，形式简练、直观，容易被广大电气工程人员所接受。用梯形图编程出错率比汇编语言低得多。PLC还可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语句表方式编程。梯形图、流程图、语句表之间可有条件地相互转换，使用极其方便。这是PLC能够迅速普及和推广的重要原因之一。4、模块化结构PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O（包括特殊功能I/O等均采用模块化设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，使扩展、维护方便。5．安装简便、调试方便PLC安装简便，只要把现场的I／O设备与PLC相应的I／O端了相连就完成了合部的接线任务，缩短了安装时间。PLC的调试可作分为室内调试和现场调试。室内调试时，用模拟开关模拟输入信号其输入状态和输出状态可以以观察PLC上的相应的发光二极管。可以根据PLC上的发光二极管和编程器提供的信息方便地进行测试、排错和修改。室内模拟调试后，即可到现场进行连机调试。6．维修工作量小，维护方便PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行结构发生故障时．可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因，更换棚应的故障模块。7．体积小、能耗低对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的_中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器大小，极人地减小了了开关柜的体积，另外，PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，节省了大量的配线和附件，因此可以节省大量的费用。PLC体积小、能耗低．便于设备的机电一体化控制。第二节磁性编码检测机的总体设计磁性编码检测机的总体设计的步骤和内容如下：一、磁性编码检测机的需求分析见实例7二、磁性编码检测机的原理设计见实例7三、磁性编码检测机的布局设计1、按主要工作机构（进纸机构和收纸机构）的布置方式设计成自立式2、触摸显示屏可旋转升降3、外型尺寸长×宽×高为1500×1200×9004、颜色采用与该车间多数控制柜颜色一样的浅灰色第三节磁性编码检测机的PLC控制器的选择和编程磁性编码检测机PLC控制的设计内容和步骤如下一、PLC控制系统的硬件配置1、选择PLC机型（1）IO点数的估算I/O点数是PLC的一项重要指标，选择I/O点数既要满足控制要求，又要使投资最低。一般一个输入输出元/件要占用一个输入/输出点。考虑到今后的调整和扩展，一般应在估计的总点数上再加上20％～30％的备用量。典型传动设备及常用电器元件所需PLC的IO点数列表如下：序号电气设备、元件输入点数输出点数I/O点数1Y—△起动的笼型电机4372单向运行笼型电机4153可逆运行笼型电机5274单向变极电动机5385可逆变极电动机64106单向运行的直流电机96157可逆运行的直流电机128208单线圈电磁阀2139双线圈电磁阀32510比例阀35811按钮开关1—112光电管开关2—213信号灯—1114拔码开关4—415三档波段开关3—316行程开关1—117接近开关1—118抱闸31119风机31120位置开关2—2（2）存储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、程序结构等。因此在程序设计之前只能粗略地估算。根据经验，每个IO点及有关功能元件占用的内存量大致如下：开关量输入元件：10～20B/点；开关量输出元件：5～10B/点；定时器/计数器：2B/个；模拟量：100～150B/个；通信接口：一个接口一般需要300B以上；根据算出的总字节数再考虑增加25％左右的备用量，就可估算出用户程序所需的内存量，选择合适的PLC内存（3）CPU功能与结构的选择A、功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，选用小型PLC就能满足要求，例如，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D／A转换的模拟量输出模块，并且选择运算功能较强的小型PLC。对于工艺复杂、控制要求较高的系统，如需要PID调节、位置控制、快速控制、通信联网等功能的系统，可选用中、大型PLC。B、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l～2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。但对于实时性要求较高设备，不允许有较大的滞后时间。滞后时间一般应控制在几十毫秒之内(相当于普通继电器的动作时间)，否则就没有意义了。滞后时间的长短与I/O总点数、应用程序的长短、编程质量等有很大关系。为了提高PLC的实时处理速度，可选择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；同时对编制的程序进行优化，缩短扫描周期；必要时可采用高速响应模块。其响应时间不受PLC扫描周期的影响，而只取决于硬件的延时。C、PLC结构合理、机型统一PLC的结构主要有整体式和模块式两种，对于单机控制系统、集中控制系统往往选用整体式结构；对于控制规模较大的集散控制系统、远程I／0系统常选用模块式结构-模块式结构组态灵活、易于扩充。在一个单位或一个企业里．应尽量使机型统一，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。D、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。通过编程器上的方式开关选择PLC的编程、监控和运行工作状态。这种方法就是“离线编程”。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、修改程序用。现在很多PLC都有相应的编程软件，与个人计算机或笔记本电脑相配合，就可以实现“在线编程”。如运用西门子STEP7-Micro／WIN32编程软件编写、调试程序并下载到PLC中，让PLC完成相应的控制任务。还可以在PLC运行模式下调试程序，非常方便。在线编程需要计算机，并配备编程软件。2、I/O模块的选择I/O模块的选择包括开关量I/O模块、模拟量模块和智能模块的选择，在磁性编码检测机的控制中只有开关量的选择（1）输入模块的选择A、选择工作电压等级电压等级主要根据现场检测元件与模块之间的距离来选择。距离较远时可选用较高电压的模块来提高系统的可靠性，以免信号衰减后造成误差。距离较近时，可选择电压等级低一些的模块，如5V、12V、24V等。B、选择模块密度模块密度主要根据分散在各处输入信号的多少和信号动作的时间选择。集中在一处的输入信号尽可能集中在一块或几块模块上，以便于电缆安装和系统调试。对于高密度输入模块，如32点或64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般来讲，同时接通点数最好不超过模块总点数的60％。以保证输入/输出点承受负载能力在允许范围内。C、门槛电平为了提高控制系统的可靠性，必须考虑门槛电平的大小。所谓门槛电平指输入点的接通电平和关断电平的差值。门槛电平值越大。抗干扰能力越强．传输距离也就越远。D、输入端漏电流的控制在进行连接配线时，存在着不同程度的漏电流。如连接电缆和双绞线的线路电容可能引起交流漏电}晶闸管截止时也会存在少量漏电流；带LED指示的开关也可能会产生较大的漏电流。这些漏电流会像信号一样输入到输入点去．形成干扰。解决的方法是在输入端并联适当的电阻和电容，以降低输入总阻抗。目前许多型号的PLC内部都提供DC24V电源，用做集电极开路传感器的电源。但该电源容量较小，当用做本机输入信号的工作电源时，需考虑电源的容量。如果电源容量要求超出了内部DC24V电源的定额，须采甩外接电源，建议采用稳压电源。（2）输出模块的选择A、方式的选择继电器输出方式价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬时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，且响应速度鞍慢，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1Hz。晶闸管输出方式（交流）和晶体管输出方式(直流)都属于无触点开关输出，使用寿命长，适用于通断频繁的感性负载。对于开关频率高、早感大、低功率因数的交流负载可先用晶闸管输出模块；而对于开关频率较高的直流负载，可选用晶体管输出模块。B、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时，应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到按通时有冲击电流，耍留有足够的余量。选用输出模块还应注意同时接通点数的电流幕计值必须小于公共端所允许通过的电流值。为防止由于负载短路等愿因而烧坏PLC的输出模块，输出回路必须外加熔新器作短路保护。对于继电器输出方式可选用普通熔断器；对于晶体管输出方式和晶闸管输出方式应选用快速熔断器。当PLC基本单元所提供的输入/输出点数不能满足应用系统I/O总点数需求时，可增加输入/输出扩展模块。对于S7-200，可选的扩展模块有EM221数字量输入模块（点24V直流输入）、EM222数字量输出模块（*点直流继电器输出）、EM223数字量组合模块（有24V直流4输入/4输出、MOSFET或继电器输出；24V直流8输出；16输出三种规格）等。这些扩展模块通过E-Stand10针扩展连接器及扁平电缆与主机直接相连，安装方便。二、分配I/O编号见实例7的I/O编号分配表三、编制程序在完成PLC控制系统硬件配置和画好I/O接线图后，可进行应用程序设计。事实上，PLC控制系统软件设计与硬件设计有时需交叉进行，就系统的控制功能而言，有些可由硬件电路实现，也可由软件实现，大多数功能是软件和硬件相配合才得以实现。所以，设计时应通盘