第七章PLC的控制系统设计

第七章PLC的控制系统设计教学提示：PLC的控制系统是由PLC作为控制器来构成的电气控制系统。PLC的控制系统设计就是设计根据控制对象的控制要求制定电控方案，选择PLC机型，进行PLC的外围电气电路设计以及PLC程序的设计、调试。要完成好PLC控制系统的设计任务，除掌握必要的电气设计基础知识外，还必须经过反复实践，深入生产现场，将不断积累的经验应用到设计中来教学要求：通过本章教学使学生初步掌握PLC控制系统设计的几种常用方法和步骤，能够根据控制对象的控制要求制定合理的控制方案，确定经济合理的PLC机型，进行PLC的外围电路和程序的设计第七章PLC的控制系统设计7.1PLC控制系统设计原则和步骤7.1.1PLC控制系统设计的一般原则7.1.2PLC控制系统设计步骤7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.1I/O点数的简化与扩展7.3.1经验设计法7.2.3PLC的外围电路设计7.3PLC控制系统的软件设计7.2.2PLC的选型及模块选型7.3.2继电器接触器控制线路转换设计法7.3.3逻辑设计方法7.3.4状态转移图设计法7.4PLC的控制系统设计实例7.1PLC控制系统设计原则和步骤7.1.1PLC控制系统设计的一般原则（1）首先要满足被控设备的全部控制要求，包括功能要求、性能要求（2）在满足控制系统要求的基础上，应考虑实用性、经济性、可维护性（3）控制系统应确保控制设备性能的稳定性及工作的安全性和可靠性（4）控制系统应具有可扩展性，能满足生产设备的改良和系统的升级（5）要注意控制系统输入/输出设备的标准化原则和多供应商原则，易于采购和替换（6）易于操作，符合人机工程学的要求和用户的操作习惯7.1.2PLC控制系统设计步骤1．根据控制要求确定软件硬件分工（1）控制的基本方式（2）需要完成的动作（3）操作方式（4）确定软件与硬件分工2．确定用户的输入/输出设备（1）根据控制要求，确定输入设备（2）根据控制要求，确定输出设备（3）根据用户的输入/输出的设备数量，确定PLC的I/O点数3．硬件设计（1）选择PLC的型号（2）建立PLC的输入/输出地址分配表（3）绘制输入/输出设备与PLC的连线图（4）电气系统的设计4．软件设计（1）离线模拟调试（2）现场联机调试5．调试6．编制控制系统技术文件7．控制系统交付使用及用户技术培训7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.1I/O点数的简化与扩展1.输入点的简化(1)具有机上控制功能的操作开关在PLC处并联后再输入到PLC图7.1并联连接输（a）（b）（a）两开关分别接入法；（b）两开关并为一点的接法(2)同一输入点分时使用图7.2自动/手动输入切换与输出扩展(3)利用PLC的程序减少输入点图7.2自动/手动输入切换与输出扩展（a）（b）（a）三种控制方式的三点切换输入；（b）三种控制方式的两点切换输入(4)利用PLC内部元件的功能减少输入点图7.4只用一个输入按钮的起、保、停控制电路7.2.2PLC的选型及模块选型1．PLC类型的选择（1）内存利用率（2）开关量输入输出点数（3）模拟量输入输出总点数（4）程序编写水平2．安装形式的选择3．输入/输出点数的确定4．PLC存储容量的确定（5）实时响应性5．输入接口电路形式的选择6．输出接口电路形式的选择7．PLC供电方式的选择8．PLC扩展模块的选择7.2.3PLC的外围电路设计(1)强、弱电信号设备分别配置，不可混在一个回路中(2)将输入、输出设备中的开关、按钮、电磁阀等，分别集中配置，同类型的输入点可分在一个组内，并尽量分在同一回路中(3)按PLC上的配置顺序来给输入、输出编号，这样会给编程及硬件设计带来方便7.3PLC控制系统的软件设计7.3.1经验设计法【例7-2】小车的左右行控制系统如图7.5所示，小车开始时停在左限位开关SQ1处。按下右行启动按钮SB1，小车右行，到限位开关SQ2处时停止运动，10S后定时器T0的定时到，小车自动返回起始位置。设计小车左行和右行控制的梯形图图7.5小车的左右行控制系统示意图解：小车的左行和右行控制的实质是电机的正反转控制。因此可以在电动机正反转PLC控制设计的基础上，设计出满足要求的PLC的外部接线图和梯形图，如图7.6和图7.7所示为了使小车向右的运动自动停止，将右限位开关对应的X004的常闭触点与控制右行的Y000的线圈串联。为了在右端使小车暂停10S，用X004的常开触点来控制定时器T0的线圈。T0的定时时间到，则其常开触电闭合，给控制Y001的起保停电路提供启动信号，使Y001的线圈通电，小车自动返回。小车离开SQ2所在的位置后，X004的常开触点断开，T0被复位。回到SQ1所在位置时，X003的常闭触点断开，使Y001的线圈断电，小车停在起始位置图7.6小车的左行和右行控制的PLC的外部接线图图7.7小车的左行和右行控制的PLC梯形图7.3.2继电器接触器控制线路转换设计法1．了解被控设备（1）可以转换为PLC的外部接线图中的输入/输出设备的继电器电路中的元件（2）可以转换为PLC的内部梯形图中的继电器电路中的元件2．两种电路的元件和电路的对应转换3．画梯形图例：机床刀具主轴运动图7.8继电器控制电路图7.9机床主轴PLC控制系统的外部接线图图7.10机床主轴PLC控制系统的梯形图7.3.3逻辑设计方法1.明确控制任务和控制要求2.绘制电控系统状态转换表3.电控系统的逻辑设计4.编制PLC程序7.3.4状态转移图设计法状态转移图设计法属于顺序控制设计法。三菱公司的FX系列PLC设置了专门用于顺序控制的指令如步进指令(STL)与步进复位指令(RET)，利用步进指令并根据状态转移图很容易设计出相应的梯形图。对于没有顺序控制专用指令的PLC，可用一般逻辑指令和移位寄存器来编顺序控制程序状态转移图设计法就是根据生产工艺和工序所对应的顺序和时序将控制输出划分为若干个时段，一个段又称为一步。每一个时段对应设备运作的一组动作（动作顺序、动作条件和转移条件），该动作完成后根据相应的条件转换到下一个时段完成后续动作，并按系统的功能流程依次完成状态转换。状态转移图设计法能清晰的反映系统的控制时序和逻辑关系7.4PLC的控制系统设计实例1．分析工艺过程，明确控制要求(1)了解设备概况机械手的结构和各部分动作的示意图如图7.15所示。机械手所有的动作均由液压驱动，它的上升与下降、左移与右移等动作均由双线圈双位电磁阀控制，即当下降电磁阀通电时，机械手下降；下降电磁阀断电时，机械手停止下降；只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升。机械手的夹紧和放松用一个单线圈双位电磁阀来控制，线圈通电时夹紧，线圈断电时放松图7.15搬运机械手工作时的动作(2)分析机械手工作的工艺过程机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图如图7.16所示。机械手的初始位置停在原点，按下起动按钮后，机械手将依次完成下降—夹紧—上升—在下降—放松—在上升—左移八个动作，机械手的下降、上升、右移、左移等动作的转换，是由相应的限位开关来控制的，而夹紧、放松动作的转换是由时间来控制的为保证安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上一次搬到右工作台上工件尚未移走，机械手应自动暂时等待。为此设置了一只光电开光，以检测“无工件”信号图7.16搬运机械手的动作顺序和检测元件、执行元件的布置示意图(2)控制要求手动工作方式：利用按钮对机械手每一动作单独进行控制。例如，按“下降”按钮，机械手下降，按“上升”按钮，机械手上升。用手动操作可以使机械手置于原位，还便于维修时机械手的调整单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一下起动按钮，机械手完成一步的动作后自动停止单周期工作方式：按下起动按钮，从原点开始，机械手按工序自动完成一个周期的动作，返回原点后停止连续工作方式：按下起动按钮，机械手从原点开始按工序自动反复连续循环工作，直到按下停止按钮，机械手自动停机。或者将工作方式选择开关转换到“单周期”工作方式，此时机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机图7.17操作台面板布置示意图根据以上控制要求，操作台面板布置示意图如图7.172.确定PLC的输入输出点数并选择PLC输入信号是将机械手的工作状态和操作的信息提供给PLC。PLC的输入信号共有17个输入信号点，需占用17个输入端子。具体分配如下：位置检测信号有下限、上限、右限、左限共4个行程开关，需要4个输入端子；“无工件”检测信号采用光电开关作检测元件，需要1个输入端子；“工作方式”选择开关有手动、单步、单周期、和连续4种工作方式，需要4个输入端子；手动操作时，需要有下降、上升、右移、左移、夹紧、放松6个按钮，也需要6个输入端子；自动工作时，尚需起动按钮、停止按钮，也需占2个输入端子。以上共需17个输入信号点(1)输入信号PLC的输出信号用来控制机械手的下降、上升、右移、左移和夹紧5个电磁阀线圈，需要5个输出点；机械手从原点开始工作，需要有1个原点指示灯，也要占用1个输出点。所以，至少需要6个输出信号点。如果功能上再无其他特殊要求，则有多种型号的PLC可选用，此处选用FX2N-48MR。FX2N-48MR共有输入24点，输出24点，继电器输出(2)输出信号(3)分配PLC的输入/输出端子根据对机械手的输入输出信号的分析以及所选的外部输入设备的类型及PLC的机型，分配PLC的输入输出端子如图7.18所示图7.18输入输出端子的分配4.PC控制系统程序设计为了便于编程，在设计软件时常将手动程序和自动程序分别编出相对独立的程序段，再用条件跳转指令进行选择。搬运机械手的控制系统程序结构框图如图7.19所示当选择手动工作方式（手动，单步）时，X007或者X010接通并跳过自动程序而执行手动程序；当选择自动工作方式（单周期、连续）时，X007、X010断开，而X011或X012接通则跳过手动程序而执行自动程序由于工作方式选择转换开关采取了机械互锁，因而此程序中手动程序和自动程序可采用互锁，也可以不互锁图7.19搬运机械手的控制系统程序结构框图(1)手动程序手动操作不需要按工序顺序动作，所以可按普通继电器程序来设计。手动操作的梯形图如图7.20所示。手动按钮X013～X020分别控制下降、上升、右移、左移、夹紧、放松各个动作。为了保证系统的安全运行设置了一些必要的联锁。其中在左、右移动的梯形图中加入了X002作为上限联锁，因为机械手只有处于上限位置时，才允许左右移动由于夹紧、放松、动作是用单线圈双位电磁阀控制，故在梯形图中用“置位”、“复位”指令，使之有保持功能图7.20手动操作的梯形图(2)自动操作流程图由于自动操作的动作较复杂，可先画自动操作流程图（如图7.21所示），用以表明动作的顺序和转换条件，然后再根据所采用的控制方法设计程序。矩形框表示“工步”，相邻两工步用有向线段连接，表明转换的方向。小横线表示转换的条件。若转换条件得到满足则程序从上一工步转到下一工步(3)自动程序设计(见书)图7.21自动操作流程图小结PLC的控制系统设计就是设计根据控制对象的控制要求制定电控方案，选择PLC机型，进行PLC的外围电气电路设计以及PLC程序的设计、调试。PLC控制系统的软件设计方法有经验法、继电器电路转换法、逻辑转换法、状态转移图设计法等。通过本章的学习应掌握PLC控制系统设计的几种常用方法和步骤，能够根据控制对象的控制要求制定合理的控制方案，确定经济合理的PLC机型，进行PLC的外围电路和程序的设计