搜索
2020-2-111第10章PLC控制基础及设计10.1系统设计基础10.1.1系统设计的原则任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量为目的。PLC系统设计应当遵循以下原则。1满足要求原则最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的首要前提。这也是设计中最重要的一条原则之一。2安全可靠原则控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至关重要。为了能达到这一点，要求在系统设计上，器件选择上，软件编程上要全面考虑。比如说，在设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下也能正常工作。系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝的能力。3经济实用原则经济运行也是系统设计的一项重要原则。这就要求，不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护即方便又低成本。4适应发展原则控制系统的要求也一定会不断地在提高、不断地在完善。在控制系统的设计时要考虑到今后的发展、完善。这就要求在选择PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有余量。10.1.2PLC系统硬件设计2020-2-1121PLC控制系统的分类1）简单小系统这类系统被控设备I/O点数较少，与其它设备没有什么联系。这类系结构简单、被控对象比较单一，用一台PLC就能满足控制要求。2）慢过程大系统对运行速度要求不高但设备间有连锁关系，设备距离远，控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身对运行速度要求高，但是部分子系统要求并不高，如大型热连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和供油系统、供风系统等。对这一类型系统，一般不选用大型机，因为它编程、调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。一般都采用多台中小机型和低速网相连接。这样选用每一台中小型PLC控制一台单体设备，功能简化，程序好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面也小，且容易查找。从总体上看是合理的，可满足系统要求，成本相对较低。3）快速控制大系统随着PLC在工业领域应用的不断扩大，在中小型的快速系统中，PLC不仅仅完成逻辑控制和主令控制，它已逐步进入了设备控制级，如高速线材，中低速热连轧等速度控制系统。在这样的系统中即使选用输入/输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型可编程序控制器也难以满足控制要求。如用多台可编程序控制器，则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。2PLC机型选择2020-2-113目前，PLC产品种类繁多，同一个公司生产出的PLC也常常推出系列产品。这需要用户去选择最适合自己要求的产品。正确选择产品中，首先要择的是适合控制系统的机型。1）根据系统类型选择机型(1)小系统的机型选择这种系统一般使用一台PLC就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能，系统对PLC间的通信问题要求不高。但有时功能要求全面，容量要求变化大。对这类系统的机型选择要注意三种情况。第一种是设备集中，设备的功率较小，如机床。这时需选用局部式结构，低电压高密度输入输出模板。第二种是设备分散，设备的功率较大，如料场设备。这时需选用离散式结构，高电压低密度输入输出模板。第三种是有专门要求的设备，如飞剪。这时输入输出容量不是关键参数，更重要的是控制速度功能，选用高速计数功能模板。(2)大系统的机型选择不管是慢过程大系统还是快速控制大系统，其控制系统都是由多台PLC构成。这类系统可以由一个上位计算机（可以是工业控制计算机或高档PLC）和多台下位PLC构成。其中每一台下位PLC控制大系统中的一个子系统。这种系统可以采用如下方案。方案一是整个系统由上位计算机或高档PLC对系统进行统一管理。控制信息由现场数据总线构成的通信网络进行传递。这是一个由微机和PLC构成的集散控制系统。集散控制系统的控制规模比较大，系统的硬件成本要高。集散控制系统在设2020-2-114计、调试、扩展和维护等方面都有极大的优越性。整个系统全面停产的几率很少，其运行费用成本也比较低。方案二是控制系统是把计算机、PLC、数控机床、机器人等融合在一个庞大的通信网络中，把整个系统分成管理层、控制层、执行层等多个层次，最上面一层使用高速数据通信网络。这是一个大型的网络控制系统。这种控制系统成本比较高，工作速度比较快。这种系统可以用于快速控制大系统的控制，特别适用于工厂自动化、大量数据处理和企业综合管理的系统。2）根据控制对象选择机型对控制对象要求进行估计，对确定机型十分重要。根据控制对象要求的输入/输出点数的多少，可以估计出PLC的规模。根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC的性能。根据控制对象的操作规则可以估计出控制程序所占内存的容量。有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。为了对控制对象进行粗估，首先要了解下列问题。(1)对输入/输出点数的估计为了正确地估计输入/输出点数，需要了解下面问题。对开关量输入，按参数等级分类统计。对开关量输出，按输出功率要求及其它参数分类统计。对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。(2)对PLC性能要求的估计为了正确地估计PLC性能要求，需要了解下面问题。是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。机房离现场的最远距离。现场对控制器响应速度要求。在此基础上选择控制器时尚需注意两个问题。其一是PLC可带I/O点数。有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插2020-2-115输入模块或只插输出模块的容量，即实际给出的是输入输出容量之和，有时也称为扫描容量，需格外注意。其二是PLC通讯距离和速度。手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离。但远程I/O板的I/O反应速度大大下降，一般为19.2k波特率。(3)对所需内存容量的估计用户程序所需内存与下列因素有关。逻辑量输入输出点数的估计。模拟量输入输出点数的估计。内存利用率的估计。程序编制者的编程水平的估计。程序中的各条指令最后都是以机器语言的形式存放在内存中。控制系统中输入输出点数和存放该系统用户机器语言与所占用的内存数字之比称为内存利用率。内存利用率与编程水平有关。内存利用率的提高会使同样程序减少内存容量，从而降低内存投资、缩短周期时间、从而提高系统的响应时间。从上面内容的综合可以选择出合适的机型。3PLC接口设备选择在机型选定之后就要确定接口设备。PLC的接口设备的选择如何，对控制系统的功能至关重要。目前PLC的产品很多，在选择机型和接口设备时要注意选择质量好，控制可靠的产品。这里所说的接口设备包含两类。一类是PLC自身的I/O模块、功能模块，一类是和接口模块相连的外部设备。对于PLC自身的模块的选择主要注意两个问题。一是和PLC能否很好的模块对接。这一点请注意模块的型号、规格要配套。最好类型、型号一致。这样才能使对接的方便、可靠、稳定。二是这些模块能和外部设备对接。这就考虑到模块和外部设备要匹配，要性能匹配、速度匹配、电平匹配。不仅要注意它们稳态特性，也要注意它们的2020-2-116动态特性。4分配输入输出点为了能够便于程序设计，便于日常维护，合理地分配输入/输出点、恰当地对输入/输出点进行命名是必要的。机型选好之后，系统设计人员需慎重考虑输入/输出定义问题。所谓输入/输出定义是指整体输入/输出点的分布和每个输入/输出点的名称定义，它们会给程序编制、系统调试和文本打印等带来很多方便。1）单台PLC系统的输入输出点的分配设一台可编程序控制器完成多个功能，若不分被控对象把输入/输出点统一按顺序排列，则会给编写程序与调试程序带来不便。如果把输入/输出点按控制对象分组排列，会给编写程序与调试程序带来方便。在这种情况下，按控制设备把输入、输出点分组，同一个设备的输入/输出点相对的集中。例如用一台S7-224可编程序控制器配有五个EM223（l6入/16出）I/0模块，输入容量为94点，输出容量为90点。用这样一台PLC去控制五台交流机的启动。主机上的I/O分为一组，供主令控制使用。五个I/O模块各为一组，分别为五台电机控制使用。这样，输入输出点的分配可按表10-1设计。表10-1按控制对象分配输入输出点模块CPU-224EM223-1EM223-2EM223-3EM223-4EM223-5输入点I0.0～I1.5I2.0～I3.5I4.0～I5.5I6.0～I7.5I8.0～I9.5I10.0～I11.5输出点Q0.0～Q1.1Q2.0～Q2.5Q4.0～Q4.5Q6.0～Q6.5Q8.0～Q8.5Q10.0～Q10.5控制主令控制1号电机2号电机3号电机4号电机5号电机可以看出，每个电机的控制分别由各自对应的EM223模块的I/O点实现。这样分配I/0点，可使得每个EM223模块控制其中一个电机。这样电机和I/02020-2-117模块之间的关系一目了然，便于编程，便于检查和维修。2）多台PLC系统中输入输出点的分配在多台可编程序控制器系统中，应根据整体控制上的要求，按控制类别对输入输出分组，规定出每台可编程序控制器都要遵循的原则。如某自动化生产线有五道工序进行控制。这五道工序虽然控制内容不同，所用设备也很不相同。但是所控制的对象总起来可以归纳出几种控制类别。比如各工序的控制器都有控制台类、电源类、电机类、输入检测信号类、输出控制信号类等等。表10-2列出一个系统由CPU-224按控制类别对输入输出点进行的分配。可以看出按类对各台PLC的输入输出统一分组，统一编号，可以十分有利于编程和维修。表10-2按控制类别分配输入输出点输入范围控制对象输出范围控制对象I0.0控制台1启动操作Q0.0控制台1启动显示I0.1启动电机1Q0.1电源1显示I0.2停止电机1Q0.2操作方式1显示I0.3故障复位1Q0.3电机1运行显示I0.4紧急停车1Q0.4故障1显示…………I1.0控制台2启动操作Q1.0控制台2启动显示I1.1启动电机2Q1.1电源2显示I1.2停止电机2Q1.2操作方式2显示I1.3故障复位2Q1.3电机2运行显示I1.4紧急停车2Q1.4故障2显示…………5建立内存变量分配表1）输入/输出点名称的定义输入/输出点名称定义要简短，明确，合理。下面提出逻辑变量在名称定义时应当注意的问题。2020-2-118(1)信号的有效状态的定义逻辑变量有“0”和“1”两个值。有些信号在“1”状态有效，有些信号在“0”状态有效。在名称定义上也应该对“1”信号有效还是对“0＂信号有效的问题有所体现。(2)信号有效方式的定义在实际控制中，有的是持续状态有效，有些则是信号发生变化时有效。所谓持续状态有效，作为逻辑条件，信号状态必须保持，这类信号如扳动开关，极限连锁信号，继电器和接触器的辅助触点，带锁定的按钮等。在编程序时，使用的是信号的状态。例如I0.0=1时系统启动，I0.0=0系统停止。信号状态变化有效是指信号由一种状态向另一种状态变化时，发出的控制要求。这类信号多为引起设备停车的故障信号和不带锁定的按钮，当一个电机的启动和停止由两个按钮完成的时候，就是这种情况。电机启动按钮是能自动回位的常开节点，按下启动按钮时，I2.0的状态由“0”变为“1”，发出电机启动要求，抬起时启动按钮，I2.0自动复位由“1”变“0”，已不再影响对电机的控制。处理上升沿有效和下降沿有效的方法是靠信号变化产生一个周期长的脉冲，用该脉冲信号发出控制命令。有的厂家专门为这种控制准备了一条产生脉冲的指令。在没有类似指令时，则用户可以用基本指令编一个程序去产生信号脉冲。2）绘制内存变量分配表内存变量包含输入/输出变量和程序中用到定时器、计数器和一系列的PLC内部变量。内存变量分配表就是把内存变量按顺序排列成表，表中要注明各个变量的地址号、名称、有效状态和必要的说明。内存变量分配表包含了程序中2020-2-119所用到的全部元件和变量，它是阅读程序、查找故障的依据。如果把内存变量分配表写到S7-200的符号表内，就可以用变量名称代替变量地址编写程序。内存变量分配表