PLC控制系统设计与调试

第7章PLC控制系统的设计与调试PLC的控制系统软、硬件设计学习目的：学习PLC控制系统的设计和调试方法，提高实际应用的能力。学习内容：综合PLC硬件及软件知识，联系工业控制的实际，介绍小型PLC控制系统设计方法。学习要求：（1）了解PLC控制系统设计的内容和步骤。（2）掌握PLC控制系统硬件配置的方法。（3）掌握PLC应用程序设计方法及其调试方法。（4）系统掌握PLC控制系统设计和调试的工作步骤。（5）了解PLC控制系统的抗干扰技术。第7章PLC控制系统的设计与调试7.1PLC控制系统设计的内容与步骤7.1.1PLC系统设计的原则与内容1.设计原则PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计，硬件设计主要是系统的选型和接线设计，软件则是程序设计。①深入了解现场情况，明确控制要求，最大限度地满足被控对象对生产工艺的要求。②力求控制系统安全、可靠、优质、经济。③正确合理选用电器元件，确保系统安全可靠的工作，同时考虑产品的技术进步性及造型美观。④选用控制设备时，应考虑到今后控制规模的发展和工艺的改进，留有适当的裕量。2.设计内容①拟定控制系统设计的技术条件；②选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构；③选择PLC机型和扩展模块，配置系统硬件；④编制PLC的输入/输出分配表和绘制输入/输出端子接线图；⑤根据系统对控制的要求设计用户程序；⑥了解并遵循用户认知心理，人性化设计人机界面；⑦设计操作台、电气柜，选择所需的电器元件；⑧编写设计说明书和操作使用说明书。根据具体控制对象，上述内容可适当调整。7.1PLC控制系统设计的内容与步骤7.1.2PLC控制系统设计的一般步骤1．熟悉被控对象，制定控制方案分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。2．确定I／O设备根据系统的控制要求，确定用户所需的输入(如按钮、行程开关、选择开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)由此确定PLC的I／O点数。3．选择PLC选择时主要包括PLC机型、容量、I／O模块、电源的选择。4．分配PLC的I／O地址根据生产设备现场需要，确定控制按钮，选择开关、接触器、电磁阀、信号指示灯等各种输入输出设备的型号、规格、数量；根据所选的PLC的型号列出输入／输出设备与PLC输入输出端子的对照表，以便绘制PLC外部I／O接线图和编制程序。7.1PLC控制系统设计的内容与步骤7.1.2PLC控制系统设计的一般步骤5．设计软件及硬件进行PLC程序设计，进行控制柜（台）等硬件的设计及现场施工。由于程序与硬件设计可同时进行，因此，PLC控制系统的设计周期可大大缩短，而对于继电器系统必须先设计出全部的电气控制线路后才能进行施工设计。6．联机调试联机调试是指将模拟调试通过的程序进行在线统调。开始时，先不带上输出设备（接触器线圈、信号指示灯等负载）进行调试。利用编程器的监控功能，采分段调试的方法进行。各部分都调试正常后，再带上实际负载运行。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部分程序即可，全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改则应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。7．整理技术文件包括设计说明书、电气安装图、电气元件明细表及使用说明书等。7.1PLC控制系统设计的内容与步骤第二节PLC控制系统的硬件配置7.2PLC控制系统的硬件配置7.2.1选择PLC机型随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和型号越来越多，功能日趋完善。从美国，日本、德国等国家引进的PLC产品及国内厂商组装或自行开发的PLC产品已有几十个系列。上百种型号。其结构形式、性能、容量、指令系统，编程方法、价格等各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选择PLC产品，对于提高PLC控制系统的技术经济指标起着重要作用。一般来说，各个厂家生产的产品在可靠性上都是过关的，机型的选择主要是指在功能上如何满足自己需要，而不浪费机器容量。PLC的选择主要包括机型选择，容量选择，输入输出模块选择、电源模块选择等几个方面。7.2PLC控制系统的硬件设计1、结构型式的考虑PLC的结构分为整体式和模块式两种。整体式结构把PLC的结构紧凑，体积小，每一I/O点的平均价格也比模块式的便宜，所以小型PLC控制系统多采用整体式结构。模块式PLC的功能扩展，I/O点数的增减，输入与输出点数的比例，都比整体式方便灵活。维修时更换模块，判断与处理故障快速方便。因此，对于较复杂的要求较高的系统，一般选用模块式结构。2、对用户存贮器的要求一般PLC都用CMOSRAM作用户存贮器，为了在停电时保护用户程序和现场数据，通常用锂电池作后备电源。7.2PLC控制系统的硬件设计如果被控系统的工艺要求固定不变，所编程序经调试后己比较完善，不需要经常修改，为了防止他人随意改动控制程序，可以采用EPROM（选购件）将用户程序固化。3、是否需要通讯联网的功能小型PLC多是以单机自动化为目的，一般没有通讯接口。如果用户要求将PLC纳入工厂自动化控制网络，就应选用带有通讯接口的PLC。高性能的小型机也带有通讯接口，通过RS-232串行接口，与上位计算机或另一台PLC等外部设备。以上简要地介绍了PLC选型的依据和应考虑的几个问题，用户应根据生产实际的需要，综合考虑各种因素，选择性能价格比合适的产品。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.2PLC容量估算1.可编程控制器控制系统I/O点数估算I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的重要指标。根据被控对象的输入信号与输出信号的总点数，选择相应规模的可编程控制器并留有10%～15%的I/O裕量。估算出被控对象上I/O点数后，就可选择点数相当的可编程控制器。如果是为了单机自动化或机电一体化产品，可选用小型机，如果控制系统较大，输入输出点数较多，被控制设备分散，就可选用大、中型可编程控制器。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.2PLC容量估算2.内存估计用户程序所需内存容量要受到下面几个因素的影响：内存利用率；开关量输入输出点数；模拟量输入输出点数；用户的编程水平。（1）内存利用率用户编的程序通过编程器键入主机内，最后是以机器语言的形式存放在内存中，同样的程序，不同厂家的产品，在把程序变成机器语言存放时所需要的内存数不同，我们把一个程序段中的接点数与存放该程序段所代表的机器语言所需的内存字数的比值称为内存利用率。高的利用率给用户带来好处。同样的程序可以减少内存量，从而降低内存投资。另外同样程序可缩短扫描周期时间，从而提高系统的响应。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.2PLC容量估算（2）开关量输入输出的点数可编程控制器开关量输入输出总点数是计算所需内存储器容量的重要根据。一般系统中，开关量输入和开关量输出的比为6：4。这方面的经验公式是根据开关量输入、开关量输出的总点数给出的。所需内存字数=开关量（输入+输出）总点数*10（3）模拟量输入输出总点数具有模拟量控制的系统就要用到数字传送和运算的功能指令，这些功能指令内存利用率较低，因此所占内存数要增加。在只有模拟量输入的系统中，一般要对模拟量进行读入、数字滤波、传送和比较运算。在模拟量输入输出同时存在的情况下，就要进行较复杂的运算，一般是闭环控制，内存要比只有模拟量输入的情况需要量大。在模拟量处理中。常常把模拟量读入、滤波及模拟量输出编成子程序使用，这使所占内存大大减少，特别是在模拟量路数比较多时。每一路模拟量所需的内存数会明显减少。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.2PLC容量估算下面给出一般情况下的经验公式：只有模拟量输入时：内存字数=模拟量点数*l00模拟量输入输出同时存在时：内存字数＝模拟量点数*200这些经验公式的算法是在10点模拟量左右，当点数小于10时，内存字数要适当加大，点数多时，可适当减小。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.2PLC容量估算（4）程序编写质量用户编写的程序优劣对程序长短和运行时间都有较大影响。对于同样系统不同用户编写程序可能会使程序长度和执行时间差距很大。一般来说对初编者应为内存多留一些余量，而有经验的编程者可少留一些余量。综上所述，推荐下面的经验计算公式：总存储器字数＝（开关量输入点数+开关量输出点数）*l0+模拟量点数*150。然后按计算存储器字数的25%考虑裕量。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.3输入输出模块的选择可编程控制器输入模块是检测并转换来自现场设备（按钮、限位开关；接近开关等）的高电平信号为机器内部电平信号，模块类型分直流5、12、24、48、60V几种；交流115V和220V两种。由现场设备与模块之间的远近程度选择电压的大小。一般5、12、24V属低电平，传输距离不宜太远，例如5V的输入模块最远不能超过10m，另外高密度的输入模块如32点、64点，同时接通点数取决于输入电压和环境温度。一般讲，同时接通点数不得超过60%。为了提高系统的稳定性，必须考虑门槛电平的大小。门槛电平值越大，抗干扰能力越强，传输距离也就越远。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.3输入输出模块的选择输出模块的任务是将机器内部信号电平转换为外部过程的控制信号。对于开关频繁、电感性、低功率因数的负载，推荐使用晶闸管输出模块，缺点是模块价格高；过载能力稍差。继电器输出模块优点是适用电压范围宽，导通压降损失小，价格便宜，缺点是寿命短，响应速度慢。输出模块同时接通点数的电流累计值必须小于公共端所允许通过的电流值。输出模块的电流值必须大于负载电流的额定值。7.2.4电源模块的选择电源模块的选择比较简单，只需要考虑电流总量即可。即其额定输出电流必须大于CPU、I/O等耗电总和。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.5分配输入/输出点1.输入点的简化（1）合并输入如果某些信号的逻辑关系总是以“串联”或“并联”的方式整体出现，这样的信号在接入输入点之前，先按照相应的关系接好线，再接到输入点。（2）分时分组输入有些信号可以按输入时刻分成几组，比如自动情况有7个输入信号，手动情况有6个不同的输入信号，但自动和手动程序不会同时执行，这样只要增加一个自动/手动指令选择信号的基础上，就可实现上述功能。（3）采用拨码开关有些控制系统有多种工作模式，此时若采用一位“BCD”拨码开关，只使用4点输入，就可以有10种模式可供选择。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.5分配输入/输出点1.输入点的简化（4）减少多余输入信号如果通过PLC程序就可判定输入信号的状态，则可以减少一些多余信号的输入。（5）某些设备可以不进PLC有些信号功能简单，涉及面很窄，有时没有必要作为PLC的输入，将他们放在外部电路同样可以满足要求。2.输出点的简化（1）负载的并联使用系统中有些负载的通/断状态完全相同可以使用一个输出点驱动。条件是：负载电压抑制，总负荷不超过允许容量。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.5分配输入/输出点2.输出点的简化（2）接触器辅助触点的使用控制电动机等大功率负载时，一般都是PLC输出带接触器线圈，接触器除主触点外，还有辅助触点可以使用，其辅助触点可以带指示灯。（3）用闪烁的方法扩展指示灯的功能指示灯实际上不只是亮灭两种工作状态，在有些情况下可使指示灯闪烁来指示工作状态。（4）用数码显示器代替指示灯如果系统指示灯很多，可以使用数码显示器代替指示灯，这样可以节省输出节点。如果使用8个PLC驱动两位数码显示器。7.2PLC控制系统的硬件设计7.2.5分配输入/输出点2.输出点的简化（2）接触器辅助触点的使用控制电动机等大功率负载时，一般都是PLC输出带接触器线圈，接触器除主触点外，还有辅助触点可以使用，其辅助触点可以带指示灯。（3）用闪烁的方法扩展指示灯的功能指示灯实际上不只是亮灭两种工作状态，在有些情况下可使指示灯闪烁来指示工作状态。（4）用数码显示器代替指示灯如果系统指示灯很多，可以使用数码显示器代替指示灯，这样可以