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可编程序控制器

可编程序控制器. 主讲：张波. 第八章 基于 S7 系列 PLC 单机控制系统设计. PLC 应用系统设计原则、内容与步骤. 8.1. PLC 应用系统的硬件设计. 8.2. PLC 应用系统的软件设计. 3. 8.3. S7 系列 PLC 应用系统设计举例. 3. 8.4. 设计原则. 8.1 PLC 应用系统设计原则、内容与步骤. 满足要求. 安全可靠. 经济实用. 适应发展. 设计与调试步骤. 被控对象的工艺条件和控制要求分析。 确定 I/O 设备 选择合适的 PLC 类型 分配 I/O 点 设计应用系统梯形图程序 将程序输入 PLC

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  1. 可编程序控制器 主讲：张波

  2. 第八章 基于S7系列PLC单机控制系统设计 PLC应用系统设计原则、内容与步骤 8.1 PLC应用系统的硬件设计 8.2 PLC应用系统的软件设计 3 8.3 S7系列PLC应用系统设计举例 3 8.4

  3. 设计原则 8.1 PLC应用系统设计原则、内容与步骤 满足要求 安全可靠 经济实用 适应发展

  4. 设计与调试步骤 • 被控对象的工艺条件和控制要求分析。 • 确定I/O设备 • 选择合适的PLC类型 • 分配I/O点 • 设计应用系统梯形图程序 • 将程序输入PLC • 进行软件测试 • 应用系统整体调试 • 编制技术文件

  5. 性能与任务相适应 PLC选型 处理速度应满足实时控制的要求 应用系统结构合理、机型系列统一 8.2 PLC应用系统的硬件设计

  6. 统计PLC系统的开关量I/O点数和模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。在统计得出的I/O总点数基础上增加10％－15％的余量。选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估计算值，一般留有30％左右的余量。统计PLC系统的开关量I/O点数和模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。在统计得出的I/O总点数基础上增加10％－15％的余量。选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估计算值，一般留有30％左右的余量。 • 开关量输入所需存储器字数＝输入点数X10 • 开关量输出所需存储器字数＝输出点数X8 • 定时器/计数器所需存储器字数＝定时器/计数器数量X2 • 模拟量所需存储器字数＝模拟量通道数X100 • 通信接口所需存储器字数＝接口个数X300 • 存储器的总字数＋备用量＝存储器容量 • 一般应用下的经验公式： • 所需存储器容量(KB)＝(1~2.5)X(DIX10+DOX8+AI/OX100+CPX300)/1024 I/O点数估算 存储容量估算 容量估算

  7. 其他考虑的因素： • 经验公式仅是对一般应用系统，而且主要是针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用和功能需要更大的存储器容量。 • 不同型号的PLC对存储器的使用规模与管理方式的差异，会影响存储器的需求量 • 程序编写水平对存储器的需求量有较大的影响。 • 工程实践中大多采用粗略估算，加大余量，实际选型时采用就高不就低的原则。

  8. 选择输入模块考虑两点: • 1、根据现场输入信号（如按钮、行程开关）与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。 • 一般，24V以下属于低电平，其传输距离不宜太远。如12V电压模块一般不超过10m。 • 距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。 • 2、高密度的输入模块，如32点输入模块，允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般同时接通的点数不得超过总输入点数的60％ 开关量输入模块选择 I/O模块的选择

  9. 1、输出方式选择 • 继电器、晶闸管输出（交流）和晶体管输出（直流） • 2、输出电路的选择 • 模块的输出电路必须大于负载的额定电流值。若负载电流较大，输出模块不能驱动，则应增加中间放大环节。 • 3、允许同时接通的输出点数 • 输出模块同时接通点数的总电流值不得超过模块规定的最大允许电流。 开关量输出模块选择

  10. 模拟量输入、输出及温度控制模块就是用于将过程变量转换为PLC可以接收的数字信号以及将PLC内的数字信号转换成模拟信号输出。 • 一些特殊情况，如位置控制、脉冲计数以及联网、与其他外部设备连接等需要专用的接口模块，如传感器模块、I/O连接模块等。这些模块有自己的CPU、存储器、能在PLC的管理和协调下独立地处理特殊任务，这样既完善了PLC的功能，又减轻了PLC的负担，提高了处理速度。 模拟量及特殊功能模块选择

  11. 安全回路设计 • 作用：保护人身安全和设备安全。它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。 • 确保系统安全的硬接线逻辑回路在以下几种情况下将发挥安全保护作用： • PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时。 • PLC失控时 • 操作人员需要紧急干预时。 • 设计安全回路的任务包括以下内容： • 确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系。 • 设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段。 • 确定其他与安全和完善运行有关的要求。 • 为PLC定义故障形式和重新启动特性。

  12. 8.3 PLC应用系统的软件设计 • 设计内容： • PLC软件功能的分析与设计 • I/O信号及数据结构分析与设计 • 程序结构分析与设计 • 软件设计规格说明书编制 • 用编程语言、PLC指令进行程序设计 • 软件测试 • 程序使用说明书编制

  13. 设计步骤 • 制定设备运行方案 根据生产工艺的要求分析各I/O与各种操作之间的逻辑关系，确定需要检测的量和控制的方法，设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。 • 画控制流程图 • 制定系统的抗干扰措施 • 硬件上的电源隔离、信号滤波 • 软件上的平均值滤波 • 编写程序 为梯形图的各种继电器或接点进行编号，按照软件规格说明书的技术要求、编制依据、测试等进行编程

  14. 软件测试 对系统程序进行离线测试，调试、排错、修改及模拟运行。 • 程序测试注意问题： • 程序能否按设计要求进行 • 各种必要的功能是否具备 • 发生意外事故时能否做出正确的响应 • 对于现场干扰等环境因素适应能力如何 • 编制程序使用说明书 包括程序设计的依据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的I/O信号，软件程序操作使用的步骤、注意事项，对程序中需要测试的必要环节进行注释。

  15. 8.4 S7系列PLC应用系统设计举例 • 电机基本控制环节设计 • 机械手控制系统设计 • 液体混合搅拌控制系统设计 • 交通信号灯控制系统设计

  16. KM2 SB0 KM1 SB1 KM1 KM2 KM2 SB2 KM1 电动机的正反转 图为电动机正反转的继电-接触器控制电路图。设KM1控制反转，KM2控制正转，SB1为正转启动，SB2为反转启动，SB0为停止按钮。

  17. 确定I/O点数 SB0、SB1、SB2三个按钮是PLC的输入变量，接在三个输入端子，可分配地址I0.0、I0.1、I0.2。 KM1、KM2两个输出继电器，分配地址Q0.0、Q0.1。由此可写出I/O分配表： 输入 SB0：I0.0 输出 KM1：Q0.0 SB1：I0.1 KM2：Q0.1 SB2：I0.2 • 画梯形图 • 实际外部接线图

  18. 继电-接触控制回路的PLC梯形图

  19. 分配地址的完整PLC梯形图与对应语句表

  20. PLC外部接线图

  21. A B 后退 卸料 装料 运料小车控制 • 要求： 1、小车可在A、B两点分别启动。A启动后小车先返回，停车1min等待装料，然后自动驶向B点，到达B点后停车1min等待卸料，然后返回A点，如此往复。小车若从B点启动，先返回B点，停车1min等待卸料，然后自动驶向A点，停车1min等待装料，如此往复。 2、小车运行到达任意位置均可用手动开关令其停车。 3、小车前进、后退过程中分别有指示灯指示其行进方向 前进

  22. SQ1 KM1 KM2 SB0 SB1 H1 KM1 KT1 KT2 SQ1 KM2 KM1 SQ2 SB2 KM2 H2 KT1 KT2 SQ2 图为该系统的继电-接触器控制回路。 SB0为停止 SB1为A点启动 SB2为B点启动 KM1为向A点运行 KM2为向B点运行 SQ1为A点行程开关 SQ2为B点行程开关 KT1为到A点时定时 KT2为到B点时定时 H1为向A点运行 H2为向B点运行

  23. 确定I/O点数 SB0、SB1、SB2三个按钮和SQ1、SQ2两个行程开关是PLC的输入变量，接在三个输入端子，可分配地址I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4。 KM1、KM2两个输出继电器和H1、H2两个显示灯作为输出，分配地址Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3。 I/O分配表如下：输入 SB0：I0.0 输出 KM1：Q0.0 SB1：I0.1 KM2：Q0.1 SB2：I0.2 H1： Q0.2 SQ1：I0.3 H2： Q0.3 SQ2：I0.4

  24. PLC外部接线图

  25. 机械手的顺序控制系统设计 1、控制要求 机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。为使机械手动作准确，在机械手的极限位置安装了限位开关，对机械手分别进行左转、右转、上升、下降动作的限位，并发出动作到位的输入信号。传送带A上装有光耦合器VLC，用于检测传送带A上物品是否到位。

  26. 2、过程分析 • 机械手一个循环周期可分为八个步骤。第一步，当工作台A上有工件出现时，由光耦合器VLC检测到，此时I1.5的输出信号为1，机械手开始下降。当机械手下降到位时（可以由低位限位开关I0.5检测，当下降到位时，I0.5=1），机械手停止下降，第一步结束。 • 第二步，机械手在最低位开始抓紧工件，约10S抓住、抓紧，第二步结束。 • 第三步，机械手抓紧工件上升，可以由限位开关I0.4控制，当上升到位时，I0.4=1。机械手停止上升，第三步结束。 • 第四步，机械手加紧工件右移，可由限位开关I0.7控制，当机械手右移到位时，I0.7=1，机械手停止右移，第四步结束。

  27. 第五步，机械手在最右位开始下降，可以由限位开关I0.5控制，当机械手下降到工作台B到位时，I0.5=1，机械手停止下降，第五步结束。第五步，机械手在最右位开始下降，可以由限位开关I0.5控制，当机械手下降到工作台B到位时，I0.5=1，机械手停止下降，第五步结束。 • 第六步，机械手开始放松工件，所需时间约10S，10S后放开工件，第六步结束。 • 第七步，机械手开始上升，机械手上升到位时，可以由限位开关I0.4控制，当机械手上升到位时，I0.4=1，停止上升，第七步结束。 • 第八步，机械手在最高位开始左移，当左移到位时，由限位开关I0.46控制，此时I0.6= 1，机械手停止左移，第八步结束。

  28. 为了增加控制的灵活性，要求有三种控制方式：为了增加控制的灵活性，要求有三种控制方式： • 自动控制方式：一旦系统启动之后，就可以按照工作程序进行控制。整个控制过程无人工干预。一个循环之后可以自动起动下一个循环。 • 单动控制方式：一旦系统启动之后，控制工作程序将自动完成。不需要人工干预。但一个周期完成之后，它会停止而不会继续起动系统运行。如需再次起动，则必须人工起动。在控制过程中进行参数修改、调整比自动控制更方便。 • 手动控制方式：控制过程主要靠手动实现，只是有些环节，如联机保护，过限保护等环节可以自动实现。

  29. 从系统的设计要求可知,控制方式选择上需要3个按钮,即自动方式I0.0、单动方式I0.1、手动方式I0.2，再加一个停止按钮I0.3，用来应对紧急情况下的停止运行。从系统的设计要求可知,控制方式选择上需要3个按钮,即自动方式I0.0、单动方式I0.1、手动方式I0.2，再加一个停止按钮I0.3，用来应对紧急情况下的停止运行。 • 机械手运动限位开关有4个，高位限位开关I0.4、低位限位开关I0.5、左位限位开关I0.6、右位限位开关I0.7。 • 手动控制输入信号由5个按钮组成，下降按钮I1.0、上升按钮I1.1、夹紧按钮I1.2、左移按钮I1.3和右移按钮I1.4。工作台上有工件检测光耦合器VLC的输入信号I1.5，共有14个输入信号。 • 输出信号有机械手下降驱动信号Q0.0、上升驱动信号Q0.1、右移驱动信号Q0.2、左移驱动信号Q0.3和机械手夹紧驱动信号Q0.4，一共有5个输出信号。 • 选S7-200系列的CPU224（14输入/10输出）可满足以上要求。

  30. 机械手PLC系统I/O端子接线图

  31. 端口分配 地址号 信号名称(“1”有效) 说明 输 入 端 子 I0.0 自动起动 按钮 I0.1 单动起动 按钮 I0.2 手动起动 按钮 I0.3 停止 按钮 I0.4 高位 限位开关 I0.5 底位 限位开关 I0.6 左位 限位开关 I0.7 右位 限位开关 I1.0 手动下降 按钮 I1.1 手动上升 按钮 I1.2 手动夹紧 按钮 I1.3 手动左移 按钮 I1.4 手动右移 按钮 I1.5 A台有工件 光耦合器 输 出 端 子 Q0.0 下降 电磁阀 Q0.1 上升 电磁阀 Q0.2 右移 电磁阀 Q0.3 左移 电磁阀 Q0.4 夹紧 电磁阀 （3）I/O点的地址分配

  32. （4）逻辑流程图 • 起动(原位)→机构下降→夹具夹紧→机构上升→机构右移→机构下降→夹具松开→机构上升→机构左移至原位。 • 根据之前的工艺要求,逻辑流程可分为8个部分。系统起动之前，机械手在原位。 • 原始条件是：机械手在高位（I0.4=1）、左位（I0.6=1）。当有工件放在工作台A时（I1.5=1），在起动条件允许时，机械手开始下降（Q0.0=1）。

  33. （1）下降到低位时（I0.5=1），停止下降（Q0.0=0）。（1）下降到低位时（I0.5=1），停止下降（Q0.0=0）。 （2）开始夹紧工件（Q0.4=1），同时起动定时器延时10S。 （3）10s后机械手开始上升（Q0.1=1），上升到高位（I0.4=1），停止上升（Q0.1=0）。 （4）机械手开始右移（Q0.2=1），右移到位（I0.7=1），停止右移（Q0.2=0）。 （5）机械手开始下降（Q0.0=1），下降到低位（I0.5=1），停止下降（Q0.0=0）。 （6）机械手开始松开工件（Q0.4=0），同时起动定时器延时10S。 （7）10s后机械手开始上升（Q0.1=1），上升到高位（I0.4=1），停止上升（Q0.1=0）。 （8）机械手开始左移（Q0.3=1），左移到位（I0.0=1），停止左移（Q0.3=0）。

  34. 机械手控制的时序图

  35. 5、内存变量分配 • 为了便于编制程序和修改程序,需要建立输入输出与内存变量分配表。这种分配表又可以叫符号表，可以从表中明显看出I/O分配、内存变量分配及它们的功能。如果分配表写入PLC的符号表，就可以用表中的名称代替实际地址去编写程序。

  36. 序号 名称 地址 说明 1 自动起动 I0.0 按钮 2 单动起动 I0.1 按钮 3 手动起动 I0.2 按钮 4 停止 I0.3 按钮 5 高位 I0.4 限位开关 6 低位 I0.5 限位开关 7 左位 I0.6 限位开关 8 右位 I0.7 限位开关 9 手动下降 I1.0 按钮 10 手动上升 I1.1 按钮 11 手动夹紧 I1.2 按钮 12 手动左移 I1.3 按钮 13 手动右移 I1.4 按钮 14 A台有工件 I1.5 光耦合器 15 下降 Q0.0 电磁阀 16 上升 Q0.1 电磁阀 17 右移 Q0.2 电磁阀 18 左移 Q0.3 电磁阀 19 夹紧 Q0.4 电磁阀 20 夹紧定时器 T101 时基=100ms的TON定时器 21 放松定时器 T102 时基=100ms的TON定时器 22 自动方式标志 M0.0 Bool 23 单动方式标志 M0.1 Bool 24 手动方式标志 M0.2 Bool 25 一周期结束标志 M0.3 Bool

  37. X X H I L X 液体混合搅拌控制系统设计 • 系统有3个液面传感器：H为液体B液面检测传感器；I为液体A液面检测传感器；L为最低液面检测传感器。 • 3个电磁阀：X1为液体A输入电磁阀； X2为液体B输入电磁阀； X3为混合液体输出电磁阀；电磁阀为OFF状态时，阀门关闭。 • M搅拌电动机，M为OFF时，电动机停止；为ON时，电动机运行。

  38. 1、控制要求 • 初始状态:启动搅拌器之前，容器是空的。各阀门关闭X1=X2=X3=OFF,传感器H=I=L=OFF，搅拌电动机M=OFF。 • 启动操作:按下启动按钮SB1，装置就开始按下列约定的规律操作： • 液体A阀门X1打开，液体A流入容器。 • 当液面到达L时，使L=ON，并继续注入液体A，直到液面达到I时，I=ON，使X1=OFF,X2=ON，即关闭液体A阀门X1。 • 打开液体B阀门X2。当液面到达H时，关闭液体B阀门X2，搅动电机M开始搅动，即X2=OFF,M=ON 。 • 搅动电机工作60秒后停止搅动，即M=OFF。混合液体阀门X3打开，开始放出混合液体。 • 当液面低于到L时，即L=OFF，经过延时10秒后，容器放空，混合液阀门X3关闭，即X3=OFF。 • 自动开始下一个操作周期。 • 停止操作:按下停止按钮SB2后，在当前的混合液操作处理完毕后，才停止操作（停在初始状态上）。

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