第第7章章 PLC应用系统设计及实例应用系统设计及实例本章要点 PLC应用系统设计的步骤及常用的设计方法 应用举例 PLC的装配、检测和维护7.1 应用系统设计概述应用系统设计概述 在了解了PLC的基本工作原理和指令系统之后，可以结合实际进行PLC的设计，PLC的设计包括硬件设计和软件设计两部分，PLC设计的基本原则是：1. 充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足被控制的生产机械或生产过程的控制要求。2. 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统经济、简单，维修方便。3. 保证控制系统安全可靠。4. 考虑到生产发展和工艺的改进，在选用PLC时，在I/O点数和内存容量上适当留有余地。5. 软件设计主要是指编写程序，要求程序结构清楚，可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周期短。7.2 PLC应用系统的设计应用系统的设计7.2.1 PLC控制系统的设计内容及设计步骤1. PLC控制系统的设计内容（1）根据设计任务书，进行工艺分析，并确定控制方案，它是设计的依据。（2）选择输入设备（如按钮、开关、传感器等）和输出设备（如继电器、接触器、指示灯等执行机构）。（3）选定PLC的型号（包括机型、容量、I/O模块和电源等）。（4）分配PLC的I/O点，绘制PLC的I/O硬件接线图。（5）编写程序并调试。（6）设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及安装接线图。（7）编写设计说明书和使用说明书。2. 设计步骤设计步骤（1）工艺分析（2）选择合适的PLC类型（3）分配I/O点（4）程序设计 （5）控制柜或操作台的设计和现场施工 （6）应用系统整体调试 （7）编制技术文件 7.2.2 PLC的硬件设计和软件设计及调试的硬件设计和软件设计及调试1. PLC的硬件 PLC硬件设计包括：PLC及外围线路的设计、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。2. PLC的软件设计 软件设计包括系统初始化程序、主程序、子程序、中断程序、故障应急措施和辅助程序的设计，小型开关量控制一般只有主程序。首先应根据总体要求和控制系统的具体情况，确定程序的基本结构，画出控制流程图或功能流程图，简单的可以用经验法设计，复复杂杂的的系系统统一一般般用用顺顺序序控控制制设设计法设计。计法设计。3. 软件硬件的调试7.2.3 PLC程序设计常用的方法程序设计常用的方法 1. 经验设计法 经验设计法即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求。 这种方法没有规律可遵循，设计所用的时间和设计质量与设计者的经验有很大的关系，所以称为经验设计法。 经验设计法用于较简单的梯形图设计。应用经验设计法必须熟记一些典型的控制电路，如起保停电路、脉冲发生电路等，这些电路在前面的章节中已经介绍过。2. 继电器控制电路转换为梯形图法主要步骤如下：（1）熟悉现有的继电器控制线路。（2）对照PLC的I/O端子接线图，将继电器电路图上的被控器件（如接触器线圈、指示灯、电磁阀等）换成接线图上对应的输出点的编号，将电路图上的输入装置（如传感器、按钮开关、行程开关等）触点都换成对应的输入点的编号。（3）将继电器电路图中的中间继电器、定时器，用PLC的辅助继电器、定时器来代替。（4）画出全部梯形图，并予以简化和修改。这种方法对简单的控制系统是可行的，比较方便，但较复杂的控制电路，就不适用了。【例例7-1】图图7-1为电动机为电动机Y/减压起动控制主减压起动控制主电路和电气控制的原理图。电路和电气控制的原理图。I/O分配 停止按钮（外部用常开）SB1：I0.0 起动按钮SB2：I0.1 过载保护FR： I0.2KM1：Q0.0 KM2： Q0.1KM3：Q0.23. 顺序控制设计法根据功能流程图，以步为核心，从起始步开始一步一步地设计下去，直至完成。此法的关键是画出功能流程图。（1）将被控制对象的工作过程按输出状态的变化分为若干步，（2）指出工步之间的转换条件（3）指出每个工步的控制对象。在进行程序设计时，可以用中间继电器M来记忆工步，一步一步地顺序进行，也可以用顺序控制指令来实现。下面将详细介绍功能流程图的种类及编程方法。（1）单流程及编程方法。功能流程图的单流程结构形式简单，其特点是：每一步后面只有一个转换，每个转换后面只有一步。各个工步按顺序执行，上一工步执行结束，转换条件成立，立即开通下一工步，同时关断上一工步。用顺序控制指令来实现功能流程图的编程方法，在前面的章节已经介绍过了，在这里将重点介绍用中间继电器M来记忆工步的编程方法。当n-1为活动步时，转换条件b成立，则转换实现，n步变为活动步，同时n-1步关断。由此可见，第n步成为活动步的条件是：Xn-1=1，b=1；第n步关断的条件只有一个Xn+1=1。用逻辑表达式表示功能流程图的第n步开通和关断条件为： 式中等号左边的Xn为第n步的状态，等号右边Xn+1表示关断第n步的条件，Xn表示自保持信号，b表示转换条件。【例7-3】根据图7-5所示的功能流程图，设计出梯形图程序。将结合本例介绍常用的编程方法。1）使用起保停电路模式的编程方法。 对应的状态逻辑关系为： 【例7-3】根据图7-5所示的功能流程图，设计出梯形图程序。将结合本例介绍常用的编程方法。2）使用置位、复位指令的编程方法 图7-7 置位、复位指令编制的梯形图【例7-3】根据图7-5所示的功能流程图，设计出梯形图程序。将结合本例介绍常用的编程方法。3）使用顺序控制指令的编程方法 图7-10 用顺序控制指令编程（2）选择分支及编程方法）选择分支及编程方法 图7-11 选择分支开始假设2为活动步，若转换条件a=1，则执行工步3；如果转换条件b=1，则执行工步4；转换条件c=1，则执行工步5。即哪个条件满足，则选择相应的分支，同时关断上一步2。一般只允许选择其中一个分支。在编程时，若图7-11中的工步2、3、4、5分别用M0.0、M0.1、M0.2、M0.3表示，则当M0.1、M0.2、M0.3之一为活动步时，都将导致M0.0=0，所以在梯形图中应将M0.1、M0.2和M0.3的常闭接点与M0.0的线圈串联，作为关断M0.0步的条件。（2）选择分支及编程方法）选择分支及编程方法 图 7-12 选择分支结束如果步6为活动步，转换条件d=1，则，则工步6向工步9转换；如果步7为活动步，转换条件e=1，则工步7向工步9转换；如果步8为活动步，转换条件f=1，则工步8向工步9转换。若图7-12中的工步6、7、8、9分别用M0.4、M0.5、M0.6、M0.7表示，则M0.7（工步9）的起动条件为：M0.4d+ M0.5e+ M0.6f，在梯形图中，则为M0.4的常开接点串联与d转换条件对应的触点、M0.5的常开接点串联与e转换条件对应的触点、M0.6的常开接点串联与f转换条件对应的触点，三条支路并联后作为M0.7线圈的起动条件。【例7-4】根据图7-13所示的功能流程图，设计出梯形图程序。 1）使用起保停电路模式的编程。对应的状态逻辑关系为： 图7-14 例7-4用起保停电路模式的编程【例7-4】根据图7-13所示的功能流程图，设计出梯形图程序。2）使用置位、复位指令的编程。【例7-4】根据图7-13所示的功能流程图，设计出梯形图程序。3）使用顺序控制指令的编程。 （3）并行分支及编程方法。 并行分支的开始是指当转换条件实现后，同时使多个后续步激活。为了强调转换的同步实现，水平连线用双线表示。在图7-18a中，当工步2处于激活状态，若转换条件e=1，则工步3、4、5同时起动，工步2必须在工步3、4、5都开启后，才能关断。并行分支的合并是指：当前级步6、7、8都为活动步，且转换条件f成立时，开通步9，同时关断步6、7、8。 图7-18 并行分支 a）并行分支开始 b）并行分支结束【例7-5】根据图7-19所示的功能流程图，设计出梯形图程序 1）使用起保停电路模式的编程 【例7-5】根据图7-19所示的功能流程图，设计出梯形图程序 2）使用置位、复位指令的编程 需要注意的是：需要注意的是：多步均有同一状态输出的，应在最后用多步并联后输出该同一状态，而不能在每一步里单独编写该同一状态。【例7-5】根据图7-19所示的功能流程图，设计出梯形图程序 3）使用顺序控制指令的编程 需要注意的是：需要注意的是：每一步的输出都用SM0.0作为条件去触发输出。当转换条件成立时，直接转移到下一步（转移指令）。顺序控制开始指令SCR与结束指令SCRE必须成对出现。（4）循环、跳转流程及编程方法 跳转流程：当步2为活动步时，若条件f=1，则跳过步3和步4，直接激活步5。循环流程：当步5为活动步时，若条件e=1，则激活步2，循环执行。编程方法和选择流程类似，不再详细介绍。需要注意的是：需要注意的是：转换是有方向的，若转换的顺序是从上到下，即为正常顺序，可以省略箭头。若转换的顺序从下到上，箭头不能省略。只有两步的闭环的处理。在顺序功能图中只有两步组成的小闭环如图7-24a所示，因为M0.3既是M0.4的前级步，又是它的后续步，所以对应的用起保停电路模式设计的梯形图程序如图7-24b所示。从梯形图中可以看出，M0.4线圈根本无法通电。解决的办法是：在小闭环中增设一步，这一步只起短延时（0.1s）作用，由于延时取得很短，对系统的运行不会有什么影响，如图7-24c所示。 7.2.4 PLC程序设计步骤程序设计步骤 1. 程序设计前的准备工作 2. 设计程序框图3. 编写程序4. 程序调试5. 编写程序说明书 7.3 应用举例应用举例7.3.1 AA001电机控制7.3.2 AA002空气压缩机控制7.3.2 AA010交通灯控制7.3.4 水塔水位的模拟控制实训输出Q公共端接，输入I公共端接COM7.3.1 AA001电机控制1. 控制要求A、按启动按钮SB1，接触器KM1的线圈得电，0.5秒后接触器KM4的线圈O2得电，此时电机正转；B、按启动按钮SB2，接触器KM2的线圈得电，0.5秒后KM4得电，此时电机反转；C、在电机正转时反转按钮SB2无效；D、在电机反转时正传按钮SB1无效；E、停止按钮SB3时电机停止工作。器件名及其描述地址分配I正转按钮SB1I0.0反转按钮SB2I0.1停止按钮SB3I0.2Q正转接触器线圈KM1Q0.0反转接触器线圈KM2Q0.1接触器线圈KM402Q0.2KM4-01Q0.32. SFC7.3.2 AA002空气压缩机控制A、当开关SF201置于“自动”状态时，空气压缩机进入自动控制状态。B、气压低时(P202有信号),压缩机A首先启动；C、压缩机A启动10秒，气压还是低时，则压缩机B启动；D、压缩机B启动10秒后，气压还是低时，压缩机C启动。E、气压高时(P201有信号)，立即关闭各压缩机；低气压时，气压高无效。F、当SF201置于“手动”状态时，可以单独启动或停止各压缩机。G、“手动”状态，气压高时，运行中的压缩机10秒后自动停止。1. 控制要求器件名及其描述地址分配I开关SF201手动I0.0自动I0.1P202气压低I0.2P201气压高I0.3压缩机A启动I0.4压缩机B启动I0.5压缩机C启动I0.6压缩机A停机I0.7压缩机B停机I1.0压缩机C停机I1.1Q压缩机A输出Q0.0压缩机B输出Q0.1压缩机C输出Q0.2 3. SFC设计自动控制和手动控制的转换程序如图所示。 7.3.3 AA010交通灯控制1. 控制要求A、系统初始上电后，手动开关S0打到手动位置，开关S1闭合、S2断开时，南北绿灯、东西红灯点亮；开关S1断开、S2闭合时，东西绿灯、南北红灯点亮；S1、S2同时闭合或断开时，红灯和绿地均不亮。B、当旋钮开关S0旋到自动时，按下启动按钮X0后，东西方向：绿灯亮4S，接着闪动2S后熄灭，接着黄灯亮2S后熄灭，红灯亮8S后熄灭；南北方向：红灯亮8S后熄灭，绿灯亮4S，接着闪动2S，接着黄灯亮2S后熄灭，如此循环下去；C、若按下停止按钮X1后，红灯、绿灯均熄灭。IS0手动档I0.0自动档I0.1开关S1I0.2开关S2I0.3自动启动开关X0I0.4Q东西方向红灯Q0.0黄灯Q0.1绿灯Q0.2南北方向红灯Q0.3黄灯Q0.4绿灯Q0.57.3.4 水塔水位的模拟控制实训水塔水位的模拟控制实训1. 控制要求按下SB4，水池需要进水，灯L2亮；直到按下SB3，水池水位到位，灯L2灭；按SB2，表示水塔水位低需进水，灯L1亮，进行抽水；直到按下SB1，水塔水位到位，灯L1灭，过2秒后，水塔放完水后重复上述过程即可。 2. I/O分配 输入 输出SB1：I0.1 L1：Q0.1 SB2：I0.2 L2：Q0.2 SB3：I0.3SB4：I0.47.4 S7-200系列系列PLC的装配、检测和维护的装配、检测和维护1. PLC安装（1）安装方式。S7-200的安装方法有两种：底板安装和DIN导轨安装。底板安装是利用PLC机体外壳四个角上的安装孔，用螺钉将其固定在底版上。DIN导轨安装是利用模块上的DIN夹子，把模块固定在一个标准的DIN导轨上。导轨安装既可以水平安装，也可以垂直安装。（2）安装环境。PLC适用于工业现场，为了保证其工作的可靠性，延长PLC的使用寿命，安装时要注意周围环境条件：环境温度在055范围内；相对湿度在35%85%范围内（无结霜），周围无易燃或腐蚀性气体、过量的灰尘和金属颗粒；避免过度的震动和冲击；避免太阳光的直射和水的溅射。（3）安装注意事项。除了环境因素，安装时还应注意：PLC的所有单元都应在断电时安装、拆卸；切勿将导线头、金属屑等杂物落入机体内；模块周围应留出一定的空间，以便于机体周围的通风和散热。此外，为了防止高电子噪声对模块的干扰，应尽可能将S7-200模块与产生高电子噪声的设备（如变频器）分隔开。2. PLC的配线（1）电源接线与接地 PLC的工作电源有120/230V单相交流电源和24V直流电源。系统的大多数干扰往往通过电源进入PLC，在干扰强或可靠性要求高的场合，动力部分、控制部分、PLC自身电源及I/O回路的电源应分开配线，用带屏蔽层的隔离变压器给PLC供电。隔离变压器的一次侧最好接380V，这样可以避免接地电流的干扰。输入用的外接直流电源最好采用稳压电源，因为整流滤波电源有较大的波纹，容易引起误动作。良好的接地是抑制噪声干扰和电压冲击保证PLC可靠工作的重要条件。PLC系统接地的基本原则是单点接地，一般用独自的接地装置，单独接地，接地线应尽量短，一般不超过20m，使接地点尽量靠近PLC。1）交流电源接线安装用一个单极开关a，将电源同CPU 所有的输入电路和输出（负载）电路隔开。用过流保护设备b、c、d，来保护CPU 电源、输出点，以及输入点。或在每个输出点加上保险丝进行过流保护。当使用Micro 24VDC 传感器电源时不用输入点的外部过流保护。因为传感器电源内部具有限流功能。用外部电容e来保证在负载突变时得到一个稳定的直流电压。在应用中把所有的DC电源接地或浮地f（即把全机浮空，整个系统与大地的绝缘电阻不能小于50兆欧）可以抑制噪声，在未接地DC 电源的公共端与保护线PE之间串联电阻与电容的并联回路g ，电阻提供了静电释放通路，电容提供高频噪声通路。常取R=1M ，C=4700pf。将S7-200 所有的接地端子同最近接地点h连接，采用一点接地，以提高抗干扰能力。24V 直流电源回路与设备之间，以及120/230V交流电源与危险环境之间，必须进行电气隔离。 2）直流电源安装 用一个单极开关a，将电源同CPU 所有的输入电路和输出（负载）电路隔开。用过流保护设备b、c、d，来保护CPU 电源、输出点，以及输入点。或在每个输出点加上保险丝进行过流保护。当使用Micro 24VDC 传感器电源时不用输入点的外部过流保护。因为传感器电源内部具有限流功能。用外部电容e来保证在负载突变时得到一个稳定的直流电压。在应用中把所有的DC电源接地或浮地f（即把全机浮空，整个系统与大地的绝缘电阻不能小于50兆欧）可以抑制噪声，在未接地DC 电源的公共端与保护线PE之间串联电阻与电容的并联回路g ，电阻提供了静电释放通路，电容提供高频噪声通路。常取R=1M ，C=4700pf。将S7-200 所有的接地端子同最近接地点h连接，采用一点接地，以提高抗干扰能力。24V 直流电源回路与设备之间，以及120/230V交流电源与危险环境之间，必须进行电气隔离。（2）I/O接线和对扩展单元的接线可编程控制器的输入接线是指外部开关设备PLC的输入端口的连接线。输出接线是指将输出信号通过输出端子送到受控负载的外部接线。I/O接线时应注意：I/O线与动力线、电源线应分开布线，并保持一定的距离，如需在一个线槽中布线时，须使用屏蔽电缆；I/O线的距离一般不超过300m；交流线与直流线，输入线与输出线应分别使用不同的电缆；数字量和模拟量I/O应分开走线，传送模拟量I/O线应使用屏蔽线，且屏蔽层应一端接地。 PLC的基本单元与各扩展单元的连接比较简单，接线时，先断开电源，将扁平电缆的一端插入对应的插口即可。PLC的基本单元与各扩展单元之间电缆传送的信号小，频率高，易受干扰。因此不能与其他连线敷设在同一线槽内。7.4.2 PLC的自动检测功能及故障诊断的自动检测功能及故障诊断1. 超时检测机械设备在各工步的所需的时间基本不变，因此可以用时间为参考，在可编程控制器发出信号，相应的外部执行机构开始动作时，起动一个定时器开始定计时，定时器的设定值比正常情况下该动作的持续时间长20%左右。如某执行机构在正常情况下运行10s后，使限位开关动作，发出动作结束的信号。在该执行机构开始动作时，起动设定值为12s的定时器定时，若12s后还没有收到动作结束的信号，由定时器的常开触点发出故障信号，该信号停止正常的程序，起动报警和故障显示程序，使操作人员和维修人员能迅速判别故障的种类，及时采取排除故障的措施。2. 逻辑错误检查在系统正常运行时，PLC的输入、输出信号和内部的信号（如存储器位的状态）相互之间存在着确定的关系，如出现异常的逻辑信号，则说明出了故障。因此可以编制一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常逻辑关系为ON状态，就应按故障处理。如机械运动过程中先后有两个限位开关动作，这两个信号不会同时接通。若它们同时接通，说明至少有一个限位开关被卡死，应停机进行处理。在梯形图中，用这两个限位开关对应的存储器的位的常开触点串联，来驱动一个表示限位开关故障的存储器的位就可以进行检测。7.4.3 PLC的维护与检修的维护与检修（1）供电电源。 查看PLC的供电电压是否在标准范围内。交流电源工作电压的范围为85264V，直流电源电压应为24V。（2）环境条件。 查看控制柜内的温度是否在055范围内，相对湿度在35%-85%范围内，以及无粉尘、铁屑等积尘。（3）安装条件。 连接电缆的连接器是否完全插入旋紧，螺钉是否松动，各单元是否可靠固定、有无松动。（4）I/O端电压。 均应在工作要求的电压范围内。7.5 PLC应用中若干问题的处理应用中若干问题的处理1. 减少输入点数的方法（1）分时分组输入一般系统中设有“自动”和“手动”两种工作方式，两种方式不会同时执行。将两种方式的输入分组，从而减少实际输入点。如图7-43所示。PLC通过I1.0识别“手动”和“自动”，从而执行手动程序或自动程序。图中的二极管用来切断寄生电路。若图中没有二极管，转换开关在“自动”，S1、S2、S3闭合，S4断开，这时电流从L+端子流出，经S3、S1、S2形成的寄生回路，电流流入I0.1，使I0.1错误的变为ON。各开关串入二极管后，则切断寄生回路。（2）硬件编码，PLC内部软件译码。（3）输入点合并。 将功能相同的常闭触点串联或将常开触点并联，就只占用一个输入点。一般多点操作的起动停止按钮、保护、报警信号可采用这种方式。（4）将系统中的某些输入信号设置在PLC之外。系统中某些功能单一的输入信号，如一些手动操作按钮、热继电器的常闭触点就没有必要作为PLC的输入信号，可直接将其设置在输出驱动回路当中。2. 减少输出点的方法（1）在可编程控制器输出功率允许的条件下，可将通断状态完全相同的负载并联共用一个输出点。（2）负载多功能化 。一个负载实现多种用途，如在PLC控制中，通过编程可以实现一个指示灯的平光和闪烁，这样一个指示灯可以表示两种不同的信息，节省了输出点。