电气控制与可编程序控制器 主编 黄净2021/9/151第八章PLC控制系统的设计、安装和维护第一节PLC控制系统设计简介第二节减少IO点数的措施第三节PLC应用中应注意的若干问题第四节PLC控制系统对安装的要求第五节PLC的维护和故障诊断第六节PLC通信网络简介2021/9/152第一节PLC控制系统设计简介一、PLC控制系统设计的步骤和内容1.系统采用PLC控制的一般条件1)系统所需的IO点数较多，控制要求较复杂。2)系统对可靠性的要求特别高，继电器控制不能满足要求。3)系统的工艺流程和加工的产品种类经常变化，需要经常改变控制电路结构和修改系统参数，或控制系统功能有扩充的可能。4)可以用一台PLC控制多台设备的系统。5)需要与其他设备实现通信或联网的系统。2. PLC控制系统设计的基本原则1)充分发挥PLC的功能，最大程度地满足被控对象的控制要求。2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。2021/9/153第一节PLC控制系统设计简介3)保证控制系统安全可靠。4)在选用PLC时，在IO点数和内存容量上应适当留有余地，以满足今后生产的发展和工艺的改进。3. PLC控制系统设计的基本内容1)拟定控制系统设计的技术条件。2)选择电力拖动形式和电动机、电磁阀等执行机构。3)选定PLC的型号。4)分配PLC的IO点，绘制PLC的IO硬件接线图。5)设计控制系统梯形图并调试。6)设计控制系统的操作台、电气控制柜等以及它们的安装接线图。7)编写设计说明书和使用说明书。4. PLC控制系统设计的一般步骤2021/9/154第一节PLC控制系统设计简介图8-1PLC控制系统设计的一般步骤2021/9/155第一节PLC控制系统设计简介(1)分析被控对象分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象的全部功能，设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系，可编程序控制器与其他智能设备(如别的可编程序控制器、计算机、变频器、工业电视、机器人)之间的关系，可编程序控制器是否需要通信联网，需要显示那些数据及显示的方法等等，从而确定被控对象对PLC控制系统的控制要求。(2)确定输入/输出设备根据系统的控制要求，确定系统所需的输入设备(如按钮、位置开关、转换开关等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯等)。(3)选择PLC包括PLC的机型、容量、IO模块、电源和其他扩展模块的选择。(4)分配IO点分配PLC的IO点，画出PLC的IO端子与输入/输出设备的连接图或对应表。2021/9/156第一节PLC控制系统设计简介(5)设计控制程序PLC程序设计的一般步骤如下：对于较复杂系统，需要绘制系统功能表图(对于简单的控制系统可省去这一步)；设计梯形图程序；根据梯形图编写语句表程序清单；对程序进行模拟调试及修改，直到满足控制要求为止。(6)硬件设计及现场施工硬件设计及现场施工的步骤如下：设计控制柜及操作面板电器布置图及安装接线图；设计控制系统各部分的电气互联图；根据图纸进行现场接线，并检查。(7)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。(8)整理技术文件系统交付使用后，应根据调试的最终结果整理出完整的技术文件，并提供给用户，以利于系统的维修和改进。二、PLC的选择1. PLC的机型选择2021/9/157第一节PLC控制系统设计简介(1)合理的结构形式整体式PLC的每一个IO点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，所以一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，IO点数量、输入点数与输出点数的比例、IO模块的种类等方面，选择余地大。(2)安装方式的选择根据PLC的安装方式，系统分为集中式、远程IO式和多台PLC联网的分布式。2021/9/158第一节PLC控制系统设计简介(3)相当的功能要求一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、计时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足控制要求；对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带AD和DA转换单元、具有加减算术运算、数据传送功能的增强型低档PLC；对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC，但价格一般较贵。(4)响应速度的要求PLC的扫描工作方式引起的延迟可达23个扫描周期。(5)系统可靠性的要求对于一般系统，PLC的可靠性均能满足。(6)机型统一一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。2. PLC的容量选择2021/9/159第一节PLC控制系统设计简介(1)IO点数PLC平均的IO点的价格还比较高，因此应该合理选用PLC的IO点的数量，在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少，但必须留有一定的备用量。(2)用户程序存储容量用户程序存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量，其大小由用户程序的长短决定。3. IO模块的选择(1)开关量输入模块的选择PLC的输入模块是用来检测接收现场输入设备的信号，并将输入的信号转换为PLC内部接受的低电压信号。2021/9/1510第一节PLC控制系统设计简介图8-2输入的接线方式a)汇点式输入b)分组式输入2021/9/1511第一节PLC控制系统设计简介(2)开关量输出模块的选择输出模块是将PLC内部低电压信号转换成外部输出设备所需的驱动信号。图8-3输出的接线方式a)分组式输出b)分隔式输出2021/9/1512第一节PLC控制系统设计简介4.电源模块及其他外设的选择(1)电源模块的选择电源模块的选择较为简单，只需考虑电源的额定输出电流。(2)编程器的选择对于小型控制系统或不需要在线编程的系统，一般选用价格便宜的简易编程器。(3)写入器的选择为了防止因干扰、锂电池电压变化等原因破坏RAM中的用户程序，可选用EEPROM写入器，通过它将用户程序固化在EEPROM中。2021/9/1513第二节减少IO点数的措施一、减少输入点数的措施1.分时分组输入图8-4分时分组输入2021/9/1514第二节减少IO点数的措施2.矩阵输入图8-5矩阵输入2021/9/1515第二节减少IO点数的措施3.组合输入4.输入设备多功能化图8-6矩阵输入的梯形图和波形图a)梯形图b)波形图2021/9/1516第二节减少IO点数的措施图8-7组合输入a)接线图b)梯形图2021/9/1517第二节减少IO点数的措施图8-8只用一个按钮的起动、保持、停止电路a)梯形图b)波形图5.输入触点的合并2021/9/1518第二节减少IO点数的措施6.某些输入设备可不进PLC图8-9输入触点的合并2021/9/1519第二节减少IO点数的措施图8-10输入信号设在PLC外部7.巧妙利用RUN口2021/9/1520第二节减少IO点数的措施二、减少输出点数的措施1.矩阵输出2.分组输出图8-11矩阵输出2021/9/1521第二节减少IO点数的措施图8-12分组输出3.并联输出2021/9/1522第二节减少IO点数的措施4.负载多功能化5.某些输出设备可不进PLC2021/9/1523第三节PLC应用中应注意的若干问题一、对PLC的某些输入信号的处理1. PLC输入信号抖动的消除图8-13输入信号抖动的影响与消除a)抖动的影响b)抖动的消除2021/9/1524第三节PLC应用中应注意的若干问题2.两线式传感器输入的处理2021/9/1525第三节PLC应用中应注意的若干问题3.由晶体管提供输入信号的处理图8-14两线式传感器输入的处理2021/9/1526第三节PLC应用中应注意的若干问题二、PLC的安全保护1.短路保护2.感性输入/输出的处理2021/9/1527第三节PLC应用中应注意的若干问题图8-15感性输入/输出的处理2021/9/1528第三节PLC应用中应注意的若干问题三、冗余系统与热备用系统图8-16冗余系统与热备用系统a)冗余控制系统b)热备用系统2021/9/1529第三节PLC应用中应注意的若干问题1.冗余控制系统2.热备用系统2021/9/1530第四节PLC控制系统对安装的要求一、PLC对工作环境的要求1)PLC一般要求环境温度为055。2)PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于85，以保证PLC的绝缘性能。3)不宜把PLC安装在有灰尘、油烟、腐蚀性气体和可燃性气体的场所。4)PLC应远离有强烈振动和冲击的场所。5)PLC应远离强干扰源，如大功率的晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等。6)PLC不能与高压电器安装在同一控制柜内。7)与PLC安装在同一控制柜内且不是由PLC控制的电感性元件，也应并联RC或DR消弧电路。2021/9/1531第四节PLC控制系统对安装的要求二、PLC控制系统对电源要求1)动力部分、PLC以及IO电源应分别配线。2)隔离变压器与PLC和IO电源之间最好采用双绞线连接，以控制串模干扰。3)系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备起动时引起的线路压降。4)PLC输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号。三、PLC控制系统的布线要求1)IO线与动力线及其他控制线应分开走线，并保持一定距离，尽量不要在同一线槽中布线。2)交流线与直流线、输入线与输出线最好也分开走线。2021/9/1532第四节PLC控制系统对安装的要求3)开关量与模拟量的IO线最好分开走线，对于传送模拟量信号的IO线最好用屏蔽线，且图8-17PLC的接地a)分别接地b)公共接地c)串联接地2021/9/1533第四节PLC控制系统对安装的要求4)PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小、频率高，很容易受干扰。四、PLC控制系统的接地要求2021/9/1534第五节PLC的维护和故障诊断一、PLC的维护表8-1PLC维护检修项目、内容二、PLC的故障诊断1.超时检测2.逻辑错误检测2021/9/1535第六节PLC通信网络简介1.上位连接系统图8-20工厂自动化通信网络的示意图2021/9/1536第六节PLC通信网络简介一、S7200的通信方式与通信参数的设置1. S7200的通信方式图8-21单主站通信系统2021/9/1537第六节PLC通信网络简介(1)单主站方式单主站连到一个或多个从站(如图8-21所示)， STEP 7-Micro/WIN 32每次和一个S7200 CPU通信，但是它可以访问网络上的所有CPU。(2)多主站方式通信网络中有多个主站，一个或多个从站。(3)使用调制解调器的远程通信方式对11位调制解调器用户，单主站与一个或多个作为从站的S7200 CPU相连；对10位调制解调器用户，单主站通过调制解调器与一个作为从站的S7200 CPU相连。2021/9/1538第六节PLC通信网络简介图8-22多主站通信系统2021/9/1539第六节PLC通信网络简介表8-2STEP 7-Micro/WIN 32支持的硬件组态2.选择S7200的通信组态2021/9/1540第六节PLC通信网络简介表8-3S7200与PROFIBUS通信模块EM 277的性能3.网络部件(1)通信口S7200 CPU上的通信口是与RS485兼容的9针D型连接器，符合欧洲标准EN 50170。2021/9/1541第六节PLC通信网络简介表8-4S7200 CPU通信口引脚分配(2)网络连接器利用西门子提供的两种网络连接器可以把多个设备很容易的连到网络中。2021/9/1542第六节PLC通信网络简介图8-23网络连接器2021/9/1543第六节PLC通信网络简介(3)PROFIBUS网络电缆表8-5列出了PROFIBUS网络电缆的总规范。表8-5PROFIBUS网络电缆的总规范2021/9/1544第六节PLC通信网络简介表8-6PROFIBUS中网络段的最大电缆长度(4)网络中继器(如图8-24所示)RS485中继器为网段提供偏压电阻和终端电阻。4.使用自由端口通信功能和PC/PPI电缆的通信2021/9/1545第六节PLC通信网络简介1)带RS232口的隔离型PC/PPI电缆，用5个DIP开关设置波特率和其他配置项，详见附录B。2)带RS232口的非隔离型PC/PPI电缆，用4个DIP开关设置波特率，这种电缆已经被隔离型的PC/PPI电缆取代。图8-24带中继器的网络举例2021/9/1546第六节PLC通信网络简介表8-7PC/PPI电缆切换时间1)S7200对RS232设备传输的信息作出应答。2)RS232设备对从S7200 CPU传输的信息作出应答。5.在编程软件中安装与删除通信接口2021/9/1547第六节PLC通信网络简介图8-25图标2021/9/1548第六节PLC通信网络简介图8-26“设置PG/PC接口”对话框(1)通信硬件的安装从左边的选择列表框中选择要安装的硬件型号，窗口下部显示出对选择的硬件的描述。2021/9/1549第六节PLC通信网络简介(2)通信硬件的删除在“安装/删除”窗口中右边的已安装列表框中选择硬件，单击“Uninstall(删除)”按钮，选择的硬件被删除。(3)Windows NT用户的特殊硬件安装信息在Windows NT操作系统安装硬件模块与在Windows 98上安装略有不同。6.计算机使用的通信接口参数的设置图8-27安装与删除通信接口2021/9/1550第六节PLC通信网络简介(1)PC/PPI电缆的PPI参数设置如果使用PC/PPI电缆，在“设置PG/PC接口”对话框中单击“属性”按钮，就会出现PC/PPI电缆(PPI)的属性窗口。在PPI标签的Station Parameter(站参数区)的Address(地址)框中设置站地址。运行STEP 7-Micro/WIN 32的计算机的默认站地址为0。网络中第一台可编程序控制器的默认站地址为2，网络中的不同的站不能使用同一个站地址。在Time-out(超时)框中设置通信设备建立联系的最长时间，默认值为10s。如果希望STEP 7-Micro/WIN 32加入多主站网络，应选中“多主网络”复选框。使用调制解调器或Windows NT 4.0时，软件不支持多主站网络。2021/9/1551第六节PLC通信网络简介设置STEP 7-Micro/WIN 32在网络上通信的传输波特率。根据网络中的设备数选择最高站地址。这使STEP 7-Micro/WIN 32停止寻找网络中的其他主站的地址。单击Local Connection(本机连接)标签，选择连接PC/PPI电缆的计算机的RS232C通信口，以及是否使用调制解调器。(2)使用MPI或CP卡的多主站网络设置在计算机上使用多主站接口(MPI)卡或通信处理器(CP5511和CP5611)卡时，有多种协议可供选择。7.网络性能与优化(1)网络参数的设置波特率和主站数是影响网络性能的两个主要因素。2021/9/1552第六节PLC通信网络简介(2)令牌循环时间在令牌循环网络中，只有拥有令牌的站有初始化通信的权力。各站占有令牌时发送一个请求。请求读或写的数据的地址是连续的。CPU的通信缓冲区的使用没有冲突。CPU的扫描时间都不超过10ms。二、可编程序控制器的通信指令1. S7200的网络通信协议2021/9/1553第六节PLC通信网络简介图8-28PPI网络2021/9/1554第六节PLC通信网络简介8Z28.tif2021/9/1555第六节PLC通信网络简介(1)点对点接口协议(PPI)PPI是一个主从协议：主站向从站发出请求，从站作出应答，如图8-28所示。(2)多点接口协议(MPI)表8-8S7200 CPU和EM 277模块的连接个数2021/9/1556第六节PLC通信网络简介图8-29MPI网络(3)PROFIBUS协议PROFIBUS协议用于与分布式I/O设备(远程I/O)2021/9/1557第六节PLC通信网络简介进行高速通信。2.网络读写指令表8-9通信指令2021/9/1558第六节PLC通信网络简介表8-10TBL参数的错误代码2021/9/1559第六节PLC通信网络简介图8-32NETR和NETW指令举例2021/9/1560第六节PLC通信网络简介图8-34NETR和NETW指令的LAD和STL举例3.发送指令与接收指令2021/9/1561第六节PLC通信网络简介(1)自由端口模式通过用户程序控制S7200的串行通信端口，可以选择自由端口模式。表8-11特殊存储器字节SMB30和SMB130表格2021/9/1562第六节PLC通信网络简介(3)接收指令接收指令RCV(Receive)初始化或中止接收信息的服务，指令格式如图8-35所示。(5)接收指令的参数设置RCV指令允许选择报文开始和报文结束的条件详见表8-12。2021/9/1563第六节PLC通信网络简介表8-12SMB86SMB94，SMB186SMB1942021/9/1564第六节PLC通信网络简介表8-12SMB86SMB94，SMB186SMB1942021/9/1565第六节PLC通信网络简介838.tif2021/9/1566第六节PLC通信网络简介1.要点分析由于对两台机的发送与接收配合时间无特殊要求(这是一种最简单的通信)，且一台机只有一种功能，即接收或发送。故两台机的程序可相对独立的编制而无需考虑其间的握手信号处理。对A机，在设置了可编程序通信模式之后，只要循环反复的将IB0送至在变量缓冲区中开辟的一个表格中的字节地址，且不断执行发送指令即可；同理，对B机，设置可编程序通信模式之后，将接收中断事件8连接到一个中断程序，再开中断，然后循环地从SMB2中读取数据再送到QB0即可。2.发送程序(如图8-38所示)3.接收程序(如图8-39所示)4.程序注释2021/9/1567第六节PLC通信网络简介发送程序由于指令XMT的格式要求，其PORT端除支持直接寻址方式外，还支持间接寻址。考虑到该程序对发送数据所存放地址的灵活性，故选用指针方式的间接寻址。指针的内容放图8-39接收程序的梯形图及指令表2021/9/1568第六节PLC通信网络简介接收程序同发送程序，先进行通信方式的设定。在主程序中将接收中断(事件号8)与中断子程序0相连接，之后全局开中断。5.调试分别将发送程序下装至A机；将接收程序下装至B机。采用西门子SINEC L2网的连接器及电缆，在断电时将两台PLC通过PPI编程接口相连。一种最简单的实验室方法是直接利用编程器PG740或PG720所附带的MPI编程电缆来直接将A、B机相连。上电运行后将A、B机的模式开关打到TERM位置。接通或断开A机的模拟器开关，应能观察到B机的输出QB0会跟随A机的IB0同步变化。三、自由口模式下PLC与计算机的通信1.通信协议2021/9/1569第六节PLC通信网络简介2.指令格式定义表8-13上位机指令格式2021/9/1570第六节PLC通信网络简介(1)起始字符起始字符标志着指令的开始，在本例中被定义为ASCII码的“g”，不同的PLC从站可以定义不同的起始字符以接收针对该PLC的指令。(2)指令类型该字节用来标志指令的类型，在本例中05H代表读操作，06H代表写操作。(3)目标PLC站地址目标PLC站地址占用指令的B2、B3两个字节，以十六进制ASCII码的格式表示目标PLC的站地址。(4)目标寄存器地址在PLC内部可以用4个字节来表示一个寄存器的地址(但不能表示一个位地址)。00 00(H)：I寄存器区01 00(H)：Q寄存器区02 00(H)：M寄存器区2021/9/1571第六节PLC通信网络简介08 00(H)：V寄存器区(5)读/写字节数M当读命令时，始终读回从目标寄存器开始的连续8个字节的数据(转换为十六进制ASCII码后占用16个字节)，可以根据自己的需要取用，M可以任意写入。(6)要写入的数据要写入的数据在指令中以十六进制ASCII码的格式表示，占用指令的B14B29共16个字节。(7)BCC校验码在传输过程中，指令有可能受到任何的干扰而使原来的数据信号发生扭曲，此时的指令当然是错误的，为了侦测指令在传输过程中发生的错误，接收方必须对指令作进一步的确认工作，以防止错误的指令被执行，最简单的方法就是使用校验码。2021/9/1572第六节PLC通信网络简介(8)结束字符结束字符标志着指令的结束，在本例中被定义为ASCII码的“G”，不同的PLC从站可以定义不同的结束字符以接收针对该PLC的指令。3.反馈信息格式表8-14反馈信息格式2021/9/1573第六节PLC通信网络简介(1)起始字符起始字符标志着反馈信息的开始，在本例中被定义为ASCII码的“g”，不同的PLC从站可以定义不同的起始字符，这样上位机可以根据信息的起始字符来判断反馈信息的来源。(2)状态信息(3)数据区反馈信息的B3到B18为读指令所要读取的数据，以十六进制ASCII码表示。(4)BCC校验码与上位机指令中的BCC校验码类似，它是反馈信息B3到B18的异或和。(5)结束字符结束字符标志着反馈信息的结束，在本例中被定义为26H。4.指令中为何要使用ASCII码5. PLC程序执行过程2021/9/1574第六节PLC通信网络简介6. PLC寄存器地址分配表8-15接收缓冲区2021/9/1575第六节PLC通信网络简介表8-15接收缓冲区2021/9/1576第六节PLC通信网络简介表8-16译码区2021/9/1577第六节PLC通信网络简介表8-16译码区2021/9/1578第六节PLC通信网络简介表8-17发送缓冲区2021/9/1579第六节PLC通信网络简介表8-18其他2021/9/1580第六节PLC通信网络简介7.程序清单1.在自由端口模式下，怎样解决报文的起始字符、结束字符和数据字符混淆的问题？2. Break在自由端口模式通信中有什么用处，怎样发送一个break?3.用NETR和NETW指令实现两个PLC模块之间的数据通信，设计可编程序控制器的通信程序，将A机的VB10VB17送给B机的VB10VB17, 将B机的VB20VB27送给A机的VB20VB27。2021/9/1581