1、第 7 章 PLC 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
2、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
3、明书。2. 设计步骤（1）工艺分析深入了解控制对象的工艺过程、工作特点、控制要求，并划分控制的各个阶段，归纳各个阶段的特点，和各阶段之间的转换条件，画出控制流程图或功能流程图。（2）选择合适的 PLC 类型在选择 PLC 机型时，主要考虑下面几点：1 功能的选择。 对于小型的 PLC 主要考虑 I/O 扩展模块、A/D 与 D/A 模块以及指令功能（如中断、PID 等） 。2I/O 点数的确定。 统计被控制系统的开关量、模拟量的 I/O 点数，并考虑以后的扩充（一般加上10%20%的备用量） ，从而选择 PLC 的 I/O 点数和输出规格。3 内存的估算。 用户程序所需的内存容量主要与系统的
4、I/O 点数、控制要求、程序结构长短等因素有关。一般可按下式估算：存储容量=开关量输入点数10+开关量输出点数8+模拟通道数100+定时器/计数器数量2+通信接口个数 300+备用量。（3）分配 I/O 点。 分配 PLC 的输入/输出点，编写输入 /输出分配表或画出输入/输出端子的接线图，接着就可以进行 PLC 程序设计，同时进行控制柜或操作台的设计和现场施工。（4）程序设计。 对于较复杂的控制系统，根据生产工艺要求，画出控制流程图或功能流程图，然后设计出梯形图，再根据梯形图编写语句表程序清单，对程序进行模拟调试和修改，直到满足控制要求为止。（5）控制柜或操作台的设计和现场施工。 设计控制柜
5、及操作台的电器布置图及安装接线图；设计控制系统各部分的电气互锁图；根据图纸进行现场接线，并检查。（6）应用系统整体调试。如果控制系统由几个部分组成，则应先作局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后连接起来总调。（7）编制技术文件。技术文件应包括：可编程控制器的外部接线图等电气图纸，电器布置图，电器元件明细表，顺序功能图，带注释的梯形图和说明。7.2.2 PLC 的硬件设计和软件设计及调试1. PLC 的硬件设计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。选定 PLC 的机型和分配 I/O 点后，硬件设计的主要内容就是
6、电气控制系统的原理图的设计，电气控制元器件的选择和控制柜的设计。电气控制系统的原理图包括主电路和控制电路。控制电路中包括 PLC的 I/O 接线和自动、手动部分的详细连接等。电器元件的选择主要是根据控制要求选择按钮、开关、传感器、保护电器、接触器、指示灯、电磁阀等。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，复杂的系统一般用顺序控制设计法设计。3. 软件硬件的调试调试分模拟调试和联机调试。软
7、件设计好后一般先作模拟调试。模拟调试可以通过仿真软件来代替 PLC 硬件在计算机上调试程序。如果有 PLC 的硬件，可以用小开关和按钮模拟 PLC 的实际输入信号（如起动、停止信号）或反馈信号（如限位开关的接通或断开） ，再通过输出模块上各输出位对应的指示灯，观察输出信号是否满足设计的要求。需要模拟量信号 I/O 时，可用电位器和万用表配合进行。在编程软件中可以用状态图或状态图表监视程序的运行或强制某些编程元件。硬件部分的模拟调试主要是对控制柜或操作台的接线进行测试。可在操作台的接线端子上模拟 PLC外部的开关量输入信号，或操作按钮的指令开关，观察对应 PLC 输入点的状态。用编程软件将输出点
8、强制 ON/OFF，观察对应的控制柜内 PLC 负载（指示灯、接触器等）的动作是否正常，或对应的接线端子上的输出信号的状态变化是否正确。联机调试时，把编制好的程序下载到现场的 PLC 中。调试时，主电路一定要断电，只对控制电路进行联机调试。通过现场的联机调试，还会发现新的问题或对某些控制功能的改进。7.2.3 PLC 程序设计常用的方法PLC 程序设计常用的方法主要有经验设计法、继电器控制电路转换为梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。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
9、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继电器接触器控制系统经过长期的使用，已有一套能完成系统要求的控制功能并经过验证的控制电路图，而 PLC 控制的梯形图和继电器接触器控制电路图很相似，因此可以直接将经过验证的继电器接触器控制电路图转换成梯形图。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
10、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 7-1】图 7-1 为电动机 Y/减压起动控制主电路和电气控制的原理图。（1）工作原理如下：按下启动按钮 SB2,KM1、KM3、KT 通电并自保，电动机接成 Y 型起动，2s 后，KT 动作，使 KM3 断电，KM2 通
11、电吸合，电动机接成型运行。按下停止按扭 SB1，电动机停止运行。图 7-1 电动机 Y/减压起动控制主电路和电气控制的原理图（2）I/O 分配 输入 输出停止按钮 SB1：I0.0 KM1：Q0.0 KM2： Q0.1起动按钮 SB2：I0.1 KM3：Q0.2 过载保护 FR： I0.2（3）梯形图程序转换后的梯形图程序如图 7-2 所示。按照梯形图语言中的语法规定简化和修改梯形图。为了简化电路，当多个线圈都受某一串并联电路控制时，可在梯形图中设置该电路控制的存储器的位，如 M0.0。简化后的程序如图 7-3 所示。图 7-2 例 1 梯形图程序3. 逻辑设计法逻辑设计法是以布尔代数为理论基
12、础，根据生产过程中各工步之间的各个检测元件（如行程开关、传感器等）状态的变化，列出检测元件的状态表，确定所需的中间记忆元件，再列出各执行元件的工序表，然后写出检测元件、中间记忆元件和执行元件的逻辑表达式，再转换成梯形图。该方法在单一的条件控制系统中，非常好用，相当于组合逻辑电路，但和时间有关的控制系统中，就很复杂。下面将介绍一个交通信号灯的控制电路。【例 7-2】用 PLC 构成交通灯控制系统。（1）控制要求：如图 7-4 所示，起动后，南北红灯亮并维持 25s。在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，1s 后，东西车灯即甲亮。到 20s 时，东西绿灯闪亮，3s 后熄灭，在东西绿灯熄灭后东西黄灯亮，
13、同时甲灭。黄灯亮 2s 后灭东西红灯亮。与此同时，南北红灯灭，南北绿灯亮。1s 后，南北车灯即乙亮。南北绿灯亮了 25s 后闪亮，3s 后熄灭，同时乙灭，黄灯亮 2s 后熄灭，南北红灯亮，东西绿灯亮，循环。图 7-4 交通灯控制示意图（2）I/O 分配输入 输出起动按钮：I0.0 南北红灯：Q0.0 东西红灯： Q0.3南北黄灯：Q0.1 东西黄灯：Q0.4南北绿灯：Q0.2 东西绿灯：Q0.5南北车灯：Q0.6 东西车灯：Q0.7（3）程序设计根据控制要求首先画出十字路口交通信号灯的时序图，如图 7-5 所示。根据十字路口交通信号灯的时序图，用基本逻辑指令设计的信号灯控制的梯形图如图 7-6
14、 所示。分析如下：首先，找出南北方向和东西方向灯的关系：南北红灯亮（灭）的时间=东西红灯灭（亮）的时间，南北红灯亮 25S（ T37 计时）后，东西红灯亮 30S（T41 计时）后。其次，找出东西方向的灯的关系：东西红灯亮 30S 后灭（T41 复位）东西绿灯平光亮 20S（T43 计时）后东西绿灯闪光 3S（T44 计时）后，绿灯灭东西黄灯亮 2S（T42 计时）。 再其次，找出南北向灯的关系：南北红灯亮 25S（T37 计时）后灭南北绿灯平光 25S（T38 计时）后南北绿灯闪光 3S（T39 计时）后，绿灯灭南北黄灯亮 2S（T40 计时）。最后找出车灯的时序关系：东西车灯是在南北红灯亮
15、后开始延时（T49 计时）1S 后，东西车灯亮，直至东西绿灯闪光灭（T44 延时到）；南北车灯是在东西红灯亮后开始延时（T50 计时）1S 后，南北车灯亮，直至南北绿灯闪光灭（T39 延时到）。根据上述分析列出各灯的输出控制表达式：图 7-6 基本逻辑指令设计的信号灯控制的梯形图东西红灯：Q0.3=T37 南北红灯 Q0.0=M0.0T37东西绿灯：Q0.5=Q0.0T43+T43T44T59 南北绿灯Q0.2=Q0.3T38+T38T39T59东西黄灯：Q0.4=T44T42 南北黄灯 Q0.1=T39T40东西车灯：Q0.7=T49T44 南北车灯 Q0.6=T50T394. 顺序控制设计
16、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。首先将被控制对象的工作过程按输出状态的变化分为若干步，并指出工步之间的转换条件和每个工步的控制对象。这种工艺流程图集中了工作的全部信息。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，如图 7-7 所示，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
17、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。在图 7-7 中，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：X n-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 7-8 所示的功能流程图，设计出梯形图程序。将结合
18、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在梯形图中，为了实现前级步为活动步且转换条件成立时，才能进行步的转换，总是将代表前级步的中间继电器的常开接点与转换条件对应的接点串联，作为代表后续步的中间继电器得电的条件。当后续步被激活，应将前级步关断，所以用代表后续步的中间继电器常闭接点串在前级步的电路中。如图 7-8 所示的功能流程图，对应的状态逻辑关系为：对于输出电路的处理应注意：Q0.0 输出继电器在 M0.1、M0.2 步中都被接通，应将 M0.1 和 M0.2 的常开接点并联去驱动 Q0.0； Q0.1 输出继电器只在 M0.2 步为活动步时才接通，所以用 M0.2 的常开接
19、点驱动 Q0.1。使用起保停电路模式编制的梯形图程序如图 7-9 所示。2 使用置位、复位指令的编程方法S7-200 系列 PLC 有置位和复位指令，且对同一个线圈置位和复位指令可分开编程，所以可以实现以转换条件为中心的编程。当前步为活动步且转换条件成立时，用 S 将代表后续步的中间继电器置位（激活） ，同时用 R 将本步复位（关断） 。图 7-8 所示的功能流程图中，如用 M0.0 的常开接点和转换条件 I0.0 的常开接点串联作为 M0.1 置位的条件，同时作为 M0.0 复位的条件。这种编程方法很有规律，每一个转换都对应一个 S/R 的电路块，有多少个转换就有多少个这样的电路块。用置位、复位指令编制的梯形图程序如图 7-10 所示。3 使用移位寄存器指令编程的方法单流程的功能流程图各步总是顺序通断，并且同时只有一步接
