1 8 1可編程序控制器系統設計概述 P282 一 PLC控制系統設計的基本原則 第8章可編程序控制器系統設及應用舉例 PLC控制系統的設計應遵循以下基本原則 1 控制系統應安全 可靠 實用 且易于維修 2 在滿足控制要求的前提下 系統應力求簡單 經濟 性能價格比高 3 考慮到今后的發展和工藝的改進 在硬件配置上應留有一定的裕量 二 PLC控制系統設計的一般步驟和基本內容 PLC控制系統設計的一般步驟和基本內容如下 1 系統分析 在進行PLC控制系統設計之前 首先必須對生產的工藝過程進行深入調查 明確PLC控制的任務 要弄清PLC是用于開關量控制還是模擬量 數字量控制 要弄清PLC控制的操作方式 如手動 自動 連續 單周期 單步等 還要弄清PLC的使用環境 保證PLC長期穩定地工作 2 1 選擇PLC機型 2 選擇輸入元件 輸出執行元件 輸入元件有按鈕 行程開關 波段開關 接近開關 光電開關 旋轉編碼器 液位開關等 輸出執行元件有接觸器 電磁閥 指示燈 數碼管等 3 進行I O點的分配 設計PLC控制線路 設計主電路 2 硬件電路設計 3 軟件程序設計 較簡單的系統 梯形圖可以用經驗法設計 4 制作控制柜及現場施工 制作控制柜時 應先畫出PLC的電源進線接線圖和輸出執行元件的供電接線圖 畫出電氣柜內元器件布置圖 相互間接線圖 畫出控制面板元器件布置圖 3 系統調試和運行考驗成功后 整理技術資料 編制技術文件 包括電氣原理圖 元件明細表 軟件清單 使用說明書等 由于PLC所有的控制功能都是以程序的形式來實現的 因此PLC控制系統設計的大量工作集中在程序設計上 5 系統調試 系統安裝完畢后進行調試 一般先對各單元環節和各電柜分別進行調試 然后再按動作順序 模擬輸入控制信號 逐步進行調試 觀察程序執行和系統運行是否滿足控制要求 如果有問題 先修改軟件 必要時再調整硬件 直到符合要求為止 沒有問題后 投入運行考驗 6 編制技術文件 4 8 2 梯形圖的基本電路 下面介紹梯形圖編程的一些基本電路 它們是構成復雜電路的基礎 應該熟練掌握 圖示為電機的啟動 保持 停止控制電路 簡稱啟保停電路 a 為梯形圖 b 為PLC外部接線圖 1 啟保停電路 00001外接啟動按鈕SB1 00002外接停止按鈕SB2 01000外接控制電機的接觸器KM 按一下啟動按鈕 00001常開觸點閉合 使01000線圈得電 其常開觸點閉合 維持01000線圈繼續得電 接觸器KM通電 電機運轉 可以看出 這種電路具有自鎖或自保持作用 按一下停止按鈕 00002常閉觸點斷開 使01000線圈斷電 接觸器KM也斷電 電機停轉 5 2 雙向控制電路 圖為電機的正反轉控制電路 稱為雙向控制電路 a為梯形圖 b為PLC外部接線圖 00000外接正轉啟動按鈕SB1 00001外接反轉啟動按鈕SB2 00002外接停止按鈕SB3 01000外接控制電機正轉的接觸器KM1 01001外接控制電機反轉的接觸器KM2 按一下正轉啟動按鈕 00000常開觸點閉合 使01000線圈得電并自鎖 KM1得電 電機正轉 此時若按一下反轉啟動按鈕 00001常閉觸點斷開 使01000線圈斷電 電機正轉停止 由于00001常開觸點閉合 使01001線圈得電并自鎖 KM2得電 電機反轉 電機正轉或反轉過程中若按一下停止按鈕 則00002常閉觸點斷開 使01000或01001線圈斷電 電機停轉 雙向控制電路要求2個接觸器KM1 KM2不能同時得電 否則會造成電機電源的短路 在梯形圖上 01000和01001的線圈上串接對方的常閉觸點 進行互鎖 當01000線圈得電時 其常閉觸點斷開 使01001線圈不可能得電 只有01000斷電時 01001線圈才可能得電 反之亦然 00000和00001的常閉觸點用來實現按鈕聯鎖 外部接線圖中KM1 KM2線圈上互相串接對方常閉觸點也起互鎖作用 這樣可以確保在任何情況下 如某一接觸器主觸點熔焊 2個接觸器都不會同時接通 6 通常一個電路的啟動和停止控制是由兩只按鈕來完成的 要占用PLC兩個輸入點 用單按鈕進行啟停控制可以節省一個輸入點 單按鈕啟停控制電路有多種方法 圖8 3為用計數器實現這種功能的梯形圖 用于啟停控制的輸入信號按鈕接在輸入點00000 當第一次按下按鈕時 00000短時接通 上升沿微分指令使20000產生一個掃描周期的脈沖輸出 20000的常開觸點閉合使01000線圈得電并自鎖 與此同時20000的另一常開觸點閉合 計數器CNT000的計數輸入端有信號輸入 CNT000的數值減1 當第二次按下按鈕時 20000又產生一個脈沖 使CNT000的數值再減1 這時CNT000計數2次 其常閉觸點斷開 使01000線圈失電 在下一個掃描周期 CNT000閉合的常開觸點使CNT000復位 恢復設定值 為下一次計數作好準備 3 單按鈕啟停控制電路 7 1 斷電延時定時器PLC定時器一般為通電延時型的 當定時器輸入接通時 定時器從設定值開始作減法運算 減到零時 定時器才有輸出 其常開觸點閉合 常閉觸點斷開 當定時器輸入斷開時 定時器立即復位 即由當前值恢復到設定值 其常開觸點斷開 常閉觸點閉合 有時需要另一種定時器 即從某個輸入條件斷開時開始延時 這就是斷電延時定時器 4 定時器和計數器的應用程序 當輸入00000接通時 01000線圈得電并自鎖 但定時器TIM000的輸入卻無法接通 只有當00000斷開時 TIM000才開始定時 10s到 TIM000常閉觸點斷開 使01000線圈斷電 實現了斷電延時 8 2 雙延時定時器 所謂雙延時定時器 是指通電和斷電均延時的定時器 用兩個定時器完成雙延時控制 當輸入00000接通時 TIM000開始定時 10s后定時時間到 TIM000的常開觸點接通 01000線圈得電并自鎖 當輸入00000斷開時 TIM001開始定時 15s后 TIM001常閉觸點斷開 使01000線圈斷電 實現了輸出線圈01000在通電和斷電時均產生延時控制的效果 9 單脈沖電路如圖8 6所示 在控制信號的上升沿產生脈寬一定的單脈沖 控制輸入00000接通時 20000線圈得電并自鎖 20000常開觸點閉合 使TIM000開始定時 01000線圈得電 2s到 TIM000常閉觸點斷開 使01000線圈斷電 無論輸入00000接通的時間長短怎樣 輸出01000的脈寬都等于TIM000的定時時間2s 3 單脈沖電路 10 4 閃爍電路 閃爍電路如圖8 7所示 該電路可產生周期性方脈沖 控制輸入00000接通時 TIM000開始定時 2s后 TIM000常開觸點閉合 使TIM001開始定時 01000線圈得電 3s后 TIM001常閉觸點斷開 使TIM000復位 TIM000常開觸點斷開 使TIM001復位 01000斷電 TIM001常閉觸點閉合 TIM000重新定時 如此循環 直到00000斷開 11 5 周期性脈沖序列發生器 圖8 8所示電路可以產生一定周期的脈沖序列 在圖8 8 a 中 當控制輸入00000閉合時 TIM000線圈得電 開始定時 5s后 定時時間到 常閉觸點斷開 在下一個掃描周期 TIM000的常閉 觸點使其自身線圈斷電 其常閉觸點又閉合 再下一個工作周期 TIM000線圈又得電 開始第二次定時 如此循環 TIM000的常開觸點的波形如圖中所示 由于其閉合的時間為一個掃描周期Ts Ts很短 可以近似認為脈沖序列的周期為5s 該電路中定時器的線圈上串接自身的常閉觸點 定時時間到時 常閉觸點斷開使其自身線圈斷電 因此 這種電路又稱自復位定時器 同自復位定時器一樣 自復位計數器也可以產生周期性脈沖序列 如圖8 8 b 所示 計數器CNT000對0 1s時鐘脈沖序列25500進行計數 計數設定值為50 則可實現50 0 1 5s的定時功能 將CNT000的常開觸點并接在復位端上 當計數結束時 該觸點閉合 使CNT000復位 等到下一個掃描周期 CNT000的常開觸點斷開 又使CNT000重新開始計數 具體工作過程自行分析 12 6 定時 計數范圍的擴展 PLC中一個定時器或計數器的定時 計數范圍都是有限的 如普通定時器的定時范圍為0 1 999 9s 普通計數器的計數范圍為1 9999個 若想實現長時間定時或大范圍計數 可以用兩個或兩個以上的定時器或計數器級聯起來 具體方法有多種 在此僅舉一例 用兩個計數器完成1小時定時 梯形圖如圖8 9 a CNT000對25500進行計數 并構成自復位定時器 產生周期為60s的脈沖序列 CNT001對CNT000產生的脈沖序列進行計數 計滿60個為1小時 00000為控制開關 當00000閉合時 開始定時 波形圖如圖8 9 b 如果將該圖中的25500改成00001 則可實現對00001的60 60個的計數 13 5 移位寄存器的應用舉例 1 在自動生產線上的應用條傳送線 如圖7 59所示 傳送線上的產品有合格品和次品兩種 產品經傳感器檢測 次品由推桿推下傳送線 合格品通過傳送線 完成這一動作 首先由傳感器 00001 檢測并存入移位寄存器 合格品傳感器輸出狀態 00001 為OFF 次品傳感器輸出狀態 00001 為ON 從圖7 59可以看出 傳送線的速度和旋轉編碼器的轉速同步 當次品到達推桿位置時移位寄存器HR0003變為ON 00500接通 驅動推桿將次品推下傳送線 傳送線和推桿之間發生距離變化 可以通過調整移位寄存器的輸出位 而與速度無關 14 按圖7 60所示編程 SFT 10 的執行由旋轉編碼器 00000 通過微分指令DIFU 13 進行控制 當傳送線移動時 帶動旋轉編碼器轉動 旋轉編碼器就發出ON和OFF脈沖 另一傳感器 00002 當檢測到次品被推下傳送線后將HR0003和推桿 00500 復位 15 有一些簡單的梯形圖可以借鑒繼電器控制的電路圖來設計 即在一些典型電路的基礎上 根據被控對象對控制系統的具體要求 進行修改和完善 得到符合控制要求的梯形圖 這種方法沒有普遍的規律可以遵循 設計所用的時間 設計的質量與編程者的經驗有很大的關系 所以有人把這種設計方法叫做經驗設計方法 它可以用于邏輯關系較簡單的梯形圖設計 下面通過幾個例子來介紹這種設計方法 8 3梯形圖的經驗設計方法 例1 送料小車自動控制系統的梯形圖設計 送料小車工作示意圖如圖8 12 送料小車在行程開關ST1處裝料 15s后裝料結束 開始右行 碰到行程開關ST2后停下來卸料 10s后左行 碰到行程開關ST1又停下來裝料 這樣不停地循環工作 在右行或左行過程中 按一下停止按鈕SB3 小車停止運行 系統設置右行啟動按鈕SB1和左行啟動按鈕SB2 16 1 I O分配輸入 右行啟動按鈕SB100000左行啟動按鈕SB200001停止按鈕SB300002右端行程開關ST200003左端行程開關ST100004輸出 右行接觸器01000左行接觸器01001裝料電磁閥01002卸料電磁閥01003 2 設計梯形圖按一下右行啟動按鈕 小車右行 按一下左行啟動按鈕 小車左行 按一下停止按鈕 小車停止 這是典型的雙向控制功能 故可以采用前面介紹的雙向控制電路 該系統還要求 右行至ST2處 停止右行 卸料 定時10秒 左行至ST1處 停止左行 裝料 定時15秒 因此可以用00003的常閉觸點控制01000線圈斷電 用00003的常開觸點控制01003線圈得電 并控制定時器TIM000定時10秒 用00004的常閉觸點控制01001線圈斷電 用00004的常開觸點控制01002線圈得電 并控制定時器TIM001定時15秒 卸料10秒后 自動左行 停止卸料 裝料15秒后 自動右行 停止裝料 因此可以將TIM000 TIM001的常開觸點分別與右行啟動00000 左行啟動01000的常開觸點相并聯 小車左行離開00003或右行離開00004 卸料或裝料動作將自動停止 17 18 例2兩處卸料的小車自動控制系統梯形圖 工作示意圖如圖8 14示 小車在ST1處裝料 在ST2 ST3處輪流卸料 小車在一次工作循環中的兩次右行都要碰到ST3 第一次碰到時停下卸料 第二次碰到時不停 繼續前進 1 I O分配該系統增加中間行程開關ST3 給ST3分配輸入點00005 其它I O點的分配同例1 19 2 設計梯形圖例2的梯形圖可以在例1的基礎上修改得到 如圖8 15所示 小車在第一次碰到ST2 ST3時 都應停止右行 所以將它們的常閉觸點串接01000的線圈電路中 但是在第二次右行經過ST3時 不應停止 所以在00005的常閉觸點上并聯20000的常開觸點 20000的作用是小車第二次右行碰到ST3時 20000是接通的 01000不斷電 右行不停 小車第一次右行碰到00005時 小車停止并卸料 20000得電并自鎖 第二次右行時 碰到ST3小車不停繼續右行 碰到ST2小車停止 此時00003的常閉觸點使20000斷電 消除記憶 以使小車下一次右行到達00005時停止 當小車從00003處開始左行 經過00005時 20000不應接通 因此在20000的啟動電路中串入01001的常閉觸點 在00003 00005兩處卸料 01003線圈的電路應由00003和00005的常開觸點并聯驅動 01003線圈的電路串接01001和01000的常閉觸點 是為了消除小車在往返經