第八章基于S7系列PLC單機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、內(nèi)容與步驟

第八章基于S7系列PLC單機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、內(nèi)容與步驟

8.1.1設(shè)計(jì)的原則

應(yīng)用PLC時(shí)應(yīng)遵循以下的原則：滿足要求最大限度的滿足被控對(duì)象的工藝要求是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的首要前提。

安全可靠控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中能否安全、可靠、穩(wěn)定是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的重要原則。

經(jīng)濟(jì)實(shí)用設(shè)計(jì)合理經(jīng)濟(jì)，能發(fā)揮PLC控制的優(yōu)點(diǎn)。

適應(yīng)發(fā)展在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮今后的發(fā)展、完善。

８.1.2設(shè)計(jì)的內(nèi)容

任何設(shè)計(jì)項(xiàng)目的一般性PLC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)過(guò)程的一些基本步驟如下：

擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，一般以設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的形式來(lái)確定；選擇電氣傳動(dòng)形式和電動(dòng)機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)；選定PLC的型號(hào)；編制PLC的輸入／輸出分配表或繪制輸入／輸出端子接線圖；根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求編寫(xiě)軟件規(guī)格說(shuō)明書(shū)，然后再用相應(yīng)的編程語(yǔ)言(常用梯形圖)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)人與機(jī)器之間的友善關(guān)；設(shè)計(jì)操作臺(tái)、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件；編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和使用說(shuō)明書(shū)。8.1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的主要步驟

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試的主要步驟

被控對(duì)象的工藝條件和控制要求分析確定I／O設(shè)備選擇合適的PLC類型分配I／O點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序?qū)⒊绦蜉斎隤LC進(jìn)行軟件測(cè)試應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試編制技術(shù)文件8.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

8.2.1PLC選型

在滿足控制要求的前提下，選型時(shí)應(yīng)選擇最佳的性能價(jià)格比，具體應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

性能與任務(wù)相適應(yīng)PLC的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求為了提高PLC的處理速度，可以采用以下幾種方法：(1)選擇CPU處理速度快的PLC，使執(zhí)行一條基本指令的時(shí)間不超過(guò)0.5μs；(2)優(yōu)化應(yīng)用軟件，縮短掃描周期；(3)采用高速響應(yīng)模塊，例如高速計(jì)數(shù)模塊，其響應(yīng)的時(shí)間可以不受PLC掃描周期影響，而只取決于硬件的延時(shí)。PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型系列應(yīng)統(tǒng)一8.2.2PLC容量估算

PLC容量包括兩個(gè)方面：一是I／O的點(diǎn)數(shù)，二是用戶存儲(chǔ)器的容量。1．I／O點(diǎn)數(shù)的估算根據(jù)功能說(shuō)明書(shū)，可統(tǒng)計(jì)出PLC系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)及模擬量I/O通道數(shù)，以及開(kāi)關(guān)量和模擬量的信號(hào)類型。考慮到在前面的設(shè)計(jì)中I／O點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，并考慮到I/O端口的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出I／O總點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，增加10％～15％的裕量。考慮裕量后的I／O總點(diǎn)數(shù)即為I／O點(diǎn)數(shù)估算值，該估算值是PLC選型的主要技術(shù)依據(jù)。考慮到今后的調(diào)整和擴(kuò)充，選定的PLC機(jī)型的I／O能力極限值必須大于I／O點(diǎn)數(shù)估算值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30％左右的裕量。

2．存儲(chǔ)器容量估算用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與許多因素有關(guān)，如I／O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等。因此在程序設(shè)計(jì)之前只能粗略的估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)I／O點(diǎn)及有關(guān)功能器件占用的內(nèi)存大致如下：開(kāi)關(guān)量輸入所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=輸入點(diǎn)數(shù)×10開(kāi)關(guān)量輸出所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=輸出點(diǎn)數(shù)×8定時(shí)器／計(jì)數(shù)器所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=定時(shí)器／計(jì)數(shù)器數(shù)量×2模擬量所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=模擬量通道數(shù)×100通信接口所需存儲(chǔ)器字?jǐn)?shù)=接口個(gè)數(shù)×300存儲(chǔ)器的總字?jǐn)?shù)再加上一個(gè)備用量即為存儲(chǔ)器容量。例如，作為一般應(yīng)用下的經(jīng)驗(yàn)公式是：所需存儲(chǔ)器容量(KB)=(1～1.25)×(DI×l0+DO×8+AI／O×l00+CP×300)/1024其中：DI為數(shù)字量輸入總點(diǎn)數(shù)；DO為數(shù)字量輸出總點(diǎn)數(shù)；AI／AO為模擬量I／O通道總數(shù)；CP為通信接口總數(shù)。8.2.3I／O模塊的選擇

1．開(kāi)關(guān)量輸入模塊的選擇選擇輸入模塊主要應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)(如按鈕、行程開(kāi)關(guān))與PLC輸入模塊距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇電壓的高低。一般，24V以下屬低電平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)。如12V電壓模塊一般不超過(guò)10m，距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓模塊比較可靠。(2)高密度的輸入模塊，如32點(diǎn)輸入模塊，允許同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般，同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不得超過(guò)總輸入點(diǎn)數(shù)的60％。

2．開(kāi)關(guān)量輸出模塊的選擇

(1)輸出方式的選擇繼電器輸出價(jià)格便宜，使用電壓范圍廣，導(dǎo)通壓降小，承受瞬間過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較強(qiáng)，且有隔離作用。但繼電器有觸點(diǎn)，壽命較短，且響應(yīng)速度較慢，適用于動(dòng)作不頻繁的交/直流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，最大開(kāi)閉頻率不得超過(guò)1Hz。晶閘管輸出(交流)和晶體管輸出(直流)都屬于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出，適用于通斷頻繁的感性負(fù)載。感性負(fù)載在斷開(kāi)瞬間會(huì)產(chǎn)生較高的反壓，必須采取抑制措施。(2)輸出電流的選擇模塊的輸出電流必須大于負(fù)載電流的額定值，如果負(fù)載電流較大，輸出模塊不能驅(qū)動(dòng)，則應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。對(duì)于電容性負(fù)載、熱敏電阻負(fù)載，考慮到接通時(shí)有沖擊電流，故要留有足夠的裕量。(3)允許同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)在選用輸出模塊時(shí)，不但要看一個(gè)輸出點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)能力，還要看整個(gè)輸出模塊的滿負(fù)荷能力，即輸出模塊同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的總電流值不得超過(guò)模塊規(guī)定的最大允許電流。3．模擬量及特殊功能模塊的選擇

除了開(kāi)關(guān)量信號(hào)以外，工業(yè)控制中還要對(duì)溫度、壓力、物位、流量等過(guò)程變量進(jìn)行檢測(cè)和控制。模擬量輸入、模擬量輸出以及溫度控制模塊就是用于將過(guò)程變量轉(zhuǎn)換為PLC可以接收的數(shù)字信號(hào)以及將PLC內(nèi)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。此外，還有一些特殊情況，如位置控制、脈沖計(jì)數(shù)以及聯(lián)網(wǎng)，與其他外部設(shè)備連接等等都需要專用的接口模塊，如傳感器模塊、I／O鏈接模塊等。這些模塊中有自己的CPU、存儲(chǔ)器，能在PLC的管理和協(xié)調(diào)下獨(dú)立地處理特殊任務(wù)，這樣既完善了PLC的功能，又減輕了PLC的負(fù)擔(dān)，提高了處理速度。有關(guān)特殊功能模塊的應(yīng)用參見(jiàn)PLC產(chǎn)品手冊(cè)。

8.2.4安全回路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)安全回路的任務(wù)包括以下內(nèi)容：

確定控制回路之間邏輯和操作上的互鎖關(guān)系：設(shè)計(jì)硬回路以提供對(duì)過(guò)程中重要設(shè)備的手動(dòng)安全性干預(yù)手段確定其它與安全和完善運(yùn)行有關(guān)的要求；為PLC定義故障形式和重新啟動(dòng)特性。8.3PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

8.3.1PLC應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容PLC軟件工程的設(shè)計(jì)通常要涉及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：PLC軟件功能的分析與設(shè)計(jì)；I／O信號(hào)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)：程序結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)規(guī)格說(shuō)明書(shū)編制；用編程語(yǔ)言、PLC指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)；軟件測(cè)試；程序使用說(shuō)明書(shū)編制。

8.3.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)步驟

制定設(shè)備運(yùn)行方案畫(huà)控制流程圖制定系統(tǒng)的抗干擾措施編寫(xiě)程序軟件測(cè)試編制程序使用說(shuō)明書(shū)

8.４S7系列PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8.4.1S7-200PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.機(jī)械手的順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械手的順序控制系統(tǒng)如圖所示。(1)控制要求：

機(jī)械手的一個(gè)循環(huán)周期可以分為八步。第一步是當(dāng)工作臺(tái)A上有工件出現(xiàn)時(shí)（可以由光耦合器VLC檢測(cè)到，當(dāng)檢測(cè)到有工件時(shí)，I1.5=1）,機(jī)械手開(kāi)始下降。當(dāng)機(jī)械手下降到位時(shí)（I0.5=1），機(jī)械手停止下降，第一步結(jié)束。第二步是機(jī)械手在最低位時(shí)開(kāi)始抓緊工件，約10s抓住、抓緊，第二步結(jié)束。第三步是機(jī)械手夾緊工件上升。當(dāng)機(jī)械手上升到位時(shí)（I0.4=1），機(jī)械手停止上升，第三步結(jié)束。第四步是機(jī)械手夾緊工件右移。當(dāng)機(jī)械手右移到位時(shí)（I0.7=1），機(jī)械手停止右移，第四步結(jié)束。第五步是機(jī)械手在最右位開(kāi)始下降。當(dāng)機(jī)械手下降到工作臺(tái)B到位時(shí)（I0.5=1），機(jī)械手停止下降，第五步結(jié)束。第六步是機(jī)械手開(kāi)始放松工件，所需時(shí)間約為10s。10s之后放開(kāi)工件，第六步結(jié)束。第七步是機(jī)械手開(kāi)始上升。機(jī)械手上升到位時(shí)（I0.4=1），停止上升，第七步結(jié)束。第八步是機(jī)械手在高位開(kāi)始左移，當(dāng)左移到位時(shí)（I0.6=1），機(jī)械手停止左移，第八步結(jié)束。機(jī)械手工作的一個(gè)周期完成。等待工件在工作臺(tái)A上出現(xiàn)轉(zhuǎn)到第一步。工藝要求有三種控制方式，自動(dòng)、單動(dòng)和手動(dòng)。(2)硬件選擇

該系統(tǒng)需要輸入14個(gè)點(diǎn)，輸出5個(gè)點(diǎn)。可選擇Ｓ7-200系列的CPU224就可以滿足要求，也可以選擇CPU222和一個(gè)EM223I/O模塊組成控制系統(tǒng)。本例子選擇一個(gè)CPU224作為本控制系統(tǒng)的控制器，如圖所示。

機(jī)械手控制系統(tǒng)組成(3)輸入輸出點(diǎn)的地址分配

表8.1輸入輸出地址分配(4)用邏輯流程圖設(shè)計(jì)程序

1)程序流程圖如圖8.5

根據(jù)工藝要求，邏輯流程可以分為8個(gè)部分。系統(tǒng)起動(dòng)之前，機(jī)械手在原始位置。原始位置的條件是：機(jī)械手在高位(I0.4＝1)、左位(I0.6＝1)。當(dāng)有工件放在工作臺(tái)A上時(shí)(I1.5＝1)，在起動(dòng)條件允許時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始下降(Q0.0＝1)。當(dāng)下降到低位時(shí)(I0.5＝1)，停止下降(Q0.0＝0)。機(jī)械手下降到位后，開(kāi)始夾緊工件(Q0.4＝1)，同時(shí)起動(dòng)延時(shí)10s的定時(shí)器(可以取T101)。待T101延時(shí)時(shí)間到，機(jī)械手開(kāi)始上升(Q0.1＝1)，上升到高位(I0.4＝1)時(shí)，停止上升(Q0.1＝0)。這時(shí)機(jī)械手開(kāi)始右移(Q0.2＝1)，當(dāng)?shù)接椅粫r(shí)(I0.7＝1)，停止右移(Q0.2＝0)。這時(shí)機(jī)械手又開(kāi)始下降(Q0.0＝1)，當(dāng)下降到低位時(shí)(I0.5＝1)，停止下降(Q0.0＝0)。機(jī)械手在低位時(shí)開(kāi)始松開(kāi)工件(Q0.4＝0)，同時(shí)起動(dòng)延時(shí)10s定時(shí)器(T102)。待延時(shí)時(shí)間到，機(jī)械手又開(kāi)始上升(Q0.1＝1)。上升到高位時(shí)(I0.4＝1)，停止上升（Q0.1=0）。機(jī)械手在高位開(kāi)始左移（Q0.3=1），左移到位時(shí)（I0.0=1），停止左移（Q0.3=0）。如果是自動(dòng)運(yùn)行機(jī)械手則等待工作臺(tái)A再一次有工件，而進(jìn)行下一周期操作。如果是單動(dòng)運(yùn)行，機(jī)械手則等待再一啟動(dòng)單動(dòng)操作。如果是手動(dòng)控制，則由手動(dòng)輸入信號(hào)去驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的操作。2)內(nèi)存變量分配表3)控制程序2.液體混合攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有三個(gè)液面?zhèn)鞲衅鳎琀為液體B液面檢測(cè)傳感器、I為液體A液面檢測(cè)傳感器、L為最低液面檢測(cè)傳感器。當(dāng)液面達(dá)到傳感器的位置后，傳感器送出ON信號(hào)，低于傳感器位置時(shí)，傳感器為OFF狀態(tài)。系統(tǒng)有三個(gè)電磁閥，Xl為液體A輸入電磁閥、X2為液體B輸入電磁閥、X3為混合液體輸出電磁閥。電磁閥為ON狀態(tài)時(shí)閥門(mén)打開(kāi)，Xl、X2分別送人液體A與液體B，X3放出攪拌好的混合液。電磁閥為OFF狀態(tài)時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉。M為攪拌電動(dòng)機(jī)，M＝OFF時(shí)，攪拌電動(dòng)機(jī)停止；M＝ON，攪拌電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。攪拌控制系統(tǒng)示意圖初始狀態(tài)及操作工藝。起動(dòng)攪拌器之前，容器是空的，各閥門(mén)關(guān)閉(Xl＝X2＝X3=OFF)傳感器H＝I＝L＝OFF，攪拌電動(dòng)機(jī)M＝OFF。攪拌器開(kāi)始工作時(shí)，先按下起動(dòng)按鈕，閥Xl打開(kāi)，開(kāi)始放人液體A。當(dāng)液面經(jīng)過(guò)傳感器L時(shí)使L＝ON，并繼續(xù)注入液體A，直至液面達(dá)到I時(shí)，I＝ON，使Xl＝OFF，X2＝ON，即關(guān)閉閥門(mén)Xl，停送液體A，打開(kāi)閥門(mén)X2開(kāi)始送人液體B。當(dāng)液面達(dá)到H時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)X2，起動(dòng)攪拌電動(dòng)機(jī)M，即X2＝OFF，M＝ON。開(kāi)始攪拌60s，攪拌均勻后，停止攪拌，即M＝OFF，打開(kāi)閥門(mén)X3，即X3＝ON，開(kāi)始放出混合液體，當(dāng)液面低于傳感器L，即L＝OFF，經(jīng)延時(shí)10s，容器中的液體放空，關(guān)閉閥門(mén)X3，即X3＝OFF，自動(dòng)開(kāi)始下一個(gè)操作循環(huán)。若在工作中按下停止按鈕，攪拌器不立即停止工作，只有當(dāng)前混合操作處理完畢后，才停止操作，即停在初始狀態(tài)上。(1)硬件設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)有5個(gè)(起動(dòng)、停止和H、I、L)，開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)有4個(gè)(X1、X2、X3與M)，輸入輸出點(diǎn)數(shù)共為9個(gè)。粗估內(nèi)存容量約為90個(gè)地址單元(9X10＝90)即可。據(jù)此，可以選用一般中小型控制器(S7—200CPU221~CPU226)。現(xiàn)假設(shè)選用S7—200的CPU222，輸入／輸出點(diǎn)總數(shù)為14個(gè)，其中輸入點(diǎn)8個(gè)，輸出點(diǎn)6個(gè)，如圖8.7所示。(2)輸入輸出點(diǎn)的地址分配攪拌控制系統(tǒng)組成輸入/輸出點(diǎn)的地址分配見(jiàn)表8.4

表8.4輸入/輸出地址分配表

(3)控制流程圖

(4)內(nèi)存分配變量表

（5）程序設(shè)計(jì)

攪拌控制的梯形圖程序8.４.2S7-300PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.控制要求在十字路口南北方向以及東西方向均設(shè)有紅、黃、綠三只信號(hào)燈，六只信號(hào)燈依一定的時(shí)序循環(huán)往復(fù)工作。

信號(hào)燈受電源總開(kāi)關(guān)控制，接通電源，信號(hào)燈系統(tǒng)開(kāi)始工作；關(guān)閉電源，所有的信號(hào)燈都熄滅。

當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)，東西與南北方向的綠燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，程序自動(dòng)關(guān)閉。

在晚上車(chē)輛稀少時(shí)，要求交通燈處于下班狀態(tài)，即兩個(gè)方向的黃燈一直閃爍。

在信號(hào)燈工作期間，東西以及南北方向的紅燈為長(zhǎng)亮，時(shí)間為30s，在紅燈亮?xí)r的最后2s，東西以及南北方向的黃燈同時(shí)閃爍，時(shí)間為2s，東西以及南北方向的綠燈為長(zhǎng)亮25s，然后閃爍3s。

交通燈示意圖交通燈時(shí)序圖東西方向信號(hào)燈

綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮紅燈亮

黃燈亮

信號(hào)時(shí)間25s3s2s2s

30s南北方向信號(hào)燈紅燈亮綠燈亮綠燈閃爍黃燈亮

黃燈亮

信號(hào)時(shí)間2s25s3s2s30s

交通燈控制具體要求2.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

序號(hào)名稱型號(hào)說(shuō)明數(shù)量1CPU模塊313-1AE01-0AB0CPU31312電源模塊307-1EA00-0AA0PS30713開(kāi)關(guān)量輸入模塊321-1BH01-0AA0SM32114開(kāi)關(guān)量輸出模塊322-1BH01-0AA0SM32215前連接器390-1AJ00-0AA020針型1PLC配置說(shuō)明開(kāi)關(guān)量I/O信號(hào)一覽表序號(hào)輸入信號(hào)名稱地址序號(hào)輸出信號(hào)名稱地址1工作按鈕I0.01東西綠燈Q4.02電源按鈕I0.12東西黃燈Q4.13下班按鈕I0.23東西紅燈Q4.24中間繼電器Ｍ2.14南北綠燈Q4.35中間繼電