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10PLC应用设计1资料
第10章PLC控制基础及设计
10.1系统设计基础
10.1.1系统设计的原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量为目的。
PLC系统设计应当遵循以下原则。
1满足要求原则
最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的首要前提。
这也是设计中最重要的一条原则之一。
2安全可靠原则
控制系统长期运行中能否达到安全、可靠、稳定，对设计控制系统来说至关重要。
为了能达到这一点，要求在系统设计上，器件选择上，软件编程上要全面考虑。
比如说，在设计上应该保证PLC程序不仅在正常条件下能正确运行，而且在一些非正常情况下也能正常工作。
系统应该具有能接受并且只能接受合法操作，对非法操作程序能予以拒绝的能力。
3经济实用原则
经济运行也是系统设计的一项重要原则。
这就要求，不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护即方便又低成本。
4适应发展原则
控制系统的要求也一定会不断地在提高、不断地在完善。
在控制系统的设计时要考虑到今后的发展、完善。
这就要求在选择PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有余量。
10.1.2PLC系统硬件设计
1PLC控制系统的分类
1）简单小系统
这类系统被控设备I/O点数较少，与其它设备没有什么联系。
这类系结构简单、被控对象比较单一，用一台PLC就能满足控制要求。
2）慢过程大系统
对运行速度要求不高但设备间有连锁关系，设备距离远，控制动作多，如大型料场、高炉、码头、大型车站信号控制；也有的设备本身对运行速度要求高，但是部分子系统要求并不高，如大型热连续轧钢厂、冷连续轧钢厂中的辅助生产机组和供油系统、供风系统等。
对这一类型系统，一般不选用大型机，因为它编程、调试都不方便，一旦发生故障，影响面也大。
一般都采用多台中小机型和低速网相连接。
这样选用每一台中小型PLC控制一台单体设备，功能简化，程序好编，调试容易，运行中一旦发生故障影响面也小，且容易查找。
从总体上看是合理的，可满足系统要求，成本相对较低。
3）快速控制大系统
随着PLC在工业领域应用的不断扩大，在中小型的快速系统中，PLC不仅仅完成逻辑控制和主令控制，它已逐步进入了设备控制级，如高速线材，中低速热连轧等速度控制系统。
在这样的系统中即使选用输入/输出容量大、运行速度快、计算功能强的一台大型可编程序控制器也难以满足控制要求。
如用多台可编程序控制器，则有互相间信息交换与系统响应要求快的矛盾。
采用可靠的高速网能满足系统信息快速交换的要求。
2PLC机型选择
目前，PLC产品种类繁多，同一个公司生产出的PLC也常常推出系列产品。
这需要用户去选择最适合自己要求的产品。
正确选择产品中，首先要择的是适合控制系统的机型。
1）根据系统类型选择机型
（1）小系统的机型选择
这种系统一般使用一台PLC就能完成控制要求，控制对象常常是一台设备或多台设备中的一个功能，系统对PLC间的通信问题要求不高。
但有时功能要求全面，容量要求变化大。
对这类系统的机型选择要注意三种情况。
第一种是设备集中，设备的功率较小，如机床。
这时需选用局部式结构，低电压高密度输入输出模板。
第二种是设备分散，设备的功率较大，如料场设备。
这时需选用离散式结构，高电压低密度输入输出模板。
第三种是有专门要求的设备，如飞剪。
这时输入输出容量不是关键参数，更重要的是控制速度功能，选用高速计数功能模板。
（2）大系统的机型选择
不管是慢过程大系统还是快速控制大系统，其控制系统都是由多台PLC构成。
这类系统可以由一个上位计算机（可以是工业控制计算机或高档PLC）和多台下位PLC构成。
其中每一台下位PLC控制大系统中的一个子系统。
这种系统可以采用如下方案。
方案一是整个系统由上位计算机或高档PLC对系统进行统一管理。
控制信息由现场数据总线构成的通信网络进行传递。
这是一个由微机和PLC构成的集散控制系统。
集散控制系统的控制规模比较大，系统的硬件成本要高。
集散控制系统在设计、调试、扩展和维护等方面都有极大的优越性。
整个系统全面停产的几率很少，其运行费用成本也比较低。
方案二是控制系统是把计算机、PLC、数控机床、机器人等融合在一个庞大的通信网络中，把整个系统分成管理层、控制层、执行层等多个层次，最上面一层使用高速数据通信网络。
这是一个大型的网络控制系统。
这种控制系统成本比较高，工作速度比较快。
这种系统可以用于快速控制大系统的控制，特别适用于工厂自动化、大量数据处理和企业综合管理的系统。
2）根据控制对象选择机型
对控制对象要求进行估计，对确定机型十分重要。
根据控制对象要求的输入/输出点数的多少，可以估计出PLC的规模。
根据控制对象的特殊要求，可以估计出PLC的性能。
根据控制对象的操作规则可以估计出控制程序所占内存的容量。
有了这些初步估计，会使得机型选择的可行性更大了。
为了对控制对象进行粗估，首先要了解下列问题。
（1）对输入/输出点数的估计
为了正确地估计输入/输出点数，需要了解下面问题。
对开关量输入，按参数等级分类统计。
对开关量输出，按输出功率要求及其它参数分类统计。
对模拟量输出/输入，按点数进行粗估。
（2）对PLC性能要求的估计
为了正确地估计PLC性能要求，需要了解下面问题。
是否有特殊控制功能要求，如高速计数器等。
机房离现场的最远距离。
现场对控制器响应速度要求。
在此基础上选择控制器时尚需注意两个问题。
其一是PLC可带I/O点数。
有的手册或产品目录单上给出的最大输入点数或最大输出点数，常意味着只插输入模块或只插输出模块的容量，即实际给出的是输入输出容量之和，有时也称为扫描容量，需格外注意。
其二是PLC通讯距离和速度。
手册上给出的覆盖距离，有时叫最大距离，包括远程I/O板在内达到的距离。
但远程I/O板的I/O反应速度大大下降，一般为19.2k波特率。
（3）对所需内存容量的估计
用户程序所需内存与下列因素有关。
逻辑量输入输出点数的估计。
模拟量输入输出点数的估计。
内存利用率的估计。
程序编制者的编程水平的估计。
程序中的各条指令最后都是以机器语言的形式存放在内存中。
控制系统中输入输出点数和存放该系统用户机器语言与所占用的内存数字之比称为内存利用率。
内存利用率与编程水平有关。
内存利用率的提高会使同样程序减少内存容量，从而降低内存投资、缩短周期时间、从而提高系统的响应时间。
从上面内容的综合可以选择出合适的机型。
3PLC接口设备选择
在机型选定之后就要确定接口设备。
PLC的接口设备的选择如何，对控制系统的功能至关重要。
目前PLC的产品很多，在选择机型和接口设备时要注意选择质量好，控制可靠的产品。
这里所说的接口设备包含两类。
一类是PLC自身的I/O模块、功能模块，一类是和接口模块相连的外部设备。
对于PLC自身的模块的选择主要注意两个问题。
一是和PLC能否很好的模块对接。
这一点请注意模块的型号、规格要配套。
最好类型、型号一致。
这样才能使对接的方便、可靠、稳定。
二是这些模块能和外部设备对接。
这就考虑到模块和外部设备要匹配，要性能匹配、速度匹配、电平匹配。
不仅要注意它们稳态特性，也要注意它们的动态特性。
4分配输入输出点
为了能够便于程序设计，便于日常维护，合理地分配输入/输出点、恰当地对输入/输出点进行命名是必要的。
机型选好之后，系统设计人员需慎重考虑输入/输出定义问题。
所谓输入/输出定义是指整体输入/输出点的分布和每个输入/输出点的名称定义，它们会给程序编制、系统调试和文本打印等带来很多方便。
1）单台PLC系统的输入输出点的分配
设一台可编程序控制器完成多个功能，若不分被控对象把输入/输出点统一按顺序排列，则会给编写程序与调试程序带来不便。
如果把输入/输出点按控制对象分组排列，会给编写程序与调试程序带来方便。
在这种情况下，按控制设备把输入、输出点分组，同一个设备的输入/输出点相对的集中。
例如用一台S7-224可编程序控制器配有五个EM223（l6入/16出）I/0模块，输入容量为94点，输出容量为90点。
用这样一台PLC去控制五台交流机的启动。
主机上的I/O分为一组，供主令控制使用。
五个I/O模块各为一组，分别为五台电机控制使用。
这样，输入输出点的分配可按表10-1设计。
表10-1按控制对象分配输入输出点
模块
CPU-224
EM223-1
EM223-2
EM223-3
EM223-4
EM223-5
输入点
I0.0～I1.5
I2.0～I3.5
I4.0～I5.5
I6.0～I7.5
I8.0～I9.5
I10.0～I11.5
输出点
Q0.0～Q1.1
Q2.0～Q2.5
Q4.0～Q4.5
Q6.0～Q6.5
Q8.0～Q8.5
Q10.0～Q10.5
控制
主令控制
1号电机
2号电机
3号电机
4号电机
5号电机
可以看出，每个电机的控制分别由各自对应的EM223模块的I/O点实现。
这样分配I/0点，可使得每个EM223模块控制其中一个电机。
这样电机和I/0模块之间的关系一目了然，便于编程，便于检查和维修。
2）多台PLC系统中输入输出点的分配
在多台可编程序控制器系统中，应根据整体控制上的要求，按控制类别对输入输出分组，规定出每台可编程序控制器都要遵循的原则。
如某自动化生产线有五道工序进行控制。
这五道工序虽然控制内容不同，所用设备也很不相同。
但是所控制的对象总起来可以归纳出几种控制类别。
比如各工序的控制器都有控制台类、电源类、电机类、输入检测信号类、输出控制信号类等等。
表10-2列出一个系统由CPU-224按控制类别对输入输出点进行的分配。
可以看出按类对各台PLC的输入输出统一分组，统一编号，可以十分有利于编程和维修。
表10-2按控制类别分配输入输出点
输入范围
控制对象
输出范围
控制对象
I0.0
控制台1启动操作
Q0.0
控制台1启动显示
I0.1
启动电机1
Q0.1
电源1显示
I0.2
停止电机1
Q0.2
操作方式1显示
I0.3
故障复位1
Q0.3
电机1运行显示
I0.4
紧急停车1
Q0.4
故障1显示
…
…
…
…
I1.0
控制台2启动操作
Q1.0
控制台2启动显示
I1.1
启动电机2
Q1.1
电源2显示
I1.2
停止电机2
Q1.2
操作方式2显示
I1.3
故障复位2
Q1.3
电机2运行显示
I1.4
紧急停车2
Q1.4
故障2显示
…
…
…
…
5建立内存变量分配表
1）输入/输出点名称的定义
输入/输出点名称定义要简短，明确，合理。
下面提出逻辑变量在名称定义时应当注意的问题。
（1）信号的有效状态的定义
逻辑变量有“0”和“1”两个值。
有些信号在“1”状态有效，有些信号在“0”状态有效。
在名称定义上也应该对“1”信号有效还是对“0＂信号有效的问题有所体现。
（2）信号有效方式的定义
在实际控制中，有的是持续状态有效，有些则是信号发生变化时有效。
所谓持续状态有效，作为逻辑条件，信号状态必须保持，这类信号如扳动开关，极限连锁信号，继电器和接触器的辅助触点，带锁定的按钮等。
在编程序时，使用的是信号的状态。
例如I0.0=1时系统启动，I0.0=0系统停止。
信号状态变化有效是指信号由一种状态向另一种状态变化时，发出的控制要求。
这类信号多为引起设备停车的故障信号和不带锁定的按钮，当一个电机的启动和停止由两个按钮完成的时候，就是这种情况。
电机启动按钮是能自动回位的常开节点，按下启动按钮时，I2.0的状态由“0”变为“1”，发出电机启动要求，抬起时启动按钮，I2.0自动复位由“1”变“0”，已不再影响对电机的控制。
处理上升沿有效和下降沿有效的方法是靠信号变化产生一个周期长的脉冲，用该脉冲信号发出控制命令。
有的厂家专门为这种控制准备了一条产生脉冲的指令。
在没有类似指令时，则用户可以用基本指令编一个程序去产生信号脉冲。
2）绘制内存变量分配表
内存变量包含输入/输出变量和程序中用到定时器、计数器和一系列的PLC内部变量。
内存变量分配表就是把内存变量按顺序排列成表，表中要注明各个变量的地址号、名称、有效状态和必要的说明。
内存变量分配表包含了程序中所用到的全部元件和变量，它是阅读程序、查找故障的依据。
如果把内存变量分配表写到S7-200的符号表内，就可以用变量名称代替变量地址编写程序。
内存变量分配表的例子见表10-3。
表10-3内存变量分配表
模块号
输入变量
输出变量
内存变量
名称
有效状态
说明
CPU224
I0.0
I0.1
···
Q0.0
···
C0
T1
···
启动按钮
停止按钮
···
主控电机
···
计数器A
计时器A
···
“上升沿”有效
“上升沿”有效
···
“1”有效
···
“1”计数到
“1”时间到
···
主控按钮1
主控按钮2
···
主控电机接触器
···
计数控制A
时间控制A
···
EM223-1
I2.0
···
···
···
启动按钮
上升沿有效
···
1号电机启动按钮
···
EM223-2
···
···
···
···
···
···
···
···
···
···
···
10.1.3PLC的程序设计方法
在编制程序时首先要根据整个工程的要求把程序分块，其次是合理利用指令，严格注意信号名称定义，恰如其分地编写各个程序块的程序。
然后经过单元调试，软硬件联调与系统总调，对程序进行修改。
编好的程序还必须经过一定时间的运行考验，才可以投入实际现场工作。
1S7PLC的程序结构
S7PLC的程序结构常用的有三种，即线性程序结构、分块程序结构和结构化程序结构。
1）线性程序设计
线性程序设计就是把工程中需要控制的全部任务按照工艺要求书写在主程序（如0B1）中。
线性程序的结构简单，分析起来一目了然。
这种结构适用于编写一些控制规模较小，运行过程比较简单的控制程序。
对于一些控制规模较大，运行过程比较复杂的控制程序，特别是分支较多的控制程序则不宜选用这种结构。
2）分块程序设计
分块结构的程序是根据工程的特点，把一个复杂的控制工程分成多个比较简单的、规模较小的程序快务。
可以把这些控制任务分配给一个个子程序块。
在子程序中编制具体任务的控制程序，最后由主程序利用调用的方式把整个控制程序统管起来。
分块程序有更大的灵活性，适用于比较复杂、规模较大的控制工程的程序设计。
3）结构化程序设计
结构化程序结构的特点是将程序中具有相同控制过程，但控制参数不一致的程序段写在某个可分配不同参数的程序快（如FB或FC）中，在主程序（如OB1）中可重复调用该程序块，且调用时可赋予不同的控制参数。
结构化程序比分块程序有更大的灵活性，继承性。
适用于比较复杂、规模较大的控制工程的程序设计。
2.PLC的编程方法
在了解了PLC程序结构之后，就要具体的编制程序了。
编制PLC控制程序的方法很多，这里主要介绍几种典型的编程方法。
l）图解法编程
图解法是靠画图进行PLC程序设计。
常见的主要有梯形图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。
（1）梯形图法
梯形图法是用梯形图语言去编制PLC程序。
这是一种模仿继电器控制系统的编程方法。
其图形甚至元件名称都与继电器控制电路十分相近。
这种方法很容易地就可以把原继电器控制电路移植成PLC的梯形图程序。
（2）逻辑流程图法
逻辑流程图法是用逻辑框图表示PLC程序的执行过程，反应输入与输出的关系。
逻辑流程图法是把系统的工艺流程，用逻辑方框图表示出来形成系统的逻辑方框图。
这种方法编制的PLC控制程序逻辑思路清晰、输入与输出的因果关系及连锁条件明确。
逻辑流程图会使整个程序脉络请楚，便于分析控制程序、便于查找故障点、便于调试程序和维修程序。
S7-200功能块图也可以算作一种逻辑流程图法。
（3）时序流程图法
时序流程图法是根据受控对象的动作时序来设计PLC程序的种方法。
该方法首先画出控制系统的时序图（即到某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图），再根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图，最后把程序框图写成PLC程序。
时序流程图法很适合于以时间为基准的控制系统的编程方法。
（4）步进顺控法
步进顺控法是根据受控对象的动作顺序来设计PLC程序的种方法。
该方法是把一个复杂的控制程序分成若干个功能比较简单的程序段，一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。
从这个角度去看，一个复杂的系统的控制过程是由这样若干个步组成的。
系统控制的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程中去完成对各个步的控制。
配合顺控指令可以顺利用编写出复杂的控制程序。
2）经验法编程
经验法是运用自己的或别人的经验进行设计。
多数是设计前先选择与自己工艺要求相近的程序，把这些程序看成是自己的“试验程序”。
结合自己工程的情况，对这些“试验程序”逐一修改，使之适合自己的工程要求。
这里所说的经验，有的是来自自己的经验总结，有的可能是别人的设计经验，有的也可能是来自其它资料的典型程序。
3）计算机辅助设计编程
计算机辅助设计是通过PLC编程软件在计算机上进行程序设计、离线或在线编程、离线仿真和在线调试等等。
S7-200的编程软件“STEP7-Micro/WIN32”是S7-200系列PLC编程专用软件。
使用这些编程软件可以十分方便地在计算机上离线或在线编程、在线调试。
“西门子S7-200仿真软件”可以方便地对所设计的S7-200程序进行仿真。
3程序设计步骤
在了解了程序结构和编程序方法的基础上，就要实际地编写PLC程序了。
编写PLC程序需要经历如下步骤。
1）对系统任务分块
分块的目的就是把一个复杂的工程，分解成多个比较简单的小的任务。
这样就把一个复杂的、大的问题化为多个简单的、小的问题。
这样是便于编制程序。
2）绘制逻辑关系图
从逻辑关系图上可以反应出某一逻辑关系的结果是什么，这一结果又应该导出哪些动作。
这个逻辑关系可以是以各个控制活动顺序为基准，也可能是以整个活动的时间节拍为准。
逻辑关系图反映了控制过程中控制作用与被控对象的活动，反映了输入与输出的关系。
逻辑关系图是程序编制的基础。
3）绘制各种电路图
绘制电路图的目的是把系统的输入输出所设计的地址和名称联系起来。
这是很关键的一步。
在绘制PLC的输入电路时，不仅要考虑到信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到输入端的电压和电流是否合适，也要考虑到动态运行的可靠性与稳定性等问题。
把高压引入PLC的输入端会对PLC造成比较大的伤害，因此绘制电路图要考虑到能否把高压引导到PLC的输入端的问题。
在绘制PLC的输出电路时，不仅要考虑到输出信号的连接点是否与命名一致，还要考虑到PLC输出模块的带负载能力和耐电压能力。
除此之外还要考虑到电源的输出功率和极性问题。
在整个电路的绘制中还要考虑就设计的原则，努力提高其稳定性和可靠性。
虽然用PLC进行控制方便、灵活。
但是在电路的设计上仍然需要紧慎、全面。
因此，在绘制电路图时要考虑周全，何处该装按钮，何处该装开关，都要一丝不苟。
4）编制PLC程序
在绘制完电路图之后就可以着手编制PLC程序了。
当然可以用上述方法编程。
在编程时除了要注意程序要正确、可靠之外，还要考虑程序要简捷、省时、便于阅读、便于修改。
编好一个程序块，一定要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，不要等整个程序完成后一起算总帐。
5）模拟实验
编好一个程序块，一定要进行模拟实验，这样便于查找问题，便于及时修改，不要等整个程序完成后一起算总帐。
在模拟实验时，尽量要使实验环境与现场环境相近。
实在达不到现场要求时，也要使实验模型的动作（特别是信号状态）与现场一致。
模拟实验既要检验程序的正确性，也要检验程序的可靠性，还要检验程序的抗干扰能力。
当然，模拟实验要有计划有组织的进行。
要有定时的记录、分析和对策方案。
6）现场调试
现场调试是整个控制系统完成的重要环节。
任何程序的设计很难说不经过现场调试就能使用的。
只有通过现场调试才能发现控制回路和控制程序不能满足系统要求之处；只有通过现场调试才能发现控制电路和控制程序发生矛盾之处；只有进行现场调试才能最后实地测试和最后调整控制电路和控制程序，以适应控制系统要求。
同样，现场调试也要有领导、有计划、有组织的进行。
要有定时的运行记录、运行分析记录和修改对策记录。
7）试运行检验
试运行检验是对控制系统的全面检验。
特别是系统的可靠性、安全性、稳定性和抗干扰性的检验的重要过程。
对试运行检验的重视程度不应该低于模拟实验和现场调试。
8）完成程序设计文件
经过现场调试以后，控制电路和控制程序基本被确定了，整个系统的硬件和软件基本没有问题了。
这时就要全面整理技术文件，包括整理电路图、PLC程序、使用说明及帮助文件。
下面通过一些例子来说明PLC设计的应用技术问题。
10.2基本控制程序设计
10.2.1十字路口交通指挥灯控制设计
·控制要求
·硬件设计
·软件设计
10.2.2电动机顺序的启动/停止控制设计
·控制要求
三台电动机正序启动/逆序停止。
要有时间间隔。
·硬件设计（略）
启动按钮I0.0停止按钮I0.1
电动机1Q0.0电动机2Q0.1电动机3Q0.2
启动标志1I0.0启动标志2T37启动标志3T38
停止标志1T40停止标志2T39停止标志3I0.1
·软件设计
10.2.3液体混合控制设计
·控制要求
·硬件设计（S7-300略）
启动按钮I0.0停止按钮I0.1
液面HI0.2液面II0.3液面LI0.4
阀门AQ4.0阀门BQ4.1电机MQ4.2阀门CQ4.3
原始标志M0.0最低液面M0.1搅拌时间T1排空时间T2
·软件设计（S7-300）
OB1中的程序
10.2.4温度控制设计
·控制要求
按下1号按钮进行恒温控制，按下2号按钮结束恒温控制。
·硬件设计（略）
1号按钮I0.0,2号按钮I0.1。
温度检测AIW0，加温输出Q0.0
·软件设计
升级会员 