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第七章PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 教學(xué)提示 PLC的控制系統(tǒng)是由PLC作為控制器來(lái)構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng) PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)根據(jù)控制對(duì)象的控制要求制定電控方案 選擇PLC機(jī)型 進(jìn)行PLC的外圍電氣電路設(shè)計(jì)以及PLC程序的設(shè)計(jì) 調(diào)試 要完成好PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù) 除掌握必要的電氣設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)外 還必須經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐 深入生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 將不斷積累的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中來(lái) 教學(xué)要求 通過(guò)本章教學(xué)使學(xué)生初步掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾種常用方法和步驟 能夠根據(jù)控制對(duì)象的控制要求制定合理的控制方案 確定經(jīng)濟(jì)合理的PLC機(jī)型 進(jìn)行PLC的外圍電路和程序的設(shè)計(jì) 第七章PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和步驟 7 1 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則 7 1 2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 7 2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 7 2 1I O點(diǎn)數(shù)的簡(jiǎn)化與擴(kuò)展 7 3 1經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 7 2 3PLC的外圍電路設(shè)計(jì) 7 3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 7 2 2PLC的選型及模塊選型 7 3 2繼電器接觸器控制線路轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)法 7 3 3邏輯設(shè)計(jì)方法 7 3 4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)法 7 4PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 7 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和步驟 7 1 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則 1 首先要滿足被控設(shè)備的全部控制要求 包括功能要求 性能要求 2 在滿足控制系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上 應(yīng)考慮實(shí)用性 經(jīng)濟(jì)性 可維護(hù)性 3 控制系統(tǒng)應(yīng)確?？刂圃O(shè)備性能的穩(wěn)定性及工作的安全性和可靠性 4 控制系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性 能滿足生產(chǎn)設(shè)備的改良和系統(tǒng)的升級(jí) 5 要注意控制系統(tǒng)輸入 輸出設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化原則和多供應(yīng)商原則 易于采購(gòu)和替換 6 易于操作 符合人機(jī)工程學(xué)的要求和用戶的操作習(xí)慣 7 1 2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 1 根據(jù)控制要求確定軟件硬件分工 1 控制的基本方式 2 需要完成的動(dòng)作 3 操作方式 4 確定軟件與硬件分工 2 確定用戶的輸入 輸出設(shè)備 1 根據(jù)控制要求 確定輸入設(shè)備 2 根據(jù)控制要求 確定輸出設(shè)備 3 根據(jù)用戶的輸入 輸出的設(shè)備數(shù)量 確定PLC的I O點(diǎn)數(shù) 3 硬件設(shè)計(jì) 1 選擇PLC的型號(hào) 2 建立PLC的輸入 輸出地址分配表 3 繪制輸入 輸出設(shè)備與PLC的連線圖 4 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 軟件設(shè)計(jì) 1 離線模擬調(diào)試 2 現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試 5 調(diào)試 6 編制控制系統(tǒng)技術(shù)文件 7 控制系統(tǒng)交付使用及用戶技術(shù)培訓(xùn) 7 2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 7 2 1I O點(diǎn)數(shù)的簡(jiǎn)化與擴(kuò)展 1 輸入點(diǎn)的簡(jiǎn)化 1 具有機(jī)上控制功能的操作開(kāi)關(guān)在PLC處并聯(lián)后再輸入到PLC 圖7 1并聯(lián)連接輸 a b a 兩開(kāi)關(guān)分別接入法 b 兩開(kāi)關(guān)并為一點(diǎn)的接法 2 同一輸入點(diǎn)分時(shí)使用 圖7 2自動(dòng) 手動(dòng)輸入切換與輸出擴(kuò)展 3 利用PLC的程序減少輸入點(diǎn) 圖7 2自動(dòng) 手動(dòng)輸入切換與輸出擴(kuò)展 a b a 三種控制方式的三點(diǎn)切換輸入 b 三種控制方式的兩點(diǎn)切換輸入 4 利用PLC內(nèi)部元件的功能減少輸入點(diǎn) 圖7 4只用一個(gè)輸入按鈕的起 保 ?？刂齐娐?7 2 2PLC的選型及模塊選型 1 PLC類型的選擇 1 內(nèi)存利用率 2 開(kāi)關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù) 3 模擬量輸入輸出總點(diǎn)數(shù) 4 程序編寫(xiě)水平 2 安裝形式的選擇 3 輸入 輸出點(diǎn)數(shù)的確定 4 PLC存儲(chǔ)容量的確定 5 實(shí)時(shí)響應(yīng)性 5 輸入接口電路形式的選擇 6 輸出接口電路形式的選擇 7 PLC供電方式的選擇 8 PLC擴(kuò)展模塊的選擇 7 2 3PLC的外圍電路設(shè)計(jì) 1 強(qiáng) 弱電信號(hào)設(shè)備分別配置 不可混在一個(gè)回路中 2 將輸入 輸出設(shè)備中的開(kāi)關(guān) 按鈕 電磁閥等 分別集中配置 同類型的輸入點(diǎn)可分在一個(gè)組內(nèi) 并盡量分在同一回路中 3 按PLC上的配置順序來(lái)給輸入 輸出編號(hào) 這樣會(huì)給編程及硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)方便 7 3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 7 3 1經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 例7 2 小車(chē)的左右行控制系統(tǒng) 如圖7 5所示 小車(chē)開(kāi)始時(shí)停在左限位開(kāi)關(guān)SQ1處 按下右行啟動(dòng)按鈕SB1 小車(chē)右行 到限位開(kāi)關(guān)SQ2處時(shí)停止運(yùn)動(dòng) 10S后定時(shí)器T0的定時(shí)到 小車(chē)自動(dòng)返回起始位置 設(shè)計(jì)小車(chē)左行和右行控制的梯形圖 圖7 5小車(chē)的左右行控制系統(tǒng)示意圖 解 小車(chē)的左行和右行控制的實(shí)質(zhì)是電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 因此可以在電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)PLC控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)出滿足要求的PLC的外部接線圖和梯形圖 如圖7 6和圖7 7所示 為了使小車(chē)向右的運(yùn)動(dòng)自動(dòng)停止 將右限位開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的X004的常閉觸點(diǎn)與控制右行的Y000的線圈串聯(lián) 為了在右端使小車(chē)暫停10S 用X004的常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)控制定時(shí)器T0的線圈 T0的定時(shí)時(shí)間到 則其常開(kāi)觸電閉合 給控制Y001的起保停電路提供啟動(dòng)信號(hào) 使Y001的線圈通電 小車(chē)自動(dòng)返回 小車(chē)離開(kāi)SQ2所在的位置后 X004的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi) T0被復(fù)位 回到SQ1所在位置時(shí) X003的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi) 使Y001的線圈斷電 小車(chē)停在起始位置 圖7 6小車(chē)的左行和右行控制的PLC的外部接線圖 圖7 7小車(chē)的左行和右行控制的PLC梯形圖 7 3 2繼電器接觸器控制線路轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)法 1 了解被控設(shè)備 1 可以轉(zhuǎn)換為PLC的外部接線圖中的輸入 輸出設(shè)備的繼電器電路中的元件 2 可以轉(zhuǎn)換為PLC的內(nèi)部梯形圖中的繼電器電路中的元件 2 兩種電路的元件和電路的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換 3 畫(huà)梯形圖 例 機(jī)床刀具主軸運(yùn)動(dòng) 圖7 8繼電器控制電路 圖7 9機(jī)床主軸PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖 圖7 10機(jī)床主軸PLC控制系統(tǒng)的梯形圖 7 3 3邏輯設(shè)計(jì)方法 1 明確控制任務(wù)和控制要求 2 繪制電控系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 3 電控系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì) 4 編制PLC程序 7 3 4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)法 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)法屬于順序控制設(shè)計(jì)法 三菱公司的FX系列PLC設(shè)置了專門(mén)用于順序控制的指令如步進(jìn)指令 STL 與步進(jìn)復(fù)位指令 RET 利用步進(jìn)指令并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖很容易設(shè)計(jì)出相應(yīng)的梯形圖 對(duì)于沒(méi)有順序控制專用指令的PLC 可用一般邏輯指令和移位寄存器來(lái)編順序控制程序 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)法就是根據(jù)生產(chǎn)工藝和工序所對(duì)應(yīng)的順序和時(shí)序?qū)⒖刂戚敵鰟澐譃槿舾蓚€(gè)時(shí)段 一個(gè)段又稱為一步 每一個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)設(shè)備運(yùn)作的一組動(dòng)作 動(dòng)作順序 動(dòng)作條件和轉(zhuǎn)移條件 該動(dòng)作完成后根據(jù)相應(yīng)的條件轉(zhuǎn)換到下一個(gè)時(shí)段完成后續(xù)動(dòng)作 并按系統(tǒng)的功能流程依次完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)法能清晰的反映系統(tǒng)的控制時(shí)序和邏輯關(guān)系 7 4PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 1 分析工藝過(guò)程 明確控制要求 1 了解設(shè)備概況 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和各部分動(dòng)作的示意圖如圖7 15所示 機(jī)械手所有的動(dòng)作均由液壓驅(qū)動(dòng) 它的上升與下降 左移與右移等動(dòng)作均由雙線圈雙位電磁閥控制 即當(dāng)下降電磁閥通電時(shí) 機(jī)械手下降 下降電磁閥斷電時(shí) 機(jī)械手停止下降 只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí) 機(jī)械手才上升 機(jī)械手的夾緊和放松用一個(gè)單線圈雙位電磁閥來(lái)控制 線圈通電時(shí)夾緊 線圈斷電時(shí)放松 圖7 15搬運(yùn)機(jī)械手工作時(shí)的動(dòng)作 2 分析機(jī)械手工作的工藝過(guò)程 機(jī)械手的動(dòng)作順序和檢測(cè)元件 執(zhí)行元件的布置示意圖如圖7 16所示 機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn) 按下起動(dòng)按鈕后 機(jī)械手將依次完成下降 夾緊 上升 在下降 放松 在上升 左移八個(gè)動(dòng)作 機(jī)械手的下降 上升 右移 左移等動(dòng)作的轉(zhuǎn)換 是由相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)來(lái)控制的 而夾緊 放松動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是由時(shí)間來(lái)控制的 為保證安全 機(jī)械手右移到位后 必須在右工作臺(tái)上無(wú)工件時(shí)才能下降 若上一次搬到右工作臺(tái)上工件尚未移走 機(jī)械手應(yīng)自動(dòng)暫時(shí)等待 為此設(shè)置了一只光電開(kāi)光 以檢測(cè) 無(wú)工件 信號(hào) 圖7 16搬運(yùn)機(jī)械手的動(dòng)作順序和檢測(cè)元件 執(zhí)行元件的布置示意圖 2 控制要求 手動(dòng)工作方式 利用按鈕對(duì)機(jī)械手每一動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制 例如 按 下降 按鈕 機(jī)械手下降 按 上升 按鈕 機(jī)械手上升 用手動(dòng)操作可以使機(jī)械手置于原位 還便于維修時(shí)機(jī)械手的調(diào)整 單步工作方式 從原點(diǎn)開(kāi)始 按照自動(dòng)工作循環(huán)的步序 每按一下起動(dòng)按鈕 機(jī)械手完成一步的動(dòng)作后自動(dòng)停止 單周期工作方式 按下起動(dòng)按鈕 從原點(diǎn)開(kāi)始 機(jī)械手按工序自動(dòng)完成一個(gè)周期的動(dòng)作 返回原點(diǎn)后停止 連續(xù)工作方式 按下起動(dòng)按鈕 機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作 直到按下停止按鈕 機(jī)械手自動(dòng)停機(jī) 或者將工作方式選擇開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到 單周期 工作方式 此時(shí)機(jī)械手在完成最后一個(gè)周期的工作后 返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī) 圖7 17操作臺(tái)面板布置示意圖 根據(jù)以上控制要求 操作臺(tái)面板布置示意圖如圖7 17 2 確定PLC的輸入輸出點(diǎn)數(shù)并選擇PLC 輸入信號(hào)是將機(jī)械手的工作狀態(tài)和操作的信息提供給PLC PLC的輸入信號(hào)共有17個(gè)輸入信號(hào)點(diǎn) 需占用17個(gè)輸入端子 具體分配如下 位置檢測(cè)信號(hào)有下限 上限 右限 左限共4個(gè)行程開(kāi)關(guān) 需要4個(gè)輸入端子 無(wú)工件 檢測(cè)信號(hào)采用光電開(kāi)關(guān)作檢測(cè)元件 需要1個(gè)輸入端子 工作方式 選擇開(kāi)關(guān)有手動(dòng) 單步 單周期 和連續(xù)4種工作方式 需要4個(gè)輸入端子 手動(dòng)操作時(shí) 需要有下降 上升 右移 左移 夾緊 放松6個(gè)按鈕 也需要6個(gè)輸入端子 自動(dòng)工作時(shí) 尚需起動(dòng)按鈕 停止按鈕 也需占2個(gè)輸入端子 以上共需17個(gè)輸入信號(hào)點(diǎn) 1 輸入信號(hào) PLC的輸出信號(hào)用來(lái)控制機(jī)械手的下降 上升 右移 左移和夾緊5個(gè)電磁閥線圈 需要5個(gè)輸出點(diǎn) 機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始工作 需要有1個(gè)原點(diǎn)指示燈 也要占用1個(gè)輸出點(diǎn) 所以 至少需要6個(gè)輸出信號(hào)點(diǎn) 如果功能上再無(wú)其他特殊要求 則有多種型號(hào)的PLC可選用 此處選用FX2N 48MR FX2N 48MR共有輸入24點(diǎn) 輸出24點(diǎn) 繼電器輸出 2 輸出信號(hào) 3 分配PLC的輸入 輸出端子 根據(jù)對(duì)機(jī)械手的輸入輸出信號(hào)的分析以及所選的外部輸入設(shè)備的類型及PLC的機(jī)型 分配PLC的輸入輸出端子如圖7 18所示 圖7 18輸入輸出端子的分配 4 PC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 為了便于編程 在設(shè)計(jì)軟件時(shí)常將手動(dòng)程序和自動(dòng)程序分別編出相對(duì)獨(dú)立的程序段 再用條件跳轉(zhuǎn)指令進(jìn)行選擇 搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7 19所示 當(dāng)選擇手動(dòng)工作方式 手動(dòng) 單步 時(shí) X007或者X010接通并跳過(guò)自動(dòng)程序而執(zhí)行手動(dòng)程序 當(dāng)選擇自動(dòng)工作方式 單周期 連續(xù) 時(shí) X007 X010斷開(kāi) 而X011或X012接通則跳過(guò)手動(dòng)程序而執(zhí)行自動(dòng)程序 由于工作方式選擇轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)采取了機(jī)械互鎖 因而此程序中手動(dòng)程序和自動(dòng)程序可采用互鎖 也可以不互鎖 圖7 19搬運(yùn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖 1 手動(dòng)程序 手動(dòng)操作不需要按工序順序動(dòng)作 所以可按普通繼電器程序來(lái)設(shè)計(jì) 手動(dòng)操作的梯形圖如圖7 20所示 手動(dòng)按鈕X013 X020分別控制下降 上升 右移 左移 夾緊 放松各個(gè)動(dòng)作 為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖 其中在左 右移動(dòng)的梯形圖中加入了X002作為上限聯(lián)鎖 因?yàn)闄C(jī)械手只有處于上限位置時(shí) 才允許左右移動(dòng) 由于夾緊 放松 動(dòng)作是用單線圈雙位電磁閥控制 故在梯形圖中用 置位 復(fù)位 指令 使之有保持功能 圖7 20手動(dòng)操作的梯形圖 2 自動(dòng)操作流程圖 由于自動(dòng)操作的動(dòng)作較復(fù)雜 可先畫(huà)自動(dòng)操作流程圖 如圖7 21所示 用以表明動(dòng)作的順序和轉(zhuǎn)換條件 然后再根據(jù)所采用的控制方法設(shè)計(jì)程序 矩形框表示 工步 相鄰兩工步用有向線段連接 表明轉(zhuǎn)換的方向 小橫線表示轉(zhuǎn)換的條件 若轉(zhuǎn)換條件得到滿足則程序從上一工步轉(zhuǎn)到下一工步 3 自動(dòng)程序設(shè)計(jì) 見(jiàn)書(shū) 圖7 21自動(dòng)操作流程圖 小結(jié) PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)根據(jù)控制對(duì)象的控制要求制定電控方案 選擇PLC機(jī)型 進(jìn)行PLC的外圍電氣電路設(shè)計(jì)以及PLC程序的設(shè)計(jì) 調(diào)試 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法有經(jīng)驗(yàn)法 繼電器電路轉(zhuǎn)換法 邏輯轉(zhuǎn)換法 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)法等 通過(guò)本章的學(xué)習(xí)應(yīng)掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾種常用方法和步驟 能夠根據(jù)控制對(duì)象的控制要求制定合理的控制方案 確定經(jīng)濟(jì)合理的PLC機(jī)型 進(jìn)行PLC的外圍電路和程序的設(shè)計(jì)