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第七章PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計 教學提示 PLC的控制系統(tǒng)是由PLC作為控制器來構(gòu)成的電氣控制系統(tǒng) PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計就是設(shè)計根據(jù)控制對象的控制要求制定電控方案 選擇PLC機型 進行PLC的外圍電氣電路設(shè)計以及PLC程序的設(shè)計 調(diào)試 要完成好PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù) 除掌握必要的電氣設(shè)計基礎(chǔ)知識外 還必須經(jīng)過反復(fù)實踐 深入生產(chǎn)現(xiàn)場 將不斷積累的經(jīng)驗應(yīng)用到設(shè)計中來 教學要求 通過本章教學使學生初步掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的幾種常用方法和步驟 能夠根據(jù)控制對象的控制要求制定合理的控制方案 確定經(jīng)濟合理的PLC機型 進行PLC的外圍電路和程序的設(shè)計 第七章PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計 7 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則和步驟 7 1 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則 7 1 2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 7 2PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 7 2 1I O點數(shù)的簡化與擴展 7 3 1經(jīng)驗設(shè)計法 7 2 3PLC的外圍電路設(shè)計 7 3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 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)計法 7 3 3邏輯設(shè)計方法 7 3 4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法 7 4PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計實例 7 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計原則和步驟 7 1 1PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則 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)考慮實用性 經(jīng)濟性 可維護性 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)具有可擴展性 能滿足生產(chǎn)設(shè)備的改良和系統(tǒng)的升級 5 要注意控制系統(tǒng)輸入 輸出設(shè)備的標準化原則和多供應(yīng)商原則 易于采購和替換 6 易于操作 符合人機工程學的要求和用戶的操作習慣 7 1 2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟 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點數(shù) 3 硬件設(shè)計 1 選擇PLC的型號 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 4 軟件設(shè)計 1 離線模擬調(diào)試 2 現(xiàn)場聯(lián)機調(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 7 2 1I O點數(shù)的簡化與擴展 1 輸入點的簡化 1 具有機上控制功能的操作開關(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 兩開關(guān)分別接入法 b 兩開關(guān)并為一點的接法 2 同一輸入點分時使用 圖7 2自動 手動輸入切換與輸出擴展 3 利用PLC的程序減少輸入點 圖7 2自動 手動輸入切換與輸出擴展 a b a 三種控制方式的三點切換輸入 b 三種控制方式的兩點切換輸入 4 利用PLC內(nèi)部元件的功能減少輸入點 圖7 4只用一個輸入按鈕的起 保 停控制電路 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 開關(guān)量輸入輸出點數(shù) 3 模擬量輸入輸出總點數(shù) 4 程序編寫水平 2 安裝形式的選擇 3 輸入 輸出點數(shù)的確定 4 PLC存儲容量的確定 5 實時響應(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擴展模塊的選擇 7 2 3PLC的外圍電路設(shè)計 1 強 弱電信號設(shè)備分別配置 不可混在一個回路中 2 將輸入 輸出設(shè)備中的開關(guān) 按鈕 電磁閥等 分別集中配置 同類型的輸入點可分在一個組內(nèi) 并盡量分在同一回路中 3 按PLC上的配置順序來給輸入 輸出編號 這樣會給編程及硬件設(shè)計帶來方便 7 3PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 7 3 1經(jīng)驗設(shè)計法 例7 2 小車的左右行控制系統(tǒng) 如圖7 5所示 小車開始時停在左限位開關(guān)SQ1處 按下右行啟動按鈕SB1 小車右行 到限位開關(guān)SQ2處時停止運動 10S后定時器T0的定時到 小車自動返回起始位置 設(shè)計小車左行和右行控制的梯形圖 圖7 5小車的左右行控制系統(tǒng)示意圖 解 小車的左行和右行控制的實質(zhì)是電機的正反轉(zhuǎn)控制 因此可以在電動機正反轉(zhuǎn)PLC控制設(shè)計的基礎(chǔ)上 設(shè)計出滿足要求的PLC的外部接線圖和梯形圖 如圖7 6和圖7 7所示 為了使小車向右的運動自動停止 將右限位開關(guān)對應(yīng)的X004的常閉觸點與控制右行的Y000的線圈串聯(lián) 為了在右端使小車暫停10S 用X004的常開觸點來控制定時器T0的線圈 T0的定時時間到 則其常開觸電閉合 給控制Y001的起保停電路提供啟動信號 使Y001的線圈通電 小車自動返回 小車離開SQ2所在的位置后 X004的常開觸點斷開 T0被復(fù)位 回到SQ1所在位置時 X003的常閉觸點斷開 使Y001的線圈斷電 小車停在起始位置 圖7 6小車的左行和右行控制的PLC的外部接線圖 圖7 7小車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應(yīng)轉(zhuǎn)換 3 畫梯形圖 例 機床刀具主軸運動 圖7 8繼電器控制電路 圖7 9機床主軸PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖 圖7 10機床主軸PLC控制系統(tǒng)的梯形圖 7 3 3邏輯設(shè)計方法 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 4 編制PLC程序 7 3 4狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法屬于順序控制設(shè)計法 三菱公司的FX系列PLC設(shè)置了專門用于順序控制的指令如步進指令 STL 與步進復(fù)位指令 RET 利用步進指令并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖很容易設(shè)計出相應(yīng)的梯形圖 對于沒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編順序控制程序 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法就是根據(jù)生產(chǎn)工藝和工序所對應(yīng)的順序和時序?qū)⒖刂戚敵鰟澐譃槿舾蓚€時段 一個段又稱為一步 每一個時段對應(yīng)設(shè)備運作的一組動作 動作順序 動作條件和轉(zhuǎn)移條件 該動作完成后根據(jù)相應(yīng)的條件轉(zhuǎn)換到下一個時段完成后續(xù)動作 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)計法能清晰的反映系統(tǒng)的控制時序和邏輯關(guān)系 7 4PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計實例 1 分析工藝過程 明確控制要求 1 了解設(shè)備概況 機械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作的示意圖如圖7 15所示 機械手所有的動作均由液壓驅(qū)動 它的上升與下降 左移與右移等動作均由雙線圈雙位電磁閥控制 即當下降電磁閥通電時 機械手下降 下降電磁閥斷電時 機械手停止下降 只有當上升電磁閥通電時 機械手才上升 機械手的夾緊和放松用一個單線圈雙位電磁閥來控制 線圈通電時夾緊 線圈斷電時放松 圖7 15搬運機械手工作時的動作 2 分析機械手工作的工藝過程 機械手的動作順序和檢測元件 執(zhí)行元件的布置示意圖如圖7 16所示 機械手的初始位置停在原點 按下起動按鈕后 機械手將依次完成下降 夾緊 上升 在下降 放松 在上升 左移八個動作 機械手的下降 上升 右移 左移等動作的轉(zhuǎn)換 是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的 而夾緊 放松動作的轉(zhuǎn)換是由時間來控制的 為保證安全 機械手右移到位后 必須在右工作臺上無工件時才能下降 若上一次搬到右工作臺上工件尚未移走 機械手應(yīng)自動暫時等待 為此設(shè)置了一只光電開光 以檢測 無工件 信號 圖7 16搬運機械手的動作順序和檢測元件 執(zhí)行元件的布置示意圖 2 控制要求 手動工作方式 利用按鈕對機械手每一動作單獨進行控制 例如 按 下降 按鈕 機械手下降 按 上升 按鈕 機械手上升 用手動操作可以使機械手置于原位 還便于維修時機械手的調(diào)整 單步工作方式 從原點開始 按照自動工作循環(huán)的步序 每按一下起動按鈕 機械手完成一步的動作后自動停止 單周期工作方式 按下起動按鈕 從原點開始 機械手按工序自動完成一個周期的動作 返回原點后停止 連續(xù)工作方式 按下起動按鈕 機械手從原點開始按工序自動反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作 直到按下停止按鈕 機械手自動停機 或者將工作方式選擇開關(guān)轉(zhuǎn)換到 單周期 工作方式 此時機械手在完成最后一個周期的工作后 返回原點自動停機 圖7 17操作臺面板布置示意圖 根據(jù)以上控制要求 操作臺面板布置示意圖如圖7 17 2 確定PLC的輸入輸出點數(shù)并選擇PLC 輸入信號是將機械手的工作狀態(tài)和操作的信息提供給PLC PLC的輸入信號共有17個輸入信號點 需占用17個輸入端子 具體分配如下 位置檢測信號有下限 上限 右限 左限共4個行程開關(guān) 需要4個輸入端子 無工件 檢測信號采用光電開關(guān)作檢測元件 需要1個輸入端子 工作方式 選擇開關(guān)有手動 單步 單周期 和連續(xù)4種工作方式 需要4個輸入端子 手動操作時 需要有下降 上升 右移 左移 夾緊 放松6個按鈕 也需要6個輸入端子 自動工作時 尚需起動按鈕 停止按鈕 也需占2個輸入端子 以上共需17個輸入信號點 1 輸入信號 PLC的輸出信號用來控制機械手的下降 上升 右移 左移和夾緊5個電磁閥線圈 需要5個輸出點 機械手從原點開始工作 需要有1個原點指示燈 也要占用1個輸出點 所以 至少需要6個輸出信號點 如果功能上再無其他特殊要求 則有多種型號的PLC可選用 此處選用FX2N 48MR FX2N 48MR共有輸入24點 輸出24點 繼電器輸出 2 輸出信號 3 分配PLC的輸入 輸出端子 根據(jù)對機械手的輸入輸出信號的分析以及所選的外部輸入設(shè)備的類型及PLC的機型 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 為了便于編程 在設(shè)計軟件時常將手動程序和自動程序分別編出相對獨立的程序段 再用條件跳轉(zhuǎn)指令進行選擇 搬運機械手的控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7 19所示 當選擇手動工作方式 手動 單步 時 X007或者X010接通并跳過自動程序而執(zhí)行手動程序 當選擇自動工作方式 單周期 連續(xù) 時 X007 X010斷開 而X011或X012接通則跳過手動程序而執(zhí)行自動程序 由于工作方式選擇轉(zhuǎn)換開關(guān)采取了機械互鎖 因而此程序中手動程序和自動程序可采用互鎖 也可以不互鎖 圖7 19搬運機械手的控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)框圖 1 手動程序 手動操作不需要按工序順序動作 所以可按普通繼電器程序來設(shè)計 手動操作的梯形圖如圖7 20所示 手動按鈕X013 X020分別控制下降 上升 右移 左移 夾緊 放松各個動作 為了保證系統(tǒng)的安全運行設(shè)置了一些必要的聯(lián)鎖 其中在左 右移動的梯形圖中加入了X002作為上限聯(lián)鎖 因為機械手只有處于上限位置時 才允許左右移動 由于夾緊 放松 動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手動操作的梯形圖 2 自動操作流程圖 由于自動操作的動作較復(fù)雜 可先畫自動操作流程圖 如圖7 21所示 用以表明動作的順序和轉(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 自動程序設(shè)計 見書 圖7 21自動操作流程圖 小結(jié) PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計就是設(shè)計根據(jù)控制對象的控制要求制定電控方案 選擇PLC機型 進行PLC的外圍電氣電路設(shè)計以及PLC程序的設(shè)計 調(diào)試 PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計方法有經(jīng)驗法 繼電器電路轉(zhuǎn)換法 邏輯轉(zhuǎn)換法 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計法等 通過本章的學習應(yīng)掌握PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的幾種常用方法和步驟 能夠根據(jù)控制對象的控制要求制定合理的控制方案 確定經(jīng)濟合理的PLC機型 進行PLC的外圍電路和程序的設(shè)計