1、第8章PLC的工程应用8.1PLC控制系统设计简介8.2PLC控制系统硬件配置8.3PLC与输入/输出设备的连接8.4提高PLC控制系统可靠性的措施8.5减少I/O点数的措施8.6四工位组合机床的PLC控制系统8.1PLC控制系统设计简介8.1.1PLC控制系统的设计原则8.1.2PLC控制系统设计的步骤 在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和现场工程管理和技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运
2、行，是设计控制系统的重要原则。在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。不宜盲目追求自动化和高指标。适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。8.1.1PLC控制系统的设计原则1)充分发挥PLC的控制功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。2)在满足控制要求的前提下，力求使控制系统经济、简单，维修方便。3)保证控制系统安全可靠。4)考虑到生产发展和工艺的改进，在选用PLC时，在I/O点数和内存容量上适当留有余地。5)编制程序时要求程序结构清楚、可读性强，程序简短，占用内存少，扫描周
3、期短。详细分析被控对象的工艺过程及工作特点，了解被控对象机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，拟定设计任务书。根据系统的控制要求，确定系统所需的全部输入设备（如：按纽、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如：接触器、电磁阀、信号指示灯及其它执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。PLC选择包括对PLC的机型、容量、I/O模块、电源等的选择 分配I/O点：画出PLC的I/O点与输入/输出设备的连接图或对应关系表。PLC外围硬件线路：画出系统其它部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/
4、O连接图和PLC外围电气线路图组成系统的电气原理图。到此为止系统的硬件电气线路已经确定。程序设计：1）控制程序；2）初始化程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和连锁程序。模拟调试：根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调。联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备、再连接输出设备、再接上实际负载等逐步进行调试
5、。如不符合要求，则对硬件和程序作调整。通常只需修改部份程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。技术文件包括设计说明书、硬件原理图、安装接线图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。8.2PLC控制系统硬件配置8.2.1PLC选择8.2.2I/O模块的选择8.2.3电源模块及其他外设的选择 PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。选择时主要考虑以下几点：PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。安装方式有集中式、远程IO式以及多台PLC联网的分布式。对可
6、靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统 便于备品备件的采购和管理；有利于技术力量的培训和技术水平的提高，外部设备通用，资源可共享，易于联网通信。在满足控制要求的前提下力争使用的IO点最少。需要加上1015的裕量。存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25之多。在IO点数确定的基础上，按下式估算存储容量后，再加2030的裕量。存储容量存储容量(字节字节)开关量开关量I/O点数点数10 模拟量模拟量I/O通道数通道数100存储容量选择的同时，注意对存储器的类型的选择。8.2
7、.1PLC选择1.合理的结构形式2.安装方式的选择3.相应的功能要求4.响应速度要求5.系统可靠性的要求6.机型尽量统一7.PLC容量的选择6.机型尽量统一1)其模块可互为各用，便于备品备件的采购和管理。2)其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。3)其外部设备通用，资源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。1）输入信号的类型及电压等级）输入信号的类型及电压等级 有三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境。开关量输入模块
8、的有：直流5、12、24、48、60等；交流110、220等。一般5、12、24用于传输距离较近场合，如5输入模块最远不得超过米。距离较远的应选用输入电压等级较高的。2）输入接线方式）输入接线方式 主要有两种接线方式 3）注意同时接通的输入点数量）注意同时接通的输入点数量 对于选用高密度的输入模块(如32点、48点等)，应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60。4）输入门槛电平）输入门槛电平 门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远，具体可参阅PLC说明书。8.2.2I/O模块的选择1.开关量I/O模块的选择2.模拟量I/O模块的选择 1）输出方式）输出方式 开关量输出模块有三
9、种方式 ：价格便宜，可以驱动交、直流负载，适用的电压大小范围较宽、导通压降小，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用或，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。2）输出接线方式）输出接线方式 开关量输出模块主要有两种接线方式1.开关量I/O模块的选择(1)开关量输入模块的选择(2)开关量输出模块的选择 3）驱动能力）驱动能力 应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接
10、驱动，。4）注意同时接通的输出点数量）注意同时接通的输出点数量 一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60 5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关 与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。(1)开关量输入模块的选择1)输入信号的类型及电压等级。2)输入接线方式。3)注意同时接通的输入点数量。4)输入门槛电平。图8-2开关量输入模块的接线方式a)汇点式输入b)分组式输入(2)开关量输出模块的选择1)输出方式。2)输出接线方式。3)驱动能力。4)注意同时接通
11、的输出点数量。5)输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关。图8-3开关量输出模块的接线方式a)分组式输出b)分隔式输出2.模拟量I/O模块的选择(1)模拟量输入模块选择(2)模拟量输出模块选择 （A/D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换成PLC内部可接受的数字量；(D/A)模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。典型模拟量I/O模块的量程为等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）(1)模拟量输入模块选择1)模拟量值的输入范围。2)模拟量输入模块的参数指标。3)抗
12、干扰措施。8.2.3电源模块及其他外设的选择1.智能功能I/O模块的选择2.电源模块的选择3.编程器的选择4.写入器的选择8.3PLC与输入/输出设备的连接8.3.1PLC与常用输入设备的连接8.3.2PLC与常用输出设备的连接8.3.1PLC与常用输入设备的连接1.PLC与主令电器类设备的连接2.PLC与拨码开关的连接3.PLC与旋转编码器的连接4.PLC与传感器类设备的连接图8-4PLC与输入设备的连接图8-5一位拨码开关的示意图图8-64位拨码开关与PLC的连接图8-7旋转编码器与PLC的连接图8-8PLC与两线式传感器的连接8.3.2PLC与常用输出设备的连接1.PLC与输出设备的一般
13、连接方法2.PLC与感性输出设备的连接3.PLC与七段LED显示器的连接4.PLC与输出设备连接的其他注意事项图8-9PLC与输出设备的连接图8-10PLC与感性输出设备的连接图8-11PLC与两位七段LED显示器的连接4.PLC与输出设备连接的其他注意事项1)除了PLC输入和输出共用同一电源外，输入公共端与输出公共端一般不能接在一起。2)PLC的晶体管和晶闸管型输出都有较大的漏电流，尤其是晶闸管输出，将可能会出现输出设备的误动作。8.4提高PLC控制系统可靠性的措施8.4.1输入端的抗干扰措施8.4.2输出端的抗干扰措施8.4.3电源的抗干扰措施8.4.4系统接地的抗干扰措施8.4.5外部配
14、线的抗干扰措施8.4.6PLC的安装环境8.4.1输入端的抗干扰措施1.防输入信号干扰的措施2.防感应电压的措施3.光耦保护图8-12输入信号抗干扰措施a)交流输入b)直流输入2.防感应电压的措施1)输入信号线间的寄生电容CS1；2)输入信号线与其他线间的寄生电容CS2；3)与其他线，特别是大电流线的电气耦合M。图8-13感应电压的产生图8-14防输入感应电压干扰的措施图8-15光耦保护电路8.4.2输出端的抗干扰措施1)在感性负载的场合，PLC输出端的抗干扰措施如图8-10所示。2)在开关量输出的场合，不管是交流负载还是直流负载，可采取图8-16所示的抗干扰措施。3)用旁路电阻防错。图8-1
15、6开关负载的抗干扰措施a)交流的场合b)直流的场合图8-17增加AC-SSR的抗干扰措施图8-18用旁路电阻防错8.4.3电源的抗干扰措施1)在PLC电源的输入端加接隔离变压器，由隔离变压器的输出端直接向PLC供电，这样可抑制来自电网的干扰。2)在PLC电源的输入端加接低通滤波器，可滤去来自电网的高频干扰和谐波。图8-19电源滤波电路8.4.4系统接地的抗干扰措施1)PLC的接地极离PLC越近越好，即接地线越短越好。2)PLC输入、输出信号线采用屏蔽电缆时，其屏蔽层应采用一点接地，接地点应靠近PLC这一端，另一端不接地，如图8-21所示。3)接地线截面积应大于2mm2，长度一般不超过20m，接
16、地电阻一般应小于4。4)接地线应尽量避开强电回路和主回路的电线，不能避开时，应垂直相交，应尽量缩短走线长度。图8-20接地方法a)专用接地b)共用接地c)共通接地(错误)图8-21屏蔽电缆的接地8.4.5外部配线的抗干扰措施1)开关量信号不易受外界干扰，可用普通单根导线传输。2)数字脉冲信号频率较高，传输过程中易受外界干扰，应选用屏蔽电缆传输。3)模拟量信号是连续变化的信号，外界的各种干扰信号都会叠加在模拟信号上面造成干扰，因此要选用屏蔽电缆或带防护的双绞线。4)输入、输出信号线要与动力线分开。5)应尽量减小动力线与信号线平行敷设的长度，否则应增大两者的距离。6)PLC的输入、输出线最好单独敷
17、设在封闭的电缆槽架内(线槽外壳良好接地)。7)对于输入、输出信号在300m以上的长距离场合，建议用中间继电器转换信号或使用远程I/O控制。8.4.6PLC的安装环境1.环境条件对PLC的影响2.改善环境的措施1.环境条件对PLC的影响(1)温度的影响(2)湿度的影响(3)振动和冲击的影响(4)周围空气的影响2.改善环境的措施(1)防高温的措施(2)防低温的措施(3)湿度的措施(4)防振动和冲击的措施(5)防周围环境空气不洁的措施8.5减少I/O点数的措施8.5.1减少输入点数的措施8.5.2减少输出点数的措施8.5.1减少输入点数的措施1.分组输入2.矩阵输入3.组合输入4.合并输入5.某些输
18、入信号可设在PLC外部 将某些功能相同的开关量输入设备合并输入。如果是几个常闭触点，则串联输入；如果是几个常开触点，则并联输入。有些输入信号功能简单、涉及面很窄，有时就没有必要 作为PLC的输入，将它们放在 外部电路中同样可以满足要求。图8-22分组输入图8-23矩阵输入图8-24组合输入a)硬件连接图b)梯形图程序图8-25输入信号设在PLC外部8.5.2减少输出点数的措施1.矩阵输出2.分组输出3.并联输出4.输出设备多功能化5.某些输出设备可不进PLC图8-26矩阵输出图8-27分组输出6.5 提高PLC控制系统可靠性的措施 PLC具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的
19、环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高PLC系统运行的可靠性，应注意以下问题：通常PLC允许的环境温度约在055C。安装时不要把发热量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足够的通风散热空间；不要把PLC安装在阳光直接照射或离暖气、加热器、大功率电源等发热器件很近的场所；安装PLC的控制柜最好有通风的百叶窗，如果控制柜温度太高，应该在柜内安装风扇强迫通风。PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于85，以保证PLC的绝缘性能。湿度太大也会影响模拟量输入/输出装置的精度。因此，不能将PLC安装在结露、雨淋的场所 不宜把PLC安装
20、在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐烛性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。远离有强烈振动和冲击场所，尤其是连续、频繁的振动。必要时可以采取相应措施来减轻振动和冲击的影响。PLC应远离强干扰源，如大功率晶闸管装置、高频设备和大型动力设备等，同时PLC还应该远离强电磁场和强放射源，以及易产生强静电的地方。PLC的IO电路都具有滤波、隔离功能，所以对外部电源要求不高 内部电源的性能好坏直接影响到PLC的可靠性，对其要求较高 在干扰较强或可靠性要求较高的场合，应该用，对PLC系统供电。还可以在隔离变压器二次侧。同时，在安装时还应注意以下问题：1）隔离
21、变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线连接，以抑制串模干扰；2）系统的动力线应足够粗，以降低大容量设备起动时引起的线路压降；3）PLC输入电路用外接直流电源时，最好采用稳压电源，以保证正确的输入信号。否则可能使PLC接收到错误的信号。PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装，更不能与高压电器安装在同一个控制柜内。在柜内PLC应远离高压电源线，二者间距离应大于200mm。1)I/O线、动力线及控制线应分开走线，尽量不要在同一线槽中。2)交流线与直流线、输入线与输出线最好分开走线。3)开关量与模拟量的/线最好分开走线，传送模拟量信号的/线最好用屏蔽线，且屏蔽线的屏敝层应一端接地。4)PLC的
22、基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号小、频率高，很容易受干扰，不能与其它的连线敷埋在同一线槽内。5）PLC的I/O回路配线，必须使用压接端子或单股线。6)与PLC安装在同一控制柜内的感性元件，最好有消弧电路。8.6四工位组合机床的PLC控制系统8.6.1系统概述8.6.2系统设计8.6.2系统设计1.I/O地址分配2.软件设计表8-1输入/输出信号地址分配表输入输出功能地址功能地址功能地址功能地址回原点X0快转工X24动力头快速Y20手动X1终点X25铣端面Y0扩孔半自动X2过载X26钻孔Y1向前Y21全自动X3点动X27扩孔Y2向后Y22夹紧X4钻孔动力头攻螺纹Y3快速Y23松开X5原位X3
23、0退刀Y4攻螺纹进料X6已快进X31上料进Y5攻螺纹Y24放料X7已工进X32上料退Y6快退Y25润滑压力X10点动X33下料进Y7总停X11扩孔动力头下料退Y10起动X12原位X34夹紧机构润滑电动机Y26预停X13已快进X35夹紧Y11冷却电动机Y27紧急停止X14已工进X36松开Y12蜂鸣器Y30冷却泵开X15点动X37铣端面冷却泵停X16攻丝动力头向前Y13上料原位X17原位X40向后Y14上料终点X20已快进X41快速Y15下料原位X2l已攻螺纹X42钻孔下料终点X22已退丝X43向前Y16铣端面动力头点动X44向后Y17原位X232.软件设计(1)预停功能(2)超节拍保护图8-28程序总体结构图图8-30两个工位的状态流程图图8-31冲床示意图图8-32钻床控制系统的功能图
