第8章

可編程序控制器在電氣控制系統中的應用可編程序控制器不僅廣泛地應用在各種工業部門，而且擴展到了樓宇自動化、家庭自動化、商業、公用事業、測試設備和農業等各個領域。8.1可編程序控制器控制系統

設計的基本步驟8.1.1被控系統的分析對被控系統進行調查研究，搜集、分析一切與被控對象相關的工藝、機械和電氣等方面的資料。明確實現系統控制各種功能和要求。

功能和要求被控系統應用的環境，系統機械、液壓、電氣和儀表等組成設備各自的作用和相互的關系；系統機械和電氣等部件實現具體功能的動作順序、動作條件、驅動要求（如驅動電壓、電流等）和保護措施等；被控對象的參數（如壓力、溫度等）；系統采用的操作方式（手動、半自動、自動、連續、單步等）；人機接口和監控的方式。PLC在系統中的控制作用PLC在系統中需要實現的具體控制作用；PLC實現控制功能所需的接口信號（哪些信號應從受控對象輸入到PLC，哪些信號需從PLC輸出到受控對象；信號是開關量還是模擬量；信號的數量；PLC與計算機等外部設備的相互關系等。8.1.2可編程序控制器系統的

硬件設計保證系統的可靠性；保證完成控制功能；添加自檢、報警等功能，使系統功能更為完善；考慮系統的性價比、先進性、可擴展性等因素。選擇PLC的輸入、輸出元件選擇合適的輸入元件對系統的控制命令和被控制對象的參數等信號進行采集。例如，按鈕、行程開關、撥碼開關、光電管開關、傳感器和變送器等。選擇輸出元件以驅動受控對象和指示設備等進行工作。例如，繼電器線圈、電磁閥線圈、抱閘、風機、指示燈等。2.選擇PLC型號及其硬件配置根據被控對象對控制系統要求的復雜程度、控制精度、存儲器容量、I/O點數、電氣性能指標及特殊功能等因素進行選擇。PLC的擴展模塊（I/O模塊和專用功能模塊）的型號、數量等硬件配置則根據PLC輸入、輸出量的類型和數量以及特殊功能要求進行選擇。注意I/O的驅動能力；硬件配置上需要保證一定的冗余，便于控制系統的調整和擴展，但要注意系統的性價比，避免大材小用。例如，接口模塊在滿足輸入信號采集和輸出驅動的情況下，還需要保留一些空閑的點數備用。3.分配輸入、輸出點給各種輸入、輸出（I/O）信號分配接口模塊的接線端子，從而也明確輸入、輸出繼電器的元件號（元件號與它們對應的I/O信號所接的接線端子編號一致）。列出I/O信號表，標明各信號的名稱、代號和分配的元件號。4.外設的選擇根據功能的要求，選擇PLC的其他外部設備。例如，打印機、編程器等。5.畫出硬件接線圖畫出PLC的外部硬件接線圖以及其他電氣部分原理圖、接線圖和安裝圖紙等。8.1.3可編程序控制器系統

的軟件設計主要包括：參數表的定義繪制程序框圖程序的編寫調試編寫程序說明書8.1.4現場安裝、調試通常先調試各個功能模塊，最后進行系統整體調試。對調試中出現的問題，通過修改程序，調整硬件接線，甚至重新選擇部分元件等手段進行解決，從而最終實現系統的整體控制要求。8.1.5編寫技術文檔根據整個設計的要求和實現過程，整理出完整的技術文檔，便于系統的維修和改造。技術文檔主要包括：使用說服書電氣原理圖元件明細表程序清單PLC的編程元件參數表等。8.2可編程序控制器

在電機控制中的應用鼠籠式電動機Y-D降壓起動控制Y-D降壓起動控制，要求在起動時電動機采用Y形接法，經過一段延時，當電動機的轉速上升到一定值時，再將其換成D接法。PLC控制的Y-D降壓起動系統

的控制電路接線圖

元件分配表輸入元件元件號輸出元件元件號輔助元件元件號起動按鈕SB1I0.0主電路線圈KM1Q0.1定時器：定時5秒T37停止按鈕SB2I0.1Y形啟動線圈KM2Q0.2D形運行線圈KM3Q0.3采用順序功能圖法設計的梯形圖程序

8.2.2異步電動機的調速1.調速方法改變轉差率s調速的方法改變磁極對數p的變極調速改變供電電源的頻率f1的變頻調速2.基于PLC的變頻調速（1）變頻器變頻調速需要采用專門的變頻設備。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它主要采用交－直－交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、濾波、逆變和控制4個部分組成。變頻器的控制方式V/F=常數的正弦脈寬調制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉矩控制矩陣式交－交控制方式V/F=常數的正弦脈寬調制特點：控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業的各個領域得到廣泛應用。這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態轉矩能力和靜態調速性能都還不盡如人意，且系統性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。電壓空間矢量控制方式以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環，可以提高動態的精度和穩定度。但控制電路環節較多，且沒有引入轉矩的調節，所以系統性能沒有得到根本改善。矢量控制方式矢量控制變頻調速是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流通過三相－二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。直接轉矩控制方式直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。矩陣式交－交控制方式該方式省去了中間直流環節，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統的功率密度大。該技術的實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。（2）PLC＋變頻器的調速方案PLC對變頻器通常采用兩種方式進行控制：開關量＋模擬量方式串口通訊方式開關量＋模擬量方式利用PLC的開關量和模擬量接口模塊與變頻器相聯，按照變頻器的工作方式產生相應的控制信號，控制變頻器的輸出頻率。串口通訊方式利用RS-232或RS-485串口，只需一根雙芯屏蔽電纜就可更改控制功能，通過串行接口設置和修改變頻器的參數還可以連續對變頻器的特性進行監視和控制。8.2.3步進電機的控制步進電動機：是一種用電脈沖信號進行控制的同步電動機，它將輸入電脈沖信號轉換成直線位移或角位移，其位移量與脈沖的個數成正比，線速度或轉速與脈沖的頻率成正比，通過改變脈沖的順序來改變電機的轉向。借助于PLC的集成脈沖輸出，通過控制步進電機來實現相對的位置控制。PLC控制步進電機基本結構圖

8.3可編程序控制器在機床控制系統中的應用8.3.1車床控制1.硬件接線圖2.元件分配表

輸入元件元件號輸出元件元件號輔助元件元件號M1停止按鈕SB1I0.0線圈KM1Q0.0定時器：10秒T37M1點動按鈕SB2I0.1線圈KM2Q0.1定時器：10秒T38M1正向起動按鈕SB3I0.2線圈KM3Q0.2位存儲器M0.1M1反向起動按鈕SB4I0.3線圈KM4Q0.3位存儲器M0.2M2停止按鈕SB5I0.4線圈KM5Q0.4位存儲器M0.3M2起動按鈕SB6I0.5線圈KAQ1.0位存儲器M0.4速度繼電器KSF觸頭I0.6速度繼電器KSR觸頭I0.7行程開關SQI1.03.梯形圖程序設計8.3.2銑、鏜床控制采取基于PLC的C650臥式車床控制設計的思路，在不改變主電路的基礎上，對XA6132銑床和T68鏜床的電氣控制電路進行調整，采用西門子的CPU226進行控制。XA6132銑床輸入、輸出元件分配表輸入元件元件號輸出元件元件號主軸電機M2控制：主軸電機M2方向選擇開關SA4I0.0正轉線圈KM1Q0.4M2停止按鈕SB1I0.1反轉線圈KM2Q0.5M2停止按鈕SB2I0.2M2中間繼電器線圈KA1Q0.6M2起動按鈕SB3I0.3制動電磁摩擦離合器線圈YBQ0.0M2起動按鈕SB4I0.4主軸變速行程開關SQ5I0.5

輸入元件元件號輸出元件元件號工作臺進給控制：轉換開關SA3I0.6左/前/下向進給線圈KM3Q0.7行程開關SQ1I0.7右/后/上向進給線圈KM4Q1.0行程開關SQ2I1.0中間繼電器KA2Q1.1行程開關SQ3I1.1進給離合器YC1Q0.1行程開關SQ4I1.2快移離合器YC2Q0.2快速移動按鈕SB5I1.3快速移動按鈕SB6I1.4變速沖動行程開關SQ6I1.5其它控制：冷卻泵旋轉式轉換開關SA1I1.6冷卻泵中間繼電器線圈KA3Q1.2主軸上刀制動開關SA2I1.7T68鏜床輸入、輸出元件分配表

輸入元件元件號輸出元件元件號主電機M1控制：正向點動按鈕SB3I0.0正轉線圈KM1Q0.0反向點動按鈕SB4I0.1反轉線圈KM2Q0.1高/低速正向控制按鈕SB2I0.2三角形連接線圈KM3Q0.2高/低速反向控制按鈕SB5I0.3中間繼電器KAQ0.3高低速轉換限位開關SQ1I0.4制動電磁摩擦離合器線圈YBQ0.4停止按鈕SB1I0.5高速轉動控制線圈KM4Q0.5變速沖動控制限位開關SQ2I0.6高速轉動控制KM5線圈Q0.6M2快速移動控制：正轉限位開關SQ5I0.7正轉線圈KM6Q0.7反轉限位開關SQ6I1.0反轉線圈KM7Q1.0注意XA6132銑床和T68鏜床的PLC控制電路中，各種輸入、輸出量均為開關量，可直接接到PLC的開關量I/O口上。XA6132銑床的控制電路中有直流和交流元件，在PLC輸出端要分開連接；T68鏜床的兩個限位開關SQ3和SQ4直接串聯在PLC輸出模塊的電源和公共端COM間，實現主軸箱、工作臺與主軸機動進給的互鎖功能。8.4可編程序控制器在工業控制系統中的應用8.4.1機械手控制機械手是模擬人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動搬運、抓舉和裝配等操作。它可將操作人員從繁重、單調、重復的體力勞動中解放出來，極大地提高生產的自動化水平和勞動生產率，保證產品質量和實現安全生產，特別是在高溫、危險、有害的惡劣環境中。機械手的組成和結構機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置所組成。執行機構為機械手的主體部分，主要包括手部、手腕、手臂、立柱、行走機構和機座等。驅動系統是驅動執行機構運動的傳動裝置，常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等。控制系統是機械手的核心部分，它支配機械手按規定的程序運行，記憶給予機械手的指令信息，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時，對機械手的動作進行監視；位置檢測裝置主要用于控制機械手的運動位置，并隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，與設定的位置進行比較，再通過控制系統進行調整，以達到所需的精度控制。機械手動作原理圖控制要求機械手將A處的工件搬運到B處的操作過程圖機械手共有6個動作：上升/下降；左行/右行；夾緊/放松。機械手的動作由汽缸驅動；汽缸由相應的電磁閥進行控制。說明上升/下降、左行/右行4個動作——分別由單獨的電磁閥控制；夾緊/放松動作——由一個電磁閥控制。電磁閥線圈通電，機械手夾緊；反之，機械手放松。各個動作的起動和停止由相應的按鈕和限位開關進行控制。機械手的操作方式手動；自動。自動操作方式分為：步進、單周期和連續操作。機械手的操作方式通過按鈕進行選擇。手動操作利用按鈕操作對機械手的每一步運動進行單獨控制。步進操作方式下，每按一次起動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止；單周期操作是在按下起動按鈕后，機械手自動完成一個搬運周期后停止；連續操作為按下起動按鈕后，機械手自動不間斷的重復完成搬運工作，直到按下停止按鈕，機械手完成當次搬運，回到原位自動停止。自動操作方式2.系統設計系統采用西門子的CPU226構成PLC控制電路。機械手控制系統共使用了15個輸入點，各輸入元件均采用其常開觸點與PLC相連；輸出點除驅動5個電磁閥外，還設置了一些指示燈。例如：操作方式指示燈，當這4個指示燈均不點亮時，為停止狀態。元件分配表

輸入元件元件號輸出元件元件號手動操作選擇按鈕SB1I0.0上升電磁閥YV1Q0.0步進操作選擇按鈕SB2I0.1下降電磁閥YV2Q0.1單周期操作選擇按鈕SB3I0.2左行電磁閥YV3Q0.2連續操作選擇按鈕SB4I0.3右行電磁閥YV4Q0.3起動按鈕SB5I0.4夾緊電磁閥YV5Q0.4停止按鈕SB6I0.5手動操作指示燈Q1.0上升按鈕（手動）SB7I0.6步進操作指示燈Q1.1下降按鈕（手動）SB8I0.7單周期操作指示燈Q1.2左行按鈕（手動）SB9I1.0連續操作指示燈Q1.3右行按鈕（手動）SB10I1.1原點指示Q1.4夾緊（手動）開關QS1I1.2上限位開關SQ1I1.3下限位開關SQ2I1.4左限位開關SQ3I1.5右限位開關SQ4I1.63.程序設計主程序手動操作子程序

連續操作子程序

8.4.2模擬量采集在生產、生活的各種領域中，通常需要對溫度、壓力、流量、重量等連續變化的模擬量進行處理和控制。PLC利用模擬量I/O模塊，實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換和D/A轉換。在生產中，溫度是最常見的一種模擬量信號，PLC廠商專門生產了相應的熱電阻、熱電偶模塊。系統構成溫度采集系統由CPU224、模擬量擴展模塊EM235和PT100溫度傳感器構成。EM235的A輸入端采集PT100的端電壓信號。將A端的量程設為0～10V的單極性電壓。其它未使用的三個模塊量輸入端（B+/B-，C+/C-和D+/D-）短路。PT100——鉑電阻溫度傳感器，適用于測量-60oC到400oC之間的溫度。在0oC時的電阻值為100Ω，隨著溫度的變化，電阻呈線性變化，約為0.4Ω/oC。EM235——是西門子公司生產的輸出模擬量擴展模塊（4路模擬量輸入和2路模擬量輸出），具有12位的分辨率和多種輸入/輸出范圍，能夠不用外加放大器而與傳感器和執行器直接相連。EM235通過總線連接電纜與CPU互相連接，并利用CPU的24V直流給EM235供電。說明為了把PT100的隨溫度變化的電阻轉換成電壓，EM235的模擬量輸出端Io輸出12.5mA恒電流（設置AQW0＝20000）供給PT100傳感器。在A+/A-端產生5mV/oC的線性輸入電壓。EM235把這個電壓轉換成數字量，通過程序周期性的讀這些數字量，并利用公式計算出溫度值：T＝（溫度數字量－偏置量oC）/1oC數字量oC偏置量是在oC時測量出來的數字量。采集到的溫度數字量被存儲在AIW0中；由于10V對應的數字量為32000在oC時，PT端電壓的值為：4000（100Ω×0.0125A×32000/10V）1oC數字量——溫度每升高1oC的數字量，其值為16（0.005V×32000/10V）。程序設計特殊標志位存儲器SM0.1只在首次掃描時為1，用于引導程序的初始化。程序通過傳送指令MOVW將1oC數字量16存儲在VW100中，將oC偏置量4000存儲在VW102中，同時還將20000寫入AQW0，使EM235產生12.5mA輸出；通過MOVD將VD100雙字清零，用于存儲溫度計算中除法的結果。梯形圖程序

如果模擬信號直接來源于電壓或電流變送器8.4.3PLC在樓宇自動化和家用電器中的應用由于PLC優良的性能特點，其應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業、樓宇自動化、家庭自動化、商業、公用事業、測試設備和農業等各個領域。高塔供水（1）控制要求以某生活小區供水為例，生活水塔高50米，由泵站中額定電壓為380V的三臺水泵為其供水。水塔內正常水位的控制由安裝在水箱內的上、下液位開關進行檢測，設定水位的變化為2米。水位的檢測也可采用液位繼電器、液位變送器等液位測量儀器。水泵電機控制要求：電機額定運行時定子繞組為D連接，采用Y-D降壓起動，降壓起動到全壓運行的轉換時間為5秒。三臺電機需要錯開時間起動，一臺電機全壓運行10秒后，下一臺電機才能開始起動。電機有過載保護。采用手動和自動兩種工作方式。手動方式是由操作者分別起動每臺水泵機組；自動方式下，水泵的起、停控制由液位開關自動控制。正常情況下，兩臺水泵機組運行一臺備用，為防止備用泵的長期閑置，操作臺上用按鈕任意切換。任一臺電機出現故障，備用機應立即投入運行。控制臺上應能對水泵的狀態及液位等信號進行顯示。 （2）系統設計M1～M3為水泵電機，每臺電機用3個接觸器分別控制電源、Y起動和D運行；FR1～FR3為三臺電機過載保護的熱繼電器。系統采用在水泵出口處設置壓力繼電器SP1～SP3的手段，檢測電機是否工作正常。主電路

元件分配表

輸入元件元件號輸出元件元件號1M備用按鈕SB1I0.0KM1線圈Q0.02M備用按鈕SB2I0.1KM2線圈Q0.13M備用按鈕SB3I0.2KM3線圈Q0.21M手動起動按鈕SB4I0.3KM4線圈Q0.32M手動起動按鈕SB5I0.4KM5線圈Q0.43M手動起動按鈕SB6I0.5KM6線圈Q0.5選擇開關：手動方式I0.6KM7線圈Q0.6選擇開關：自動方式I0.7KM8線圈Q0.7輸入元件元件號輸出元件元件號1M熱繼電器觸點I1.0KM9線圈Q2.02M熱繼電器觸點I1.11＃備用指示燈Q1.03M熱繼電器觸點I1.22＃備用指示燈Q1.1水位上限液位開關Q1I1.33＃備用指示燈Q1.2水位上限液位開關Q2I1.4水位上限報警燈Q1.3壓力繼電器SP1I1.5水位下限報警燈Q1.4壓力繼電器SP2I1.61＃故障指示燈Q1.5壓力繼電器SP3I1.72＃故障指示燈Q1.61＃泵停止按鈕SB7I2.03＃故障指示燈Q1.72＃泵停止按鈕SB8I2.13＃泵停止按鈕SB9I2.2總停止按鈕SB0I2.3（3）程序設計1）備用機組選擇及水泵機組的起動PLC首次啟動時，首先選擇備用機組；在運行過程中，也可通過按鈕改變備用機組。在自動工作方式下，水泵機組采用聯動方式。根據選擇的備用機組，首先起動備用機組的后一臺機組。例如，如果選擇了2＃機組備用，則在水箱內水位過低造成下液位開關動作時，首先起動3＃機組。PLC接通線圈KM8選擇Y形連接，然后接通線圈KM7接通3＃機組的電機M3，5秒后，斷開線圈KM8后接通線圈KM9，電機切換為D運行。經過10秒后，再采用同樣的過程起動1＃機組。其中，使用PLC內部定時器實現定時5秒和10秒的功能。如果3＃機組備用，則先起動1＃機組，再起動2＃機組。注意備用機組發生改變時，首先判斷該水泵機組是否運行，如果正在運行，則先停止該機組電機，進入備用狀態，10秒后再啟動原先的備用機組工作。反之，只記錄所選備用機組，等待下液位開關動作時按前述聯運方式起動運行。當水箱內水位升高造成上液位開關動作或者按下總停止按鈕時，各機組停止工作。程序流程圖

2）故障的檢測及處理在任何一臺運行機組出現故障時，立即停止該機組的運行，同時進行聲、光報警，然后使備用機組自動投入運行。水泵機組故障主要有兩種情況：當某機組運行后，水泵出水壓力很低，表明機組存在各種機械或電氣故障，使水泵不能正常工作。系統在機組出水管處裝設壓力繼電器，通過其動作壓力和管路壓力的比較來檢測是否存在故障；水泵電機過載運行。針對電機長期過負荷工作或由于缺相引起的過載現象，采用熱繼電器進行檢測。3）工作方式的切換手動/自動轉換開關是一個用動觸點完成兩種工作方式切換的開關，保證了只能選擇其中一種工作方式。在進行工作方式的切換操作時，要求首先按下總停止按鈕SB0，然后進行工作方式的選擇。手動狀態下，通過手動起動和停止控制按鈕（SB4～SB9）分別對各個水泵機組進行單獨控制。手動方式通常用于系統的調試。無塔供水最基本的方式是直接利用水泵加壓供水。與高塔供水情況相同，在用水量大時電機滿負荷運行，而在用水量小時則會停機或切換到空運行狀態，這種情況一方面需要消耗大量的電能，造成能量的浪費；另一方面，管網壓力的波動也會很大，容易出現管網失壓或爆管事故。2.無塔供水基于PLC的變頻調速恒壓控制的無塔供水系統成為現代供水控制系統的主要方式，廣泛地應用于工業、農業、科研和民用等領域。無塔供水系統利用PLC、傳感器、電氣控制設備、變頻器及水泵機組組成閉環控制系統。PLC根據給定的壓力信號和檢測到的供水管網壓力反饋信號，通過模糊控制或PID控制等處理，控制變頻器調節水泵轉速，使供水管網用戶段不管用水量的大小，均保持管網水壓基本恒定。無塔供水系統既可滿足用戶對水的需求，又減小了電能的浪費，具有自動化程度高、高效節能、安全衛生、維護方便等特點，還極大地改善環境污染。同時，由于用變頻器驅動的交流異步電動機能夠快速平穩的進行調