第12章PLC掌握系統設計與應用

PLC掌握系統設計概要

PLC的接口電路PLC掌握系統設計及應用舉例112.1.1PLC掌握系統設計的基本原則在設計PLC掌握系統時，應遵循以下基本原則：最大限度地滿意掌握要求充分發揮PLC功能，最大限度地滿意被控對象的掌握要求，是設計中最重要的一條原則。設計人員要深化現場進行調查討論，收集資料。同時要注意和現場工程管理和技術人員及操作人員緊密協作，共同解決重點問題和疑難問題。保證系統的平安牢靠保證PLC掌握系統能夠長期平安、牢靠、穩定運行，是設計掌握系統的重要原則。212.1.1PLC掌握系統設計的基本原則力求簡潔、經濟、使用與維修便利在滿意掌握要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。不宜盲目追求自動化和高指標。適應進展的需要適當考慮到今后掌握系統進展和完善的需要。312.1.2PLC掌握系統設計的基本內容基本內容：選擇用戶設備。PLC的選擇。安排I/O點，繪制電氣連接接口圖，考慮平安措施。設計掌握程序。設計掌握臺。編制系統的技術文件，說明書、電氣圖及電氣元件明細表。412.1.3PLC掌握系統設計的一般步驟1）分析被控對象并提出掌握要求簡略分析被控對象的工藝過程及工作特點，了解被控對象機、電、液之間的協作，提出被控對象對PLC掌握系統的掌握要求，確定掌握方案，擬定設計任務書。2）確定輸入／輸出設備依據系統的掌握要求，確定系統所需的全部輸入設備（如：按紐、位置開關、轉換開關及各種傳感器等）和輸出設備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執行器等），從而確定與PLC有關的輸入/輸出設備，以確定PLC的I/O點數。512.1.3PLC掌握系統設計的一般步驟3）選擇PLCPLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊、電源等的選擇4）安排I/O點并設計PLC外圍硬件線路安排I/O點：畫出PLC的I/O點與輸入/輸出設備的連接圖或對應關系表。PLC外圍硬件線路：畫出系統其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的掌握電路等。由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統的電氣原理圖。到此為止系統的硬件電氣線路已經確定。612.1.3PLC掌握系統設計的一般步驟5）程序設計程序設計：1）掌握程序；2）初始化程序；3）檢測、故障診斷和顯示等程序；4）保護和連鎖程序。模擬調試：依據產生現場信號的方式不同，模擬調試有硬件模擬法和軟件模擬法兩種形式。PLC程序設計的基本內容一般包括參數表的定義及地址安排、程序流程框圖繪制、程序編制、程序調試和程序使用說明書等五項內容。

712.1.3PLC掌握系統設計的一般步驟6）硬件實施設計掌握柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設計系統各部分之間的電氣互連圖；依據施工圖紙進行現場接線，并進行簡略檢查。7）編制技術文件8)交付使用由于程序設計與硬件實施可同時進行，因此PLC掌握系統的設計周期可大大縮短。812.2PLC的接口電路PLC與主令電器類設備的連接

912.2PLC的接口電路PLC與撥碼開關的連接

1012.2PLC的接口電路PLC與旋轉編碼器的連接

1112.2PLC的接口電路PLC與傳感器類設備的連接

1212.2PLC的接口電路PLC與輸出設備的一般連接方法

1312.2PLC的接口電路PLC與感性輸出設備的連接

續流二極管的額定電流為1A、額定電壓大于電源電壓的3倍；電阻值可取50~120Ω電容值可取0.1~0.47μF，電容的額定電壓應大于電源的峰值電壓。接線時要注意續流二極管的極性

1412.2PLC的接口電路PLC與七段LED顯示器的連接

BCD鎖存,7段譯碼,驅動器

1512.2PLC的接口電路PLC與輸出設備連接的其它注意事項1）除了PLC輸入和輸出共用同一電源外，輸入公共端與輸出公共端一般不能接在一起；2）PLC的晶體管和晶閘管型輸出都有較大的漏電流，尤其是晶閘管輸出，將可能會消滅輸出設備的誤動作。所以要在負載兩端并聯一個旁路電阻，旁路電阻R的阻值估算可由下式確定：

UON是負載的開啟電壓（V），I是輸出漏電流（mA）1612.3PLC掌握系統設計及應用

組合機床的PLC掌握系統

液壓動力滑臺采納電磁換向閥來實現動力頭的快進、工進和快退。掌握要求如下:1）動力頭在原位,，按下啟動按鈕,接通電磁閥YV1-1，動力頭快進；2）動力頭遇到限位開關，接通電磁閥YV2,動力頭工進；3）動力頭遇到限位開關，開頭延時2S；4）延時時間到，接通電磁閥YV1-2，動力頭快退。5）回原位后，停止。1712.3PLC掌握系統設計及應用

組合機床的PLC掌握系統

2.PLC外部輸入輸出設備和機型選擇SB2、SB1用作起、停掌握開關信號，SQ1，SQ2，SQ3作為位置檢測開關信號，接至PLC輸入端，需占用五個輸入端，電磁閥YV1-1，YV1-2，YV2需占用三個輸出端點，液壓泵電機采納開關直接掌握起停，主軸電機采納繼電接觸器構成起停掌握，而不需要用PLC掌握，選用10點（6入，4出）以上的PLC，即可滿意本系統的簡潔掌握要求。

183.PLC外部電氣接線圖及I/O地址安排表

PLC外部接線圖，輸入輸出設備、負載電源的類型等的設計應結合系統的掌握要求來設定。液壓動力滑臺PLC外部接線圖如圖所示。組合機床的PLC掌握系統

194.程序設計

依照流程圖的設計思想，用傳統的挨次掌握的程序結構，畫出滿意掌握要求的梯形圖。203.程序設計

2112.3PLC掌握系統設計及應用

2.機械手及其掌握要求1）下行取工件;2）上行,右移;3）下降,放工件;4）回原位后，停止。2212.3PLC掌握系統設計及應用

2.機械手及其掌握要求機械手具有手動、單步、單周期、連續和回原位五種工作方式，用開關SA進行選擇。

2312.3PLC掌握系統設計及應用機械手的原位：在最上面、最左邊且除松開的電磁線圈(YV5)通電外其它線圈全部斷電的狀態2412.3PLC掌握系統設計及應用

PLC的I/O安排

為了保證在緊急情況下（包括PLC發生故障時），能牢靠地切斷PLC的負載電源，設置了溝通接觸器KM。在PLC開頭運行時按下“電源”按鈕SB1，使KM線圈得電并自鎖，KM的主觸點接通，給輸出設備供應電源；消滅緊急情況時，按下“急停”按鈕SB2，KM觸點斷開電源。

2512.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計

PLC程序設計

程序的總體結構將程序分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序四個部分，其中自動程序包括單步、單周期和連續工作的程序，這是由于它們的工作都是依據同樣的挨次進行，所以將它們合在一起編程更加簡潔。梯形圖中使用跳轉指令使得自動程序、手動程序和回原位程序不會同時執行。

2612.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計

各部分程序的設計公用程序

2712.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計

各部分程序的設計手動程序2812.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計各部分程序的設計自動程序2912.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計各部分程序的設計自動程序303112.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計各部分程序的設計回原位程序3212.3PLC掌握系統設計及應用

PLC程序設計程序綜合與模擬調試由于在分部分程序設計時已經考慮各部分之間的相互關系，因此只要將公用程序、手動程序、自動程序和回原位程序依據機械手程序總體結構綜合起來即為機械手掌握系統的PLC程序。模擬調試時各部分程序可先分別調試，然后再再進行全部程序的調試，也可直接進行全部程序的調試。

3312.4削減I/O點數的措施

PLC在實際應用中常遇到這樣兩個問題：1）PLC的I/O點數不夠，需要擴展，然而增加I/O點數將提高成本；2）是已選定的PLC可擴展的I/O點數有限，無法再增加。在滿意系統掌握要求的前提下，合理使用I/O點數，盡量削減所需的I/O點數是很有意義的。

本節將介紹幾種有用的削減I/O點數的措施。

3412.4削減I/O點數的措施分組輸入3512.4削減I/O點數的措施矩陣輸入

1）矩陣輸入方法需要硬件與軟件相協作來完成2）由于矩陣輸入的輸入信號為一系列斷續的脈沖信號。3）應保證輸入信號的寬度要大于Y0、Y1、Y2輪流導通一遍的時間3612.4削減I/O點數的措施組合輸入對于不會同時接通的輸入信號，可采納組合編碼的方式輸入3712.4削減I/O點數的措施輸入設備多功能化例如

3812.4削減I/O點數的措施

合并輸入將某些功能相同的開關量輸入設備合并輸入。如果是幾個常閉觸點，則串聯輸入；如果是幾個常開觸點，則并聯輸入。某些輸入設備可不進PLC

有些輸入信號功能簡潔、涉及面很窄，有時就沒有必要作為PLC的輸入，將它們放在外部電路中同樣可以滿意要求。

3912.4削減I/O點數的措施矩陣輸出注意：采納矩陣輸出時，必必要將同一時間段接通的負載支配在同一行或同一列中，否則無法掌握。

4012.4削減I/O點數的措施分組輸出當兩組輸出設備或負載不會同時工作，可通過外部轉換開關或通過受PLC掌握的電器觸點進行切換，所以PLC的每個輸出點可以掌握兩個不同時工作的負載。

4112.4削減I/O點數的措施并聯輸出注意PLC輸出點同時驅動多個負載時，應考慮PLC輸出點的驅動能力是否足夠。輸出設備多功能化利用PLC的規律處理功能，一個輸出設備可實現多種用途。某些輸出設備可不進PLC系統中某些相對獨立、比較簡潔的掌握部分，可直接采納PLC外部硬件電路實現掌握。

4212.4削減I/O點數的措施以上一些常用的削減I/0點數的措施，僅供參考，實際應用中應該依據簡略情況，靈敏使用。同時應該注意不要過份去削減PLC的I/0點數，而使外部附加電路變得簡潔，從而影響系統的牢靠性。

4312.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施

PLC具有很高的牢靠性，并且有很強的抗干擾能力，但在過于惡劣的環境或安裝使用不當等情況下，都有可能引起PLC內部信息的破壞而導致掌握混亂，甚至造成內部元件損壞。為了提高PLC系統運行的牢靠性，應注意以下問題：

適合的工作環境

合理的安裝與布線

正確的接地

必須的平安保護環節

必要的軟件措施

采納冗余系統或熱備用系統

4412.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施環境溫度適宜通常PLC允許的環境溫度約在0~55°C。安裝時不要把發熱量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足夠的通風散熱空間；不要把PLC安裝在陽光直接照耀或離暖氣、加熱器、大功率電源等發熱器件很近的場所；安裝PLC的掌握柜最好有通風的百葉窗，如果掌握柜溫度太高，應該在柜內安裝風扇強迫通風。環境濕度適宜PLC工作環境的空氣相對濕度一般要求小于85％，以保證PLC的絕緣性能。濕度太大也會影響模擬量輸入/輸出裝置的精度。因此，不能將PLC安裝在結露、雨淋的場所4512.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施注意環境污染不宜把PLC安裝在有大量污染物（如灰塵、油煙、鐵粉等）、腐燭性氣體和可燃性氣體的場所，尤其是有腐蝕性氣體的地方，易造成元件及印刷線路板的腐蝕。遠離振動和沖擊源遠離有強烈振動和沖擊場所，尤其是連續、頻繁的振動。必要時可以實行相應措施來減輕振動和沖擊的影響。遠離強干擾源PLC應遠離強干擾源，如大功率晶閘管裝置、高頻設備和大型動力設備等，同時PLC還應該遠離強電磁場和強放射源，以及易產生強靜電的地方。4612.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施注意電源安裝PLC的I／O電路都具有濾波、隔離功能，所以對外部電源要求不高內部電源的性能好壞直接影響到PLC的牢靠性，對其要求較高在干擾較強或牢靠性要求較高的場合，應該用帶屏蔽層的隔離變壓器，對PLC系統供電。還可以在隔離變壓器二次側串接LC濾波電路。同時，在安裝時還應注意以下問題：1）隔離變壓器與PLC和I/O電源之間最好采納雙絞線連接，以抑制串模干擾；2）系統的動力線應足夠粗，以降低大容量設備起動時引起的線路壓降；3）PLC輸入電路用外接直流電源時，最好采納穩壓電源，以保證正確的輸入信號。否則可能使PLC接收到錯誤的信號。

4712.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施遠離高壓PLC不能在高壓電器和高壓電源線四周安裝，更不能與高壓電器安裝在同一個掌握柜內。在柜內PLC應遠離高壓電源線，二者間距離應大于200mm。合理的布線1)I/O線、動力線及掌握線應分開走線，盡量不要在同一線槽中。2)溝通線與直流線、輸入線與輸出線最好分開走線。3)開關量與模擬量的Ｉ/Ｏ線最好分開走線，傳送模擬量信號的Ｉ/Ｏ線最好用屏蔽線，且屏蔽線的屏敝層應一端接地。4)PLC的基本單元與擴展單元之間電纜傳送的信號小、頻率高，很容易受干擾，不能與其它的連線敷埋在同一線槽內。5）PLC的I/O回路配線，必須使用壓接端子或單股線。6)與PLC安裝在同一掌握柜內的感性元件，最好有消弧電路。4812.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施PLC一般最好單獨接地，也可以采納公共接地，但禁止使用串聯接地方式

PLC的接地線應盡量短，使接地點盡量靠近PLC。同時，接地電阻要小于100Ω，接地線的截面應大于２mm2。

4912.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施短路保護應該在PLC外部輸出回路中裝上熔斷器，進行短路保護。最好在每個負載的回路中都裝上熔斷器。互鎖與聯鎖措施除在程序中保證電路的互鎖關系，PLC外部接線中還應該實行硬件的互鎖措施，以確保系統平安牢靠地運行。失壓保護與緊急停車措施PLC外部負載的供電線路應具有失壓保護措施，當臨時停電再恢復供電時，不按下“啟動”按鈕PLC的外部負載就不能自行啟動。這種接線方法的另一個作用是，當特殊情況下需要緊急停機時，按下“停止”按鈕就可以切斷負載電源，而與PLC毫無關系。5012.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施消除開關量輸入信號抖動

5112.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施故障的檢測與診斷

超時檢測：設備在各工步的動作所需的時間一般是不變的，即使變化也不會太大，因此可以以這些時間為參考，在PLC發出輸出信號，相應的外部執行機構開頭動作時啟動一個定時器定時，定時器的設定值比正常情況下該動作的持續時間長20％左右。規律錯誤檢測：編制一些常見故障的特別規律關系，一旦特別規律關系為ON狀態，就應按故障處理。消除預知干擾：某些干擾是可以預知的，如PLC的輸出命令使執行機構（如大功率電動機、電磁鐵）動作，常常會伴隨產生火花、電弧等干擾信號，它們產生的干擾信號可能使PLC接收錯誤的信息。在容易產生這些干擾的時間內，可用軟件封鎖PLC的某些輸入信號，在干擾易發期過去后，再取消封鎖。5212.5提高PLC掌握系統牢靠性的措施冗余系統

冗余系統是指系統中有多余的部分，在系統消滅故障時，這多余的部分能立即替代故障部分而使系統連續正常運行。熱備用系統熱備用系統的結構較冗余系統簡潔，雖然也有兩個CPU模塊在同時運行一個程序，但沒有冗余處理單元RPU。系統兩個CPU模塊的切換，是由主CPU模塊通過通信口與備用CPU模塊進行通信來完成的。53PLC的選擇隨著PLC技術的進展，PLC產品的種類也越來越多。不同型號的PLC，其結構形式、性能、容量、指令系統、編程方式、價格等也各有不同，適用的場合也各有側重。因此，合理選用PLC，對于提高PLC掌握系統的技術經濟指標有著重要意義。PLC的選擇主要應從PLC的機型、容量、I/O模塊、電源模塊、特殊功能模塊、通信聯網能力等方面加以綜合考慮。

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PLC機型的選擇

PLC機型選擇的基本原則是在滿意功能要求及保證牢靠、維護便利的前提下，力爭最佳的性能價格比。選擇時主要考慮以下幾點：合理的結構型式PLC主要有整體式和模塊式兩種結構型式。安裝方式的選擇安裝方式有集中式、遠程I／O式以及多臺PLC聯網的分布式。55PLC機型的選擇相應的功能要求響應速度要求系統牢靠性的要求對牢靠性要求很高的系統，應考慮是否采納冗余系統或熱備用系統機型盡量統一便于備品備件的選購和管理；有利于技術力氣的培訓和技術水平的提高，外部設備通用，資源可共享，易于聯網通信。56PLC容量的選擇I／O點數的選擇在滿意掌握要求的前提下力爭使用的I／O點最少。需要加上10％~15％的裕量。存儲容量的選擇存儲容量大小不僅與PLC系統的功能有關，還與功能實現的方法、程序編寫水平有關。一個有閱歷的程序員和一個初學者，在完成同一簡潔功能時，其程序量可能相差25％之多。在I／O點數確定的基礎上，按下式估算存儲容量后，再加20％~30％的裕量。

存儲容量(字節)＝開關量I/O點數×10＋模擬量I/O通道數×100存儲容量選擇的同時，注意對存儲器的類型的選擇。

57I／O模塊的選擇開關量輸入模塊的選擇

1）輸入信號的類型及電壓等級有直流輸入、溝通輸入和溝通／直流輸入三種類型。選擇時主要依據現場輸入信號和周圍環境因素等。

直流輸入模塊的延遲時間較短，還可以直接與接近開關、光電開關等電子輸入設備連接；

溝通輸入模塊牢靠性好，適合于有油霧、粉塵的惡劣環境。開關量輸入模塊的電壓等級有：直流5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ、48Ｖ、60Ｖ等；溝通110Ｖ、220Ｖ等。

選擇時主要依據現場輸入設備與輸入模塊之間的距離來考慮。一般5Ｖ、12Ｖ、24Ｖ用于傳輸距離較近場合，如5Ｖ輸入模塊最遠不得超過１０米。距離較遠的應選用輸入電壓等級較高的。58I／O模塊的選擇開關量輸入模塊的選擇2）輸入接線方式主要有匯點式和分組式兩種接線方式

59I／O模塊的選擇開關量輸入模塊的選擇3）注意同時接通的輸入點數量對于選用高密度的輸入模塊(如32點、48點等)，應考慮該模塊同時接通的點數一般不要超過輸入點數的60％。

4）輸入門檻電平門檻電平越高，抗干擾能力越強，傳輸距離也越遠，簡略可參閱PLC說明書。60I／O模塊的選擇開關量輸出模塊的選擇1）輸出方式開關量輸出模塊有繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出三種方式

繼電器輸出：價格廉價，可以驅動交、直流負載，適用的電壓大小范圍較寬、導通壓降小，承受瞬時過電壓和過電流的能力較強，但動作速度較慢（驅動感性負載時，觸點動作頻率不超過1HZ）、壽命較短、牢靠性較差，只能適用于不頻繁通斷的場合。對于頻繁通斷的負載，應該選用晶閘管輸出或晶體管輸出，它們屬于無觸點元件。但晶閘管輸出只能用于溝通負載，而晶體管輸出只能用于直流負載。

61I／O模塊的選擇開關量輸出模塊的選擇

2）輸出接線方式