第十三章基于S7系列PLC單機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)13.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、內(nèi)容與步驟13.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)13.3PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)13.1PLC應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、內(nèi)容與步驟13.1.1設(shè)計(jì)原則在可編程序控制器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該最大限度地滿足生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)流程對電氣控制的要求，在滿足控制要求的前提下，力求PLC控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、操作和維修方便，而且應(yīng)使系統(tǒng)能盡量降低使用者長期運(yùn)行的成本。設(shè)計(jì)一個(gè)PLC控制系統(tǒng)有多種途徑：可以在原有的繼電接觸控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以改造，形成可編程序控制器的控制系統(tǒng)。13.1.2設(shè)計(jì)的內(nèi)容擬定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，一般以設(shè)計(jì)任務(wù)書的形式來確定。選擇電氣傳動(dòng)形式和電動(dòng)機(jī)、電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。選定PLC的型號編制PLC的I/O分配表或繪制I/O端子接線圖。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求編寫軟件規(guī)格說明書，然后再用相應(yīng)的編程語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。了解并遵循用戶認(rèn)知心理學(xué)，重視人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)人與計(jì)算機(jī)之間的友善關(guān)系。設(shè)計(jì)操作臺、電氣柜及非標(biāo)準(zhǔn)電器元部件。編寫設(shè)計(jì)說明書和使用說明書。13.1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的主要步驟被控對象的工藝條件和控制要求分析。確定I/O設(shè)備選擇合適的PLC類型分配I/O點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)梯形圖程序?qū)⒊绦蜉斎隤LC進(jìn)行軟件測試應(yīng)用系統(tǒng)整體調(diào)試編制技術(shù)文件13.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)13.2.1PLC選型性能與任務(wù)相適應(yīng)開關(guān)量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)對控制速度要求不高時(shí)，選用小型PLC就能滿足要求。以開關(guān)量控制為主，帶有部分模擬量控制的應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)選用帶有A/D轉(zhuǎn)換的模擬量輸入模塊和帶D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸出模塊，配接相應(yīng)的傳感器、變送器和驅(qū)動(dòng)裝置，運(yùn)算功能較強(qiáng)的中小型PLC。對于比較復(fù)雜的中大型控制系統(tǒng)，如閉環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)、通信聯(lián)網(wǎng)等，可選擇中大型PLC。PLC的處理速度應(yīng)滿足實(shí)時(shí)控制的要求提高PLC的處理速度，可采用以下幾種方法：選擇CPU處理速度快的PLC，使執(zhí)行一條基本指令的時(shí)間不超過0.5μs優(yōu)化應(yīng)用軟件，縮短掃描周期采用高速響應(yīng)模塊，如高速計(jì)數(shù)模塊。PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、機(jī)型系列統(tǒng)一整體式模塊式13.2.2PLC容量估算I/O的點(diǎn)數(shù)的估算統(tǒng)計(jì)PLC系統(tǒng)的開關(guān)量I/O點(diǎn)數(shù)和模擬量I/O通道數(shù)，以及開關(guān)量和模擬量的信號類型?？紤]設(shè)計(jì)中I/O點(diǎn)數(shù)可能有疏漏，I/O端口的分組情況以及隔離與接地要求，應(yīng)在統(tǒng)計(jì)后得出I/O總點(diǎn)數(shù)的基礎(chǔ)上，增加10％－15％的余量?？紤]余量后的I/O總點(diǎn)數(shù)即為I/O點(diǎn)數(shù)估計(jì)值，改估計(jì)值是PLC選型的主要技術(shù)依據(jù)。為了今后的調(diào)整和擴(kuò)充，選定的PLC機(jī)型的I/O能力極限值必須大于I/O點(diǎn)數(shù)估計(jì)算值，并應(yīng)盡量避免使PLC能力接近飽和，一般應(yīng)留有30％左右的余量。用戶存儲器的容量用戶應(yīng)用程序占用多少內(nèi)存與I/O點(diǎn)數(shù)、控制要求、運(yùn)算處理量、程序結(jié)構(gòu)等有關(guān)。開關(guān)量輸入所需存儲器字?jǐn)?shù)＝輸入點(diǎn)數(shù)X10開關(guān)量輸出所需存儲器字?jǐn)?shù)＝輸出點(diǎn)數(shù)X8定時(shí)器/計(jì)數(shù)器所需存儲器字?jǐn)?shù)＝定時(shí)器/計(jì)數(shù)器數(shù)量X2模擬量所需存儲器字?jǐn)?shù)＝模擬量通道數(shù)X100通信接口所需存儲器字?jǐn)?shù)＝接口個(gè)數(shù)X300存儲器的總字?jǐn)?shù)＋備用量＝存儲器容量一般應(yīng)用下的經(jīng)驗(yàn)公式：所需存儲器容量(KB)＝(1~2.5)X(DIX10+DOX8+AI/OX100+CPX300)/1024其他考慮的因素：經(jīng)驗(yàn)公式僅是對一般應(yīng)用系統(tǒng)，而且主要是針對設(shè)備的直接控制功能而言的，特殊的應(yīng)用和功能需要更大的存儲器容量。不同型號的PLC對存儲器的使用規(guī)模與管理方式的差異，會(huì)影響存儲器的需求量程序編寫水平對存儲器的需求量有較大的影響。工程實(shí)踐中大多采用粗略估算，加大余量，實(shí)際選型時(shí)采用就高不就低的原則。13.2.3I/O模塊的選擇開關(guān)量輸入模塊的選擇開關(guān)量輸入模塊按輸入點(diǎn)數(shù)分8點(diǎn)、12點(diǎn)、16點(diǎn)、32點(diǎn)等。按工作電壓分直流5V、12V、24V，交流110V、220V等。按外部接線方式分匯點(diǎn)輸入、分隔輸入等。選擇輸入模塊考慮兩點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場輸入信號（如按鈕、行程開關(guān)）與PLC輸入模塊距離的遠(yuǎn)近來選擇電壓的高低。一般，24V以下屬于低電平，其傳輸距離不宜太遠(yuǎn)。如12V電壓模塊一般不超過10m。距離較遠(yuǎn)的設(shè)備選用較高電壓模塊比較可靠。高密度的輸入模塊，如32點(diǎn)輸入模塊，允許同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)取決于輸入電壓和環(huán)境溫度。一般同時(shí)接通的點(diǎn)數(shù)不得超過總輸入點(diǎn)數(shù)的60％開關(guān)量輸出模塊的選擇輸出模塊有3種方式輸出：繼電器輸出、雙向可控硅輸出、晶體管輸出。輸出方式的選擇：繼電器輸出價(jià)格便宜、使用電壓范圍廣、導(dǎo)通壓小、承受瞬間過電壓和過電流的能力較強(qiáng)，有隔離作用。但繼電器有觸點(diǎn)、壽命較短，且響應(yīng)速度較慢，適用于動(dòng)作不頻繁的交/直流負(fù)載。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載時(shí)，最大開閉頻率不得超過1Hz。晶閘管輸出（交流）和晶體管輸出（直流）都屬于無觸點(diǎn)開關(guān)輸出，適用于通斷頻繁的感性負(fù)載。感性負(fù)載在斷開瞬間會(huì)有較高的反壓，必須采取抑止措施。輸出電路的選擇模塊的輸出電路必須大于負(fù)載的額定電流值。若負(fù)載電流較大，輸出模塊不能驅(qū)動(dòng)，則應(yīng)增加中間放大環(huán)節(jié)。對于電容性負(fù)載、熱敏電阻負(fù)載，考慮到接通時(shí)有沖擊電流，過要留有足夠的余量。允許同時(shí)接通的輸出點(diǎn)數(shù)輸出模塊同時(shí)接通點(diǎn)數(shù)的總電流值不得超過模塊規(guī)定的最大允許電流。模擬量及特殊功能模塊的選擇模擬量輸入、輸出及溫度控制模塊就是用于將過程變量轉(zhuǎn)換為PLC可以接收的數(shù)字信號以及將PLC內(nèi)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。一些特殊情況，如位置控制、脈沖計(jì)數(shù)以及聯(lián)網(wǎng)、與其他外部設(shè)備連接等需要專用的接口模塊，如傳感器模塊、I/O連接模塊等。這些模塊有字節(jié)的CPU、存儲器、能在PLC的管理和協(xié)調(diào)下獨(dú)立地處理特殊任務(wù)，這樣既完善了PLC的功能，又減輕了PLC的負(fù)擔(dān)，提高了處理速度。13.2.4安全回路設(shè)計(jì)安全回路的作用：保護(hù)人身安全和設(shè)備安全。它應(yīng)能獨(dú)立于PLC工作，并采用非半導(dǎo)體的機(jī)電元件以硬接線方式構(gòu)成。設(shè)計(jì)對人身安全的安全回路應(yīng)考慮使用獨(dú)立于PLC的緊急停機(jī)功能。在操作人員易受機(jī)器影響的地方，應(yīng)考慮使用一個(gè)機(jī)電式過載器和其他獨(dú)立于PLC的冗余工具，用于啟動(dòng)和中止轉(zhuǎn)動(dòng)。確保系統(tǒng)安全的硬接線邏輯回路在以下幾種情況下將發(fā)揮安全保護(hù)作用：PLC或機(jī)電元件檢測到設(shè)備發(fā)生緊急異常狀態(tài)時(shí)。PLC失控時(shí)操作人員需要緊急干預(yù)時(shí)。設(shè)計(jì)安全回路的任務(wù)包括以下內(nèi)容：確定控制回路之間邏輯和操作上的互鎖關(guān)系。設(shè)計(jì)硬回路以提供對過程中重要設(shè)備的手動(dòng)安全性干預(yù)手段。確定其他與安全和完善運(yùn)行有關(guān)的要求。為PLC定義故障形式和重新啟動(dòng)特性。13.3PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)8.3.1PLC應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容深入現(xiàn)場，了解并熟悉被控對象的控制要求。明確PLC系統(tǒng)必須具備的功能，為應(yīng)用軟件的編制提出明確的要求和技術(shù)指標(biāo)，并形成軟件需求說明書。進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將整個(gè)軟件根據(jù)功能的要求分成若干個(gè)相對獨(dú)立的部分。分析各部分之間在邏輯上、時(shí)間上的相互關(guān)系，是設(shè)計(jì)出的軟件在總體上結(jié)構(gòu)清晰、簡潔，流程合理。選擇適當(dāng)?shù)木幊陶Z言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。PLC軟件工程的設(shè)計(jì)有以下幾方面的內(nèi)容：PLC軟件功能的分析與設(shè)計(jì)I/O信號及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)規(guī)格說明書編制用編程語言、PLC指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)軟件測試程序使用說明書編制13.3.2PLC應(yīng)用系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)步驟制定設(shè)備運(yùn)行方案根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求分析各I/O與各種操作之間的邏輯關(guān)系確定需要檢測的量和控制的方法設(shè)計(jì)出系統(tǒng)中各設(shè)備的操作內(nèi)容和操作順序畫控制流程圖制定系統(tǒng)的抗干擾措施硬件上的電源隔離、信號濾波軟件上的平均值濾波編寫程序根據(jù)被控對象的I/O信號及所選的PLC型號分配PLC的硬件資源為梯形圖的各種繼電器或接點(diǎn)進(jìn)行編號按照軟件規(guī)格說明書的技術(shù)要求、編制依據(jù)、測試等進(jìn)行編程軟件測試要對系統(tǒng)程序進(jìn)行離線測試。調(diào)試、排錯(cuò)、修改及模擬運(yùn)行后，才能正式投入使用。程序測試注意以下問題：程序能否按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行各種必要的功能是否具備發(fā)生意外事故時(shí)能否做出正確的響應(yīng)對于現(xiàn)場干擾等環(huán)境因素適應(yīng)能力如何控制現(xiàn)場運(yùn)行，進(jìn)一步完善。編制程序使用說明書程序設(shè)計(jì)的依據(jù)、結(jié)構(gòu)、功能、流程圖、各項(xiàng)功能單元的分析PLC的I/O信號軟件程序操作使用的步驟、注意事項(xiàng)對程序中需要測試的必要環(huán)節(jié)進(jìn)行注釋。例題：液體混合攪拌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)有3個(gè)液面?zhèn)鞲衅鳎篐為液體B液面檢測傳感器；I為液體A液面檢測傳感器；L為最低液面檢測傳感器。3個(gè)電磁閥：X1為液體A輸入電磁閥；X2為液體B輸入電磁閥；X3為混合液體輸出電磁閥；電磁閥為OFF狀態(tài)時(shí)，閥門關(guān)閉。M攪拌電動(dòng)機(jī)，M為OFF時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止；為ON時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。HILXXX（1）控制要求初始狀態(tài):啟動(dòng)攪拌器之前，容器是空的。各閥門關(guān)閉X1=X2=X3=OFF,傳感器H=I=L=OFF，攪拌電動(dòng)機(jī)M=OFF。啟動(dòng)操作:按下啟動(dòng)按鈕SB1，裝置就開始按下列約定的規(guī)律操作：液體A閥門X1打開，液體A流入容器。當(dāng)液面到達(dá)L時(shí)，使L=ON，并繼續(xù)注入液體A，直到液面達(dá)到I時(shí)，I=ON，使X1=OFF,X2=ON，即關(guān)閉液體A閥門X1。打開液體B閥門X2。當(dāng)液面到達(dá)H時(shí)，關(guān)閉液體B閥門X2，攪動(dòng)電機(jī)M開始攪動(dòng)，即X2=OFF,M=ON。攪動(dòng)電機(jī)工作60秒后停止攪動(dòng)，即M=OFF?；旌弦后w閥門X3打開，開始放出混合液體。當(dāng)液面低于到L時(shí)，即L=OFF，經(jīng)過延時(shí)10秒后，容器放空，混合液閥門X3關(guān)閉，即X3=OFF。自動(dòng)開始下一個(gè)操作周期。停止操作:按下停止按鈕SB2后，在當(dāng)前的混合液操作處理完畢后，才停止操作（停在初始狀態(tài)上）。（2）硬件設(shè)計(jì)開關(guān)量輸入點(diǎn)有5個(gè)：啟動(dòng)、停止、H、I、L。開關(guān)量輸出點(diǎn)有4個(gè)：X1、X2、X3、M。估算內(nèi)存容量為90個(gè)地址單元：9X10＝90。根據(jù)估算可以選用一般中小型PLC。選用S7-200CPU222，I/O點(diǎn)總數(shù)位14個(gè)，其中8點(diǎn)輸入，6點(diǎn)輸出。攪拌控制系統(tǒng)組成（3）I/O點(diǎn)的地址分配模塊號輸入端子號輸出端子號地址號信號名稱說明CPU2221I0.0啟動(dòng)，上升沿有效按鈕2I0.1停止，上升沿有效按鈕3I0.2液面檢測H，上升沿有效液位傳感器4I0.3液面檢測I，上升沿有效液位傳感器5I0.4液面檢測L，下降沿有效液位傳感器1Q0.0A液電磁閥X1，1有效電磁閥2Q0.1B液電磁閥X2，1有效電磁閥3Q0.2混合液電磁閥X3，1有效電磁閥4Q0.3攪拌電動(dòng)機(jī)，1有效電磁閥（4）控制流程圖原始狀態(tài)是，容器是空的。各閥門關(guān)閉X1=X2=X3=0,傳感器I0.2=I0.3=I0.4=0，攪拌電動(dòng)機(jī)Q0.3=0。按下啟動(dòng)按鈕SB1，I0.0=1,執(zhí)行任務(wù)1，液體A閥門Q0.0＝1打開，液體A流入容器。當(dāng)液面到達(dá)L時(shí)，使L=ON，即I0.4=1并繼續(xù)注入液體A，直到液面達(dá)到I時(shí)，I=ON，即I0.3=1使Q0.0=0,Q0.1=1，即關(guān)閉液體A閥門，開始輸入液體B。當(dāng)液面到達(dá)H時(shí)，即，I0.2=1,關(guān)閉液體B閥門X2，攪動(dòng)電機(jī)M開始攪動(dòng)，啟動(dòng)攪拌定時(shí)器，即Q0.1=0,Q0.3=1，啟動(dòng)T101。攪動(dòng)電機(jī)工作60秒后停止攪動(dòng)，即Q0.3=0