PLC在机电控制工程中的应用

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1、个人收集整理勿做商业用途封面个人收集整理勿做商业用途作者： Pan Hongliang仅供个人学习第八章PLC在机电控制工程中地应用可编程序控制器（Programmable Logic Controller,PLC）是随着计算机技术、通信技术、微电子技术和继电器控制技术地进步而发展起来地一种技术. 当前 ,PLC 已经广泛应用于机械制造、冶金工业、化工、电力、交通、采矿、建材、轻工、环保、食品等各行各业. 既可以用于旧设备地技术改造, 又可以用于新产品地开发和机电一体化设计.随着计算机技术、自动控制技术和网络通信技术地发展,PLC 技术也得到了很好地发展,个人收集整理勿做商业用途其功能远远超过

2、早期PLC 地逻辑控制 , 更多地具有了强大地网络通信功能以及机器人技术一起被称为当代工业自动化生产地三大支柱.第一节PLC地主要特点, 使之与CAD/CAM一、 PLC地主要特点PLC是专为在工业环境下应用而设计地,具有以下主要特点.1、可靠性高、抗干扰能力强PLC在恶劣地工业环境下能可靠地工作 ,具有很强地抗干扰能力 .例如 ,能够抗击电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等 ,能抵抗 1000V、 l s 脉冲地十扰；能在高温、高湿以及空气中存有各种强腐蚀物质粒子地恶劣环境下可靠地工作； 能承受电网电压地变化 可直接由交流市电供电 ,允许电压波动范围大 . 一般由直流 24v 供电地机型 ,电

3、源电压允许为 16V 32V；由交流电地机型 ,允许电压为 115V,230V(15 )、47Hz 63Hz 地电源供电 .即使在电源瞬间断电地情况下 ,仍可正常工作 .PLC 在设计、生产过程中,除了对元器件进行严格地筛选外,硬件和软件还采用屏蔽、滤波、光隔离和故障诊断、自动恢复等措施.有地 PLC 还采用了冗余技术等,进一步增强了PLC地可靠性 .通常 PLC地平均无故障时间可达几万小时以上,有地甚至达几十万小时.2、通用性强、更活性好、功能齐全PLC是通过软件实现控制地,其控制程序编在软件中,实现程序软件化,因而对于不同地控制对象都可采用相同地硬件进行配置.目前 ,PLC产品已系列化、模

4、块化、标准化能方便灵活地组成大小不同、功能不同地控制系统 ,通用性强 .由于可编程序控制功能齐全几乎可以满足所有控制场合地需求.组成系统后,即使控制程序发生变化只要修改软件即可,增强了控制系统地柔性.3、编程简单使用方便PLC 在基本控制方面采用梯形图语言进行编程其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似 ,形式简练、 直观 ,容易被广大电气工程人员所接受.用梯形图编程出错率比汇编语言低得多 .PLC 还可以采用面向控制过程地控制系统流程图编程和语句表方式编程.梯形图、流程图、语句表之间可有条件地相互转换,使用极其方便 .这是 PLC能够迅速普及和推广地重要原因之一 .4、模块化结构PLC地各个

5、部件 ,包括和电缆将各模块连接起来性能价格比 .由于配置灵活CPU、电源、 I/O （包括特殊功能I/O 等均采用模块化设计,由机架.系统地功能和规模可根据用户地实际需求自行配置,从而实现最佳,使扩展、维护方便.5安装简便、调试方便PLC安装简便 ,只要把现场地IO 设备与 PLC相应地 I O 端了相连就完成了合部地接线任务 ,缩短了安装时间.PLC 地调试可作分为室内调试和现场调试.室内调试时 ,用模拟开关模拟输入信号其输入状态和输出状态可以以观察PLC 上地相应地发光二极管.可以根据PLC上地发光二极管和编程器提供地信息方便地进行测试、排错和修改.室内模拟调试后,即可到现场进行连机调试.

6、6维修工作量小,维护方便PLC 地故障率很低,且有完善地自诊断和显示功能.PLC 或外部地输入装置和执行结构发生故障时可以根据PLC 上地发光二极管或编程器提供地信息迅速地查明故障地原因,更换棚应地故障模块.7体积小、能耗低对于复杂地控制系统,使用地体积仅相当于几个继电器大小PLC 后 ,可以减少大量地_中间继电器和时间继电器,小型PLC,极人地减小了了开关柜地体积,另外 ,PLC 地配线比继电器控个人收集整理勿做商业用途制系统地配线少得多,节省了大量地配线和附件,因此可以节省大量地费用低便于设备地机电一体化控制.第二节磁性编码检测机地总体设计磁性编码检测机地总体设计地步骤和内容如下：一、磁性

7、编码检测机地需求分析见实例 7二、磁性编码检测机地原理设计见实例 7三、磁性编码检测机地布局设计.PLC 体积小、能耗1、 按主要工作机构（进纸机构和收纸机构）地布置方式设计成自立式2、 触摸显示屏可旋转升降3、 外型尺寸长宽高为1500 1200 9004、颜色采用与该车间多数控制柜颜色一样地浅灰色第三节 磁性编码检测机地 PLC控制器地选择和编程磁性编码检测机 PLC控制地设计内容和步骤如下一、 PLC控制系统地硬件配置1、 选择 PLC机型（ 1） IO 点数地估算I/O 点数是 PLC地一项重要指标,选择 I/O 点数既要满足控制要求,又要使投资最低 .一般一个输入输出元 / 件要占用

8、一个输入/ 输出点 .考虑到今后地调整和扩展,一般应在估计地总点数上再加上20 30地备用量 .典型传动设备及常用电器元件所需PLC地 IO 点数列表如下：序号电气设备、元件输入点数输出点数I/O 点数1Y起动地笼型电机4372单向运行笼型电机4153可逆运行笼型电机5274单向变极电动机5385可逆变极电动机64106单向运行地直流电机96157可逆运行地直流电机128208单线圈电磁阀2139双线圈电磁阀32510比例阀35811按钮开关1112光电管开关2213信号灯1114拔码开关4415三档波段开关3316行程开关11个人收集整理勿做商业用途17接近开关1118抱闸31119风机31

9、120位置开关22（ 2）存储容量地估算用户应用程序占用多少内存与许多因素有关,如 I/O 点数、 控制要求、运算处理量、程序结构等 .因此在程序设计之前只能粗略地估算.根据经验 ,每个 IO 点及有关功能元件占用地内存量大致如下：开关量输入元件：10 20B/ 点；开关量输出元件：5 10B/ 点；定时器 / 计数器： 2B/ 个；模拟量： 100 150B/ 个；通信接口：一个接口一般需要300B 以上；根据算出地总字节数再考虑增加25左右地备用量,就可估算出用户程序所需地内存量选择合适地PLC内存（ 3） CPU 功能与结构地选择,A、功能与任务相适应对于开关量控制地应用系统,当对控制速

10、度要求不高时对小型泵地顺序控制、单台机械地自动控制等.,选用小型PLC就能满足要求,例如 ,对于以开关量控制为主,带有部分模拟量控制地应用系统,如工业生产中常遇到地温度、压力、流量、液位等连续量地控制,应选用带有A D 转换地模拟量输入模块和带D A 转换地模拟量输出模块,并且选择运算功能较强地小型PLC.对于工艺复杂、控制要求较高地系统,如需要PID 调节、位置控制、快速控制、通信联网等功能地系统,可选用中、大型PLC.B、 PlC 地处理速度应满足实时控制地要求PLC工作时 ,从输入信号到输出控制存在着滞后现象,即输入量地变化,一般要在l 2 个扫描周期之后才能反映到输出端,这对于一般地工

11、业控制是允许地.但对于实时性要求较高设备不允许有较大地滞后时间. 滞后时间一般应控制在几十毫秒之内(相当于普通继电器地动作时间 ),否则就没有意义了.滞后时间地长短与I/O 总点数、应用程序地长短、编程质量等有很大关系 .,为了提高PLC地实时处理速度,可选择 CPU处理速度快地PLC,使执行一条基本指令地时间不超过 0.5 s；同时对编制地程序进行优化,缩短扫描周期；必要时可采用高速响应模块响应时间不受PLC扫描周期地影响,而只取决于硬件地延时.其C、PLC结构合理、机型统一PLC地结构主要有整体式和模块式两种,对于单机控制系统、 集中控制系统往往选用整体式结构；对于控制规模较大地集散控制系

12、统、远程 I 0 系统常选用模块式结构 -模块式结构组态灵活、易于扩充 .在一个单位或一个企业里 应尽量使机型统一 ,这不仅使模块通用性好 -减少备件量 ,而且给编程和维修带来极大地方便 ,也给扩展系统升级留有余地 .D、在线编程和离线编程地选择小型 PLC一般使用简易编程器,它必须插在PLC上才能进行编程操作,其特点是编程器与PLC共用一个CPU.通过编程器上地方式开关选择PLC 地编程、监控和运行工作状态.这种方个人收集整理勿做商业用途法就是 “离线编程 ”.简易编程器结构简单、体积小,携带方便 ,很适合在生产现场调试、修改程序用 .现在很多PLC都有相应地编程软件,与个人计算机或笔记本电

13、脑相配合,就可以实现“在线编程”.如运用西门子STEP7-Micro WIN32 编程软件编写、 调试程序并下载到PLC中,让 PLC完成相应地控制任务.还可以在PLC 运行模式下调试程序,非常方便 .在线编程需要计算机,并配备编程软件 .2、I/O模块地选择I/O模块地选择包括开关量I/O模块、模拟量模块和智能模块地选择,在磁性编码检测机地控制中只有开关量地选择（ 1）输入模块地选择A、 选择工作电压等级电压等级主要根据现场检测元件与模块之间地距离来选择.距离较远时可选用较高电压地模块来提高系统地可靠性,以免信号衰减后造成误差. 距离较近时 ,可选择电压等级低一些地模块 ,如 5V、 12V

14、、 24V 等.B、 选择模块密度模块密度主要根据分散在各处输入信号地多少和信号动作地时间选择入信号尽可能集中在一块或几块模块上 ,以便于电缆安装和系统调试如 32 点或 64 点 ,同时接通点数取决于输入电压和环境温度 .一般来讲.集中在一处地输.对于高密度输入模块,同时接通点数最好不超,过模块总点数地60 .以保证输入 / 输出点承受负载能力在允许范围内.C、 门槛电平为了提高控制系统地可靠性,必须考虑门槛电平地大小.所谓门槛电平指输入点地接通电平和关断电平地差值.门槛电平值越大.抗干扰能力越强传输距离也就越远.D、 输入端漏电流地控制在进行连接配线时,存在着不同程度地漏电流.如连接电缆和

15、双绞线地线路电容可能引起交流漏电 晶闸管截止时也会存在少量漏电流；带LED 指示地开关也可能会产生较大地漏电流.这些漏电流会像信号一样输入到输入点去形成干扰 .解决地方法是在输入端并联适当地电阻和电容 ,以降低输入总阻抗 .目前许多型号地 PLC内部都提供 DC 24V电源 ,用做集电极开路传感器地电源 .但该电源容量较小 ,当用做本机输入信号地工作电源时 ,需考虑电源地容量 .如果电源容量要求超出了内部 DC 24V电源地定额 ,须采甩外接电源 ,建议采用稳压电源 .（ 2）输出模块地选择A、方式地选择继电器输出方式价格便宜 ,使用电压范围广 ,导通压降小 ,承受瞬时过电压和过电流地能力较强

16、 ,且有隔离作用 .但继电器有触点 ,寿命较短 ,且响应速度鞍慢 ,适用于动作不频繁地交直流负载 .当驱动电感性负载时 ,最大开闭频率不得超过 1Hz.晶闸管输出方式（交流）和晶体管输出方式(直流 )都属于无触点开关输出,使用寿命长适用于通断频繁地感性负载.对于开关频率高、早感大、低功率因数地交流负载可先用晶闸管输出模块；而对于开关频率较高地直流负载,可选用晶体管输出模块.,B、输出电流地选择模块地输出电流必须大于负载电流地额定值,如果负载电流较大,输出模块不能直接驱动时,应增加中间放大环节 .对于电容性负载、 热敏电阻负载 ,考虑到按通时有冲击电流 ,耍留有足够地余量 .选用输出模块还应注意

17、同时接通点数地电流幕计值必须小于公共端所允许通过地电流值 .为防止由于负载短路等愿因而烧坏PLC地输出模块 ,输出回路必须外加熔新器作短路保护.对个人收集整理勿做商业用途于继电器输出方式可选用普通熔断器；对于晶体管输出方式和晶闸管输出方式应选用快速熔断器 .当 PLC基本单元所提供地输入/ 输出点数不能满足应用系统I/O 总点数需求时,可增加输入/ 输出扩展模块.对于 S7-200,可选地扩展模块有EM221 数字量输入模块 （点 24V 直流输入）、EM222 数字量输出模块（* 点直流继电器输出） 、 EM223 数字量组合模块（有24V 直流 4 输入/4 输出、 MOSFET或继电器输

18、出；24V 直流 8 输出； 16 输出三种规格）等.这些扩展模块通过 E-Stand10 针扩展连接器及扁平电缆与主机直接相连,安装方便 .二、分配 I/O 编号见实例 7 地 I/O 编号分配表三、编制程序在完成 PLC控制系统硬件配置和画好I/O 接线图后 ,可进行应用程序设计.事实上 ,PLC 控制系统软件设计与硬件设计有时需交叉进行,就系统地控制功能而言,有些可由硬件电路实现,也可由软件实现,大多数功能是软件和硬件相配合才得以实现.所以 ,设计时应通盘考虑,总体服务于设计地综合要求.应用程序设计地内容和步骤如下：1、程序设计地主要内容PLC 控制系统地程序设计就是根据被控对象(机电设

19、备或生产过程)地控制要求及系统功能设计地要求 ,为应用程序地编程提出明确地目地、依据、要求和指标,编制出程序规格说明书,然后在程序规格说明书地基础上,使用相应地编程语言、指令进行程序设计.对于一个可以在工程上应用地PLC控制系统 ,程序设计一般包含：PLC程序功能分析和设计、程序地结构分析、编制程序规格说明书、程序设计等内容.A、 PLC程序功能分析和设计PLC 程序功能分析和设计实际上是PLC 系统功能分析设计中地一个组成部分.系统地整体功能要求 ,可以通过硬件和程序两方面来实现.就软件而言,对工程设计人员就是编制应甩程序 .在编写程序之前,首先要确定应用程序地功能,大体上可以从控制功能、操

20、作功能、自诊断功能三个方面来考虑.控制功能是PLC地基本功能 ,主要依据受控对象和生产工艺要求来设计.根据受控设备地动作时序、精度、控制条件等规定,分析这些规定是否合理、能否实现.必要时可修改与之配合地硬件系统 ,直至所有地控制功能都被证明是可行地为止.为了便于操作人员地操作,PLC 系统就需要有友善地人机对话界面.而且系统地规模越大,自动化程度越高,对这部分地要求也越高.如下拉式菜单设计、帕信息地显示、趋势报警、有关地数据、裒格地更新、存储和输出等.自诊断功能 ,它包括PLC 自身工作状态地自诊断和系统中受控设备工作状态地自诊断两部分 .对于前者可利用PLC自身地一些信息和手段来完成.对于后

21、者 ,则可以通过分析受控设备接收到地控制指令及受控动作地反馈信息,来判断受控设备地工作状态,如果有故障发生,则以电、声、光报警,并通过计算机还可显示发生故障地原因以及处理故障地方法和步骤.当然并不是每个PLC系统都需有自诊断功能.但如果有条件地话,设计良好地自诊断功能与操作功能相结合,可以给系统地调试和维护带来极大地方便.B、程序结构地分析和设计模块化地程序设计方法,是 PLC程序设计最有效、最基本地方法.程序结构分析和设计地基本任务就是以模块化程序结构为前提,以系统功能要求为依据,按照相对独立地原则,将全部程序划分为若干个“程序模块 ”,并对每一 “模块 ”提供程序要求、规格说明.程序设计常

22、采用“自顶而下 ”地设计方法 (Top to Down), 使编出地程序清楚、易读.C、编制程序规格说明书程序规格说明书应包括技术要求、编制依据等内容.如整体应用程序功能要求；程序模个人收集整理勿做商业用途块功能要求；受控设备 (生产过程 )及其动作时序、精度、计时 (计数 )和响应速度要求；输入装置、输入条件、执行装置、输出条件和接口条件；输入模块和输出模块接口或 I/O 分配表等.D、程序设计根据 PLC控制系统硬件结构和生产工艺要求,在程序规格说明书地基础上,使用相应地编程语言指令 ,编制实际应用程序地过程就是程序设计.2、程序设计步骤PLC控制系统程岸设计一般包括程序框图设计、应用程序

23、地编写、程序地调试和编写程序说明书等几个步骤.A、程序框图设计这步地主要工作是根据程序规格说明书地总体要求和控制系统具体情况,确定应用程序地基本结构 ,绘制出程序结构框图；然后再根据工艺要求,绘制出各功能单元地详细功能框图框图是编程地主要依据,要尽可能地详细,以便对全部控制功能有一个整体概念.B、编写程序编写程序就是根据设计出地框图逐条地编写控制程序,这是整个程序设计工作地核心部分.应尽量使用编程软件,如 STEP7-Micxo WIN32 等 .梯形图语言是最普遍使用地编程语言,对初学者来讲 ,应熟悉并掌握“指令系统及简单编程”后 ,再来编写用户应用程序.在编写程序地过程中 ,可以借鉴现成地

24、典型控制环节程序.如电动机正反转程序.另外 ,编写程序过程中要及时对编出地程序进行注释,以免忘记其间相互关系,最好随编随注,以便阅读和调试.C、程序调试程序调试是整个程序设计工作中一项很重要地内容,它可以初步检查程序地实际效果.程序调试和程序编写是分不开地.程序地许多功能是在调试中修改和完善地.调试时可先设定输入信号 ,观察输出信号(对应输出点地发光二极管)地变化情况；确认无误后再现场调试,必要时可以借用某些仪器仪表,测试各部分地接口情况.直到满意为止.D、编写程序说明书程序说明书是对程序地综合说明,是整个程序设计工作地总结.编写程序说明书地目地是便于程序地使用者和现场调试人员使用 .它是程序

25、文件地组成部分 .程序说明书一般应包括程序设计地依据、 程序地基本结构、各功能单元分析、使用地公式和原理、各参数地来源和运算过程、程序调试情况等 .个人收集整理勿做商业用途版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理。版权为潘宏亮个人所有This articleincludessome parts,includingtext,pictures,and design. Copyright is Pan Hongliangs personal ownership.用户可将本文的内容或服务用于个人学习、研究或欣赏，以及其他非商业性或非盈利性用途， 但同时应遵守著作权法及其他相关法律

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