第八章 PLC 应用设计举例

1. 第八章 PLC应用设计举例 • 8.1 PLC的应用设计方法 • 8.2 应用实例

2. 1 系统设计的原则与内容 设计原则 (1) 最大限度地满足被控设备或生产过程的控制要求； (2) 在满足控制要求的前提下，力求简单、经济，操作方便； (3) 保证控制系统工作安全可靠； (4) 考虑到今后的发展改进，应适当留有进一步扩展的余地。

3. 设计内容 (1) 拟定控制系统设计的技术条件，它是整个设计的依据； (2) 选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构； (3) 选定PLC的型号； (4) 编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图； (5) 根据系统要求编写软件说明书，然后再进行程序设计； (6) 重视人机界面的设计，增强人与机器之间的友善关系； (7) 设计操作台、电气柜及非标准电器元部件； (8) 编写设计说明书和使用说明书。

4. 1)深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求1)深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求 2)确定I/O设备，常用的输入设备有按钮、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯、电磁阀等。 3)选择合适的PLC类型， 根据已确定的用户I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型。 4)分配I/O点，编制出输入/输出端子的接线图。 5)设计应用系统梯形图程序，这一步是整个应用系统设计最核心的工作。 2 系统设计和调试的主要步骤

5. 6)．将程序输入PLC，当使用计算机上编程时，可将程序下载到PLC中。6)．将程序输入PLC，当使用计算机上编程时，可将程序下载到PLC中。 7)．进行软件测试，在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误。 8)．应用系统整体调试，在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试。调试中发现的问题要逐一排除，直至调试成功。 9)．编制技术文件， 系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。

6. 3 PLC选型 在满足控制要求的前提下，选型时应选择最佳的性能价格比，具体应考虑以下几点。 1)．性能与任务相适应 2)．PLC的处理速度应满足实时控制的要求 3)．PLC应用系统结构合理、机型系列应统一 4)．在线编程和离线编程的选择

7. 4、PLC容量估算 PLC容量包括两个方面：一是I/O的点数，二是用户存储器的 容量。 1）．I/O点数的估算 根据功能说明书，可统计出PLC系统的开关量I/O点数及模拟量I/O通道数，以及开关量和模拟量的信号类型。应在统计后得出I/O总点数的基础上，增加10％～15％的裕量。选定的PLC机型的I/O能力极限值必须大于I/O点数估算值，并应尽量避免使PLC能力接近饱和，一般应留有30％左右的裕量。

8. 2）. 存储器容量估算 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的估算。根据经验，每个I/O点及有关功能器件占用的内存大致如下： 所需存储器容量(KB)＝(1～1.25)×(DI×10＋DO×8＋AI/O×100＋CP×300)/1024 其中：DI为数字量输入总点数；DO为数字量输出总点数；AI/AO为模拟量I/O通道总数；CP为通信接口总数。

9. 5 、 I/O模块的选择 1）．开关量输入模块的选择 PLC的输入模块用来检测来自现场(如按钮、行程开关、温控开关、压力开关等)电平信号，并将其转换为PLC内部的低电平信号。开关量输入模块按输入点数分，常用的有8点、12点、16点、32点等；按工作电压分，常用的有直流5 V、12 V、24 V，交流110 V、220 V等；按外部接线方式又可分为汇点输入、分隔输入等。

10. 2）．开关量输出模块的选择 输出模块的任务是将PLC内部低电平的控制信号转换为外部所需电平的输出信号，驱动外部负载。输出模块有三种输出方式：继电器输出、双向可控硅输出和晶体管输出。 输出方式的选择 继电器输出价格便宜，使用电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，且有隔离作用。但继电器有触点，寿命较短，且响应速度较慢，适用于动作不频繁的交/直流负载。当驱动电感性负载时，最大开闭频率不得超过1 Hz。 晶闸管输出(交流)和晶体管输出(直流)都属于无触点开关输出，适用于通断频繁的感性负载。感性负载在断开瞬间会产生较高的反压，必须采取抑制措施。

11. 输出电流的选择 模块的输出电流必须大于负载电流的额定值，如果负载电流较大，输出模块不能直接驱动，则应增加中间放大环节。对于电容性负载、热敏电阻负载，考虑到接通时有冲击电流，故要留有足够的裕量。 允许同时接通的输出点数 在选用输出模块时，还要看整个输出模块的满负荷能力，如OMRON公司的CQM1-OC222是16点输出模块，每个点允许通过电流2 A(AC250 V/DC24 V)。但整个模块允许通过的最大电流仅8 A。

12. 6 分配输入/输出点 一般输入点与输入信号、输出点与输出控制是一一对应的；在个别情况下，也有两个信号用一个输入点的，那样就应在接入输入点前，按逻辑关系接好线(如两个触点先串联或并联)，然后再接到输入点。 1）. 明确I/O通道范围 不同型号的PLC，其输入/输出通道的范围是不一样的，应根据所选PLC型号，弄清相应的I/O点地址的分配。

13. 2）. 内部辅助继电器 内部辅助继电器不对外输出，不能直接连接外部器件，而是在控制其他继电器、定时器、计数器时作数据存储或数据处理用。根据程序设计的需要，应合理安排PLC的内部辅助继电器，在设计说明书中应详细列出各内部辅助继电器在程序中的用途，避免重复使用。 3）．分配定时器/计数器 对用到定时器和计数器的控制系统，注意定时器和计数器的编号不能相同。若扫描时间较长，则要使用高速定时器以保证计时准确。

14. 5 安全回路设计 安全回路起保护人身安全和设备安全的作用，它应能独立于PLC工作，并采用非半导体的机电元件以硬接线方式构成。 确保系统安全的硬接线逻辑回路，在以下几种情况下将发挥安全保护作用：① PLC或机电元件检测到设备发生紧急异常状态时；② PLC失控时；③ 操作人员需要紧急干预时。 设计安全回路的任务包括以下内容： (1) 确定控制回路之间逻辑和操作上的互锁关系； (2) 设计硬回路以提供对过程中重要设备的手动安全性干预手段； (3) 为PLC定义故障形式和重新启动特性。

15. 8 PLC应用软件设计的内容 PLC应用软件的设计是一项十分复杂的工作，它要求设计人员既要有PLC、计算机程序设计的基础，又要有自动控制的技术，还要有一定的现场实践经验。 一个实用的PLC软件工程的设计通常要涉及以下几个方面的内容： (1) PLC软件功能的分析与设计； (2) I/O信号及数据结构分析与设计；

16. (3) 程序结构分析与设计； (4) 软件设计规格说明书编制； (5) 用编程语言、PLC指令进行程序设计； (6) 软件测试； (7) 程序使用说明书编制。

17. 9 PLC应用系统的软件设计步骤 根据可编程序控制器系统硬件结构和生产工艺要求，在软件规格说明书的基础上，编制实际应用程序并形成程序说明书的过程就是应用系统的软件设计。

18. 1）. 制定设备运行方案 制定方案就是根据生产工艺的要求，分析各输入、输出与各种操作之间的逻辑关系，确定需要检测的量和控制的方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。据此便可画出流程图。 2）. 画控制流程图 对于较复杂的应用系统，需要绘制系统控制流程图，用以清楚地表明动作的顺序和条件。对于简单的控制系统，可省去这一步。

19. 3）. 制定系统的抗干扰措施 根据现场工作环境、干扰源的性质等因素，综合制定系统的硬件和软件抗干扰措施，如硬件上的电源隔离、信号滤波，软件上的平均值滤波等。 4）. 编写程序 根据被控对象的输入/输出信号及所选定的PLC型号分配PLC的硬件资源，为梯形图的各种继电器或接点进行编号，再按照软件规格说明书(技术要求、编制依据、测试)，用梯形图进行编程。

20. 5）. 软件测试 刚编写好的程序难免有缺陷或错误。为了及时发现和消除程序中的错误和缺陷，需要对程序进行离线测试。经调试、排错、修改及模拟运行后，才能正式投入运行。 6）. 编制程序使用说明书 当一项软件工程完成后，为了便于用户和现场调试人员的使用，应对所编制的程序进行说明，说明书应包括程序设计的依据、结构、功能、流程图，各项功能单元的分析，PLC的I/O信号，软件程序操作使用的步骤、注意事项等。

21. 8.2 应用实例 • 1 、异步电动机Y-△起动控制 任务描述 Y-△起动是交流鼠笼型电动机的降压起动方式之一，这种降压起动方式适用于正常运转时为△接的交流鼠笼型电动机。在起动过程中将电机定子绕组接成Y形起动，起动电流是直接起动的三分之一，达到规定的速度后（或者经过一定的时间），再将电动机的定子绕组切换成△形运行。Y-△起动控制的原理图和时序图如图11-2所示。

22. 图11-2 Y-△起动控制的原理图和时序图

23. 方案选择及地址分配 1. 方案选择 由于系统的输入/输出点较少(3I/3O)且控制任务比较简单，所以选用S7-200的CPU222(8I/6O)完成控制，而且控制任务中只涉及到延时控制，采用S7-200的基本指令即可完成控制。 2. 编程元件的地址分配 ① 输入/输出地址分配 采用CPU222控制的电动机Y-△起动的输入/输出接线如图11-3所示,其输入/输出地址分配如表11-1所示. 图11-3 电动机Y-△起动的输入/输出接线

24. 表11-1 输入/输出继电器地址分配 编程元件 I/O端子 电路器件 作用 输入继电器 I0.0 SB2 起动按钮 I0.1 SB1 停止按钮 I0.2 FR 过载保护 输出继电器 Q0.0 KM1 电源接触器 Q0.1 KM2 Y接触器 Q0.2 KM3 △接触器 编程元件 编程地址 PT值 作用 辅助继电器 M0.0 -- 起动/停止控制 定时器 T37 50(5s) 起动时间 ②其他编程元件地址分配表如表11-2所示 表11-2 其他编程元件地址分配表

25. 程序设计 采用PLC控制的梯形图如图11-4所示（参考）。 图11-4异步电动机Y-△起动控制梯形图程序

26. 2机床顺序控制 任务描述 某组合机床动力头初始位置停在最左边（见图11-5），行程开关SQ1接通，系统控制要求如下： （1）系统启动后，动力头的进给运动如图11-5所示。工作一个循环后，返回初始位置延时10s后，进入下一个循环的运行。 （2）若断开控制开关，必须将当前的运行过程结束（即退回初始位置）后才能自动停止运行。 （3）动力头的运行状态取决于电磁阀线圈的通、断电，对应关系如表11-3所示。表中的“+”表示该电磁阀线圈通电，“-”表示该电磁阀线圈不通电。

27. 动作 YV1 YV2 YV3 YV4 快进 - + + - 工进1 + + - - 工进2 - + - - 快退 - - + + 图11-5 某机床动力头运行工艺简图 表11-3 某机床动力头运行对应关系表

28. 编程元件 I端子 电路器件 作用 编程元件 O端子 电路器件 作用 输入继电器 I0.0 SA 启/停开关 输出继电器 Q0.0 YV1 电磁阀1 I0.1 SQ1 限位开关 Q0.1 YV2 电磁阀2 I0.2 SQ2 限位开关 Q0.2 YV3 电磁阀3 I0.3 SQ3 限位开关 Q0.3 YV4 电磁阀4 I0.4 SQ4 限位开关 I0.5 SB 急停按钮 方案选择及地址分配 1．方案选择 由控制任务可以看出，本例需要一个启/停开关、4个限位开关，一个急停按钮，它们是PLC的输入元件；系统还需要4个电磁阀，它们是PLC的输出执行元件，可选用CPU222（8I/6O）来完成控制。 由控制任务描述可知机床动力头的工作步数和相应的转换条件，这是一个非常典型的顺序控制系统，可选用步进指令编程方法进行设计，由于每个步和步之间的转换条件是单向进行的，可采用单流程步进指令结构。 ① 输入/输出地址分配如表11-4所示。 表11-4 输入/输出继电器地址分配

29. 编程元件 编程地址 PT值 作用 顺序控制继电器 S0.0～0.6 -- 存放各工作步 定时器 T37 100(10s) 循环间延时 ②其他编程元件地址分配表如表11-5所示 表11-5 其他编程元件地址分配表

30. 程序设计 步进控制程序可借助状态流程图来编程，该机床动力头的状态流程图如图11-6所示。采用PLC控制的梯形图及语句表程序如图11-7所示（参考）。 图11-6 某机床动力头的状态流程图

31. 图11-7 某机床动力头的参考程序

32. 3 交通路口信号灯控制 控制要求 在十字路口南北方向以及东西方向均设有红、黄、绿三只信号灯，六只信号灯依一定的时序循环往复工作。信号灯受电源总开关控制，接通电源，信号灯系统开始工作；关闭电源，所有的信号灯都熄灭。当程序运行出错，东西与南北方向的绿灯同时点亮时，程序自动关闭。在晚上车辆稀少时，要求交通灯处于下班状态，即两个方向的黄灯一直闪烁。 在信号灯工作期间，东西以及南北方向的红灯为长亮，时间为30 s，在红灯亮时的最后2 s，东西以及南北方向的黄灯同时点亮，时间为2 s，东西以及南北方向的绿灯为长亮25 s，然后闪烁3 s。红绿灯示意图如图11-8所示，具体要求如表11-6所示。 图11-8 十字路口交通信号灯示意图

33. 东西方向 信号灯 绿灯亮 绿灯闪亮 黄灯亮 红 灯 亮 黄灯亮 信号时间 25s 3s 2s 2s 30s 南北方向 信号灯 红 灯 亮 绿灯亮 绿灯闪亮 黄灯亮 黄灯亮 信号时间 2s 25s 3s 2s 30s 表11-6 交通灯控制具体要求

34. 采用S7-200 （一）系统配置 根据信号控制要求，如果采用S7-200控制，可选用CPU222，其I/O接线及其分配如图11-9所示。图中用一个输出点驱动两个信号灯，如果PLC输出电流不够，可以用一个输出点驱动一个信号灯，也可以在PLC输出端增设中间继电器，由中间继电器再去驱动信号灯。 图11-9 交通灯PLC I/O接线图

35. （二）程序设计 1．用基本逻辑指令编程 十字路口交通信号灯控制的时序图如图11-10所示。用基本逻辑设计的信号灯控制梯形图如图11-11所示。 图11-10 十字路口交通信号灯控制的时序图

36. 图11-11 用基本指令控制的十字路口交通信号灯 按下白天启动按钮I0.0，系统进入上班状态，工作时序如图11-10所示；按下夜间按钮I0.1，系统进入下班状态，只有黄灯闪烁；按下停止按钮I0.2，信号系统终止运行，所有信号灯熄灭。

37. 2．用步进指令编程 以为十字路口交通信号灯分为上班状态和下班状态，即存在选择结构；东西和南北方向同时显示，即存在并行结构。其信号系统的状态转移图如图11-所示。 采用步进指令编程，重要的是状态转移图的绘制，从状态转移图转换成梯形图或语句表非常简单（格式化）。但是在转化过程中需注意以下几点（图11-13 只给出了将流程图转化成梯形图中最关键也是最易出错的部分）： （1）由状态转移图可以看出，系统总体上属于选择结构（上班/下班选择），但是其中最主要的上班状态的流程图结构属于并行结构，两种结构的开始转化为梯形图较为简单，如图11-13中段S0.0所示，并行结构的结束转化为梯形图就相对复杂（如图11-13标注处），在并行结构中必须所有分支全部结束任务才可进行并行汇总，即除了最后一条并行分支的其它分支结束段中不能有段转移指令（SCRT），而在最后一条分支的结束段用S/R指令完成段的结束和转移。 （2）虽然在S7-200的编程中允许同一输出继电器多次使用，但是只有最后一次的输出有效（跳转指令除外）。所以对于同一输出继电器的多个控制条件应采用并联之后在输出，如图11-13中，东西方向的绿灯，应是常亮状态和闪烁状态中亮的时间段并联；所有黄灯输出应是所有情况下有可能黄灯亮的时间段进行并联输出的结果。 图11-12 十字路口信号系统的状态转移图

38. 图11-13 采用步进指令编程的部分梯形图

39. 下班状态中间继电器 M2.2 南北黄灯 Q4.4 定时器 T0～T6，T10，T11 南北红灯 Q4.5 序号 名称 型号 说明 槽位号 1 CPU模块 313-1AE01-0AB0 CPU313 2 2 电源模块 307-1EA00-0AA0 PS307 1 3 开关量输入模块 321-1BH01-0AA0 SM321 4 4 开关量输出模块 322-1BH01-0AA0 SM322 5 5 前连接器 390-1AJ00-0AA0 20针型 类型 信号名称 地址 类型 信号名称 地址 输入元件 上班按钮 I0.0 .输出元件 东西绿灯 Q4.0 下班按钮 I0.1 东西黄灯 Q4.1 电源开关 I0.2 东西红灯 Q4.2 内部编程元件 上班状态中间继电器 M2.1 南北绿灯 Q4.3 采用S7-300 1．控制系统的硬件设计 （1）硬件配置 控制系统中，PLC的具体配置如表11-7所示。 表11-7 PLC配置说明 （2）I/O地址分配 控制系统中I/O地址及编程元件地址分配见表11-8。 表11-8 I/O地址及编程元件地址分配一览表

40. 1．程序设计 本例因功能比较简单，采用线性化编程，OB1中程序（梯形图编程方式）如图11-14所示 图11-14 十字路口信号系统的S7-300程序

41. 4、机械手工件取放控制 一、工艺过程与控制要求 1．工艺过程 图11-15是这种机械手的动作示意，其过程并不复杂。一共6个动作，分三组，即上升/下降、左移/右移和放松/夹紧。 机械手动作的流程图如图11-16所示。 图11-16 机械手动作的流程图 图11-15 机械手的动作示意图

42. 控制要求 机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单周期和连续操作方式。 手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一步运动单独进行控制。例如，当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械手下降；按下停止按钮，机械手上升。当选择左/右运动时，按下启动按钮，机械手右移；按下停止按钮，机械手左移。当选择夹紧/放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧；按下停止按钮，机械手放松。 单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。 连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中若按一下停止按钮，机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。

43. 一、操作面板布置 操作面板布置如图11-17所示。 图11-17 机械手操作面板布置图。 图中用“单操作”表示手动操作方式。按照加载选择开关所选择的位置，用启动/停止按钮选择加载操作。例如，当加载选择开关打到“左/右”位置时，按下启动按钮，机械手左行；按下停止按钮，机械手右行。用上述方法，可使机械手停在原点。 单周期操作方式。机械手在原点时，按下启动按钮，自动操作一个周期。 连续操作方式。机械手在原点时，按下启动按钮，自动、连续地执行周期性循环。当按下停止按钮，机械手完成当前周期动作后自动回到原点停车。

44. 一、采用S7-200控制 1．输入/输出端子地址分配 该机械手控制系统所采用的PLC是德国西门子公司生产的S7-200 CPU224。图11-18是S7-200 CPU224输入/输出端子地址分配图。该机械手控制系统共使用了13个输入点，6个输出点。 图11-18 机械手I/O端子接线

45. 1．整体程序结构 机械手的整体程序结构如图11-19所示。 图11-19 机械手控制系统S7-200整体程序结构

46. 图11-20 单操作梯形图 图11-21 自动操作功能图

47. 图11-22 自动操作梯形图

48. 编程元件 I/O端子 信号名称 说明 编程元件 I/O端子 信号名称 说明 输入 继电器 I0.0 启动 按钮 I1.2 连续 选择开关 I0.1 下限 限位开关 I1.3 左/右 手动方式，和启动/停止按钮配合使用 I0.2 上限 限位开关 I1.4 上/下 10.3 右限 限位开关 I1.5 夹/紧 I0.4 左限 限位开关 输出 继电器 Q4.0 下降 电磁阀 I0.5 有工件 光耦合器 Q4.1 上升 电磁阀 I0.6 停止 按钮 Q4.2 夹紧 电磁阀 I0.7 -- 没用 Q4.3 右行 电磁阀 I1.0 单操作 选择开关 Q4.4 左行 电磁阀 I1.1 单周期 选择开关 Q4.5 原点指示 指示灯 采用S7-300控制 1．硬件配置 在机械手操作面板（图11-17）上共有8个输入点，外加机械手装置上的4个限位（上、下、左、右）和1个工件检测，整个机械手控制系统一共需要13个输入点，输出点较少，共6个。不需要模拟量模块。选择S7-300系列的CPU313，加上一块16点的输入模块SM321和一块8点的输出模块SM322就可满足控制要求。 2．I/O地址分配 将SM321安装在4号槽，SM322安装在5号槽，将系统的I/O分别连接到S7-300 PLC的输入/输出模块，形成的I/O地址分配见表11-9。 表11-9 I/O地址分配表

49. 1．机械手程序设计 （1）逻辑功能块FC（子程序） 系统主要由手动程序（单操作控制方式）和自动程序（包括连续和单周期两种方式）两大部分组成。手动方式的程序在FC1内编辑，其梯形图程序如图11-23所示；自动方式的程序在FC10内编辑，其梯形图程序如图11-24所示。 图11-23 手动控制程序

50. 图11-24 自动控制程序