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PLC控制系统设计的基本原则和主要内容

1.   设计基本原则

    为了实现被控对象的工艺要求，以提高生产效率和产品质量。

1.      PLC的选择除了应满足技术指标的要求外，还应重点考虑该公司产品技术支持与售后服务情况。（尽量选择主流产品）

2.      **限度地满足被控对象的控制要求。

3.      在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便。

4.      保证控制系统得安全、可靠。

5.      考虑到生产的发展和工艺的改进，在选择PLC容量时，应适当留有余量。

2.   设计的主要内容

1.      拟定控制系统设计的技术条件。技术条件一般以设计任务书的形式来确定，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.      根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计；

6.      了解并遵循用户认知心理学，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；

I/O分配                                   

 

3．邮件分拣控制梯形图

 

图2  邮件分拣控制梯形图

图2 （续）

图2 （续）

 

 

4、邮件分拣控制语句表

 

西门子S7 PLC自由通信口模式的应用（打印机和条形码阅读程序）

西门子S7 PLC的自由通信口模式(Freeport Mode)的通信协议可自由定义，通信所需要的信息存放在特殊存储字节SMB30中，用户须作如下说明:     奇偶校验     每个字符的位数     波特率    自由通信口模式可以接收和发送数据。本例用一个仿真的打印机程序来描述数据发送，再用一个条形码阅读程序来说明数据接收。 例图 打印机程序框图 打印机程序和注解       此程序描述向打印机发送数据。为了简化此例，窗口下的终端程序可代替打印机作为接收器边接。打印泪L或终端的组态特性为9600波特，无奇偶校验，每字符8位。       本程序长度为13个字 //正确设置自山通信日模式对此应用很重要。 //所需信息装载在特殊存储字节SMB30中。 //这些输入数据可从操作手册中查询。 //发送命令XM丁包含了发送信息缓冲区的起始地址，该地址单元中只包含了发送信息的长度(以字节为单位)。 条形码阅读器程序框图 条形码阅读器程序和注解 该程序描述数据接收，条形码阅读器通过接日把读到的数据用自山通信日模式发给SIMATIC S7-200。为简化此例，窗口下的终端程序可代替条形码阅读器作为发送器连接。 本程序长度为15个字。

加热炉送料系统——仿STL指令的编程方式梯形图举例

对于没有STL指令的PLC，也可以仿照STL指令的设计思路来设计顺序控制梯形图，这就是下面要介绍的仿STL指令的编程方式。

如图5-33所示为某加热炉送料系统的功能表图与梯形图。除初始步外，各步的动作分别为开炉门、推料、推料机返回和关炉门，分别用Y0、Y1、Y2、Y3驱动动作。X0是起动按钮，X1～X4分别是各动作结束的限位开关。与左侧母线相连的M300～M304的触点，其作用与STL触点相似，它右边的电路块的作用为驱动负载、指定转换条件和转换目标，以及使前级步的辅助继电器复位。

 

 

图5-33  加热炉送料系统的功能表图与梯形图

由于这种编程方式用辅助继电器代替状态器，用普通的常开触点代替STL触点，因此，与使用STL指令的编程方式相比，有以下的不同之处：

1）与代替STL触点的常开触点（如图5-33中M300～M304的常开触点）相连的触点，应使用AND或ANI指令，而不是LD或LDI指令。

2）在梯形图中用RST指令来完成代表前级步的辅助继电器的复位，而不是由系统程序自动完成。

3）不允许出现双线圈现象，当某一输出继电器在几步中均为“1”状态时，应将代表这几步的辅助继电器常开触点并联来控制该输出继电器的线圈。

S7-200系列PLC乘除法指令应用举例梯形图

S7-200系列PLC乘除法指令应用举例，程序如图1所示。

 

LD  I0.0

MUL AC1 VD100

DIV  VW10 VD200图1

注意：因为VD100包含：VW100和VW102两个字，VD200包含：VW200和VW202两个字，所以在语句表指令中不需要使用数据传送指令。

S7-200CPU上的通信口是与RS-485兼容的9针D型连接器，符合欧洲标准EN 50170。下表给出了通信口的引脚分配。

 

表1  S7-200 CPU通信口引脚分配

连接器	针	PROFIBUS名称	端口0/端口1
	1	屏蔽	逻辑地
	2	24V返回	逻辑地
	3	RS-485信号B	RS-485信号B
	4	发送申请	RTS(TTL)
	5	5V返回	逻辑地
	6	+5V	+5V，100Ω串联电阻
	7	+24V	+24V
	8	RS-485信号A	RS-485信号A
	9	不用	10位协议选择
	连接器外壳	屏蔽	屏蔽

STEP7软件故障诊断基础

1. 建立项目文件及程序

建立新项目文件

选择Program/S7 Program.建立程序

选择Insert/S7 Block/Function 建立“功能”

选择编程语言LAD/FBD/STL

STEP7软件的编程元素

输入/显示方式的转换

建立数据块

数据格式及示例

   2. 程序测试及诊断

信号状态监视（FBD）

信号状态监视（LAD）

状态变量监控与修改

建立PLC的符号地址表

 

3. 硬件组态

SIMATIC S7的硬件组态

S7-300 PLC的可组态选件

选择CPU模板及信号模板等

确定MPI站地址

确定时钟存储器字节地址

建立PLC系统的MPI/DP/IE网络

插入PROFIBUS子站

 比较指令用于比较累加器2与累加器1中的数据大小。比较时应确保两个数的数据类型相同，数据类型可以是整数、长整数或实数．若比较的结果为真，则RLO为1，否则为0。比较指令影响状态字，用指令测试状态字有关位，可得到两个数更详细的情况。

 

例3.5.1：

比较存储字MW10和输入字IW10中整数的大小。如果两个整数相等，则输出Q 4.0为1；若MW10中的数大，则输出Q 4.1为1；若IW10中的数大，则输出Q 4.2为1。

L  MW 10   // **个待比较的数装入累加器1

 L  IW      // 第二个待比较的数装入累加器l，**个数被装入累加器2

 ＝＝I

 ＝ Q 4.0   // 若(MW 10)＝(IW10)，则Q 4.0为l，否则为0

 ＞I

 ＝ Q 4.1   // 若(MW 10)＞(1W10)，则Q 4.1为1，否则为0

 ＜I

 ＝ Q 4.2   // 若(MWl0)＜(IWl0)，则Q 4．2为l，否则为0

PLC的系统程序和用户程序各是指什么

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合。它包括系统程序和用户程序。
（1）系统程序
       系统程序包括监控程序、编译程序及诊断程序等。监控程序又称为管理程序，主要用于管理全机。编译程序用来把程序语言翻译成机器语言。诊断程序用来诊断机器故障。系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能直接存取，故也不需要用户干预。
（2）用户程序
        用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的程序语言编制的应用程序，用以实现各种控制要求。用户程序由用户用编程器键入到PLC内存。小型PLC的用户程序比较简单，不需要分段，而是顺序编制的。大中型PLC的用户程序很长，也比较复杂，为使用户程序编制简单清晰，可按功能结构或使用目的将用户程序划分成各个程序模块。按模块结构组成的用户程序， 每个模块用来解决一个确定的技术功能，能使很长的程序编制得易于理解，还使得程序的调试和修改变得很容易。
        对于数控机床来说，数控机床PLC中的用户程序由机床制造厂提供，并已固化到用户 EPROM中，机床用户不需进行写入和修改，只是当机床发生故障时，根据机床厂提供的梯形 图和电气原理图，来查找故障点，进行维修。

 1.板上安装的所有电气控制器件的名称、型号、工作电压参数，按钮的颜色等，都应正确无误，安装要牢固，在醒目处应贴上各器件的文字符号。

    2.连接导线可采用的颜色

    (1) 接地保护导线(PE)必须采用黄绿双色线;

    (2) 三相电源U, V, W分别采用黄、绿、红三色;

    (3) 交流控制电路采用红色;

    (4) 直流控制电路采用蓝色。

    3.导线的绝缘和耐压要符合电路要求;进行控制板内部布线，要求走线横平竖直、整齐、合理，接点不得松动;进行控制板外部布线，对于可移动的导线应放适当的余量，使绝缘套管(或金属软管)在运动时不承受拉力。

    4.安装时按钮的相对位置及选择的颜色

      (1)“停止”按钮应置于“启动”按钮的下方或左侧，当用两个“启动”按钮

控制相反方向时，“停止”按钮可装在中间。

    (2)“停止”和“急停”用红色，“启动”用绿色。

    5.安装指示灯的颜色

        红—危险或报警

        黄—警告

        绿—安全

        白—电源开关接通

可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）简要介绍

可编程控制器是60年代末在美国首先出现，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。PLC的基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内。控制器和被控对象连接方便。

随着半导体技术，尤其是微处理器和微型计算机技术的发展，到70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是逻辑判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用微处理器的优点。

可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺，因此可在初步设计阶段选用可编程控制器，在实施阶段再确定工艺过程。另一方面，从制造生产可编程控制器的厂商角度看，在制造阶段不需要根据用户的订货要求专门设计控制器，适合批量生产。由于这些特点，可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎，并得到迅速的发展。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的应用。

可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构。通常由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O）、电源和编程器等几个部分组成。

1．中央处理单元（CPU） 

CPU作为整个PLC的核心，起着总指挥的作用。CPU一般由控制电路、运算器和寄存器组成。这些电路通常都被封装在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线、控制总线与存储单元、输入输出接口电路连接。CPU的功能有以下一些：从存储器中读取指令，执行指令，取下一条指令，处理中断。 

2．存储器（RAM、ROM）

 存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。存放系统软件的存储器称为系统程序存储器;存放应用软件的存储器称为用户程序存储器；存放工作数据的存储器称为数据存储器。常用的存储器有RAM、EPROM和EEPROM。RAM是一种可进行读写操作的随机存储器存放用户程序，生成用户数据区，存放在RAM中的用户程序可方便地修改。RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池做备用电源。掉电时，可有效地保持存储的信息。EPROM、EEPROM都是只读存储器。用这些类型存储器固化系统管理程序和应用程序。

 3．输入输出单元（I/O单元） 

I/O单元实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。I/O单元有良好的电隔离和滤波作用。接到PLC输入接口的输入器件是各种开关、按钮、传感器等。PLC的各输出控制器件往往是电磁阀、接触器、继电器，而继电器有交流和直流型，高电压型和低电压型，电压型和电流型。  

4．电源  

PLC电源单元包括系统的电源及备用电池，电源单元的作用是把外部电源转换成内部工作电压。PLC内有一个稳压电源用于对PLC的CPU单元和I/O单元供电。 

5．编程器  

编程器是PLC的**外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。除此以外，在个人计算机上添加适当的硬件接口和软件包，即可用个人计算机对PLC编程。利用微机作为编程器，可以直接编制并显示梯形图。

PLC可编程序控制器系统设计要求

1．**限度地满足被控对象的控制要求。设计前，应深入现场进行调查研究，搜集资料，并与相关部分的设计人员和实际操作人员密切配合，共同拟定控制方案，协同解决设计中出现的各种问题。

    2．在保证控制系统的安全、可靠的前提下，力求使控制系统简单、经济，使用及维修方便，满足控制要求。

    3．考虑到生产的发展，工艺的改进及系统扩充，在选择可编程控制器的CPU模板及I/O模板时，应适当留有余量。

1．确定系统运行方式与控制方式。PLC可构成各种各样的控制系统，如单机控制系统、集中控制系统等。在进行应用系统设计时，要确定系统的构成形式。

    2．选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号灯等执行元件)以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁阀等)。这些设备属于一般的电气元件，其选择的方法属于其他课程的内容。

    3．PLC的选择。PLC是控制系统的核心部件，正确选择PLC对于保证整个控制系统的技术经济指标起着重要的作用。选择PLC应包括机型选择、容量选择、I／O模块选择、电源模块选择等。

    4．分配I／0点，绘制I／0连接图，必要时还须设计控制台(柜)。

    5．设计控制程序。控制程序是整个系统工作的软件，是保证系统正常、安全、可靠的关键。因此控制系统的程序应经过反复调试、修改，直到满足要求为止。

    6．编制控制系统的技术文件，包括说明书、电气原理图及电气元件明细表、I／0连接图、I／O地址分配表、控制软件。

串联型稳压电路

    有放大和负反馈作用的串联型稳压电路是**常用的稳压电路。它的电路和框图见图 4 （ b ）、（ c ）。它是从取样电路（ R3 、 R4 ）中检测出输出电压的变动，与基准电压（ V Z ）比较并经放大器（ VT2 ）放大后加到调整管（ VT1 ）上，使调整管两端的电压随着变化。如果输出电压下降，就使调整管管压降也降低，于是输出电压被提升；如果输出电压上升，就使调整管管压降也上升，于是输 出电压被压低，结果就使输出电压基本不变。在这个电路的基础上发展成很多变型电路或增加一些辅助电路，如用复合管作调整管，输出电压可调的电路，用运算放 大器作比较放大的电路，以及增加辅助电源和过流保护电路等。

    （ 3 ）开关型稳压电路

    近年来广泛应用的新型稳压电源是开关型稳压电源。它的调整管工作在开关状态，本身功耗很小，所以有效率高、体积小等优点，但电路比较复杂。

    开关稳压电源从原理上分有很多种。它的基本原理框图见图 4 （ d ）。图中电感 L 和电容 C 是储能和滤波元件，二极管 VD 是调整管在关断状态时为 L 、 C 滤波器提供电流通路的续流二极管。开关稳压电源的开关频率都很高，一般为几～几十千赫，所以电感器的体积不很大，输出电压中的高次谐波也不多。

    它的基本工作原理是 : 从取样电路（ R3 、 R4 ）中检测出取样电压经比较放大后去控制一个矩形波发生器。矩形波发生器的输出脉冲是控制调整管（ VT ）的导通和截止时间的。如果输出电压 U 0 因为电网电压或负载电流的变动而降低，就会使矩形波发生器的输出脉冲变宽，于是调整管导通时间增大，使 L 、 C 储能电路得到更多的能量，结果是使输出电压 U 0 被提升，达到了稳定输出电压的目的。

    （ 4 ）集成化稳压电路

    近年来已有大量集成稳压器产品问世，品种很多，结构也各不相同。目前用得较多的有三端集成稳压器，有输出正电压的 CW7800 系列和输出负电压的 CW7900 系列等产品。输出电流从 0.1A ～ 3A ，输出电压有 5V 、 6V 、 9V 、 12V 、15V 、 18V 、 24V 等多种。

    这种集成稳压器只有三个端子，稳压电路的所有部分包括大功率调整管以及保护电路等都已集成在芯片内。使用时只要加上散热片后接到整流滤波电路后面就行了。外围元件少，稳压精度高，工作可靠，一般不需调试。

    图 4 （ e ）是一个三端稳压器电路。图中 C 是主滤波电容， C1 、 C2 是消除寄生振荡的电容 ,VD 是为防止输入短路烧坏集成块而使用的保护二极管。

五、电源电路读图要点和举例

    电源电路是电子电路中比较简单然而却是应用**广的电路。拿到一张电源电路图时，应该： ① 先按“整流 — 滤波 — 稳压”的次序把整个电源电路分解开来，逐级细细分析。 ② 逐级分析时要分清主电路和辅助电路、主要元件和次要元件，弄清它们的作用和参数要求等。例如开关稳压电源中，电感电容和续流二极管就是它的关键元件。 ③ 因为晶体管有 NPN 和 PNP 型两类，某些集成电路要求双电源供电，所以一个电源电路往往包括有不同极性不同电压值和好几组输出。读图时必须分清各组输出电压的数值和极性。在组装和维 修时也要仔细分清晶体管和电解电容的极性，防止出错。 ④ 熟悉某些习惯画法和简化画法。 ⑤ **后把整个电源电路从前到后全面综合贯通起来。这张电源电路图也就读懂了。

    例 1 电热毯控温电路

    图 5 是一个电热毯电路。开关在“ 1 ”的位置是低温档。 220 伏市电经二极管后接到电热毯，因为是半波整流，电热毯两端所加的是约 100 伏的脉动直流电，发热不高，所以是保温或低温状态。开关扳到“ 2 ”的位置， 220 伏市电直接接到电热毯上，所以是高温档。

   例 2 *电子灭蚊蝇器

    图 6 是利用倍压整流原理得到小电流直流*电的灭蚊蝇器。 220 伏交流经过四倍压整流后输出电压可达 1100 伏，把这个直流*加到平行的金属丝网上。网下放诱饵，当苍蝇停在网上时造成短路，电容器上的*通过苍蝇身体放电把蝇击毙。苍蝇尸体落下后，电容器又被 充电，电网又恢复*。这个*电网电流很小，因此对人无害。

可编程序控制器的产生

上世纪60年代，计算机技术已开始应用于工业控制了。但由于计算机技术本身的复杂

性，编程难度高、难以适应恶劣的工业环境以及价格昂贵等原因，未能在工业控制中广泛应用。当时的工业控制，主要还是以继电—接触器组成控制系统。

1968年，美国**的汽车制造商——通用汽车制造公司（GM），为适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时间，降低成本。因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，用 “面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能方便地使用。即：

硬件： 减少

软件： 灵活 简单

针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的**条件(有名的“GM10条” )：

1 编程简单，可在现场修改程序序

2 维护方便，**是插件式

3 可靠性高于继电器控制柜

4 体积小于继电器控制柜

5 可将数据直接送入管理计算机

6 在成本上可与继电器控制柜竞争                     

7输入可以是交流115V

8输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀

9 在扩展时，原有系统只要很小变更

10 用户程序存储器容量至少能扩展到4K

1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功**台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。

接着，美国国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。

1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本**台可编程序控制器DSC-8。1973年，西欧国家也研制出了他们的**台可编程序控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。主要用于：1. 逻辑运算  2. 计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。所以，通常称为可编程序逻辑控制器（PLC—Programmable Logic Controller）。  进入70年代，随着微电子技术的发展，PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。因此，实际上应称之为PC——可编程序控制器。

至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PC得到了惊人的发展。使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，成为实现工业生产自动化的一大支柱。