3.3 PLC应用控制系统的设计（课件）《PLC技术及应用》（高教版·第2版）同步精品课堂

任务3.3 PLC应用控制系统的设计 《PLC技术及应用》（高教版·第2版） 同步精品课堂—中职专业课 学习目标 01 03 02 给定“小型物料分拣装置”需求（含4个数字量输入传感器、3个数字量输出执行元件），分析控制需求，确定I/O点数及冗余量，选择适配的PLC主机型号、电源模块，并说明选型依据，形成简要选型报告。 基于上述分拣装置需求，绘制PLC与外部设备的硬件接线图，采用顺序控制设计法绘制程序流程图，再转化为梯形图程序，确保接线逻辑与程序逻辑一致。 将编写的程序下载至PLC实训台，模拟物料分拣场景运行，观察设备动作；针对预设的“接线松动、程序逻辑错误”等故障，通过指示灯状态和程序监控定位并解决问题。 学习目标 课前导入 同学们，想象一段是工人手动分拣物料效率低、易出错的场景，另一段是PLC控制的自动分拣线高效运行的画面。提问：“自动分拣线的精准控制核心是什么？”引出PLC控制系统。再展示一套简单分拣装置的实物模型，追问：“要让这个模型自动运行，需解决哪些问题？”引导学生说出“选什么PLC、怎么接线、怎么编程、怎么调试”，自然导入本节课四大核心知识点。 PLC控制系统的设计要求设计者除了掌握必要的电气设计基础知识外，还必须反复实践，深人生产现场，将积累的经验应用到设计中。 设计时，虽然各种工业控制系统的功能、要求不同，但所遵循的设计原则、步骤却基本相同。那么，PLC 控制系统在设计时有哪些步骤?又应遵循什么原则呢？ PLC应用控制系统的设计 问题引入 如图 3-17所示，PLC控制系统的设计一般包括系统规划、硬件设计、软件设计、系统调试及编制技术文档5个步骤。 需要注意的是，在设计的过程中始终要遵循的其本原则为：在最大限度满足被控对象控制要求的前提下，力求使控制系统简单可靠、经济实用、维护方便，并便于更新和升级以适应发展的需要。 PLC应用控制系统的设计 随着 PLC功能的不断提高和完善，PLC几乎可以完成工业控制领域的所有任务。但PLC还是有它最适合的应用场合，所以在接到一个控制任务后，要分析被控对象的控制过程和要求，综合判断用PLC来完成该任务是否最合适。 确定采用PLC后，当依据PLC控制系统设计调试流程进行设计时，仍需考虑许多因素。 PLC应用控制系统的设计 1.PLC 型号的选择 PLC产品种类繁多，同一厂家也常常推出几个系列产品。这些产品的功能、1/0 点数、用户存储器容量、运算速度和结构形式各有不同，价格上也有较大差异。在选择PLC的型号时，主要从是否能满足被控对象的需求，而又不浪费机器的性能来考虑。 还需要考虑PLC的I0端子数在满足控制系统要求外，还应留有10%~15%的余量，以做备用或系统扩展时使用。 PLC应用控制系统的设计 2.PLC 控制系统的硬件设计 硬件设计阶段，设计人员需根据前期系统规划完成电气控制原理图、接线图、元件布置图等基本图样的设计工作。在设计过程中，不能因为 PLC 具有灵活、通用的特点，而将全部控制均通过软件解决，只是进行 PLC IO 信号的简单连接，还应从以下方面考虑: (1)输入点的简化 ① 输入点的合并 PLC应用控制系统的设计 PLC应用控制系统的设计 如图3-18所示，要设置3处电动机的启动按钮和停止按钮可以将3个启动按钮(SB1、SB2和SB3)并联，将3个停止按钮(SB4、SB5和SB6)串联，分别送人PLC的两个输入点。与每个启动按钮或停止按钮均占用一个输入点的方法相比，这种方法不仅节约了输入点数，还简化了梯形图程序。为此，如果某些外部输入信号总是以某种“与或非”串联或并联组合的整体形式出现在梯形图中，可以将它们对应的触点在PLC外部串联、并联后作为一个整体输入 PLC，只占用 PLC的一个输入点。 PLC应用控制系统的设计 ② 分时分组输入 如图 3-19 所示，某系统有自动和手动两种工作方式，它们不会同时执行敵倪自动和手动这两种工作方式分别使用的输入量可以分成两组输入。X0用来输入自动和手动命令信号，供自动程序和手动程序切换之用。 为此，有些输入信号可以按输入时机分成几组。注意:图 3-19 中，“二极管”用于切断寄生电路，若采用“源型”输入时，应改变二极管“方向” ③ 用 PLC 的程序减少多余的输入点如图 3-20(a)所示，有自动、半自动和手动3种控制方式的切换输入;在程序上可用自动和半自动的“非”来表示手动，可节省一点输入，如图 3-20(b)所示。为此，如果 PLC 程序能够判断输入信号的状态，则可以减少一些多余的输入。 PLC应用控制系统的设计 ④ 将信号设置在 PLC 外部如图 3-21所示，手动操作按钮(SB1、SB2)和控制的输出接点相并联，电动机热继电器的动断触点(FR1、FR2)和控制的输出接点相串联，可以节省大量的输入点，并可以简化梯形图。(有些手动按钮可能还需要串联一些安全联锁触点;而如果外部硬件联锁电路过于复杂，则应考虑将有关信号送入PLC，用梯形图程序实现联锁。) PLC应用控制系统的设计 为此，系统的某些输入信号，如手动操作按钮、电动机热继电器FR 的动断触点等提供的信号，可以设置在 PLC 外部的硬件电路中。 (2)输出点的简化 如图3-22所示，在PLC的输出功率允许的条件下，系统中通/断状态完全相同、电压(电流)一致的负载，可以共用一个输出点来驱动。 PLC应用控制系统的设计 (3)危险负载的防护 如图 3-23 所示，除了在 PLC的控制程序中加以考虑外，还应在PLC 外部设计紧急停机电路。 PLC应用控制系统的设计 3.PLC 控制系统的软件设计 PLC控制系统的软件设计主要是编制PLC用户程序;在有条件时，对复杂程序还应进行模拟与仿真试验。在设计过程中，对于一些特定的功能通常有相对固定的设计方法。 (1)经验设计法 即在一些基本控制程序或典型控制程序的基础上，根据被控制对象的具体要求，进行选择组合，并多次反复调试和修改梯形图。 PLC应用控制系统的设计 有时需增加一些辅助触点和中间编程元件，才能达到控制要求的设计方法。 一般用于控制方案简单、I0端子数规模不大的控制系统的梯形图设计。 (2)移植设计法 即根据原有的继电器电路图经过适当的“翻译”，直接转换为具有相同功能的PLC梯形图程序的设计方法。一般用于对原有继电器控制系统的改造。 三相交流异步电动机-单向连续运转控制： PLC应用控制系统的设计 如图 3-25所示，①首先根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理;② 在此基础上，依据控制回路确定 PLC的输人信号和输出负载;③在绘制 PLC 的外部接线图时，建议尽可能用动合触点作为 PLC 的输入信号，以符合编程逻辑习惯;④ 根据上述的对应关系画出梯形图。 PLC应用控制系统的设计 若控制回路中有中间继电器、时间继电器，还需确定它们在PLC 内部的辅助继电器、定时器的编号。 (3)顺序功能图设计法(SFC) 即根据系统的功能图，以步为核心，以各步之间的转换条件为触发信号，以各步对应的动作功能为驱动输出，从首步开始一步一步地设计梯形图，直至完成整个程序为止的设计方法。一般用于复杂的控制系统，尤其是带有跳转和循环的自动控制程序。 PLC应用控制系统的设计 4、现场调试 在设计和模拟调试程序的同时可以设计、制作控制台或控制柜，PLC之外的其他硬件的安装，接线工作也可以同时进行。完成以上工作后，将 PLC安装到控制现场，进行联机总调试，并及时解决试时发现的软件和硬件方面的问题。 系统交付使用后，应根据调试的最终结果，整理出完整的技术文件，如硬件接线图、带注释的程序，以及必要的文字说明等。 PLC应用控制系统的设计 课堂练习 1.下列不属于PLC程序设计方法的是（ ） A. 经验设计法 B. 顺序控制设计法 C. 硬件接线设计法 D. 功能表图设计法 答案：C 解析： 硬件接线设计法是PLC硬件设计的内容，经验设计法、顺序控制设计法等均为软件程序的设计方法。 课堂练习 2.现场调试中，若程序下载后执行无反应，首先应检查（ ） A. 输出设备是否损坏 B. PLC是否处于“运行”模式 C. 输入信号是否正常 D. 电源电压是否稳定 答案：B 解析： PLC需处于“运行（RUN）”模式才能执行程序，若处于“停止（STOP）”模式，即使程序正确也无法运行，这是最基础的检查项。 课堂练习 3.选择PLC电源模块时，需匹配的参数是（ ） A. 输入电压等级 B. I/O点数 C. 程序容量 D. 扫描周期 答案：A 解析： 电源模块的核心参数是输入电压（如AC 220V或DC 24V），需与现场供电条件匹配；I/O点数、程序容量与CPU相关，扫描周期是PLC性能指标。 课堂练习 4.PLC硬件设计中，用于保护输出回路的元件是（ ） A. 电阻 B. 电容 C. 熔断器 D. 二极管 答案：C 解析： 熔断器可在输出回路出现过载或短路时熔断，保护PLC输出模块及外部执行元件；二极管常用于感性负载续流，电阻、电容多用于滤波或限流。 课堂练习 5.顺序控制设计法中，核心是划分（ ） A. 输入信号 B. 输出信号 C. 步序 D. 逻辑关系 答案：C 解析： 顺序控制设计法基于设备的动作顺序，将整个控制过程划分为若干“步序”，按步序依次执行控制逻辑，步序划分是该方法的核心。 课堂练习 6.现场调试时，若某一输出点无动作，但指示灯亮，可能的原因是（ ） A. 程序错误 B. 输出模块接线松动 C. PLC未运行 D. 输入信号缺失 答案：B 解析： 输出指示灯亮说明PLC已发出输出指令，无动作可能是外部接线松动、接触不良或输出设备损坏；程序错误、未运行或输入缺失会导致指示灯不亮。 课堂练习 7.下列哪种PLC通信方式适用于远距离、多设备连接（ ） A. 点对点通信 B. 现场总线通信 C. 串口通信 D. USB通信 答案：B 解析： 现场总线（如PROFINET、Modbus RTU）支持多节点、远距离通信，适用于工业现场多PLC或设备间的联网；USB、串口通信多用于近距离点对点连接。 课堂练习 8.PLC程序设计中，注释的作用是（ ） A. 增加程序容量 B. 方便程序阅读与维护 C. 提高程序运行速度 D. 实现逻辑控制 答案：B 解析： 程序注释用于说明指令、触点或程序段的功能，不影响程序运行，主要作用是方便后续的程序阅读、修改与维护。 课后作业 针对“自动上料小车（含2个行程开关、1个启动按钮、2个电机正反转输出）”需求，完成PLC选型并撰写选型说明。 绘制上述上料小车的PLC硬件接线图，标注端子编号及设备型号。 用顺序控制设计法绘制上料小车“启动-前进-到位停止-后退-复位”的程序流程图。 课堂小结 $