可编程控制器原理与实践(三菱FX2N系列)第6章 PL

原创 2020-07-07 21:19  阅读

  可编程控制器原理与实践(三菱FX2N系列)第6章 PLC控制系统应用设计_幼儿读物_幼儿教育_教育专区。可编程控制器原理与实践(三菱FX2N系列)第6章 PLC控制系统应用设计

  第7章 PLC控制系统应用设计 ? 教学提示:PLC控制系统的设计主要包括系统总体设计、 软件设计和安装调试等方面的内容。PLC控制系统必须经 过周密的设计才能付诸实施,否则将会造成意想不到的浪 费,更严重的是可能引发严重的安全事故。本章主要介绍 了PLC控制系统的设计原则、方法、步骤和内容,设计与 实施过程中应该注意的事项。 ? 教学目标:通过本章的学习,读者可以了解PLC控制系统 的设计原则、方法、步骤和设计内容,设计与实施过程中 应该注意的事项,学会选择合适的PLC设计出合理的PLC 控制系统。 7.1 PLC控制系统设计的步骤和内容 7.2 可编程控制器控制系统的可靠性设计 7.3 三菱FX2N系列PLC在电梯自动控制中的应用 7.1 PLC控制系统设计的步骤和内容 7.1.1 PLC控制系统设计的原则和步骤 7.1.2 PLC系统硬件组成 7.1.3 PLC的程序设计 7.1.4 系统调试与改进 7.1.5 系统的安装 7.1.1 PLC控制系统设计的原则和步骤 1.可编程控制器控制系统设计的原则 ? 一个实际的PLC控制系统是以PLC为核心组成的 电气控制系统,实现对生产设备和工业过程的自 动控制,以提高生产效率和产品质量。在设计PLC 控制系统时,应遵循以下基本原则。 1) 最大限度地满足被控对象的控制要求 ? 充分发挥PLC的功能,最大限度地满足被控对象 的控制要求,是设计PLC控制系统的最基本和最 重要的要求,也是设计中最重要的一条原则。这 就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查 研究,收集控制现场的资料和相关国内、国外的 先进资料。同时要注意和现场的工程管理人员、 工程技术人员、现场操作人员紧密配合,拟定控 制方案,共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 2) 确保PLC控制系统的安全可靠 ? 保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定地 运行,是设计控制系统的重要原则。这就要求设 计者在系统设计、元器件选择和软件编程上全面 考虑,以确保控制系统安全可靠。尤其是在以提 高产品数量和质量,保证生产安全为目标的应用 场合,必须将可靠性放在首位。 3) 力求PLC控制系统简单、经济、使用及维修方便 ? 在满足控制要求和保证可靠工作的前提下,应力 求控制系统结构简单。只有结构简单的控制系统 才具有经济性、实用性的特点,才能做到使用方 便和维护容易。这就要求设计者不仅应该使控制 系统简单、经济,而且要使控制系统的使用和维 护方便、成本低,不宜盲目追求自动化和高指标。 4) 适应发展的需要 ? 由于技术的不断发展,控制系统的要求也将不断 地提高,设计时要适当考虑到今后控制系统发展 和完善的需要。这就要求在选择PLC、输入/输出 模块、I/O点数和内存容量时,要适当留有余量, 以满足今后生产的发展和工艺的改进。 2.可编程控制器控制系统设计的步骤 1) 分析被控对象并提出控制要求 ? 详细分析被控对象的工艺过程、工作特点、控制系统的控 制过程、控制规律、功能和特点,了解被控对象机、电、 液之间的配合,提出被控对象对PLC控制系统的控制要求, 确定控制方案,包括控制的基本方式、所需要完成的功能、 必要的保护和报警等。 ? 详细了解被控对象的全部功能,如各部件的动作过程、动 作条件、与各仪表的接口、是否与PLC或计算机或其他智 能设备相连等。还要详细了解输入/输出信号的性质,是 开关量、模拟量等,并在以上工作的基础上清楚的查询到 接入PLC信号的数量,以便选择合适的PLC。 2) 确定输入/输出设备 ? 根据系统的控制要求,确定系统所需的全部输入 设备(如按钮、位置开关、转换开关及各种传感器 等)和输出设备(如接触器、电磁阀、信号指示灯 及其他执行器等),从而确定与PLC有关的输入/输 出设备,以确定PLC的I/O点数。 3) 选择合适的PLC ? PLC的选择包括对PLC的机型、容量、开关输入量的点数 以及输入电压、开关输出量的点数以及输出功率、模拟量 I/O的点数、通信网络、电源等的选择。 4) I/O点分配 ? 分配PLC的I/O点,画出PLC的I/O端子与输入/输出设备的 连接图或分配表。在连接图或分配表中,必须指定每个 I/O对应的模块编号、端子编号、I/O地址、对应的输入/输 出设备等。 5) 设计软件及硬件 (1) PLC程序设计的一般步骤 ① 根据工艺流程和控制要求,画出系统的功能图或流程图。 ② 根据I/O分配表或I/O端子接线图,将功能图和流程图转化 成梯形图。 (2) 硬件设计及现场施工的一般步骤 ① 设计控制柜布置图、操作面板布置图和接线端子图等。 ② 设计控制系统各部分的电气图。 ③ 根据图纸进行现场接线) 调试程序 ? 先进行模拟调试,然后再进行系统调试。调试时可模拟用 户输入设备的信号给PLC,输出设备可暂时不接,输出信 号可通过PLC主机的输出指示灯监控通断变化,对于内部 数据的变化和各输出点的变化顺序,可在上位计算机上运 行软件的监控功能,查看运行动作时序图,或者借助于编 程器的监控功能。 ? 模拟调试和控制柜等硬件施工完成后,就可以进行整个系 统的现场联机调试。现场调试是指将模拟调试通过的程序 结合现场设备进行联机调试。通过现场调试,可以发现在 模拟调试中无法发现的实际问题,然后逐一排除这些问题, 直至调试成功。 7) 编写有关技术文件 ? 技术文件主要包括技术说明书、使用说明书、电 气原理图、接线端子图、PLC梯形图和电器布置 图等,完成整个PLC控制系统的设计。 ? 以上是设计一个PLC控制系统的大致步骤。具体 的系统设计要根据系统规模的大小、控制要求的 复杂程度、控制程序步数的多少来灵活处理,有 的步骤可以省略,也可进行适当的调整。 7.1.2 PLC系统硬件组成 1.PLC机型的选择 ? 目前,PLC的种类非常繁多,不同种类之间的功能设置差 异很大,这就要求用户在选择PLC时,不要盲目地追求功 能强大,而是在满足控制系统功能需要的前提下,力争最 好的性价比,并有一定的可升级性。 1) 结构形式的选择 ? 在小型控制系统中,当使用环境条件较好、维修量较小、 工艺流程相对固定的一般选用整体式结构的PLC;当环境 条件较差、维修量较大、工艺流程较复杂、相对变动较大 的控制系统中,一般选用模块式结构的PLC。 2) 功能的选择 ? 由于一般小型(低档)PLC具有逻辑运算、定时、计 数等功能,对于只需要开关量控制的设备都可满 足。对于需要模拟量控制的系统,可选用能带 A/D和D/A转换单元,具有加减算术运算、数据传 送功能的增强型低档PLC。对于控制较复杂,要 求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能, 可视控制规模大小及复杂程度,选用中档或高档 PLC。 3) 响应速度的选择 ? PLC是为工业自动化设计的通用控制器,不 同档次PLC的响应速度一般都能满足其应用 范围内的需要。如果要跨范围使用PLC,或 者某些功能或信号有特殊的速度要求时, 则应该慎重考虑PLC的响应速度,可选用具 有高速I/O处理功能的PLC,或选用具有快 速响应模块和中断输入模块的PLC等。 4) 系统可靠性的要求 ? 对于一般系统PLC的可靠性均能满足。对于控制要求较高 的系统(比如实现PID运算、闭环控制等控制系统),应选 用中档机或高档机,并考虑是否采用冗余控制系统。 5) 机型统一 ? 对于一个企业来说,应尽量做到PLC机型统一。这样,同 一机型的PLC模块互为备用,便于备件的采购和管理,同 时由于其机型统一,资源可以共享,便于相互通信集中管 理。 2.PLC容量的选择 ? PLC容量包括I/O点数和用户程序存储器两个方面。 1) I/O点数的估算 ? 首先确定控制系统的I/O点数,然后再留有15%~ 20%数量的备用量。控制系统I/O点数加上备用的 I/O点数就是所需的I/O总点数。 2) 存储容量的选择 ? 用户程序存储器容量与许多因素有关,如I/O点数、 运算处理量以及程序的结构等,因此不可能预先 准确地计算出程序容量,只能作粗略的估算。一 般用户存储容量=(开关量输入点数×10+开关量输 出点数×5+模拟量输入输出点数×100)字节。为 了使用方便,一般应留有估算容量的30%~50% 的余量。对于经验缺乏者,留有的余量应更大些。 3.开关量输入/输出模块的选择 ? 不同的开关量I/O模块的电路组成不同,开关量I/O模块的 选择主要是根据I/O点数、电路结构、电压形式、电压范 围等方面。 1) 开关量输入模块的选择 (1) 输入信号类型的选择 ? 常用的开关量输入模块的输入信号类型有直流输入、交流 输入和直流/交流输入3种。直流输入电源一般为DC24V, 交流输入电源一般为AC110V或AC220V (2) 输入接线方式的选择 ? 开关量输入模块的接线有共点式输入接线方式和 分组式输入接线方式两种方式 。 COM COM1 IN0 IN1 IN0 IN1 PLC IN2 . . . . . . IN2 ~ PLC COM2 INn 图7.1 共点式输 入方式 IN3 IN4 IN5 图7.2 分组式输 入方式 2) 开关量输出模块的选择 (1) 输出方式的选择 ? 开关量输出模块的输出方式有继电器输出、晶体管输出和 双向可控硅输出三种。直流负载应选用晶体管输出方式或 继电器输出方式;交流负载应选用双向可控硅输出方式或 继电器输出方式。通断动作频繁,应该选用晶体管输出方 式或双向可控硅输出方式;通断动作频率较低的负载,应 选用继电器输出方式。用户应该根据不同的负载类型来选 取不同的输出方式,这对系统的稳定运行是很重要的。 (2) 输出接线方式的选择 ? 开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线 方式。分组式输出接线是几个输出点为一组,一 组有一个公共端,各组之间是分隔的,可分别用 于驱动不同电源的外部输出设备;分隔式输出接 线是每一个输出点就有一个公共端,各输出点之 间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电 源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC 既有分组式输出,也有分隔式输出。 PLC COM0 OUT0 OUT1 OUT2 COM1 OUT3 OUT4 OUT5 ~ COM0 OUT0 PLC ~ COM1 OUT1 COM2 OUT3 ~ (a) 分组式输出 (b) 分隔式输出 图7.3 开关量输出块的 接线. 特殊功能模块的选择 ? 在设计PLC控制系统时,可能会遇到一些用开关 量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块不能解决 的问题,比如定位、高速计数、PLC通信、PID运 算等。此时就应该考虑所选的PLC供应厂商是否 提供这些特殊功能模块。 5. PLC编程方式的选择 ? PLC的编程方式有两种:指令编程器和编程软件。 指令编程器主要用于小型PLC,其控制规模小, 编程简单。对于中型和大型PLC,主要用编程软 件进行编程。现在,随着笔记本电脑的普及和应 用,编程软件应用的场合越来越广。 6. PLC环境因素的考虑 ? 虽然大部分的PLC都能在相对恶劣的环境条件中 可靠地工作,但是不同的PLC都有自己的环境性 能指标,用户在选用时,应对环境因素予以充分 的考虑。 7.1.3 PLC的程序设计 1.PLC程序的内容 ? PLC控制系统的功能就是通过程序来实现的。PLC程序的 内容通常包括初始化程序;检测、故障诊断和显示程序; 保护和联锁程序。初始化程序的主要内容包括将某些数据 区和计数器进行清零、使某些数据区恢复所需数据、对某 些输出量置位或复位以及显示某些初始状态等。应用程序 一般都设有检测、故障诊断和显示程序等内容。保护和联 锁程序是杜绝由于非法操作而引起的控制逻辑混乱,保证 系统的运行更安全、更可靠。 2.PLC程序设计的要求 ? 选用同一个机型的PLC实现同一个控制要求,采用不同的设计方法所 编写的程序,其结构不同。尽管程序可以实现同一控制功能,但是程 序的质量却可能差别很大。一个程序的质量可以由以下几个方面来衡 量:一是程序的正确性。所谓正确的程序必须能经得起系统运行实践 的考验。二是程序的可靠性。应用程序要保证系统在正常和非正常工 作条件下都能安全可靠地运行,也能保证在出现非法操作(如按动或 误触动了不该动作的按钮)等情况下不至于出现系统控制失误。三是 参数的调整性。容易通过修改程序或参数而改变系统的某些功能。四 是程序要简练。编写的程序简练,减少程序的语句,一般可以减少程 序扫描时间,提高PLC对输入信号的响应速度。五是程序的可读性。 程序不仅仅给设计者自己看,系统的维护人员也要看。 3.PLC程序设计的常用方法 1) 经验法编程 ? 经验法编程就是根据工艺流程和控制要求,运用自己的或 者别人的经验进行设计。通常在设计前先选择与自己控制 要求相近的程序,再结合自己工程的实际情况,对程序进 行修改,使之适合自己的工程要求。 ? 对简单的控制系统来说,采用经验设计法进行设计是比较 有效的,可以快速地完成软件的设计。但是对于比较复杂 的控制系统,则很少采用经验设计法。 2) 图解法编程 ? 图解法是靠画图来进行PLC程序设计。常见的主要有梯形 图法、逻辑流程图法、时序流程图法和步进顺控法。 (1) 梯形图法 ? 梯形图法是用梯形图语言去编写PLC程序。这是一种模仿 继电器控制系统的编程方法。其图形及元件名称都与继电 器控制电路十分相近。这种方法很容易就可以把原继电器 控制电路移植成PLC的梯形图语言。 (2) 逻辑流程图法 ? 逻辑流程图法是用逻辑框图来表示PLC程序的执 行过程,反应输入与输出的关系。逻辑流程图法 是把系统的工艺流程用逻辑框图表示出来。这种 方法类似于高级语言的编程方法(先画程序流程 图,然后再编程),由于该方法详细描述了控制 系统的控制过程,便于分析控制程序、查找故障 点、调试和维护程序。 (3) 时序流程图法 ? 时序流程图法是首先画出控制系统的时序图(即到 某一个时间应该进行哪项控制的控制时序图),再 根据时序关系画出对应的控制任务的程序框图, 最后把程序框图转换成PLC程序。时序流程图法 很适合于以时间为基准的控制系统的编程。 (4) 步进顺控法 ? 步进顺控法是在顺控指令的配合下设计复杂的控制程序。 复杂的程序一般都可以分成若干个功能比较简单的程序段, 一个程序段可以看成整个控制过程中的一步。从总体上看, 一个复杂系统的控制过程是由这样若干个环节组成的。控 制系统的任务实际上可以认为在不同时刻或者在不同进程 中去完成对各个环节的控制。为此,不少PLC生产厂家在 自己的PLC中增加了步进顺控指令。在画完各个步进的状 态流程图之后,可以利用步进顺控指令方便地编写控制程 序。 7.1.4 系统调试与改进 ? PLC系统的调试分为硬件调试和程序调试。通常 这两部分是相互关联、紧密联系的。硬件调试主 要是测试PLC控制系统的接线是否正确,PLC控 制器及其模块是否正常工作。外部接线一定要正 确,特别是要注意电源线短路这种情况,因为电 源短路将会烧坏系统元器件,甚至烧坏PLC。 ? 如果接线正确,则可以通电查看PLC系统的运行 情况,这主要依赖PLC本身的报错指示灯,一般 报错指示灯亮表明系统有错误,当然这有可能是 PLC程序及配置参数出错,也有可能是PLC本身 硬件出错,可根据系统的实际情况来判断,找出 故障并及时修复。 ? PLC程序的调试可以分为模拟调试和现场调试两 个调试过程。 1.程序的模拟调试 ? 用户程序一般先在实验室模拟调试。将设计好的程序写入 PLC,用开关和按钮来模拟实际的输入信号,各输出量的 通断状态用PLC上有关的发光二极管来显示,一般不用 PLC与实际的负载(如接触器、电磁阀等)连接。可以根据 功能表图,在适当的时候用开关或按钮来模拟实际的反馈 信号,如限位开关触点的接通和断开。 ? 在调试时应充分考虑各种可能的情况,对系统各种不同的 工作方式、各种可能的进展路线,都应逐一检查,不能遗 漏。发现问题后应及时修改梯形图和PLC中的程序,直到 在各种可能的情况下输入量与输出量之间的关系完全符合 要求。 2.程序的现场调试 ? 完成上述的工作后,将PLC安装在控制现场进行 联机总调试,在调试过程中将暴露出系统中可能 存在的传感器、执行器和接线等方面的问题,以 及PLC的外部接线图和梯形图程序设计中的问题, 应对出现的问题及时加以解决。如果调试达不到 指标要求,则对相应硬件和软件部分作适当调整, 通常只需要修改程序就可能达到调整的目的。全 部调试通过后,经过一段时间的考验,系统就可 以投入实际的运行了。 7.1.5 系统的安装 ? 小型PLC外壳的4个角上都有安装孔。安装的方法 有两种。一是用螺钉固定,不同的单元有不同的 安装尺寸;另一种是利用PLC底板土的DIN导轨 安装杆将系统所需要的PLC组件如基本单元、扩 展单元、A/D转换单元、D/A转换单元及I/O连接单 元安装在DIN导轨上。为了使控制系统工作可靠, 通常把PLC安装在有保护外壳的控制柜中,以防 止灰尘、油污和水溅。 1.电源接线 ? PLC的供电电源为50Hz、220(1+10%)V的交流电。 FX系列PLC有直流24V输出接线端。该接线端可 为输入传感器(如光电开关或接近开关)提供直流 24V电源。 2.接地保护措施 ? 良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件,可以避免偶 然发生的电压冲击带来的危害。PLC一般应与其他设备分 别采用各自独立的接地装置,如图7.4(a)所示。若有其他 因素影响而无法做到,可与其他设备公用一个接地装置, 如图7.4(b)所示。但是,禁止使用串联接地的方式,如图 7.4(c)所示,或者把接地端子接到一个建筑物的大型金属 框架上,因为此种接地方式会在各设备间产生电位差,会 对PLC产生不利影响。PLC接地导线Ω。 PLC PLC 其他 设备 其他 设备 PLC 其他 设备 (a) (b) (c) 图7.4 PLC接地 3.直流24V接线端 ? 使用无源触点的输入器件时,PLC内部24V电源 通过输入器件向输入端子提供每点7mA的电流。 COM端子是直流24V的公共接地端。如果采用扩 展单元,则应将基本单元和扩展单元的24V端连 接起来。任何外部电源都不能接到这个端子上。 4.输入接线 ? PLC一般接收行程开关、限位开关等输人的开关 量信号。输入接线端子是PLC与外部传感器负载 转换信号的连接端口。输入器件可以是任何无源 的触点或集电极开路的NPN型晶体管。输入器件 接通时,输入端接通,输入回路闭合,同时输入 指示的发光二极管亮。 5.输出接线 ? 输出端接线分为独立输出和公共输出。当PLC的 输出继电器或晶闸管动作时,相应的输出端与公 共端之间接通。在不同组中,可采用不同类型(直 流或交流)和电压等级的输出电压。但在同一组中 的输出只能用同一类型、同一电压等级。 7.2 可编程控制器控制系统的可靠性设计 7.2.1 硬件系统的可靠性设计 7.2.2 软件系统的可靠性设计 7.2.3 采用冗余系统或热备用系统 7.2.1 硬件系统的可靠性设计 1.合适的工作环境 1) 适当的环境温度 ? 通常PLC工作的环境温度约在0℃~55℃。因此, 在安装PLC时,四周要有足够的通风散热空间; 不要把PLC安装在阳光直接照射或离暖气、加热 器、大功率电源等发热器件很近的场所;安装 PLC的控制柜要有通风的百叶窗,当控制柜温度 太高时,则应该在柜内安装风扇强迫通风。 2) 适当的环境湿度 ? PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于85%,以保证 PLC的绝缘性能。湿度太大会影响模拟量输入/输出装置的 精度。因此,不能将PLC安装在结露、雨淋的场所。 3) 注意环境污染 ? 在有大量污染物(如灰尘、油烟、铁粉等)、腐蚀性气体和 可燃性气体的场所,易造成元件及印刷线路板的腐蚀,因 此不宜PLC的安装。如果只能安装在这种场所,在温度允 许的条件下,可以将PLC封闭;或将PLC安装在密闭性较 高的控制室内,并安装空气净化装置。 4) 远离振动和冲击源 ? 安装PLC的控制柜应当远离有强烈振动和冲击的场所,尤 其是连续、频繁的振动。必要时要采取相应措施来减轻振 动和冲击的影响,以免造成接线) 远离强干扰源 ? PLC应远离强干扰源,如大功率晶闸管装置、高频设备和 大型动力设备等,同时PLC还应该远离强电磁场和强放射 源,以及易产生强静电的地方。 2.安装与布线) 电源安装 ? 电源是干扰进入PLC的一条主要途径。PLC系统 的电源有两类:外部电源和内部电源。外部电源 是用来驱动PLC输出设备和提供输入信号的,同 一台PLC的外部电源允许有多种规格,其容量与 性能由输出设备和PLC的输入电路决定。由于 PLC的I/O电路都具有滤波、隔离功能,因此对外 部电源的要求不高。 ? 内部电源是PLC内部电路的工作电源,它的性能 好坏直接影响到PLC工作的可靠性。因此,为了 保证PLC的正常工作,对内部电源有较高的要求。 ? 在干扰较强或可靠性要求较高的场合,应该用带 屏蔽层的隔离变压器对PLC系统供电。还可以在 隔离变压器二次侧串接LC滤波电路。同时,在安 装时还应注意以下问题。 (1) 隔离变压器与PLC和I/O电源之间最好采用双绞线连接, 以控制串模干扰。 (2) 系统的动力线应足够粗,以降低大容量设备启动时引起 的线) PLC输入电路用外接直流电源时,最好采用稳压电源, 以保证正确的输入信号。否则可能使PLC接收到错误的信 号。 (4) 远离高压PLC不能在高压电器和高压电源线附近安装, 更不能与高压电器安装在同一个控制柜内。在柜内PLC应 远离高压电源线) 合理布线) I/O线、动力线及其他控制线应分开走线,尽量 不要在同一线) 交流线与直流线、输入线与输出线最好要分开走 线) 开关量与模拟量的I/O线最好要分开走线,对于 传送模拟量信号的I/O线最好用屏蔽线,且屏蔽线 的屏蔽层应一端接地。 (4) PLC的基本单元与扩展单元之间电缆传送的信号 小、频率高,很容易受干扰,不能与其他的连线 埋在同一线) PLC的I/O回路配线,必须使用压接端子或单股 线,不宜用多股绞合线直接与PLC的接线端子连 接,否则容易出现火花。 (6) 与PLC安装在同一控制柜内,虽不是由PLC控制 的感性元件,也应并联RC或二极管消弧电路。 3.采取有效的抗干扰措施 1) 选择抗干扰能力强的产品 ? 根据各厂家PLC抗干扰性能的优劣,选择有较高 抗干扰能力的产品,其包括了电磁兼容性(EMC), 尤其是抗外部干扰的能力。其次是共模拟制比、 耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁 场强度环境中工作等。特别要考察该型号PLC在 类似工作环境中的使用情况。 2) 采用性能好的电源 ? 由于电网对PLC控制系统的干扰主要通过PLC系统的供电 电源、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的 仪表供电电源等耦合进入。PLC系统的供电电源一般都采 用隔离性能较好的电源,对变送器的电源及与PLC有直接 电气连接的仪表的供电电源应选择分布电容小、采用多次 隔离和屏蔽及漏感技术的产品,以减少对PLC系统的干扰。 ? 此外,PLC电源要与整个供电系统的动力电源分开,一般 在进入PLC系统时加屏蔽隔离变压器。利用分离供电系统, 即将控制器、I/O通道和其他设备的供电采用各自的隔离 变压器分离开来,也有助于抑制电网干扰。 3) 电缆的选择和敷设 ? PLC控制系统的电路中有电源线、输入/输出线、 动力线和接地线,布线不当则会造成电磁感应和 静电感应等干扰,因此必须按照特定的要求布线。 布线时要将PLC的输入/输出线与其他控制线分开, 不要共用一条电缆。开关量信号线与模拟量信号 线也应分开布线,而且后者应采用屏蔽线,并且 将屏蔽层接地。数字传送线也要采用屏蔽线,并 且要将屏蔽层接地。 4) 安装中的抗干扰措施 (1) 滤波器、隔离稳压器应设在PLC控制柜的电源进线口处, 不让干扰进入控制柜内,或尽量缩短进线) PLC控制柜应尽可能远离高压柜、大动力设备和高频设 备。 (3) PLC要尽可能远离继电器之类的电磁线圈和容易产生电 弧的触点。 (4) PLC要远离发热的电气设备或其他热源,并放在通风良 好的位置上。 (5) PLC的外部要有可靠的防水措施,以防止雨水进入,造 成机器损坏。 (6) 正确选择接地点,完善接地系统。 5) 外围设备干扰的抑制 (1) PLC输入/输出端子的保护 ? 当输入信号源为感性元件,输出驱动的负载为感性元件时, 对于直流电路应在其两端并联续流二极管。对于交流电路, 应在其两端并联阻容吸收电路。其作用是为了防止在感性 输入或输出电路断开时产生很高的感应电动势或浪涌电流 对PLC的输入/输出端和内部电源的冲击。如果PLC的驱动 元件主要是电磁阀和交流接触器线圈,应在PLC的输出端 与驱动元件之间增加光电隔离的过零型固态继电器。 (2) 输入/输出信号的防错 ? 当输出元件为双向晶闸管或晶体管而外部负载又很小时, 又因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流,使输人电 路和外部负载电路不易关断,导致输入/输出信号的错误, 为此应在这类输入/输出端并联旁路电阻,以减小的输入 电流和外部负载上的电流。 (3) 冲击电流 ? 用晶体管或双向晶闸管输出模块驱动白炽灯之类的负载时, 输出端并联旁路电阻或与负载串联限流电阻。 3) 电磁干扰的抑制 ? PLC控制系统的电磁干扰分为共模干扰和差模干扰。共模 干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差及 空间电磁辐射等在信号线上感应的电压叠加所形成。共模 电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信 号,造成元器件损坏。这种共模干扰可为直流,也可为交 流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,主要由 空间电磁场在信号间的感应以及由不平衡电路转换共模干 扰所形成的电压。这种电压叠加在信号上,直接影响测量 与控制精度。为了保证PLC控制系统在工业环境中免受或 减少电磁干扰,一般采用隔离和屏蔽的方法。 7.2.2 软件系统的可靠性设计 ? 通过硬件要根本消除干扰的影响是不可能的,因此在PLC 控制系统的软件设计时,要进行抗干扰处理,进一步提高 系统的可靠性。 ? 对按钮、开关、继电器/接触器触点作为输入信号时,会 不可避免产生抖动,引起系统误动作,在这种情况下,可 采用定时器延时方法来去掉抖动,定时时间根据触点抖动 情况和系统要求的响应速度而定,这样可保证触点确实稳 定闭合(或断开)后才执行特定的处理任务。 ? 对于模拟信号可采用多种软件滤波方法来提高数 据的可靠性。常用的数字滤波方法有程序判断滤 波、中值滤波、滑动平均值滤波、防脉冲干扰平 均值滤波、算术平均值滤波、去极值平均滤波等。 ? 程序判断滤波适用于对采样信号因受到随机干扰或传感器 不稳定而引起的失真进行滤波。设计时根据经验确定两次 采样允许的最大偏差,如果先后两次采样的信号差值大于 偏差,表明输入是干扰信号,应去掉,用上次采样值作为 本次采样值。如果差值不大于偏差,则本次采样值有效。 ? 中值滤波是连续输入3个采样信号,从中选择中间值作为 有效采样信号。 ? 滑动平均值滤波是将数据存储器的一个区域(20个单元左 右)作为循环队列,每次数据采集时先去掉队首的一个数 据,再把新数据放人队尾,然后求平均值。 ? 去极值平均滤波是连续采样n次,求数据的累加和,同时 找出其中的最大值和最小值,从累加和中减去最大值和最 小值,再求(n-2)个数据的平均值将其作为有效的采样值。 ? 算术平均值滤波是将连续输入的n个采样数据的算术平均 值作为有效的信号。它不能消除明显的脉冲干扰,只是削 弱其影响。要提高效果可采用去极值平均滤波。 ? 防脉冲干扰平均值滤波是连续进行4次采样,去掉其中的 最大值和最小值,再求剩下的两个数据的平均值。 7.2.3 采用冗余系统或热备用系统 ? 某些控制系统要求有极高的可靠性,如化工、造 纸、冶金、核电站等。如果控制系统出现故障, 由此引起的停产或设备损坏就会造成极大的经济 损失或极其严重的事故。通过提高PLC控制系统 的自身可靠性满足不了要求,常采用冗余系统或 热备用系统来解决上述问题。 1.冗余系统 ? 所谓冗余系统是指系统中有备用的部分,没有它 系统照样工作。但在系统出现故障时,这备用的 部分能立即替代故障部分而使系统继续正常运行。 冗余系统一般是用在控制系统中最重要的部分(如 CPU模块),由两套相同的硬件组成。如果一套出 现故障,立即由另一套来控制。是否使用两套相 同的I/O模块,取决于系统对可靠性的要求程度。 ? 常见的情况是采用CPU冗余,两套CPU模块使用相同的程 序并行工作。其中一套为主CPU模块,一套为备用CPU模 块。在系统正常运行时,备用CPU模块的输出被禁止,由 主CPU模块来控制系统的工作。同时,主CPU模块还不断 通过冗余处理单元(RPU)同步地对备用CPU模块的I/O 映像寄存器和其他寄存器进行刷新。当主CPU模块发出故 障信息后,RPU在1~3个扫描周期内将控制功能切换到备 用CPU。I/O系统的切换也是由RPU来完成的。 2.热备用系统 ? 热备用系统的结构较冗余系统简单,虽然也有两 个CPU模块在同时运行一个程序,但没有冗余处 理单元RPU。两套CPU通过通信接口连在一起。 系统两个CPU模块的切换是由主CPU模块通过通 信口与备用CPU模块进行通信来完成的。当系统 出现故障时,由主CPU通知备用CPU,并实现切 换,其切换过程相对要慢一些。 7.3 三菱FX2N系列PLC在电梯自动 控制中的应用 ? 电梯是典型的机电一体化产品,有相当多的电梯 采用PLC来控制。FX2N系列PLC电梯控制系统功 能强、故障率低、工作可靠、寿命长。下面对一 个由三菱FX2N-48MR为主控的3层电梯的PLC控 制系统进行设计。 1.电梯控制的功能要求 1) 由司机或乘用人员控制 2) 采用轿厢外呼叫、轿厢内按钮控制形式。轿厢内、 外均由指令按钮进行操作。一楼设有厢外向上召 唤按钮SB3;二楼设有厢外向上召唤按钮SB4与 向下召唤按钮SB5;三楼设有厢外向下召唤按钮 SB6。厢内设有开门按钮SBl,关门按钮SB2;一 层内指令按钮SB7、二层内指令按钮层SB8及三 层内指令按钮SB9。 3) 电梯运行到指定位置后,具有自动开/关门的功能,也能 手动开门和关门。 4) 用指示灯显示电梯厢外的呼叫信号、电梯厢内的指令信号 和电梯到达信号。 5) 能自动判别电梯的运行方向,并发出相应的指示信号。 6) 电梯上下运行由一台主电机驱动。电机正转电梯上升;电 机反转电梯下降。 7) 电梯轿厢门由一台小功率电机驱动。电机正转厢门打开; 电机反转厢门关闭。 2.设计步骤 1) PLC选型及输入、输出地址分配 ? 根据控制要求,计算输入与输出点数,三层电梯 有22个输入信号,19个输出信号,选择三菱 FX2N-48MR型可编程控制器,可以满足控制系统 要求。输入信号及地址分配参见表7.1,输出信号 及地址分配参见表7.2。 ? 表7.1 输入信号及地址分配 ? 表7.2 输出信号及地址分配 2) 梯形图程序设计 ? 根据三层电梯控制的功能要求以及I/O点的地址分配表, 来设计PLC控制程序的梯形图。为作图方便起见,把程序 分成几段来设计。 (1) 层呼叫指示灯控制 ? 层呼叫指示灯控制梯形图如图7.5所示。当有乘客在电梯 轿厢外的某一层按下呼叫按钮SB3、SB4、SB5和SB6中 的任一个后,对应的输入点X010、X011、X012和X013 中的某一个就会闭合,同时所对应的层指示灯就亮,指示 有人呼叫。 一层向上呼叫指 示 二层向上呼叫指 示 二层向下呼叫指 示 三层向下呼叫指 示 一层内指令指示 灯 二层内指令指示 灯 三层内指令指示 灯 图 7.5 层呼叫指示灯控制 梯形图 ? 号一直保持到电梯到达该层指定位置,该层的接近开关 X017、X020和X021中的某一个动作时才被撤销。 (2) 电梯到层指示 ? 电梯到层梯形图如图7.6所示。X017、X020和X021分别 是一、二和三层的接近开关SQ5、SQ6和SQ7的输入点, Y022、Y023和Y024分别是一、二和三层楼面的指示灯E6、 E7和E8的输出点。辅助继电器M2和M3分别是一、三层和 二层指示灯互锁控制。当电梯到达某一层楼面后,只能有 该层的指示灯亮。 一、三 层 二层 一楼指示 二楼指示 三楼指示 图7.6 图 电梯到层梯形 (3) 电梯开门控制 ? 电梯开关门控制梯形图如图7.7所示,电梯开门控制分手 动和自动两种情况。 ① 手动开门时,当电梯运行到位后,按SB1,X000闭合, Y000得电并自锁,驱动开门继电器使电动机正转,轿厢 门打开。开门到位,开门行程开关SQ1动作,X002常闭 触点断开,Y000失电,开门过程结束。 ② 自动开门时,当电梯运行到位后,相应的楼层接近开关 SQ5、SQ6、SQ7之一被压下,即X017或X020或X021闭 合。T0开始计时,延时3s后,T0触点闭合,Y000输出有 效,轿厢门打开。 (4) 电梯关门控制 ? 电梯关门控制也分手动和自动两种情况。 ① 手动关门时,当按下关门按钮SB2时X001闭合,Y001得 电并自锁,驱动关门继电器使电动机反转,轿厢门关闭。 关门到位,关门行程开关SQ2动作,X003常闭触点断开, Y001失电,关门过程结束。 ② 自动关门时,由定时器T1来控制。当电梯开门到位后 Y000常开触点闭合,T1开始计时,延时5s后,T1触点闭 合,Y001输出有效,轿厢门自动关闭。 ? 自动关门时,可能夹住乘客,因此在门中部装有 红外线检测装置SL。当有人进出时由SL发出信号 使得X006闭合,辅助继电器M0得电并自锁,使 得T2开始定时,延时2s后再关门。 开门 关门 电梯运行 图7.7 电梯开门、关门梯形图 图7.8 电梯起动和方向选择及变速控制梯形图 (5) 电梯的起动和方向及变速控制 ? 电梯起动和方向选择及变速控制梯形图如图7.8所示。电 梯运行方向由输出继电器Y010和Y011指示,当电梯运行 方向确定后,在关门信号和门锁信号符合要求的情况下, 如电梯上行输出继电器Y002得电,驱动主电机正转,电 梯上升。如电梯下行输出继电器Y003得电,驱动主电机 反转,电梯下降。当电梯起动后快速运行,2s后加速,在 接近目标楼层时,相应的接近开关动作,电梯开始变为慢 速运行,直至电梯到达目标楼层时停止。 本章小结 ? 本章主要介绍FX2N系列的PLC控制系统的应用设 计,包括系统总体设计、软件设计和安装调试等 方面的内容。要重点掌握PLC控制系统设计的基 本原则和设计的一般流程,同时要注意控制系统 的可靠性设计。在满足控制要求的、环境要求和 性价比的条件下,合理选择PLC机型、硬件配置、 输入/输出模块,完成PLC控制系统的硬件与软件 设计。

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