模块五 PLC控制系统的设计与应用 知识目标：掌握PLC控制系统设计的内容、步骤和方法，熟悉PLC在常用控制系统中典型应用

一、 PLC控制系统设计的内容与步骤 二、 PLC的硬件设置 三、 PLC的软件设计 四、 应用案例 五、 PLC故障诊断及其处理

一、 PLC控制系统设计的内容与步骤 1. PLC控制系统设计的基本原则 1）满足被控对象的控制要求 2）系统安全、可靠 3）尽可能简单、经济、使用与维修方便 4）具有高的性能价格比。

2. PLC控制系统设计步骤 1）分析被控对象，提出控制要求。 2） 确定输入、输出设备。 3）确定PLC的I/O点数，选择PLC机型。 5）程序设计，绘制工作循环图或状态转移图。 1）初始化程序；2）控制程序；3）检测、故障诊断和显示等程序；4）保护和联锁程序。 6）程序调试。先进行模拟调试，再进行现场联机调试；先进行局部、分段调试，再进行整体、系统调试。 7）调试过程结束，整理技术资料，投入使用。

PLC控制系统设计步骤流程图

二、 PLC的硬件设置 PLC机型的选择 I/O点的数量和种类 CPU的速度 内存容量 编程器 打印机 I/O模块 通讯接口模块 通讯传输电缆

1、PLC机型选择 整体式 结构形式 模块式 集中式 安装方式 远程I／O式 分布式 功能要求 响应速度 系统可靠性 机型统一

2、PLC I/O端口选择 输入器件：指连接到PLC输入接线端子用于产生输入 信号的器件。 主令器件 分类 检测器件 有源触点输入器件 按钮、选择开关、数字开关 行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点，接触器辅助触点 主令器件 分类 检测器件 行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点，接触器辅助触点 有源触点输入器件 行程开关、接近开关、光电开关、继电器触点，接触器辅助触点 无源触点输入器件 压力传感器、温度传感器 模拟信号 输入信号 数字信号 数字开关 开关信号 按钮、转换开关、形成开关、触点

输出器件：指连接到PLC输出接线端子用于执行程序 运行结果的器件。 接触器、继电器、电磁阀 驱动负载 指示灯、数字显示装置、电铃、蜂鸣器 分类： 显示负载 交直流负载 继电器输出 直流负载 输出端口： 晶体管输出 交流负载 晶闸管输出

I/O点数的确定 I/O点数是衡量可编程控制器规模大小的依据。 确定依据：将与PLC相连的全部输入、输出器件根据所需的电压、电流的大小和种类分别统计，考虑将来发展的需要再相应增加 10％～15％的余量

3、CPU的速度 CPU的运行速度是指执行每一步用户程序的时间。对于以开关量为主的控制系统，不用考虑扫描速度，一般的PLC机型都可使用。对于以模拟量为主的控制系统，则需考虑扫描速度，必须选择合适CPU种类的PLC机型。

4、PLC模块的选择 远程I/O模块：输入、输出装置比较分散，工作现场远 离控制站 定位模块：在机械设备中，保证加工精度进行定位 通信联网模块：PLC与PLC之间，或PLC与计算机之间的通信与联网 模拟输入模块、输出模块：把流量、速度、压力、风 力、张力等变换成数字量，及把数字量变换成模拟量，进行输入、输出。

5、PLC外围设 PLC的外围设备主要是人—机对话装置，用于PLC的编程和监控。通过人—机对话装置可以进行编程、调试及显示图形报表、文件复制、报警等。PLC外围外围设备有编程器、打印机、EPROM写入器、显示器等。

6、电源电压的选择 我国优先选择220V的交流电源电压，特殊情况可选择24V直流电源供电。 输入信号电源，一般利用PLC内部提供的直流24V电源。对于带有有源器件的接近开关可外接220V交流电源，提高稳定避免干扰。 选用直流I/O模块时，需要外设直流电源。

三、 PLC的软件设计 PLC的软件设计指PLC控制系统中用户程序的设计。 控制流程图 梯形图 设计内容 状态转移图 指令表 翻译法 设计方法 状态转移图法 逻辑设计法

1、翻译法 用PLC中软元件，代替原继电器—接触器控制线路图 中的元器件，直接翻译成梯形图的方法。主要用于对 旧设备、旧控制系统的技术改造。 设计举例 正反转 时间控制

正反转 ~ SB SB1 SB2 KM1 KM2 X1 X0 X2 Y2 Y1 COM X0 X1 X2 Y1 Y2 SB KM1 SB1

定时器 ~ KT SB2 SB1 KM1 KM2 SB1 SB2 COM X1 X2 Y1 Y2 KM1 KM2 X1 X0 KT Y1

2、状态转移图 针对顺序控制方式或步进控制方式的程序设计。在程序设计时，首先将系统的工作过程分解成若干个连续的阶段，每一阶段称为“工步”或“状态”，以工步（或状态）为单元，从工作过程开始，一步接着一步，一直到工作过程的最后一步结束。 设计举例 机械手控制

3、逻辑设计法 以布尔逻辑代数为理论基础，以逻辑变量“0”或“1”作为研究对象，以“与”、“或”、“非”三种基本逻辑运算为分析依据，对电气控制线路进行逻辑运算，把触点的“通、断”状态用逻辑变量“0”或“1”来表示。 设计举例 “与”逻辑关系 “或”逻辑关系 “与、或、非”逻辑关系

“与” “或” “与、或、非” L(Y1)＝ X0 ·X1· X2· M1 L(Y2)＝ X0 +X1+M2 +Y2 L(Y3)＝( X0 +X1)·X2· Y2 +M10

四、应用案例 -- PLC在工业机械手臂中的应用 传统的自动控制系统由继电器—接触器控制组成，存 在故障多、可靠性差、工作寿命短、不易检修等缺点。 随着PLC的普及和完善，以及PLC本身所具有的高可靠 性、易编程修改的特点，在自动控制系统中应用取得了 良好的效果。 如：MPS模块化自动生产加工系统 智能群控电梯控制系统

MPS 生 产 加 工 系 统

智能群控电梯

【应用范例1】机械手臂控制

控制说明： ①工件的补充使用人工控制，可直接将工件放在D点（LS0动作）。 ②只要D点有工件，机械手臂即先下降（B缸动作）将工件抓取（C缸 动作）后上升（B缸复位），再将工件搬运（A缸动作）到E点上 方，机械手臂再次下降（B缸动作）后放开（C缸复位）工件，机 械手臂上升（B缸复位），最后机械手臂再回到原点（A缸复位）。

控制说明： ③A,B,C缸均为单作用气缸，使用电磁控制。 ④C缸在抓取或放开工件后，都需有1秒的间隔，机械手臂才能动作。 ⑤当E点有工件且B缸已上升到LS4时，传送带马达转动以运走工件， 经2秒后传送带马达自动停止。工件若未完全运走（计时未到） 时，则应等待传送带马达停止后才能将工件移走。

控制说明： ⑥LS0→D点有无工件侦测用限制开关 LS1→A缸前行限制开关（左极限） LS5→E点有无工件侦测用限制开关 LS3→B缸下降限制开关（下极限） LS4→B缸上升限制开关（上极限） LS5→E点有无工件侦测用限制开关

功能分析： ①原点复位：选定以A缸退回至右极限位置（LS2 ON）、B缸 ②工件搬运流程：依题意其动作为一循环式单一顺序流程。 上升至上极限位置（LS4 ON）及C缸松开为机械手臂的原点。 执行一个动作之后，应做原点复位的侦测（因为A、B、C缸 均为单作用气缸，所以会自动退回原点）。 ②工件搬运流程：依题意其动作为一循环式单一顺序流程。 ③传送带流程：在侦测到E点有工件且B缸在上极限位置时， 应驱动传送带转动。 ④上述两个流程可以同时进行，因此使用并进分支流程来完 成组合。

元件分配： 电器Y0 电器Y1 电器Y2 传送带驱动，使用输 出继电器Y3 D点工件传感器LS0，使用输入继电器X0 A缸左限位传感器LS1，使用输入继电器X1 A缸右限位传感器LS2，使用输入继电器X2 B缸下限位传感器LS3，使用输入继电器X3 B缸上限位传感器LS4，使用输入继电器X4 E点工件传感器LS5，使用输入继电器X5 A缸驱动，使用输出继 电器Y0 B缸驱动，使用输出继 电器Y1 C缸驱动，使用输出继 电器Y2 传送带驱动，使用输 出继电器Y3

绘绘制状态流程图 a.原点复位流程 b.工件搬运流程 B缸下移 （Y1 ON） C缸夹取工件并延时（Y2 ON） B缸上升 （Y1 OFF） （LS2 ON） 工件尚未完全搬运 B缸下移 （Y1 ON） B缸上升至上极限位置 （LS4 ON） C缸松开工件并延时（Y2 OFF） B缸上升 （Y1 OFF） b.工件搬运流程 A缸后退 （Y0 OFF）

将工件搬运流程和传送带流程做成并进-合流分支结构 绘绘制状态流程图 c.传送带流程 B缸在上极限位置 E点有工件 驱动传送带电机并延时2秒 将工件搬运流程和传送带流程做成并进-合流分支结构 d.并进-合流分支

步进阶梯图转换

程序清单

五、PLC故障诊断及其处理 PLC有很强的自诊断能力，当PLC自身故障或外围设备故障，都可用PLC上具有的诊断指示功能的发光二极管的亮灭来诊断。 1．PLC故障查找流程图 1）总体检查 根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障，如图5-13所示。

2）电源故障检查 电源灯不亮需对供电系统进行检查，检查流程图如图所示。

3）输入输出故障检查

4）运行故障检查

影响PLC工作的环境因素主要有温度、湿度、噪音与粉尘，以及腐蚀性酸碱等。 5）外部环境的检查 影响PLC工作的环境因素主要有温度、湿度、噪音与粉尘，以及腐蚀性酸碱等。 2．可编程序控制器输入、输出单元故障处理 可编程序控制器输入单元故障处理见表5-2 可编程序控制器输出单元故障处理见表5-3

谢谢!