模块九 PLC系统设计与维护.ppt

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1、模块九模块九 PLC系统设计与维护系统设计与维护学习目标 了解PLC系统设计步骤，掌握评估控制任务的方法，根据控制任务选择PLC，设计控制系统的硬件和软件，掌握系统调试的方法；了解PLC应用中的抗干扰技术；掌握PLC的安装技术，掌握PLC系统检查、故障检测、故障修复的方法。项目1 PLC控制系统的设计要进行一个完善的PLC控制系统的设计，只掌握前面的知识是远远不够的，还有需要注意许多PLC控制系统的设计原则。需要确定整个系统的控制规模，输入、输出设备总数；PLC选型；硬件设计、软件设计；还有系统调试，包括模拟调试、联机调试。此外还有抗干扰等问题。也就是说，还要掌握许多系统知识。1项目提出摇臂钻

2、床利用旋转的钻头对工件进行加工，它由底座、内外立柱、摇臂、主轴箱和工作台构成。主轴箱固定在摇臂上，可以沿摇臂径向运动。摇臂借助于丝杆，可以作升降运动，也可以与外立柱固定在一起，沿内立柱旋转。钻削加工时，通过夹紧装置，主轴箱紧固在摇臂上，摇臂紧固在外立柱上，外立柱紧固在内立柱上.Z3040型摇臂钻床的结构及外观，如图9-1所示。要求采用可编程控制器的Z3040型摇臂钻床的操作及功能，应与采用继电接触器电路时完全一致。要完成这个设计，需要确定整个系统的控制规模，输入、输出设备总数；PLC选型；硬件设计、软件设计；还有系统调试，包括模拟调试、联机调试。此外还有抗干扰等问题。也就是说，还要掌握许多系统

3、知识。在掌握了PLC的基本工作原理及指令系统后，就可以把PLC应用在实际的工程项目中。不论是用PLC组成集散控制系统，还是独立控制系统，控制部分的设计都可以参考图9-2所示的步骤。（1）评估控制任务）评估控制任务 随着PLC功能的不断完善，几乎可以用PLC完成所有的工业控制任务。但是，是否选择PLC控制？选择单台PLC控制，还是多台PLC的分散控制或分级控制？还应根据该系统所需完成的控制任务、对被控对象的生产工艺及特点进行详细分析，特别是从以下几方面给以考虑。1）控制规模。2）工艺复杂程度。3）可靠性要求。4）数据处理速度。（2）PLC选型选型选择能满足控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至

4、关重要的一步。目前，国内外PLC生产厂家生产的PLC品种已达数百个，其性能各有特点。所以，在设计时，首先要尽可能考虑采用与以前正在使用的同系列的PLC，以便于学习和掌握，其次是备件的通用性，可减少编程器的投资。除上所述，还要充分考虑下面因素，以便选择最佳型号的PLC。1）输入、输出设备的数量和性质。有哪些开关量输入？有哪些开关量输出？有哪些模拟量输入、输出？2）PLC的特殊功能要求。3）被控对象对响应速度的要求。4）用户程序存贮器所需容量的估算。（3）系统设计）系统设计系统设计包括硬件设计和软件设计。所谓硬件设计，是指PLC外部设备的设计，而软件设计即PLC梯形图的设计。在硬件设计中，要进行输

5、入设备的选择（如操作按钮、转换开关及计量保护的输入信号等），执行元件（如接触器、电磁阀、信号灯等）的选择，以及控制台、柜的设计等。应根据PLC用户使用手册的说明，对PLC进行输入/输出分配，及外部接线设计。在进行I/O分配时应做出I/O分配表，表中应包含I/O编号、设备代号、名称及功能，且应尽量将相同类型的信号、相同电压等级的信号排在一起，以便于施工。对于较大的控制系统，为便于软件设计，可根据工艺流程，将所需的计数器、定时器及内部辅助继电器也进行相应的分配。这些工作完成之后，就可以进行软件设计了。软件设计的主要方法是先编写工艺流程图，将整个流程分解为若干步，确定每步的转换条件，配合分支、循环、

6、跳转及某些特殊功能便可很容易编写顺序功能图，通过前面学过的知识很容易地转为梯形图。在编写梯形图时，有时需要用到经验法，在平时，要多注意积累经验。软件设计可以与现场施工同步进行，即在硬件设计完成以后，同时进行软件设计和现场施工、以缩短施工周期。（4）系统调试）系统调试系统调试分为两个阶段：第一阶段为模拟调试；第二阶段为联机调试。当PLC的软件设计完成之后，应首先在实验室进行模拟调试，看是否符合工艺要求。模拟调试可以根据所选机型，外接适当数量的输入开关作为模拟输入信号，通过输出端子的发光二极管，可观察PLC的输出是否满足要求。当现场施工和软件设计都完成以后，就可以进行联机统调了。在统调时，一般应首

7、先屏蔽外部输出，再利用编程器的监控功能，采用分段分级调试方法，通过操作外部输入器件检查外部输入量是否连接无误，必要时，可以利用PLC的强迫置位/复位功能逐个运行输出部件。系统调试完成以后，为防止程序遭到破坏和丢失，可将程序保存起来，或将程序固化到EPROM或EEPROM中。3项目设计方案项目分析：项目分析：机械加工机床的加工运动往往是机械与电气配合实现的。在讨论电气电路之前需弄清电器的设置及电器控制的分工。Z3040摇臂钻床设有4台电动机，即主轴电动机、冷却泵电动机、摇臂升降电动机及液压泵电动机。主轴电动机提供主轴转动的动力，是钻床加工主运动动力源。主轴应具有正反转功能，但主轴电动机只有正转工

8、作模式，反转由机械方法实现。冷却泵电动机用于提供冷却液，只需正转。摇臂升降电动机提供摇臂升降的动力，需正反转。液压泵电动机提供液压油，用于摇臂、立柱和主轴箱的夹紧和松开，也需要正反转。Z3040摇臂钻床的操作主要通过手轮及按钮实现，手轮用于主轴箱在摇臂上的移动，这是手动的。按钮用于主轴的启动停止、摇臂的上升下降、立柱主轴箱的放松及夹紧等操作，再配合限位开关完成机床调节的各种动作。以继电接触器构成的电气原理图如图9-3所示。3项目设计方案。在了解了Z3040型摇臂钻床的工作过程之后，让我们来设计其PLC控制方案。（1）评估控制任务。该机床的按钮、开关、接触器、电机总数在30个左右，可以使用PLC

9、进行控制。（2）PLC选型。清点Z3040摇臂钻床需接入PLC的输入输出器件后，确定需输入口14个及输出口5个，据此选用西门子S7-200系列CPU224，AC/DC/RELAY。这是一种具有14个输入口及10个输出口的PLC，输出口为继电器型，它的主要性能完全满足钻床的工作需要。（3）系统设计。包括硬件设计和软件设计。硬件设计：采用可编程控制器的Z3040型摇臂钻床的操作及功能应与采用继电接触器电路时完全一致。机床原配的按钮、限位开关、变压器、指示灯、热继电，接触器等电器均需保留。作为主要操作器件的按钮及限位开关要接入PLC的输入口，每个（组）触点占用一个输入口。作为主要执行器件的接触器及电

10、磁阀线圈要接入PLC的输出口，每个（组）线圈也要占一个口。指示灯按理也需接入输出口，但如控制触点在硬件连接上与其他控制功能不冲突，不接入PLC也是可以的。本次采用不接入方案。热继电器也有接入PLC与不接入PLC两种方案。不接入PLC时，可直接将热继电器的触点和相关接触器的线圈串起来。接入输入口时，则需通过程序设置热继电器的控制功能。本次热继电器也采用机外连接方案。此外，原电路中接触器KM2与KM3，KM4与KM5之间均设有互锁触点，考虑到硬件互锁比软件互锁更可靠，它们的互锁也设在机外进行。系统的硬件连接如图9-4所示，各端口的标号都标在图上。选用定时器T37代替原电路中KT，另为编程需要还选了

11、M10.0及M10.1两个辅助继电器。软件设计：Z3040型摇臂钻床的PLC程序以梯形图语言设计。设计方法为参照继电器原理图在保持原有控制逻辑基础上改绘。在继电接触器电路中，由于器件的触点有限，往往一个触点具有较多的功能，体现在电气原理图上往往是一些触点接有复杂的触点及线圈的组合。如图9-3中SB3与SQ1U串联及SB4与SQ1D串联再并联的区域之后连接着复杂的触点及线圈组合。这样的区域在改绘为梯形图时将十分不便。这时可以发挥PLC具有许多辅助继电器的特点，将继电接触器电路中的一些触点区域的功能用辅助继电器代替，经这样的简化处理，最后一般都能得到结构简单的梯形图。在进行继电接触器电路图向梯形图

12、转化时还需注意实际电器与PLC模拟电器功能上的差异，如图中时间继电器KT是具有瞬动触点的，而PLC的定时器不具有这种功能，这时可用与定时器并联的辅助继电器触点代替。（4）系统调试。分为两个阶段：第一阶段为模拟调试；第二阶段为联机调试。模拟调试阶段，是指先不将PLC控制系统接到摇臂钻床上。用按钮和指示灯，替代摇臂钻床的按钮、开关、接触器、电机，进行模拟调试，看能否按照我们的要求对摇臂钻床进行控制。这样可以避免由于设计失误，造成损失。模拟调试达到预期目标之后，就可以进行联机统调了。在统调时，采用分段分级调试方法，可以按照机床操动情况分段分级调试。（4）系统调试。分为两个阶段：第一阶段为模拟调试；第

13、二阶段为联机调试。设计并调试成功的Z3040型摇臂钻床PLC控制程序如图9-5所示。图9-5中辅助继电器M10.0的触点即可用来表示SB3与SQ1U串联及SB4与SQ1U串联再并联区域的逻辑状态及图9-3中时间继电器KT的瞬动触点。4其他相关知识：PLC应用中的抗干扰技术PLC生产厂家在研究开发阶段都很重视抗干扰间题。硬件方面采取了屏蔽、隔离、滤波、联锁、诊断电路等措施。软件方面采取了故障诊断、信息的保护和恢复、软件诊断CPU故障、使用标准化软件程序，以及智能接口诊断等措施。在环境比较恶劣时，为了使由PLC组成的控制系统安全可靠地工作，对电磁场干扰的抑制问题必须给予足够的重视 主要的抗干扰措施

14、主要的抗干扰措施（1）抑制干扰源措施1）抑制供电电源干扰的措施2）断开感性负载时产生的脉冲干扰的措施3）整流器干扰的措施4）静电放电干扰的措施（2）切断或衰减干扰耦合途径的措施1）抑制公共阻抗耦合的措施2）抑制电容性耦合的措施3）抑制电感性干扰的措施（3）软件抗干扰措施1）抖动的消除2）可测干扰信号的抑制3）漏扫描检测4）互锁诊断项目2 PLC的故障诊断与维护有一台新买来的S7-224XP的PLC，如何进行安装？PLC在使用过程中，可能出现各种故障，如何进行故障诊断与维护？正确的安装与维护是使用PLC系统可靠性的重要保证，必须按要求进行。下面分安装、配线、检查、故障修复几部分进行介绍。任务一：

15、安装任务一：安装S7-200 一、S7-200设备的安装S7-200既可以安装在控制柜背板上，也可以安装在标准导轨上；既可以水平安装，也可以垂直安装。将S7-200与加热装置、高电压和电子噪声隔离开。按照惯例，在安装元器件时，总是把产生高电压和高电子噪声的设备与诸如S7-200这样的低压、逻辑型的设备分隔开。在控制柜背板上安排S7-200时，应考虑把产热器件和电子器件安排在控制柜中温度较低的区域内。电子器件在高温环境下工作会缩短其无故障时间。要考虑控制柜背板的布线，避免将低压信号线和通讯电缆与交流供电线和高能量、开关频率很高的直流信号线布置在一个线槽中。为接线和散热留出适当的空间。S7-200

16、设备的设计采用自然对流散热方式，在器件的上方和下方都必须留有至少25mm的空间，以便于正常的散热。前面板与背板的板间距离也应保持至少75mm。在垂直安装时，其允许的最高环境温度要比水平安装时低10C，而且CPU应安装在所有扩展模块的下方。在安排S7-200设备时，应留出接线和连接通讯电缆的足够空间。当配置S7-200系统时，可以灵活使用I/O扩展电缆。S7-200既可以安装在控制柜背板上，也可以安装在标准导轨上；既可以按照以下步骤，可以非常容易地安装S7200。1面板安装（1）按照要求尺寸进行定位、钻安装孔（用M4或美国标准8号螺钉）。（2）用合适的螺钉将模块固定在背板上。（3）如果您使用了扩

17、展模块，将扩展模块的扁平电缆连到前盖下面的扩展口。2DIN导轨安装（1）保持导轨到安装面板的距离为75mm。（2）打开模块底部的DIN夹子，将模块背部卡在DIN导轨上。（3）如果您使用了扩展模块，将扩展模块的扁平电缆连到前盖下面的扩展口。（4）旋转模块贴近DIN导轨，合上DIN夹子。仔细检查模块上DIN夹子与DIN导轨是否紧密固定好。为避免模块损坏，不要直接按压模块正面，而要按压安装孔的部分。当S7-200的使用环境振动比较大或者采用垂直安装方式时，应该使用DIN导轨挡块。如果系统处于高震动环境中，使用背板安装方式可以得到较高的震动保护等级。3端子排的拆卸（1）打开端子排安装位置的上盖，以便可

18、以接近端子排。（2）把螺丝刀插入端子块中央的槽口中。（3）所示用力下压并撬出端子排。4端子排的安装（1）打开端子排的上盖。（2）确保模块上的插针与端子排边缘的小孔对正。（3）将端子排向下压入模块。确保端子块对准了位置并锁住。图9-10拆卸和安装端子排二、箱内安装在控制箱(柜)内安装PLC时，要充分考虑PLC的可操作性和可维护性，并且尽可能远离高压设备及动力设备。同时，PLC各模块之间要留有一定的空间。可设为为水平安装和垂直安装时的空间间隔。三、注意事项虽然PLC有较强的抗干扰能力，但安装时，仍要考虑其抗干扰间题，进一步提高系统的可靠性。1避免贴近高压设备，距干扰源至少200mm。2横向安装时，

19、CPU单元与I/O单元之间不能有配线槽经过。3PLC的安装衬板要完全接地。4PLC的电源线、I/O导线及其他设备的电缆不能敷设在同一管道中。各导管要相互平行工作，I/O导线和电源电缆之间最小距离应是300mm，如果I/O导线与电源电缆必须放在同一个导管内，则必须用接触金属板屏蔽。任务二：任务二：S7-200配线配线如图9-11所示为PLC的外部接线图。其中，PLC工作电源为100-240VAC输入电源为直流24V。具体说明：一、电源PLC的工作电源分为DC，AC两种。对于交流供电方式，通常采用双绞线配线，且截面积至少在2mm以上。在配线时，应尽可能对输入、输出、CPU和I/O扩展部件分别供电。

20、为了提高PLC的抗干扰能力，一般在交流供电的PLC工作电源端加装1:1隔离变压器，同时所有电源都要串接断路器。二、接地良好的接地是保证可编程序控制器可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击的危害。联到端子GR点上的、穿越不同部件区的接地导线至少要2mm粗，以尽可能消除电流冲击，且接地电阻一定要小。必须注意:接地线的长度不要超过20m，因为接地电阻受地理特性、水份、以及地线埋入地下的时间长久的影响。端子LG是一个干扰滤波器的中性端子点，一般不要求接地，但是如果电干扰噪声较大时，应该与GR短接后接地。PLC一般应采用独立的接地体，如果实在做不到，也可与弱电设备共用一个接地体。但要注意，不要把

21、接地端子接到一个建筑物的大型金属框架上，这样可能会对PLC产生不利影响。三、输入接线PLC可与有触点及电流型输入设备相连，但不能与电压型输入设备相联接。在PLC内部装有一个24VDC电源，最大电流0.2A，在使用之前，应检查所有输入设备的兼容性，并充分考虑漏电流和负载感应电势的影响。例如，当双线传感器，如光电传感器、接近开关或带氖灯的极限开关作为输入设备联到PLC上时，由于漏电流的作用，可能使输入点误导通，为防止这种情况，应并联上一个旁路电阻，以抑制漏电流的影响。当一个感性负载联到PLC的输入端时，需要加电涌吸收装置(交流)或二极管(直流)，以抑制反电势。四、输出接线晶体管或双向可控硅输出型P

22、LC接上负载后，当漏电流有可能造成设备的误动作时，应在负载两端并联一个旁路电阻。当感性负载联到PLC输出端时，同样需要加电涌抑制器或二极管吸收负载产生的反电势。其中，二极管必须耐3倍的负载电压，并允许流过1A的平均电流；当U=200V时，阻容吸收装置中R=50，C=0.47uF。将晶体管或双向硅输出型PLC的输出联到一个允许较高的冲击电流通过的设备(如白炽灯)时，要确保晶体管或双向硅的安全，使启动电流不要超过10倍的额定电流。如果实际的冲击电流高于这个值，可使之降低。允许微弱电流(大约额定电流的三分之一)流过负载，这样就有效地限制了初始的电涌电流；可直接限制冲击电流，但同时降低了负载两端的电压

23、。还需要注意的是:对于易造成伤害事故的负载，除了在PLC的控制程序中加以考虑之外，还应在PLC之外设计急停电路，设置事故开关、紧急停机装置等，使得一旦PLC发生故障时，能及时切断引起伤害事故的负载电源。任务三：任务三：PLC的检查的检查 为了保证PLC的长期可靠运行，必须对PLC进行定期检查与适当维护，当检查的结果不能满足以下标准时，应进行调整或更换。1电源电压（1）CPU单元电源电压变化范围。（2）I/0扩展单元电压变化范围:必须与I/O模块要求的电压范围一致。（3）I/0电源电压变化范围:必须与I/O要求的电压一致。（4）电池的电压范围其使用寿命在25oC时为5年。2环境条件（1）控制盘周

24、围的温度。（2）湿度(不结露)。（3）灰尘可相对自由。3紧固性（1）CPU及I/O扩展单元要固定好，安装螺钉不能松动。（2）I/O扩展单元连接电缆要插紧。（3）接线端子的螺钉必须拧紧。（4）外部连线不能有破损、短接等不正常现象。任务四：任务四：PLC故障修复故障修复 一、CPU故障 CPU常见故障如表9-1所示。二、输入电路故障 输入电路常见故障见表9-2所示。三、输出电路故障 输出电路故障见表9-3所示 任务四：任务四：PLC故障修复故障修复 四、错误信息1系统错误（1）电源故障(POWERFAILURE)。检查供电电源、连线等。（2）CPU故障(CPUFAILURE)。把操作方式开关置到P

25、ROGRAM方式，看程序是否太长。（3）存贮器错(MEMORYERR)1）程序有错误，执行程序检查操作，把错误检查出来，并修改；2）检查CPU的DIP开关设置；3）检查EPROM安装的是否正确；4）检查电池安装的是否正确。（4）I/O总线故障(I/OBUSERR)CPU模块和I/O扩展模块之间连线出现了故障，检查电缆线、I/O模块、I/O链接模块的插接部分，以及I/O扩展模块上的左/右选择开关，排除故障后，清除错误信息。（5）电池故障(BATTLOW)。检查电池安装是否正确，如安装正确，应更换新电池(这个故障出现时，专用内部辅助继电器变为ON)。（6）扫描时间太长(SCANTIMEOVER)。

26、CPU的扫描时间超过130ms，检查和缩短程序。2编程错误 (1)DIP开关设置。(2)地址溢出(ADDROVER)。设置的地址超出了程序存贮器允许的地址范围，重新设置正确地址。(3)数据错(SETDATAERR)。应该输入十进制的地方却输入了十六进制数，或者输入的数据超过了允许范围。(4)I/O号错(I/ONOERR)。使用了不存在的I/O号，检查程序并更正。(5)程序地址溢出(PRODOVER)。在插入指令时，使程序地址溢出，请修改程序。3程序错误(1)程序有破坏，检查并改正程序。(2)电路有错误，即在最后的输出和当前地址之前的程序中有一个逻辑错误，修改程序。(3)在程序中，重复使用了同一个线圈。找到错误处后，重新给出正确的线圈号。(4)在程序中，某些指令没有成对使用。