第8章 控制系统设计

内容提要： 设计原则与流程、机型的选择、I/0模块的选择、系统设计举例。基本要求：1、掌握可编程控制器控制系统设计的内容、步骤和设
计方法。2、理解可编程控制器在常用控制系统中的应用，具备应用可编程控制器在常用控制系统中的应用能力。第8章 PLC控制系统设计§8
.1、设计原则与流程8.1.1、列出系统的控制要求和工作流程8.1.2、确立控制方案8.1.3、系统设计8.1.4、系统调试8.1
.5、系统的试运行8.1.6、编写系统技术文件 §8.1、设计过程在设计PLC控制系统时，一般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2、保证PLC控制系统安全可靠3、力求简单、经济、使用及维修方便4、适应发展的需要 §8.1、设计过程8.1.
1、列出系统的控制要求和工作流程8.1.2、确立控制方案8.1.3、系统设计8.1.4、系统调试8.1.5、系统的试运行8.1.6
、编写系统技术文件 8.1.1、列出系统的控制要求和工作流程控制要求主要是指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要
的保护和联锁等。要深入细致地了解和分析被控对象的控制要求，包括生产设备、生产线、生产工艺、工作过程等方面。 PLC系统设计应围绕主
体展开，兼顾考虑附属功能。对一个较复杂的生产工艺过程，通常可将控制任务分成几个独立部分，而每个部分往往又可分解为若干个具体步骤。
例煤矿地面生产系统的主要目的是将提升上来的混合物变成我们需要的煤末和煤块。煤末通过皮带1和皮带2传送到后仓，由刮板刮到舱下的火车车
厢内。块煤和其它混合物通过手选1和手选2皮带传送，由站在两边的工作人员清除煤矸石木棒等杂物，真正的煤块被传送到堆煤场。下面给出地面
生产系统生产过程的框图。　在没有实现PLC控制以前,，整个生产过程完全是手动的。工作人员按照下面生产流程启动生产线：1、起动刮板2
、起动皮带1和皮带23、起动手选1和手选24、起动电动筛1和电动筛25、起动供煤1和供煤2工作人员按照下面生产流程停止生产线：1、
停止供煤1和供煤22、停止电动筛1和电动筛23、停止手选1和手选24、停止皮带1和皮带25、停止刮板　每起动和停止一个设备都必须有
一定的延时，停产时延时时间根据输煤线没有煤为标准。整个起动过程都是步行，工作人员的劳动强度较大。8.1.2、确立控制方案　输煤系统
控制方案的确定：根据对输煤系统的工作流程分析，初步对该系统确定控制方案：1、保留原有地面生产系统，添加手自动转换。2、在启动生产线
之前，先预警20秒钟，告知沿线工作人员注意安全。20秒后，系统按刮板，皮带1、2，手选1、2，筛1、2和供煤1、2依次启动。如果正
常起动，则正常起动指示灯亮。系统正常开始生产。3、正常停车时，发出警示信号(0.2秒脉冲)，告知沿线注意安全，系统按供煤1、2，筛
1、2，手选1、2，皮带1、2，和刮板依次停止。各设备停止时间根据线上无煤为原则来进行设定。4、在无重大事故情况下，不可重载停车。
5、手选1和手选2在人员安全受到危险的情况下，可急停。6、调试时，可甩掉电机，直接控制接触开关，动作正常后，方可联机运行。7、利用
接触器的辅助触点，在控制室里显示生产线的动作流程。8.1.3、系统设计一、可编程控制器系统设计的一般步骤一个PLC控制系统设计步骤
包括以下几步，如图8-1所示：1、分析生产过程，明确生产要求2、绘制系统的流程图3、系统设计与设备选型?a.?分析你所控制的设备或
系统。PLC最主要的目的是控制外部系统。这个系统可能是单个机器，机群或一个生产过程。b.?判断一下你所要控制的设备或系统的输入输出
点数是否符合可编程控制器的点数要求。（选型要求）?c.?判断一下你所要控制的设备或系统的复杂程度，分析内存容量是否够。4、I/O赋
值（分配输入输出）a.?将你所要控制的设备或系统的输入信号进行赋值，与PLC的输入继电器地址编号对应。?b.?将你所要控制的设备或
系统的输出信号进行赋值，与PLC的输出继电器地址编号相对应。（列表）5、设计控制原理图a.?设计出较完整的控制草图。b.?编写你的
控制程序。c.?在达到你的控制目的的前提下尽量简化程序。6、?程序写入PLC将你的程序写入可编程控制器。7、?编辑调试修改你的程序
程序查错(逻辑及语法检查） 在局部插入END，分段调试程序　 整体运行调试8、监视运行情况 在
监视方式下，监视一下你的控制程序的每步操作是否正确。如不正确返回步骤5，如果正确则作第七步。9、运行程序并备份程序10、编写技术文
件二、系统硬件和软件设计可编程控制器的硬件设计是指PLC外部设备的设计。 首先要进行输入设备的选择（如操作按钮、行程开关、接近开关
等输入设备），执行元件（如接触器的线圈、电磁阀线圈、指示灯等）的选择，以及操作控制台的设计。 其次根据所选的PLC机型，要对PLC
输入/输出继电器进行分配，在进行I/O地址分配时，应做出I/O地址分配表。 PLC硬件设计的最后一个步骤是，根据I/O分配表，绘制
完整、详尽的I/O接线图。 2、软件设计 可编程控制器的软件设计是编写用户的控制程序主要内容一般包括： 存储器空间的分配；专
用寄存器的确定；系统初始化程序的设计；各个功能块子程序的编制；主程序的编制及调试；故障应急措施；其它辅助程序的设计。对于电气技术人
员来说，编写用户的控制程序就是设计梯形图程序，可以采用逻辑设计法或经验设计法。对于控制规模比较大的系统，可根据工作流程图，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、跳转及某些特殊功能便可很容易地转为梯形图设计。例输煤系统的设计（1）硬件设计选
择了FX1N-40M?型24入/16出的PLC，而8K字的编程容量可满足系统要求， 表8－1 煤矿地面控制系统I/0分配表8.
1.4、系统调试当PLC的软件设计完成之后，应首先在实验室进行模拟调试，看是否符合控制要求。当控制规模较小时，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。 1、实验室模拟调试1）硬
件模拟法 2）软件模拟法 2、现场联机统调8.1.5、系统的试运行1、系统空操作调试2、空载单机调试3、空载联调4、实际热负载试车
8.1.6、编写系统技术文件 系统技术文件包括功能说明书、电气原理图、电器布置图、电气元件明细表、PLC梯形图等。功能说明书是在自
动化过程分解的基础上对过程的各部分进行分析，把各部分必须具备的功能、实现的方法和所要求的输入条件及输出结果，以书面形式描述出来。在
完成各部分的功能说明书后，即可进行归纳统计，整理出系统的总体技术要求。 包括开关量I/O总点数及分类点数；模拟量I/O通道总数及分
类通道数；特殊功能总数及类型；系统中个PLC的分布与距离；对通信能力的要求及通信距离。§8.2、机型的选择8.2.1 PLC机型
的选择步骤与原则8.2.2、PLC功能要求8.2.3、响应速度8.2.4、指令系统8.2.5、机型选择的工程应用考虑8.2.1
PLC机型的选择步骤与原则合理选用PLC，对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。 8.2.1 PLC机型的选择原则1
、合理的结构型式PLC主要有整体式、模块式、混合式三种型式整体式PLC的每一个I／O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小,一
般用于系统工作过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，在I／O点数、输入点数与输出点数的比例、I／O模块的
种类等方面选择余地大，且维修方便，一般于较复杂的控制系统。2、安装方式的选择PLC系统的安装方式分为集中式、远程I／O式以及多台P
LC联网的分布式。集中式不需要设置驱动远程I／O硬件，系统反应快、成本低；远程I／O式适用于大型系统，系统的装置分布范围很广，远程
I／O可以分散安装在现场装置附近，连线短，但需要增设驱动器和远程I／O电源；多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制，又要
相互联系的场合，可以选用小型PLC实现控制，但必须要附加通讯设备。 3、相应的功能要求 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。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用能带A／D和D／A转换模块，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。但是中、高档PLC价格较贵，一般用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。4、响应速度要求不同档次PL
C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。5、系统可靠性的要求对于一般系统PL
C的可靠性均能满足。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备用系统。6、机型尽量统一１)机型统一，其模块可互为备用，便
于产品备件的采购和管理。２)机型统一，其功能和使用方法类似，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。３)机型统一，其外部设备通用，资
源可共享，易于联网通信，配上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。8.2.2、PLC功能要求一、PLC的性能指标1．存储容量一
般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千K字，而大型机的用户存储器容量为几万K字。 2．I/O点数 I/O点数越多，外部可接的输入
设备和输出设备就越多，控制规模就越大。 3．扫描速度PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的
操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。 4．指令的功能与数量编程指令的功能越强、数量越多，PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编
程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。 5．内部元件的种类与数量在编制PLC程序时，需要用到大量的内部元件来存放变量、中间结
果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息。这些元件的种类与数量越多，表示PLC的存储和处理各种信息的能力越强。 6．特殊
功能模块特殊功能模块种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来各PLC厂商非常重视特殊功能模块的开发，特殊功能模
块种类日益增多，功能越来越强，使PLC的控制功能日益扩大。 7．可扩展能力在选择PLC时，经常需要考虑PLC的可扩展能力。 PLC
的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展、各种功能模块的扩展等。8 ．通信功能当系统需要进行数据传输通信，
则应选用具有联网通信功能的PLC。一般PLC都带有通信接口如RS-232、RS-422、RS-485，但有些PLC通信口仅能用于连
接手持式编程器。 二、确定I/O点数根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时,应再增加10%~20%的备用量，以便随时增加控制功
能要求。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I
/O点数见表8-3。 三、存储容量的选择开关量I/O所需内存字数＝I/O开关量总点数×（10～15） 仅有模拟量输入时，所需内存字
数=模拟量点数×(100～200)存储器的总字数再加上一个备用量即为存储容量。例如，作为一般应用下的经验公式是： 所需内存字
数＝I/O开关量总点数×（10～15）﹢模拟量I/O总点数×(150～250)，再按30%左右预留余量 需要考虑的因素有：① 经验
公式仅是对一般应用系统，而且主要是针对设备的直接控制功能而言的，特殊的应用或功能可能需要更大的存储容量；② 不同型号的PLC对存储
器的使用规模与管理方式的差异，会影响存储量的选择；③ 程序编写水平对存储容量的需求有较大的影响。由于存储容量估算时不确定因素较多，
因此很难估算准确。工程实践中大多采用粗略估算，加大余量，实际选型时就应参考此值采用就高不就低的原则。另外，在存储容量选择的同时，注
意对存储器的类型的选择。 使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储容量的扩充设计。 四、响应速度
由于采用了扫描工作方式，从PLC输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间就成为PLC的响
应时间或滞后时间。响应时间的大小与如下因素有关：输入电路的时间常数；输出电路的时间常数；用户语句的安排和指令的使用；PLC的循环扫
描方式；PLC对I/O的刷新方式。其中前三个因素可以通过选择不同的模块和合理编制程序得到改善。可以采用以下几种方法提高PLC的响应
速度： (1) 选择CPU处理速度快的PLC，使执行一条基本指令的时间不超过0.5 μs； (2) 优
化应用软件，缩短扫描周期； (3) 采用高速响应模块，例如高速计数模块，其响应的时间可以不受PLC扫描周期的影响，而
只取决于硬件的延时。五、指令系统 指令系统中指令功能的强弱、数量的多少也是衡量PLC性能的重要指标。编程指令的功能越强、数量越多，
PLC的处理能力和控制能力也越强，用户编程也越简单和方便，越容易完成复杂的控制任务。8.2.3实际应用考虑1、电源模块的选择?电源
模块的选择仅对于模块式结构的PLC而言，对于整体式PLC不存在电源的选择。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电
源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I／O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I／O模块的扩展等因素；电源输入
电压一般根据现场的实际需要而定。 2、 PLC的环境适应性 由于PLC通常直接用于工业控制，生产厂都尽可能地保证自己的产品具有高的
可靠性。尽管如此，每种PLC都有自己的环境技术条件，用户在选用时，特别是在设计控制系统时，对环境条件要给予充分的考虑。 表8－4
PLC的工作环境§8.3、I/0模块的选择8.3.1、开关量输入模块的选择8.3.2、开关量输出模块的选择8.3.3、模拟量
模块的选择8.3.4、智能I/0模块的选择8.3.1、开关量输入模块的选择选择时主要应考虑以下几个方面：1、输入信号的类型及电压等
级开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流／直流输入三种类型。选择时主要根据现场输入信号和周围环境因素等。直流输入模块的延迟时间较
短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。根据现场输入信号(
如按钮、行程开关)与PLC输入模块距离的远近来选择电压的高低。一般，24 V以下属低电压，其传输距离不宜太远。如12 V电压模块一
般不超过10 m，距离较远的设备选用较高电压模块比较可靠。 2、输入接线方式开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，分组式
的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。3、注意同时接通的输入点数量对于选用高密度的输入模
块(如32点、48点等)，允许同时接通的点数取决于输入电压和环境温度。一般，同时接通的点数不得超过总输入点数的60％。 4、输入门
槛电平为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离也越远。8.3.2、开关量输出模块的
选择开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择时主要应考虑以下几
个方面：1、输出方式开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可
用于直流负载，而且适用的电压大小范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动
感性负载时，触点动作频率不得超过1HZ）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出
或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。 2、输出接线方式开关量输出模块主要
有分组式和分隔式两种接线方式。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。3、驱动能力开关量输出模块的输出电流(驱动能力)必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选
择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。4、注意同时接通的输出点数量选择开关量
输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V／2A的８
点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A(8×2A)，通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通
的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。 5、输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关开关量输出模块的技术指标，它与不同的负
载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度升高会降低，在实际使用中也应注意。8.3.3、模拟量模块
的选择典型模拟量I／O模块的量程为-10V～+10V，0～+10V、4～20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换
精度等因素。模拟量模块的分辨率用转换后的二进制数的位数来表示，一般有8位和12位两种。8位的模拟量模块的分辨率低，一般用在要求不高
的场合。12位二进制数能表示的数的范围为0～4095。满量程的模拟量（例如0～10V）对应的转换后的数据一般为0～4000，以0～
10V的量程为例，12位模拟量输入模块的分辨率为10V/4000。PLC的模拟量输入模块的A/D转换过程一般是周期性地自动进行的，
不需要用户程序来启动A/D转换过程，用户程序只需要直接读取当前最新的转换结果就可以了。如果想用较长的时间间隔读取模拟量的值，对采样
周期性要求不高时可以用定时器来对读取的时间间隔定时，对定时精度要求较高时可以用中断来定时。8.3.4、智能I/0模块的选择目前，P
LC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I／O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I／O模块，可对输入或输出信号作预先规定的处理，
并将处理结果送入主机CPU内或直接输出，这样可提高ＰＬＣ的处理速度并节省存储容量。如高速计数器（可作加法计数或减法计数）、凸轮模拟
器（用作绝对编码输人）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、RS232/422接口通信模块等。 表8－5 选择
PLC的I/O接口模块的一般规则§8.4.系统设计举例8.4.1 选型及配置8.4.2、I/0地址及内部存储器地址分配8.4.3、
程序设计8.4. 4、控制程序清单例：机械手控制系统设计 图8－5所示为一简易物料搬运机械手的工作流程图。该机械手是一个水平/垂直
位移的机械设备，其操作是将工件从A工作台搬运到B工作台，由光耦合器VLC来检测工作台上有没有工件。机械手通常位于原点，它的动作全部
由气缸驱动，而气缸运动则由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降、左移/右移、放松/夹紧分别由二位二通电磁阀控制。 1、 工作过程 工
作过程为：光耦合器VLC检测到A工作台有工件，机械手开始由原点下降，下降到底时，碰到下限位开关后，停止下降并接通夹紧电磁阀夹紧工件
。为保证工件可靠夹紧，在该位置等待5 s。夹紧后，上升电磁阀通电开始上升，上升到顶碰到上限位开关，停止上升，改向右移动，碰到右限位
开关后，停止右移，改为下降至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，停止下降，同时夹紧电磁阀断电，机械手将工件松开，放在B工作台上，为确保
可靠松开，在该位置停留5 s，然后上升，碰到上限位开关后改为左移，到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，停止左移。至此，机械手
搬运一个工件的全过程结束。2、控制要求 (1) 机械手下降 当光耦合器VLC检测到工作台A上有工件，机械手开始下降。下降到低位时
，碰到下限位开关，机械手停止下降。(2) 夹紧工件 机械手在最低位开始夹紧工件，延时5 s抓住﹑抓紧。(3) 机械手上升 机械
手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(4) 机械手右移 机械手右移到位时，碰到右限位开关，停止右移。(5) 机械手下降
当机械手下降到B时，碰到下限位开关，机械手停止下降。(6) 放开工件 机械手在最低位开始放松工件，延时5 s。(7) 机械手上升
机械手上升到高位时，碰到上限位开关，停止上升。(8) 机械手左移 机械手在高位开始左移，碰到左限位开关，停止左移。(9)机械
手工作的一个周期完成，等待工件在工作台A上出现。再转到第一步，开始下一个工作循环。8.4.1 选型及配置1、硬件配置 从控制流程中
可以看出，在控制方式选择上需要3个启动按钮，分别完成自动方式﹑单动方式和手动方式的启动，还需要1个停止按钮用来处理在任何情况下的停
止运行。机械手运动的限位开关有4个：高位限位开关﹑低位限位开关﹑左位限位开关和右位限位开关。手动输入信号共由6个按钮组成：下降按钮﹑上升按钮﹑夹紧按钮﹑左移按钮、右移按钮和放松按钮。工作台A上有工件检测光耦合器VLC的输入信号。共有15个开关量输入信号。输出信号有机械手下降驱动信号﹑上升驱动信号﹑右移驱动信号﹑左移驱动信号和机械手夹紧驱动信号、机械手放松驱动信号，共有6个开关量输出信号。2、系统选型系统需要开关量输入15点，开关量输出6点，不需模拟量模块。选择S7-300系列的CPU313，加上开关量输入模块SM321及输出模块SM322就可以满足要求。 8.4.2、I/0地址及内部存储器地址分配表8－6 机械手控制系统的I/O地址分配8.4.3、程序设计PLC程序设计的基本内容一般包括参数表的定义及地址分配、程序流程框图绘制、程序编制、程序调试和程序使用说明书等五项内容。首先根据程序设计思想，绘出程序流程框图，在绘制时可采用SFC功能图设计方法，功能（状态）流程图基本元素是流程步、有向线段、转移和动作说明四部分组成。具体内容见第5.6。而后将功能图转换为梯形图程序，最后编写程序并注释。 机械手控制系统的功能（状态）流程图和梯形图参考9.2节相应内容。 8.4. 4 控制程序清单机械手控制系统的控制程序清单参考9.2节相应内容。最后，在实际工作中利用本章第一节讲到的方法进行系统调试和试运行。而后编写技术文件。整个的控制系统的设计就完成了。习题：P297页习题8-1——8-4。