模块九 PLC系统设计与维护.ppt

模块九PLC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1PLC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选型选择能满足控制要求的适当型号的PLC是应用设计中至关重要的一步。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、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（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2PLC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S7–200。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）如果您使用了扩展模块，将扩展模块的扁平电缆连到前盖下面的扩展口。2．DIN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，CPU单元与I/O单元之间不能有配线槽经过。3．PLC的安装衬板要完全接地。4．PLC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S7-200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。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11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PLC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U200V时，阻容吸收装置中R50，C0.47uF。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。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PLC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PLC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PLC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PROGRAM方式，看程序是否太长。（3）存贮器错MEMORYERR1）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/OBUSERRCPU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。CPU的扫描时间超过130ms，检查和缩短程序。,2．编程错误1DIP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。4I/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。,