PLC控制系统的设计及故障诊断.pptx

,2019/12/19,#,四川机电职业技术学院,.,电子电气工程系 第五章,PLC,控制系统的设计与故障诊断,SIMATIC S7-300/400PLC,原理及应用,2025/5/28 周三,1,课程团队介绍,姓 名,职称学历,所在部门,分 工,满海波,副教授、硕士研究生,电子电气工程系,课程负责、主研,程龙泉,副教授、硕士研究生,电子电气工程系,教学管理、主研,向守均,讲 师、硕士研究生,实训实验部,主 研,贾 洪,副教授,电子电气工程系,主 研,宋立中,副教授,电子电气工程系,参 研,王光福,副教授、硕士研究生,实训实验部,参 研,徐 敏,讲 师、硕士研究生,实训实验部,参 研,佘 东,讲 师、硕士研究生,电子电气工程系,参 研,黄 宁,讲 师,电子电气工程系,参 研,刘自彩,高级工程师,轨梁厂,参 研,胡 红,高级工程师,冷轧厂,参 研,高大全,高级工程师,发电厂,参 研,2025/5/28 周三,2,第五章,PLC,控制系统的设计与故障诊断,2025/5/28 周三,3,5.6,组织块,OB,及其应用,第五章,PLC,控制系统的设计与故障诊断,5.4 PLC,在顺序控制中的应用,5.5 PLC,系统的现场调试,5.2 PLC,控制系统硬件设计方法,5.3,程序设计与调试,5.1 PLC,控制系统的设计,5.7,故障特性及故障诊断,2025/5/28 周三,4,5.1 PLC,控制系统的设计,5.1.1,可编程序控制器系统设计要求,1.,满足被控对象的要求，拟定控制方案。,2.,简单、经济、维修方便、满足控制要求。,3.,选择可编程控制器的,CPU,模块及,I/O,模块时，应有余量。,2025/5/28 周三,5,5.1.2 PLC,控制系统设计的基本内容,1.,确定系统运行方式与控制方式。,2.,选择用户输入设备。,3.PLC,的选择。,4.,分配,I/0,点，绘制,I/0,连接图。,5.,设计控制程序。,6.,编制控制系统的技术文件。,2025/5/28 周三,6,5.1.3 PLC,控制系统的设计步骤,1.,根据生产的工艺过程分析控制要求。,2.,根据控制要求确定系统控制方案。,3.,根据系统构成方案和工艺要求确定系统运行方式。,4.,根据控制要求确定所需的用户输入、输出设备。,5.,选择,PLC,。分配,PLC,的,I/O,点，设计,I/O,连接图。,6.,进行,PLC,的程序设计。,7.,联机调试。,8.,编制技术文件。,2025/5/28 周三,7,如图,5-1,是设计,PLC,控制系统的一般步骤：,分析控制要求,确定用户,I/O,设备,确定系统机构方案,确定控制和运行方案,选择,PLC,分配,I/O,点、设计,I/O,连接图,编辑流程图,设计程序,输入程序并检查,调试,现场总线,联机调试,交付使用,修改,N,N,Y,N,满足要求？,编制技术文件,Y,满足要求？,了解工艺过程,控制台（柜）设计及现场施工,设计控制台（柜）,图,5-1,设计,PLC,控制,系统一般步骤,返回目录,2025/5/28 周三,8,5.2 PLC,控制系统硬件设计方法,5.2.1,应用系统总体方案设计,1.PLC,控制系统类型,（,1,）由,PLC,构成的单机控制系统。,（,2,）由,PLC,构成的集中控制系统。,（,3,）由,PLC,构成的分布式控制系统。,（,4,）用,PLC,构成远程,I,0,控制系统。,2.,系统的运行方式,（,1,）手动运行方式。,（,2,）半自动运行方式。,（,3,）自动运行方式。,2025/5/28 周三,9,5.2.2,系统硬件设计根据,1.,工艺要求,2.,设备状况,3.,控制功能,4.I/0,点数和种类,5.,系统的先进性,2025/5/28 周三,10,5.2.3,可编程序控制器的机型选择,1.CPU,的功能,2.I/0,点数,3.,响应速度,4.,指令系统,5.,机型选择的其他考虑,2025/5/28 周三,11,5.2.4,输入,/,输出模块的选择,1.,数字量输入模块的选择,2.,数字量输出模块的选择,3.,模拟量模块的选择,4.,智能,I/0,模块的应用选择,5.2.5,系统硬件设计文件,1.,系统硬件配置图,2.,模块统计表,3.I/0,硬件接口图及,I/0,地址表,2025/5/28 周三,12,5.2.6,系统供电设计,1.,供电系统的保护措施,2.,电源模块的选择,4.I/0,模块供电电源设计,5.,系统接地设计,6.,可编程序控制器供电系统设计,7.,电缆设计和敷设,返回目录,2025/5/28 周三,13,5.3,程序设计与调试,5.3.1,程序结构设计,STEP 7,有,3,种设计程序的方法，即线性化编程、模块化编程和结构化编程。,1.,线性化编程,整个用户程序放在循环控制组织块,OB1,（主程序）中，循环扫描时不断地依次执行,OB1,中的全部指令。,程序结构简单，建议只是在为,S7-300,编写简单的程序时使用。,2025/5/28 周三,14,2.,模块化编程,模块化编程程序被分为不同的逻辑块，每个块包含完成某些任务的逻辑指令。组织块,OB1,（即主程序）中的指令决定在什么情况下调用哪一个块，功能和功能块（即子程序）用来完成不同的过程任务。被调用的块执行完后，返回到,OB1,中程序块的调用点，继续执行,OB1,。,模块化编程的程序被划分为若干个块，易于几个人同时对一个项目编程。,2025/5/28 周三,15,3.,结构化编程,结构化编程将复杂的自动化任务分解为能够反映过程的工艺、功能或可以反复使用的小任务，这些任务由相应的程序块（或称逻辑块）来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块中。,这些程序块是相对独立的，它们被,OB1,或别的程序块调用。,2025/5/28 周三,16,程序块调示例如图,5-2,所示：,图,5-2,块调用的分层结构,2025/5/28 周三,17,5.3.2,符号表和符号化编程,1,符号地址,符号地址的优点：程序中可以用绝对地址访问变量，但是符号地址使程序更容易阅读和理解。,2,生成与编辑符号表,点击管理器中的“,Symbols”,图标，即可进入符号表窗口，如图,5-3,所示。,2025/5/28 周三,18,图,5-3,符号表,2025/5/28 周三,19,5.3.3,功能块与功能的生成与调用举例,下面以发动机控制系统的用户程序为例，介绍生成和调用功能块和功能的方法。,1,项目的创建,项目的名称为“发动机控制”。,2,用户程序结构,如图图,5-4,所示，组织块,OB1,是，用一个名为“发动机控制”的功能块,FB1,来分别控制汽油机和柴油机，控制参数在背景数据块,DB1,和,DB2,中。此外控制汽油机和柴油机时还用不同的实参分别调用名为“风扇控制”的功能,FC1,。,2025/5/28 周三,20,图,5-4,程序结构,2025/5/28 周三,21,程序设计好后,SIMATIC,管理器中的块（见图,5-5,）。,图,5-5 SIMATIC,管理器,2025/5/28 周三,22,3,符号表与变量声明表,（,1,）符号表（见表,5-1,）,表,5-1,符号表,Name,Address,Name,Address,主程序,OB1,关闭柴油机,I1.5,发动机控制,FB1,柴油机故障,I1.6,风扇控制,FC1,自动模式,Q4.2,汽油机数据,DB1,汽油机运行,Q5.0,柴油机数据,DB2,汽油机到达设置转速,Q5.1,共享数据,DB3,汽油机风扇运行,Q5.2,自动按钮,I0.5,柴油机到达设置转速,Q5.5,手动按钮,I0.6,柴油机风扇运行,Q5.6,起动汽油机,I1.0,汽油机风扇运行,T1,关闭汽油机,I1.1,柴油机风扇延时,T2,汽油机故障,I1.2,汽油机转速,MW2,起动柴油机,I1.4,柴油机转速,MW4,2025/5/28 周三,23,（,2,）变量声明表及变量的类型,局域变量：用户在变量声明表中声明本块中专用的变量。,局域变量包括块的形参和参数的属性，局域变量只是在它所在的块中有效。声明后在局域数据堆栈中为临时变量（,TEMP,）保存有效的存储空间。,对于功能块，还要为配合使用的背景数据块的静态变量（,STAT,）保留空间。通过设置,IN,（输入）、,OUT,（输出）和,IN_OUT,（输入,/,输出）类型变量。,2025/5/28 周三,24,4,功能块与功能,（,1,）功能块,FB1,中的局域变量（见表,5-2,）,表,5-2 FB1,的变量声明表,Name,Data Type,Address,Declare,Initial Value,Comment,Switch_On,Bool,0.0,IN,FALSE,起动按钮,Switch_Off,Bool,0.1,IN,FALSE,停车按钮,Failure,Bool,0.2,IN,FALSE,故障信号,Actual_Speed,Int,2.0,IN,0,实际转速,Engine_On,Bool,4.0,OUT,FALSE,控制发动机的输出信号,Preset_Speed,_Reached,Bool,4.1,OUT,FALSE,达到预置转速,Preset_Speed,Int,6.0,STAT,1500,预置转速,2025/5/28 周三,25,（,2,）功能块,FB1,的程序（见图,5-6,）,图,5-6 FB1,的梯形图程序,2025/5/28 周三,26,（,3,）功能,FC1,的生成与编辑（见表,5-3,）,表,5-3 FC1,的变量声明表,Name,Data Type,Declare,Comment,Engine_On,Bool,IN,输入信号，发动机运行,Timer_Function,Timer,IN,停机延时的定时器功能,Fan_On,Bool,OUT,控制风扇的输出信号,2025/5/28 周三,27,（,2,）功能块,FC1,的程序（见图,5-7,）,图,5-7,功能,FC1,梯形图,2025/5/28 周三,28,5.,功能块与功能的调用,在发动机控制程序中，,OB1,用来实现自动,/,手动工作模式的切换，通过两次调用,FB1,和,FC1,实现对汽油机和柴油机的控制。（见图,5-8,）,2025/5/28 周三,29,图,5-8,主程序,OB1,返回目录,2025/5/28 周三,30,4.4 PLC,在顺序控制中的应用,4.4.1,顺序控制的含义,顺序控制：就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。,使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺过程，画出顺序功能图（,Sequential function chart,），然后根据顺序功能图画出梯形图。,2025/5/28 周三,31,5.4.2,顺序功能图的基本结构,顺序功能图的基本结构包括：单流程、选择分支、并行分支、跳转、循环。（部分结构见图,5-9,）,单流程 选择分支 并行分支,图,5-9,顺序功能图的基本结构,2025/5/28 周三,32,5.4.3,绘制顺序功能图的注意事项,（,1,）两个步绝对不能直接相连，必须用一个转换将它们隔开。,（,2,）两个转换也不能直接相连，必须用一个步将它们隔开。,（,3,）顺序功能图中的初始步一般对应于系统等待起动的初始状态。,（,4,）自动控制系统应能多次重复执行同一工艺过程，即在完成一次工艺过程的全部操作之后，应从最后一步返回初始步，系统停留在初始状态，在连续循环工作方式时，将从最后一步返回下一工作周期开始运行的第一步。,2025/5/28 周三,33,5.4.4,顺序控制设计举例,（以“单流程”顺序控制为例）,1,控制工艺及控制要求,图,5-10,给出了液压动力滑台的进给运动示意图、顺序功能图和梯形图。在初始状态时动力滑台停在左边，限位开关,I0.3,为,1,状态。按下起动按钮,I0.0,，动力滑台在各步中分别实现快进、工进、暂停和快退，最后返回初始位置和初始步后停止运动。,2025/5/28 周三,34,2,顺序功能图和梯形图设计（见图,5-10,）,图,5-10,液压动力滑台的进给运动示意图、顺序功能图和梯形图,返回目录,2025/5/28 周三,35,5.5 PLC,系统的现场调试,5.5.1,寻找,/,替换与换线,1.,程序段内替换一个地址（见图,5-11,）,图,5-11,程序段内替换一个地址的操作,2025/5/28 周三,36,2.,替换整个项目下多个地址（见图,5-12,）,图,5-12,替换整个项目下多个地址的操作界面,2025/5/28 周三,37,5.5.2,变量监控与修改,1.,控制程序的在线监控（见图,5-13,）,图,5-13,控制程序的在线监控实例,2025/5/28 周三,38,2.,变量表监视和修改（见图,5-14,）,图,5-14,变量表监视和修改实例,2025/5/28 周三,39,5.5.3,输入,/,输出强制,输入,/,输出强制的功能：,输入,/,输出强制后的变量，不因映像输出的变化而改变。强制作业不能被简单取消，只能用菜单命令,VariableStop Forcing,来删除或终止。可以给用户程序的任何变量赋予固定值，这样它们就不能够被,CPU,中正在执行的用户程序改变或覆盖。输入输出强制的操作界面见图,5-15,。,2025/5/28 周三,40,图,5-15,输入,/,输出强制操作,返回目录,2025/5/28 周三,41,5.6,组织块,OB,及其应用,5.6.1,中断优先级,S7,提供了各种不同的组织块，这些组织块允许用户创建在特定时间执行的程序。表,5-4,给出了组织块不同的,OB,及其中断优先级。,2025/5/28 周三,42,表,5-4,组织块,OB,及中断优先级,OB,类型（优先级）,说明,OB1,主程序循环（,1,）,在上一循环结束时启动,OB10,时间中断（,2,）,在程序设置的日期和时间启动,OB20,延时中断（,3,）,受,SFC32,控制启动，在一特定延时后运行,OB35,循环中断（,12,）,运行在一特定时间间隔内（,1ms1min,）,OB40,硬件中断（,16,）,当检测到来自外部模块的中断请求时启动,OB80,到,OB87,响应异步错误（,26/,启动时,28,）,当检测到模块诊断错误或超时错误时启动,OB100,启动（,27,）,当,CPU,从,STOP,到,RUN,状态时启动,OB121,OB122,响应同步错误（与被中断,OB,优先级相同）,当检测到程序错误或接受错误时启动,2025/5/28 周三,43,5.6.2,中断过程,系统检测到一个,OB,块中断时，则被中断块的累加器和寄存器上的当前信息将被作为一个中断堆栈存起来（,I,堆栈）。,I,堆栈中保存的内容有：累加器及地址寄存器的内容，数据块寄存器的内容，局部数据堆栈，状态字，,MCR,寄存器和,B,堆栈指针。新,OB,块调用,FB,和,FC,，每一个块的处理数据被存堆栈。,B,堆栈中保存的内容有：,DB,和,DI,寄存器，临时数据（,L,堆栈）的指针，块的号码及返回地址。,2025/5/28 周三,44,5.6.3,控制中断,OB,分为两类：执行周期性工作的,OB,和响应错误的,OB,。,执行周期性工作的,OB,（日时钟中断），在特定的日期或时间执行，从一个编程事件始一段特定延时后执行，按特定周期循环执行，,CPU,检测到一个过程,/,硬件错误时执行，,CPU,检测到一个不依赖于程序指令的错误时执行，,CPU,检测到一个与程序指令处理有关的错误时执行。,2025/5/28 周三,45,5.6.4,循环控制组织块,循环控制组织模块,OB1,是最重要的组织快，,OB1,在系统中总是被循环调用，当过程中断或时间中断发生时暂停执行。,5.6.5,中断组织块及应用,1,日时钟中断（,OB10,）,2,延时中断（,OB 20,）,3,循环中断（,OB 35,）,4,硬件中断（,OB 40,）,2025/5/28 周三,46,5.6.6,初始化模块及应用（,OB100,）,每当,CPU,的状态由停止态转入运行态时，操作系统都调用,OB100,。当,OB100,运行结束后，操作系统调用,OB1,。利用,OB100,先于,OB1,执行的特性，可以为用户主程序的运行准备初始变量或参数（见图,5-16,）。,2025/5/28 周三,47,图,5-16 OB100,与,OB1,的执行过程,返回目录,2025/5/28 周三,48,5.7,故障特性及故障诊断,5.7.1,故障特性,系统故障分外部故障和内部故障。外部故障指系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载等部分的故障，内部故障指可编程序控制器本身的故障。,在系统总故障中只有,10%,的故障发生在可编程序控制器中，而这,10%,的故障中，,90%,的故障发生在,I/O,模版中，只有,10%,的故障发生在控制器中。所以，系统的大部分故障发生在,I/O,模版及信号元件和回路中。,2025/5/28 周三,49,5.7.2,故障诊断知识,1,故障的分类,(1),外部设备故障是与实际过程直接联系的各种开关、传感器、执行机构、负载等所发生的故障。,(2),系统故障可分为固定性故障和偶然性故障。如果故障发生后，可重新启动使系统恢复正常，则为偶然故障。相反，如重新启动不能恢复而需要更换硬件或软件，系统才能恢复正常，则为固定故障。,(3),硬件故障主要指系统中的模块损害而造成的故障。,(4),软件故障是软件本身所包含的错误所引起的，这主要是软件设计考虑不周，在执行中一旦条件满足就会引发。,2025/5/28 周三,50,2.,故障诊断,(1),故障的宏观诊断就是根据经验、参照发生故障的环境和现象来确定故障的部位和原因。,宏观诊断可按如下步骤进行：,是否为使用不当引起的故障，常见的使用不当包括供电电源故障、端子接线故障、模块安装故障和现场操作故障等。,如果不是使用故障，则可能是偶然性故障或系统运行时间较长所引起的故障。对于这类故障可按照可编程序控制器系统的故障分布，依次检查、判断故障。首先检查与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构和负载是否有故障；然后检查可编程序控制器的,I/O,模块是否有故障；最后检查可编程序控制器的,CPU,是否有故障。,2025/5/28 周三,51,(2),故障的自诊断主要是采用软件方法和分析来判断故障的部位和原因。西门子,S7-300PLC,可以利用,SIMATIC,管理器调用系统诊断功能读出,CPU,硬件组态表进行查看，其符号颜色表征哪块模块出现故障。另外，为了快速地区别是可编程序控制器硬件故障还是应用软件故障。可以编制一个只有结束语句的应用程序装入,CPU,中，如果硬件完好则可顺利地冷启动，如果冷启动失败就是系统硬件有故障。在,S7-300PLC,中还提供了有助于,CPU,相应故障的组织块。用户通过程序可以编辑这些组织块，来告诉,CPU,当出现故障时应如何处理，如果相应的故障组织块,OB,没有编程，当出现故障时，,CPU,转到“,STOP”,状态。,返回目录,