第八章 PLC控制系统的应用设计

《装备维修技术》2021年第8期—127—PLC 的工业控制系统的设计与实现赵永军（贝加莱工业自化（中国）有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110003）工业企业为了提高生产效率，满足市场对产品的需求，将PLC 技术应用到工业控制系统中，解决传统工业控制无法解决的问题。

工业领域正在研究PLC 技术和数据库技术、移动互联网等技术的融合方法，希望凭借研究成果促使工业控制技术向自动化方向转型，下面将分析工业控制系统中PLC 技术的应用情况。

一、PLC 技术概述可编程逻辑控制器英文名称是Programmable Logic Controller，PLC 是其的简称，经过学者长时间研究，加深了对PLC 的掌握程度，在此基础上总结PLC 概念，一种应用在工业环境中的电子装置，可以根据工作需求数字化设置。

PLC 应用在工业领域中，借助装置内部的储存器执行指令，完成工业生产任务。

PLC 应用在工业控制系统中，可以提高工业系统的工作效率，促使系统运行具备安全性、可靠性与实用性，在工业系统中使用PLC，简化系统的架构，大幅度降低维护管理工作的难度，还可以削减无用能源的损耗量，对工业生产活动的进行有不小的帮助[1]。

PLC 技术应用在工业控制系统后，可以完成生产活动、工业系统开关量、模拟量的控制工作。

另外，PLC 技术因为编程容易、可靠性高、安装容易、组态灵活、运行迅捷等优势，所以在互联网通信、数据处理等领域也有不俗的表现，目前很多行业均发现PLC 技术的价值，不难判断其拥有非常大的发展潜力[2]。

二、PLC 工业控制系统的设计（一）设计原则 PLC 技术应用在工业控制系统中，为达到预期目标必须遵循以下原则： （1）科学性原则：工业控制系统应用PLC 技术，考量实际工作需求与被控制对象进行设计，从而可以提高PLC 工业控制系统的实施效果，强化系统的控制能力。

PLC 工业控制系统在设计阶段必须着眼实际状况，勘察生产现场环境，收集与工作需求相关的数据资料，测试电气设备的运行表现，按照工作需求编写系统控制方案[3]。

第5章S7-200 PLC的指令系统习题与思考题7-200指令参数所用的基本数据类型有哪些？：S7-200 PLC的指令参数所用的基本数据类型有1位布尔型(BOOL)、8位无符号字节型(BYTE)、8位有符号字节型(SIMATIC模式仅限用于SHRB指令)、16位无符号整数(WORD)、16位有符号整数(INT)、32位无符号双字整数(DWORD)、32位有符号双字整数(DINT)、32位实数型(REAL)。

实数型(REAL)是按照ANSI/IEEE 754-1985标准(单精度)的表示格式规定。

2~255字节的字符串型（STRING）即I/O指令有何特点？它应用于什么场合？：立即指令允许对输入和输出点进行快速和直接存取。

当用立即指令读取输入点的状态时，相应的输入映像寄存器中的值并未发生更新；用立即指令访问输出点时，访问的同时，相应的输出映像寄存器的内容也被刷新。

由于立即操作指令针对的是I/O端口的数字输入和数字输出信号，所以它们的位操作数地址只能是物理输入端口地址Ix.x和物理输出端口地址Qx.x。

辑堆栈指令有哪些？各用于什么场合？：复杂逻辑指令，西门子称为逻辑堆栈指令。

主要用来描述对触点进行的复杂连接，并可以实现对逻辑堆栈复杂的操作。

杂逻辑指令包括：ALD、OLD、LPS、LRD、LPP和LDS。

这些指令中除LDS外，其余指令都无操作数。

这些指令都是位逻辑指令。

装载与指令ALD用于将并联子网络串联起来。

装载或指令OLD用于将串联子网络并联起来。

辑推入栈指令LPS，在梯形图中的分支结构中，用于生成一条新的母线，左侧为主控逻辑块时，第一个完整的从逻辑行从此处开始。

辑读栈指令LRD，在梯形图中的分支结构中，当左侧为主控逻辑块时，该指令用于开始第二个和后边更多的从逻辑块。

辑栈弹出指令LPP，在梯形图中的分支结构中，用于恢复LPS指令生成的新母线。

入堆栈指令LDS，复制堆栈中的第n级值，并将该值置于栈顶。

第8章变频器控制系统本章以柔性生产线控制系统设计为目的，首先从最简单的变频器面板控制入手，逐步掌握变频器点动控制和变频器多段速控制的设计方法，最终完成柔性生产线控制系统设计，使学生逐步掌握变频器的使用方法，最终提高读者应用PLC按要求完成设计任务的能力。

教学导航教知识重点（1）变频器的结构和控制方式。

（2）变频器的外部接线和参数的设定。

（3）柔性生产线控制系统中触摸屏的设计方案和参数设置。

知识难点（1）变频器的结构和控制方式。

（2）变频器的外部接线和参数的设定。

推荐教学方法本章的知识链接部分用讲授法和引导文法；初步训练部分使用案例教学法；强化训练、拓展训练部分使用项目教学法。

学推荐学习方法循序渐进的完成变频器面板控制、点动控制、多段速控制和柔性生产线控制系统设计，在完成任务过程中逐步掌握S7-200新的编程指令和编程方法。

必须掌握的理论知识（1）变频器的结构和控制方式。

（2）变频器的外部接线和参数的设定。

必须掌握的技能（1）变频器控制系统的设计方法。

（2）触摸屏的设计方案和参数设置方法。

8.1 变频器控制系统介绍随着电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术及自动化控制理论的发展，变频器制造技术有了跨越式的进步，以变频器为核心的交流电机调速已广泛应用于国民经济各部门，在工业自动化领域，交流电机调速已经取代传统的直流调速系统，而且大大提高了技术经济指标。

在耗电大户的风机、泵类(其耗电量几乎占工业用电一半)应用变频器控制，可以大大节约电能；在广泛关系各行各业的机械专业，应用变频器技术，是改造这一传统产业，实现机电一体化的重要手段；此外，在化纤、纺织塑料、化学、轻工等工业领域也广泛应用变频器技术实现自动化提高了产品的质量与数量。

变频器不仅应用于工业、交通领域，而且已进入家庭，在家电工业领域，空调器、电冰箱都有了变频器控制的相应产品，提高了家电产品的经济技术指标和智能化水平。

随着现代化的程度提高，对变频器的应用会更加普及。

电气控制与PLC应用第一章：电气控制基础1.1 概述介绍电气控制的基本概念、分类和应用领域解释电气控制系统的组成和作用1.2 常用低压电器介绍开关、接触器、继电器、保护器等低压电器的结构和原理分析各种低压电器在电气控制系统中的应用和选择方法1.3 电气控制电路图的识读解释电气控制电路图的符号和表示方法指导学生识读简单的电气控制电路图，理解其工作原理第二章：可编程逻辑控制器（PLC）概述2.1 PLC的基本概念介绍PLC的定义、发展和应用领域解释PLC与传统继电器控制系统的区别和优势2.2 PLC的组成与工作原理介绍PLC的硬件组成，包括中央处理单元、输入/输出模块、电源模块等解释PLC的工作原理，包括扫描周期、输入输出处理、程序执行等2.3 PLC编程软件的使用介绍PLC编程软件的功能和界面指导学生使用编程软件进行简单的程序编写和仿真调试第三章：基本指令及其应用3.1 基本指令介绍解释PLC基本指令的分类和作用介绍常用的逻辑运算指令、定时器指令、计数器指令等3.2 基本指令的应用实例通过实际案例分析，展示基本指令在电气控制系统中的应用和实现方法指导学生编写简单的PLC程序，实现特定的控制功能3.3 编程规则与技巧介绍PLC编程的基本规则和技巧分析常见的编程错误和问题，并提供解决方法第四章：功能指令及其应用4.1 功能指令概述介绍PLC功能指令的分类和作用解释功能指令的使用条件和限制4.2 常用功能指令的应用实例通过实际案例分析，展示功能指令在电气控制系统中的应用和实现方法指导学生编写复杂的PLC程序，实现高级控制功能4.3 功能指令编程实例提供具体的编程实例，指导学生运用功能指令解决实际问题分析编程实例中的关键步骤和注意事项第五章：电气控制与PLC应用案例分析5.1 案例一：电动机的控制分析电动机控制系统的需求和功能设计PLC程序，实现电动机的启动、停止、正反转等控制功能5.2 案例二：工业控制介绍工业的基本原理和结构分析工业控制系统的需求，设计PLC程序，实现的运动控制和任务执行5.3 案例三：自动化生产线控制分析自动化生产线的工艺流程和控制需求设计PLC程序，实现生产线的自动化控制，包括物料传送、装配、检测等功能5.4 案例四：楼宇自动化系统控制介绍楼宇自动化系统的组成部分和功能分析楼宇自动化系统的控制需求，设计PLC程序，实现照明控制、空调控制、安防等功能5.5 案例五：环保设备控制分析环保设备的工作原理和控制要求设计PLC程序，实现环保设备的精密控制，包括排放监测、故障诊断等功能第六章：PLC编程技术进阶6.1 顺序功能图（SFC）编程介绍顺序功能图的概念和基本组成指导学生如何使用SFC描述复杂控制过程分析SFC到PLC程序的转换方法6.2 功能块图（FB）和顺序控制图（SO）编程解释功能块图和顺序控制图的概念和用途展示如何使用功能块图和顺序控制图编写PLC程序讨论在实际应用中选择这些编程方法的优缺点第七章：PLC通信技术7.1 PLC通信基础介绍工业通信的标准和协议，如Modbus、Profibus、Ethernet/IP 等解释PLC通信网络的拓扑结构和通信介质讨论通信故障的诊断和解决方法7.2 PLC网络配置与调试指导学生如何配置PLC网络，包括选择合适的通信协议和设置参数展示如何进行PLC网络的调试和测试分析网络通信在实际应用中的问题和解决方案第八章：人机界面（HMI）与PLC应用8.1 HMI基础介绍人机界面的功能、类型和基本组成解释HMI与PLC的连接方式和数据交换机制讨论HMI在工业自动化中的应用和优势8.2 HMI编程与组态指导学生如何使用HMI编程软件进行界面设计和程序编写展示如何配置HMI与PLC的数据连接和通讯参数分析在实际项目中，如何根据需求设计HMI界面第九章：电气控制与PLC系统的维护与故障诊断9.1 电气控制系统的维护介绍电气控制系统维护的基本内容和注意事项讨论维护过程中常用的工具和技术分析维护过程中常见的问题和解决方法9.2 PLC系统的维护与故障诊断解释PLC系统维护的重要性，包括硬件和软件的维护指导学生如何进行PLC系统的故障诊断，包括故障排查和修复分析不同故障类型及其原因，提供相应的解决策略第十章：电气控制与PLC应用案例实操10.1 PLC控制系统的设计与实施分析实际项目需求，指导学生进行PLC控制系统的设计讨论控制系统实施过程中的注意事项和技术要点分析项目实施过程中可能遇到的问题和解决方案10.2 PLC控制系统的调试与优化介绍PLC控制系统调试的基本方法和流程指导学生如何对控制系统进行优化，提高性能和稳定性分析调试和优化过程中，如何根据实际情况调整参数和程序第十一章：高级PLC应用技术11.1 运动控制与PLC介绍PLC在运动控制中的应用，包括步进电机、伺服电机控制解释运动控制相关的PLC指令和功能模块分析运动控制程序的设计方法和实例11.2 数据处理与PLC讲解PLC在数据处理方面的应用，如数据采集、处理、存储等介绍PLC的数据处理指令和功能模块探讨数据处理在工业自动化中的应用实例第十二章：PLC在特殊应用领域的应用12.1 PLC在过程控制中的应用介绍PLC在工业过程控制中的应用，如温度、压力、流量控制解释过程控制相关的PLC指令和功能模块分析过程控制程序的设计方法和实例12.2 PLC在分布式控制系统中的应用讲解PLC在分布式控制系统（DCS）中的应用介绍PLC在DCS中的角色和功能分析DCS系统中PLC程序的设计和实施方法第十三章：PLC与工业网络13.1 PLC在工业网络中的作用介绍PLC在工业网络中的地位和作用解释工业网络的基本结构和通信协议分析工业网络中PLC的通信和数据交换方法13.2 PLC网络的安全性与可靠性讲解PLC网络的安全性和可靠性重要性介绍提高PLC网络安全性和可靠性的方法和技术分析PLC网络在工业自动化中的挑战和解决方案第十四章：PLC编程软件的高级应用14.1 编程软件的高级功能介绍PLC编程软件的高级功能，如仿真、调试、维护等讲解如何利用编程软件进行高级编程和项目管理的技巧分析高级功能在实际项目中的应用实例14.2 编程软件的二次开发讲解如何进行PLC编程软件的二次开发，以扩展软件功能介绍常用的编程语言和开发工具分析二次开发在特定应用场景中的优势和挑战第十五章：电气控制与PLC应用综合案例实操15.1 PLC控制系统的设计与实施实例分析一个综合性的PLC控制系统项目需求指导学生进行控制系统的设计和实施，包括硬件选择、编程、调试等分析项目实施过程中的关键步骤和经验教训15.2 PLC控制系统的性能优化讲解如何对PLC控制系统进行性能优化指导学生对控制系统进行调试和优化，提高性能和稳定性分析优化过程中遇到的问题和解决方案重点和难点解析本文主要介绍了电气控制与PLC应用的教学教案，涵盖了基础概念、硬件组成、编程技术、通信技术、人机界面、系统维护与故障诊断等多个方面，并通过案例实操进行了深入的讲解。

plc应用系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解PLC（可编程逻辑控制器）的基本概念、组成结构及其工作原理；2. 掌握PLC编程语言，如梯形图、指令表等，并能运用这些语言进行简单的程序设计；3. 了解PLC在工业控制系统中的应用场景，如逻辑控制、过程控制等；4. 熟悉PLC与外围设备的连接及通信方式。

技能目标：1. 能够运用所学知识对简单的PLC控制系统进行设计、编程和调试；2. 培养学生的实际操作能力，提高他们解决实际工程问题的能力；3. 培养学生的团队协作和沟通能力，使他们能够在项目实施过程中进行有效合作。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对PLC技术及其应用的兴趣，激发他们探索工业自动化领域的热情；2. 培养学生的创新意识和实践能力，使他们具备继续学习和发展的潜力；3. 增强学生的工程意识，使他们认识到PLC技术在现代工业中的重要性，树立正确的职业观念。

本课程针对高年级学生，结合学科特点和教学要求，注重理论与实践相结合，培养学生的实际操作能力和团队合作精神。

通过本课程的学习，学生将能够掌握PLC应用系统的基本知识和技能，为未来从事相关领域工作打下坚实基础。

二、教学内容1. PLC基本原理及结构- PLC的定义、发展历程- PLC的硬件组成、工作原理- PLC的软件系统及编程语言2. PLC编程技术- 梯形图、指令表等编程语言- 基本指令、功能指令的应用- PLC程序的编写、下载与调试3. PLC应用系统设计- PLC控制系统设计流程- PLC与外围设备的连接及通信- 电气控制线路的设计与优化4. PLC工程实践- 实践项目一：简单逻辑控制- 实践项目二：过程控制- 实践项目三：综合控制系统5. PLC技术在工业控制中的应用案例分析- 逻辑控制案例- 过程控制案例- 自动化生产线案例本教学内容根据课程目标制定，涵盖PLC基本原理、编程技术、应用系统设计及工程实践等方面，旨在使学生系统地掌握PLC相关知识。

智能制造生产线中PLC控制系统设计应用摘要：近年来，随着我国制造行业的不断革新与改进，智能化水平显著提高，生产效率大幅提升。

但大多数生产线存在设备彼此独立、信息共享不完善、信息数据分析能力弱和人机交互功能不友好等问题。

作为“机器”的PLC具备功能完善、可靠性高、适用性强等多种优点，已成为了现代工业智能集成控制系统的核心控制器件。

关键词：智能制造；生产线；PLC控制系统；设计；应用1PLC技术功能定位可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）技术的主要功能是实现用户对控制程序的预编程，同时按照预编程的程序流程控制整个智能制造过程。

PLC在智能制造自动化控制程序中发挥着重要作用，是整个自动化控制系统的核心模块。

预编制控制程序存储在PLC模块，由PLC模块的中央处理器（Central Processing Unit,CPU）芯片按照既定程序调用各个功能性模块（通信模块、遥感模块、电气控制模块），实现对当前生产工况的研判和对下一步生产控制指令的生成，将生产流程从一个流程推进到下一个流程，对各个生产加工设备发布一个控制指令到另一个控制指令，从而实现对整个生产流程的自动化控制。

PLC技术对智能制造的自动化控制是单向的。

整个控制过程会按照预设的流程顺序，从一个控制阶段过渡到另一个控制阶段，使得整个设备的运作状态进入既定的加工程序，并一直循环下去。

2智能制造生产线中PLC控制系统设计应用2.1消毒箱工艺流程设计联合消毒箱工艺流程基于作业过程可分为置物、消毒、取物三部分。

如图1为联合消毒箱的工艺流程，系统上电状态下，作业人员按下开门按钮，系统在判定内部无消毒物资的前提下，会打开置物入口门锁。

门开启后，人员将待消毒物资放置在消毒箱内部指定位置并关闭入口门。

根据待消毒物资的特性，人员选择加热或紫外的消毒方式，按下相应消毒按钮。

系统在判定条件具备的情况下（受控门有效关闭、计时器复位等）启动消毒作业，计时器开始计时。