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西门子FA系统综合应用基础维修电工技师培训班2012年4月西门子FA系统综合应用 (3)第一章西门子FA系统综合应用基础 (3)1-1 内容 (3)1-2 西门子FA系统设计与应用步骤 (3)1-3 PLC、触摸屏等设备选型方法 (5)1-4 注意事项 (8)第二章西门子FA系统综合应用实例 (8)2-1 电动机启停控制系统综合应用 (8)2-2 交流电动机变频调速系统综合应用 (49)西门子FA系统综合应用第一章西门子FA系统综合应用基础1-1 内容1-2 西门子FA系统设计与应用步骤设计带有PLC、触摸屏等需要进行编制程序来完成控制功能的系统时，为了保证设计的系统可靠运行，需要遵循一定的设计与应用步骤，具体的步骤有以下几个方面：（1）项目需求分析及项目规划深入了解和分析被控对象的工艺条件和控制要求。

这一步是系统设计的基础。

设计前应熟悉图纸资料，深入调查研究，与工艺、机械方面的技术人员和现场操作人员密切配合，共同讨论，解决设计中出现的问题。

应详细了解被控对象的全部功能，如机械部件的动作顺序、动作条件、必要的保护与连锁，系统要求哪些工作方式（如手动、自动、半自动等），设备内部机械、液压、气动、仪表、电气几大系统之间的关系，可编程序控制器与其他智能设备（如别的可编程序控制器、计算机、变频器、工业电视、机器人）之间的关系，可编程序控制器是否需要通信联网，电源突然停电及紧急情况的处理，需要显示哪些物理量及显示的方式等等。

根据被控对象对PLC控制系统的功能要求首先确定用户输入输出设备。

在据此确定PLC的I/O点数。

（2）对系统的输入、输出信号进行分配（I/O分配）确定了系统的控制要求，也就是对系统的所有输入信号、输出信号的形式、逻辑关系有了清楚的了解。

但是这些输入信号必须输入PLC，再由PLC输出执行结果来驱动外部负载，所以给所有的外部输入信号、系统的输出信号分配合适的PLC端口是十分必要的，在此过程中，可能用户需要更改所使用的PLC的类型，因为有时候你需要的控制功能在以前确定型号的PLC上无法使用。

（3）选择PLC、触摸屏等设备型号选择机型时应该选择满足控制系统要求的性价比高的机型，并且在选择时应该留出一定的扩展裕量，例如程序存储空间，I/O扩展空间，方便系统设计时候进行修正。

（4）PLC外部接线设计，控制柜、电动机等设备主电路电路设计对PLC进行了I/O分配后，就需要设计PLC的外部接线图，这个过程是纯硬件范畴的，这也是以后硬件施工的基础。

外部接线设计的基本原则是所有的输入信号、输出信号必须构成电流回路，并且要注意所有的输入信号、输出信号的电压、电流、频率范围。

（5）配电（控制）柜设计及装配在控制信号与PLC的连接设计完成后，需要对配电（控制）柜、电动机等用电设备进行设计，包括安装尺寸，安装位置，安装形式等，设计完成后，经过论证没有问题，既可以进行现场施工。

设计好了硬件接线图以后，需要统计系统中所需要的低压元器件，然后设计或选择合理的配电柜，并进行装配。

为了保证机电应用项目的安全，国家标准计量局已经提供了多项关于配电控制柜的安全设计标准和安全操作标准，设计时可以选择标准的低压配电（控制）柜，也可以自行设计并组装，但是一定要符合安全操作规范。

（6）PLC程序设计及模拟调试PLC程序设计的主要任务就是根据控制系统的控制要求和I/O分配确定的各种输入/输出信号，依据各种变量的逻辑关系，编制PLC控制程序。

在设计PLC程序时，建议对程序中加入注释和说明，以方便程序的修改和移植。

进行软件编程时，必要时还应该优化程序。

（7）现场联机调试PLC控制系统的功能能不能满足控制要求，需要经过工业控制现场的检验才能得出结论。

如果经过现场检验，发现控制功能有错误或者不能满足指标的，需要修改程序，特殊情况下可能还需要修改硬件设计，直至系统能够满足控制要求，安全、可靠、正常运行。

（8）保存程序，编制有关技术文件如果控制系统通过了试运行期的检验，已经正常工作，接下来的工作就是需要保存程序，将整个控制系统的控制要求、I/O分配、硬件设计、软件设计都整理成册，作为资料保存，以便于控制系统日后维修、保养、改造。

典型的PLC控制系统设计流程图如图1-1所示。

图1-1 PLC控制系统设计流程1-3 PLC、触摸屏等设备选型方法在可编程序控制器作为控制核心的工程项目中，系统的硬件配置和选型是十分重要的工作，工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。

1-3-1 动力驱动设备选型依据（1）根据系统要求确定负载类型无论何种控制系统，其控制对象都可以分为数字量控制和模拟量控制两种。

数字量控制只是一些离散型的控制对象，只需要控制某些设备（或部件）通电和断电即可，一般需要注意其相互的逻辑顺序以及逻辑联锁即可；模拟量控制对象比较复杂，一般常用来控制温度、流量、压力、液位、速度等连续变化的对象。

（2）根据负载类型及控制精度选择驱动装置模拟量控制系统中，要根据控制对象的不同，选择合适的检测装置（传感器）、驱动装置。

有时候，对于同一个控制量，可能要求的精度不同，所能选择的驱动装置也有限制。

（3）根据驱动装置要求选择控制设备驱动装置需要由PLC和其他相关设备进行控制，所需要的控制信号可以分为以下几个类型：数字量控制、模拟量控制、通讯数据控制。

一般说来，数字量控制比较简单，但是控制精度差，并且不能够产生连续控制作用。

模拟量控制稍微复杂一些，但是可以实现连续控制（例如温度、流量、压力、液位、速度等）。

通讯数据控制控制精度最高，但是成本较高，有时候可能需要增添额外的通讯控制模块。

同时，通讯控制有可能产生时间滞后，尤其是在采取异步数据传输的系统中更容易出现。

1-3-2 可编程序控制器选型依据PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型。

所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。

熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量，确定可编程序控制器的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的可编程序控制器和设计相应的控制系统。

（1）物理结构的选择根据物理结构，可以将可编程序控制器分为整体式和模块式，整体式每一I/O点的平均价格比模块式的使宜，小型控制系统一般使用整体式可编程序控制器。

模块式可编程序控制器的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数等的选择，比整体式可编程序控制器灵活得多。

模块式可编程序控制器还备有多种特殊I/O模块供用户选用，可完成各种特殊的控制任务，在判断故障范围和维修时更换模块等也很方便，因此较复杂的、要求较高的系统一般采用模块式可编程序控制器。

系统如有模拟量闭环控制、快速响应、高速计数、通信联网和运动控制等特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的可编程序控制器，也可以选用内置相应功能的整体式可编程序控制器。

（2）指令功能的选择现代的可编程序控制器的指令功能越来越强，内部编程元件(如辅助继电器、定时器和计数器)的个数越来越多，任何一种可编程序控制器都可以满足开关量控制系统的要求。

如果系统要求完成模拟量与数字量的转换、PID闭环控制、运动控制等工作，可编程序控制器应有算术运算、数据传送等功能，有时甚至要求有开平方、对数运算和浮点数运算等功能。

（3）I/O点数的确定确定I/O点数时，应准确地统计出被控设备对可编程序控制器输入输出点数的总需求，在此基础上，应留有10％~20％的裕量，以备今后对系统改进和扩充时使用。

整体式可编程序控制器的基本单元、扩展单元的输入点数和输出点数的比例是固定的，如与系统要求的输人输出点数的比例相差较大，可选用只有输入点或只有输出点的扩展单元或扩展模块。

（4）存储器容量的选择在初步估算时，对于仅需开关量控制的系统，将I/O点数乘以8，就是所需的存储器的字数，这—要求一般都能满足。

在只有模拟量输入、没有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量信号作数据传送、数字滤波和比较运算等操作，估算时可为每路模拟量准备l00个存储器字。

在既有模拟量输入又有模拟量输出的系统中，一般要对模拟量作闭环控制，涉及的运算相当复杂，需要的用户存储器比只有模拟量输入时要多一些，估算时可为每路模拟量准备200个存储器字。

当模拟量路数较少时，应将系数适当增大，反之则应将系数适当减小。

程序设计者的编程水平，对所编程序的长度有很大的影响，在考虑存储器容量时，初学者应多留一些余量，有经验者可以少留一些。

在自动测量、自动存储和对系统补偿修正等场合，对存储器的需求量是很大的，有时甚至要求可编程序控制器有十几K字甚至几十K字的存储容量。

在选择可编程序控制器的型号时不应盲目追求过高的性能指标，在I/O点数和存储器容量方面应留有一定的裕量。

（5）尽可能地使可编程序控制器的机型统一同一企业应尽量使可编程序控制器的机型统一，或者尽可能只使用同—生产厂家的可编程序控制器。

这样可以减少备品备件的数量，编程器和编程软件包等可以供多台可编程序控制器公用。

使用同一厂家的可编程序控制器也有利于技术力量的培训，便于用户程序的开发和改进。

（6）开关量I/O模块的选择开关量I/O模块的点数有8点、16点、32点等，点数多的每点平均价格低一些。

点数少的I/O模块使用接线端子，点数较多(如32点)的I/O模块的接线一般采用插座方式的接线较为方便。

开关量I/O模块按外部接线方式分为隔离式、分组式和汇点式，隔离式的每点价格较高，如果信号之间不需要隔离，应选用后两种。

①开关量输入模块输入电压的选择开关量输人模块的输入电压一般为DC 24V和AC 220V。

直流输入电路的延迟时间较短．可以直接与接近开关、光电开关等电子输入装置连接。

交流输入方式的触点接触可靠，适合于在有油污、粉尘的恶劣环境下使用。

②开关量输出模块的选择继电器型输出模块的触点工作电压范围广，导通压降小，承受瞬间过电压和过电流的能力较强，但是动作速度较慢，寿命（动作次数）有一定的限制。

如果系统的输出信号变化不是很频繁，建议优先选用继电器型的。

晶体管和双向可控硅型输出模块分别用于直流负载和交流负载，他们的可靠性高，反应速度快，寿命长，但是过载能力稍差。

选择时应考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载状态变化是否频繁等，还应注意同一输出模块对电阻性负载、电感性负载和白炽灯的驱动能力的差异。

如某继电器型模块的最高工作电压为AC250V，可驱动2A的电阻性负载、80V A的电感性负载和I00w白炽灯。