PLC在传统继电器控制系统改造中的应用研究.pdf

第 2 7卷 第 2期 2 0 1 1年 6月 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 J o u r n a l o f B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e V0 1 ． 2 7 NO ． 2 J un．2 011 文 章 编 号 1 0 0 46 0 1 1 2 0 1 1 0 2～0 0 5 60 5 P L C在传统继 电器控 制 系统改造 中的应用研 究 张 惠 生 北京建筑工程学院 机 电与汽车 1 程学院 ， 北京 1 0 0 0 4 4 摘 要 目前 ， 一 些工 业企业使 用的机械 设备 的 电气控 制仍采 用传 统继 电器控制 系统 ， 运 用继 电器 触点通 断 的逻 辑组合 实现 自动 控 制。此 类 系统 的 通 断触 点 多 ， 线 路 复 杂 ， 长 期使 用后 触 点容 易损 坏 ； 且 其 中任何 一 个继 电器 中的一 对触点接 触不 良 ， 都 可能影响整 个 系统 的 正常运 行．针对 以上 问 题 ， 进行 了可编 程序控 制 器 P L C 对 系统 实施 改造 方案的应 用研 究 ， 并对 改造 中的一 些细 节 问题 进 行 了探 讨． 关 键词 继 电器控 制 ； P L C控 制 ；改造 ；直接 翻译 ；实例 中图分 类号 T P 2 9 文 献标志码 A App l i e d Re s e a r c h o f t he Tr a ns f o r m a t i o n f r o m Tr a d i t i o n a l Re l a y Co n t r o l S y s t e m t o PL C Zh a ng Hu i s h e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l El e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，BU CEA Be i j i n g 1 0 0 0 4 4 Abs t r a c t T h e me c ha n i c a l e q u i p me n t c o n t r o l l e d by t r a d i t i o n a l r e l a y c o n t r o l s y s t e m c u r r e n t l y i s s t i l l wi de l y u s e d i n i n d u s t r i a l c o mp a n i e s n o wa d a y s ． T h e a u t o ma t i c c o n t r o l a l g o r i t h ms f o r t h e m a r e c a r r i e d o u t b y b u i l d i n g o n a n d o ff l o g i c c i r c ui t wi t h r e l a y s ．Th e k i n d o f s y s t e ms ma y h a v e r e l i a b i l i t y p r o b l e m s i n c e t h e y o f t e n h a v e v e r y c o mp l e x c i r c u i t s a n d t he r e mi g h t b e d a ma g e o n r e l a y c o n t a c t s a f t e r l o n g t i me o f u s e wh e r e a n y s i n g l e d a ma g e c o u l d a f f e c t t h e o p e r a t i o n o f t h e e n t i r e s y s t e m．Th e a pp l i e d r e s e a r c h o f t r a n s f o r mi n g t he i r c o n t r o l s y s t e m f r o m r e l a y c o n t r o l t o P LC c o n t r o l i s e x p l o r e d i n t h i s a r t i c l e whi c h c o u l d s o l v e t h o s e p r o b l e ms a nd s o me d e t a i l i s s u e s o f t he t r a n s f o r ma t i o n a r e a l s o d i s c u s s e d． Ke y wo r d sr e l a y c o n t r o l ；P LC c o n t r o l ；t r a n s f o r ma t i o n；d i r e c t t r a n s l a t i o n；e x a mp l e 目前 ， 一些 工业 企业 使 用 的机 械设 备 的 电气 控 制仍采用传统的继电器控制系统 ， 这种系统 固然有 易于制造 和成本 较低 等 优 点 ， 但 由于 继 电器 控 制 系 统是 由以通断触 点 为 主 的 中间继 电器 、 时 问继 电器 和计数器等元件触点通断的逻辑组合来实现 自动控 制 ， 导致组 成 系统 的通 断触 点 多 、 线路 复 杂 ， 长 期使 用后机械触点易损坏 ； 且其 中某 一个继电器 中的某 一 对触点接触不良， 都会影响整个系统的正常运行． 设备 发生故 障后 ， 查找 和排除往 往非 常困难 ， 有 时会 花 费大量 时间 ， 影 响生产 ， 也增 加 了维 护成本 ．如 以 往继 电器 控 制 的 电 梯 有几 百 个 触 点 控 制 电梯 的运 行 ， 应用 P L C改 造后 触 点 数量 减 少 了 8 0 ％ ， 控 制 系 统故障仅为继电器控制方式的 1 0 ％．为此， 国家有 关部门已明文规定从 1 9 9 7年起新产 电梯不得使用 继电器控制， 改用 P L C控制． 尽管如此 ， 仍然有相当 一 部分采 用 这 种 控 制 方式 的老 旧设 备 在 企 业 中服 收 稿 日期 2 0 1 1 0 3 3 O 作者简介张惠生 1 9 5 6 一 ，男，高级实验师 ，研究方 向 机械电子工程 第 2期 张惠生 P L C在传统继电器控制系统改 造中的应用研究 5 7 役 ， 这 固然有企 业 用惯 了这些设 备不愿 淘汰 等 因素 ， 但更 多的是从 经济 方 面考虑 ， 更新 困难 ．为此 ， 笔 者 进行 了应用 P L C对传 统 继 电器 控 制 设 备 的 电 控 系 统实施 改造 的 应 用研 究 ．实 践 表 明 ， P L C能 有 效 解 决继 电器控 制 的不 足 ， 控 制效果 优于继 电器 ， 有逐 渐 取代继 电器 控制 的趋 势 ． 改 造后 的设备 不 改 变原 有 的工 作性 能 ， 也 不需 要改动控制面板， 输入信号元件和输出控制对象没 有变化 ， 元件仍 可继 续使 用．对于 改造 过 的设 备 ， 除 控制 系统稳定 性提 高外 ， 改造前后 没有 区别 ． 改造的费用视设备 的输入 、 输 出元件的数量和 性质 而定 ， 与设备规 模 大 小 和 电气 控 制 系统 的复 杂 程度 没 有 关 系 ， 一 般 直 接 改 造 费 用 为 8 0 0～2 0 0 0 元．本 文列举 的“ 三 相 异 步 电动 机 双 向启 动 反 接 制 动” 实例 采用 的是 O MR O N公 司的 C P M1 A一 1 0 C D R V 1型 P L C ， 改造 的材 料 费用 约 为 8 0 0元 ， 改 造后 的 机械触 点数 量 由原来 的 2 0个 降至 5个 ． 1 改造的方法与步骤 应用 P L C对设 备 电气 控 制 系 统 改造 常 用 的方 法 是根据设 备 的控 制要 求重 新设 计控 制 系统 ．应 用 这 种方法 改造 的流程 清晰 ， 但 改造 周期较 长 ， 改 造后 还需 对设 备进行 调试 ．本 文论述 的 在继 电器 控 制 电 路 基础上将 其 直接 翻 译 “ 转 化 ” 为 P L C控 制 系统 的 应用研 究 ， 对缩短 改造 时问效果 显著 ． 1 ． 1 继 电器控 制 与 P L C 的控制 方式 的异 同 P L C是继 电器控 制 技 术 与计 算 机 结 合 的产 物 ， 与继 电器控制 方式 相似 ， 最 仞 的 P L C就是 为 了取 代 继 电器挎 制设计 的 ．两种 控制 方式 有着 相 同 的输入 元 件 按钮 开关 、 行程 开关 、 转 换 开关 、 传 感 器等 和 输 控制 对象 电动 机 、 电磁 阀 、 接 触 器 、 指示 灯 、 电 磁铁等 ．P L C延 用 了继 电 器 控 制 的优 点 ， 用 程 序 软 件 等效 厂继 电器 的控制 电路 硬件 ， 用 程序 的 软 逻辑替 代 r继 电 器控 制 系统 中 的中 间继 电器 、 时 问继 电器和计 数器 等 组 成 的硬 件 逻 辑 电路 ， 最 大 限 度地减 少 丫机械触 点 的数量 ， 有 效 地 提 高 了控 制 的 可靠性 ． 1 ． 2改 造的方 法 改造 的方法 是将 继 电器 控制 系统 的电路直 接 翻 译“ 转化 ” 为 P L C控制 系统 的程序 ． 具体 步骤为 1 研 究设 备控制要 求 研究设 备使 用说 明 书和 系统控 制 电路 图 ， 分析设 备 的工作情 况和控 制要求 ； 2 确定 P L C规 格 根据 设 备输 入 信 号元 件 、 输 出控 制对 象 的数 量 和 作 用 确 定所 需 P L C 的输 入 和 输 出点数 ， 据此 选择 P L C规格 一 般 P L C输 入点 数 与输 出点数 的 比值 为 三 比二 ； 3 分 配 P L C存 储 区地 址 对 继 电 器 控 制 电路 中的输 入信 号 元 件 、 输 出控 制 对 象 和 中 间元 件 中 间继 电器 、 时 问继 电器 、 计 数 器 等 列 出 清单 ， 完 成 P L C存储 区地 址分 配表 ； 4 绘制 P L C外部控制 电路 图 根据输入信号 元件 、 输 出控 制对象 的作 用绘制 P L C控制 系统 图 此 图为通 用 图 ， 可 适 用 大 多数 改 造 后 的设 备 ， 在 图上 填写 I ／ 0地址 ．根 据 设 备 的具 体 情 况 ， 补 充 和 完 善 控 制 系统 图 ， 将 输 入 和 输 出 元 件 连 接 到 P L C 上 5 将 继 电 器控 制 电路 直 接 翻 译 “ 转 化 ” 为 P L C 程序 依 据继 电 器控 制 电路元 器 件 表达 符 号 与 P L C 梯形 图表达 方式 的对 应关 系 ， 将 继 电器 控制 电路 图 直接翻译 为 P L C的梯形 图 ； 在 梯 形 图上 标 注 I ／ 0地 址数据， 即完成 了 P L C的梯形 图程序设 计．依据 P L C程 序 的编写 规则 ， 对 梯形 图程 序作相 应调整 ； 6 设 备 运行 调 试 将 梯 形 图程 序输 入到 P L C ． 在 输 出元件不 连接 电源情 况 下 ， 按 照输 入 信 号 与输 出控制对 象 的逻辑关 系 ， 在输 入控 制信 号发 出后 ， 观 察 P L C上 输 出指示灯 的变 化 ； 确认 无误 后再 接通 输 出元 件 电源 ， 对 设备进 行运行 实验 ． 2 实例 分析改造过程 下 面 以起 重机起 落 钩三相异 步 电动机 双 向启 动 反接制 动 电路 为例 ， 说 明改造过 程和方 法 ． 2 ． 1 分 析设备 控制 要求 图 1为三 相异 步电动 机双 向启动反 接制 动电路 图．其 中 K M 、 K M 分 别 为正 、 反 转 接 触器 ， K M 为 短 接电 阻 R的接 触器 ， K ～K 为 中问继 电 器 ， K S为 速度 继 电器 ， 其 中 K S 。 为 正 转 触 点 ， K S 为 反 转 触 点 ， F R为 过 电流 保 护 器．电路 工作 原 理 关 闭电 源 开关 Q S ， 按 下正转 起 动按 钮 S B ， K M， 通 电并 自锁 ， 电动机串入电阻 R按正相序降压起动．当转速达到 ≥1 0 0 r ／ mi n时 ， K S 闭 合 _ 2 0 0 ． 0 2 图 3直接翻译得到的梯形图程序 至此继电器控制电路 “ 转化” 为 P L C控制程序 的翻译工 作 已基本完 成 ， 将 程序输 入到 P L C， 现 场进 行检测调试设备即可正常使用．在程序输入到 P L C 过 程 中或 是有一 定 编程 经 验 的工 程 师 都会 发 现 ， 图 3的程序 虽 然也 可 以正 常 运行 ， 但 对 照 P L C程 序 编 写 规则 ， 程 序 结 构 略显 繁 琐 ， “ 块 ” 结 构 和 特 殊 语 句 也 较多 ， 如 有条件 还需 对程序 进行局 部 调整 ， 否 则极 易发 生程序 输入 错误 和减 慢 系统 运 行 速度 等 问题 ． 整 理的原则 是 ， 每 一个输 出控 制调整 为一 个梯 级 ， 对 横 向输 人点 的左右 位置 也进行 相应调 整 ． 从 图 4可 以看 出 ， 经 过 整理 后 的梯 形 图程 序 应 用 的都是 基本 指令 ， 较 图 3的程序 要 简化 的多 ， 这 在 复杂 的程 序 中体现 的尤为 明显 ． 3 改造 中应注意的 问题 由实 例可知 ， 尽管继 电器 控制 电路 图与 P L C的 梯 形 图的结构 十分 相似 ， 根 据 继 电器 电路 可 直接 翻 译为 P L C梯形图程序 ， 用 P L C的程序 软件 代替继 电器 控制 电路 硬件 是 可行 的 ， P L C的等 效 电路 也 能达 到继 电器 控制 的效果 ， 但 它们 毕竟 是 两 种 不 同 的控制 方式 ．因此 ， 在 设 备 改 造 时还 应 注 意 以下几 点． 3 ． 1 程序 翻译 时要遵循 P L C程序 的编 写规则 在继 电器 电路 图中 ， 对 于某个 节点 的 电路 ， 触点 0 0 0 0 0 0 0 2 0 01 8 0 0 2 5 0 0 2 8 O O 3 1 0 f 3 5 0 0 3 6 00 1 0．o 4 2 0 00 2 2 0 0 一 ．0 0 卜 OO 5 2 o 0 ， O 2 H 0l 2 o o ．Ol 2 0 0 ． O 2 I L ENI 图 4经 整 理 后 的梯 形 图程 序 和输出元件的摆放位置是随意的， 但是在 P L C梯形 图程序 中 ， 触 点应 放在梯 形 图梯 级输 出线 圈 的左 边 ， 线 圈必 须放 在的 右边 ； 在 继 电器 电路 图 中 ， 触点可 以 出现在 水平 线路 上 ， 也 可 以在 垂直线 路上 ， 在梯形 图 中 ， 触点 只能 出现 在水平 线上 ． 梯 形 图结 构 表 达 应 尽 可 能 简 练 ， 减 少 或 避 免 “ 块 ” 结构 等特殊 语 句．直 接 翻译 时 要仔细 分析继 电 器 电路 图 ， 在保 证输 入 信 号 和输 出元 件 所对 应 的 逻 辑关 系基 础上 ， 对 其 进 行 局 部 调 整．尽 量 把 串联 触 点较 多且 有并联 触 点 的部 分 放 在 程序 上 方 的左 边 ， 只有 串联 的触点 放 在 中 间 ， 这 样 可 以简 化 程 序 和加 快程序 的运 行速 度． 例如从 图 3到 图 4 ． 3 ． 2尽 量减 少 P L C输入 和输 出点 的个数 P L C的价 格与输 入 和 输 出点 的数 量 有 关 ， 减 少 点的个数可降低改造成本．一般每个输入信号和输 出信号都要 占用 P L C的一个点 ， 但如在继 电器 电路 图 中， 几 个输入 元件 的触 点 串 、 并 联 电路总 是作为 一 个整体出现， 可 以将它们的串 并 联 电路作为一个 整体 连接 到 P L C的一 个输 入 点上 ； 如 某 些元 件 的触 点在 继 电器 电路 图 中 只 出现 一 次 ， 并 且 只与某 个 输 出端 的负 载 串联 ， 就可 不必 将 它单 独 作 为 P L C的输 入信号， 将其与该输出负载 串联后连接到 P L C的输 出端 上．对 于继 电器控 制 电路 中某个 相 对独 立且 较 简单 的部分 ， 仍可 延用继 电器控 制 ， 这样也 可 以减 少 霸 一 ㈣ m卜 卜 卜 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 P L C的点数 ． 3 ． 3设 置互锁 电路 为 了防止 由于 输 出 元 件 损 坏 导 致 系 统 故 障 ， P L C控制系统还需设置软件互锁和硬件互锁双重保 护 ， 如 图 2中将 K M， 和 K M 的常 闭触点 串入 电路 相 应 位置 的硬件互 锁保 护． 3 ． 4节约 能源 为了防止设备在待机状态 或无指令操作时 时 P L C的输入 电路 长 期处 于 通 电状 态 而 引 起 增加 能耗 和 降低元 件使用 寿命 ， 通 常将 P L C输 入信 号元 件作 常开设计 ， 这还 便 于输 入 元 件 的连 接 和程 序 调 试 ．如果 某个 输入 元 件 必 须 是 常 闭状 态 ， 可 先 将其 按 常开连 接 ， 常闭状态 由 P L C的程序 解决 ． 3 ． 5输 出负载 的容量 P L C每 个 输 出点 一 般 最 大 只 能 驱 动 A C 2 2 0 V 2 A或 D C 2 4 V 2 A的 负 载．当继 电器 系统 中交 流接 触 器线 圈是 A C 3 8 0 V或 D C 4 8 V 时 ， P L C无 法直 接 驱 动 ， 需将线 圈改 为 A C 2 2 0 V或 D C 2 4 V， 也可设 置 中问 继 电器 ． 如果 负 载是 直 流 电感元 件 ， 还 需 在 电磁线 圈两 端并接续流二极管以抑制电路断开时产生的感生电 动势对 P L C的损害． 3 结语 P L C能有效解决继电器控制的不足 ， 控制效果 优于继电器， 应用 P L C对传统继电器控制方式设备 的 电控 系统实 施改造 的方案 是可行 的． 改 造后 的设备 不 改变 原 有 的工作 性 能 ， 输 入 信 号元 件和输 出控制 对 象 没有 变 化 ， 也 不需 要改 动控 制面板 ， 大部分元器件仍可继续使用．对于改造过 的设备 ， 除控 制系统稳 定性 提高外 ， 改造前 后没 有 区 别 ． 对设 备 电气 控制 系统改 造采用 了在继 电器控制 电路基础上将其直接翻译为 P L C控制程序的方法 ， 对缩短 改造 时间效果 明显 ． 在 设 备 改造 中应 注 意继 电器 控 制 与 P L C控 制 的区别 ， 在 程 序 翻译 时 要 遵 循 P L C程 序 的 编 写 规 则 ， 尽量减少 P L C输入和输出点 的个数 以降低改造 成本 ， 增 加软 、 硬 件 互锁 电路 以增 加 系统 安 全性 ， 采 用节能设 计 以降 低 能源 消耗 ， 注意 输 出负 载 与 P L C 的匹配 ． 参考文 献 [ 1 ] 宋伯 生．P L C编程理论 算法及技术 [ M] ．北京 机械 工 业 出版 社 ， 2 0 0 9 1 4 72 3 6 [ 2 ] 霍罡 ， 樊晓兵．欧姆龙 C P 1 H P L C应 用基础与编程 实 践 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 2 3 4 2 5 8 [ 3 ] 刘文钊 ， 霍罡． C S ／ C J 系列 P L C应 用基础及案例 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 1 4 81 5 9 [ 4 ] 王立权．机 电控制与可编程序控制器 [ M] ． 北京 中央 广播 电视大学出版社 ， 2 0 0 1 6 28 1 [ 5 ] 高钦和． P L C应用 开发案例精选 [ M] ． 北 京 人 民邮电 出版社 ， 2 0 0 8 1 9 [ 5 ] 王江华 ， 覃光锋 ， 巫 时云．浅析 用 P L C改 造继 电器 控 制系统及程序设计 [ J ] ．装备 制造 技术 ， 2 0 0 9 5 9 0 9 2 [ 6 ] 宋秀玲．P L C程序设计 法微探 [ J ] ．广 西职业技术 学 院学报 ， 2 0 1 0 5 9 1 2 [ 7 ] 刘福禄．P L C程序设 计的选 择技巧 [ J ] ．重庆工 贸职 业技术学 院学报 ， 2 0 1 0 1 4 8 5 1 [ 8 ] 王蕊 ， 宋正强．P L C梯形图程序设 计方法 [ J ] ．机床 电 器 ， 2 0 0 9 6 2 83 1 [ 责任编 辑 佟 启 巾]