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第四章 可编程序控制器原理及应用技术 l4.1 概述 l4.1.1 PLC的定义 l PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、 自动控制技术和通信技术的一种通用的工业自动控制 装置。 4.1.2 PLC的功能 l 它的主控单元具有逻辑运算、顺序控制、定时、 计数、算术运算、数据传送、监控和通信等基本功能 ，连接各种控制功能模块后，还具有PID调节、过程控 制、位置控制、智能控制和远程控制等功能。 4.1.3 PLC技术的新发展可编程计算 机控制器 1996年奥地利推出了集PLC技术和大型计算机技 术于一体的新一代可编程序控制器，称可编程计算机 控制器PCC。PCC除了具有上述PLC的所有功能外， 还具有通用计算机的强大的数据处理能力和很高的运 算速度。可以预料，PCC将成为二十一世纪工业自动 化的主流控制装置。 4.2 PLC的组成和工作方式 4.2.1 PLC的组成 4.2.1.1 PLC各组成部分的功能 （1） CPU l 用于接收并存储从编程器输入的用户程序，检查编程过 程是否出错；进行系统诊断；解释并执行用户程序；完成通 信及外设的某些功能。 （2） 用户程序存储器 l 存放PLC用户的应用程序。采用可读写的随机存储器。 （3） 系统程序存储器 l 存放PLC的梯形图和指令语句的编译解释 程序、自诊断程序、数据区管理程序、编程器管 理通信程序、输入扫描程序和输出驱动程序等系 统程序。这些程序在PLC出厂前已固化到只读存 储器ROM中。 l （4） 数据存储器 由系统程序将其划分为：存放输入/输出状态值 的输入/输出映象存储区、定时/计数存储区、辅助继 电器状态值存储区和其它特殊继电器状态值存储区。 （5） 输入接口及模块 l 将外部输入的开关信号与PLC的内部信号进行光 l 电隔离，以防干拢信号入侵；并将DC110V或DC24V l 的外部输入信号变换成DC5V的内部电平信号。 l l （6）输出接口及模块 l 将输出信号变换成能驱动外负载的电压和电流信 号；并将PLC的内部信号与驱动外负载的电气元件(晶 体管或双向晶闸管或小型继电器)的电源进行隔离，以 防输出电源线路夹带的干扰信号入侵。 l （7）通信接口 l PLC的通信接口有：与上位计算机或其它PLC通 信的接口及与编程器通信的接口两种。前者一般用 RS232C或RS485等标准串行接口；后者的种类很多， 不同的机型有不同的编程器接口。PLC的通信模块类 型目前尚无统一的标准，而是随机型而异。 l （8）编程器 l 用于用户程序的输入、编辑、调试和监视 ，还可以通过其调用和显示PLC的某些内部状 态和系统参数。 4.2.2 PLC的扫描工作方式 l 4.2.2.1 什么叫扫描工作方式？ l PLC运行时, 对系统程序和用户程序从步序0起的 第一条指令到程序结束指令END，按顺序进行访问和 执行，并周而复始地进行下去，直至执行到停止运行 指令或停电或出现故障为止。 l4.2.2.2 描述工作方式的五步曲 自诊断与外设通信扫描输入状态解算用 户逻辑输出结果。 l （1）自诊断 l PLC在运行状态下，每次扫描用户程序前，首先对 CPU、存储器、输入/输出模块等进行故障诊断，如果正 常便继续进行扫描，一旦发现故障则转入处理程序，并保 留当前工作状态和切断全部输出，接着停机及显示出错信 息。 l （2）与外设通信 l 自诊断结果正常后，PLC便扫描上位计算机(以下 简称上位机) 或编程器通信接口，若有通信请求便响应 处理。在与上位机通信过程中，PLC将上位机发来的 指令进行相应的操作，并把自身的工作状态数据回传 给上位机。而编程器把输入指令和修改参数传送给主 控单元，主控单元则把要显示的状态、数据、错误等 信息返传给编程器予以显示。编程器还可向主控单元 发送运行、停止、清除内存、监控等指令。 l （3）扫描输入状态 l 完成前两个阶段的扫描后，PLC便扫描输入模块 的各个输入点，读入各点的状态值和数据，如开关状 态值1或0、A/D转换值、BCD码数据等，并把这些状 态值和数据写入数据存储器中。其中，输入点的状态 值写入输入映象寄存区。在一个扫描周期内，不管外 部输入信号是否变化，已存入输入映象寄存区中的状 态值和数据均不变。只有到下一个扫描周期，才能根 据外部输入信号的变化刷新输入映象寄存区中的状态 值和数据。 l （4）解算用户逻辑 l 即执行用户程序。通常是从用户程序存储器的最 低位地址存放的第一条指令开始，按地址递增的方向 顺序扫描用户程序，并按用户程序进行逻辑运算或算 术运算。解算用户逻辑的结果暂存到数据存储器的相 应存储单元。其中，向外输出状态值则暂存到数据存 储器的输出映象寄存区。 l （5）输出结果 l 全部解算完用户逻辑后，将运算结果中的所有向 外输出信号，从输出映象寄存区经输出锁存器传送到 输出模块的相应输出端子。此时才是驱动外负载的实 际输出。 l4.2.2.3 扫描周期 l PLC完成上述5个扫描步骤所需的时间称为一个扫 描周期。在PLC产品技术性能参数中所列的扫描周期 ，一般是指按上述5个步骤扫描1000条指令所需的时间 。而实际的扫描周期则由用户程序的大小而定，程序 指令越少，扫描周期越短，否则反之。 l 4.2.2.4 扫描工作方式的特点 l 在扫描过程中，前面扫描过的中间运算结果立即 可以被后面将扫描到的指令所利用。而当前扫描指令 以前的指令中的各种继电器的状态，要到下一个扫描 周期扫描到该继电器所属指令时才改变状态。弄清这 一工作方式对正确设计PLC的应用程序很有邦助。 l4.2.3 PLC的编程元件 l 继电器的术语 PLC的编程一般是以梯形图作为依 据，而PLC的梯形图程序最初来源于继电器逻辑电路图 。由于继电器逻辑电路图中用到各种各样的继电器。 因 而在PLC的编程中引入了继电器的术语 。 l （1）PLC编程元件的物理含义 l PLC中的输入继电器、输出继电器、内部继电器 、特殊功能继电器等，指的是PLC数据存储器中相应 存储单元的位触发器。当位触发器的状态值为“1”时 ，相当于继电器的线圈得电，常开触点闭合和常闭触 点断开，为“0”时，相当于继电器的线圈失电，常开 触点断开和常闭触点闭合。 1）输入继电器 输入映像寄存区的位触发器。其功能是接收和暂 存现场输入开关的状态值。它有常开和常闭触头，但 无线圈。输入继电器由外部输入开关驱动。 2）输出继电器 输出映像寄存区的位触发器。其功能是暂存向外 输出的逻辑运算结果。它有常开和常闭触头及线圈， 由指令驱动。它的向外输出信号要借助对应输出模块 中的物理继电器或大功率晶体管或双向晶闸管才能驱 动负载。 l 3）内部继电器(亦称辅助继电器) l 数据存储器中定义为内部继电器的位触发器。如 果内部继电器用于数据传送或处理，则以字或字节为 单位的存储单元。它有常开和常闭触点以及线圈，由 指令驱动。内部继电器不能对外输出，它的输出信号( 线圈得电后的触点开关状态)只能作为内部输入信号， 在程序中供逻辑控制使用。 l内部继电器有以下两种类型： l 普通型：停电后再恢复供电时，不能保持停电前 的得电状态。 l 记忆型：停电后再恢复供电时，能保持停电前的 得电状态。 l 4）特殊功能辅助继电器 l a) 初始化脉冲继电器 在程序运行开始产生一个 脉冲宽度为一个扫描周期的方波。它可作为初始化信 号，使应用程序复位到初始状态。该继电器只有常开 触点，无线圈。 l b) 100ms时钟信号发生器 可产生脉冲周期为 100ms, 脉冲间隔和脉冲宽度均为50 ms的时钟信号。该 继电器只有常开触点，无线圈。 l c) 禁止PLC全部输出的继电器 l 当该继电器线圈得电时，使所有输出继电器线圈 失电，而内部继电器、定时器和计数器仍保持当前状 态。这种继电器用于条件控制紧急停机。即在梯形图 上设定一些紧急停机的开关信号，作为驱动该继电器 的条件。 l 5) 定时器 l 数据存储器中定义为定时器的存储单元，大多数为 16位，有的为8位。其最高位作为输出常开触点和常闭 触点。其余各位为数据位，用于存放定时设定值，该 值的最大范围为132767 (16位定时器)和1127 (8位定时 器)。定时器的时基(定时单位)有0.001s、0.01s、0.1s、1s， 有的还有10s。定时时间 = 设定值时基。 l 定时器的工作过程 l 当输入端的触点闭合时，从设定值开始递减计时， 一直减到0时便立即输出，其常开触点闭合，常闭触点断 开。输出后，若其输入信号仍存在，则其输出状态一直 保持。当其输入信号撤消时，便立即复位回到设定值， 其常开触点断开，常闭触点闭合。 l 6) 计数器 l 数据存储器中定义为计数器的存储单元，大多数为 16位，有的为8位。其最高位作为输出常开触点和常闭 触点。其余各位为数据位，用于存放计数设定值，该 值的最大范围为132767(16位计数器) 和1127 (8位计 数器)。 计数器有计数脉冲输入端和复位端。当复位端 的触点断开(个别机型为闭合)时，计数脉冲输入端每输 入一个脉冲，设定值减1，直至设定值减到0时，其输 出的常开触点闭合，常闭触点断开。 l 计数器输出后的工作状态 l 如果继续输入计数脉冲，计数器不再计数，输出状 态也不变。只有复位端的触点闭合(个别机型为断开)，才 复位回到设定值，并且其常开触点断开，常闭触点闭合 。 计数器计数过程掉电后再上电的情况 对于工作时复位端为断开型的计数器，若计数脉冲 未到达设定值时断电，上电时原来的脉冲计数值仍保留 。 l 7）移位寄存器 l 8位或16位内部继电器作为移位指令的操作数时便 称其为移位寄存器。它有移位数据输入端、移位脉冲 输入端和复位端。工作时，复位端的触点断开，每当 输入一个移位脉冲，内部的各位数据由低位向高位移 动一位；移位数据输入端的数据随之按串行输入方式 输入最低位，而最高位的数据则移出消失。 l 移位寄存器的各位都有一对常开触点和一对常闭 触点，用于并行输出。位数据为“1”时，该位的常开触 点闭合，常闭触点断开。为“0”时，触点开关状态相反 。当复位端的触点闭合时，移位寄存器的各位复位为 “0”。 l 8）步进控制器 l 8位或16位内部继电器作为步进控制指令的操作数 时便称其为步进控制器。它的每一位都有单独的线圈 ，并由各自独立的输入开关信号控制其得电。它还有 用于输出的常开触点和常闭触点。工作时，某一位的 输入触点闭合，该位的线圈便得电并内部自锁，即使 输入触点断开，线圈仍保持得电。只有高一位的线圈 得电时才令低一位线圈失电。 l 步进控制器的各位线圈是从低位到高位逐步得电 并同时逐步失电的，任何时候只有一位线圈得电。但 是，最高位线圈得电后不能用其输入端的触点控制其 失电，必须采用步进控制复位指令使其失电。如果控 制电路的步数少于步进控制器的位数，当电路完成最 后一步时，亦可使用下一步的输出信号控制复位清零 。 l 9）锁存继电器 l 内部继电器或输出继电器作为置位/复位指令的操作 数时便称其为锁存继电器。它有一个置位线圈和一个复 位线圈，分别由不同的触点信号控制。当置位线圈的控 制触点闭合时，该线圈得电并内部自锁，其常开触点闭 合，常闭触点断开。即使其控制信号撤消后仍保持得电 状态。当复位控制触点闭合时，置位线圈失电。若置位 线圈和复位线圈同时接到控制信号，则复位优先。 4.3 常用PLC机型的技术参数、指令系统 及编程基本操作 4.3.4 国产SP881型PLC技术性能参数 l （1） 输入点数：16， 即输入继电器16个，编号为： 0.00.7，1.01.7。 l （2）输出点数：8，即输出继电器8个，编号为：4.0 4.7。 l （3）辅助继电器 l12.037.7（296个）非停电记忆型。 l38.079.7（328个）停电记忆型 （停电后再恢复供电时 能记忆停电前的得电状态）。 l 定时器、计数器、移位寄存器、步进控制器可采用 辅助继电器中的任何一卡（8位）。 继电器编号 （2）编程操作方法(PLC的工作方式开关在PRG位置) 操 作 内 容 按 键 及 操 作 顺 序 清除 PLC内存 SHF C/CE C/CE ADDR/O CALL/。 输入指令 依次键入指令助记符和操作数后，按下 WRITE。 逐条查找指令 按下SHF 或 键，可向前或向 后查找指令。 按步序号查指令 SHF ADDR (步序号) CALL。 更改指令 调出要更改的指令，按CE键消去旧指 令后输入新指令。 插入指令 找出要插入位置的下一条指令，按CE 键消去该指令的数据，键入要插入的指令再 按下SHF INS。 删除指令 找出要删除的指令后，按下SHF DEL。 按指令查其步序号 键人给定指令，按下SHF SCH，若再查 找可再按SCH。 （3）常用指令及编程操作 4.4 PLC的编程语言及顺序功能流程图 4.4.1 PLC的编程语言 （1）梯形图 （2）指令 （3）逻辑图 （4）高级语言 有些PLC除了采用上述的一种或两种编程 语言外，还配有BASIC语言或C语言等高级语 言。主要用于通信编程和某些特殊功能模块的 编程。 4.4.2 顺序功能流程图 （1）顺序功能流程图的结构 “步”为顺序控制系统的 一个程序步，用方框表示。 “转换”是某一程序步完 成后，起动下一步的条件。 “路径”表示各程序步之 间的连接顺序关系，包括 串行路径、并行路径和选 择路径。 顺序功能流程图不是PLC的编程语言，而是顺序控 制系统程序设计的一种结构形式。它能清晰地表示顺 序控制系统输入和输出之间的来龙去脉。将它与下一 节介绍的步进式顺序控制电路结合起来，便能较容易 地进行顺序控制系统的设计。 （2）顺序功能流程图的几种分支结构 第一次实验PLC编程 根据右图所示 ，用SP881型PLC 指令系统编制程序 ，并输入PLC运行 。SP881型PLC的 技术数据为：（1） 输入继电器编号： 0.00.7，1.0 1.7，共16个；（2 ）输出继电器编号 ：4.04.7，共8 个；（3）辅助继电 器编号：12.0 12.7，13.0 13.779.079.7 ，共544个。本实 验的输入继电器0.0 外接起动按钮。输 出继电器Y0不必外 接负载，其输出状 态由其指示灯显示 。 4.5 PLC应用的典型功能电路 4.5.1 步进式顺序控制电路 l 顺序控制电路是一种能实现预定工步顺序的自动控 制电路。这种电路在自动化生产机械的自动控制中被大 量应用。它的特点是：任何时候只有一步得电，任一步 的得电必须以上一步的得电为前提，而当该步得电后， 立即令上一步失电，并为下一步的得电提供条件信号。 （1）基本逻辑顺控电路 （2）逐步得电同步失电逻辑顺控制电路 （3）置位/复位顺控电路 （4）移位顺控电路 4.5.2 时间顺序控制电路 第二次课堂作业兼实验方案设计 试按下一页图所示组合机床液压系统的工步状态 表的要求，用SP881型PLC设计其控制系统。SP881 型PLC的技术参数为：输入继电器0.0 0.7，1.0 1.7；输出继电器4.0 4.7；辅助继电器12.0 12.778.0 78.7。设计内容及要求：（1）设 定转步主令所对应的输入继电器编号及电磁阀、接触 器所对应的输出继电器编号；（2）设计PLC控制系统 （采用基本逻辑指令设计电路）。 组合机床工步状态表 4.5.3.1 定时值相加电路 4.5.3.2 定时值和计数值相乘电路 4.5.3.3 计数值相加电路 4.5.3.4 计数值相乘电路 第二次课堂作业兼实验方案设计及调试 试按以下工步状态表设计SP881型PLC的时间程 序控制系统并上机调试。要求：（1）工步5的时间要 求采用相乘扩展和相加扩展来实现。该机型的定时器 预置值范围为1127，时标：0表示0.1s，1表示1s ，2表示10s。 4.5.44.5.4 脉冲和多谐振荡电路 脉冲和多谐振荡电路 4.5.4.1 单脉冲电路 4.5.4.24.5.4.2 不同占空比的多谐振荡电路不同占空比的多谐振荡电路 4.5.4.34.5.4.3脉宽和间隔均为一个扫描周期脉宽和间隔均为一个扫描周期 的脉冲电路的脉冲电路 4.5.4.44.5.4.4 任意分频电路 任意分频电路 4.5.5 4.5.5 节省输入输出点的电路节省输入输出点的电路 节省输入输出点是指PLC控制 系统中，实际的输入或输出信号个 数多于PLC被占用的输入继电器或 输出继电器个数。实现这种功能的 PLC梯形图或