PLC原理及应用.ppt

电气控制技术 主讲人 吕国芳 河海大学电气工程学院 2 教学计划 本课程计划学时 48学时 3学分 2 5学分课堂教学 上课12周 0 5学分试验 4 6个试验 教学内容 上篇 电器控制 下篇 PLC原理及应用 3 考核办法 平时成绩占1 4期终测验成绩占2 4试验评分占1 4 4 参考书目 5 可编程序控制器原理及程序设计崔亚军等编电子工业出版社 2 电器控制李仁主编机械工业出版社 1 现代电气控制技术郑萍主编重庆大学出版社 3 可编程序控制器应用技术廖常初等编重庆大学出版社 4 可编程序控制器应用指南易传禄等编上海科普出版社 5 学习要求 熟练掌握断路器 隔离开关 接触器 热继电器 熔断器在电路中的作用 特点 绘制符号 设计选型时要注意的重要技术参数 熟练掌握行程开关 按钮开关在电路中的作用 绘制符号 灵活掌握电气设备简单的起停保控制线路 异步电机正 反转电气控制线路 异步电机 Y 电气控制线路等 理解它们的设计思路 学会设计相应的电气控制电路 透彻了解PLC的特点 为提高其可靠性采取的一些措施 熟练掌握PLC的组成 各主要部件的功能 PLC的工作原理 扫描工作过程 系统响应时间 了解三菱FX2NPLC编程元件的地址 熟练掌握梯形图使用的符号 概念 规则 学会自己设计PLC梯形图程序 掌握三菱FX2NPLC的基本指令 熟练掌握PLC程序设计的功能表图法和其基本概念 学会用功能表图法设计PLC控制程序并能熟练地转化为梯形图 掌握PLC控制系统的特点 判断一个控制系统是否需要由PLC来构成的特性以及PLC选型时应考虑的问题 学会用PLC设计控制系统 包括PLC硬件 软件和电气控制回路 6 下篇 PLC原理及应用 主讲人 吕国芳河海大学电气工程学院 7 第一章 PLC概论 可编程序控制器 ProgrammableController 简称PC 为了避免同个人计算机混淆 现在一般将可编程序控制器简称为PLC ProgrammableLogicController PLC从诞生至今已有30多年 发展势头异常迅猛 已经成为当代工业自动化领域中的支柱产品之一 特别是随着计算机技术和通信技术的发展 PLC的应用领域逐步扩大 应用前景十分看好 8 第一节 PLC的产生 传统的控制系统 特别是1969年以前 那时PLC还未出现 中主要元件是各种各样的继电器 它可以可靠且方便地组成一个简单的控制系统 9 例1 1 电机控制 10 1 PLC的产生 随着社会的进步 工业的发展 控制对象越来越多 其逻辑关系也越来越复杂 用继电器组成的控制系统就会变得非常庞大 从而造成系统的不稳定和造价昂贵 主要表现在 当某个继电器损坏 甚至继电器的某触点接触不良都会影响系统的运行 继电器本身并不太贵 但控制柜内元件的安装和接线工作量极大 造成系统价格偏高 产品需要不断地更新换代 生产设备的控制系统不断地作相应的调整 但对庞大的系统而言 日常维护已很难 再作调整难度更大 11 解决问题的设想 鉴于以上问题 1968年美国通用汽车公司 GeneralMotors 向传统的继电器控制系统提出了挑战 设想是否能用一种新型的控制器 引入这种控制器后可使庞大的系统减小 并且能方便地进行修改 调整 按照这个宗旨 该公司向外公开招标 提出如下十大指标 12 GE公司公开招标的十大指标 编程简单 可在现场改程序 维护方便 最好是插件式 可靠性高于继电器控制柜 体积小于继电器控制柜 成本低于继电器控制柜 13 可将数据直接输入计算机 输入可以是市电 AC110v 控制程序容量 4KB 输出可驱动市电2A以下的负荷 能直接驱动电磁阀 扩展时 原有的系统仅作少许更改 14 结果 这次招标引起了工业界的密切注视 吸引了不少大公司前来投标 最后DEC公司一举中标 并于1969年研制成功第一台PC 当时命名为PC ProgrammableController 这台PLC投运到汽车生产线后 取得了极为满意的效果 引发了效仿的热潮 从此PLC技术得以迅猛的发展 15 第二节 PLC的定义及其术语 1 定义可编程序控制器是一种数字运算的电子系统 专为在工业环境条件下应用而设计 它采用可编程序的存储器 用来在内部存储执行逻辑运算 顺序控制 定时 计数和算术运算等操作的指令 并通过数字式 模拟式的输入输出 控制各种类型的机械或生产过程 16 NEMA1987年作的定义 美国电气制造协会 NEMA 1987年作的定义如下 它是一种带有指令存储器 数字或模拟I O接口 以位运算为主 能完成逻辑 顺序 定时 计数和算术运算功能 用于控制机器或生产过程的自动控制装置 17 2 PLC PC之争 PC ProgrammableController PC PersonalComputer PLC ProgrammableLogicController 18 3 常用术语 点数指能够输入 输出开关量 模拟量的总个数 一般是4或8的倍数 扫描周期是指PLC执行系统监控程序 用户程序 I O刷新一次所用的时间 它直接反映PLC的响应速度 因此是PLC的重要指标之一 其单位是ms kw kb 19 梯形图是PLC用户编程时最常用的一种图形编程方法 是表示I O点之间逻辑关系的一种图 它实质上是变相的继电器控制逻辑图 形式和规范非常相似 其目的是为了让工厂技术人员不必懂计算机 就可使用 设计 阅读 它 KA1 X1X2 X0 X2 X3 Y0 Y0 Y0 Y1 X3Y1 图1 2梯形图 HL1 SB2 KR SB1 Y0 梯形图 20 第三节 PLC特点 PLC之所以能适应工业环境 并能够得以迅猛的发展 是因为它具有如下特点 可靠性高 抗干扰能力强程序可变 具有柔性编程简单 使用方便功能完善组合灵活 扩充方便减少了工作量体积小 重量轻 环境要求低成本低 水平高 21 一 可靠性高 抗干扰能力强 故障原因 设备故障原因 外部 环境 温度 灰尘 有害气体的影响 由I O线 电源线等引入的干扰 振动 冲击引起的器件损坏等 辐射干扰 电磁干扰 存储器信息的丢失 出错 内部 元器件的老化 失效 程序错误 运行进入死循环 22 解决方法 硬件常规手段 优质元器件 合理的系统结构隔离 I O电路光电隔离 无电气回路的联接点滤波 对供电系统及输入回路采用模拟量滤波和数字滤波屏蔽 导电 导磁性能良好的材料 防电磁波辐射的干扰增强电源的适应性 开关电源采用模块式结构 一旦某模块有故障 能迅速更换 23 解决方法 软件设置警戒时钟WDT 看门狗 系统软件对用户软件自动进行检查掉电保护自检 24 二 程序可变 具有柔性 生产工艺或设备改变后 在原设计的PLC功能备用量够用的情况下 可不变PLC的硬件 只要改编控制程序即可 这点就充分体现了PLC具有继电器控制系统所不具备和无可比拟的优点 故PLC除应用于单机控制外 还在柔性制造单元 FMC 柔性制造系统 FMC 工厂自动化 FA 中被大量采用 25 三 编程简单 使用方便 PLC采用与继电器控制逻辑图非常接近的 梯形图 进行编程 这种编程方法既具备传统控制线路的易懂易编 清晰直观优点 又顾及了多数电气技术人员的读图习惯和微机应用水平 易于被大众接受 因此受到普遍欢迎 这种面向生产的编程方法与目前微机控制中常用的汇编语言或高级语言编程相比 其优点是显而易见的 为进一步优化编程 PLC还针对实际问题设计了诸如步进顺控指令 移位指令 鼓形控制器等功能性指令 减少编程工作量 加快了开发速度 26 四 功能完善 现代的PLC还具有数字量及模拟量的输入输出 逻辑和算术运算 定时 计数 顺序检测 功率驱动 联网通信 人机对话 自检 记录和显示等功能 使控制系统的水平大大提高 功能更加完善 27 五 组合灵活 扩充方便 PLC除摸块化外 还具有各种扩充单元 I O点数及各种I O方式 I O量均可选择 可以方便地适应不同的控制对象 28 六 减少了工作量 由于PLC是采用软件编程来实现控制功能的 而继电器控制采用硬接线来实现 这就减少了设计 施工的工作量 同时 PLC能事先进行摸拟调试并且具有很强的监视功能 所以系统的调试 检修 维护的工作量得到大大地减少 29 七 体积小 重量轻 环境要求低 由于PLC是专为工控而设计的专用计算机 所以其结构紧密 坚固 体积小巧 功能齐全 能直接投运在恶劣的工作环境 一般PLC的功能若用继电器来实现 需用3至4个1 8m高的大继电器控制柜 30 八 成本低 水平高 PLC功能强大 使得控制系统的费用大量降低 PLC具有易修改性 高可靠性 易扩展性 易维护性 降低了日常运行的检修 维修工作量 PLC安装调试方便 开发 调试周期短 从而降低了设计 开发 安装 调试的工作量 PLC靠软件编程实现控制功能 硬件及其备件均具有通用性 也减少了采购的时间和费用 体积小 功能强 所以占地少 耗电小 每年节省的电费就可将投资收回 PLC是一种专用工控计算机 实现了智能控制 从而使得控制水平上了新台阶 并且具有联网功能 很易构成综合控制系统 31 第四节 PLC的应用状况和发展趋势 应用状况生产状态发展趋势结构微型化 模块化功能全面化 标准化产品系列化大容量化 高速化模块化 模块智能化通迅化 网络化编程语言化增强外部故障检测能力 32 第二章 PLC的组成及工作原理 PLC由三个基本部分组成 输入部分 逻辑处理部分 输出部分 第一节 PLC的组成 图2 1PLC的基本组成框图 KA2 33 第一节 PLC的组成 图2 2PLC组成的原理框图 PLC由5个主要部件组成 CPU 存储器 I O部分 编程器编程器 电源 34 第二节 PLC主要部件功能 一 CPU通用微处理器单片微处理器位片式微处理器 35 二 存储器 系统程序存储器用户程序存储器数据表存储器 I O映像存储器 高速暂存储器 36 PLC的I O部分 因用户的需求不同有各种不同的组合方式 开关量I O模块模拟量I O模块数字量I O模块高速计数模块精确定时模块快速响应模块 中断控制模块PID模块位置控制模块轴向定位模块通信模块 以下我们详细介绍 三 I O部分 37 开关量I O模块 部分 开关量输入模块的作用 接收现场设备的状态信号 控制命令等 如限位开关 操作按钮等 并且将此开关量信号转换成CPU能接收和处理的数字量信号 开关量输出模块的作用 将经过CPU处理过的结果转换成开关量信号送到被控设备的控制回路去 以驱动阀门执行器 电动机的启动器和灯光显示等设备 开关量I O模块的特性仅有通 断两种状态 用发光二极管在面板上显示 输入电压等级 4 64点 模块 外部引线连接在模块面板的接线端子上 有些模块使用插座型端子板 在不拆去外部连线的情况下 可迅速地更换模块 便于安装 检修 38 开关量输入模块的几种型式 1 开关量输入模块 39 开关量输入模块的主要技术指标 输入电压 指PLC外接电源的电压值 输入点数 指输入模块开关量输入的个数 AC频率 指输入电压的工作频率 一般为50 60Hz 输入电流 指开关闭合时 流入模块内的电流 一般为5 10mA 输入阻抗 指输入电路的等效阻抗 ON电压 指逻辑 1 之电压值 开关接通时为 1 OFF电压 指逻辑 0 之电压值 开关断开时为 0 OFF ON的响应时间 指开关由断 通时 导致内部逻辑由 0 1 的变化时间 ON OFF的响应时间 指开关由通 断时 导致内部逻辑由 1 0 的变化时间 内部功耗 指整个模块所消耗的最大功率 40 继电器输出晶体管输出可控硅输出 2 开关量输出模块 每个输出点均有 LED发光管 隔离元件 光电管 继电器 功率驱动元件输出保护电路 41 继电器输出 42 晶体管输出 43 可控硅输出 44 输出模块的主要技术指标有 工作电压 指输出触点所能承受的外部负载电压 最大通断能力 指输出触点在一定的电压下 能通过的最大电流 漏电流 指当输出点断开时 逻辑 O 触点所流过的最大电流 回路数 等于公共点的个数 独立式模块 等于输出点数 接通压降OFF ON响应时间ON OFF响应时间内部功耗同输入模块 45 输出模块按外部接线方式分有 汇点式 输出有1个公共点 各输出点属同一个回路 共用1个电源 独立式 输出无公共点 各输出点回路不同 可以使用不同电压等级的电源 a 汇点式 b 独立式 图2 5开关量输出模块接线方式 COM 46 模拟量I O模块 模拟量I O模块常用的有 A D D A 热电偶 热电阻输入等几种模块 数字量I O模块 常用的有TTL电平I O模块 拨码开关输入模块 LED LCD CRT显示控制模块 打印机控制模块等 高速计数模块 47 精确定时模块 精确定时模块是智能模块 能脱离PLC进行精确的定时 定时时间到后会给出信号让PLC检测 快速响应模块中断控制模块PID调节模块位置控制模块轴向定位模块通信模块 48 四 编程工具 简易编程器图形编程器用专用编程软件在个人计算机 PC 上实现编程功能 49 五 电源 电源是PLC最重要的部分之一 是正常工作的首要条件 当电网有强烈波动遭强干扰时 输出电压要保持平稳 因此在PLC的电源中要加入许多稳压抗扰措施 如浪涌吸收器 隔离变压器 开关电源技术等 50 第三节 PLC的工作原理 与其它计算机系统一样 PLC的CPU以分时操作方式处理各项任务 程序要按指令逐条执行 PLC的输入 输出就有时差 整个PLC的程序执行时问有多长 输入 输出的响应时间有多大 我们要很好地应用PLC 就必须对这些有清楚的认识 51 一 PLC的工作过程 PLC是采用循环扫描方式工作的 其循环过程为 内部处理通迅服务输入刷新执行用户程序输出刷新 内部处理通迅服务 图2 6PLC工作流程图 输入刷新执行用户程序输出刷新 Y 52 举例 I O状态表 点状态 X000 Y000 Y010 Y020 Y00 Y01 Y02 输入端子 输出端子 KA3 HL KA1 KA2 Y01 X00 Y01 用户程序 LDY01OUTY00LDX00OUTY00LDY01OUTY02 I O刷新 程序执行 图2 7扫描过程示意图 X00 SB1 53 已知 第0扫描周期中 I O点状态被刷新为 X00 0 0Y00 0 0Y01 0 0Y02 0 0用户程序是按梯形图 从头开始由左 右 由上 下 逐条执行 每个扫描周期程序执行的结果是 Y00 N Y01 N 1 Y01 N X00 N Y02 N Y01 N 状态分析 54 由前面分析知 Y00 N Y01 N 1 Y01 N X00 N Y02 N Y01 N 0 1 1 1 1 1 100 000 状态表 X00在后面的扫描周期中 呈现出右表中的状态 若第0扫描周期中 I O点状态被刷新为 X00 0 0Y00 0 0Y01 0 0Y02 0 0 55 二 扫描周期的计算方法 扫描周期的长短 对PLC系统的性能有一定的影响 例如较长的扫描时间对I O响应时间 对系统运行的精确性均会产生不利的影响 56 扫描周期的计算公式 扫描周期 T 内部处理时间 通信服务时间 输入刷新时间 用户程序时间 输出刷新时间 57 内部处理时间 是固定的 2 6ms 通信服务时间 如有 也是固定的 外设部件 0 8mS MAX 网络模块 8mS MAX 输入刷新时间 将接在输入端子上元件的状态读入 并保存在 输入状态表 I O映像存储器 中所耗费的时间 0 07mS 8点 用户程序时间 取决于程序的长度和指令的种类输出刷新时间 将 输出状态表 I O映像存储器 中的内容输出到接口电路中所耗费的时间 0 04mS 8点 以OMRONC200HPLC为例 58 例1 C200HPLC配置 4个8点输入模块 2个16点输入模块O 5个8点输出模块 2个16点输出模块 程序5K个地址 且仅使用LD OUT指令 其执行时间分别为0 75 1 13 s 解 当编程器要在上面运行时 T 2 6 0 8 0 75 1 13 2 5 120 0 07 8 0 04 9 9 1ms若没有外设 T 2 6 0 75 1 13 2 5 120 0 07 8 0 04 9 8 3ms 59 三 系统响应时间 PLC系统的响应时间是指输入信号有效后 到输出元件动作所需要的时间 所以系统响应时间的长短与系统的扫描周期 输入响应时间 输出响应时间有关 例如图2 8 如当SB接通有效后 直到与Y00对应的输出元件有效输出的时间即为该系统的响应时间 X00 Y00 Y00 X00 图2 8描述系统响应时间接线原理图 SB 60 系统最小响应时间 若PLC在一次输入刷新前 输入点能建立起有效输入信号 该信号通过输入刷新进入I O状态表 经扫描周期中程序的处理 得到的输出结果存入I O状态表 经输出刷新 将I O状态表中的信号刷新到输出点 直到内部输出元件 J SSR T 给出有效的输出为止 这种响应时间为系统最小响应时间 61 最小响应时间 输入响应时间 输出响应时间 1个周期的扫描时间 最小响应时序 62 系统最大响应时间 若在输入刷新刚完成后 输入点才建立起有效的输入信号 则必须 在下一周扫描周期的输入刷新时才能将这一信号写入I O状态表 经扫描周期中程序的处理 得到的输出结果存入I O状态表 经输出刷新 将I O状态表中的信号刷新到输出点 直到内部输出元件 J SSR T 给出有效的输出为止 这种响应时间为系统的最大响应时间 63 最大响应时间 输入响应时间 输出响应时间 2个周期的扫描时间 最大响应时序 64 输入响应时间为1 5ms 输出响应时间15ms 扫描周期10ms 系统最小响应时间 1 5 15 1 10 26 5ms系统最大响应时间 1 5 15 2 10 36 5ms 例如 65 其响应延迟时间可长达2个多扫描周期 可达几十ms 以上分析表明 从外部输入触点动作有效到内部输出元件 继电器 晶体管 可控硅 的有效输出 这点对一般的应用场合无关紧要 但是 在某些特殊应用场合 这么大的延时是不允许的 此时 应考虑选用智能化的快速响应I O模块 或选用更高速的PLC机型 66 第四节 三菱FX2NPLC简介及编程元件的地址 一 FX2N系列PLC名称体系 种类基本单元FX2N M 系列名称 1 I O点数基本单元 2 输出形式 R S T 3 其它区分1 基本单元 67 FX2N E 扩展单元 系列名称 1 I O点数基本单元 2 输出形式 R S T 3 其它区分1 FX N E 系列名称 扩展单元 1 I O点数基本单元 2 输出形式 R S T 扩展模块 扩展单元 68 FX2N 422 BD422通讯板FX2N 8AV BD容量适配器FX2N 485 BD485通讯板FX2N CNV BDFX0N用适配器连接板FX2N 232 BD232通讯板扩展规则a种扩展方式 特殊扩展模块 69 B种扩展方式 FX1 FX2用的扩展单元 扩展模块 特殊单元 特殊模块 FX2N CNV IF型转换电缆 FX2N基本单元 FX2N基本单元的右侧 可以按 a种扩展方式 或 b种扩展方式 进行扩展 但是 用 b种扩展方式 时 一定须用FX2N CNV IF型转换电缆 且一旦用了 b种扩展方式 之后 就不能再用 a种扩展方式 的扩展设备了 b种扩展方式 70 二 FX2N系列PLC性能规格 71 72 73 74 75 76 第五节 OMRONC200H数据通道 C200HPLC用户数据区的分类采用继电器的命名法 共分为9大类 对各区的访问C200HPLC采用通道的概念寻址 即将各个区都划分为若干个连续的通道 每个通道包含16位 bit 数据区用2个字母标识 I O继电器区除外 通道号用2 4个数字标识 有些区可按继电器 即按位 寻址 在通道号后面再加上2位数 00 15 标识继电器 位号 这样数据区的任一通道 任一继电器 或位 均可用通道号或继电器号唯一表示 77 78 第三章 三菱FX2NPLC指令系统 79 第一节 编程语言简介 一 梯形图它是由原继电器控制系统演变而来 与电气逻辑控制原理图非常相似 形象 直观实用 是PLC的主要编程语言 绝大多数PLC均具有这种编程语言 下一节将对此作重点介绍 80 二 助记符 助记符也称语句表达式 它与计算机的汇编语言很相似 但比汇编语言简单得多 PLC简易编程器没有梯形图编程功能 必须把梯形图翻译成助记符指令后再输入PLC 微型 小型PLC常采用这种方法 故助记符也是一种用得最多的编程语言 助记符是用若干个容易记忆的字符来代表PLC的某种操作功能 各PLC生产厂家使用的助记符不尽相同 81 三 布尔表达式 它是一种找出输入量 辅助量 内部元件 输出量之间关系 用布尔表达式或逻辑方程表达出来的编程方法 现今有少部分PLC采用这种编程方法 它配有专用的布尔表达式编程器 布尔表达式编程法也是一种较好的编程方法 若没有专用编程器 采用此法先找出系统的布尔表达式组 然后再转换成梯形图编程 82 四 功能块图 Functionblockdiagram 这是一种建立在布尔表达式之上的图形语言 实质上是一种将逻辑表达式用类似于 与 或 非 等逻辑电路结构图表达出来的图形编程语言 这种编程语言及专用编程器也只有少量PLC机型采用 例如西门子公司的S5系列PLC采用STEP编程语言 它就有功能块图编程法 83 五 功能表图 Functionchart 也称顺序功能表图 SequenceFunctionchart 简称SFC 它是一种位于前述4种编程语言之上的一种图形语言 用来编制较为复杂的顺序控制程序 对较复杂的控制系统用梯形图作程序设计 存在如下问题 设计方法很难掌握且设计周期长装置投运后维护 修改困难 84 根据功能表图的原理设计PLC程序 通过CRT终端 直接使用功能表图输入控制要求 这种PLC的工作原理已不象小型机那样 程序从头到尾循环扫描 而只扫描那些与当前状态有关的条件 从而减少了扫描时间 提高了PLC的运行速度 用功能表图描述PLC所要完成的控制功能 然后再据此利用具有一定规则的技巧画出梯形图 这种用法 因为有功能表图易学易懂 描述简单清楚 设计时间少等优点 六 高级语言 功能表图在PLC编程过程中有2种用法 85 第二节 梯形图使用的符号 概念及注意事项 前面曾讲过 梯形图与继电器逻辑图的设计思想是一致的 具体表达方式有点区别 PLC的梯形图使用的是 软元件 I点 O点 内部辅助继电器 计数器等 是PLC存储器中的某一位 由软件 用户程序 实现逻辑运算 使用和修改灵活方便 靠硬接线组成逻辑运算的继电器控制线路是无法与之相比的 86 一 梯形图中的符号 概念 母线 梯形图的两侧各有1垂直的公共母线 Busbar 母线之间是触点和线圈触点 PLC内部的I O继电器 辅助继电器 特殊功能继电器 定时器 计数器 移位寄存的常开 闭触点 都用表3 2所示的符号表示 通常用字母数字串或I O地址标注 触点实质上是存储器中某1位 其逻辑状态与通断状态间的关系见表 87 继电器线圈 对PLC内部存储器中的某一位写操作时 这一位便是继电器线圈 用表3 2中的符号表示 通常用字母数字串 输出点地址 存储器地址标注 线圈一般有输出继电器线圈 辅助继电器线圈 它们不是物理继电器 而仅是存储器中的1bit 一个继电器线圈在整个用户程序中只能使用一次 写 但它还可当作该继电器的触点在程序中的其它地方无限次引用 读 既可常开 也可常闭 继电器线圈放置在梯形图的右侧 88 能流 能流是梯形图中的 概念电流 利用 电流 这个概念可帮助我们更好地理解和分析梯形图 假想在梯形图垂直母线的左 右两侧加上DC电源的正 负极 概念电流 从左 右流动 反之不行 89 二 梯形图使用应注意事项 梯形图中的触点 线圈不是物理触点和线圈 而是存储器中的某1位 用户程序的运算是根据PLC的I O状态表存储器中的内容 而不是外部I O开关的状态 梯形图中用户逻辑运算结果 可以立即被后面用户程序所引用 输出线圈只对应输出状态表存储器中的相应位 并不是用该编程元件直接驱动现场执行机构 该位的状态是通过输出刷新 输出到输出模块上 控制对应的输出元件 继电器 可控硅 晶体管 是输出元件驱动现场执行机构 PLC内部辅助继电器线圈不能做输出控制用 它们只是PLC内部存储器中的一位 起中间暂存作用 90 触点和线圈只能作水平元件用 不能作垂直元件用 梯形图中能流总是从左到右流动 在两行触点的垂直短路线上 能流可上 下 也可下 上流动 图3 2中虚线那样的路径不会成为能流的流动路径 这点与继电器逻辑图有较大的差别 梯形图网络可由多个支路组成 每个支路可容纳多个编程元件 每个网络允许的支路条数 每条支路容纳的元件的个数 各PLC限制不一样 1 2 3 4 5 1 2 3 4 1 3 5 4 1 2 3 4 5 6 a 错误的 b 正确的 图3 2能流路径说明 图3 1梯形图举例1 91 第三节 三菱FX2NPLC指令 分类 FX2NPLC的指令分为 基本顺控指令 基本指令 功能指令 基本指令表 XYMSTC XYMSTC XYMSTC XYMSTC 92 XYMSTC XYMSTC XYMSTC XYMSTC XYMSTC XYMSTC XYMSTC 串联常开触点 93 YMSTC SET YMS RST YMSTCD PLS YM 并联下降沿触点 94 PLF YM MC N YM MCR N MPS MRD MPP INV 下降沿检测指令 95 二 基本指令概述 LD LDI AND ANI OR ORI OUT END指令概要 助记符程序步指令LDX000OUTY000LDIX000ANDX001OUTM0ANIX002OUTY001LDIX001ORX002ORIX0030OUTY0021END X000 X000 X001 X002 X001 X002 X003 Y000 M0 Y001 Y002 END 母线 梯形图程序 96 LDP ANDF ORP ORF指令概要 助记符程序步指令LDPX000OUTY000LDX000ANDPX001OUTY001OUTX002LDX011ORPY002OUTY003LDFX0030OUTY0041LDX0122ANDFX0043OUTY0054LDX0135ORFX0056OUTY0067END X000 X000 X001 X011 X002 X003 Y000 LDF 梯形图程序 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 END X012 X004 X013 X005 ORF ANDF ORP LDP ANDP LDF ANDP 97 ANB 助记符程序步指令LDX000ORX001LDX002ORX003ANBOUTY000LDX004ANDX005LDX006ANDX0070ORB1OUTY0012END 梯形图程序 X000 X001 X004 Y000 Y001 END ORB X002 X003 X005 X006 X007 ORB指令概要 98 SET 助记符程序步指令LDX000PLSM0LDX001PLFM1LDM0SETM50LDM1RSTM50END X000 梯形图程序 END X001 M0 M1 RST PLS PLF指令概要 99 I 执行INV指令之前到INV指令执行之的运算结果后的运算结果OFFONONOFF 操作图 OFF ON Y000 X000 OFF ON 助记符程序步指令LDX000INDOUTY001END X000 梯形图程序 END Y000 INV指令概要 100 定时器 计数器指令 定时器有一般用和累计用两种 累计用定时器即使计数输入为OFF 也能存储当前值 计数器有16位向上计数和32位向上 向下计数用的两种 向上 向下计数器的计数方向由特殊辅助继电器M8200 M8234的ON OFF来指定的 定时器的设定值 可以用K常数直接指定 用数据寄存器 D 间接指定 但间接指定值必须事先写入数据寄存器里 定时器 101 助记符程序步指令LDX000OUTT0K123LDT0OUTY00010LDX0011OUTT22D1 X000 梯形图程序 T0 Y000 T0 X001 T2 K123 常数指定 间接指定 D1 总线 操作时序图 X0接点计数输入 T0线圈 T0接点 Y0线圈 12 3秒 102 计数器的设定值 可以用K常数直接指定 和用数据寄存器 D 间接指定 但间接指定值必须先写入数据寄存器 助记符程序步指令LDX000RSTC0LDX001OUTC0K57LDC08OUTY00010LDX0011OUTT22D1 X000 梯形图程序 Y000 X001 C0 常数指定 间接指定 X002 C2 D1 C0 K5 RST C0 计数器 103 操作图 X000接点 OFF Y000线圈 X001接点计数输入 C0当前值 C0接点 ON 0 1 2 3 4 5 104 第四章 PLC应用实例 本章所举实例中 PLC均采用三菱FX2N系列可编程序控制器 例一 LDX0LDX3ANDX1OUTC05OUTC04D30K30LDX4LDX2ORX5RSTC04RSTC05LDC04LDIC05OUTY05OUTY06 Y05 Y06 x00 x01 x03 x04 x05 x02 C05 K30 C04 C04 RST C04 RST C05 D30 C05 105 例2 X00 1sec T06 X00 K150 a b C06 K15 RST C06 例3 点动接收 去抖电路 Y04 T11 Y04 X00 T11 Y04 a K10 图4 4点动接收 去抖电路 T11 抖动引起 一个扫描周期 X00 Y04 b 106 例4 点动输出 脉冲输出 图4 5 X00 Y04 M00 T12 Y04 T12 K5 M00 a b X00 M00 T12 Y04 0 5sec 107 例5 振荡电路 图4 6中 在X0为ON期间 Y05为脉宽可调的振荡输出 X00 T14 Y05 T13 Y05 T14 K10 T13 K20 a b X00 T13 T14 Y05 图4 6 1s 2s 1s 2s 108 例6 图4 7为一种自锁电路的2种编程方法 109 例7 按钮SB0 SB66控制电机M1 M6 控制要求见下表4 1 画出控制原理图和控制程序梯形图 电机 按钮 X1 Y1 M2 E X0 X5 X6 PLC Y6 Y2 COM M6 M1 N L 图4 8电机连锁控制PLC接线原理图 KM1 KM2 KM6 110 X10 X0 Y10 X1 M1 X2 X3 X4 X5 X6 X2 Y2 M2 Y2 X0 X3 X4 X5 X6 X1 X2 M3 X3 X0 X4 X5 X6 Y3 X1 X2 Y4 M4 X3 X4 X0 X5 X6 Y4 图4 9 X1 X2 M5 X3 X4 X0 X6 X5 Y5 X1 X2 M6 X3 X4 X0 X5 X6 Y6 END 111 例8 用一个输出点指示事故 故障报警信号 用间断的信号表示事故 重要 发生 用连续的信号表示故障 次要 发生 设计程序梯形图 假设 采用事故 重要 优先的原则 即在故障报警时如果出现事故信号 将停止故障报警 改为事故报警 经过设定的时间 1min 后自动停止报警 在该时间内 如果操作人员按了 停止报警 按钮 将立即停止报警 I O信号对应的地址见下 事故信号 X00 故障信号 X02 停止报警 按钮 X04 报警器 Y0 112 M110 M110 M111 T110 M111 M110 T120 M111 M110 M105 M111 M106 T100 X04 M105 M110 T100 X04 停止报警 X02 X00 K600 K4 K8 M110 M111 T100 T110 T120 Y0 T110 事故 故障 报警 梯形图如图4 10所示 在事故 故障刚发生时 即图4 11中X00 X02的上升沿 PLC指令使M105 M106的常开触点接通一个扫描周期 事故信号 故障信号将分别锁存在M110和M111中 M110或M111的常开触点闭合后开始报警 同时定时器T100定时1min 定时时间到时 T100的常闭触点断开 使M110或M111线圈 断电 停止报警 图4 10梯形图 113 如果在1min内操作人员按了 停止报警 按钮 X04的常闭触点断开 也将使M110或M111复位 报警器停止报警 T110和T120用来产生接通0 4s 断开0 8s的信号 若仅出现故障信号 M111的常开触点和M110的常闭触点接通 Y0发出故障报警 连续的报警信号 假设在故障出现期间又发生了事故 见图4 11 在X00的上升沿 M105的常开触点 常闭触点分别接通 断开一个扫描周期 M105的一个扫描周期 使T100复位 T100将重新开始定时60s 与此同时 M110的常开触点接通 常闭触点断开 Y0的线圈将由一直 通电 变为周期性地间断 通电 由故障报警 连续的报警信号 变为事故报警 间断的报警信号 从而满足了 事故报警优先 的要求 114 X00事故信号 X02故障信号 M105事故信号上升沿 M106故障信号上升沿 X04报警复位信号 M111故障信号锁存 Y0报警器输出 60s 图4 11时序图 115 第五章 PLC程序设计的功能表图方法 第一节 概述功能表图 FunctionChart 亦称顺序功能表图 SequenceFunctionChart 简称SFC 经验法仅适用于简单的单一顺序问题的程序设计 且设计无一定的规律可循 对稍复杂的程序设计起来显得较为困难 而对具有并发顺序选择顺序的问题就更显得无能为力 故有必要寻求一种能解决更广泛顺序类型问题的程序设计方法 116 是一种能很好解决上述问题的程序设计方法 它是描述控制系统的控制过程 功能 特性的一种图形 它最初很象一种工艺性的流程图 它并不涉及所描述的控制功能之具体技术 是一种通用的技术语言 这种设计方法很容易被初学者接受 对有一定经验的技术人员而言也会提高设计效率 有资料称这种设计方法可减少2 3的设计时间 且用此法设计出的程序调试 修改 阅读也很容易 功能表图 117 功能表图法在PLC程设中有两种用法 直接根据功能表图的原理研制PLC 即将功能表图作为一种编程语言直接使用 目前已有此类产品 多数应用在大 中型PLC上 其编程主要通过CRT终端 直接使用功能表图输入控制要求 用功能表图说明PLC所要完成的控制功能 然后再据此找出逻辑关系并画出梯形图 这种应用法较多 本节主要讨论这种方法 118 第二节 功能表图的基本概念 一 步 步是控制系统中一相对不变的状态 在功能表图中 步通常表示某个或某些执行元件的状态 起始步 起始步对应于控制系统的初始状态 是系统运行的起点 一个控制系统至少要有1个起始步 n为序号 图5 1步的符号 n 10 如 119 动步 静步是指控制系统当前没有运行的步 动步是指控制系统当前正在运行的步 动步用1个小黑点放在步的方框图中表示 见图5 3 动步 静步是系统分析时用的术语 平时进行程设时并不用 图5 3动步符号 N 静步 120 步 步是一个稳定的状态 表示过程中的一个动作 在该步的右边用1个矩形框表示 见图5 4 当一个步对应多个动作时 可用图5 5表示 图5 4与步对应动作的表示方法 动作 图5 5一步对应多个动作的表示方法 N 动作A动作B 动作A动作B 对应的动作 121 有向线 在控制系统中动步是变化的 会向前转移的 转移的方向是按有向线规定的路线进行 习惯上是从上到下 由左至右 如不是上述方向 应在有向线上用箭头标明转移方向 转移条件 动步的转移是有条件的 转移条件在有向线上划一短横线表示 见图5 6 横线旁边注明转移条件 若同一级步都是动步 且该步后的转移条件满足 则实现转移 即后一静步变为动步 原来的动步变为静步 二 有向线和转移 122 画控制系统功能表图必须遵循以下规则 步与步不能直接相连 必须用转移分开 转移与转移不能相连 必须用步分开 步与步之间的连接采用有向线 从上 下或由左 右画时 可以省略箭头 当有向线从下 上或由右 左时 必须画箭头 以明示方向 至少有1个起始步 三 功能表图的构成规则 123 四 功能表图的基本形式 单一序列 单一序列由一系列前后相继激活的步组成 每步的后面紧接一个转移 每个转移后面只有一个步 见图 124 选择序列 选择序列 选择序列的开始称为分支 见图 b 转移符号只能标在水平连线之下 如果步5是活动的 并且转移条件e 1 则发生由步5 步6的进展 选择序列的结束称为合并 见图 c 几个选择序列合并到一个公共序列时 转移符号和需要重新组合的序列数量相同 转移符号只允许标在水平连线之上 如果步7是活动步 并且转移条件m 1 则发生由步7 步13的进展 如果步8是活动步 并且n 1 则发生由步8 步13的进展 125 并发序列 并发序列的开始称为分支 见下图 当转移的实现导致几个序列同时激活时 这些序列称为并发序列 当步3是活动的 并且转移条件d 1时 步4 步6 步8这三步变为活动步 同时步3变为静步 为了强调转移的同步实现 水平连线用双线表示 步4 步6 步8被同时激活后 每个序列中活动步的进展是独立的 在表示同步的水平双线之上 只允许有一个转移符号 126 并发序列的结束称为合并 见图5 8 b 在表示同步的水平双线之下 只允许有一个转移符号 当直接连在双线上的所有前级步都处于活动状态 并且转移条件e 1时 才会发生步2 步5 步7到步9的进展 即步2 步5 步7同时变为静步 而步9变为活动步 图5 8 并发序列的分支与合并 127 例子 图5 9是一个三工位钻床的工作台示意图 图5 10是该工作台控制系统的功能表图 步1是初始步 按下起动按钮后 三个工位同时工作 一个工位将工件送到圆形工作台上 然后送料推杆退回 另一个工位将工件夹紧并钻孔 钻完后钻头向上返回初始位置并松开工件 在第三个工位用深度计测量加工的孔是否合格 如果合格 则测量头上升 并自动卸下加工好的工件 钻孔 卸工件 返回 返回 装工料 图5 9工作台示意图 128 然后卸料杆返回 如果不合格 测量头返回后人工取走次品 并用按钮发出人工卸料完成的信号 三个工位的操作都完成以后 工作台顺时针旋转120 最后系统返回初始步 步4 步9 步14并不完成什么动作 是为同时结束三个并发步而设置的等待步 图5 10中水平双线之下的转移条件 1 表示转移条件总是满足的 即只要步4 步9 步14都是活动的 就会发生步4 步9 步14到步17的转移 步4 步9 步14变为静步 而步17变为活动步 129 三工位钻床控制系统功能表图 料到位 送料推杆返回 推杆初始位 夹具夹紧 已夹紧 下钻 钻到位 提钻 升到顶 夹具松开 已松开 测头下探定时2 2 1秒 探到底 且2 T 2 1秒 升到顶 卸毕 卸料杆初始位 探到底 但T 2 0秒或T 2 1秒 升到顶 卸完按钮 120 1 图5 10三工位钻床控制系统功能表图 起动 130 第三节 用梯形图实现功能表图的程序设计 一 步的进入除起始步外 每步的进入作为启动条件 起始步一般用其它所有步的静步状态相与作为它的驱动条件 二 步的退出作为本步的退出条件注意 并发序列步的退出 并发序列退出进入后一步时 必须将所有并发顺序支路最后一步的状态相与后作为下一步进入的条件 131 例子 4例6中讲述的液体混合装置一例 其PLC控制原理图 功能表图如图5 11 a b 控制程序梯形图如图5 12 图5 11液体混合装置控制系统功能表图 开YV1 开YV2 R加热 开YV3 Y1 Y2 Y4 Y3 RUN L I H T L b a YV1 R N L E X0 X1 X2 X3 X4 COM Y1 Y2 Y3 Y4 启动 RUN H I L T YV2 YV3 132 起始步1的状态用M15表示 是用步2 步5的静步状态相与作为它的驱动条件 M15支路在单一顺序控制中无多大意义 可省 但在选择 并发顺序中有较明确的意义 可使程序结构清晰 M15 Y1 Y2 Y3 Y4 Y1 X0 X3 Y2 END M15 Y1 Y0 X2 Y2 Y1 X1 Y3 Y4 Y4 X4 X3 Y3 Y2 Y4 Y3 Y4 图5 12 液体混合装置PLC控制程序梯形图 133 再如三位工位钻床的PLC控制原理图 地址分配见图5 13 三位工位钻床的PLC控制原理图 134 第六章 PLC应用中的若干问题 第一节 PLC的使用及其型号选择工业控制现在趋向于使用可编程控制器 PLC的高可靠性 高抗干扰性 很强的自我纠错和自我诊断能力已受到人们的普遍欢迎 而事实上PLC在实际应用中的引入对整个系统而言确实是大有裨益 但是在实际应用中也不是处处都适宜使用PLC 一方面其价格相对较高 最小配置也达千元以上 盲目使用会使系统造价偏高 另一方面在某些控制系统中使用PLC中未必适合 135 比如下列情况就没必要使用PLC 被控制系统很简单 I O点数很少 I O点数虽多 但控制并不复杂 各部分的联系很少 此种情况使用用继电器控制即可 136 系统的I O点数很多 控制复杂 若用继电器控制 要用大量的中间继电器 时间继电器和接触器等器件 可靠性要求较高 继电器控制无法达到 工艺流程 产品品种常变 需要经常改变控制电路的结构或修改多项控制参数 多台设备的系统需要用同一个控制器控制 用继电器控制的费用低于PLC 但两者的费用已是同一数量级时 下列情况应使用PLC 137 一 PLC型号的选择 I O点数问题当控制对象I O点在60点之内 I O点数比为3 2时选用整体式 小型 PLC较为经济 当控制对象I O点在100 200点左右 选用小型模块式的较为合理 当控制对象I O点在300点左右时 选中型PLC 当控制对象I O点在Y0点以上时就必须选用大型PLC 138 I O类型问题 I O类型也是决定PLC选型的重要因素之一 一般而言 多数小型PLC只具有开关量I O PID A D D A 位控等功能一般只有大 中型PLC才有 联网通信问题 联网通讯是影响PLC选型的重要因素之一 多数小型机提供较简单的RS 232通讯口 少数小型PLC没有通讯功能 而大中型PLC一般都有各种标准的通信模块可供选择 必须根据实际情况选择适当的通信手段 然后决定PLC的选型 139 系统响应时间问题 系统响应时间也是影响PLC选型的重要因素之一 一般而言 小型PLC扫描时间为10 20ms kb 中型PLC扫描时间为几ms kb 大型PLC扫描时间在1ms kb以下 而系统响应时间约为2倍的扫描周期 根据实际要求进行分析 选择恰当的响应时间和PLC 可靠性问题 应从系统的可靠性角度 决定PLC的类型和组网形式 比如对可靠性要求极高的系统 可考虑选用双CPU型PLC或冗余控制系统 热备用系统 140 程序存贮器问题 在PLC选型过程中 PLC内存容量 型式也是必须考虑的重要因素 通常的计算方法是 I O点数 8 开关量 100 模拟量通道数