第11章：可编程控制器及其应用

第11章可编程控制器及其应用,第11章可编程控制器及其应用,11.2可编程控制器的程序编制,11.3可编程控制器应用举例,11.1可编程控制器的结构和工作原理,第11章可编程控制器(PLC),本章要求：,1.了解可编程控制器的结构和工作原理;,2.了解可编程控制器的几种基本编程方法;,3.熟悉常用的编程指令;,4.学会使用梯形图编制简单的程序。,可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种工业控制器。专门用于工业现场的自动控制装置。,PLC具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程简单以及功耗低、体积小等优点。但它存储容量小，价格高。,本章只为初学者提供PLC基础知识,重点是简单程序编制，重在应用。,继电接触控制系统在生产中得到广泛应用。但由于它的机械触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性差，因此已不能满足现代化生产过程复杂多变的控制要求。,第11章可编程控制器(PLC),PLC的类型种类繁多，功能和指令系统也不尽相同虽然多种多样，但其结构和工作方式则大同小异，一般由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几个主要部分构成。,11.1可编程控制器的结构和工作方式,11.1.1可编程控制器的结构及各部分的作用,PLC可看作一个系统，外部的各种开关信号或模拟信号均为输入量，它们经输入接口寄存到PLC内部的数据存储器中，而后按用户程序要求进行逻辑运算和数据处理，最后以输出变量的形式送到输出接口，从而控制输出设备。,PLC硬件系统结构图,电源,输入设备,输出设备,外部设备接口,主机,PLC,1.主机,CPU是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态。,主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器,系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。,用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。,2.输入/输出(I/O)接口,输入接口用于接收输入设备(如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。,输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备(如:接触器、电磁阀、指示灯等)。,3.电源,PLC电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源,I/O接口是PLC与输入/输出设备联接的部件。,I/O接口一般采用光电耦合电路,以减少电磁干扰。,4.编程器,编程器是PLC重要的外部设备，用于手持编程。利用编程器可输入、检查、修改、调试用户程序或在线监视PLC工作状况。除手持编程器外，目前，使用较多的是利用通信电缆将PLC和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。,6.外部设备接口,I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元(即主机)联接在一起。,5.输入输出扩展接口,此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。,11.1.2可编程控制器的工作方式,PLC采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段，并进行周期循环。,输入端子,输入锁存器,输入状态寄存器,输出锁存器,输出状态寄存器,输出端子,程序执行,读,读,写,输入采样,程序执行,输出刷新,一条指令所需时间一般不超过100ms。,1.输入采样阶段,PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。,2.程序执行阶段,PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。,3.输出刷新阶段,在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。,由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。,11.1.3可编程控制器的主要技术性能,1.I/O点数,指PLC外部输入和输出端子数。通常小型机有几十点，中型机有几百个点，而大型机超过千点。,2.用户程序存储容量,用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC中，程序指令按“步”存储,一“步”占用一个地址单元,一条指令有的往往不止一“步”。一个地址单元一般占两个字节。,3.扫描速度,指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。有时也用扫描一步指令的时间计,如s/步。,4.指令系统条数,PLC具有基本指令和高级指令，指令的种类和数量越多，其软件功能越强。,5.编程元件的种类和数量,编程元件是指输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等，其种类和数量的多少是衡量PLC硬件功能强弱的一个指标。,PLC内部“继电器”是存储器的存储单元。当写入该单元逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。所以PLC内部这些继电器称为“软”继电器。,FP1-C24可编程控制器编程元件的编号范围与功能说明,11.1.4可编程控制器的主要功能和特点,1.主要功能,(1)开关逻辑控制,用PLC取代传统的继电接触器进行逻辑控制。,(3)步进控制,(4)数据处理,(2)定时/计数控制,用PLC的定时/计数指令来实现定时和计数控制。,用步进指令实现一道工序完成后，再进行下一道工序操作的控制。,能进行数据传输、比较、移位数制转换、算术运算和逻辑运算等操作。,(5)过程控制,(6)运动控制,(7)通信联网,(8)监控,(9)数字量与模拟量的转换,可实现对温度、压力、速度、流量等非电量参数进行自动调节,通过高速计数模块和位置控制模块进行单轴和多种控制。如用于数控机床、机器人等控制。,通过PLC之间的联网及与计算机的联接，实现远程控制或数据交换。,能监视系统各部分的运行情况,并能在线修改控制程序和设定值。,能进行A/D和D/A转换，以适应对模拟量的控制。,2.PLC的主要特点,(1)可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。,(2)编程简单，使用方便。,(3)通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。,(4)缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。,(5)体积小，易于实现机电一体化。,11.2可编程控制器的程序编制,6.2.1可编程控制器的编程语言,可编程控制器的程序有系统程序和用户程序两种。,系统程序用户不能修改。,用户程序是用户根据控制要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言编写的应用程序。,PLC的编程语言以梯形图语言和指令语句表语言最为常用，并且两者常常联合使用。,1.梯形图,是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器触点、线圈、串联、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形。,1.梯形图,编程元件的种类用图形符号及字母或数字加以区别。,例:用PLC组成电机起停控制电路,(1)继电接触控制图,(2)利用梯形图编制控制程序,(1)梯形图中的继电器不是物理继电器，是PLC存储器的一个存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。,几点说明,(2)梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行(或称梯级)起始于左母线，然后是触点的串、并联连接，最后是线圈与右母线相联。,(3)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中满足线圈接通的条件。,(4)输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备。当梯形图中的输出继电器线圈接通时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。,输出继电器的触点也可供内部编程使用。,2.指令语句表,指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言容易理解。若干条指令组成的程序就是指令语句表,笼型电动机直接起动控制的指令语句表,ST起始指令(取指令):从左母线(即输入公共线)开始取用动合触点作为该逻辑行运算的开始，图中取用X2。,OR触点并联指令(也称或指令):用于单个动合触点的并联，图中并联Y1。,ED程序结束指令。,OT输出指令:用于将运算结果驱动指定线圈，图中驱动输出继电器线圈Y1。,AN/触点串联反指令(也称与非指令):用于单个动断触点的串联，图中串联X1。,11.2.2可编程控制器的编程原则和方法,1.编程原则,(1)PLC编程元件的触点在编制程序时使用次数是无限的。每个继电器的线圈在梯形图中只能出现一次,它的触点可以使用无数次。,(2)梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且不能直接与左边母线相连。,不正确,正确,(3)编制梯形图时，应尽量做到“上重下轻、左重右轻”。,不合理,合理,(4)在梯形图中应避免触点画在垂直线上，因为它无法用指令语句编程。,无法编程,(5)应避免同一继电器线圈在程序中重复输出，否则将引起误操作。,电动机直接起动控制,(6)外部输入设备动断触点的处理：,在(b)图中，SB1接成动断，接在PLC输入继电器的X1端子上,则在编制梯形图时,用的是动合触点X1。因SB1闭合，对应的输入继电器接通,这时它的动合触点X1是闭合的。按下SB1，断开输入继电器，它才断开。,通常由PLC内部电源提供,外接,FR的触点只能接成动断触点,且不作为PLC的输入信号,而将其直接通断接触器线圈,为了使梯形图和继电接触器控制电路一一对应，PLC输入设备的触点应尽可能接成动合形式。,2.编程方法,以笼型电动机正反转的控制电路为例介绍PLC控制的编程方法,笼型电动机正反转的控制电路,(1)确定I/O点数及分配,2.编程方法,电动机正反转控制外部接线图,(2)编制梯形图和指令语句表,梯形图,指令语句表,11.2.3可编程控制器的指令系统,1.起始指令ST，ST/与输出指令OT,指令使用说明：,ST/起始反指令(也称取反指令)：从左母线开始取用动断触点作为该逻辑行运算开始。,(1)ST，ST/指令的使用元件为X，Y，R，T，C；OT指令的使用元件为Y，R。,(2)ST，ST/指令也可与ANS或ORS块操作指令配合用于分支回路的起始处。,(3)OT指令不能直接用于左母线，可以使用若干次，这相当于线圈的并联。,当X0闭合时，则Y0、Y1，Y2均接通。,AN，AN/指令分别用于单个动合和动断触点的串联。,OR，OR/指令分别用于单个动合和动断触点的并联。,指令使用说明：,2.触点串联指令AN,AN/与触点并联指令OR,OR/,2.触点串联指令AN,AN/与触点并联指令OR,OR/,(1)AN，AN/，OR，OR/指令的使用元件为X，Y，R，T，C。,(2)AN，AN/，指令可多次连续串联使用。OR，OR/指令可多次连续并联使用。,串联或并联次数没有限制。,指令使用说明,3.块串联指令ANS与块并联指令ORS,ANS(块与)和ORS(块或)分别用于指令块的串联和并联连接,ANS用于将两组并联的触点(指令块1和指令块2)串联；ORS用于将两组串联的触点(指令块1和指令块2)并联。,指令块1,指令块2,3.块串联指令ANS与块并联指令ORS,指令使用说明：,(1)每一指令块均以ST(或ST/)开始。,(2)当两个以上指令块串联或并联时，可将前面块并联或串联的结果作为新的“块”参与运算。,(3)指令块中各支路的元件个数没有限制。,(4)ANS和ORS指令不带使用元件。,指令块1,指令块2,例1：写出下图所示梯形图的指令语句表。,解：指令语句表如右图所示。,4.反指令/,当X0闭合时，Y0接通，Y1断开；反之，则相反。,反指令是将该指令所在位置的运算接过去反。,5.定时器指令TM,TMR：定时单位为0.01s的定时器；,TMX：定时单位为0.1s的定时器；,TMY：定时单位为1s的定时器。,TMR和TMX指令各占三个地址号，TMY指令占四个地址号。,TM指令用法,当定时触发信号发出后，触点X0闭合，定时开始，5s后定时时间到，定时器触点T2闭合，线圈Y0也就接通。如果X0闭合时间不到5s，则无输出。,动作时序图,定时器设置值定时时间500.1s=5s,定时器编号,指令使用说明,(1)定时设置值为K0K32767范围内任意一个十进制常数。,(2)定时器为减1计数，每来一个时钟脉冲CP，定时设置值减1，至减为0时，定时器动作，其动合触点闭合,动断触点断开。,(3)如果在定时器工作期间,X0断开,则运行中断，定时器复位,回到原始之值,同时其动合、动断触点恢复常态。,(4)程序中每个定时器只能使用一次,但其触点可多次使用。,例2:试编制延时3s接通、延时4s断开的电路的梯形图和指令语句表。,解:利用两个TMX指令的定时器T1和T2,其定时设置值K分别为30和40,即延时分别为3s和4s。,梯形图,动作时序图,指令语句表,X1,Y0,6.计数器指令CT,X0,当计数到4时，计数器动合触点C100闭合，线圈Y0接通。,CT指令占三个地址号,计数脉冲输入端,复位脉冲输入端,计数设置值,计数器编号,梯形图,指令语句表,6.计数器指令CT,指令使用说明,(1)计数设置值为K0K32767范围内任意一个十进制常数。,(2)计数器为减1计数，每来一个计数脉冲上升沿，计数设置值减1，至减为0时，计数器动作，其动合触点闭合，动断触点断开。,(3)如果在计数器工作期间，复位端R输入复位信号，使计数器复位，则运行中断，回到原始之值，同时其动合、动断触点恢复常态。,(4)程序中每个计数器只能使用一次，但其触点可多次使用。,7.堆栈指令PSHS，RDS，POPS,PSHS(压入堆栈)，RDS(读出堆栈)，POPS(弹出堆栈)，常用于梯形图中多条联于同一点的分支通路，并要用到同一中间运算结果的场合。,PSHS,RDS,POPS,梯形图,指令语句表,(1)在分支开始处用PSHS指令，它存储分支点前的运算结果；分支结束用POPS指令，它读出和清除PSHS指令存储的运算结果；在两个指令之间的分支均用RDS指令,它读出PSHS指令存储的运算结果。,(2)堆栈指令是组合指令不能,单独使用。PSHS，POPS在程序中各出现一次(开始和结束时)，而RDS在程序中视连接在同一点的支路数目的多少可多次使用。,指令使用说明,等效梯形图,8.微分指令DF，DF/,DF：当检测到触发信号上升沿时，线圈接通一个扫描周期。,DF/：当检测到触发信号下降沿时，线圈接通一个扫描周期。,梯形图,指令语句表,8.微分指令DF，DF/,指令使用说明,(1)DF，DF/指令在触发信号接通或断开状态变化时有效。,(2)DF，DF/指令没有使用次数的限制。,(3)如果某一操作只需在触点闭合或断开时执行一次，可使用DF或DF/指令。,当X0闭合时，Y0接通一个扫描周期；当X1断开时，Y1接通一个扫描周期。触点X0、X1分别称为上升沿和下降沿微分指令的触发信号。,X0,Y0,Y1,X1,一个扫描周期,9.置位、复位指令SET，RST,SET：触发信号X0闭合时，Y0接通。,RST：触发信号X1闭合时，Y0断开。,指令用法,动作时序图,指令使用说明,(1)SET，RST指令的使用元件为Y，R。,(2)当接通触发信号即执行SET(RST)指令。不管触发信号随后如何变化，线圈将保持接通(断开)。,(3)对同一继电器Y(或R),可以多次使用SET和RST指令，次数不限。,9.置位、复位指令SET，RST,10.保持指令KP,S和R分别由输入触点X0和X1控制。当X0闭合时,指定继电器线圈Y0接通并保持；当X1闭合时，Y0断开复位。,指令用法,置位输入端,复位输入端,指令使用说明,(1)KP指令的使用元件为Y，R。,(2)置位触发信号一旦将指定的继电器接通，则无论置位的触发信号随后是接通还是断开,指定的继电器都保持接通，直到复位触发信号接通。,(3)若置位、复位触发信