《数控机床PLC控制与调试》课件第1单元

训练项目1-1：电动机的PLC控制训练项目1-2：智能抢答器的设计与实现第一单元独立型PLC及其应用训练项目1-1：电动机的PLC控制

一、学习目标

通过教学与训练，学生应掌握可编程控制器(PLC)的工作原理、内部资源、控制系统连接、基本逻辑指令及其应用、编程及其调试方法等内容；能承担简单的PLC控制系统的设计与调试任务。二、学习内容

(1) PLC的连接。

(2) PLC的工作原理。

(3) PLC的内部资源。

(4) PLC的基本逻辑指令。

(5) PLC的控制环节。

(6)手持编程器的使用。

(7) PLC的应用编程与调试。

(8)电动机正反转的PLC控制。

(9)电动机星形-三角形换接启动的PLC控制。三、训练设备

训练设备如图1-1-1所示。

(1)三相交流异步电动机。

(2) PLC综合实训台及连接线。

(3)手持编程器。图1-1-1实现电动机PLC控制的训练设备四、训练要求

(1)具备电气控制知识与基本技能。

(2)按章程操作，谨防发生触电与电源短路事故。

(3)分组实训，接线、检查，分工协作。

(4)严禁将AC220V或AC380V电源引入PLC的输入端，避免烧毁PLC。

(5)保证电动机运行顺畅，避免与连线或衣物等缠绕，确保通电后安全运行。

(6)能演示训练内容，并能回答随堂提问。

(7)训练结束后，整理好训练台和设备。五、训练任务

(一)电动机的启动、保持、停机

[建议]在进行电动机的PLC控制教学与训练前，先让学生巩固或训练电动机的电气控制关系，尤其是点动控制与自保持控制。

1)电气控制

电动机启动、保持、停机的电气控制线路如图1-1-2所示。图1-1-2电动机启动、保持、停机的电气控制线路

2) PLC结构与接口分布

三菱FX2N及FX3U系列PLC的外形如图1-1-3所示。图1-1-3三菱FX2N及FX3U系列的PLC外形图图1-1-4FX2N-16MR面板图、FX2N-48MR接线端子分布图图1-1-5手持编程器与PLC的连接图1-1-6手持编程器面板布局

3)对应的PLC控制连接

电动机启动、保持、停机对应的PLC控制连接如图1-1-7所示，其中FX2N-16MR和FX2N-48MR的输出连接因端子结构不同而有所差别。图1-1-7电动机启动、保持、停机的PLC控制连接

4)控制程序

电动机点动控制及启动后自保持运行的控制程序如图1-1-8所示。图1-1-8电动机点动控制及启动后自保持运行控制程序

5) PLC程序的手动输入

(1)点动控制。

(2)启动后自保持运行。

(二)电动机的正反转控制

1.电动机的“正转—停机—反转”电气控制关系

电动机“正转—停机—反转”电气控制关系如图1-1-9所示。图1-1-9电动机“正转—停机—反转”电气控制关系

2.安全、可靠的电动机“正转—停机—反转”电气控制

关系

安全可靠的电动机“正转—停机—反转”或“反转—停机—正转”电气控制关系如图1-1-10所示。图1-1-10带输出联锁的电动机正转—停机—反转控制电路

3.电动机的“正转—反转—停机”电气控制关系

电动机正转和反转直接切换的电气控制连接如图1-1-11

所示，电动机的正反转切换或反正转切换不需要中间的停机

控制。图1-1-11带复合联锁的电动机正转—反转—停机控制电路

4.电动机正反转的PLC控制

1) PLC控制电动机正反转的电气连接

PLC控制电动机正反转的电气连接关系如图1-1-12所示。图1-1-12PLC控制电动机正反转的连接

2)编程与调试

三菱PLC的编程与调试有两种方式。

◎通过手持编程器(HPP)，手工调试。

◎通过计算机和编程调试软件(GXDeveloper)调试。

(1)电动机正反转点动控制。对应的PLC程序与基本指令如图1-1-13所示。图1-1-13电动机正反转点动控制程序与基本指令

(2)电动机正反转启动后自保持运行控制。电动机正反转启动后的自保持运行控制程序与基本指令如图1-1-14所示。图1-1-14电动机正反转启动后自保持运行控制程序与基本指令

(3)电动机正转—停机—反转控制或反转—停机—正转控制。电动机正转—停机—反转控制或反转—停机—正转(切换时，中间必须通过“停机”控制环节)的控制程序和基本指令如图1-1-15所示。图1-1-15电动机正转—停机—反转或反转—停机—正转控制程序和基本指令

(4)电动机正转—反转—停机或反转—正转—停机控制。电动机正反转直接切换控制的PLC程序与基本指令如图1-1-16所示。图1-1-16电动机正反转直接切换控制的PLC程序与基本指令

3)调试与运行

先调试、运行图1-1-16所示的电动机控制功能，然后再删减程序，逐步实现图1-1-15、图1-1-14、图1-1-13所示的控制

功能。

4)完善设计

通过训练与验证不难发现，图1-1-12所示电路的连接是比较可靠的，但不是最安全的。从训练中可以发现，电动机的正反转控制是通过两个接触器控制不同的供电相序实现的，即调换三相电源中的任意两相的供电相序。

图1-1-12所示的硬联锁连接如图1-1-17所示。图1-1-17带硬联锁的PLC电气连接

(三)电动机“星形-三角形”换接启动控制

1)电动机“星形-三角形”换接启动的电气控制

对于大功率的鼠笼式三相异步电动机而言，由于其启动电流是额定电流的数倍(5倍以上)，为了避免电动机启动时造成对电网供电的冲击而影响精密电器或供电的正常使用，常采用电动机空载降压启动的方法。电动机“星形-三角形(Ｙ-△)”换接降压启动是简单常用的控制方法。电动机“星形-三角形(Ｙ-△)”换接降压启动控制的电气连接如图1-1-18所示。图1-1-18电动机“星形-三角形”换接降压启动的电气控制图1-1-19改进后的“星形-三角形”换接启动控制线路

2)电动机“Ｙ-△”换接启动的PLC控制

(1) PLC控制的连接。电动机“Ｙ-△”换接启动的PLC控制电气连接如图1-1-20所示。图1-1-20电动机“Y-△”换接启动的PLC控制连接

(2) PLC控制程序。按图1-1-18控制电路编程，得出如图1-1-21所示的电动机“Ｙ-△”换接启动控制的PLC程序。图1-1-21按图1-1-18控制电路编制的PLC程序图1-1-22改进后的电动机“Y-△”换接启动的PLC控制程序六、相关知识

(一) PLC的接口

以电动机启动后自保持运行控制(图1-1-8所示)为例，PLC的输入/输出控制可按图1-1-23理解。图1-1-23PLC的输入输出连接关系理解图

(二)梯形图程序结构

1)梯形图程序结构的来源

不妨将电动机正转—停机—反转或反转—停机—正转控制的辅助控制电路作为PLC的梯形图程序，如图1-1-24所示，可以直观地理解PLC梯形图的结构及来源。图1-1-24电气控制电路与PLC梯形图的对比

2)梯形图程序结构

由梯形图程序结构可以看出，梯形图由左右母线及中间程序组成。其中左母线为主母线，右母线为次/侧母线，手工编程时，右母线可以省略。使用梯形图编程时，不需要写出对应的指令，只需用输入的触点和输出的线圈、触点(及其地址)编制即可。

3)梯形图程序的编制要求

①程序按自上而下，从左至右的顺序编制。

②当同一编号的输出元件在同一个程序中使用两次时，即形成双线圈输出，双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免这样的使用；不同编号的输出元件可以并行输出，如图1-1-25所示。图1-1-25双线圈输出与并行输出③线圈不能直接与左母线相连，如果需要，可以通过一个没有使用的元件的常闭触点或特殊辅助继电器M8000(PLC内部继电器)的触点(通电后常通—ON)来连接，如图1-1-26所示。图1-1-26输出线圈的连接④适当安排编程顺序，以减小程序步数，提高程序的运行效率。

◎触点串联多的电路应尽量放在上部，如图1-1-27所示。

◎触点并联多的电路应靠近左母线，如图1-1-28所示。

⑤不能编程的电路应进行等效变换后再编程。

◎桥式电路(如图1-1-29(a))应变换成如图1-1-29(a)所示的等效电路编程。

◎输出线圈右边的触点应放在线圈的左边，如图1-1-30所示。图1-1-27触点串联多的电路编程图1-1-28触点串、并联结构的合理安排图1-1-29桥式电路的等效编程⑥对复杂电路，当用ANB(块与)、ORB(块或)等指令难以编程时，可重复使用一些触点画出其等效电路，然后再进行编程，如图1-1-30所示。图1-1-30复杂电路的处理

(三) PLC控制系统的组成与连接

从图1-1-5和图1-1-12PLC控制的电气连接可知，PLC控制系统主要由以下几个部分组成：

◎输入部分(与PLC的输入端连接)；

◎PLC本体(含系统控制程序和用户程序)；

◎输出部分(与PLC的输出端连接)；

◎编程工具：手持编程器(HHP)或计算机编程(含编程软件与通信电缆)。

1)输入部分的连接

FX2N系列PLC输入部分的连接如图1-1-31所示。图1-1-31FX2N系列PLC的输入连接

2)输出部分的连接

FX2N系列PLC的输出连接如图1-1-32所示。图1-1-32PLC的输出连接

3) PLC本体组成

PLC本体的组成模块如图1-1-33所示。图1-1-33PLC本体组成模块

(四) PLC选型

1)依据

PLC产品的选型依据是控制对象的控制需求、开发者的熟悉程度及开发成本等因素决定的。下面从控制需求方面说明PLC的选型依据：

◎控制所需的输入/输出(I/O)点数；

◎运算处理速度的要求；

◎程序存储容量的大小；

◎控制的特殊要求，如定位控制、高速处理、触摸屏控制、数据采集及远程控制等。

2) FX2N系列PLC

FX2N系列PLC产品主要分为基本单元模块、扩展单元模块、特殊功能模块等。其主要性能如表1-1-4所示。

续表

续表

(五) PLC内部编程资源

1)元件的数据类型

(1)位数据。属于位数据的元件在逻辑上只有“0”(对应触点断开或断电)和“1”(对应触点接通或上电)。这类元件主要是X、Y、M、S等。

(2)字数据。FX2N系列产品的字长为16位二进制数(两个字节)。属于字数据的元件有T(单字长)、C(有单字和双字长两种类型)，由于16位二进制数对应的十进制数为-32768～32767，负值范围没有意义，因此，单字长对应的十进制数最大为32767，如16位计数器的最大计数值为32767。

(3)进制与码制。FX系列PLC可以使用二进制、八进制、十进制、十六进制、BCD码、ASCII码等数据类型，尤其是其功能指令可能会用到这些数据。编程时用得最多是十进制数(如K150表示十进制数150)。

BCD码：一种用4位二进制数表示1位十进制数的码制，亦称为“8421码”(来自位权构成)，BCD码的1个字节表示2位十进制数，两个连续地址的字节可表示4位十进制数(BCD码数)，其形式如表1-1-5所示。

2)内部典型元件

(1)输入元件(X)。

(2)输出元件(Y)。

(3)辅助继电器(M)。

(4)状态寄存器(S)。

(5)定时器。

定时器分为两大类，对应的范围及时间设定值大小如表1-1-6所示。图1-1-34积算型定时器的编程使用图1-1-35定时器的动作逻辑

(6)计数器。FX2N系列产品的计数器分类及其特点如表1-1-7所示。

(7)数据寄存器(D)。

FX2N系列产品的数据寄存器类型及分布与范围如表1-1-9所示。

(8)变址寄存器(V、Z)。

(9)用位元件处理数值。

FX2N系列PLC可以用位元件组成数据，如KnX、KnY、KnS、KnM等，其中的“n”为十进制数的位数，每位十进制数由4位二进制数组成，如K4M0表示由M0～M15组成的16位二进制数，X、Y、S等元件的组合也一样，如图1-1-36所示。

(10)指针(P、I)。图1-1-36用位元件组成数据的构成

(六)手持编程器(HHP)的基本操作

对于程序容量小、功能较简单的控制程序的编制与调试，手持编程器是较方便的编程调试工具。手持编程器的功能主要有以下几个方面：

◎以指令方式输入PLC的控制程序。

◎读出PLC存储器中的程序，供程序手工在线调试。

◎录制存储卡程序：将PLC中的程序或手持编程器中的程序烧录到存储卡中。手持编程器的几种典型操作如下：

1)工作方式选择

HHP分为以下两种工作方式：

①在线/联机(ONLINE)方式。

②离线/脱机(OFFLINE)方式。

与PLC连接好的HHP在通电后，其屏幕显示如图1-1-37

所示。图1-1-37HHP通电后的显示图1-1-38在线方式下按OTHER键后的显示

2)编辑操作

①“空操作”的批处理：清除PLC中的所有程序。

该功能在前面的训练任务中，已使用过几次，其操作步骤如图1-1-39所示。图1-1-39清除PLC中的所有程序的指令②写入基本指令的操作。将前面训练时使用过的写入指令的操作归纳如图1-1-40所示。图1-1-40写入基本指令的操作③功能指令写入。功能指令写入的基本操作如图1-1-41

所示。图1-1-41HHP功能指令的写入操作④在指定范围内，将NOP成批写入的基本操作。操作步骤如图1-1-42所示。图1-1-42HHP的NOP批写入操作⑤读出程序操作。图1-1-43按步序号读出程序图1-1-44按指令读出程序图1-1-45按指针读出图1-1-46按元件读出图1-1-47修改程序的基本操作图1-1-48插入程序的基本操作步骤图1-1-49删除程序的基本操作

(七) PLC的工作原理

PLC是具有输入/输出接口、通信及扩展接口、编程指令的计算机控制系统。其工作原理基本与计算机一致，只是工作方式上有所区别。

PLC的工作过程或处理过程如图1-1-50所示。图1-1-50PLC的工作过程或处理过程图1-1-51PLC用户程序的执行过程图1-1-521个开关控制3个输出的电气控制电路图1-1-53对应图1-1-52所示控制电路的输入/输出响应关系

(八)典型编程环节

1.自保持控制环节

图1-1-2辅助控制电路称为自保持环节，当启动按钮“SB2”接通时，接触器“KM”动作，并通过其触点实现“KM”的自保持供电，从而实现电动机启动后自保持运行；只有按停机按钮“SB1”时，才能让电动机停止运转。对应的PLC自保持控制环节与其相似，如图1-1-54所示。图1-1-54PLC自保持控制环节

2.联锁/互锁控制环节

图1-1-10中，为了实现电动机在正转向反转切换或由反转向正转切换时保证电源不短路，其辅助控制电路中，通过接触器“KM1”、“KM2”的常闭触点实现了联锁/互锁控制。对应的PLC联锁/互锁控制环节与其相似，如图1-1-55所示。图1-1-55PLC联锁/互锁控制环节

3.比较环节

比较环节如图1-1-56所示。当X0、X1均接通时，Y0接通；当X0、X1都不接通时，Y1接通；当X0不接通而X1接通时，Y2接通；当X0接通而X1不接通时，Y3接通。其逻辑关系如表1-1-10所示。图1-1-56比较环节

4.单脉冲电路

单脉冲电路分为上升沿微分脉冲电路和下降沿微分脉冲电路，如图1-1-57所示。图1-1-57单脉冲电路

5.振荡/闪烁电路

振荡/闪烁电路如图1-1-58所示。图1-1-58振荡/闪烁电路

6.长延时电路

由于FX2N系列PLC的定时器(100ms类型)最长定时时间为3276.7s，若定时时间超过该值，则需采取措施，图1-1-59给出了解决该问题的两种思路。图1-1-59长延时电路

7.按键处理

对于无锁定机构的键盘按键，图1-1-60所示处理程序实现了按一次按键(X0)时，Y0保持接通，再按一次按键时，Y0断开。图1-1-60按键处理环节

8.分频电路环节

图1-1-61中所示的程序中的Y0输出信号频率是M0输出信号频率的1/2，故该程序称为二分频控制程序或电路。图1-1-61二分频程序

(九) FX2N系列PLC的基本指令及其应用

FX2N系列PLC的基本指令一览表如表1-1-11所示。指令的执行时间按“步”为单位计算，1步对应的时间长短因PLC型号不同而不同，FX2N系列PLC的1步执行时间为0.08μs，每条功能/应用指令的执行时间为1.52μs至数百微秒。

1.逻辑取及驱动线圈指令

逻辑取指令有“LD”、“LDI”两条指令，分别用于当靠近主母线的第一个触点为常开、常闭触点时的情况，表1-1-12所示为逻辑取与线圈驱动指令。图1-1-62LD、LDI、OUT指令的应用图1-1-63双线圈输出例子

2.触点串、并联指令

触点串、并联指令的符号、名称、功能、电路表示、操作元件等如表1-1-14所示。图1-1-64串、并联指令的应用

3.电路块串、并联指令

电路块串、并联指令的符号、名称、功能、电路表示、操作元件等如表1-1-15所示。图1-1-65串、并联电路块指令的应用1图1-1-66串、并联电路块指令的应用2

4.多重输出指令(MPS/MRD/MPP)

多重输出指令的符号、名称、功能、电路表示、操作元件等如表1-1-16所示。图1-1-67多重输出指令应用1(1层栈)图1-1-68多重输出指令应用2(复杂的1层栈)图1-1-69多重输出指令应用3(4层栈)图1-1-70输出的不同组合

5.置位与复位指令(SET/RST)

置位指令的功能就是将操作元件置成逻辑“1”，即接通；复位指令则是将操作元件置成逻辑“0”，即断开。指令的符号、名称、功能、电路表示、操作元件等如表1-1-17所示。图1-1-71SET/RST指令的应用

6.脉冲输出指令(PLS/PLF)

脉冲输出指令的功能是：当输入一个边沿信号(上升沿或下降沿)时，操作元件输出一个扫描周期的脉冲信号(即接通一个扫描周期长的时间)，动作关系如图1-1-72所示。指令的符号、名称、功能、电路表示、操作元件等如表1-1-18所示。图1-1-72PLS/PLF指令的应用

7.脉冲触点指令(LDP/LDF/ANP/ANF/ORP/ORF)

脉冲触点指令的符号、名称、功能、电路表示、操作元件如表1-1-19所示，其应用如图1-1-73所示。图1-1-73脉冲指令的应用图1-1-74用脉冲触点指令编程实现电动机正反转控制

8.主控触点指令(MC/MCR)

主控触点指令的符号、名称、功能、电路表示如表1-1-20所示，具体应用如图1-1-75所示。图1-1-75主控触点指令的应用

9.逻辑运算结果取反(INV)

逻辑运算结果取反指令的符号、名称、功能、电路表示及操作元件等如表1-1-21所示，具体应用如图1-1-76所示。图1-1-76逻辑运算结果取反指令的应用

10.空操作与结束指令

空操作指令(NOP)与程序结束指令(END)的符号、名称、功能、电路表示、操作元件等如表1-1-22所示。十字路口的交通灯及交通灯控制的时序关系如图1-1-77所示(假设该路口不允许东西方向向南北方向转向，也不允许南北方向向东西方向转向)。图1-1-77十字路口的交通灯及交通灯控制的时序关系图1-1-78十字路口交通灯的PLC控制图1-1-79梯形图程序转换成对应指令训练项目1-2：智能抢答器的设计与实现

一、学习目标

通过本项目的学习与训练，学生应掌握独立型PLC功能指令的功能、编程与调试；PLC的计算机编程与调试方法。二、学习内容

(1)功能指令基础。

(2)计算机编程与调试。

(3)抢答器设计与连接。

(4)抢答器编程与调试。三、训练设备

(1) PLC综合训练台。

(2)梯形图编程软件。

(3)计算机。四、训练要求

(1)已掌握PLC的基础知识与连接。

(2)能编制PLC的梯形图程序，会调试程序功能。

(3)分组实训，接线、检查、分工协作。

(4)严禁将AC220V或AC380V电源引入PLC的输入端，避免烧毁PLC。

(5)能演示训练内容，并能回答随堂提问。

(6)训练结束后，整理好训练台和设备。五、训练任务

(一)智能抢答器的连接与I/O分配图1-2-1智能抢答器的连接

(二)计算机编程与调试

1.参考程序1

9路智能抢答器的参考程序1如图1-2-2所示。图1-2-29路智能抢答器参考程序

2.程序编辑与调试

1)程序编辑图1-2-3GXDeveloper软件的操作界面及建立新工程的操作步骤图1-2-4命名与保存工程的操作步骤图1-2-5软元件的注释显示界面图1-2-6梯形图程序编辑工具栏图1-2-7梯形图编辑界面及对应的梯形图显示图1-2-8每行梯形图程序编辑的触点数选择图1-2-9梯形图程序进行转换后所对应的指令表显示

2)程序传输与调试

用户程序经过编辑、转换与保存之后，可以借助程序编辑调试软件通过计算机将其传入PLC中并调试。图1-2-10计算机与PLC间接口参数设置图1-2-11MOV指令格式

3.参考程序2

用其他功能指令实现LED的驱动显示，编制的智能抢答器的另一参考程序如图1-2-12所示。图1-2-12智能抢答器参考程序2

(2)除了上述两种参考程序的编程外，能否用其他编程方法对图1-2-1所示的9路智能抢答器进行编程，请试试。图1-2-13功能指令SEGD的格式图1-2-147段LED显示器构成六、相关知识

(一)计算机编程与调试软件(GXDeveloper)

三菱公司PLC编程与调试软件GXDeveloperV7既可用于独立型PLC的编程与调试，也可用于三菱数控系统的编程与调试。在前面的训练中，已经认识和使用过它，在此只进行一般性介绍。软件的显示与操作界面等如图1-2-15所示。图1-2-15GXDeveloperV7软件的显示与操作界面图1-2-16梯形图编辑、转换与显示操作界面图1-2-17计算机与PLC间的通信—程序写入操作

(二)与功能指令相关的基础知识

数控系统PLC的主要功能如下：

◎数据采集：A/D；

◎数据处理：D/A；

◎科学运算：算术逻辑运算；

◎特定的控制；

◎人-机接口；

◎联网与通信等。

FX2N系列PLC的功能指令分类如表1-2-3所示。

1.与功能指令有关的PLC内部资源

与功能指令相关的PLC内部资源主要有以下几类：

◎数据寄存器(D)(字，16位)；

◎变址寄存器(V/Z)(字，16位)；

◎用位元件组成数据字：KnX、KnY、KnM、KnS；

◎指针(P/I)。

1) PLC中文件寄存器的分布及操作

文件寄存器同时存在于机内两个不同的地方：ROM/EEPROM(A)和系统RAM(B)，文件寄存器A与B间的操作关系如图1-2-18所示。图1-2-18文件寄存器A与B间的操作关系图1-2-19文件寄存器间的数据交换编