《电工与电子技术》-第07章可编程控制器

第七章可编程控制器4.1概述4.2PLC基本结构和工作原理4.3FX2N系列PLC的I/O配置及内部继电器4.4PLC指令系统与编程语言4.5PLC应用系统举例本章要求:

1.了解PLC的产生、发展及组成结构；PLC内部资源及简单工程应用系统。

2.理解PLC工作原理；

3.掌握应用基本指令编写简单程序，编制部分实用程序。7.1PLC概述1.定义：可编程控制器是一种数字运算的电子操作系统装置，专为工业现场应用而设计的，它采用可编程序的存储器，用来在其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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计。2.可编程控制器的发展：它的起源可以追溯到60年代，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，对生产线上的控制设备提出了新的要求，为此研制了第一台可编程控制器用于生产线上，通过改变存储在里面的指令的方法来改变生产线的控制流程，从而提供了继电器控制系统无法比拟的灵活性。但这一时期它主要是代替继电器系统完成顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器简称PLC（ProgrammableLogicalController）。

进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，可以进行模拟量控制、位置控制，特别是远程通讯功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，因此将其称为可编程控制器（ProgrammableController）简称PC,但为了与个人电脑PC相区别，仍将其称为PLC。PLC已被称为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。

目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，加速了机电一体化的进程。1、PLC的分类（1）按I/O点数分类：小型机中型机大型机（2）按结构形式分：整体式模块式（3）按PLC功能分高档机中档机低档机二、PLC分类、特点和应用1、高可靠性和强抗干扰能力(使用寿命达10年)3、灵活性好4、编程简单易学5、系统安装简单、维修方便2、丰富的I/O接口模块2、PLC的特点：①硬件：I/O接口采用光电耦合器件；RC滤波电路；优质电源；双CPU冗余系统。②软件：用软元件代替中间继电器、时间继电器等；设置故障诊断与检测程序。

对不同的工业现场信号(开关量、模拟量、电压或电流、脉冲等)用有相应的I/O模块与现场设备相连。

多数PLC采用模块化设计，由机架、电缆将各部分连接起来。

多数采用类似继电接触器系统的梯形图语言及指令表语言。3、PLC的应用：1、逻辑控制2、运动控制3、闭环过程控制4、数据处理5、通信联网

实现组合逻辑控制、定时控制、顺序控制等功能，是最基本的

使用专用的运动控制模块，实现对各种机械如金属切削机床、

数据处理功能一般用于大型系统，如无人柔性制造系统，也可

用于过程控制系统如造纸、冶金、食品加工等。

金属成型机床、机器人、电梯等的控制。

通信含主机与远程I/O之间、多台PLC间、与其它智能设备间。过程控制指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。

通过其模拟量I/O模块、数据处理、数据运算等功能实现闭环控制。7.2PLC的基本结构及工作原理模拟量输入行程开关继电器触点各种开关传感器CPUROM、RAM电源部件输出接口输入接口外设接口照明电磁装置执行机构采用光电隔离装置继电器、可控硅、晶体管电路编程器打印机计算机1.主机CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们常说的电脑芯片。(1)运行用户程序。(2)监控输入/输出接口状态。(3)作出逻辑判断和进行数据处理

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。

内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器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

电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源4.编程器

编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。编程器的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器。利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。现在许多PLC采用和计算机联接，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。精品课程可编程控制器一个用户程序扫描周期由三个阶段组成。1、输入采样二、、PLC的工作原理输入映象寄存器输出锁存存储器输入采样输出端子输入端子元件映象寄存器Y0Y2X0X2一个扫描周期程序执行输出处理

PLC的核心CPU通过光电耦合等方式与现场信号连接，只有在CPU“允许”时现场信号(输入端X状态)才能进入PLC。

注意：在同一个扫描周期中即使输入信号发生变化，只有在下一个扫描周期时才会采样，进入映象寄存器。

CPU根据用户编制的程序，按步序号依次执行，直到程序结束。2、程序执行阶段

运算结果存入对应的映象寄存器中。3、输出处理阶段

完成接输出映象寄存器的状态输出到锁存器中，对应的位为“1”

即输出线圈为ON状态。

工作方式、工作状态与扫描周期1、工作方式：程序处于顺序扫描中属于串行工作方式。2、工作状态：STOP：此时只进行内部处理和通信服务等。RUN：一旦进入就开始巡回扫描执行用户程序。3、扫描周期：执行一次用户程序一般需要几十至一百毫秒。从输入执行开始到输出产生响应会产生一定的时间滞后，工业上是允许的。7.3PLC的I/O配置及内部软元件

一、系统配置FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型PLC，用户程序1、FX2N系列基本单元如表所示：容量可扩展到16K，I/O点可达256、多种特殊模块(含通信模块)。18FX2N系列扩展单元FX2N系列扩展模块二、内部软元件

编程元件指：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。其种类和数量是衡量PLC的一个指标。代表字母

元件名称

编号范围

输入继电器

输出继电器

辅助继电器

定时器

计数器

状态继电器XYMTCSX0～XF共16点Y0～Y7共8点M0～M3071T0～T99共100点C100～C143共44点S0～S999共1000个FX2N系列PLC编程元件的表示形式及编号范围7.4PLC的指令系统与编程语言一、可编程控制器的编程语言

同其它电脑装置一样，PLC的操作是依其程序操作进行的，而程序是用程序语言表达的，并且表达的方式多种多样，不同的生产厂家，不同的机种，采用的表达方式不同，但基本上可归纳为：梯形图语言语句表语言布尔代数语言流程图语言目前常用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。它继承了继电器接点、线圈、串联、并联等术语和类似的图形符号，具有形象、直观、实用的特点，不需学习计算机专业知识，电气技术人员使用最方便。例：用PLC组成电机起停控制电路继电接触控制图SB1KMSB2FRKMFRKMFUQ3~M..X0X1X2COM...+SB0SB1

Y0COM

Y2

Y1...~220VKM24VPLC(1)PLC系统图起动按钮停止按钮如：接通SB0，则X0存储单元对应的位为“1”,反之则为“0”。常闭接点(2)利用梯形图编制控制程序Y0X0X1如：按SB0，则X0存储单元为“1”则其常开接点闭合，线圈通电，电机转动。注意：这些接点或线圈并不是真实的物理继电器接点或线圈，而是在软件编程中使用的编程元件，每个编程元件与存储器中的一个存储单元相对应，该存储单元为“1”则表示梯形图中常开闭合,常闭断开，线圈通电。[]Y0状态取决于按钮是否动作如：按SB1，则X1存储单元为“1”则其常闭接点断开，线圈断电，电机停车。输出继电器(线圈)常开接点2.语句表语言

这种编程语言与汇编语言类似，不同的厂家其语句表有所不同，这里以日本松下可编程控制器为例，对上述电机起、停控制进行编程（即将梯形图转换成语句表语言）。STX0ORY0AN/X1OTY0注意：按梯形图从左到右，从上到下的顺序编程。梯形图和助记符语言是PLC中最常用的编程语言，学习中应注意以下概念：(1)梯形图中的继电器并不一定是物理继电器，每个继电器或输入接点各为存储器中的一位，相应位为“1”态，表示继电器线圈通电或常开触头闭合，或常闭触头断开。(2)梯形图中流过的电流不是物理电流，而是概念电流，是程序执行的形象表示方式。(3)梯形图中的继电器接点在编写用户程序时（即作为逻辑接点）可根据需要在梯形图中反复使用，没有数量限制，既可用常开也可用常闭。(4)只有PLC中的物理继电器才能驱动实际负载，其它继电器只能作为一种逻辑来使用，故称为“软继电器”。3.编程原则（1）PLC编程元件的触点在编程过程中可以无限次使用，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。[][][][]（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）两个或两个以上的线圈可以并联，但不可以串联。[][]X0X0Y12.编程方法(1)确定I/O点数及分配(2)编制梯形图和指令语句表(5)程序以END指令结束，程序的执行是从第一个地址到END指令结束，在调试的时候，可以利用这个特点将程序分成若干个块，进行分块调试，直至程序全部调试成功。LD加载LDI加载非OUT输出指令可使用区域XYRTC起始指令LD，LDI与输出指令OUT二、PLC的指令系统一、LD、LDI、OUT指令LD：取指令，将一个动合触点连接至左母线上；LDI：取反指令，将一个动断触点连接至左母线上；OUT：驱动线圈输出指令，其操作对象Y、M、S、T、C等。

上述两条指令的操作对象X、Y、M、S、T、C。指令应用举例：如图4-1所示梯形图，写出对应指令表。图所对应的指令表如右所示：二、AND、ANI指令AND：与指令，用于一个动合触点的串联连接。ANI：与非指令，用于一个动断触点的串联连接。上两条指令的操作对象X、Y、M、S、T、C。指令应用举例：如图4－2所示梯形图，写出对应指令表。LD

X0AND

X1OUT

Y1‘LDI

Y1ANI

X2OUT

M6ANI

X3OUT

Y1END图所对应的指令表如右所示：不推荐使用其编程方法将在后续中介绍。三、OR、ORB指令OR：或指令，用于一个动合触点的并联连接。ORI：或非指令，用于一个动断触点的并联连接。上两条指令的操作对象X、Y、M、S、T、C。指令应用举例：如图4-3所示梯形图，写出对应指令表。并联连接次数没有限制，考虑实际使用时限制在24行以下。LD

X0OR

X1ORI

Y1‘OUT

Y1LD

X2ANI

M100OR

X3ANIY2OUT

Y1END图所对应的指令表如右所示：四、ANB指令

回路块是指由两个或两个以上触点并联回路。将回路块串联连接时，使用LD、LDI指令，块结束后使用ANB指令。ANB是一条没有操作数的指令，在实际使用中，重复次数在8次以下。ANB：回路块与指令，用于并联回路块的的串联连接。指令应用举例：如图4-4所示梯形图，写出对应指令表。所对应的指令表如右所示：图用LDY1五、ORB指令

ORB：回路块或指令，用于串联回路块的的并联连接。

回路块是指由两个或两个以上触点串联回路。将回路块并联连接时，使用LD、LDI指令，块结束后使用ORB指令。ANB是一条没有操作数的指令，在实际使用中，重复次数在8次以下。指令应用举例：如图4-5所示梯形图，写出对应指令表。LD

X0OR

X1LD

X2AND

Y1LDY3ANI

X3ORBORI

X5ANB

OR

X4OUT

Y3END图所对应的指令表如右所示：用ORB精品课程可编程控制器六、置位和复位指令SET/RST

SET：置位指令，用于线圈动作保持，它可以对Y、M或S操作。RST：复位指令，用于解除线圈动作的保持，对D、T、C清零。对于程序中多个线圈同时受一个或一组触点控制情况，可考虑在

它可以对Y、M、S、T、C或D操作。指令应用举例：如图4-11、4-12所示梯形图。(a)梯形图(b)指令表图SET/RST指令应用示例(c)波形图精品课程可编程控制器PLS：上升沿脉冲指令，使用该指令后，M、Y仅在驱动输入接七、脉冲输出指令PLS/PLF

通后的一个扫描周期内动作(置1)。PLF：下降沿脉冲指令，使用该指令后，M、Y仅在输入断开后的一个扫描周期内动作(置1)。指令应用举例：如图4-13所示梯形图。(a)梯形图(b)指令表图SET/RST指令应用示例(c)波形图§2.3

PLC的工作原理一、巡回扫描机制十一、延时接通和断开程序梯形图如图4-24所示，图中利用两个T和一个Y0构成。图延时接通和断开(a)梯形图(b)波形图1、输入采样(a)梯形图

一般PLC的定时器设定时间是有限的，如果把多个定时器组合起来或把定时器与计数器组合起来可实现长延时功能。图4-25是一个延时1小时的程序。十二、计数器(b)波形图图长延时计时器程序

当X0合上T5延时1min后，计数器C0计数一次，与此同时T5复位，重新延时，当重复60次(1小时)由Y1产生输出。程序分析：(3)扫描速度：通常以扫描1KB用的时间描述，单位ms/KB。应用举例：电机正反转(a)软继电器互锁(b)按钮互锁图电动机正反转程序正转反转互锁按钮互锁程序分析：当X0合上，正转Y0得电并自锁；

X1合上，反转Y1得电且自锁。7.5PLC控制系统应用举例分析控制对象确定控制内容选择PLC类型硬件设计软件设计系统总装统调符合设计要求投入运行调整硬件否调整软件否是43精品课程可编程控制器例1、设计三路抢答器显示系统1、控制要求

如右图所示由儿童、学生、成人组成的三路抢答器：(1)当主持人按SB0后L0灯亮，表示可以答题；若违例抢答者桌面的灯闪烁。(2)儿童组只要有一人按下表表示抢答成功，成人组需二人同时按下表示抢答成功。(3)答题完壁后，主持人按SB1一切状态复位。(4)成人一人违例L3灯闪烁。(5)若答题开始30秒内无人答题，铃响，此题作废图三路抢答器示意图

(1)I/O分配表图I/O接线图2、I/O点数及I/O接线图

(2)I/O接线图3、设计对应的PLC程序儿童组抢答灯成人组抢答灯抢答开始灯学生组抢答灯无人抢答灯程序设计：(1)根据要求(2)X11与X12并联，X31与X32为串联，均加自锁。(2)根据要求(2)X11与X12并联，X31与X32为串联，均加自锁。(3)根据抢答开始30s无人答题，设X0接Y0。(4)X1断所有状态复位，各组间设置互锁。(5)在30s内抢答Y4灯不亮，增Y1、Y2、Y3动断。振荡器儿童组抢答违例学生组抢答违例成人组抢答违例图梯形图程序(6)在X0未合上，有人抢答时，灯闪烁，设T1、T2构成振荡。(7)考虑在违例时，按钮复位后仍保持桌上灯闪烁，设置M1、M2、M3作为记忆。如果此题要求显示出抢答台的台号即用LED显示1、2、3的字形，应如何修改程序？1.要求SB1按