3模块三　PLC基本指令的应用

模块三PLC基本指令的应用

继电器控制系统的PLC改造

任务一

3台电动机顺序启动控制程序设计

任务二

产品出入库数量监控程序设计

任务三

电动机Y-△降压启动控制程序设计

任务四【知识目标】1.PLC控制系统与传统继电器控制系统的区别。2.PLC的基本结构和工作原理。3.FX2N系列PLC的编程元件的功能与使用。4.FX2N系列PLC的基本逻辑指令。5.梯形图程序的设计与调试。【能力目标】1.能将传统继电器控制系统改造成PLC控制系统。2.能用基本逻辑指令编写中等复杂程度的PLC程序。3.能根据控制系统的要求，分析出输入和输出信号，会PLC硬件接线。4.会用编程软件完成程序的编写、下载和监测等操作，优化与调试程序。任务一继电器控制系统的PLC改造一、任务导入用PLC控制系统替代传统的继电器控制系统有何好处呢？用接触器实现电动机的起停控制电路用PLC实现电动机的起停控制电路用PLC实现电动机起停的控制程序

PLC利用程序中的“软继电器”取代传统的物理继电器，使控制系统的硬件结构大大简化，具有体积小、价格便宜、维护方便、编程简单、控制功能强、可靠性高、控制灵活等一系列优点。因此，目前PLC控制系统在各个行业机械设备的电气控制中得到非常广泛的应用。那么，PLC是一个什么样的控制装置，它又是如何实现对机械设备的控制的呢？二、知识预备1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台可编程序控制器（ProgrammableLogicController，PLC）20世纪60年代以前，工业生产的自动控制装置采用的是继电器-接触器控制系统。这种系统存在一些缺陷，如图所示，控制电路硬件设备多、接线复杂、改变设计困难、可靠性不高、维修量大。（一）PLC的产生及定义继电器控制系统实物图

1987年2月，国际电工委员会（IEC）通过了对PLC的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/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外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

（二）PLC的分类1.按结构形式分类。

PLC按结构形式分类可分为整体式和模块式两类。2.按I/O点数和存储容量分类。小型PLC：I/O点数在256点以下，存储器容量2K步；中型PLC：I/O点数在256～2048点之间，存储器容量2～8K步；大型PLC：I/O点数在2048点以上，存储器容量8K步以上。（三）PLC的结构组成PLC硬件结构的实物图PLC的硬件结构图

（四）PLC的工作原理PLC采用循环扫描工作方式。其工作过程大致分为3个阶段：输入采样、程序执行和输出刷新。可编程控制器的工作过程（五）FX2N系列PLC的型号FX系列PLC型号名称的含义如下：①子系列序号：如1N、1S、2N。②输入输出的总点数。③单元类型：M为基本单元，E为输入输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块。④输出形式：R—继电器输出,T—晶体管输出,S—晶闸管输出（无干接点，交流负载用）。⑤电源形式（六）PLC的安装、接线1.电源的接线一是直接使用工频交流电，通过交流输入端子连接，100~250V均可使用；二是采用外部直流开关电源供电，一般配有直流24V输入端子。2.输入接口器件的接线

（a）PLC与三线传感器的接线（b）PLC与两线传感器的接线3.输出接口器件的接线4.通信线的连接PLC一般设有专用的通信口，通常为RS485口或RS422口，FX2N型PLC为RS422口，于通信口的接线常采用专用的接插件连接。（七）PLC的编程语言1．顺序功能图：是一种位于其他编程语言之上的图形语言，它主要用来编制顺序控制程序，主要由步、有向连线、转换条件和动作组成。2．梯形图：由电气原理图演变而来的，沿用了继电接触逻辑控制图中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，具有形象、直观、实用的特点，电气技术人员容易接受，是目前使用最多的一种PLC编程语言。3．指令表PLC的指令是一种与微机汇编语言中的指令极其相似的助记符表达式，由指令组成的程序叫做指令表（InstructionList，IL）程序。不同厂家PLC指令的助记符有所不同，但基本的逻辑与运算的指令功能可以相通。在编程软件中，梯形图和指令表可以自动转换。4.功能图块这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系。5.结构文本结构文本是一种专用的高级编程语言，采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。三、任务实施

（一）硬件电路改造

对图3-1继电器控制系统进行改造，采用PLC控制，主电路仍然不变，用PLC接线图替代继电器控制系统的控制电路部分，如下图所示，将控制系统的输入信号（SB2、SB1、FR）接到PLC的输入端口，输出信号（接触器线圈KM）接到PLC的输出端口。（二）程序设计PLC程序与电动机运行过程示意图电动机延时5秒启动程序改造好之后，若要实现按下启动按钮5秒后电动机再启动的功能，无需重新接线，也不用增加一个通电延时型的时间继电器，只要用下列程序替换原来的程序即可，节省了控制系统的改造成本，提高了工作效率。四、任务总结与思考

（一）任务总结（1）组成的器件不同。（2）触点的数量不同。（3）控制方法不同。（4）工作方式不同。

两种电气控制系统框图（二）任务思考

见图3-1，通过自锁保证了KM1接触器线圈持续得电，实现了电动机的长动控制，那么，改造成PLC控制系统后，电动机的长动控制是如何实现的？两种电气控制系统的实现方式有何区别？五、知识拓展

（一）常见PLC介绍

（一）美国的PLC产品美国有100多家PLC厂商，著名的有A-B公司、通用电气（GE）公司、莫迪康（MODICON）公司、德州仪器（TI）公司、西屋公司等。A-B公司的产品规格齐全、种类丰富，其主推的产品为大、中机型的PLC-5系列。（二）欧洲的PLC产品德国的西门子（SIEMENS）公司、AEG公司和法国的TE公司是欧洲著名的PLC制造商。德国西门子的电子产品以性能精良而久负盛名。西门子PLC的主要产品有S5及S7系列，其中S7系列是近年来开发的代替S5的新产品。S7系列含S7-200、S7-300及S7-400系列。其中S7-200是微型机，S7-300是中、小型机，S7-400是大型机。（三）日本的PLC产品日本PLC产品在小型机领域颇具盛名,如三菱、欧姆龙、松下、富士、日立、东芝等。在世界小型机市场上，日本产品约占70%的份额。三菱公司的微型PLC，如FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N等系列的产品。欧姆龙（OMRON）公司的PLC产品，大、中、小、微型规格齐全。微型机以SP系列为代表；小型机有P型，H型，CPM1A、CPM2A、CPM2C系列及CQM1系列等；中型机有C200H、C200HS、C200HX、C200HX、C200HG、C200HE及CS1等系列。松下公司的PLC产品中，FP0为微型机，FP1为整体式小型机，FP3为中型机，FP5/FP10、FP10S、FP20为大型机。

（四）我国的PLC产品我国有许多厂家及科研院所从事PLC的研制及开发工作，产品如中国科学院自动化研究所的PLC-0088，北京联想计算机集团公司的GK-40，上海机床电器厂的CKY-40，上海起重电器厂的CF-40MR/ER，苏州机床电器厂的YZ-PC-001A，原机电部北京工业自动化研究所的MPC-001/20、KB20/40，杭州机床电器厂的DKK02，天津中环自动化仪表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立电子设备厂的KKI系列，上海香岛机电制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，无锡华光电子工业有限公司（合资）的SR-10、SR-20/21等。（二）PLC在控制柜中安装时的注意事项1.为了提供足够的通风空间，保证PLC正常的工作温度，基本单元与扩展单元之间留30mm以上间隙；为了避免电磁干扰，各PLC单元与其他电器元件之间要留100mm以上间隙。2.安装时PLC应远离变压电源线和高压设备，PLC与动力线的间距应大于0.2m，高压线、动力线等应避免与输入输出线平行布置。3.安装时远离加热器、变压器、大功率电阻等发热源，必要时安装风扇。4.远离产生电弧的开关、继电器等设备。5.不应与产生较大振动、冲击的接触器放在同一面板上。6.PLC附近的高频设备应有良好的接地措施。7.输入输出模板应放在易于更换的位置。

（三）PLC输入、输出端接线注意事项1.当PLC的输入端或输出端接有感性元件时，应在直流感性元件两端并联续流二极管，在交流感性元件两端并联阻容吸收电路，以抑制电路断开时电弧对PLC的影响。续流二极管可选额定电流为lA、额定电压大于电源电压3倍的二极管，阻容吸收电路的电阻取51～120Ω，电容C取0.1～0.47μF，电容的额定电压应大于电源峰值电压。2.不可将输入COM端和输出COM端相接在一起。3.输入、输出线要分开敷设，不可用同一根电缆。交流输出线与直流输出线不要用同一根电缆，输出线应远离高压线和动力线，避免并行。4.输入线一般不要超过30m。如果环境干扰少、电压降不太大时，可适当长一些。PLC的输出接线端一般采用公共输出形式(少数20点以下的小型PLC采用独立输出形式)，即几个输出端子构成一组共用一个COM端。不同组的COM端，内部并联在一起。不同组可以采用不同的电源，同一组中必须采用同一电源。任务二3台电动机顺序起动控制程序设计某设备有3台电动机，控制要求如下：按下起动按钮，第一台电动机M1起动，运行5s后，第二台电动机M2起动，M2运行10s后，第三台电动机M3起动；按下停止按钮，3台电动机全部停止。一、任务导入二、知识预备（一）PLC内部编程元件——输入继电器XFX2N系列PLC的输入继电器采用X和八进数共同组成编号，地址范围是X000～X007，X010～X017，X020～X027，……，最多128点。输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动。（二）PLC内部编程元件——输出继电器Y

FX2N系列PLC的输出继电器采用Y和八进制数共同组成编号，地址范围是Y000～Y007，Y010～Y017，Y020～Y027，……，最多128点。每个输出继电器在输出单元中都对应有唯一一个常开硬触点，但在程序中，不管是常开还是常闭触点，都是软触点，所以可以使用无数次。

（三）PLC内部编程元件——辅助继电器M采用十进制表编号。辅助继电器主要包含以下3类。1．通用辅助继电器FX2N的PLC内部共有通用辅助继电器500点，从M0～M499，没有断电保护功能。2．锁存辅助继电器FX2N的PLC内部共有锁存（断电保持）继电器524点，从M500～M1023。锁存辅助继电器用于保存停电前的状态，具有断电保护功能。3．特殊辅助继电器

辅助继电器中M8000～M8255共256点为特殊辅助继电器，分为以下两类。（1）触点利用型。由PLC的系统程序来驱动特殊辅助继电器的线圈，在用户程序中直接使用其触点，但是不能出现它们的线圈。如M8000（运行监视）、M8002（初始化脉冲）、M8011～M8014分别是10ms、100ms、1s和1min时钟脉冲。

（2）线圈驱动型。由用户程序驱动特殊辅助继电器的线圈，从而使PLC执行特定的操作，因此用户并不使用它们的触点，举例如下：M8030的线圈“通电”后，“电池电压降低”发光二极管熄灭。M8033的线圈“通电”后，PLC进入STOP状态后，所有输出继电器的状态保持不变。M8034的线圈“通电”后，禁止所有的输出。

（四）PLC内部编程元件——定时器T

相当于继电接触控制系统中的通电延时型时间继电器，采用十进制表编号。字元件，最大设定值为32767.FX2N系列PLC内部可提供256个定时器，其编号为T000～T255。其中普通定时器246个，积算定时器10个，定时器的元件号及其设定值如下。1.100ms定时器T0～T199，共200点，计时范围：0.1～3

276.7s。2.10ms定时器T200～T245，共46点，计时范围：0.01～327.67s。3.1ms积算定时器T246～T249，共4点，计时范围：0.001～32.767s。4.100ms积算定时器T250～T255，共6点，计时范围：0.1～3

276.7s。

普通定时器与积算定时器的应用（五）基本指令基本指令是PLC中最基本的编程语言，掌握了它也就初步掌握了PLC的使用方法。FX2N系列的PLC共有基本指令有27条。

1.逻辑取及线圈驱动指令（LD、LDI、OUT）2.触点串联指令(AND、ANI)3.触点并联指令（OR、ORI）4.电路块的并联和串联指令（ORB、ANB）

5.空操作与程序结束指令（NOP、END）（1）NOP指令NOP是空操作指令，不带操作数，在基本指令之间插入NOP指令，对程序执行结果没有影响。（2）END指令END是程序结束指令，写在END后的程序不能被执行。如果程序结束不用END，在程序执行时会扫描完整个用户存储器，延长程序的执行时间，有的PLC还会提示程序出错，程序不能运行。三、任务实施（一）分配I/O地址（二）程序设计

（三）调试运行

1.按照I/O接线图将电路正确连接后，用GX软件编程并下载到PLC中，按下启动按钮X0，观察三台电动机的运行情况是否符合控制要求，按下停止按钮或者过载时，三台电动机是否能够停止。2.若实践教学条件有限，可简化调试过程，用PLC的输出指示灯替代三台电机的运行，观察指示灯的点亮情况，来判断程序的功能是否符合控制要求。四、任务总结与思考（一）任务总结当某台设备有多台电动机时，可能要求电动机按一定顺序启动并工作，也可能多台电机同时启动会对电源造成影响，因此，电动机的顺序启动可以保证设备操作过程的合理性和设备工作的可靠性。三台电动机顺序启动控制程序的设计方法同样适用于更多的电动机的顺序启动控制，整个程序的设计思路为：找准每一个输出信号的启、保、停信号，即启动信号是谁？是否需要自锁（自保持）？停止信号是谁？然后进行程序优化处理。（二）任务思考如果接到X2端子上FR1、FR2、FR3常闭触点有一个不小心接成了常开触点，按下启动按钮SB1后，会有什么现象？试分析原因。五、知识拓展

（一）启动与停止优先控制程序图3-24停止优先程序图3-25启动优先程序（二）互锁（联锁）控制程序（三）定时器接力控制程序（四）闪烁输出控制程序（五）延时接通/断开电路任务五产品出入库数量监控程序设计有一个小型仓库，需要每天对存放进来的产品数量进行统计。仓库结构示意图如图所示，在仓库的入出口处均设置有检测产品的光电传感器。当有产品入库时，即X0闭合，仓库内的产品数量就加“1”，当产品出库时，即X1闭合，仓库货物总数就减“1”，当仓库内的产品数量达到40

000个时，开始报警。一、任务导入二、知识预备（一）计数器的分类与使用1.计数器的分类FX2N系列PLC有256个计数器，其编号为C000～C255，编号采用十进制,分为如下5类。（1）16位通用加计数器C0～C99，共100点，设定值：1～32

767。16位是指其设定值寄存器为16位。（2）16位锁存加计数器C100～C199，共100点，设定值：1～32

767。（3）

32位通用加/减双向计数器C200～C219，共20点，设定值：−2

147

483

648～+2

147

483

647。32位是指其设定值寄存器为32位。（4）32位锁存加/减双向计数器C220～C234，共15点，设定值：−2

147

483

648～+2

147

483

647。（5）32位加/减双向高速计数器C235～C255，共21点，设定值：−2

147

483

648～+2

147

483

647。2.计数器的使用说明

图3-32加/减双向计数器的使用与时序图（二）光电式传感器的工作原理图3-34漫射式光电传感器的外观与原理

图3-35对射式光电传感器的外观与原理三、任务实施

（一）分配I/O地址（二）程序设计

（三）调试运行（1）按照I/O接线图将电路正确连接后，调好光电传感器的灵敏度，保证能够检测的产品的出入库动作。并调整程序中C220计数器设定值为10，下载到PLC中，让产品不断经过入库和出库，观察仓库中产品数量达到10时，报警灯是否点亮？然后出库1个以上产品时，报警灯是否熄灭？（2）若实践教学条件有限，可简化调试过程，用SB1和SB2按钮分别替代入库和出库光电传感器，操作按钮模拟产品入库和出库动作，然后观察Y000状态指示灯的变化，来判断程序的功能是否符合控制要求。四、任务总结与思考（一）任务总结该控制系统的程序设计思路适用于许多应用场合，如停车场的控制、阅览室人数的控制等等，程序的设计思路是一样的，可以根据实际情况，增加一些的功能，如报警的方式、用数码管显示停车场的车辆数量和阅览室的人数等。（二）任务思考图3-37所示，若采用通用计数器C200来计产品的数量，并且设定值仍为40000，程序的功能会有何种变化？五、知识拓展（一）定时器与计数器构成长延时电路（二）脉冲指令（PLS/PLF）

（三）边沿检出指令LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF

任务四电动机Y-△降压启动控制程序设计一、任务导入三相异步电动机直接启动的电流为额定电流的4～7倍，过大的启动电流会造成电网电压显著下降，并加速电动机线圈老化，缩短了电动机的寿命。现设计一个电动机Y-△降压启动控制系统，当按下启动按钮时，电动机接成Y形启动，6秒后电动机接成△形运行。当按下停止按钮或者过载时，电动机停止。二、知识预备

（一）栈操作指令MPS、MRD、MPP

（二）PLC控制系统设计的基本步骤1.PLC的选型(1)根据被控对象状态参数的数目和被采集信号的数目，确定PLC的I/O点数，以此作为选择PLC机型的依据；(2)根据被采集及被控制信号的特点(数字量，模拟量)以及所需电源的情况，确定输入元器件、输出执行元器件及接线方式。2.画接线图根据已确定的PLC的I/O信号的特点和用电性质，分配所选PLC的I/O编号(地址)，并画出接线图。由于每一种PLC的输入点和输出点编号都有严格的规定，用户必须根据所选用机型的规定作科学合理的分配，并保留若干输入点和输出点的余量，以备控制系统升级使用。3.编写程序采用梯形图语言（或者其他编程语言）设计出符合控制要求(包括须完成的动作与顺序)的程序，可用计算机上的PLC编程软件设计梯形图，然后下载给PLC，也可用编程器输入程序。有些编程器可直接将梯形图及有关参数输入给PLC，但大多数小型PLC的编程器为简易型，只能输入指令表语句，因此，用户还需要将梯形图转换成指令表语句。4.程序调试程序设计好后，输入给PLC，先在实验实训装置进行模拟调试和修改，然后再进行现场调试。三、任务实施（一）分配I/O地址（二）程序设计

（三）调试运行（1）按照I/O接线图将电路正确连接后，调好光电传感器的灵敏度，保证能够检测的产品的出入库动作。并调整程序下载到PLC中，按下启动按钮，观察电动机的运行情况。（2）若实践教学条件有限，可简化调试过程，用PLC的Y0、Y1、Y2输出指示灯替代三个接触器的动作，然后按下启动按钮观察状态指示灯的变化，来判断程序的功能是否符合控制要求。四、任务总结与思考（一）任务总结1.如图3-42所示，接触器KM2和KM3回路中互串了对方的常闭触点，实现了硬件上的机械