机电传动与控制 课件 第5章 可编程序控制器

第5章

可编程序控制器Relay-ContactorControl5.1可编程序控制器基础5.2FX系列PLC5.3FX2N系列PLC基本指令5.4PLC控制系统设计章节内容5.1可编程序控制器基础0.PLC介绍PLC主要由微处理器、存储器、输入/输出接口、I/O扩展接口、通信接口和电源组成；采用循环扫描的工作方式，所谓扫描，就是依次对各种规定的操作项目进行访问和处理。其特点包括抗干扰能力强、可靠性高、通用性强、使用方便、功能强大、适用范围广、编程简单、易学易用等。

5.1可编程序控制器基础掌握PLC的工作方式、工作原理，了解PLC基本指令，设计PLC程序学习目的2.PLC的产生在PLC诞生之前，工业控制普遍采用继电器控制系统，随着现代制造业的发展继电器控制的问题逐步显现；控制逻辑的不可变性（固定接线）、元件工作的不可靠性（分立元件）、自动化生产系统要求（信息交换、保存、系统联网）在这种背景下可编程序控制器PLC就应运而生，美国数字设备公司于1969年研制出了第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的生产线上成功应用。

5.1可编程序控制器基础3.PLC的特点1、可靠性高，抗干扰能力强；2、通用性强，控制程序可变，使用方便3、功能强，适应面广4、编程简单，容易掌握；大多数PLC仍采用类似继电器控制的梯形图编程方式5、减少了控制系统的设计及施工的工作量；PLC具有低故障率、强大的监视功能及模块化设计等特点，其维修工作也变得方便6、体积小、质量轻、功耗低、维护方便

5.1可编程序控制器基础4.PLC的应用

（1）应用范围行业分布机械制造25%冶金29%轻工、化工、交通35%能源6%科研及其他5%

5.1可编程序控制器基础4.PLC的应用

（1）控制系统可靠性比较PLC系统继电器系统寿命

工作条件

摄氏0~60℃环境温度相对湿度5~95%环境温度<摄氏40℃相对湿度<85%抗震性能10~55Hz频率、0.5mm振幅、2G牛顿力不显著的冲击和振动瞬时停电停电时间<20mμs抗干扰尖峰干扰1000V、1ms故障率无故障时间1万小时以上新品达4~5万小时存放条件摄氏－40~85℃环境温度

5.1可编程序控制器基础4.PLC的应用

（1）开关量的逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域。它取代了传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。（2）运动控制。PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。（3）闭环过程控制。PLC通过模拟量的I/O模块实现模拟信号与数字信号的A/D、D/A转换，进而对温度、压力、流量等连续变化的模拟量进行PID控制。（4）数据处理。现代PLC具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算和逻辑运算）、数据传递、排序查表和位操作等功能，能够完成数据的采集、分析和处理。（5）通信联网。PLC的通信包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间以及PLC的智能设备之间的通信。

5.1可编程序控制器基础5.PLC的分类

（1）按可编程序控制器（PLC）规模分类端口点数小于64点、程序长度小于1k------小型机端口点数小于512点、程序长度1k~4k------中型机端口点数大于1024点、程序长度大于8k------大型机（2）按可编程序控制器（PLC）结构分类超小型集中式主机CPU、电源、输入/出组件、存储器、机壳；输入/出组件扩展件；模块组合式主机CPU、电源、输入/出组件、存储器等模块；输入/出扩展模块；A/D、D/A转换模块；位置模块；温控模块；通讯模块；

5.1可编程序控制器基础6.PLC组成

和继电器控制系统类似，PLC控制系统同样由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

5.1可编程序控制器基础6.PLC的组成

CPU是PLC的核心部件。其功能类似于人体的神经中枢，整个PLC的运行过程均在CPU的统一指挥与协调下完成。

通过扫描的方式读取输入装置的状态或数据，在生产厂家预先编制的系统程序控制下，执行逻辑运算或算术运算任务，并根据处理结果控制输出设备，实现输出控制。存储器用于存放程序和数据。PLC的存储器分为系统存储器和用户存储器。系统存储器用于存放系统工作程序、模块化应用功能子程序等及各种系统参数，用户存储器用于存放用户编制的控制程序

5.1可编程序控制器基础6、PLC的组成

输入/输出（I/O）接口是PLC与被控对象传递输入/输出信号的接口。

5.1可编程序控制器基础7、PLC的工作方式

1、初始操作（上电处理）PLC正式运行前，首先需要确定自身的完好性。这一过程通过接通电源后的初始操作完成。通电后，需消除各元件的随机状态，对其进行清零或复位处理。2、运行PLC的工作方式为循环扫描。扫描是指按分时操作的原理，PLC在每一时刻仅执行一个操作，并按照既定顺序进行，这一分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。小型PLC的工作特点是集中输入、集中输出。

5.2FX系列PLC

日本三菱公司FX系列PLC的型号由字母和数字组成，其基本格式为：FX□-□□□□，其中方框的含义如图所示。（1）系列序号：有0、0S、0N、2、2C、1S、2N、2NC、3U等。（2）I/O总点数：10～256，最大I/O点数为256。（3）单元类型：M—基本单元（含CPU）；E—输入/输出混合扩展单元及扩展模块；EX—输入专用扩展模块；EY—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。例如，FX2N-48MTD的含义为FX2N系列，I/O总点数为48，采用晶体管输出，供电为AC电源，输入类型为DC输入。

5.2FX系列PLCFX2N系列PLC的16种基本单元的点数如图表5.2.1所示

5.2FX系列PLC内部编程元件1、输入继电器X输入继电器与PLC的输入端相连，专门用来接收PLC外部的开关信号，其代表符号为“X”。PLC通过输入接口将外部输入端子的信号状态（断开为0，接通为1）读入，并存储在输入映像寄存器中。

5.2FX系列PLC内部编程元件2、输出继电器Y输出继电器用于将PLC内部的信号通过输出映像寄存器和输出锁存器传送到输出端子，从而驱动负载工作。3、辅助继电器M辅助继电器分为普通辅助继电器、保持辅助继电器和特殊辅助继电器三种，采用十进制数进行编号，它们可以有线圈或触点，由PLC内部软件驱动，且其触点使用次数不受限制。

5.2FX系列PLC内部编程元件4、状态寄存器S状态寄存器通常与步进顺控指令配合使用，当其不与步进顺控指令配合使用时，可当作普通辅助继电器使用5、定时器T定时器在功能上类似于时间继电器，它有一个设定值寄存器、一个当前值寄存器以及无限个接点。FX2N系列PLC的定时组件全部都是容量为32KB的定时器，共有256个，地址范围为T0～T255。定时器可分为通用定时器和累计定时器两种。

5.2FX系列PLC通用定时器（T0～T245）分为100ms与10ms两种。100ms通用定时器：有200个，地址范围为T0～T199，定时范围为0.1～3276.7s。如图所示为100ms通用计时器的使用示例。10ms通用定时器：有46个，地址范围为T200～T245，定时范围为0.01～327.67s。如图所示为10ms通用定时器的使用示例。

5.2FX系列PLC累计定时器具有断电保持功能。在定时过程中若输入断开或系统掉电，当前计时值保持不变；当定时器线圈下次接通或系统重新上电后，将在当前计时值的基础上累计，只有将累计定时器复位，才能将其当前计时值清零1ms累计定时器：有4个，地址范围为T246～T249，定时范围为0.001～32.767s。100ms累计定时器：有6个，地址范围为T250～T255，定时范围为0.1～3276.7s。

5.2FX系列PLC内部编程元件6、计数器C断电保持计数器具有记忆功能，当系统掉电时，此类计数器能够维持当前计数值，在系统重新上电后，会在掉电前的当前计数值的基础上继续计数。如图5.2.7所示为16位加计数器的工作原理。16位加计数器设定值的范围为K1～K32767。需要注意的是：设定值K0与K1的含义相同，即在第一次计数时，其输出触点立即动作

5.2FX系列PLC如图5.2.8所示为32位双向计数器的工作原理。其可设定为加计数器或减计数器，地址范围为C200～C219的为普通32位计数器；

5.2FX系列PLC内部编程元件7、数据寄存器DFX系列PLC的数据寄存器分为普通、保持、特殊和变址四种类型，通用数据寄存器D0~D199，保持数据寄存器D200~D5118、指针指针N为嵌套指针，在主控指令（MC/MCR）中表示嵌套的级数。9、常数数字前加K或H表示进制。K为十进制常数符号，主要用于指定定时器和计数器的设定值，以及应用功能指令操作数中的数值；H为十六进制常数符号，主要用于表示应用功能指令的操作数中的数值。

5.2FX系列PLC编程语言1、梯形图(LD)梯形图是PLC程序设计中最常用的编程语言，其设计原理与继电器线路相似。梯形图与原有继电器控制的不同点为：梯形图中的“能流”不是实际的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，在应用时，需要将其与原有继电器控制的概念区分开。梯形图中常用图形符号

分别表示PLC编程元件的动合触点和动断触点；用（

）表示它们的线圈。

5.2FX系列PLC编程语言梯形图的设计应注意以下三点。（1）梯形图必须按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行（或称梯级）始于左母线，经过触点的串联或并联，终止于线圈。（2）梯形图中每个梯级流过的并非物理电流，而是“概念电流”，“概念电流”从左流向右，其两端没有电源。“概念电流”用来描述用户程序执行过程中线圈接通需满足的条件。（3）输入寄存器仅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。

5.2FX系列PLC编程语言2、指令表（IL）指令表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言易懂易学。由若干条指令组成的程序就是指令表指令表的特点是：采用助记符来表示操作功能，便于记忆和掌握；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的环境下进行编程设计；与梯形图一一对应，两者在功能特点上基本一致。

5.2FX系列PLC编程语言3、功能模块图（FBD）功能模块图是一种与数字逻辑电路类似的PLC编程语言，采用功能模块图的形式来表示模块所具有的功能，不同的模块有不同的功能功能模块图的特点是：以模块为单位，使得控制方案的分析和理解变得简单容易；模块采用图形的形式表达功能，更直观4、结构化文本语言（ST）结构化文本语言是采用结构化的文本来描述程序，属于高级语言的范畴。在大中型PLC系统中，常采用结构化文本语言来描述控制系统中各个变量之间的关系，尤其适用于其他编程语言较难实现的复杂程序的编制。结构化文本语言的特点为：采用高级语言编程，可以完成较复杂的控制、运算；需要具备计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员的专业技术水平要求较高；直观性和操作性较差。

5.2FX系列PLC编程语言5、顺序功能流程图（SFC）顺序功能流程图是为了满足顺序逻辑控制需求而设计的编程语言。编程时，需将程序的执行过程分解为步和转换条件，根据转换条件对控制系统的功能流程顺序进行任务分配顺序功能流程图的特点为：以功能为主线，程序结构清楚，便于理解；避免梯形图或其他程序语言难以实现顺序动作的不足，有效缩短了程序的扫描时间。

5.3FX2N系列PLC基本指令连接驱动指令1、取指令LD功能：取用常开触点与左母线相连。操作元件：X、Y、M、T、C、S。如图5.3.1所示为LD指令的梯形图。

5.3FX2N系列PLC基本指令连接驱动指令2、取反指令LDI（又称为取非指令）功能：取用常闭触点与左母线相连。操作元件：X、Y、M、T、C、S。如图5.3.2所示为LDI指令的梯形图。

5.3FX2N系列PLC基本指令连接驱动指令3、驱动指令OUT（又称为输出指令）功能：驱动一个线圈，通常作为一个逻辑行的结束。操作元件：Y、M、T、C、S。如图5.3.3所示为OUT指令的梯形图。

5.3FX2N系列PLC基本指令连接驱动指令3、驱动指令OUT（又称为输出指令）当OUT指令的操作元件为定时器T或计数器C时，通常需要一条常数设定语句，如图5.3.4所示。OUT指令用于并行输出，能连续使用多次，如图5.3.5所示。

5.3FX2N系列PLC基本指令串联指令1、与指令AND功能：常开触点串联连接。

5.3FX2N系列PLC基本指令串联指令2、与反指令ANI功能：常闭触点串联连接。若在OUT指令之后，再通过触点对其他线圈使用OUT指令，称为纵接输出，如图5.3.8所示

5.3FX2N系列PLC基本指令并联指令1、或指令OR功能：常开触点并联连接。2．或非指令ORI功能：常闭触点并联连接。

5.3FX2N系列PLC基本指令电路块指令1、串联电路块的并联指令ORB连接两个以上触点的串联连接形成的电路称为串联电路块，当串联电路块与其他电路并联连接时，支路的开始需使用LD或LDI指令，支路结束要使用ORB指令

5.3FX2N系列PLC基本指令电路块指令2、并联电路块的串联指令ANB两个以上触点的并联连接组成的电路称为并联电路块。在编程时，每个并联电路块支路的开始需使用LD或LDI指令，结束时使用ANB指令将其与前面的电路进行串联。

5.3FX2N系列PLC基本指令多重输出指令1、进栈指令MPS进栈指令MPS用于将该时刻的运算结果送入堆栈存储器的最上层，同时堆栈存储器中原来存储的数据依次向下移一层。2、读栈指令MRD读栈指令MRD用于将堆栈存储器中最上层的数据读出。执行MRD指令后，堆栈存储器中的数据不发生任何变化。3、出栈指令MPP出栈指令MPP用于将堆栈存储器中最上层的数据读出，同时堆栈存储器中原来存储的数据依次向上移一层。

5.3FX2N系列PLC基本指令

5.3FX2N系列PLC基本指令主控指令1、主控指令MC功能：通过MC指令的操作元件的常开触点使左母线移位，产生一条监时的左母线，形成主控电路块。操作元件：主控标志为N0～N7；可选Y和M，但禁止使用特殊辅助继电器。2、主控复位指令MCR功能：使主控指令MC产生的临时左母线复位，即左母线返回，结束主控电路块。操作元件：主控标志为N0～N7；可选Y和M且必须与主控指令MC一致。

5.3FX2N系列PLC基本指令主控指令

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲微分指令1、脉冲上升沿微分指令PLS功能：在输入信号的上升沿产生一个周期的脉冲输出信号。操作元件：可选Y和M，但禁止使用特殊辅助继电器。

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲微分指令2、脉冲下降沿微分指令PLF功能：在输入信号的下降沿产生一个周期的脉冲输出信号。操作元件：可选Y和M，但禁止使用特殊辅助继电器。

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲式触点指令1、取脉冲上升沿指令LDP功能：该指令用于检测连接到母线触点的上升沿，仅在指定软元件的上升沿（从OFF→ON）时刻，接通一个扫描周期。操作元件：可选X、Y、M、T、C、S

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲式触点指令2、取脉冲下降沿指令LDF功能：该指令用于检测连接到母线触点的下降沿，仅在指定软元件的下降沿（从ON→OFF）时刻，接通一个扫描周期。操作元件：可选X、Y、M、T、C、S

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲式触点指令3、与脉冲上升沿指令ANDP功能：该指令用于检测串联触点的上升沿，仅在指定串联软元件的上升沿（从OFF→ON）时刻，接通一个扫描周期。操作元件：可选X、Y、M、T、C、S。

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲式触点指令4、与脉冲下降沿指令ANDF功能：该指令用于检测串联触点的下降沿，仅在指定串联软元件的下降沿（从ON→OFF）时刻，接通一个扫描周期。操作元件：可选X、Y、M、T、C、S

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲式触点指令5、或脉冲上升沿指令ORP功能：该指令用于检测并联触点的上升沿，仅在指定并联软元件的上升沿（从OFF→ON）时刻，接通一个扫描周期。操作元件：可选X、Y、M、T、C、S

5.3FX2N系列PLC基本指令脉冲式触点指令6、或脉冲下降沿指令ORF功能：该指令用于检测并联触点的下降沿，仅在指定并联软元件的下降沿（从ON→OFF）时刻，接通一个扫描周期。操作元件：可选X、Y、M、T、C、S

5.3FX2N系列PLC基本指令置位、复位指令1、置位指令SET功能：使被操作的元件接通并保持。操作元件：可选Y、M、S2、复位指令RST功能：使被操作的元件断开并保持。操作元件：可选Y、M、T、C、S、D、V、Z

5.3FX2N系列PLC基本指令逻辑运算结果反指令INV反指令的作用是将运算结果取反。该指令无操作元件，且不能直接与母线连接。

5.3FX2N系列PLC基本指令空操作指令NOP执行这条指令时，不会进行任何逻辑操作，NOP指令无操作数，在普通指令之间插入NOP指令，不会对程序执行结果产生影响。在变更程序或增加程序时，适当地加入空操作指令，可以减少程序号的变化

5.3FX2N系列PLC基本指令程序结束指令END当程序执行到END指令时，程序运行结束，对于END指令以后的程序不予执行。该指令无操作元件

5.4PLC控制系统设计PLC控制系统设计的基本原则与设计流程PLC控制系统设计的一个主要特点是硬件和软件可以分开进行设计在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则（1）熟悉控制对象，确定控制范围（2）优化控制系统，确定PLC机型（3）提高可靠性和安全性（4）可升级性

5.4PLC控制系统设计PLC控制系统设计的基本原则与设计流程在设计PLC控制系统时，需充分考虑未来生产发展和工艺改进的可能性，适当地预留扩展空间，以满足日后系统升级需求（1）分析被控对象，明确控制要求（2）确定所需的PLC机型及用户输入/输出设备，据此确定PLC的I/O点数（3）分配PLC的输入/输出地址，设计I/O接线图（4）可同时进行PLC的硬件设计和软件设计（5）进行总装统调（6）根据总装统调过程中发现的问题，修改或调整软、硬件设计，使其完全符合设计要求（7）完成PLC控制系统的设计后，还要经过一段时间的试运行，以检验系统的可靠性。试运行合格后，方可投入实际使用（8）技术文件整理

5.4PLC控制系统设计PLC控制系统设计的主要内容1．确定控制对象和控制范围2．PLC机型的选择3．内存容量的估计4．I/O模块的选择5．PLC的硬件设计6．PLC的软件设计7．系统调式

5.4PLC控制系统设计PLC机型的选择在满足功能的前提下，力求实现最佳性价比，并确保一定的可升级性（1）功能的选择对于以开关量为主、带少量模拟量控制的设备，一般的小型PLC就可以满足要求。对于模拟量控制的系统或具有大量闭环控制的系统，可根据控制规模的大小和复杂程度，选用中档或高档机型。对于需要联网通信的控制系统，要注意选择机型统一的PLC，以便进行模块互换、备件采购和管理。统一的编程方法有利于产品的开发、升级以及技术水平的提高和经验积累。对于有特殊控制要求的系统，可选用有相同或相似功能的PLC。选用有特殊功能的PLC，避免额外添加特殊功能模块。若配置上位机，可方便地控制各独立的PLC，构建一个多级分布的控制系统，实现相互通信和集中管理

5.4PLC控制系统设计PLC机型的选择（2）基本单元的选择基本单元的选择需要综合考量响应速度、结构形式和扩展能力等因素。对于以开关量控制为主的系统，一般PLC的响应速度足以满足控制的需要；但是对于模拟量控制系统，则必须考虑PLC的响应速度。在小型PLC中，整体式结构比模块式结构的价格更低，体积更小，只是硬件配置的灵活性不如模块式结构。此外，模块式结构在排除故障时所需的时间更短。还需要关注可扩展单元的数量、种类，以及扩展所占用的信道数和扩展接口等

5.4PLC控制系统设计PLC机型的选择（3）编程方式①在线编程：有两个独立的CPU，分别位于主机和编程器上。主机CPU主要完成控制现场的任务，编程器CPU则负责处理键盘编程命令。在扫描周期末尾，两个CPU进行数据交换，编程器CPU将改好的程序传送给主机CPU，主机CPU将在下一扫描周期按照新的程序进行控制，从而实现在线编程。由于增加了软硬件配置，在线编程的价格较高，但应用范围更广。②离线编程：主机和编程器共用一个CPU。在同一时刻，CPU只能处于编程状态或运行状态，通过编程器上的“运行/编程”开关实现状态切换。这种设计减少了软硬件开销，因此价格比较低，在中、小型PLC中应用广泛

5.4PLC控制系统设计内存容量的