第10章 可编程控制器及其应用

第10章可编程控制器及其应用

§10.1PLC的基本结构与性能指标§10.2PLC的工作原理§10.3PLC的编程语言及应用举例§10.4典型PLC控制系统设计方法后一页退出本章基本要求1.了解可编程控制器的硬件结构和工作原理。了解可编程控制器的基本指令系统。2.掌握简单的可编程控制系统的设计方法。能够用梯形图进行简单的应用编程。前一页后一页节目录退出继电器接触控制优点：简单易懂，使用方便，价格低廉，在一定的范围内能满足控制要求。缺点：由于是采用的固定连接方式，通用性、灵活性差。对于控制方式的装置可以采用。前一页后一页节目录退出可编程控制（PLC）优点：１．使用灵活、通用性强２．功能齐全、接口方便３．安全可靠、维护方便４．编程简单、易于掌握５．能在恶劣的工业环境下工作６．性价比高前一页后一页节目录退出§10.1PLC的基本结构与性能指标CPU是PLC的核心，主要进行运算和控制。系统管理及监控程序存储器。用户程序存储器。前一页后一页节目录退出一体式PLC小型PLC单元插件式PLCS7-200PLC的外形图[练习与思考]1.PLC有哪些主要特点？2.为什么PLC的继电器又称为软继电器？和物理继电器相比，软继电器在使用上有何特点？3.PLC是由哪几个主要部分组成的？简述各部分的作用。4.为什么PLC的输入、输出电路中要设置光电耦合器？5.PLC的主要指标有哪些？各指标的意义是什么？前一页后一页节目录退出6.PLC的输出端口有哪几种类型？7.查附录简述S7-200(西门子)的CPU226型PLC主机模块配置：（1）主机数字量I/O点数；（2）用户程序存储容量；（3）可扩展的模块数量；（4）最大可扩展的数字量I/O点数。前一页后一页节目录退出前一页后一页节目录退出§10.2PLC的工作原理

可编程序控制器采用循环扫描的工作方式，其工作过程如图所示前一页后一页节目录退出在系统程序的控制下，首先进行系统自检；然后依次扫描各输入点的状态；接着按用户程序进行运算处理；最后顺序向各输出点发出响应的控制信号。整个过程分为三个阶段：输入采样、运算处理（执行程序）、输出刷新。前一页后一页节目录退出

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段，完成上述三个阶段和一次系统自检称作一个扫描周期，扫描周期的时间长短与CPU的执行指令速度和用户程序大小有关，一般PLC的扫描周期为几至几十ms。前一页后一页节目录退出1．输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入信号状态和数据，并将它们存入输入映像寄存器的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这后两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，输入映像寄存器中的相应单元的状态和数据也不会改变。前一页后一页节目录退出2．用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由先左后右、上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)，进行各种运算，然后根据运算的结果，刷新输出映像区中对应位的状态。前一页后一页节目录退出3．输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照输出映像寄存器内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，并经输出电路驱动相应的外部负载。采用循环扫描工作方式是PLC与继电－接触器控制的重要区别之一。继电一接触器控制是按“并行”（即同时执行）方式工作的，只要形成电流通路，就可能有几个继电器同时动作。而PLC以反复扫描的方式工作，循环、连续地逐条执行程序，任一时刻PLC只能执行一条指令，也就是说PLC是以“串行”方式工作的。前一页后一页节目录退出这种串行工作方式可以避免像继电一接触器控制那样发生触点竞争和时序失配问题，大大提高了其可靠性。由于PLC的扫描速度很快，一般察觉不到PLC串行工作的动作时延。前一页后一页节目录退出[练习与思考]1.什么是PLC的扫描周期？其扫描过程分为哪几个阶段？各阶段完成什么任务？2.PLC控制与继电-接触器控制的工作方式有何不同？3.为什么PLC可以避免像继电-接触器控制那样发生触点竞争和时序失配现象？前一页后一页节目录退出§10.3PLC的编程方法及应用举例1.PLC的编程语言

PLC有5种规定的编程语言：梯形图（LAD），语句表（STL），功能块图（FBD），顺序功能图（SFT），结构文本（ST）。

其中梯形图是使用最广泛的编程语言。

梯形图由继电器控制原理图演变来的，但两者的元件构造有本质的区别。前一页后一页节目录退出梯形图编程规则：（1）从左到右、自上而下顺序编写、PLC将按此顺序执行程序。（2）最左边为起始母线，每一逻辑行必须从起始母线开始；每一逻辑行最右边以继电器线圈、计数器、定时器或专门指令作为结束，不能将继电器线圈、计数器、定时器与起始母线相连或放在触点左边。（3）每一逻辑行内的触点可以串联、并联，但继电器线圈与线圈可以并联、不能串联。同一继电器、计数器、定时器的触点，可以无限制的多次反复使用，但同一程序中避免使用同一编号继电器线圈、计数器、定时器。前一页后一页节目录退出语句表（STL）

指令语句表是由指令助记符和操作数组成的一系列语句的组合。梯形图和语句表可以互相转换。前一页后一页节目录退出2.S7-200的基本逻辑指令及功能语句表梯形图符号操作数功能LDbb取指令LNbb取反指令Abb常开触点串联指令ANbb常闭触点串联指令Obb常开触点并联指令ONbb常闭触点并联指令前一页后一页节目录退出ALD两个逻辑块串联OLD两个逻辑块并联=bb输出驱动前一页后一页节目录退出Sb,Nb—（P）

NbN置位指令Rb,Nb—（R）

NbN复位指令EU—|P|—脉冲上升沿（微分）使触点接通一个扫描周期ED—|N|—脉冲下降沿（微分）使触点接通一个扫描周期NOT—|NOT|—取反指令前一页后一页节目录退出3.S7-200的定时器指令S7-200PLC的定时器有三种，分别为接通延时定时器（TON）、断开延时定时器（TOF）和保持型接通延时定时器（TONR）。定时器的编号范围为T0~T255，其设定值为16位二进制有符号数，最大是32767。

定时器计数的时间间隔称为分辨率（或时基）。例如，在10ms计时器上计数50代表500ms。S7-200PLC定时器有三种分辨率：1ms、10ms和100ms。不同编号的定时器有不同的分辨率，见表-1。从表-1中可以看出，TON定时器和TOF定时器编号相同，在使用时，它们不能共享相同的定时器编号。定时器类型分辨率定时最大值

定时器编号

TONR1ms32.767s（0.546min）T0、T6410ms327.67s（5.46min）T1~T4，T65~T68100ms3276.7s（54.6min）T5~T31，T69~T95TON、TOF1ms32.767s（0.546min）T32、T9610ms327.67s（5.46min）T33~T36，T97~T100100ms3276.7s（54.6min）T37~T63，T101~T255表-1定时器编号和分辨率（1）定时器指令的STL格式接通延时指令：TONTxxx，PT断开延时指令：TOFTxxx，PT保持型接通延时指令：TONRTxxx，PT其中Txxx为定时器编号，PT为设定值。（2）三种定时器指令的梯形图符号如图所示（3）定时器指令的功能TON指令：当其输入端IN接通时开始计时，当前值大于设定值PT时，定时器位置1，当前值继续增大，直到32767时停止计时。在输入端IN断开时，定时器自动复位，当前值清零，定时器位清零。TOF指令：在输入端IN接通时，定时器位置1，当前值清零。输入端IN断开后，开始从零计时，计数值等于设定值PT时，定时器位清0，当前值保持不变，直到输入端IN接通。TONR指令：其功能同TON指令，其区别在于当输入端IN断开时，当前值保持不变。若要将其当前值清零，定时器位清零，只能使用复位指令。【例10.3.6】三种定时器的应用。1）接通延时：输入继电器I0.0接通，V0.0自锁，定时器T37（TON）开始计时，3秒后，T37置1，输出继电器Q0.0通电，其梯形图程序和时序图如图所示。2）断开延时：当输入继电器I0.0接通时，定时器T37（TOF）立即置1，输出继电器Q0.0接通；输入继电器I0.0断开时T37开始计时，3秒后T37清0，Q0.0断开，其梯形图程序和时序图如图所示。3）累计计时：输入继电器I0.0累计接通3秒

，定时器T5（TONR）置1，输出继电器Q0.0通电，其梯形图程序和时序图如图所示4计数器指令S7-200PLC的计数器有三种，分别为增计数器CTU（CountUp）、减计数器TOF（CountDown）和增减计数器CTUN（CountUpDown）。计数器的编号范围为C0~C255，其设定值为16位二进制有符号数，最大是32767。（1）计数器指令的STL指令格式增计数器指令：CTUCn，PV减计数器指令：CTDCn，PV增减计数器指令：CTUDCn，PV其中Cn为定时器编号，PV为设定值。（2）三种计数器指令的梯形图符号如图所示(3)计数器指令功能CTU增计数器：当复位端R断开时，计数器对输入端CU的脉冲上升沿计数，即每检测到CU端从断开变为接通时，计数器当前值加1，当前值大于等于设定值PV时，计数器触点置1，当前值继续计数直到32767。当复位端R接通或执行复位指令时，计数器复位，当前值清零。2.CTD减计数器：当装载输入端LD断开时，计数器对输入端CD的脉冲上升沿计数，即每检测到CU端从断开变为接通时，计数器当前值减1，当前值减到0时，计数器触点置1。当装载输入端LD接通时，计数器复位，并将设定值PV装入当前值寄存器。3.CTUD增减计数器：当复位端R断开时，计数器根据脉冲信号输入不同的输入端完成不同的计数功能。每当向上计数（CU）输入从断开变为接通时向上计数，每当向下计数（CD）输入从断开变为接通时向下计数。当前值大于等于预设值PV时，则计数器触点置1。当计数值达到最大数值32767时，下一个向上计数输入处的上升沿使当前计数变为最小数值-32768。当计数值达到最小数值-32768时，下一个向下计数输入处的上升沿使当前计数变为最大数值32767。当复位端R接通或执行复位指令时，计数器复位，当前值清零。(4)计数器指令说明1）不同类型的计数器不能共用同一计数器号。2）计数器指令中操作数CU、CD、LD、R是布尔型数据，可以使用数据区中的I、Q、V、M、SM、S、T、C、L。3）计数器指令中操作数PV是整型数据，可以使用数据区中的IW、QW、VW、MW、SMW、SW、LW、T、C、AC、AIW、*VD、*LD、*AC、常量。【例10.3.7】减计数器指令的应用。图a)为一个减计数器应用的梯形图及其对应的STL语句表。图中当I0.1接通时，计数器C1载入初值5；当I0.1断开时，计数器对触点I0.0由断开到接通的状态进行减1计数，当减到0时，计数器C1置1，驱动Q0.0输出。图b）为其时序图。

a)b）3PLC常用控制程序举例（1）

起、保、停程序上一章中已经涉及到起动-保持-停止程序（简称为起、保、停程序），起动按钮为SB1，停止按钮为SB2，其PLC控制程序和时序图如图a、b所示。控制程序b)时序图如上图所示，按下起动按钮SB1，I0.0的常开触点接通，Q0.0线圈“通电”，它的常开触点接通，抬起起动按钮SB1，I0.0常开触点断开，“能流”经Q0.0的常开触点和I0.1的常闭触点流过Q0.0的线圈，Q0.0仍为1状态，这就是“自保持”功能，也称为“自锁”功能。按下停止按钮SB2，I0.1的常闭触点断开，使Q0.0的线圈“断电”，其常开触点断开，抬起停止按钮SB2，I0.1的常闭触点接通，由于Q0.0的常开触点已经断开，所以Q0.0的线圈仍然“断电”。（2）联锁、互锁程序1、联锁以甲的工作状态作为乙的工作前提条件，即乙动作只能在甲动作之后才能发生，称甲对乙的联锁。如图a控制程序所示，由于Q0.0的常开触点串联在网络2中，所以只有在A电机工作（Q0.0得电）后，B电机才能工作（Q0.1才能得电），否则B电机不能工作（Q0.1不能得电），其时序图如图b所示。控制程序b)时序图2、互锁互锁电路就是互以对方不工作作为自身工作的前提条件。实现的方法就是甲方工作时乙方不能工作；乙方工作时，甲方不能工作。如电机正反转电路，正反转不能同时接通，否则容易造成设备短路，正反转程序是典型的互锁电路，其PLC程序和梯形图如图a、b）所示，分析如下：控制程序b)时序图将Q0.0的常闭触点串进电机反转起动的控制程序（网络2）中，将Q0.1的常闭触点串进电机正转起动的控制程序（网络1）中，如果电机在正转过程中（Q0.0得电），则电机不能反转（Q0.1不能得电）；同理，在电机反转过程中（Q0.1得电），则电机不能正转（Q0.0不能得电）。（3）

长延时程序1.定时器和计数器结合实现长延时在生产中，有时需要长时间的延时，比如在对产品进行疲劳测试时，就需要长时间的工作，实现长延时的方法也有很多，下面以定时器和计数器结合的方法来实现长延时程序，有一个控制工艺如下，按下起动按钮后电动机运行，按下停止按钮或电机运行2小时后电机停止工作，其控制程序和时序图如图a、b所示。控制程序b)时序图网络1中，按下起动按钮，电动机（Q0.0）通电运行并保持，按下停止按钮，电动机（Q0.0）断电停止运行，网络2中，当电动机（Q0.0）运行后，启动T3定时器，T37时钟基数为100ms，则T37在600*100ms后接通，即1分钟后接通，由于T37的常闭触点串接在网络2中，所以T37只接通一个扫描周期。网络3中，计数器C20在电动机（Q0.0）接通之前一直处于复位状态，当电动机开始运行时，C20开始计数，T37接通一次，C20计数值加1，及每分钟加1，当计数值为120，即120分钟后，C20接通，由于C20`的常闭触点串接在网络1中，所以电机工作2小时后停止运行。多个定时器串联实现的长延时简单的长延时程序也可以用两个或多个定时器串接实现。两个定时器串联的长延时控制程序和时序图如图a、b所示。控制程序b)时序图

如上图所示，起动按钮（I0.0）闭合后，定时器T37开始计时，30min后T37常开触点接通，定时器T38开始计时，又30分钟后T38常开触点接通，T38常开触点接通后，Q0.0得电，即起动按钮（I0.0）闭合后1小时，Q0.0得电，系统开始工作。PLC控制系统的设计步骤（1）首先要熟悉系统的控制要求，确定被控系统必须完成的动作及完成动作的顺序。（2）明确输入输出关系，即确定哪些外部设备是送信号到PLC，哪些是接收信号，确定I/O点数及接口形式，确定程序存储容量，进一步确定PLC机型。（3）根据输入、输出设备与PLC的连接方式，做出I/O分配表并画出外围接线图。（4）按工艺流程编写程序梯形图程序。（5）编辑、调试、保存到程序存储区。（6）对程序进行编辑、检查、修改，直至达到控制系统要求。前一页后一页节目录退出§10.4典型

PLC控制系统方法本章小结可编程控制器（PLC）是科技现代化的产物，本章做了较全面的讲解。PLC实质上是一个微型计算机工业控制系统。PLC采用模块化结构，即由电源、主机、输入、输出和编程器等模块组成。在学习各个模块的功能时应重点了解输入、输出模块。因为现场信号是通过输入模块送入PLC，而现场执行动作信号则是通过输出模块送出的。输入/输出口数量也称为I/O点数，是PLC的一个重要指标。前一页后一页节目录退出在学习PLC的工作原理时，应理解PLC是以扫描方式工作的。每个扫描周期可分为输入采样、执行用户程序和输出刷新三个阶段。PLC的工作过程就是周而复始的执行同一扫描过程。要学好PLC的使用，应该主要把握以下几个要点：1.注意PLC控制与继电-接触器控制的区别

在继电-接触器控制电路中，当某些梯级同时满足导通条件时，这些梯级中的所有继电器线圈会同时通电，也就是说，继电器控制电路是一种并行工作方式。而PLC采用的是循环扫描工作方式，PLC执行用户程序时，是对梯形图按自上而下、自左至右的先后顺序进行的。因此PLC中各继电器线圈状态的变化在时间上是串行的，不会出现多个线圈同时改变状态的情况，这在某种意义上将也克服了控制电路中的竞争问题。前一页后一页节目录退出

2.注意PLC的继电器与物理继电器的区别PLC内部的各种所谓继电器是由电子元件构成的无触点继电器，实际上是二进制状态寄存器，一般由软件置0或置1，用0态和1态分别表示继电器线圈的断电和通电，因此又称为软继电器。

前一页后一页节目录退出

3.注意PLC的输入、输出口（Ｉ／Ｏ口）的结构与使用PLＣ的输入口是外部输入信号与PLC的接口，这里主要指开关量输入信号，即触点的通断、开关的开闭、晶体管的导通和截止等。开关量输入信号与PLC的接线如图10.1(a)所示，实际上这些开关信号是经过光电耦合电路传到PLC内部的，如图10.1(b)所示，每一个输入电路可以等效为一个输入继电器线圈，这些输入继电器线圈在梯形图中不显现出来，但它们必须由来自输入端子的外部信号来驱动，如图10.1c)所示,其驱动电源也由外部提供，一般采用24Ｖ直流电源，极性可正可负。为接线