第七章可編程控制器4.1概述4.2PLC基本結(jié)構(gòu)和工作原理4.3FX2N系列PLC的I/O配置及內(nèi)部繼電器4.4PLC指令系統(tǒng)與編程語言4.5PLC應(yīng)用系統(tǒng)舉例本章要求:

1.了解PLC的產(chǎn)生、發(fā)展及組成結(jié)構(gòu)；PLC內(nèi)部資源及簡單工程應(yīng)用系統(tǒng)。

2.理解PLC工作原理；

3.掌握應(yīng)用基本指令編寫簡單程序，編制部分實用程序。7.1PLC概述1.定義：可編程控制器是一種數(shù)字運算的電子操作系統(tǒng)裝置，專為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計的，它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備都應(yīng)按易于與工業(yè)控制器系統(tǒng)聯(lián)成一個整體和易于擴充其功能的原則進行設(shè)計。2.可編程控制器的發(fā)展：它的起源可以追溯到60年代，美國通用汽車公司為了適應(yīng)汽車型號不斷翻新的需要，對生產(chǎn)線上的控制設(shè)備提出了新的要求，為此研制了第一臺可編程控制器用于生產(chǎn)線上，通過改變存儲在里面的指令的方法來改變生產(chǎn)線的控制流程，從而提供了繼電器控制系統(tǒng)無法比擬的靈活性。但這一時期它主要是代替繼電器系統(tǒng)完成順序控制，雖然也采用了計算機的設(shè)計思想，實際只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器簡稱PLC（ProgrammableLogicalController）。

進入80年代，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的功能已遠遠超出邏輯控制、順序控制的范圍，可以進行模擬量控制、位置控制，特別是遠程通訊功能的實現(xiàn)，易于實現(xiàn)柔性加工和制造系統(tǒng)，因此將其稱為可編程控制器（ProgrammableController）簡稱PC,但為了與個人電腦PC相區(qū)別，仍將其稱為PLC。PLC已被稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機器人和CAD/CAM）之一。

目前PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，加速了機電一體化的進程。1、PLC的分類（1）按I/O點數(shù)分類：小型機中型機大型機（2）按結(jié)構(gòu)形式分：整體式模塊式（3）按PLC功能分高檔機中檔機低檔機二、PLC分類、特點和應(yīng)用1、高可靠性和強抗干擾能力(使用壽命達10年)3、靈活性好4、編程簡單易學(xué)5、系統(tǒng)安裝簡單、維修方便2、豐富的I/O接口模塊2、PLC的特點：①硬件：I/O接口采用光電耦合器件；RC濾波電路；優(yōu)質(zhì)電源；雙CPU冗余系統(tǒng)。②軟件：用軟元件代替中間繼電器、時間繼電器等；設(shè)置故障診斷與檢測程序。

對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號(開關(guān)量、模擬量、電壓或電流、脈沖等)用有相應(yīng)的I/O模塊與現(xiàn)場設(shè)備相連。

多數(shù)PLC采用模塊化設(shè)計，由機架、電纜將各部分連接起來。

多數(shù)采用類似繼電接觸器系統(tǒng)的梯形圖語言及指令表語言。3、PLC的應(yīng)用：1、邏輯控制2、運動控制3、閉環(huán)過程控制4、數(shù)據(jù)處理5、通信聯(lián)網(wǎng)

實現(xiàn)組合邏輯控制、定時控制、順序控制等功能，是最基本的

使用專用的運動控制模塊，實現(xiàn)對各種機械如金屬切削機床、

數(shù)據(jù)處理功能一般用于大型系統(tǒng)，如無人柔性制造系統(tǒng)，也可

用于過程控制系統(tǒng)如造紙、冶金、食品加工等。

金屬成型機床、機器人、電梯等的控制。

通信含主機與遠程I/O之間、多臺PLC間、與其它智能設(shè)備間。過程控制指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。

通過其模擬量I/O模塊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)運算等功能實現(xiàn)閉環(huán)控制。7.2PLC的基本結(jié)構(gòu)及工作原理模擬量輸入行程開關(guān)繼電器觸點各種開關(guān)傳感器CPUROM、RAM電源部件輸出接口輸入接口外設(shè)接口照明電磁裝置執(zhí)行機構(gòu)采用光電隔離裝置繼電器、可控硅、晶體管電路編程器打印機計算機1.主機CPU是PLC的核心，一切邏輯運算及判斷都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我們常說的電腦芯片。(1)運行用戶程序。(2)監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)。(3)作出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理

主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器

系統(tǒng)程序存儲器：主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序。系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改。

用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器：主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)、中間結(jié)果。

內(nèi)部存儲器有兩類：一類是系統(tǒng)程序存儲器，另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器2.輸入/輸出(I/O)接口

輸入接口用于接收輸入設(shè)備（如：按鈕、行程開關(guān)、傳感器等）的控制信號。

輸出接口用于將經(jīng)主機處理過的結(jié)果通過輸出電路去驅(qū)動輸出設(shè)備（如:接觸器、電磁閥、指示燈等）。3.電源

電源指為CPU、存儲器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配備的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源4.編程器

編程器是PLC很重要的外部設(shè)備，它主要由鍵盤、顯示器組成。編程器分簡易型和智能型兩類。小型PLC常用簡易編程器，大、中型PLC多用智能編程器。編程器的作用是編制用戶程序并送入PLC程序存儲器。利用編程器可檢查、修改、調(diào)試用戶程序和在線監(jiān)視PLC工作狀況?，F(xiàn)在許多PLC采用和計算機聯(lián)接，并利用專用的工具軟件進行編程或監(jiān)控。6.外部設(shè)備接口

I/O擴展接口用于將擴充外部輸入/輸出端子數(shù)擴展單元與基本單元（即主機）聯(lián)接在一起。5.輸入輸出擴展接口

此接口可將編程器、打印機、條形碼掃描儀等外部設(shè)備與主機相連。精品課程可編程控制器一個用戶程序掃描周期由三個階段組成。1、輸入采樣二、、PLC的工作原理輸入映象寄存器輸出鎖存存儲器輸入采樣輸出端子輸入端子元件映象寄存器Y0Y2X0X2一個掃描周期程序執(zhí)行輸出處理

PLC的核心CPU通過光電耦合等方式與現(xiàn)場信號連接，只有在CPU“允許”時現(xiàn)場信號(輸入端X狀態(tài))才能進入PLC。

注意：在同一個掃描周期中即使輸入信號發(fā)生變化，只有在下一個掃描周期時才會采樣，進入映象寄存器。

CPU根據(jù)用戶編制的程序，按步序號依次執(zhí)行，直到程序結(jié)束。2、程序執(zhí)行階段

運算結(jié)果存入對應(yīng)的映象寄存器中。3、輸出處理階段

完成接輸出映象寄存器的狀態(tài)輸出到鎖存器中，對應(yīng)的位為“1”

即輸出線圈為ON狀態(tài)。

工作方式、工作狀態(tài)與掃描周期1、工作方式：程序處于順序掃描中屬于串行工作方式。2、工作狀態(tài)：STOP：此時只進行內(nèi)部處理和通信服務(wù)等。RUN：一旦進入就開始巡回掃描執(zhí)行用戶程序。3、掃描周期：執(zhí)行一次用戶程序一般需要幾十至一百毫秒。從輸入執(zhí)行開始到輸出產(chǎn)生響應(yīng)會產(chǎn)生一定的時間滯后，工業(yè)上是允許的。7.3PLC的I/O配置及內(nèi)部軟元件

一、系統(tǒng)配置FX2N是FX系列中功能最強、速度最高的微型PLC，用戶程序1、FX2N系列基本單元如表所示：容量可擴展到16K，I/O點可達256、多種特殊模塊(含通信模塊)。18FX2N系列擴展單元FX2N系列擴展模塊二、內(nèi)部軟元件

編程元件指：輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、通用“字”寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及特殊功能繼電器等。其種類和數(shù)量是衡量PLC的一個指標。代表字母

元件名稱

編號范圍

輸入繼電器

輸出繼電器

輔助繼電器

定時器

計數(shù)器

狀態(tài)繼電器XYMTCSX0～XF共16點Y0～Y7共8點M0～M3071T0～T99共100點C100～C143共44點S0～S999共1000個FX2N系列PLC編程元件的表示形式及編號范圍7.4PLC的指令系統(tǒng)與編程語言一、可編程控制器的編程語言

同其它電腦裝置一樣，PLC的操作是依其程序操作進行的，而程序是用程序語言表達的，并且表達的方式多種多樣，不同的生產(chǎn)廠家，不同的機種，采用的表達方式不同，但基本上可歸納為：梯形圖語言語句表語言布爾代數(shù)語言流程圖語言目前常用1.梯形圖

是在繼電控制系統(tǒng)電氣原理圖基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種圖形語言。它繼承了繼電器接點、線圈、串聯(lián)、并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形符號，具有形象、直觀、實用的特點，不需學(xué)習(xí)計算機專業(yè)知識，電氣技術(shù)人員使用最方便。例：用PLC組成電機起?？刂齐娐防^電接觸控制圖SB1KMSB2FRKMFRKMFUQ3~M..X0X1X2COM...+SB0SB1

Y0COM

Y2

Y1...~220VKM24VPLC(1)PLC系統(tǒng)圖起動按鈕停止按鈕如：接通SB0，則X0存儲單元對應(yīng)的位為“1”,反之則為“0”。常閉接點(2)利用梯形圖編制控制程序Y0X0X1如：按SB0，則X0存儲單元為“1”則其常開接點閉合，線圈通電，電機轉(zhuǎn)動。注意：這些接點或線圈并不是真實的物理繼電器接點或線圈，而是在軟件編程中使用的編程元件，每個編程元件與存儲器中的一個存儲單元相對應(yīng)，該存儲單元為“1”則表示梯形圖中常開閉合,常閉斷開，線圈通電。[]Y0狀態(tài)取決于按鈕是否動作如：按SB1，則X1存儲單元為“1”則其常閉接點斷開，線圈斷電，電機停車。輸出繼電器(線圈)常開接點2.語句表語言

這種編程語言與匯編語言類似，不同的廠家其語句表有所不同，這里以日本松下可編程控制器為例，對上述電機起、?？刂七M行編程（即將梯形圖轉(zhuǎn)換成語句表語言）。STX0ORY0AN/X1OTY0注意：按梯形圖從左到右，從上到下的順序編程。梯形圖和助記符語言是PLC中最常用的編程語言，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意以下概念：(1)梯形圖中的繼電器并不一定是物理繼電器，每個繼電器或輸入接點各為存儲器中的一位，相應(yīng)位為“1”態(tài)，表示繼電器線圈通電或常開觸頭閉合，或常閉觸頭斷開。(2)梯形圖中流過的電流不是物理電流，而是概念電流，是程序執(zhí)行的形象表示方式。(3)梯形圖中的繼電器接點在編寫用戶程序時（即作為邏輯接點）可根據(jù)需要在梯形圖中反復(fù)使用，沒有數(shù)量限制，既可用常開也可用常閉。(4)只有PLC中的物理繼電器才能驅(qū)動實際負載，其它繼電器只能作為一種邏輯來使用，故稱為“軟繼電器”。3.編程原則（1）PLC編程元件的觸點在編程過程中可以無限次使用，每個繼電器的線圈在梯形圖中只能出現(xiàn)一次，它的觸點可以使用無數(shù)次。（2）梯形圖的每一邏輯行皆起始于左母線，終止于右母線。線圈總是處于最右邊，且不能直接與左邊母線相連。[][][][]（3）編制梯形圖時，應(yīng)盡量做到“上重下輕、左重右輕”。[]不合理合理[]（4）兩個或兩個以上的線圈可以并聯(lián)，但不可以串聯(lián)。[][]X0X0Y12.編程方法(1)確定I/O點數(shù)及分配(2)編制梯形圖和指令語句表(5)程序以END指令結(jié)束，程序的執(zhí)行是從第一個地址到END指令結(jié)束，在調(diào)試的時候，可以利用這個特點將程序分成若干個塊，進行分塊調(diào)試，直至程序全部調(diào)試成功。LD加載LDI加載非OUT輸出指令可使用區(qū)域XYRTC起始指令LD，LDI與輸出指令OUT二、PLC的指令系統(tǒng)一、LD、LDI、OUT指令LD：取指令，將一個動合觸點連接至左母線上；LDI：取反指令，將一個動斷觸點連接至左母線上；OUT：驅(qū)動線圈輸出指令，其操作對象Y、M、S、T、C等。

上述兩條指令的操作對象X、Y、M、S、T、C。指令應(yīng)用舉例：如圖4-1所示梯形圖，寫出對應(yīng)指令表。圖所對應(yīng)的指令表如右所示：二、AND、ANI指令A(yù)ND：與指令，用于一個動合觸點的串聯(lián)連接。ANI：與非指令，用于一個動斷觸點的串聯(lián)連接。上兩條指令的操作對象X、Y、M、S、T、C。指令應(yīng)用舉例：如圖4－2所示梯形圖，寫出對應(yīng)指令表。LD

X0AND

X1OUT

Y1‘LDI

Y1ANI

X2OUT

M6ANI

X3OUT

Y1END圖所對應(yīng)的指令表如右所示：不推薦使用其編程方法將在后續(xù)中介紹。三、OR、ORB指令OR：或指令，用于一個動合觸點的并聯(lián)連接。ORI：或非指令，用于一個動斷觸點的并聯(lián)連接。上兩條指令的操作對象X、Y、M、S、T、C。指令應(yīng)用舉例：如圖4-3所示梯形圖，寫出對應(yīng)指令表。并聯(lián)連接次數(shù)沒有限制，考慮實際使用時限制在24行以下。LD

X0OR

X1ORI

Y1‘OUT

Y1LD

X2ANI

M100OR

X3ANIY2OUT

Y1END圖所對應(yīng)的指令表如右所示：四、ANB指令

回路塊是指由兩個或兩個以上觸點并聯(lián)回路。將回路塊串聯(lián)連接時，使用LD、LDI指令，塊結(jié)束后使用ANB指令。ANB是一條沒有操作數(shù)的指令，在實際使用中，重復(fù)次數(shù)在8次以下。ANB：回路塊與指令，用于并聯(lián)回路塊的的串聯(lián)連接。指令應(yīng)用舉例：如圖4-4所示梯形圖，寫出對應(yīng)指令表。所對應(yīng)的指令表如右所示：圖用LDY1五、ORB指令

ORB：回路塊或指令，用于串聯(lián)回路塊的的并聯(lián)連接。

回路塊是指由兩個或兩個以上觸點串聯(lián)回路。將回路塊并聯(lián)連接時，使用LD、LDI指令，塊結(jié)束后使用ORB指令。ANB是一條沒有操作數(shù)的指令，在實際使用中，重復(fù)次數(shù)在8次以下。指令應(yīng)用舉例：如圖4-5所示梯形圖，寫出對應(yīng)指令表。LD

X0OR

X1LD

X2AND

Y1LDY3ANI

X3ORBORI

X5ANB

OR

X4OUT

Y3END圖所對應(yīng)的指令表如右所示：用ORB精品課程可編程控制器六、置位和復(fù)位指令SET/RST

SET：置位指令，用于線圈動作保持，它可以對Y、M或S操作。RST：復(fù)位指令，用于解除線圈動作的保持，對D、T、C清零。對于程序中多個線圈同時受一個或一組觸點控制情況，可考慮在

它可以對Y、M、S、T、C或D操作。指令應(yīng)用舉例：如圖4-11、4-12所示梯形圖。(a)梯形圖(b)指令表圖SET/RST指令應(yīng)用示例(c)波形圖精品課程可編程控制器PLS：上升沿脈沖指令，使用該指令后，M、Y僅在驅(qū)動輸入接七、脈沖輸出指令PLS/PLF

通后的一個掃描周期內(nèi)動作(置1)。PLF：下降沿脈沖指令，使用該指令后，M、Y僅在輸入斷開后的一個掃描周期內(nèi)動作(置1)。指令應(yīng)用舉例：如圖4-13所示梯形圖。(a)梯形圖(b)指令表圖SET/RST指令應(yīng)用示例(c)波形圖§2.3

PLC的工作原理一、巡回掃描機制十一、延時接通和斷開程序梯形圖如圖4-24所示，圖中利用兩個T和一個Y0構(gòu)成。圖延時接通和斷開(a)梯形圖(b)波形圖1、輸入采樣(a)梯形圖

一般PLC的定時器設(shè)定時間是有限的，如果把多個定時器組合起來或把定時器與計數(shù)器組合起來可實現(xiàn)長延時功能。圖4-25是一個延時1小時的程序。十二、計數(shù)器(b)波形圖圖長延時計時器程序

當(dāng)X0合上T5延時1min后，計數(shù)器C0計數(shù)一次，與此同時T5復(fù)位，重新延時，當(dāng)重復(fù)60次(1小時)由Y1產(chǎn)生輸出。程序分析：(3)掃描速度：通常以掃描1KB用的時間描述，單位ms/KB。應(yīng)用舉例：電機正反轉(zhuǎn)(a)軟繼電器互鎖(b)按鈕互鎖圖電動機正反轉(zhuǎn)程序正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)互鎖按鈕互鎖程序分析：當(dāng)X0合上，正轉(zhuǎn)Y0得電并自鎖；

X1合上，反轉(zhuǎn)Y1得電且自鎖。7.5PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例分析控制對象確定控制內(nèi)容選擇PLC類型硬件設(shè)計軟件設(shè)計系統(tǒng)總裝統(tǒng)調(diào)符合設(shè)計要求投入運行調(diào)整硬件否調(diào)整軟件否是43精品課程可編程控制器例1、設(shè)計三路搶答器顯示系統(tǒng)1、控制要求

如右圖所示由兒童、學(xué)生、成人組成的三路搶答器：(1)當(dāng)主持人按SB0后L0燈亮，表示可以答題；若違例搶答者桌面的燈閃爍。(2)兒童組只要有一人按下表表示搶答成功，成人組需二人同時按下表示搶答成功。(3)答題完壁后，主持人按SB1一切狀態(tài)復(fù)位。(4)成人一人違例L3燈閃爍。(5)若答題開始30秒內(nèi)無人答題，鈴響，此題作廢圖三路搶答器示意圖

(1)I/O分配表圖I/O接線圖2、I/O點數(shù)及I/O接線圖

(2)I/O接線圖3、設(shè)計對應(yīng)的PLC程序兒童組搶答燈成人組搶答燈搶答開始燈學(xué)生組搶答燈無人搶答燈程序設(shè)計：(1)根據(jù)要求(2)X11與X12并聯(lián)，X31與X32為串聯(lián)，均加自鎖。(2)根據(jù)要求(2)X11與X12并聯(lián)，X31與X32為串聯(lián)，均加自鎖。(3)根據(jù)搶答開始30s無人答題，設(shè)X0接Y0。(4)X1斷所有狀態(tài)復(fù)位，各組間設(shè)置互鎖。(5)在30s內(nèi)搶答Y4燈不亮，增Y1、Y2、Y3動斷。振蕩器兒童組搶答違例學(xué)生組搶答違例成人組搶答違例圖梯形圖程序(6)在X0未合上，有人搶答時，燈閃爍，設(shè)T1、T2構(gòu)成振蕩。(7)考慮在違例時，按鈕復(fù)位后仍保持桌上燈閃爍，設(shè)置M1、M2、M3作為記憶。如果此題要求顯示出搶答臺的臺號即用LED顯示1、2、3的字形，應(yīng)如何修改程序？1.要求SB1按