第五章可编程序控制器及其工作原理

2023/12/15可编程序控制器基本原理及编程方法第六节三菱FX系列PLC的基本指令及其编程

第五节三菱FX系列PLC梯形图中的编程元件第四节可编程序控制器的工作原理与编程语言

第三节三菱FX系列可编程序控制器简介

第二节可编程序控制器的主要硬件组成

第一节可编程序控制器的发展及特点

2023/12/15实物展示：三菱PLC外形图：Q系列PLC2023/12/15

FX2N系列PLC

2023/12/15

FX1N系列PLC

2023/12/15FX1SN系列PLC

2023/12/15西门子PLC外形图：

S7-200系列PLC

2023/12/15

S7-300系列PLC

2023/12/15

S7-400系列PLC

2023/12/15欧姆龙PLC外形图：

C200H系列PLC

2023/12/15CPM1A、CPM2A系列PLC

2023/12/15第一节可编程序控制器的发展及特点一、可编程序控制器的产生与发展（一）可编程序控制器的产生（二）可编程序控制器的发展2023/12/15

（一）可编程序控制器的产生1969年时被称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable

Logical

Controller)。70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，称其为可编程控制器，简称PC(Programmable

Controller)。但由于PC容易和个人计算机(Personal

Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。2023/12/15（二）可编程序控制器的发展1968年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司（GM公司）提出设想。

1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PLC，型号为PDP-14。第一代：从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；第二代：70年代初期到70年代末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；

2023/12/15第三代：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；第四代：80年代中期到90年代中期。PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；第五代：90年代中期至今。PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。

2023/12/15（1987年

国际电工委员会）可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。规定可编程控制器及其有关外部设备都要遵循易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。可编程控制器定义2023/12/15编程控制器运行演示

方式一：按下启动按钮，由可编程控制器控制电动机M1，M2先后启动运行，按下停止按钮，两个电动机停止工作。

方式二：按下启动按钮，由可编程控制器控制电动机M2，M1先后启动运行，按下停止按钮，两个电动机停止工作。

2023/12/152023/12/152023/12/15结论:

传统的继电接触控制系统，只能改变某些硬件接线，才能完成上述的两种控制方式，而可编程控制器控制系统可在不改变硬件接线的情况下，通过修改程序而实现控制顺序的变化。控制两个电动机的顺序运行，控制复杂程度不高，如用继电接触控制系统已够费时的了，何况汽车生产流水线的控制系统？2023/12/15二、可编程序控制器的用途与特点（一）可编程序控制器的用途PLC的应用通常可分为五种类型：运动控制顺序控制闭环过程控制数据处理通信和联网2023/12/15（二）可编程序控制器的特点抗干扰能力强，可靠性高控制系统结构简单、通用性强、应用灵活编程方便，易于使用功能完善，扩展能力强PLC控制系统设计、安装、调试方便维修方便，维修工作量小PLC具有完善的自诊断，履历情报存储及监视功能。体积小、重量轻，易于实现机电一体化。2023/12/15（三）可编程控制器的技术性能指标PLC的技术性能指标有一般性能指标和具体性能指标两种。一般性能指标是指使用PLC时应注意的问题，主要包括电源电压、允许电压波动范围、耗电情况、直流输出电压、绝缘电阻、耐压情况、抗噪声性能、耐机械振动及冲击情况、使用环境温度和湿度、接地要求、外形尺寸、质量等。2023/12/15具体性能指标是指PLC所具有的技术能力.如果只是一般地了解PLC的性能，了解如下的基本技术性能指标即可。1、I/O点数如FX系列的I/O点数最多为256。2、扫描速度小型PLC的扫描时间可能大于40ms。2023/12/153、内存容量一般小型机的存储容量为1KB到几千字节，大型机则为几十千字节，甚至1MB～2MB，通常以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。4、指令系统5、内部寄存器6、特殊功能模块2023/12/15三、可编程序控制器的分类（一）按I∕O点数容量分类1．小型机

I/O总点数一般在256点以下，用户程序存储器容量在4KB左右。2．中型机

I/O总点数在256～2048点之间，用户程序存储器容量达到8KB左右。

3．大型机

I/O总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16KB以上。

（二）按结构形式分1．整体式结构2．组合式结构2023/12/15第二节可编程序控制器的主要硬件组成一、PLC的基本结构2023/12/15（一）整体式PLC的结构：

其主机由CPU、存储器、I/O接口、电源、通信接口等几大部分组成。

2023/12/15PLC的硬件结构示意图2023/12/15（二）模块式PLC的结构：大、中型PLC一般采用模块式结构。模块式PLC采用搭积木的方式组成系统，它由机架和模块组成。1、机架2、CPU模块3、电源模块4、输入模块5、输出模块6、功能模块2023/12/15二、中央处理器

中央处理器简称CPU。是PLC的核心，在整机中起到类似于人脑的神经中枢作用，对PLC的整机性能有着决定性作用。目前大多数PLC都用8位或16位单片机作CPU。三、存储器（一）系统程序存储器（二）用户程序存储器PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器两种。2023/12/151．直流输入接口电路四、输入接口电路2023/12/152．交流输入接口电路交流输入接口电路2023/12/153、交、直流输入接口电路交、直流输入接口电路2023/12/15五、输出接口电路1．晶体管输出接口电路晶体管输出接口电路2023/12/152．晶闸管输出接口电路晶闸管输出接口电路2023/12/153．继电器输出接口电路继电器输出接口电路2023/12/15六、输入输出模块⒈A/D转换器A/D转换过程图⒉D/A转换器D/A转换过程图2023/12/15七、高速计数模块八、运动控制模块九、通信模块十、人机接口⒈显示模块⒉图形操作终端（人机界面）2023/12/15十一、可编程序控制器控制系统的组成PLC控制系统的组成2023/12/151、控制器（PLC）2、编程器:编程、命令和监视3、信号输入部件4、输出执行部件（一）PLC控制系统的组成（二）PLC控制系统的特点在不改变系统硬件接线的情况下，通过改变程序的办法，可改变被控对象的运行方式。2023/12/15第三节三菱FX系列可编程序控制器简介一、三菱FX系列PLC性能简介（一）FX系列PLC的特点1、体积小；2、外型美观；3、多个子系列4、系统配置灵活5、功能强，使用方便2023/12/15（二）FX系列型号名称的含义FX□□-□□□□-□⑴⑵⑶⑷⑸⑴子系列名称：如：1S，1N，2N等。⑵I/O的总点数：如：16、32、48、128等。

⑶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。

⑷输出形式：R为继电器输出、T为晶体管输出、S为双相晶闸管输出。

⑸电源和输入、输出类型等特征：D和DS为DC24V电源；DSS为DC24V电源，晶体管输出；ES为交流电源；ESS为交流电源，晶体管输出；UA1为AC电源，AC输入。2023/12/15例：FX2N-64MR-D:FX1N-48ER-D:FX1N-40MR-D:FX1N-24MT:FX1N-40MR-D:FX1N-60MT-D:2023/12/15例：FX2N-64MR-D:基本单元继电器输出，直流24VFX1N-48ER-D:输入输出混合扩展单元与扩展模块，继电器输出，直流24V。FX1N-40MR-D:基本单元继电器输出，直流24VFX1N-24MT:基本单元晶体管输出。FX1N-40MR-D:基本单元继电器输出，直流24VFX1N-60MT-D:基本单元晶体管输出，直流24V。2023/12/15二、三菱FX2N系列PLC硬件简介（一）三菱FX2N-64MR的结构2023/12/15（二）输入、输出信号接线示例三菱FX2N输入信号接线方式2023/12/15三菱FX2N系列PLC输出接线示意图2023/12/15三菱FX1N-40MR型PLC控制举例项目：控制工作台自动往返。工作台前进后退由电动机通过丝杠拖动。要求：1、可自动循环工作。

2、可点动控制（供调试用）

3、可单循环运行，即工作台前进、后退循环一次。2023/12/152023/12/15分析：1、控制系统分析。（1）输入信号。控制要求有三种工作状态，这样需要一个选择开关SA进行状态选择，占用3个输入点；需要前进启动按钮SB1、后退启动按钮SB2、停止按钮SB3各一个；4各行程开关SQ1-SQ4占用4各输入点。（SQ3、SQ4是在SQ1、SQ2失灵时实现保护，切断接触器线圈控制电路。）（2）输出信号。工作台的前进和后退是通过电动机的正反转来控制的，所以需要两个交流接触器KM1、KM2来完成电动机的控制，占用2个输出点。（3）主电路。就是电动机正反转控制的主电路。2023/12/152、PLCI/O点分配。采用表格形式展现。

I/O点分配表输入信号输出信号名称代号PLC输入点编号名称代号PLC输出点编号选择开关（自动）SAX0交流接触器（正转）KM1Y0选择开关（电动）SAX1交流接触器（反转）KM2Y1选择开关（单循环）SAX2前进起动按钮SB1X3后退起动按钮SB2X4停止按钮SB3X5行程开关SQ1X6行程开关SQ2X7行程开关SQ3X10行程开关SQ4X112023/12/153、PLC接线图及主电路原理图。由于PLC1N-40MR型PLC的输出Y0的公共电为COM0，而Y1的公共电为COM1，所以在线路接线时，要将COM0、COM1连在一起。2023/12/152023/12/15第四节可编程序控制器的工作原理与编程语言可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

2023/12/15一、PLC的工作原理PLC程序执行过程（一）输入采样阶段（二）程序执行阶段（三）输出刷新阶段2023/12/15二、PLC常用的编程语言（一）顺序功能图（SFC）顺序功能图2023/12/15（二）梯形图（LD）具有自锁功能的继电控制电路及其对应的梯形图

梯形图是以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变而来。2023/12/151、梯形图的组成：触点、线圈、应用指令2、软继电器3、能流4、梯形图绘制原则2023/12/151、按照由上到下、从左到右的顺序绘制。2、左右分别有起始母线和终止母线，每一行必须从母线开始画起，右母线可以省略。3、梯形图中各元件必须都有编号，定时器和计数器要有相应的设定值。4、每个梯形图由多个梯级组成，输出线圈和元素可构成一个梯级，每个梯级可由多个支路组成，每个梯级必须有一个输出元素。5、梯形图的最右侧必须直接接输出元件，不能纵向在母线上出现触点。6、梯形图中的内部触点可多次使用，但某一编号的线圈只能出现一次。7、触点可任意串联或并联，线圈不能串联，可以并联。8、一个完整的梯形图应以END指令结束，有时可省略。5、编程技巧（1）避免双线圈输出（2）线圈不能直接与左母线相连，但必须直接与右母线相连。（3）串联电路块并联时，触点多的放上面。（4）并联电路块串联时，触点多的放左边。（5）不能编程的电路块，等效变换后编程。（6）输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开进行设计更为合适，不易出错。2023/12/15（三）功能块图（FBD）西门子PLC功能块图与梯形图（四）指令表（五）结构文本2023/12/15例：异步电动机控制线路图2023/12/152023/12/15第五节三菱FX系列PLC梯形图中的编程元件编程元件简介1、PLC编程元件的物理实质

将电子电路及存储器称为“软元件”或“编程元件”。图中，“X”代表某种编程元件，“0”代表数字编号。2023/12/152、可编程控制器的编程元件2023/12/15一、输入继电器（X）

输入继电器是PLC用来接收用户设备发来的输入信号。输入继电器与PLC的输入端相连。输入继电器等效电路输入继电器的地址编号采用八进制。2023/12/15二．输出继电器Y

输出继电器是PLC用来将输出信号传给负载的元件。输出继电器的外部输出触点接到PLC的输出端子上。输出继电器的地址编号采用八进制。输出继电器等效电路2023/12/15三．辅助继电器M

辅助继电器可分为：通用型、断电保持型和特殊辅助继电器三种，辅助继电器按十进制编号。（1）通用辅助继电器（2）断电保持辅助继电器（3）特殊辅助继电器2023/12/15PLC内的特殊辅助继电器各自具有特定的功能：1）只能利用其触点的特殊辅助继电器，线圈由PLC自动驱动，用户只利用其触点M8000：运行监控用，PLC运行时M8000接通M8002：仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器M8012：产生100ms时钟脉冲的特殊辅助继电器2）可驱动线圈型特殊继电器，用于驱动线圈后，PLC作特定动作M8030：使锂电池欠电压指示灯熄灭的特殊继电器M8033：使PLC停止运行时输出保持的特殊辅助继电器M8034：禁止全部输出的特殊辅助继电器M8039：定时扫描的特殊辅助继电器，与数据寄存器D8039同时使用2023/12/15四．状态继电器S

状态继电器S是编制步进控制顺序中使用的重要元件，它与步进指令STL配合使用。状态继电器有下列五种类型：1）初始状态继电器：S0~S9共10点

2）回零状态继电器：S10~S19共10点

3）通用状态继电器：S20~S499共480点

4）保持状态继电器：S500~S899共400点5）报警用状态继电器：S900~S999共100点

2023/12/15举例：机械手抓取物体动作顺序功能图设启动信号输入点为X0，下限位开关信号输入点为X1，夹紧限位开关信号输入点为X2，上限为开关信号输入点为X3，控制下降电磁阀的输出点为Y0，控制夹紧电磁阀的输出点为Y1，控制上升电磁阀的输出点为Y2，S0为初始状态（原位），SO，S21，S22为工作步状态继电器，其动作过程如下：接通启动信号，X0=ON时，状态继电器S20置位（=0N），随之，控制下降电磁阀的输出继电器Y0动作；当下限为开关X1变为ON后，状态继电器S21置位（=0N），状态继电器S20自动复位（=OFF），输出继电器Y0随之复位，控制夹紧电磁阀的输出继电器Y1动作；当夹紧限位开关X2变为ON时，状态继电器S22置位，同时状态继电器S21自动复位，输出继电器Y1随之复位，控制上升电磁阀的输出继电器Y2动作-------2023/12/15机械手抓取动作顺序图2023/12/15小结：编程元件的基本特征2023/12/15五．定时器T

定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器，一个当前值寄存器以及一个用来存储其输出触点状态的映像寄存器。

PLC内定时器是根据时钟脉冲累积计时，时钟脉冲有1ms、10ms、100ms三档，当所计时时间到达设定值时，输出触点动作。定时器可以用用户程序存储器内的常数k作为设定值，也可以用数据寄存器D的内容作为设定值。1、非积算定时器非积算定时器是在驱动定时器线圈后开始计时，计时时间达到设定值，其触点动作。若线圈驱动条件在未达到设定值时已断开，原计时作废，线圈驱动条件再次接通，重新计时。2023/12/152023/12/152、积算定时器积算定时器是在驱动定时器线圈后开始计时，计时时间达到设定值，其触点动作。若线圈驱动条件在未达到设定值时已断开，原计时保留，线圈驱动条件再次接通，累加计时。积算定时器在程序中的使用及动作时序2023/12/15六．计数器C计数器可分为普通计数器和高速计数器1、16位增计数器其设定值K在1~32767之间。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点动作。通用型断电保持型2023/12/15增计数器的动作过程示例012345678910X010X011Y000当前数据增计数器的动作过程2023/12/152、32位双向计数器（设定值：-2147483648~+2147483647）有两种32位加/减计数器：通用计数器失电保持计数器计数方向由特殊辅助继电器M8200~M8234设定。加减计数方式设定：对于C△△△，当M8△△△△接通（置1）时，为减计数器，断开（置0）时，为加计数器。计数值设定：直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为计数值。间接设定时，要用元件号紧连在一起的两个数据寄存器。2023/12/15加减计数器的动作过程示例双向计数器的动作过程2023/12/15（3）高速计数器

高速计数器C235~C255共21点共享PLC上6个高速计数器输入（X000~X005）。高速计数器按中断原则运行。七．数据寄存器D1、通用数据寄存器：只要不写入其它数据，已写入的数据不会变化。但是，PLC状态由运行→停止时，全部数据均清零。2023/12/152、断电保持数据寄存器：只要不改写，原有数据不会丢失。3、特殊数据寄存器：这些数据寄存器供监视PLC中各种元件的运行方式用。4、文件寄存器：文件寄存器实际是一类专用数据寄存器，用于存储大量的数据

八．变址寄存器（V/Z）变址寄存器的作用类似于一般微处理器中的变址寄存器（如Z80中的IX、IY），通常用于修改元件的编号。2023/12/15九、指针（P/I）指针是跳转、中断等程序的入口地址，与跳转、中断程序、子程序等指令一起使用。十、常数（K/H）

常数也作为器件对待，它在PLC的存储器中占用一定的空间。十进制常数用K表示，十六进制常数用H表示，2023/12/15第六节三菱FX系列PLC的基本指令及其编程一、基本指令介绍指令基本格式步序操作码操作数(程序步)（助记符）（操作元件）2023/12/151、逻辑取和输出线圈指令LD、LDI、OUTLD：取指令，用于常开触点与母线的连接指令LDI：取反指令，用于常闭触点与左母线连接OUT：线圈驱动指令，也叫输出指令2023/12/15LD、LDI、OUT指令的使用说明图6-6LD、LDI、OUT指令的使用说明2023/12/15★LD、LDI两条指令的目标元件是X、Y、M、S、T、C，用于将接点接到母线上。也可以与后述的ANB指令、ORB指令配合使用，在分支起点也可使用。★OUT是驱动线圈的输出指令，它的目标元件是Y、M、S、T、C。对输入继电器X不能使用。OUT指令可以连续使用多次。★LD、LDI是一个程序步指令，这里的一个程序步即是一个字。OUT是多程序步指令，要视目标元件而定。★OUT指令的目标元件是定时器T和计数器C时，必须设置常数K。2023/12/152、触点串联指令AND、ANI

AND：与指令，用于单个常开触点的串联，完成逻辑“与”运算ANI：与非指令，用于单个常闭触点的串联，完成逻辑“与非”运算2023/12/15AND、ANI指令的使用说明图6-7AND、ANI指令使用说明2023/12/15OUT指令后，通过接点对其它线图使用OUT指令称为纵接输出或连续输出，如图6-7中的OUTY7。这种连续输出如果顺序不错，可以多次重复。但是如果驱动顺序换成右图的形式，则必须用后述的MPS指令，这时程序步增多，因此不推荐使用。2023/12/153、触点并联指令OR、ORI

OR：或指令，用于单个常开触点的并联，完成逻辑“或”运算

ORI：或非指令，用于单个常闭触点的并联，完成逻辑“或非”运算2023/12/15OR、ORI指令的使用说明图6-8OR、ORI指令的使用说明2023/12/154、上升沿、下降沿检测指令LDP、ANDP、ORP、LDF、ANDFORFLDP、ANDP、ORP指令是进行上升沿检测的触点指令，仅在指定位软元件上升沿时（由OFF→ON变化时）接通一个扫描周期。表示方法为触点的中间有一个向上的箭头。LDF、ANDF、ORF指令是进行下降沿检测的触点指令，仅在指定位软元件下降沿时（由OFF→ON变化时）接通一个扫描周期。表示方法为触点的中间有一个向下的箭头。2023/12/150LDPX01ORPX12OUTM03LDM80004ANDPX25OUTM10LDFX01ORFX12OUTM03LDM80004ANDFX25OUTM12023/12/155、串联电路块的并联指令ORB

ORB：块或指令。用于两个或两个以上的触点串联连接的电路之间的并联，称之为串联电路块的并联连接图6-9ORB指令使用说明ORB指令的使用说明2023/12/15ORB指令的使用方法有两种：一种是在要并联的每个串联电路块后加ORB指令；另一种是集中使用ORB指令。对于前者分散使用ORB指令时，并联电路块的个数没有限制，但对于后者集中使用ORB指令时，这种电路块并联的个数不能超过8个(即重复使用LD、LDI指令的次数限制在8次以下)，所以不推荐用后者编程（不推荐使用）。2023/12/156、并联电路块的串联指令ANB

ANB：块与指令。用于两个或两个以上触点并联连接的电路之间的串联，称之为并联电路块的串联连接

ANB指令的使用说明0LDX0005ANDX0051ORIX0016ORB2LDX0027ORIX0063ANDX0038ANB4LDX0049OUTY001

图6-10ANB指令使用说明2023/12/157、栈指令MPS、MRD、MPP

MPS、MRD、MPP这三条指令分别为进栈、读栈、出栈指令，用于多重输出电路MPS、MRD、MPP指令的使用说明0LDX0046OUTY0031MPS7MRD2ANDX0058OUTY0043OUTY0029MPP4MRD10ANDX0045ANDX00311OUTY005X004Y005Y004X003Y003X005X004Y002图6-11栈存储器与输出指令的使用说明2023/12/15FX系列PLC中11个存储中间运算结果的存储区域被称为栈存储器。使用进栈指令MPS时，当时的运算结果压人栈的第一层，栈中原来的数据依次向下一层推移；使用出栈指令MPP时，各层的数据依次向上移动一次。MRD是最上层所存数据的读出专用指令。读出时，栈内数据不发生移动。MPS和MPP指令必须成对使用，而且连续使用应少于11次。MPS、MRD、MPP指令的使用说明如图所示。2023/12/152023/12/152023/12/152023/12/152023/12/158、主控及主控复位指令MC、MCR

MC：主控指令，用于公共串联触点的连接；MCR：主控复位指令，即作为MC的复位指令

MC、MCR指令的使用说明之一

LDX0001MCN0SPM1004LDX0015OUTY0016LDX0027OUTY0028MCRN010LDX00311OUTY003X000MCN0M100MCRN0X003Y003X002Y002N0M100X001Y001图6-12MC、MCR指令的使用说明之一2023/12/15使用MC/MCR指令说明之一1）与主控指令MC相连的触点必须用LD或LDI指令，使用MC指令后，母线移到主控触点的后面，MCR使母线回到原来的位置。2）在MC指令内再使用MC指令时，嵌套级N的编号（0~7）顺次增大，返回用MCR指令，从大的嵌套级开始解除。特殊辅助继电器不能用作MC的操作。

3）

MC指令是3程序步，MCR指令是2程序步，两条指令的操作目标元件是Y、M，但不允许使用特殊辅助继电器M。2023/12/15

MC、MCR指令说明之二图6-13MC、MCR指令说明之二2023/12/159、置位与复位指令SET、RST

SET：置位指令，是动作保持

RST：复位指令，使操作保持复位

2023/12/15SET、RST指令的说明图6-14SET、RST指令的使用说明（a）梯形图（b）语句表（c）波形2023/12/15

RST指令用于计数器的使用说明图6-15RST指令用于计数器的使用说明2023/12/15RST指令使用说明1）RST指令既可用于计数器复位，使其当前值恢复至设定值，也可用于复位移位寄存器，清除当前内容。2）在任何情况下，RST指令优先。当