机械设备控制技术电子教案第3章

第3章可编程序控制器

可编程序控制器（ProgrammablelogicController）简称PLC。是一种新型的控制装置，它不仅可以取代传统的继电接触器控制系统，还可以进行复杂的过程控制和构成分布式自动化系统，使电气控制技术进入了一个崭新的阶段

3．1概述PLC是20世纪70年代在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上发展起来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业控制装置。如图3-1所示各种可编程控制器。可编程控制器之所以发展快、应用广是由于它具有以下特点：1）编程简单2）可靠性高3）通用性好4）功能强5）使用维护方便6）设计施工周期短PLC诞生后的短短30多年已成为工业控制领域中占主导地位的自动化设备。在世界先进国家，PLC已成为工业控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了所有工业企业。应用PLC技术已成为当今世界潮流，PLC被称为现代工业自动化的三大支柱（PLC技术、机器人、CAD／CAM）之一。3．2PLC的结构及工作原理PLC是一种工业控制专用计算机，因此，PLC系统的组成与微型计算机相似，也是由硬件和软件组成。为适应恶劣的工作环境并能取得高可靠性、多功能、使用方便等要求，其硬件配置和系统程序、应用软件又与微型计算机又有较大的区别。

3．2．1PLC的基本结构主要由中央处理单元、存储器、输入/输出部分、电源部分和编程单元等组成，如图3-2所示。

1.中央处理单元中央处理单元（CPU）是核心部件，它控制着所有部件的操作，CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出（I/O）接口电路连接。CPU按扫描方式工作，扫描从0000地址存放的第一条用户程序开始，经过存储器中各功能程序，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。CPU的主要功能包括从存储器中读取指令，执行指令，准备下一条指令，处理中断。

2.存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存储系统程序和用户程序等。系统程序存储器主要用于存放系统正常工作所必需的程序，如管理、监视、指令解释程序。这部分程序根据各种PLC的功能不同，制造厂家在出厂前已固化下来，作为机器的一部分提供给用户，用户不能改变。用户存储器主要用于存放用户按控制要求所编制的程序，可通过编程器进行必要的修改。

3.输入输出部分输入/输出（I/O）部分是PLC与现场（I/O）设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业现场的状态信息读入，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行机构。

4.电源部分电源部分是将工业交流电转换成直流电，供PLC使用。一般均为开关电源。

5.编程单元编程单元主要是编程器，编程器的主要功能是用于用户程序的编制、编辑、修改、调试和监视。使用时，将编程器的连接电缆接到PLC的外接端口上，用户程序通过它才能输入PLC，实现人机对话。3．2PLC的结构及工作原理

3．2PLC的结构及工作原理3．2．2PLC的工作原理、工作方式PLC可看作为一个逻辑功能的工业控制装置。CPU完成逻辑运算功能，存储器用来保持逻辑功能。因此，PLC可画成类似于继电器接触器控制的等效电路图。

1.PLC的等效电路PLC的等效电路如图3-3所示。它主要由输入部分、内部控制电路和输出部分组成。（1）输入部分输入部分作用是收集被控对象的信息或操作命令。输入端子是PLC与外部开关及敏感元件等交换信号的端口。输入继电器（如图3-2中00000、00001、00002）由接到输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部分提供（如图中直流电源24V），也可由外接电源提供。PLC的每个输入端子对应一个输入继电器，如欧姆龙公司生产的CPM1A—20为12点输入，那么它相当于有12个微型输入继电器。（2）内部控制电路内部控制电路作用是按用户程序的控制要求对输入信息进行运算处理，并将得到的结果输出给负载。（3）输出部分输出部分作用是驱动外部负载。输出端子是PLC向外部负载输出信号的端子。

2．工作方式可编程控制器采用循环扫描的方式周期性地进行工作，每一周期可分为以下三个阶段：（1）输入采样阶段PLC扫描各输入端子的状态，并写入输入状态寄存器内，随后进入程序执行阶段。（2）程序执行阶段PLC对用户程序进行扫描，从第一条程序开始，按递增号逐条扫描，直至END指令为止。然后，根据输入端与输出端的状态，运行用户程序，进行逻辑运算，最后把运算结果写入输出寄存器状态表。（3）输出控制信号阶段把输出状态表的状态转存到输出锁存电路，再去驱动输出继电器线圈，输出控制信号。3．2PLC的结构及工作原理3．2．3PLC的技术性能1．输入/输出点数（即（I/O）点数）（I/O）点数是指可编程序控制器外部输入、输出端子总数，这是可编程序控制器最重要的一项指标。一般按可编程序控制器点数多少来区分机型的大小，小型机的（I/O）点数在256以下（无模拟量），中型机的（I/O）点数为256~2048（模拟量64~128路），大型机的（I/O）点数为2048（模拟量128~512路）以上。2．扫描速度扫描速度一般以执行1000步指令所需时间来衡量，故单位为ms／千步，也有以执行一步指令的时间计算，例如／步。3．指令条数指令条数是衡量可编程序控制器软件功能强弱的主要指标。可编程序控制器具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。4．内存容量内存容量是指可编程序控制器内有效用户程序的存储器容量。在可编程序控制器中，程序指令是按“步”存放的（一条指令往往不止一步），一步占用一个地址单元，一个地址单元一般占用两个字节。3．3CPM1A系列小型机简介3．3CPM1A系列小型机简介OMRON公司最新生产的CPM1A技术性能、指令系统及其应用。3．3．1CPM1A的规格与型号CPM1A是OMRON公司继P型机之后又推出的小型机，与P型机一样为整体式结构。它不仅具备了以往小型PLC所具有的功能，尽可能使安装空间最小化，并实现了10点～100点输入输出点数的弹性构成。在编程方面，除可使用以往的编程工具编程外，还可与个人计算机实现连接，轻松完成编程与监控。CPM1A按输入输出点数可分为10点、20点、30点和40点，扩展时可达100点；按电源的种类可分为交流和直流两种，输出有继电器和晶体管方式两种。在使用时应根据实际需要合理选择。CPM1A的扩展单元主要用于对CPU的I/O扩展，其本身没有CPU，不可单独使用，应与30点或40点的CPU配合使用。PLC与计算机或PLC与PLC之间可以相互通讯，CPM1A可通过RS—232C适配器、RS—422适配器及专用连接电缆来实现。CPM1ACPU单元的类型，相关的其他单元参见有关资料。3．3CPM1A系列小型机简介3．3．2主机的面板结构CPM1A为箱体式结构，图3-4为CPM1A—20CDR—A的面板图，它有20个I/O点。由图可知，CPM1A—20它的输入有12点，即00000～00011，这12个点共用一个COM端。而输出有8点，HP01000～01007，共分为01000、01001、01002～01003和01004～01007四组，分别对应4个COM端。面板上装有指示灯，用以反映PLC的工作状况及I/O点的通断状况。工作状况指示灯有5个，PWR（绿）指示PLC是否接上电源，接上则亮。RUN（绿）指示运行，PLC运行及监控时亮，灯灭说明PLC处于编程模式或停止、异常情况中。ERR/ALM（红）指示灯，灯亮表示发生故障，灯闪烁表示发出警告，灯灭说明工作正常。COMM（橙）指示灯，灯亮表示PLC与外设正在通讯，否则灯灭。打开面板上左方的小盖板，其中有两个电位器和一个外设端口。两个电位器用作模拟量预置，取值范围为0~200，其输入的地址为250、251，用于定时器与计数器的模拟设定。外设端口用于连接编程工具或适配器，实现PLC的编程和联网功能。3．3CPM1A系列小型机简介电源输入端子是用来为PLC提供工作电源。交流型时需输入AC100～240V、50／60Hz电压；直流型时需输入DC24V电压，注意不可将电源极性接错。功能接地端子是AC电源中为抗噪声、防雷击而设置的，使用时务必接地，DC电源无此端子。保护接地端子是为防止操作人员触电而设置的接地点。在CPM1A的30点和40点的机型中，在面板上还有一个扩展连接器，用于连接扩展I/O单元，最多能连接3台。图3-5为20EDR型的I／O扩展单元操作面板。左侧的扩展I／O连接电缆可连在主机或其他I／O扩展单元的扩展连接器上。右侧的扩展连接器可再连接别的扩展单元。10点、20点的CPU单元不能连接

I／O扩展单元，30点／40点的

CPU单元可连接I／O扩展单元，且最多能连接3台各20点的I／O

扩展单元，最多组合成100个I／O

点，因此，CPM1A的I／O点可在

10~100之间配置。3．3CPM1A系列小型机简介3．3．3CPM1A的主要技术性能CPM1A的总体技术性能、输入／输出性能分别见表3-3、表3-4、表3-5。3．3CPM1A系列小型机简介3．3．4CPM1A的地址分配CPM1A的地址分配见表3-6(上页)。在PLC中的一个通道里有16个二进制数，每一个二进制数表示一个“点”，一个点就相当于一个继电器。如000通道（000CH）内的继电器为00000～00015，又如009通道（009CH）内的继电器为00900～00915，每个通道内有16个“点”，对应的继电器也是16个。CPM1A通道内的分配是固定的，现分别予以介绍。1.输入输出继电器输入继电器与输入点对应，PLC内部的输入继电器很多，但对于一种机型，其实际可作为输入继电器的只是其中的一部分。如CPM1A—20的输入继电器有160个，实际可使用的只有12个，分别为00000～00011。同样，PLC内部的输出继电器也很多，其实际可作为输出继电器的也只是其中的一部分。如CPM1A—20的输出继电器也有160个，实际可使用的只有8个，分别为01000—01007。没有使用的输出继电器可作为内部辅助继电器使用。CPM1A的输人继电器从00000开始，输出继电器从01000开始。2.内部辅助继电器它相当于继电器控制中的中间继电器，与输入输出点无关，在程序中可自由使用。内部辅助继电器的多少也代表了PLC处理复杂问题的能力。如CPM1A—20的辅助继电器从200CH到231CH，共有32个通道。每个通道有16个点（继电器），内部辅助继电器共有512个点，相当于有512个继电器，其容量相当大。3.辅助记忆继电器辅助记忆继电器用于CPM1A的动作异常标志、高速计数、脉冲输出动作状态标志，具有断电保护功能。3．3CPM1A系列小型机简介4.特殊辅助继电器CPM1A的特殊辅助继电器共有384个，每个继电器都有特定的功能，特殊继电器越多，PLC的功能就越强。CPM1A常用的特殊辅助继电器及功能见表3-7。5.暂存继电器TR编写复杂程序时，在分支点上，可用暂存继电器将分支点的状态记忆下来，方便编程。暂存继电器有8个，为TR0~TR7。6.保持继电器HR它也是一种内部继电器，但具有断电保持功能。采用保持继电器可使PLC在断电后又运行时保证程序运行的连续性。7.链接继电器1R当CPM1A与欧姆龙公司生产的PLC进行链接通讯时，双方交换数据要使用链接继电器，链接继电器共有256个。当不需要通讯时，也可作为内部辅助继电器使用。8.定时器／计数器定时器与计数器编号共用，为000~127，共128个。定时器前面用TIM，计数器前面用CNT，如TIM002、CNT126。注意定时器和计数器在使用时编号不能重号。9.数据存储器DM数据存储器是以通道（CH）为单位使用的存储器，具有断电保护功能。3．4可编程控制器指令系统3．4可编程控制器指令系统可编程序控制器使用的各种指令的集合称为可编程序控制器的指令系统。PLC通常使用梯形图和助记符编程。3．4．1梯形图梯形图语言源自继电器的电气原理图，是一种基于梯级的图形符号。它通过连线，把PLC指令的梯形图符号连接在一起，以表达所调用的PLC指令及其前后顺序关系。下面用电动机正反向控制为例介绍梯形图的构成。图3-6为电动机正反转控制线路原理图，图3-7为电动机正反转控制PLC硬件连线及梯形图比较。3．4可编程控制器指令系统3．4．2CPM1A的指令系统下面以CPM1A为例介绍其指令系统，CPM1A的指令包括基本指令和特殊指令两大类，共91种。1.基本指令（1）取入（1D）指令其功能是取入梯形图中每个逻辑行开始的第一个动合触点的状态。（2）取非（1D—NOT）指令其功能是取入梯形图中每个逻辑行开始的第一个动断触点的状态。（3）与（AND）指令其功能是将一个动合触点与前面的触点串联，即执行一个逻辑“与”操作。（4）与非（AND--NOT）指令其功能是将一个动断触点与前面的触点串联。（5）或（OR）指令其功能是将一个动合触点与它上面的触点并联，即执行一个逻辑“或”操作。（6）或非（OR—NOT）指令其功能是将一个动断触点与它上面的触点并联。（7）输出（OUT）指令其功能是将逻辑行的运算结果输出到一个指定继电器。该继电器可以是一个输出继电器、辅助继电器、保持继电器或暂存继电器。图3-8所示为以上指令的应用。3．4可编程控制器指令系统

（8）组“与”（AND—LD）指令其功能是两组或多组之间进行“与”操作。图3-9所示为ANDLD指令的应用。（9）组“或”（OR—LD）指令其功能是两组或多组之间进行“或”操作。图3-10为ORLD指令的应用。（10）定时器（TIM）指令定时器符号为：其编号范围为000～127。其功能是表示一个定时精度为0.1s的延时继电器。

TIM的设定值在0000~9999之间，对应的定时时间为0～999.9s。如设定值为1500，则延时时间为150s。在图3-11中，当定时器的输入00000为ON，

00001为OFF时，定时器开始计时，每隔

0.1s使其设定值减1，成为新的当前值，当达到设定的定时时间后，定时器的当前值变为0000，此时TIM为ON，TIM000的动合触点闭合，接通输出继电器01001。若定时器的输入变为OFF，TIM复位，当前值又变为设定值。当电源断电时定时器也自动复位。3．4可编程控制器指令系统（11）计数器（CNT）指令计数器的符号为：计数器的编号范围为000～127，与定时器相同。

其功能是表示一个减1计数器。当计数输入端（CP）信号从OFF变为ON时，计数值减1，当计数器当前值减为0000时，计数器输出为ON。当计数器复位端（R）为ON时，计数器变为OFF，当前值返回到设定值。当电源断电时，计数器当前值保持不变，计数器不复位。这点与定时器不同。在图3-12中，当计数器的输入00002由OFF变为ON时，计数器的设定值减1成为新的当前值。当计数器的当前值变为

0000，此时CNT为ON，CNT001

的动合触点闭合，接通输出继电器01002。直到计数器复位端为

ON时，计数器才复位为OFF，并使其当前值变为设定值。当计数信号与复位信号同时到采时，复位端优先。3．4可编程控制器指令系统

在PLC中，计数器可以灵活运用，例如在图3-13中用计数器组成了一个600s的定时器。在图中25502为1s的时钟脉冲，当00000ON时，CNT000每秒计数一次，当计到600（时间为600s）时，CNT000触点ON，使输出继电器010010N。00001为复位继电器，当000010N时，计数器复位。（12）暂存继电器（TR）指令暂存继电器用在电路有几个分支输出的场合，如图3-14所示，它必须用1D和OUT指令取入和输出。暂存继电器共8个，编号TR0～TR7。暂存继电器在同一组内不能重复使用，但可在不同组内重使用。3．4可编程控制器指令系统2.特殊指令特殊指令没有自己的指令键，这些指令在编程器上要用FUN键输入。特殊指令写入顺序为：FUN键、（数字键）、（数字键）、WRITE键。（1）结束指令END（01）结束指令的符号为：作用：表示程序结束。

END指令在编程器上用FUN、0、1键输入，如图3-15所示。（2）联锁指令IL（02）和联锁消除指令ILC（03）联锁指令和联锁消除指令的符号为：

作用：如果IL前的条件不满足，则

IL与ILC间的所有输出线圈为断电状态（OFF）；当IL前的条件满足时，在IL与ILC间的所有输出线圈的状态如同无IL／ILC指令的情况一样。图3-16中，IL／ILC指令的使用。

3．4可编程控制器指令系统3.跳转JMP（04）指令和跳转结束JME（05）指令跳转指令和跳转结束指令的符号为：

跳转指令和跳转结束指令的功能是根据当时条件来决定是执行它们之间的指令还是跳过它们之间的指令。若JMP前逻辑关系为ON时，顺次执行二者间的程序，否则立即转移到执行JME下面的程序。在JMP前逻辑关系为OFF时，JMP与JME之间的所有线圈（包括OUT，TIM／CNT和KEEP）将保持它们上个周期运行状态。注意：JMP和JME要成对使用，否则在检查程序时编程器上会显示错误信息。JMP／JME在程序中最多可使用8次。在图3-17中，00002和00003“与”的结果作为JMP的条件。当JMP的条件ON时，JMP与JME之间程序顺序执行；当JME的条件OFF时，JMP与JME之间的输出01000、01001、20000保持原来状态。3．4可编程控制器指令系统4.移位寄存器SFT（10）指令移位寄存器符号为：

SFT指令的功能是把一个指定通道的16位数据按位移位，也可以把几个通道连起来一起移位，但首通道和末通道必须是同类型的继电器。移位寄存器有3个端子数据输入端（1N）脉冲输入端（CP）复位输入端（R）。当脉冲到来时，在其上升沿，将输入端的状态（0或1）存入指定通道的最低位，并将原最低位及其他位的数据（0或1）依次向高位方向移动一位。就是说，在CP的上升沿，指定通道的各位均向高位移动一位，最低位由数据输入端补入（当数据输入端为ON时补“1”，当数据输入端为OFF时补“0”），最高位溢出。当复位端为ON时，指定通道的所有位均复位。SFT指令使用时注意：

1）SFT编程必须按数据输入、脉冲输入、复位输入和SFT（起始通道和结束通道）的顺序进行。

2）SFT指令中通道可以是输出继电器、内部辅助继电器和保持继电器。

3）当复位端ON时，参加移位的通道全被置“0”。时钟脉冲的上升沿移位，被移位的最高位丢失。若需要多于16位数据移位，可将几个通道串联起来一起移位。

4）起始通道和结束通道必须是同一类型的继电器，而且起始通道号不大于结束通道号。移位寄存器指令用法如图3-18所示。3．4可编程控制器指令系统5.保持KEEP（11）指令保持指令的符号为：

保持指令的功能是形成一个锁存器，置位端（S端）为ON时，继电器线圈为ON，复位端（R端为ON时，继电器线圈为OFF。如果置位端和复位端同时为ON时，复位端优先。保持指令编程顺序是置位输入、复位输入和输出继电器线圈。可以作为KEEP指令的继电器有输出继电器、内部辅助继电器和保持继电器。如果把保持继电器作为KEEP的输出继电器时，具有断电保持功能。保持指令的使用如图3-19所示。6.上升沿微分DIFU（13）指令和下降沿微分DIFD（14）指令微分指令符号为：功用：当输入条件满足时，

DIFU／DIFD指令使指定的继电器线圈输出一个扫描周期。微分指令用法如图3-20所示。3．4可编程控制器指令系统7.比较CMP（20）指令比较指令的符号为：

将一个通道的数据或4位常数（S1）与另一通道数据或4位数（S2）比较，当S1＞S2时特殊继电器25505置ON；当S1＝S2时特殊继电器25506置ON；当S1＜S2特殊继电器25507置ON。在图3-21中，当比较指令的条件满足时（00002为ON时），将内部辅助继电器200CH的通道内容与保持继电器HR00的通道内容进行比较。当第一个数大于第二个数时01000置ON，当两数相等时01001置ON，如果第一个数小于第二个数时01002置ON。

CPU每扫描一次，就进行一次比较操作，若比较指令的条件满足时只执行一次，可使用微分指令。3．5PLC的编程方法及编程器的使用

3．5PLC的编程方法及编程器的使用学习了PLC的指令系统后，就可以根据系统的控制要求编制出程序，然后用编程器输入PLC中。3．5．1梯形图编程梯形图编程格式是由多个梯级组成的，每个输出单元构成一个梯级，每个梯级由一个或多个支路组成，支路中安排触点（常开或常闭），它们组成输出执行条件的逻辑控制。梯形图编程的基本原则如下。

1）输入／输出继电器、内部辅助继电器、定时器、计数器等器件的触点可重复使用，无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。

2）梯形图的每一行都是从左边的母线开始，线圈接在最右边，触点不能放在线圈的右边。在继电器的原理图中，热继电器的触点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。

3）线圈不能直接与左边的母线相连。如果需要可以通过一个没有使用的内部辅助继电器的动断触点或者特殊辅助继电器来连接。

4）一般情况下，在梯形图中某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点可无限次使用。3．5PLC的编程方法及编程器的使用

5）在每一行中串联触点多的支路应放在上方（上重下轻），否则语句增多、程序变长，如图3-22所示。

6）在每个梯形图中，并联触点多的电路应放在左方（左重右轻），如图3-23所示。

7）在并联线圈电路中，从分支点到线圈之间无触点的线圈应放在上方，如图3-24所示。

8）桥式电路不能编程，应根据其功能进行等效变换，如图3-25所示。

9）梯形图应符合顺序执行，即从左到右、从上到下地执行，如果不符合顺序执行的电路不能直接编程，如图3-26所示。

10）设计梯形图时，输入设备的触点按动合触点进行设计更为容易，且不易出错。因此，建议尽可能用输入设备的动合触点与PLC输入端连接。3．5PLC的编程方法及编程器的使用

3.5.2编程器的结构和使用编程器与PLC的外设插口直接相连，可将用户所希望的功能送到PLC的用户程序存储器中。它不仅能对程序进行写入、读出、检验、修改并可监视PLC内部器件（如定时器、计数器）的工作状态，还可强迫某个器件置位或复位。下面以欧姆龙公司生产的CQM1-PR001编程器为例，介绍编程器的结构和使用方法。1.面板介绍CQM1-PR001的面板如图3-27所示。2.PLC工作方式的选择编程器上设有一个方式选择开关，工作方式有三种。1）编程方式（PROGRAM）。PLC处于停止状态，在编程期间使用，可将程序写入PLC中，并进行修改及清除内存操作。2）运行方式（RUN）。PLC按照内存中的程序对设备进行控制。3）监控方式（MONITOR）。用户可运行PLC中的程序，监视程序的执行情况。3．5PLC的编程方法及编程器的使用

3.键盘功能编程器上有指令键、清显键、数字键和操作键。1）数字键。编号为0～9的白色键，用来输入程序中数字；2）C1R键。红色，用来清除显示；3）指令键。由16个灰色键组成，指令键用于输入指令，其功能见表3-8。4）操作键。由12个用于程序编辑的黄色键组成，其功能见表3-9。3．5PLC的编程方法及编程器的使用

4.程序输入前的准备输入程序之前，应选定PLC的工作方式、接上电源、删除原有程序以及建立新程序的首地址等。其操作方法和液晶显示见表3-10。3．5PLC的编程方法及编程器的使用

5.程序输入

PLC处于编程方式下可以输入程序，在建立程序地址后，使用指令键和数字键即可输入指令。每输入一条指令后，都要按一次WRITE键，则地址自动加一，显示下一个地址。如图3-28所示为输入左面程序的按键顺序，注意从中理解操作方法。程序