电子技术（电工学Ⅱ） 第3版 课件 第10章可编程控制器及其应用

10可编程控制器及其应用10.1可编程控制器的结构和工作原理10.2可编程控制器的技术性能指标10.3可编程控制器FP1的基本指令10.4PLC编程的基本原则和技巧10.5PLC控制系统的设计目录下页上页返回一、基本内容：1.可编程控制器的结构和工作原理；2.可编程控制器的几种基本编程方法；3.常用的编程指令；4.使用梯形图编制简单的程序；5.基于PLC控制系统的工程设计。下页上页返回10可编程控制器及其应用了解PLC的主要功能，PLC与传统继电器逻辑系统相比有些什么优点；了解PLC的输入模式及它们的特点；掌握编写PLC程序时的基本规则。二、教学要求：下页上页返回10可编程控制器及其应用下页上页返回1.定义：可编程控制器是一种数字运算的电子操作系统装置，专为工业现场应用而设计的，它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计。10可编程控制器及其应用概述2.可编程控制器的发展：它的起源可以追溯到60年代，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，对生产线上的控制设备提出了新的要求，为此研制了第一台可编程控制器用于生产线上，通过改变存储在里面的指令的方法来改变生产线的控制流程，从而提供了继电器控制系统无法比拟的灵活性。10可编程控制器及其应用下页上页返回但这一时期它主要是代替继电器系统完成顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器,简称PLC（ProgrammableLogicalController）。10可编程控制器及其应用进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，可以进行模拟量控制、位置控制，特别是远程通讯功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，因此将其称为可编程控制下页上页返回器（ProgrammableController）简称PC，但为了与个人电脑PC相区别，仍将其称为PLC。PLC已被称为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，加速了机电一体化的进程。10可编程控制器及其应用下页上页返回下页上页返回10.1可编程控制器的结构和工作原理各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其结构和工作原理大同小异，都是以微处理器为核心的电子电气系统。PLC各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。

PLC内部主要由中央处理单元(CPU)、输入／输出电路(I／O)、存储器、电源等几个主要部分构成，如图示。

10.1.1PLC的一般结构模拟量输入行程开关继电器触点各种开关传感器CPUROM、RAM电源部件输出接口输入接口外设接口照明电磁装置执行机构采用光电隔离装置继电器、可控硅、晶体管电路编程器打印机计算机下页上页返回10.1可编程控制器的结构和工作原理1.中央处理机中央处理器(CPU)由控制电路、运算器和寄存器组成，这些电路一般都集成在一个芯片上。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)接口电路相连接。

中央处理机是PLC的大脑，它由中央处理器(CPU)和存储器等组成中央处理器(CPU)存储器

10.1可编程控制器的结构和工作原理下页上页返回

系统程序存储器（ROM）

：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。

用户程序及数据存储器（RAM）

：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器10.1可编程控制器的结构和工作原理存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。下页上页返回3.输入/输出(I/O)接口输入接口用于接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。2.电源部件电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源10.1可编程控制器的结构和工作原理下页上页返回10.1.2PLC的基本工作原理

PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。整个工作过程可分为五个阶段：

自诊断与编程器、计算机等通信读入现场信号执行用户程序输出结果10.1可编程控制器的结构和工作原理下页上页返回

①每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。自诊断内容为I／O部分、存储器、CPU等，发现异常停机显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。

10.1可编程控制器的结构和工作原理

②PLC检查是否有与编程器和计算机的通信请求，若有则进行相应处理，如接受由编程器送来的程序、命令和各种数据，并把要显示的状态、数据、出错信息等发送给编程器进行显示。如果有与计算机等的通信请求，也在这段时间完成下页上页返回

③PLC的中央处理器对各个输入端进行扫描，将输入端的状态送到输入状态寄存器中，这就是输入采样阶段。

10.1可编程控制器的结构和工作原理

④中央处理器CPU将指令逐条调出并执行，以对输入和原输出状态(这些状态统称为数椐)进行“处理”，即按程序对数据进行逻辑、算术运算，再将正确的结果送到输出状态寄存器中，这就是程序执行阶段。数据的接受和发送任务。下页上页返回

⑤当所有的指令执行完毕时，集中把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备，这就是输出刷新阶段。10.1可编程控制器的结构和工作原理扫描时间主要取决于程序的长短，一般每秒钟可扫描数十次以上，对控制时间要求较严格，响应速度要求快的系统，就应该精确地计算响应时间，细心编排程序，合理安排指令的顺序，以尽可能减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。下页上页返回

10.1.3PLC的分类及应用场合

10.1可编程控制器的结构和工作原理1、按结构形状分类，PLC可分为整体式和机架模块式两种。

PLC产品的分类

2、按PLC的I／O点数、存储容量和功能来分，大体可以分为：大、中、小三个等级。

小型PLC的I／O点数在120点以下，用户程序存储器容量为4KB以下；中型PLC的I／O点数在120-512点之间，用户程序存储器容量达4-16KB；大型下页上页返回PLC的

I／0点数在512点以上，用户程序存储器容量达到16KB或16KB以上。

10.1可编程控制器的结构和工作原理PLC的应用场合

①用于开关逻辑控制②用于机械加工的数字控制

③用于机器人控制④用于闭环过程控制⑤用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络下页上页返回10.2可编程控制器的技术性能指标1.I/O点数

指PLC外部输入和输出端子数。3.内存容量

用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。2.扫描速度

指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。4.指令条数10.2.1PLC的基本技术指标

指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。下页上页返回5.内部寄存器

PLC内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果、数据等。还有许多辅助寄存器可供用户使用，这些辅助寄存器常可以给用户提供许多特殊功能或简化整体系统设计。10.2.2FP1性能介绍10.2可编程控制器的技术性能指标

FP1是日本松下电工生产的小型PLC产品，该产品有C14-C72多种规格，形成系列化。它集CPU、I／O、通信等诸多功能模块为一体，具有体积小，功能强、性能价格比高等特点。下页上页返回采用FPl实现PLC控制的主要特点为：

①程序容量最大可达5000步，并为用户提供充足的数据区(最大6144字)、内部继电器(最大1008点)、定时器／计数器(最大144个)。②具有基本指令81条，高级指令111条。

10.2可编程控制器的技术性能指标

③具有完善的高级功能。机内高速计数器可输入频率高达10kHz的脉冲，并可同时输入两路脉冲。晶体管输出型的FPl可以输出频率可调的脉冲信号。

④具备网络功能。

下页上页返回10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回同其它电脑装置一样，PLC的操作是依其程序操作进行的，而程序是用程序语言表达的，并且表达的方式多种多样，不同的生产厂家，不同的机种，采用的表达方式不同，但基本上可归纳为：指令表

语句表语言高级语言

逻辑功能图

目前常用可编程控制器的编程语言下页上页返回(1)梯形图是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器接点、线圈、串联、并联等术语和类似的图形符号，具有形象、直观、实用的特点，不需学习计算机专业知识，电气技术人员使用最方便。10.3可编程控制器FP1的基本指令

(2)指令表指令就是用英文名称的缩写字母来表达PLC各种功能的助记符号。常用的助记符语言类似于微机下页上页返回中的汇编语言。由指令构成的能完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号两部分组成。不同型号的PLC，其梯形图、指令表都有些差异，使用的符号不一，但编程的方法和原理是一致的。

10.3可编程控制器FP1的基本指令

FP1系列PLC的指令系统按其功能特点划分为四种类型：基本顺序指令、基本功能指令、控制指令和比较指令。

梯形图和助记符语言是PLC中最常用的编程语言，学习中应注意以下概念：(1)梯形图中的继电器并不一定是物理继电器，每个继电器或输入接点各为存储器中的一位，相应位为“1”态，表示继电器线圈通电或常开触头闭合，或常闭触头断开。(2)梯形图中流过的电流不是物理电流，而是概念电流，是程序执行的形象表示方式。

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回(3)梯形图中的继电器接点在编写用户程序时（即作为逻辑接点）可根据需要在梯形图中反复使用，没有数量限制，既可用常开也可用常闭。(4)只有PLC中的物理继电器才能驱动实际负载，其它继电器只能作为一种逻辑来使用，故称为“软继电器”。

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回下页上页返回1.起始指令ST，ST/与输出指令OT

10.3可编程控制器FP1的基本指令

功能：读入指定常开接点（X1）的ON/OFF信息。在每一条逻辑线或一个程序段的开始都要使用ST指令或ST/指令。STX1ST/X1功能：读入指定常闭接点（X1）的ON/OFF信息。X1[]X1[]功能：把输出指令之前的运算结果输出到指定的接点，输出指令可并列使用。OTY1Y1[]下页上页返回

10.3可编程控制器FP1的基本指令

例：当输入接点X0ON时，使输出继电器Y0、Y1动作，当接点X1OFF时，使继电器Y2动作。梯形图对应的指令表程序

STX0OTY0OTY1ST/X1OTY2[][]Y0

X0[]

Y2

X1梯形图程序Y1下页上页返回

10.3可编程控制器FP1的基本指令

触点串联指令AN，AN/与触点并联指令

OR，OR/

10.3可编程控制器FP1的基本指令

ANX1功能：该指令是接点串联连接指令。到此为止的运算结果与指定的接点X1的ON/OFF信息进行与运算。X1X[]下页上页返回例：当输入条件R0和R1及R2同时为ON时Y3被输出的程序。[]

R1

R0

R2Y3梯形图程序

10.3可编程控制器FP1的基本指令

助记符程序

STR0

ANR1

ANR2

OTY3

时序图R0R1R2Y3下页上页返回

10.3可编程控制器FP1的基本指令

AN/X1功能：该指令是接点串联连接指令。到此为止的运算结果与指定的接点X1的ON/OFF信息进行与运算。[]X1X例：当输入条件R0为ON，R1和R2为OFF时Y3被输出程序。梯形图程序[]

R1

R0

R2

Y3下页上页返回例：当输入条件R0为ON，R1和R2为OFF时Y3被输出程序。助记符程序

STR0

AN/R1

AN/R2

OTY3

梯形图程序[]

R1

R0

R2

Y3

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回例：当输入条件R0或R1或R2为ON时Y3被输出程序。ORX1功能：该指令是接点并联连接指令。到此为止的运算结果与指定的接点X1的ON/OFF信息进行或运算。[]X1X

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回助记符程序

STR0

ORR1

ORR3

OTY3

梯形图程序[]

R1

R0

R2

Y3

10.3可编程控制器FP1的基本指令

时序图R0R1R2Y3下页上页返回例：当输入条件R0为ON，或R1或R2为OFF时Y3被输出程序。OR/X1功能：该指令是接点并联连接指令。到此为止的运算结果与指定的接点X1的ON/OFF信息进行或运算。[]X1X

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回助记符程序

STR0

OR/R1

OR/R2

OTY3

梯形图程序[]

R1

R0

R2

Y3

10.3可编程控制器FP1的基本指令

时序图R0R1R2Y3下页上页返回3.块串联指令ANS与块并联指令ORS[]X0X1X2X3Y0指令块1指令块2语句表指令

STX0

ORX2

STX2

OR/X3

ANS

OTY0

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回指令块1指令块2语句表指令

STX0

ANX2

STX2

AN/X3

ORS

OTY0[]X0X1X2X3Y0

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回4.置位、复位指令SET，RSTSET功能：当输入条件变为ON时，使指定输出接点保持ON状态，此后即使输入变为OFF，该输出仍保持ON状态。RST功能：当输入条件变为ON时，使指定输出接点保持OFF状态，此后即使输入变为OFF，该输出仍保持OFF状态。<S>Y0<R>

Y0

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回例：

<S><R>R0R1

Y0

Y0STR0SETY0STR1RSTY0语句表指令时序图R0R1Y0

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回5.定时器指令TM[]TMX30

2[]X0T2Y0设置值定时器号语句表指令

STX0

TMX2

K30

STT2

OTY0TMR：以0.01s为单位设置延时ON定时器。TMX：以0.1s为单位设置延时ON定时器。TNY：以1s为单位设置延时ON定时器。

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回t通电延时时间=30*定时单位输入信号X0定时器接点输出信号T2X0接通(ON)3s后，定时器接点(T2)接通(ON)。这时“Y0”接通。

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回6.CT计数器指令语句表指令

STX0

STX1

CT100

CT：为预置计数器，完成减计数操作，当计数输入端信号从OFF变为ON时，计数值减1，当计数值减为零时，计数器为ON，使其常开接点闭合，常闭接点打开。

K4

STC100

OTY0

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回[]RCCT4100X1X0C100[]Y0设置值计数器号

10.3可编程控制器FP1的基本指令

X0X1Y0下页上页返回7.微分指令DF，DF/DF功能：当输入条件由OFF转为ON时，指定接点仅在PLC的1次扫描周期内为ON，其它时间为OFF。该指令产生的输出是一个脉冲，其宽度为一个扫描周期。[](DF)

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回[]X0R0Y0

Y0[](DF)R01个扫描周期X0时序图R0Y0虚线部分为自锁产生的输出

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回DF/功能：当输入条件由ON转为OFF时，指定接点仅在PLC的1次扫描周期内为ON，其它时间为OFF。该指令产生的输出是一个脉冲，其宽度为一个扫描周期。[](DF/)

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回X0R0Y01个扫描周期虚线部分为自锁产生的输出[]X0R0Y0

Y0[](DF/)R0例：时序图

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回8.空操作指令NOP[]NOP

•Y0R0语句表指令

STR1

NOP

OTY0NOP指令的使用对程序运行的结果没有任何影响，一般为了方便阅读。

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回9.移位指令SRX0X1X2SRWR2INCCLR语句表指令

STX0

STX1

STX2

SRWR2

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回10.堆栈指令PSHS、RDS、POPS

PSHS用于压入堆栈，RDS用于读出堆栈，POPS用于弹出堆栈。[]

X1X2

X3

Y1[]Y0[]

Y2X0PSHSRDSPOPS

STX0

PSHS

ANX1

OTY0

RDS

ANX2

OTY1

POPS

ANX3

OTY2

10.3可编程控制器FP1的基本指令

下页上页返回11.ED(结束)和CNDE(条件终结)指令

二者均为程序结束的标志，但使用的条件不同

10.3可编程控制器FP1的基本指令

X0程序I

(ED)(CNDE)程序II

当X0断开时，CPU执行完程序I后并不结束，仍继续执行程序Ⅱ，直到程序Ⅱ执行完后才结束全部程序，并返回起始位址。此时CNDE不起作用，只有ED起作用。

下页上页返回10.4PLC编程的基本原则和技巧10.4.1编程原则（1）PLC编程元件的触点在编程过程中可以无限次使用，每个继电器的线圈在梯形图中只能出现一次，它的触点可以使用无数次。（2）梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且不能直接与左边母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器R9010(常ON)的常开接点来连接。

下页上页返回[][]10.4PLC编程的基本原则和技巧TIM1[

]

Y1[

]X1TIM1[

]Y1[

]R9010（3）同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用下页上页返回10.4PLC编程的基本原则和技巧（4）

梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路不能直接编程，例如图所示的桥式电路就不能直接编程。

X4X5X3X2X1Y1[]Y2[]下页上页返回10.4PLC编程的基本原则和技巧（5）在梯形图中串联接点使用的次数没有限制，可无限次地使用。（6）两个或两个以上的线圈可以并联输出，如图所示。

[][][]下页上页返回（1）编制梯形图时，应尽量做到“上重下轻、左重右轻”。[]不合理合理[]10.4.2编程技巧

10.4PLC编程的基本原则和技巧下页上页返回（2）两个或两个以上的线圈可以并联，但不可以串联。[]

[]

X0

X0Y110.4PLC编程的基本原则和技巧（3）

复杂电路的处理。如果梯形图构成的电路结构比较复杂，用ANS、ORS等指令难以解决，可重复使用一些触点画出它的等效电路，然后再进行编程就比较容易了。下页上页返回10.5PLC控制系统的设计10.5.1PLC的应用设计步骤①确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。②分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些外围设备是接收来自PLC信号的。并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配。③设计PLC程序画出梯形图。梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。下页上页返回10.5PLC控制系统的设计④实现用计算机对PLC的梯形图直接编程。⑤对程序进行调试(模拟和现场)。⑥保存已完成的程序。10.5.2PLC控制系统设计举例1.三相异步电动机正反转控制

下页上页返回要求：实现电动机的正反转控制SBl为正转起动按钮，SB2为反转起动按钮，SB3为停止按钮。KM1为电动机正转接触器，KM2为反转接触器，硬件分配如图。10.5PLC控制系统的设计下页上页返回梯形图10.5PLC控制系统的设计Y0X0Y1