可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用

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可编程控制器原理及应用ProgrammableLogicController(PLC)ProgrammableController(PC)可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐步发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业自动控制装置。§1概述一、发展概况PLC可编程控制器

1二、PLC的品牌产品三菱：FX1S、FX1N、FX2N、Q、A系列日立：E、EC、EM、EMII、H、EH-150、MICRO-EH系列东芝：EX20EX40系列富士：NB、NJ、NS、SPB系列松下：FP0、FP1、FP2、FP2SH、FP3、FPM、FPC、FP5、FP10、FP10S、FP10SH系列欧姆龙：CPM1A、CPM2A、C200H、CQM1、CQM1A、CJ系列

2SIEMENS：SIMATICS7-200S7-300S7-400系列施耐德：Twido系列通用：GE-I系列德洲仪器：TI100系列LG：K10、K30、K60、K80、K100、K120、K120S（E）、K200、K300、K1000系列二、PLC的品牌产品

3三、主要功能1.逻辑控制可编程序控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、“或“、“非”等逻辑运算指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。2.定时控制可编程序控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，定时时间的最小单位也可在一定的范围内进行选择，因此，使用灵活，操作方便。

43.计数控制可编程序控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了记数指令。计数值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，有些可编程序控制器还设置了加计数、减计数两种不同的记数方式。4.A/D、D/A转换大多数可编程序控制器还具有模/数（A/D）和数/模（D/A）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。三、主要功能

55.定位控制有些可编程序控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，能组成开环系统或闭环系统，实现位置控制。6.通信与联网有些可编程序控制器具有联网和通信功能，可以进行远程I/O控制，多台可编程序控制器之间还可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程序控制器可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。三、主要功能

67.数据处理功能大多数可编程序控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算；BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、“或”、“异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。随着科学技术的不断发展，可编程序控制器的功能还在不断拓宽和增强。三、主要功能

7四、主要特点1.可靠性高、抗干扰能力强、适用于恶劣工作环境2.编程简单易学3.应用灵活方便4.通用性强5.具有完善的监视和诊断功能6.体积小、重量轻、功耗小、安装维护方便、性价比高

81）各种机械行业，可实现设备、自动线的自动化控制；2）顺序控制、过程控制、位置控制、生产过程的监控和管理、结合网络技术；3）数字量、模拟量的数据采集；五、应用范围

9学习要求：了解可编程控制器的基本结构与基本工作原理搞清楚PLC内部等效继电器电路的等效思路熟悉PLC的指令系统掌握PLC的编程方法和开发步骤

10一、PLC的基本结构三菱PC基本单元外形CPU存储器通用串口扩展接口电源外部设备（编程器等）扩展单元、特殊功能单元等输入状态寄存器输出状态寄存器输入接口输出接口现场输入信号现场输出信号PLC基本结构框图§2可编程控制器的硬件结构与工作原理

112.存储器系统程序存储区：存放系统软件，固化在ROM或EPROM等只读存储器中。用户程序存储区：存放用户程序变量（数据）存储区：存放内部变量或数据通常采用低功耗的CMOS-RAM存储器加备用电池，可读写1.中央处理单元CPU计算和控制中心。它的性能（位数和主频）决定了PLC的运算速度和信息处理量的大小。

123.输入/输出接口：是CPU连接工业现场设备的桥梁。CPU：标准电平弱电数字量外部设备：开关量、模拟量不同电压等级的交流、直流量高速、低速信号远程、本地信号输入/输出接口PC厂家为用户提供各种类型的I/O接口电路。

13直流开关量输入接口电路光耦的作用:电气隔离，抗干扰电平转换开关量输入接口：将工业现场的开关量信号转变成CPU能接受的标准逻辑电平。(图)直流开关量输入接口交流开关量输入接口内部直流电源发光二极管光电耦合器

14输出方式开关量输出接口：通过该接口实现对外部设备的驱动控制继电器输出晶体管输出晶闸管输出继电器输出：输出接口由继电器构成。晶体管输出：输出接口由晶体管构成。晶闸管输出：输出接口由晶闸管构成。适于大功率、低速、交、直流负载适合于小功率、高速、直流负载适合于大功率、高速、交流负载

15(图)继电器输出型接口电路负载电源由外部提供

16Y0COM1晶体管输出接口电路+5V+24V+24V或+5V

176.编程器：是PLC的主要外设。用于用户程序的编制、编辑、调试、检查和监视。便携式：本身不带CPU，只能联机编程。体积小、重量轻、便于生产现场调试。CRT智能式：带有显示屏的图形编程器，有CPU，可联机编程也可脱机编程，可用多种语言编程。4.扩展接口：是用于扩展I/O单元或特殊功能单元。通用微机作为编程器：个人电脑，配上厂家提供的编程软件和通讯线。有效利用资源。5.电源：是PLC的供电电源一般为市电（也有24V供电的）。PLC内部设计有电路进行稳压和变换。以适应内部电路的需要。

18二、PLC的基本工作原理PLC的工作方式：循环扫描工作方式扫描周期：从开始到输出结果完成所需的时间。一般为几毫秒~几十毫秒。(图)开始自诊断与编程器通信读入现场信号执行用户程序输出结果STOPRUN用户程序输入映象寄存器输出映象寄存器执行用户程序输出读入

19产品检测传送带如图示，用PLC来检测产品数量。为确保不漏检，对PLC扫描周期有何要求？产品通过检测点的时间间隔为：T=0.025m/(50m/60s)=30ms,所以，PLC的扫描周期必须小于30ms

20PLC的分类按I/O点数分小型PLC：入出总点数256中型PLC：入出总点数256~2048大型PLC：入出总点数>2048按结构类型分整体式模块式（积木式）按功能分低档机中档机高档机三、PLC分类、主要技术指标

21PLC的主要技术指标入/出点数扫描速度内存容量指令条数内部元件功能模块编程语言

22§3可编程控制器的软件和用户环境一、PLC的软件结构软件结构监控程序用户程序1.监控程序监控程序是可编程控制器产品必须包括的部分，有生产厂家提供。其功能如下：

231）系统管理运行管理：何时输入、何时输出、何时运算、何时自检、何时通讯等进行时间上的分配管理。程序空间的管理：生成用户环境。系统自检程序：系统出错检验、用户程序语法检验、句法检验等。2）用户指令解释程序编辑程序和解释程序。3）标准程序和系统调用

242.用户程序用户在PLC提供的编程环境下编制的完成控制功能的程序。1.用户数据结构1）位数据这是一类逻辑量，其值只有“0”或“1”。2）字数据其数制、字长有很多形式。单字或双字、十进制（K）或十六进制(H)等。3）位和字的混合。二、用户环境

252、PLC的内部等效电路输入设备输出设备

26输入部分：等效输入继电器。逻辑控制部分：由用户程序实现的逻辑关系。构成逻辑电路的元件是等效编程元件。输出部分：等效输出继电器。

27三菱F系列PLC的基本情况日本三菱的早期产品，小型机，整体式结构，包括：基本单元，扩展单元、特殊单元三种。3.PLC的元件用户可以使用的输入输出接口、内部存储单元——统称元件。

28型号表示方法入出总点数M(基本单元)E（扩展单元）输出类型R－继电器输出T－晶体管输出S－晶闸管输出电源种类V－100/110V交流E－220/240V交流D－24V直流FX2N—1234－

29FX2N--48MR主要技术指标输入、输出点总数：48功耗：25VA定时器：16个计数器：16个辅助继电器：192个（64个有掉电保护）内存：890字运算速度：45us/步序（平均）指令：20条输出形式：继电器输出

30编程元件1.输入继电器（X0~X7，X10~X17，X20~X27，…）注意：元件编号采用八进制输入继电器状态由外部信号驱动，在用户程序中可进行无限次读操作。2.输出继电器（Y0~Y7，Y10~Y17，Y20~Y27，…）主要用于将内部逻辑结果传递到外部负载，每一输出继电器对应一个输出接点控制一个外部负载。在用户程序中，只能对其进行一次写操作，但可无限次读操作。

313.辅助继电器(M)编号从M0开始十进制编码通用型和掉电保护型两种辅助继电器仅供内部使用4.定时器（T）编号从T0开始；十进制编码定时器按定时时钟的不同进行分组延时时间由设定的K值大小确定定时器做计时功能

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335.计数器(C)编号从C0开始；十进制编码分加计数、减计数和双向计数器分掉电保护和通用型两种计数值由设定的K值大小确定可对外部事件或内部脉冲进行计数。

346.特殊辅助继电器(M)M8000：运行监视当PLC处于运行状态时，M8000自动为“1”；反之，M8000为“0”M8002：产生初始化脉冲PLC的第一个扫描周期内，M8002为“1”，以后为“0”。M8000M8002

35M8012：以周期为100ms循环通断M8030：锂电池电压下降到一定值时M8030为“1”M8033：PLC停止运行时输出保持M8034：若使M77得电将起到禁止全部输出的作用M8012

367.状态元件(S)编号从S0开始；十进制编码分初始状态元件、原位状态元件、通用状态元件和保持状态元件状态元件是步进顺序控制的重要元件。

378.指针（P/I）编号从0开始十进制编码调用指令和跳转用分支指正P，中断程序使用中断指针I

38§4可编程控制器的基本逻辑指令和编程一、PLC的常用编程语言助记符语言：类似于汇编语言，用易于记忆的助记符表达某种操作梯形图语言:与传统的继电器－接触器控制线路图相似，不同的是特定元件和构图规则LDX400ORX402ANIX401OUTY430LDX402OUTY431形象、直观、易于接受

39逻辑功能图语言：类似于与、或、非逻辑电路顺序功能流程图语言：类似于程序框图。对于一些较复杂的顺序控制，用此较易易于描述较为复杂的控制功能，表达直观

40二、梯形图程序设计的规则和方法梯形图中的元件：必须是对应PLC中给定编号的编程元件梯形图符号：触头表示读取位元件的状态；线圈表示对位元件进行写操作；

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42母线：假象能电流从左母线流向右母线逻辑行（每一线圈为一逻辑行）：按自上而下，自左而右的顺序画逻辑行线圈和触点的使用：线圈：线圈右边必须连右母线，左边必须有触点，同一程序中同一元件的线圈使用两次或以上称为双线圈输出，一般不应出现双线圈输出。触点：软触点，可以无限次的使用，触点不能连到右母线。程序有结尾标志

43§2三菱F系列PLC的基本指令输入、输出指令LD：“取”指令，用于母线、分支电路开始时读取位元件X、Y、M、T、C、S的状态。LDI：“取反”指令，用于母线、分支电路开始时读取位元件X、Y、M、T、C、S的反码。OUT：输出，对位元件Y、M、T、C、S进行写操作。注意：驱动T或C时，该指令后必须设常数K值。输入输出指令编程示例

44LDX000OUTY000LDIX001OUTM100OUTT0K19LDT0OUTY001LD、LDI地址码：X、Y、C、T、M、SOUT地址码：Y、C、T、M、S

45逻辑指令与指令AND：“与”，一个位元件的状态与前面状态的串联指令ANI：“与非”，一个位元件的反码与前面状态的串联指令地址码：X、Y、M、T、C、S

46LDX002ANDM102OUTY035LDY035ANIX003OUTM102ANDT1OUTY036

47或指令OR：”或“，一个位元件的状态与前面状态进行或操作的指令ORI：”或非”，个位元件的反码与前面状态进行或操作的指令地址码：X、Y、M、T、C、S

48LDX014ORX016ORIM102OUTY035LDY035ANDX015ORM103ANIX017ORIM110OUTM103

49电路块连接指令ORB：块电路或指令，两个以上触点串联的支路与前面支路并联连接指令LDX001ANDX002LDIX003ANDX004ORBLDX005ANIX006ORBORX007OUTY036

50ANB：电路块与指令，用于并联电路块与前面接点电路或并联电路块的串联连接指令LDX001ANDX002LDX003ANIX004ORBLDX005ANDX006LDIX007ANDX010ORBANBORX011OUTY030

51复位指令RST：用于对计数器、移位寄存器的复位计数器及复位指令使用示例LDX000RSTC0LDX401OUTC0K10LDC0OUTY030

52复位输入端为1：K值置入计数器计数器状态为0计数输入端每通断一次，计数值减1或减1计数器状态：当计数值计到设定值时，计数器状态为1一直保持直到被复位指令复位注：当复位输入保持时，计数信号不起作用计数器有掉电保护和普通性复位输入端为0：

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54M8002——特殊辅助继电器定时时间=100X600ms

55脉冲输出指令PLS：将脉宽较宽的输入信号变成脉宽等于PLC扫描周期的脉冲信号

56保持指令SET：置位保持指令RST：复位保持指令LDX001SETM202LDX002RSTM202使M202置位并保持使M202复位并保持

57主控母线指令（目标元素M100~M177）MC：主控开始，引出一条分支母线MCR：主控返回，使分支母线结束并回到原来的母线上多个继电器同时受一个触点或一组触点控制，这种控制称为主控指令多，占用内存多

58输出继电器Y530、Y531、Y532受输入继电器X500、X501主控LDX500ANDX501OUTM100MCM100LDX502OUTY530LDX503OUTY531LDX504OUTY532MCRM100LDX505OUTY533更好的办法：采用主控指令

59注意：MC、MCR必须成对出现。分支母线上每一逻辑行编程时，都要用LD或LDI指令开始。可嵌套使用主控母线指令，最多8次。

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61跳步指令CJP：跳转开始EJP：跳转结束（1）CJP、EJP后面跟一个标号，代表目的地址。为：700~777之间的3位8进制数。程序A跳转条件成立？程序C程序BYN（2）程序中CJP跳转目的地、必须有EJP对应。CJP总在前，EJP总在后。图

62空操作指令NOP：不完成任何操作，只是占用一步的时间。程序结束指令END：用于结束程序，表示程序终了指令小结：LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI——对触点操作的指令ANB、ORB——触点块连接指令OUT、SET、RST、PLS——对线圈操作的指令CJP、EJP、MC、MCR、MPS、MRD、MPP、NOP、END——其它指令

63堆栈指令MPS：进栈指令MRD：读栈指令MPP：出栈指令LDX500ANDX501MPSANDX502OUTY530MRDANDX503OUTY531MPPANDX504OUTY532LDX505OUTY533

64四、常用编程注意事项1.程序的正确性正确的程序X001X002Y001X004X005X003X001X004Y001X004X005X003X002X001X005X002X003

65正确的程序X001X004Y031X003Y032X001X004Y031X003Y032

66Y431双线圈输出，前一个无效X402、Y400是不存在的元件地址X000Y001X402X001Y001Y400

67LDX400LDX401ANDX402ORBOUTY431LDX401ANDX402ORX400OUTY4312.程序的合理性

68触点串并联原则：“左重右轻，上重下轻”LDX400LDX401ORX402ANBOUTY431LDX401ORX402ANDX400OUTY431

696.4可编程控制器的应用一、电动机常用控制线路举例1.三相异步电动机起、停控制开关量逻辑控制SB1:起动按钮SB2:停止按钮图X400Y430Y430X402X401KH:热继电器常开触点X402

70正转反转停止2.三相异步电动机正反转控制目标：按一下SB1，电机正转——KM1得电并保持按一下SB2，电机反转——KM2得电并保持按一下SB3，电机停转——KM1、KM2失电图

71X400X401M100M100X402Y431M100T450K2T450Y430X401X400M101M101X402Y430M101T451K2T451Y431

72在上述正反转控制中，若梯形图设计为如下方式，在实际运行中可行吗？为什么？

733.三相异步电动机Y/启动控制Y：KM、KM1得电：KM、KM2得电起动停止KMKM2KM1引出分支母线起动KM的同时T450开始延时KM1线圈失电后T451开始延时保持KM得电KM1:ONKM2:OFFKM1:OFFKM2:ON先后分支母线返回图KM1KM2主电路KMX400X401Y430M100T450T450M100Y430Y432Y431Y431Y432T451T451Y432Y432Y430Y432

74二、钻孔动力头的控制动力头停在处于原位，1ST被压合起动SB，电磁阀1YA得电，使动力头快进到达工位2，2ST被压合，使电磁阀1YA、2YA都得电，动力头工进到达工位3，3ST被压合，使电磁阀1YA、2YA失电，动力头停止前进，工进延时1S，等待加工完成。延时时间到，电磁阀3YA得电，动力头退回

75步序输入条件输出1YA3YA2YA原位1ST－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋快进1ST•SB工进2ST延时3ST退回3ST•KT1ST原位动作顺序表：

76现场器件PLC对应端子1ST动力头原位说明输入输出2ST3STSBX400X401X402X4031YA2YA3YAY431Y432Y433快进到位工进到位起动按钮快进、工进工进退回PLC分配对照表

77PLC与外部器件的连接关系：X402X402Y433X400X400X403Y431Y431X401Y432Y432X402T450K1COMX400X401X402X403Y431Y432Y433COM1~电源FU1YA2YA3YA1ST2ST3STSBNLGNDPLC的工作电源原位按扭快进工进停止延时退回Y433T450Y433

78三、搬运机械手的控制搬运机械手示意图

79工艺流程图夹紧后，延时3S再上升，保证可靠夹紧松开后，延时2S再上升，保证可靠松开1ST：下限2ST：上限3ST：右限4ST：左限工件夹紧——电磁阀驱动汽缸来实现2YA：ON夹紧，OFF松开机械手移动：1YA，控制下降3YA，上升4YA，右移5YA，左移

80步序输入条件下降1YA夹紧2YA上升3YA右移4YA左移5YA灯HL原点2ST.4ST——————————+下降1SB+——————————夹紧1ST——+————————上升KT1——++————右移2ST——+——+————下降3ST++————————松开1ST————————————上升KT2————+——————左移2ST————————+——原点2ST.4ST——————————+

81设计思路：原位——下降——夹紧——上升——右行——下降——松开——M100M101M102M103M104M105M106上升——左行——回原点M107M110M111启动下限左限右限上限复位指示灯下降阀左移阀右移阀上升阀夹紧阀PLC接线图

82M201Y432M102T450SM201K3夹紧延时M107Y433M103上升M104Y434右行松开K2RM201M106T451M110Y435右行

83X402X404M200X406OUTRSTSFTM100M117|PLSM200M101M103M102M104M105M106M107M110M111复位X406M2002ST4STM101=ONM102=ONM111=ONX401M1011ST下限位下降T450M102夹紧延时继电器夹紧X402M103上限位上移M100X400原点启动X403M104右行右限位X401M105下移1ST下限位T451M106松开放松延时继电器X402M107上移上限位X404M110左行左限位M111常闭触点应不应该串到移位寄存器的输入端？

84四、十字路口交通信号灯自动控制

85十字路口交通信号灯的时序图

86设计方法：化整为零，采用基本电路1）SB按钮信号的处理X400M100M1002）红灯1R、2R交替亮60S；绿灯1G、2G闪烁3次。可用定时器产生周期脉冲信号电路实现。

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88五、抢答系统

89抢答规则:1.要回答主持人的提问，必须抢先按下桌上的按钮；2.为了给儿童一些优待和教授组的限制，儿童组只要有一个按下就为抢答成功，而教授组必须两人同时按下才算抢答成功；控制原则：1.抢答成功后相应的指示灯亮；2.主持人按下复位按钮PB4后，指示灯灭；3.如果竞赛者在主持人合上SW开关的10秒内儿童组抢答成功，电磁铁使彩球摇动，以示得到一次幸运的机会。

90硬件电路设计：输入信号：输出信号：PB11X000PB12X001PB4X002PB2X003PB31X004PB32X005SWX007L1Y001L2Y003L3Y005电磁铁Y007

91硬件电路

92程序设计