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1、第四讲 数控机床的可编程序控制器,在这一讲，我们一起学习可编程序控制器的结构及工作原理可编程序控制器的指令与编程,一、可编程序控制器的产生与发展早期的电气控制是采用继电器接触器逻辑控制，这种控制装置具有结构简单、易于掌握、价格便宜等优点，在工业生产中应用很广。但是，这些控制装置体积大、动作速度较慢、耗电较多、功能少，特别是传统的继电器接触器控制采用的是固定接线方式，一旦生产过程有所变动，就得重新设计线路和连线安装，不利于产品的更新换代。,于是，有人设想把计算机的功能完善、通用灵活的优点与继电接触器控制简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种通用控制装置，以取代原有的继电器控制柜。终
2、于，美国数字设备公司根据以上设想和要求，在1969年研制出第一台可编程序控制器，型号为PDP-14，在通用汽车公司的汽车生产线上首次应用，并获得了成功。由于当时只是用它来取代继电接触器控制，功能限于逻辑运算、计时、计数等，所以称之为“可编程逻辑控制器（PLC）”。,1985年1月，国际电工委员会又对可编程序控制器作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境生产应用而设计。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”。目前，PLC正朝着两个方向发展。其一是
3、向大型化、快速、高功能方面发展，以取代工业计算机的部分功能。其二是向小型化、专用化、成本低方向发展，以真正成为继电器的替代品。PLC总的发展趋势就是：功能越来越强，使用越来越方便，而性能价格比又不断地提高。可见，PLC的发展方兴未艾，前景十分可观。,二、可编程序控制器的基本结构 PLC是一种面向工业环境设计的专用计算机系统，它与一般计算机的结构类似，也是由硬件和软件所组成的。1.PLC的硬件结构PLC内部硬件结构框图如图6.1所示。由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出接口、编程器、电源等几部分组成。,图6.1 PLC的硬件结构框图,1）中央处理单元（CPU）中央处理单元CPU是PLC的
4、核心，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。2）存储器 PLC的存储器是用来存储 数据或程序的。存储器中的程序包括系统程序和应用程序。3）I/O接口电路 I/0（输入/接口）接口是CPU与现场I/0设备联系的桥梁。输入接口接收和采集输入信号。数字量（或称开关量）输人接口用来接收从按钮、开关、限位开关、接近开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入接口用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。PLC的输入接口电路见图6.2。为防止各种干扰信号和高电压信号，输入接口一般要加光电耦合器进行
5、隔离，图6.2 中VL2就是光电耦合器。,图6.2 PLC的输入接口电路,现在以图6.2 b)为例简要说明以下开关信号输入的原理：当外部开关打开时，光电耦合器VL2中的发光二极管没有电流流过，光敏三极管处于结止状态，所以电路输出高电平到PLC内部电路。若外部开关关闭，大家可以看到：光电耦合器VL2中的发光二极管所在的回路有电流流过，发光二极管驱动光敏三极管处于饱和导通状态，电路输出低电平到PLC内部电路。,图6.3 PLC的输出接口电路刚才我们分析了输入接口电路，那么，输出接口电路将内部电路输出的弱电信号转换为控制现场需要的强电信号输出，以驱动执行元件。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电
6、磁铁、指示灯等开关量输出设备，模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等连续控制的执行装置。PLC的各种输出接口电路见图6.3。输出接口电路分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种形式，目前，采用继电器输出方式较多。,4）编程器 编程器是用来输入和编辑用户程序，也可用来监视PLC运行时各编程元件的工作状态。一般情况下只在程序输入、调试阶段和检修时使用，所以一台编程器可供多台PLC使用。目前，还有一种使用较多的方式：在微机上运行专用的编程软件，通过串行通信口使微机与PLC连接，用微机编写、修改程序，程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。5）电源 电源的作用是把外部供应的电源
7、变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24V直流电源。电源单元还包括掉电保护电路和后备电池电源，以保持RAM在外部电源断电后存储的内容不丢失。,2.PLC软件PLC的软件分为系统软件和用户程序两大部分。系统软件由PLC制造商固化在机内，用以控制PLC本身的运作。用户程序由PLC的使用者编制并输入，用于控制外部被控对象的运行。1）系统软件 系统软件包括系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块等。系统管理程序用于管理、控制整个系统的运行。2）用户程序 用户程序是用户根据现场控制的需要，用PLC的编程语言编制的应用程序，通过编程器将其输入到PLC内存中，用来实现各种控制要求。同学
8、们注意：根据不同控制要求编制不同的程序，相当于改变可编程控制器的用途，也相当于继电接触器控制设备的硬接线线路进行重设计和重接线，这就是所谓的“可编程序”的含义。,图6.5 PLC扫描工作过程三、PLC的工作过程PLC的工作过程可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。PLC的工作过程是按这样三个阶段进行周期性循环扫描，如图6.5所示。,1）输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先按顺序采样所有的输入端子，并将输入点的状态或输入数据存入内存中各对应的输入映象寄存器，即输入刷新，随即关闭输入端口。接着进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输人状态有变化，输入映象寄存器的内容也不会改变。输入信号变
9、化了的状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。2）程序执行阶段 在程序执行阶段PLC对用户程序顺序扫描，在执行每一条指令时，所需的输入信号的状态可从输入映象寄存器中读入，当前的输出状态从元件映象寄存器读入，然后按程序进行相应的逻辑运算，运算结果再存入元件映象寄存器中。所以对每一个元件（PLC内部的输出软继电器）来说，元件映象寄存器的内容，会随着程序的执行过程而变化。,3）输出刷新阶段 当所有指令执行完毕，元件映象寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器，并通过一定的方式输出，驱动外部负载，这才是PLC的实际输出。四、PLC程序的表达方式PLC备有多种编程语
10、言，供用户选用。由于PLC是为在工业环境中应用而设计的，对PLC编程时可以不考虑其内部的复杂结构，也不必使用计算机的编程语言，而把PLC内部看作是由许多“软继电器”等逻辑部件组成的。PLC中常用的编程语言有梯形图、语句表（指令表）、功能表图等。1）梯形图编程梯形图是各种PLC通用的一种图形编程语言，在形式上类似于继电器控制电路。它直观、易懂，是目前应用最多的一种编程语言。,a）继电器控制 b）PLC控制的外部线与梯形图 图6.7 三相异步电动机正反转控制如图6.7a）所示为三相异步电动机正反转控制的继电器控制电路。图6.7b）是采用PLC控制三相异步电动机正反转的外部接线图与等效梯形图。,梯形
11、图按从上到下、从左到右顺序排列。最左边垂直线为输入母线，常开触点、常闭触点的各种连接和线圈输出，形成一条水平的逻辑行，即梯级。元件在水平线上为逻辑串联，用垂直线连接的相邻水平线为逻辑并联。梯形图中仍然采用了“继电器”这一名称，但它们不是真正的物理继电器，而是PLC内部的编程元件，称为“软继电器”。每一个编程元件与PLC元件映像器的一个存储单元对应，当相应存储单元为“l”时，表示继电器线圈“通电”，动合触点闭合，动断触点断开。,梯形图是一种编程语言，其母线端无任何电源。为了便于理解，在梯形图中引入了一个假想的电流，称为“能流”。“能流”在梯形图中只能从左向右单向流动。如图6.7b）所示，当常开触
12、点I0.0闭合，就有一假想的“能流”从左向右依次经I0.0的常开触点和I0.2、I0.1、Q0.1的常闭触点流入线圈Q0.0，这时，线圈Q0.0接通并自保，其相应存储单元状态为“1”。2）语句表编程 语句表又叫做指令表，在形式上类似于计算机汇编语言。它是用指令的助记符来编程的，通常一条指令由步序号、助记符和元件号三部分组成。若干条指令组成的程序称为语句表程序或指令表程序。,五、PLC指令与编程可编程控制器的产品虽然众多，但工作原理和基本结构组成基本相同。在中国市场，德国西门子公司生产的SIMATIC S7系列以其结构紧凑、可靠性高、功能全等优点拥有很多的用户。SIMATIC S7系列PLC的机
13、型有S7-200,S7-300,S7-400，分别为S7系列的小、中、大型PLC系统。现在仅以S7-200系列PLC为例，介绍小型PLC系统编程用的元器件与编址、指令系统、编程等PLC应用的基础知识。1.S7-200的编址所谓编址，就是对输入输出模块上的IO点进行编码，以便程序执行时可以唯一地识别每个IO点。,1）数字量IO点的编址。数字量IO点是以字长为单位，采用标志域（I或Q）、字节号和位号（07共8位）三部分的组成形式来进行编址的。例如：输入点I 0.1中：I表示输入接口，0.1表示0字节1号位输入；同样，使用Q 0.2表示输出接口为0字节2号位输出2）模拟量IO的编址。模拟量IO是以字
14、长（16位）为单位进行编址的。输入只能进行读操作，而输出只能进行写操作。地址采用标志域（AIAQ）、数据长度标志（W）以及字节地址（030之间的十进制偶数）的组成形式进行编址。如AIW0，AIW2，AIW62，共有32个模拟量输入点。,2.S7-200 PLC基本指令 S7-200 PLC具有丰富的指令集，基本上可分为基本元素、标准指令以及特殊指令等。基本元素包括逻辑操作指令、跳转操作以及装载操作和比较操作。标准指令是指定时功能、计数功能、算术功能等指令。特殊指令可以满足诸如移位、循环、转换以及高速计数等复杂功能。本节将介绍部分常用指令的梯形图符号、指令表达方式以及功能和用法，并附带相应的指令
15、应用示例。1）二进制逻辑操作,图6.10 装载位操作指令的应用示例LD装载常开触点（位操作）指令和LDN装载常闭触点（位“取反”操作）指令,它总是位于一段逻辑的开始，而“与”A、“或”O、“非”指令的功能是对该指令的操作数与前面得到的逻辑结果做相应的逻辑运算。如图6.10所示的逻辑操作指令功能是：当输入点I0.0与输入点I 0.1的状态都为“l”时，Q 0.0为“l”；而输入点I0.0或输入点I0.1只要某一个为“l”状态，即可使Q 0.2输出“l”。注意：图中梯形图的右测是与之相应的语句表编程，同学们可以对照梯形图一起学习。,图6.11 ALD指令的应用示例ALD块“与”装载和OLD块“或”
16、装载 a)块的“与”操作指令ALD。用于两个或两个以上的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。ALD指令的应用示例如图6.11所示。实例中，输入I0.1与中间继电器M0.1并连，再与输入I0.2和中间继电器M0.4的并连块串联起来。块的“与”操作是将梯形图中以LD起始的电路块与以LD起始的电路串联起来。,图6.12 OLD指令的应用示例b)块的“或”操作指令OLD。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。OLD指令的应用示例如图6.12所示。如图6.12所示的逻辑操作指令功能是：当输入点I0.1与输入点I 0.2的状态都为“l”时，输出
17、Q 0.0为“l”；如果，输入点I0.3和输入点I0.4状态都为“l”时，输出Q 0.0为也“l”；。块的“或”操作就是将梯形图中以LD起始的电路块和另外以LD起始的电路块并联起来。注意：对于复杂的串并联关系可以多次使用ALD或OLD指令。,置位复位指令SR（SetReset）置位复位指令具有保持功能,当置位或复位条件满足时，输出状态保持为l或0。同时，置位复位指令还可设置位数，例如：S Q0.2,3是指对输出口从Q 0.2开始的三位数输出置位。该位数默认值为“1”。图6.14所示为SR指令应用，左边为梯形图，右边为相应的时序图，时序图表示各种电平状态与时间的关系。实例中，当I0.0、I0.1
18、都为低电平时，Q0.0保持原来的状态；当I0.0有一个高电平时，高电平的信号影响输出Q0.0的状态，Q0.0置位（Set）为高电平；当I0.1有一个高电平时，高电平的信号影响输出Q0.0的状态，Q0.0复位（Reset）为低电平；当I0.0、I0.1都为高电平时，写在后面的指令优先影响Q0.0的状态。,图6.14 SR指令应用,边沿脉冲指令边沿脉冲指令EU（Edge Up）指令在对应输入条件有一个上升沿时，产生一个宽度为一个扫描周期的脉冲，驱动其后面的输出线圈（扫描周期就是：PLC工作时，CPU对用户程序作周期性循环扫描，所用的时间）；而边沿脉冲指令ED（Edge Down）指令则对应输入条件
19、有一个下降沿时，产生一个宽度为一个扫描周期的脉冲，驱动其后的输出线圈。图6.16所示为边沿脉冲指令应用，实例中：输入I0.0有上升沿：触点（EU）产生一个扫描周期的时钟脉冲，M0.0线圈通电一个扫描周期，M0.0常开触点闭合（一个扫描周期），使输出线圈Q0.0置位有效（输出线圈Q0.0=1），并保持。输入I0.1有下降沿：触点（EU）产生一个扫描周期的时钟脉冲，驱动输出线圈M0.1通电一个扫描周期，M0.1常开触点闭合（一个扫描周期），使输出线圈Q0.O复位有效（输出线圈QO.O=O），并保持。边沿脉冲指令在工程实践中具有非常重要的实用价值。,图6.16边沿脉冲指令应用,2定时器指令S7-20
20、0系列PLC的定时器为增量型定时器，用于实现时间控制，可以按照工作方式和时间基准（时基）进行分类。时间基准又称为定时精度和分辨率。1）分类S7-200 PLC按工作方式分为三种类型的定时器：通电延时定时器TON（On DelayTimer）、断电延时定时器TOF（Off Delay Timer）和保持型通电延时定时器TONR（Retentive On Delay Timer），按照时基基准，定时器又可分为1 ms、10 ms、100 ms三种类型，2）使用方法 通电延时型（TON）。通电延时型定时器应用示例如图6.19所示。从梯形图结合时序图分析：当输入I0.2为高电平，使能端（IN）输入有效
21、，定时器开始计时，当前值从0开始递增，大于或等于预置值（PT）时，定时器输出状态位置l，本例中，预置值（PT）为300，T33的分辩率为10ms,所以定时为3秒。当前预置值（PT）的最大值为32 767。最后注意：使能端（IN）无效时，T33定时器复位即为低电平。,图6.19通电延时型定时器应用示例（1）,有记忆通电延时型（TONR）。当定时器输入端有效时，定时器开始递增计数，当前值大于或等于预置值（PT）时，输出状态位置l。注意：与通电延时型定时器不同之处在于，输入端无效时，当前值保持（记忆），使能端（IN）再次接通有效时，在原记忆值的基础上递增计时。有记忆通电延时型（TONR）定时器采用线
22、圈的复位指令（R）进行复位操作，当复位线圈有效时，定时器当前值清0，输出状态位置0 3）应用定时器指令应注意的几个问题。一个定时器号不能同时用作断电延时定时器TOF和通电延时定时器TON指令。使用复位指令R对定时器复位后，定时器位为0，定时器当前值为0。TONR指令只能通过复位指令进行复位操作。,3计数器指令计数器是对输入端的脉冲进行计数。S7-200PLC有三种类型的计数器：增计数器CTU（Count Up）、减计数器CTD（Count Down）和增减计数器CTUD（Count UpDown）。1）使用方法 增计数器CTU当复位输入端R为0时，计数器计数有效；当增计数输入端CU有上升沿输入
23、时，计数值加1，计数器作递增计数，当计数器当前值等于或大于设定值PV时，该计数器位为1，计数至最大值32767时停止计数。复位输入端R为1时，计数器被复位，计数器位为0，并且当前值被清零。增计数器指令应用示例如图6.27所示。当C20的计数输入端I0.2有上升沿输入时，C20计数值加1，当C20当前值等于或大于3时，C20计数器位为l。复位输入端I0.3为1时，C20计数器位为0，并且当前值被清零。,图6.27增计数器指令编程的应用示例,减计数器CTD 当装载输入端LD为1时，计数器位为0，并把设定值PV装入当前值寄存器中。当装载输入端LD为0时，计数器计数有效；当减计数输入端CD有上升沿输入
24、时，计数器从设定值开始作递减计数，直至计数器当前值等于0时，停止计数，同时计数器位被置位。减计数器指令编程的例子如图6.28所示。装载输入端I0.3为1时，C4计数器位为0，并把设定值4装入当前值寄存器中。当I0.3端为0时，计数器计数有效；当计数输入端I0.2有上升沿输入时，C4从4开始作递减计数，直至计数器当前值等于0时，停止计数，同时C4计数器位被置1。,图6.28减计数器指令编程应用示例2）注意事项：在一个程序中，同一计数器号不要重复使用，更不可分配给几个不同类型的计数器。用复位指令R复位计数器时，计数器位被复位，并且当前值清零。除了常数外，还可以用VW、IW、QW、MW、AC等存储器内的数值作为设定值。,这一讲我们就学习到这里，下一讲我们将学习数控机床强电控制电路，谢谢大家！,
