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1、2023/9/25,电工技术,主编 李中发制作 李中发2005年1月,2023/9/25,第11章 可编程控制器,了解可编程控制器的结构和工作原理了解可编程控制器的指令系统了解梯形图的设计规则和设计方法能够用梯形图语言进行简单的编程,学习要点,2023/9/25,11.1 PLC的结构及工作原理11.2 PLC的编程元件及指令系统11.3 PLC梯形图的设计方法11.4 PLC应用实例,第11章 可编程控制器,2023/9/25,11.1 PLC的结构及工作原理,11.1.1 PLC的结构,2023/9/25,PLC,主机,I/O模块,电源：为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备
2、的直流开关稳压电源。,编程器：用于手持编程。可用它输入、检查、修改、调试程序，或用它监视PLC的工作情况。,I/O扩展接口：扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。,外设接口：将编程器、打印机、条码扫描仪等外部设备与主机相联，以完成相应操作。,输入模块：接受输入设备的控制信号。,输出模块：输出控制信号。,CPU：起总指挥的作用。,存储器：存储系统及用户程序和数据。,2023/9/25,11.1.2 PLC的工作原理,1、PLC的继电器,PLC可看成是由普通继电器、定时器、计数器等组合而成的电气控制系统。注意，PLC内部的继电器实际上是指存储器中的存储单元，称为软继电器
3、。当输入到存储单元的逻辑状态为1时，则表示相应继电器的线圈通电，其常开触点闭合，常闭触点断开；而当输入到存储单元的逻辑状态为0时，则表示相应继电器的线圈断电，其常开触点断开，常闭触点闭合。所以这些软继电器体积小、功耗低、无触点、速度快、寿命长，并且具有无限多的常开、常闭触点供程序使用。,2023/9/25,2、PLC的工作原理,直接起动控制电路采用PLC控制，其外部接线及内部等效电路如图所示。可将PLC分成3部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。,2023/9/25,输入部分：由输入接线端与等效输入继电器组成。输入继电器由接入输入端点的外部信号来驱动，其作用是收集被控制设备的各种信息或操作命
4、令。内部控制电路：由大规模集成电路构成的微处理器和存储器组成的，经过制造厂家的开发，为用户提供部件。内部控制电路的部件包括输出继电器、定时器、计数器、移位寄存器等，这些部件也有许多对常开触点和常闭触点供PLC内部使用。PLC内部控制电路的作用是处理由输入部分所取得的信息，并根据用户程序的要求，使输出达到预定的控制要求。输出部分：作用是驱动被控制的设备按程序的要求动作。对应每一条输出电路，相当有一个输出继电器，此输出继电器有一个对外常开触点与输出端相连，其余均为供PLC内部使用的常开触点和常闭触点。当输出继电器接通时，对外常开触点闭合，外部执行元件可以通电动作。,2023/9/25,梯形图：是由
5、表示PLC内部编程元件的图形符号所组成的阶梯状图形，实际上就是用户用编程触点构成的控制电路，它等效于PLC内部的接线图。用编程器将梯形图程序送入PLC内后，PLC就可以按照预先制定的方案工作。,电路工作过程：当起动按钮SB1闭合，输入继电器X400接通，其常开触点X400闭合，输出继电器Y430接通，Y430的常开触点闭合自锁，同时外部常开触点闭合，使接触器线圈KM通电，电动机连续运行。停机时按停机按钮SB2，输入继电器X401接通，其常闭触点断开，线圈Y430断开，电动机停止运行。这里要注意，因与停机按钮相连的输入继电器X401采用的是常闭触点，所以停机按钮必须采用常开触点，这与继电接触器控
6、制电路不同。,2023/9/25,PLC是采用顺序扫描、不断循环的方式进行工作的。PLC的扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段，并进行周期性循环。,11.1.3 PLC的工作方式,2023/9/25,11.2.1 梯形图的设计规则,梯形图：是由表示PLC内部编程元件的图形符号所组成的阶梯状图形。绘制梯形图时应遵循以下几条规则：,规则1：梯形图按从左到右，自上而下的顺序绘制（指令编程亦应从左到右，自上而下）。每个编程元件线圈为一逻辑行。元件线圈与右母线直接相联。两线圈不能串联，也不能在线圈与右母线之间接其他元件，线圈一般也不允许直接与左母线相联。,11.2 PLC的编程语言与指
7、令系统,2023/9/25,规则2：除有跳转指令外，一般某编号的线圈在梯形图中只能出现一次。,规则3：在梯形图中的触点应画在水平线上，不应画在垂直线上，这是因为这种形式的梯形图无法用指令语句编程，应改画成能够编程的形式。,2023/9/25,规则4：绘制梯形图时，应按照“上重下轻、左重右轻”的原则进行。即当几条支路并联时，串联触点多的应画在上面；几个电路块串联时，并联触点多的电路块应画在左边。按照这个原则绘制的梯形图符合“从左到右、自上而下”的程序执行顺序，并易于用指令语句编程。,规则5：输入继电器的线圈由输入端子上的外部信号驱动，因而输入继电器的线圈不应出现在梯形图中。梯形图中输入继电器触点
8、的通断取决于外部信号。,2023/9/25,11.2.2 PLC的编程元件,以F40M为例。F40M的元件编号采用8进制。,输入继电器：24个，编号为X400X407、X410X413、X500X507、X510X513。,输出继电器：16个，编号为Y430Y437、Y530Y537。,辅助继电器：M100M277，128点为普通型。M300M377，64点为断电保持型。,移位寄存器：由辅助继电器构成。可组成8位或16位的移位寄存器。移位寄存器的第一个辅助继电器的代号，就是这个移位寄存器的代号。,2023/9/25,图示是代号为M300的16位移位寄存器。（1）输入：设置第一个辅助继电器的状态
9、，由接在输入端的输入继电器X400的状态所决定，其操作如图所示。（2）复位：当复位端的信号X402接通（1态）时，M300M317全部处于复位状态（0态）。因此，当移位寄存器按照移位方式工作时，复位输入（在此即指X402）应断开。（3）移位：当移位输入端的信号X401接通（由0变1）一次，每个辅助继电器的状态（1或0）向右移一位，原M317的信号溢出。,2023/9/25,定时器：16个，编号为T450T457，T550T557。每个定时器的定时时间K为0.1999s，在编程中设定。,图示为延时接通定时器。定时值K设定为3s。若输入继电器X400接通，则其常开触点闭合，定时器T450起动，每隔
10、0.1s对K减0.1，直至3s后K减到0，定时器T450输出，其常开触点闭合，接通输出继电器Y430。若输入继电器X400一直接通，定时器T450维持输出。当输入继电器X400断开，定时器T450复位，其常开触点断开，定时值K恢复到设定值。,2023/9/25,图示为延时断开定时器。定时值K设定为19s。输入继电器X400由接通变断开时，则其常开触点断开，常闭触点闭合。由于输出继电器Y430的常开触点自保持，定时器T450起动，每隔0.1s对K减0.1，直至19s后K减到0，定时器输出，其常闭触点T450断开，使输出继电器Y430断开，同时定时值K恢复到设定值。,2023/9/25,计数器：1
11、6个，编号为C460C467，C560C567。每个计数器的计数值K为1999，在编程中设定。每个计数器均有断电保持功能。不需要断电保持时，可用初始化脉冲M71复位。,图示是无电源中断保持的减法计数器。运行开始时，M71将计数器C460复位，计数值等于设定值19。当复位输入断开，计数开始。X401接通一次（由0变1），计数值减1，直到减到0为止，此时C460的常开触点接通，使Y430接通。若再来计数脉冲，计数值仍保持为0，C460的常开触点一直保持接通。直到复位输入X400接通，C460断开，计数值恢复为设定值。,2023/9/25,计数器也可作定时器用。图示是由计数器C461组成的60s定时
12、器。X402接通，100ms的时钟脉冲M72使计数器C461计数，当计数值达到设定值600（即0.1s600=60s）时，计数器C461的常开触点闭合，使输出继电器Y531接通。输入继电器X402断开时，其常闭触点闭合，使C461复位，其常开触点断开，从而使输出继电器Y531断开。利用此特点，可用计数器构成长延时定时器。,2023/9/25,特殊辅助继电器：M70：运行监视。当PLC处于运行状态，M70接通。M71：初始化脉冲。当M70接通，第一执行周期M71接通，可用作计数器、移位寄存器的初始化复位。M72：100ms时钟。产生脉冲间隔为100ms的时钟。M76：电池电压监视。锂电池电压下降
13、到规定值时接通。可以用它的触点通过输出继电器接通指示灯，提醒操作者更换电池。M77：禁止全部输出。若M77的线圈接通，全部输出继电器的输出将自动断开，但辅助继电器、定时器及计数器仍继续工作。在紧急情况下，可用M77切断全部输出。,2023/9/25,11.2.3 PLC的指令,1输入、输出指令LD：取指令。取与左母线相联的常开触点。LDI：取反指令。取与左母线相联的常闭触点。以上两条指令还可与ANB、ORB配合，用于分支电路的开始点OUT：输出指令。用于驱动输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器，但不能用于输入继电器。对于定时器和计数器使用OUT指令后，必须设定常数K，常数K的设定也作为一条指
14、令。,2023/9/25,2与指令AND：常开触点串联联接指令。ANI：常闭触点串联联接指令。,注意：AND指令和ANI指令只能用于一个触点与前面的触点串联，不能用于两个及以上触点并联的电路块与前面的电路串联，并联电路块串联要使用ANB指令。,2023/9/25,3或指令OR：常开触点并联联接指令。ORI：常闭触点并联联接指令。,注意：OR指令和ORI指令只能用于一个触点与前面的电路并联，不能用于两个及以上触点串联的支路与前面的电路并联，串联支路并联要使用ORB指令。,2023/9/25,4电路块并联指令ORB：将两个及以上触点串联的支路（亦称串联电路块）与前面支路并联。使用ORB指令的原则是
15、：（1）先组块后并联；（2）使用ORB指令对各个支路进行并联时，各个支路的起点须使用LD、LDI指令；（3）多个支路组成的并联电路，每写一条并联支路后紧跟一条ORB指令，则并联电路块的条数没有限制，这种编程方式较好。也可以在所有的支路组成之后，集中写若干条ORB指令，但这种写法并联支路不能超过8条，是不好的编程方式。,2023/9/25,2023/9/25,5电路块串联指令ANB：将多个串联电路块并联的电路（亦称并联电路块）与前面的电路串联。使用ANB指令的原则是：（1）先组块后串联；（2）在每一电路块开始时，须使用LD、LDI指令；（3）多个电路块组成的串联电路，在组成一个电路块后，紧跟一条
16、ANB指令，则串联电路块的个数没有限制，这种编程方式较好。也可以在所有的电路块组成之后，集中写若干条ANB指令，但这种写法串联电路块不能超过8个，是不好的编程方式。,2023/9/25,2023/9/25,6复位指令RST：用于计数器、移位寄存器的复位。使用RST指令的原则是：（1）复位电路与计数器的计数电路及移位寄存器的移位电路是相互独立的，他们的先后次序可以任意交换；（2）所有的计数器及一部分移位寄存器具有断电保持功能。因此，在开始运行之前，通常须用初始化脉冲M71将这些计数器和移位寄存器复位，以免出错。,2023/9/25,7移位指令SFT：移位寄存器移位输入指令。,OUT M120对移
17、位寄存器的第一位输入，SFT M120使移位寄存器中每一位的状态逐位向右移一位，RST M120使M120M127复位。,2023/9/25,8脉冲指令PLS：用于产生脉冲信号。PLS指令只能用于M100M377。,在X400的上升沿（由0变1）M101产生一个宽度为一个工作周期的脉冲。工作周期是从程序执行开始到程序执行结束（END）之间所需要的时间。,2023/9/25,计数器和移位寄存器的复位、移位寄存器的移位通常需要这种脉冲。图示为继电器脉冲输出用于计数器复位的例子。,2023/9/25,9空操作指令NOP：使该步为空操作。若在程序中写入NOP指令，可使变更和增加程序时，步序号变更最小。
18、但需注意，若将程序中的LD、LDI、ANB、ORB等指令改为NOP指令，会引起电路结构的重大变化，如图所示。因此，NOP指令的使用应慎重。,2023/9/25,10结束指令END：程序结束时写入END指令。调试程序时，若在每个程序块的末尾写上END指令，检查每一个程序块的运行情况时就可以减少调试时间，检查完毕后，再将各个END指令删去。,2023/9/25,11.3.1 梯形图的经验设计法,经验设计法是沿用设计继电接触器控制电路的方法来设计梯形图，即在一些典型的继电接触器控制电路的基础上，根据被控对象对控制系统的具体要求，不断修改和完善梯形图。经验设计法在设计时无普遍规律可循，设计的质量与设计
19、者的经验有很大的关系。经验设计法可用于较简单的梯形图设计，如一些继电接触器基本控制电路的设计。,11.3 梯形图的设计方法,2023/9/25,图示为电动机直接起动控制的梯形图及输入输出波形图。按下起动按钮，输入继电器X400接通，其常开触点闭合，输出继电器Y430接通，Y430的常开触点闭合自锁。按下停机按钮，输入继电器X401接通，其常闭触点断开，输出继电器Y430断开。,2023/9/25,图示为电动机正反转控制的PLC端子分配、外部接线及梯形图。SB1、SB2和SB3分别是正反转起动和停机按钮。FR是热继电器的保护触点，用它在PLC外端直接通断正反转接触器KM1、KM2的电源更为可靠。
20、X400和X401的常闭触点用来实现按钮联锁，Y430和Y431的常闭触点用来实现Y430和Y431的联锁。为确保在任何情况下两个接触器都不会同时接通，除以上的软件联锁外，还在PLC的外部设置了由KM1和KM2常闭触点实现的硬件联锁。,2023/9/25,在电动机正反转控制梯形图的基础上，很容易设计出电动机的正反转控制且能实现Y降压起动控制的梯形图，如图所示。,当正反转起动时由Y430和Y431的触点并联接通Y432，使KM3通电，实现电动机绕组的Y形联接。同时，T450线圈接通开始延时，当延时时间到2s时，T450输出，其常闭触点打开，断开Y432而使KM3断电；T450常开触点闭合，接通Y
21、433而使KM4通电，电动机转为形联接运行。梯形图中用Y432和Y433的常闭触点实现软件联锁。由于Y430和Y431有自锁，T450线圈接通后不会断开，能维持输出，因而Y433不用自锁。,2023/9/25,11.3.2 梯形图的顺序控制设计法,1、设计步骤,（1）将系统的工作过程划分为若干步。步是根据输出量（输出继电器）的工作状态来划分的。只要系统某一输出量的通断发生了变化，系统就从一步进入了另一步。在每一步内输出量的状态均应保持不变。,2023/9/25,（2）确定各相邻步之间的转换条件。转换条件成立使系统从当前步进入下一步。通常利用行程开关的通断、定时器或计数器的接通提供转换条件。这相
22、当于利用行程控制原理或时间控制原理来实现自动控制。转换条件也可能是若干个信号的逻辑组合。（3）画出功能流程图。功能流程图是描述控制系统的控制过程、功能和特性的图形，又称为功能表图或状态转换图。（4）根据功能流程图画出系统的梯形图。,2、功能流程图的绘制,功能流程图由步（如M200M203）、有向线（步与步之间的连线）、转换（垂直于有向线的短横线）、转换条件（转换旁边标注的说明）和动作组成。,2023/9/25,送料小车的工作图和功能流程图：小车在行程开关X400处装料，10s后装料结束，开始右行。碰到X401后停止、卸料。15s卸料结束，左行回到X400处停下装料。如此循环工作。小车的起动按钮
23、是X500。,2023/9/25,9.4 PLC应用实例,PLC应用控制系统设计的一般步骤为：（1）分析控制任务，确定控制方案。（2）选择PLC机型。（3）系统设计。系统设计包括硬件设计和软件设计。（4）系统调试。,9.4.1 电动机正反转Y-换接起动控制,外部接线与I/O端子分配,2023/9/25,梯形图,程序,LDX400OUTY431ORY430LDY431ANIX402ORY430ANIX401OUTT450ANIY431K 2OUTY430ANIT450LDX401ANIY433ORY431OUTY432ANIX402LDT450ANIX400ANIY432ANIY430OUTY433,2023/9/25,9.4.2 计数器工作电路控制,小瓶药品包装的控制。假设每12瓶包一盒，每12盒包一箱。每12瓶到达传送带时，自动包装机便由产品计数器接收一个3s的信号；当12盒一箱装完后，接收到另一个5s的信号。,2023/9/25,2023/9/25,9.4.3 机械手工作过程控制,工作循环,I/O端子分配及接线,2023/9/25,梯形图,2023/9/25,程序,
