可编程控制器及其应用

第11章 可编程控制器及其应用,11.1 可编程控制器的结构和工作方式 11.2 可编程控制器的程序编制 11.3 可编程控制器应用举例,本章要求：,1. 了解可编程控制器的结构和工作原理。,2. 了解可编程控制器的几种基本编程方法。,3. 熟悉常用的编程指令。,4. 学会使用梯形图编制简单的程序。,第11章 可编程控制器及其应用,1、什么是PLC ?,PLC 是一种专门用于工业控制的计算机。 是计算机技术与自动控制技术相结合而开发的一种适于工业环境的新型通用自动控制装置。, 早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。它主要用于顺序控制，实现逻辑运算。因此，被称为可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，略写 PLC ),概述,第11章 可编程控制器及其应用,它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，是现代工业自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一，大大推进了机电一体化进程。, 随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围，还具有了数据处理、通信、网络等功能。被称为可编程控制器（Programmable controller，略写PC)。为区别于Personal Computer (PC)，故沿用PLC 这个略写。,第11章 可编程控制器及其应用,11.1 PLC结构和工作方式,各种PLC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内部主要由主机、输入 /输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几部分组成。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,第11章 可编程控制器及其应用,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,1. 主机,主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,系统程序存储器：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：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,2. 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）。,3. 电源,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,输出三种形式：继电器 - 低速大功率；可控硅 - 高速大功率； 晶体管 - 高速小功率 输入/输出接口：采用光电隔离，减少电磁干扰。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,4. 编程器,编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。 利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。现在许多PLC采用和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,6. 外部设备接口,I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。,5. 输入输出扩展接口,此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,各种扩展接口、高功能模块：便于扩展。 小型机：一体机。有接口可扩展。 中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随 意组合。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,小型机（一体机）：,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,控制电动机的运行； 电磁阀的开闭； 产品的计数； 设定温度压力；,图为中型可编程控制器。 图的左边部分为主机部分，右边为输入输出模块。,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,中、大型机（模块式）：,11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用,11.1.2 工作方式,微机：等待命令。,PLC工作方式：顺序扫描、不断循环。 CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又 返回第一条，不断循环。,输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。,输入采样,程序执行,输出刷新,11.1.2 工作方式,1. 输入采样阶段,PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。 在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。,11.1.2 工作方式,2. 程序执行阶段,从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入输出状态寄存器中。,3. 输出刷新阶段,在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。,11.1.2 工作方式,由PLC的工作过程可见， 在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。 暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。 因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。,11.1.2 工作方式,11.1.3 主要技术性能,1. 输入/输出点数 ( I/O点数 )。 64128 点 - 小型；128512点 - 中型；,2. 用户程序存储容量。FP1-C24：2720步,3. 扫描速度。 单位： ms /1000步 或 s /步,4. 指令系统条数。,5. 编程元件的种类和数量。,FP1C24编程元件的表示形式及编号范围,11.1.3 主要技术性能,11.1.4 可编程控制器的主要功能和特点,1. 主要功能,（1）开关逻辑控制,（2）定时/计数控制,（3）步进控制,（4）数据处理,（5）过程控制,（6）运动控制,（7）通信联网,（8）监控,（9）数字量与模拟量的转换,2. PLC的主要特点,(1) 可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。,(2) 编程简单，使用方便。,(3) 通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。,11.1.4 可编程控制器的主要功能和特点,(4) 缩短设计、施工、投产的周期，维护容易。 目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。,(5) 体积小，易于实现机电一体化。,11.1.4 可编程控制器的主要功能和特点,1. 用于开关逻辑控制。 2. 用于机加工数字控制。 3. 用于闭环过程控制。 4. 用于组成多级控制系统。 5. 用于机器人控制。,3. 主要应用,11.1.4 可编程控制器的主要功能和特点,指令语句表语言 梯形图语言,指令语句表语言：类似于微机中的汇编语言。 梯形图语言：沿袭了传统的控制图。直观明了，易于掌握。,11. 2 .1 编程语言,流程图语言 布尔代数语言,11.2 可编程控制器的编程语言,笼型电动机直接起动控制,梯形图语言,指令语句表语言,X1-SB1; X0-SB2; Y0-KM(线圈和常开触点);,11.2.1 编程语言,11.2.2 梯形图的规则,（1）梯形图的左边为起始母线，右边为结束母线。 梯形图按从左到右、从上到下的顺序书写。,（3）继电器的线圈用 表示， 如 - R0、-Y0 。 线圈前面必须有接点。,（4）梯形图中，接点可串可并，但线圈只能并不能串。,11.2.2 梯形图的规则,PLC的内存除存放用户和系统的程序外，还有四个区：,寄存器和接点的概念,用户在对这四个区进行操作时，可以以寄存器和(或) 接点的方式进行。,I/O区：可直接与外部输入、输出端子传递信息,内部辅助寄存器区：存放中间变量,数据区：存放中间结果,专用寄存器区：定时时钟、标志、系统内部的命令,11.2.2 梯形图的规则,I/O区：可以以接点和寄存器的方式对其进行操作。,实际输入端子：X0XF 实际输出端子：Y0Y7 其他的I/O区可作为辅助寄存器用。,如：松下电工的FP1-24 I 区： WX0WX12 X0X12F O区：WY0WY12 Y0Y12F,内部辅助寄存器区：可以以接点和寄存器的方式 对其操作。（ Rmn 、WRm）,数据区：只能以寄存器的方式进行操作。 （DTm）,11.2.2 梯形图的规则,专用寄存器(FP1机：WR900WR903)。常用的如下：,R900A : “”标志 R900B: “=”标志 R900C: “”标志,专用数据寄存器(FP1机： DT9000DT9069),设置日期时间、高速计数器、步进等指令有关。,R9010: 常ON继电器 R9011: 常OFF继电器,R9013: 仅在第一个扫秒周期ON，其他时候均为OFF R9014: 仅在第一个扫秒周期OFF，其他时候均为ON,R9018R901D: 周期分别为 0.01s, 0.02s, 0.1s, 0.2, 1s, 2s的 时钟脉冲继电器,11.2.2 梯形图的规则,寄存器是一个16位二进制单元，16位中的每一位是一个接点，对应外部一个输入/输出端子。,输入寄存器 WXm 输出寄存器 WYm,输入端子Xmn 输出端子Ymn,m ：十进制数，寄存器编号,n：16进制数(0F),寄存器的 位址,以I/O区为例：,寄存器和接点的概念,11.2.2 梯形图的规则,例1：若X03 为“ON”，,则 WX0 的位址3为 “1”,若 WY1=7，,则表明Y10、Y11、Y12三个接点“ON”,1,11.2.2 梯形图的规则,PLC中有两类接点：常开接点和常闭接点。,接点通断情况与接点的赋值有关： （以 X0为例：若 X0的逻辑赋值为“1”，则,若 X0的逻辑赋值为“0”，则,11.2.2 梯形图的规则,11.2.3 PLC 指令系统,以下介绍以松下电工的PLC产品为例。,一、指令的分类,键盘指令 非键盘指令 高级指令,1.按编程器输入指令的方式分类,FPII型手持编程器：,通信接口,LCD显示屏,键盘,11.2.3 PLC 指令系统,键盘指令：可从键盘上 直接键入的指令,扩展功能指令：用F键加功 能号方可键入的指令。,11.2.3 PLC 指令系统, 基本指令 数据传送指令 算术运算指令 位移指令,2. 按指令的功能分类, 位操作指令 数据变换指令 转移控制指令 特殊控制指令,11.2.3 PLC 指令系统,ST （Start） ：从左母线开始一个新逻辑行时，或开始一个逻辑块时， 输入的第一条指令。,二、基本指令,功能：读入指定常开接点（X1）的ON/OFF信息。,功能：读入指定常闭接点（X1）的ON/OFF信息。,1. 起始指令ST，ST/与输出指令OT,11.2.3 PLC 指令系统,OT （Output） ： 表示输出一个变量。,ED （End） ：表示程序结束指令。,功能：把输出指令之前的运算结果用于驱动指定 线圈。,11.2.3 PLC 指令系统,X：输入继电器； Y：输出继电器； R：内部继电器 ； T：延时器； C：计数器；,11.2.3 PLC 指令系统,例2：当输入接点X0 “1” 时，使输出继电器Y0、 Y1动作，当输入接点X1 “0” 时，使继电器Y2动作。,指令语句表,0 ST X0,1 OT Y0,2 OT Y1,3 ST/ X1,4 OT Y2,梯形图,地址 指 令,5 ED,11.2.3 PLC 指令系统,逻辑关系 梯形图 指令语句表,0 STX0,0 STX0,0 ST / X0,当 X0 与 X1 都 “1” 时，则有输出（ Y0） 。,当 X0 或 X1 “1” 时， 则有输出 （ Y0 ） 。,当 X0 “0” 时， 则有输出（ Y0 ）。,1 ANX1,2 OTY0,1 ORX1,2 OTY0,1 OT Y0,11.2.3 PLC 指令系统,AN: 接点串联指令。 AN/:接点串联反指令。,0 ST X0 1 AN/ X1 2 OT Y0,0 ST X0 1 OR/ X1 2 OT Y0,0 ST X0 1 OT Y0 2 / 3 OT Y1,OR: 接点并联指令。 OR/:接点并联反指令。,/:反指令。,2. 接点串联、并联和反指令,11.2.3 PLC 指令系统,X：输入继电器； Y：输出继电器； R：内部继电器 ； T：延时器； C：计数器；,11.2.3 PLC 指令系统,例3：当输入条件R0、R1和R2同时赋值为“1”时， Y3被输出的程序。,指令语句表,0 ST R0,1 AN R1,2 AN R2,3 OT Y3,梯形图,时序图,4 ED,11.2.3 PLC 指令系统,X2是和图中A点处的结果（即X0与X1的结果）相或，而不是与X1相或。,0 ST X0 1 AN X1 2 OR X2 OT Y0 4 ED,指令语句表,11.2.3 PLC 指令系统,3. 块串联指令ANS,指令块1,指令块2,语句表指令,逻辑关系：当 “X0 或 X2”与 “X1 或X3非” 都 “ON” 时， 则输出 Y0 “ON”。,0 ST X0,1 OR X2,2 ST X1,3 OR/ X3,4 ANS,5 OT Y0,11.2.3 PLC 指令系统,指令块1,指令块2,语句表指令,逻辑关系：当 “X0 与 X1” 或“X2 与X3非” “ON” 时， 则输出 Y0 “ON”。,0 ST X0,1 AN X1,2 ST X2,3 AN/ X3,4 ORS,5 OT Y0,4. 块并联指令ORS,11.2.3 PLC 指令系统,例5：写出梯形图的指令语句表。,0 ST X0,地址 指令,OR X1,2 ST X2,3 AN X3,4 ST X4,5 AN/ X5,6 ORS,7 OR X6,8 ANS,9 OR/ X7,OT Y0,11 ED,11.2.3 PLC 指令系统,例6：直接起动控制。,控制电路图,I/O分配： X0：起动 X1：停车 Y0：KM,Why?,11.2.3 PLC 指令系统,梯形图,常闭接点,常开按钮,控制电路图,11.2.3 PLC 指令系统,KMR,I/O分配： SB0X0 SB1 X1 SB2 X2 KMF Y0 KMR Y1,例7：三相异步电动机的正反转控制。,11.2.3 PLC 指令系统,I/O分配： 停车按钮 SB0X0 正转起动按钮SB1 X1 反转起动按钮SB2 X2 KMF Y0 KMR Y1,11.2.3 PLC 指令系统,控制电路图,梯形图,I/O分配： SB0X0 SB1 X1 SB2 X2 KMF Y0 KMR Y1,11.2.3 PLC 指令系统,0 ST X1,指令语句表,1 OR Y0,2 AN / X0,3 AN / Y1,4 OT Y0,5 ST X2,6 OR Y1,7 AN / X0,8 AN / Y0,9 OT Y1,11.2.3 PLC 指令系统,编程中应注意的几个问题,1.用电路变换简化程序(减少指令的条数）,11.2.3 PLC 指令系统,2.逻辑关系应尽量清楚(避免左轻右重),11.2.3 PLC 指令系统,3.避免出现无法编程的梯形图,11.2.3 PLC 指令系统,5.TM:（定时器指令）,输入接点,定时器号码 （FP1:099）,定时设置值: 032767,定时时间 = 定时设置值 定时单位,11.2.3 PLC 指令系统,说明：,（1）定时器为 减1计数。减为 0时，定时器的 常开接点闭合， 常闭接点断开。,（2）在定时器工 作期间，输入接 点断开，则运行 中断，定时器复 位。,设置值,定时器号,11.2.3 PLC 指令系统,动作说明： 当Y0闭合后，定时器T5开始计时。 经过300.1=3s后，Y1接通，Y2断开。,0 ST Y0,例8：定时器应用举例,指令语句表,1 TMX 5 K 30,4 ST T5,5 OT Y1,6 ST/ T5,OT Y2,8 ED,11.2.3 PLC 指令系统,与定时器有关的两个寄存器：EVn 和SVn (n为寄存器编号,该编号与定时器编号对应),EVn：存储定时器TMn的过程值。,SVn：存储定时器TMn的设置值。,11.2.3 PLC 指令系统,例9:试编制延时3s接通、延时4s断开的电路梯形图和指令语句表。,指令语句表 0 ST X0 1 TMX 1 K 30,4 ST Y0 5 AN/ X0 TMX 2 K 40,ST T1 OR Y0 11 AN/ T2 12 OT Y0 13 ED,11.2.3 PLC 指令系统,例10:编制震荡输出电路的梯形图和指令语句表。,指令语句表 0 ST X0 1 AN/ T1 2 TMY 0 K 4,6 ST T0 7 TMY 1 K 6,11 ST X0 12 AN/ T0 13 OT Y0 14 ED,11.2.3 PLC 指令系统,设置值,计数器编号,指令语句表,6.CT:（计数器指令）,计数脉冲,复位信号,0 ST X0,1 ST X1,2 CT 100 K 4,5 ST C100,6 OT Y0,11.2.3 PLC 指令系统,与计数器有关的两个寄存器：EVn 和SVn (n为寄存器编号,该编号与计数器编号对应),EVn：存储计数器 CTn 的过程值。,SVn：存储计数器 CTn 的设置值。,（1）复位信号接通时，计数器复位，恢复初始值。,说明：,（2）复位信号断开时，每来一个计数脉冲减1，直 到减为0，计数器的常开接点接通，常闭接点 断开。,11.2.3 PLC 指令系统,Y0,例:画输出波形。,0 ST X0 ST X1 2 CT 100 K 2 5 ST C100 6 OT Y0 7 ED,11.2.3 PLC 指令系统,例:分析由定时器与计数器组成的长延时电路的工作过程。,11.2.3 PLC 指令系统,7. PSHS, RDS, POPS（堆栈指令）,0 ST X0,功能解释,PSHS (Push Stack) ： 将结果存入堆栈,RDS (Read Stack)：从堆栈读数,POPS (Pop Stack)：从堆栈读数并清空堆栈,1 PSHS,2 AN X2,3 OT Y0,4 RDS,5 AN X1,6 OT Y1,7 POPS,8 AN/ X2,9 OT R30,11.2.3 PLC 指令系统,8. DF, DF/：微分指令,0 ST X0 1 DF 2 OT R30,X1断开瞬间（下降沿），R31接点接通一个扫描周期。,3 ST X1 4 DF/ OT R31 6 ED,11.2.3 PLC 指令系统,例:比较输出是否相同。并画出输出波形。,（a）,（b）,11.2.3 PLC 指令系统,9.置位、复位指令：SET、 RST（Reset）,这两条指令的功能类似于KP指令，但使用比KP指令灵活。,0 ST X0 1 SET Y0,Y0,4 ST X1 5 RST Y0,11.2.3 PLC 指令系统,10. 保持指令： KP （Keep）,0 ST X0 1 ST X1 KP R0 3 ED,说明： （1）在置位信号接通的瞬间，R0置1。以后无论置位 信号状态如何，只要复位信号断开，R0的状态 均为1。 （2）在复位信号接通的瞬间，R0置0。 （3）在复位信号和置位信号同时接通时，复位优先。,置位信号,复位信号,11.2.3 PLC 指令系统,Y0,11.2.3 PLC 指令系统,例：有三台电动机，M1先启动，5s后电机M2 启动，再过4s后电机M3启动。 画出继电接触器控制电路； (2)用PLC控制时编制其梯形图和指令语句表。,11.2.3 PLC 指令系统,方案一 (1)控制电路,(2) I/O分配： X1：SB1 X2：SB2 Y1：电机M1 Y2：电机M2 Y3：电机M3,11.2.3 PLC 指令系统,（3）梯形图,11.2.3 PLC 指令系统,0 ST X2 1 OR Y1 2 AN/ X1 3 PSHS 4 AN/ Y2 5 TMX 1 K 50 8 POPS 9 OT Y1 10 ST T1 11 OR Y2 12 AN/ X1,13 PSHS 14 AN/ Y3 15 TMX 2 K 40 18 POPS 19 OT Y2 20 ST T2 21 OR Y3 22 AN/ X1 23 OT Y3 24 ED,（4）指令语句表,11.2.3 PLC 指令系统,方案二 梯形图,I/O分配： X1：启动按钮 X2：停车按钮 Y1：电机M1 Y2：电机M2 Y3：电机M3,11.2.3 PLC 指令系统,11. 空操作指令NOP,语句表指令 0 ST R01 NOP2 OT Y0,NOP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。,11.2.3 PLC 指令系统,12. 左移位指令：SR,（1）SR指令只能对WR型寄存器进行移位。 （2）IN：串行输入端。接点X1通，最低位置1，接点X1断，置0。 （3）C：移位脉冲输入端。X2每闭合一次，左移一位。 （4）CLR：复位清零端。X3闭合，寄存器复位，停止移位指令。,说明：,数据输入端,移位脉冲输入端,复位端,X1,X2,X3,11.2.3 PLC 指令系统,例：流水灯控制。 有8只节日彩灯，排成一行。现要求从右至左以1s点亮1只的速度依次点亮。当灯全亮后再以同样的速度从右至左依次熄灭。如此反复3次后停止。,解：移位寄存器（由辅助继电器R0RF组成） 彩灯 Y7 Y0 移位脉冲由特殊内部继电器R901C（1s） 计数器C100累计次数 X0为重新开始启动触点,11.2.3 PLC 指令系统,彩灯 Y7 Y0,11.2.3 PLC 指令系统,KM1：接通电源； KM2：接通；KM3：接通Y,11.3 可编程控制器应用举例,Y3,TMX 50 0,TMX 10 1,(ED),R0,X2,R0,R0,X1,R0,Y2,T1,T0,T0,Y3,Y1,T0,Y2,11.3 可编程控制器应用举例,辅助继电器R0 ,Y 转换完成,11.3 可编程控制器应用举例,应用举例： 2.加热炉自动上料控制,11.3 可编程控制器应用举例,I/O分配： SB1-X1 SB2-X2 STA-X3 STB-X4 SBC-X5 SBD-X6 KM1F-Y1 KM1R-Y2 KM2F-Y3 KM2R-Y4,11.3 可编程控制器应用举例,11.3 可编程控制器应用举例,习 题,第11章 可编程控制器及其应用,11.2.2 试画出图 11.03所示梯形图 中Y0的动作时序图。,第11章 可编程控制器及其应用,11.2.5 试写出图11.05中两个梯形图的指令语句表。,第11章 可编程控制器及其应用,11.3.2 有两台三相笼型电动机M1和M2。今要求M1先起动，经过5s后M2起动；M2起动后，M1立即停车。试用PLC实现上述控制要求，画出梯形图，并写出指令语句表。,第11章 可编程控制器及其应用,11.3.3有三台笼型电动机M1、M2、M3，按一定顺序起动和运行。 （1）M1起动 1 min 后M2起动； （2）M2起动 2 min 后M3起动； （3）M3起动 3 min 后M1停车； （4）M1停车 30 s 后M2和M3立即停车； （5）备有起动按扭和总停车按钮。 试编制用PLC实现上述控制要求的梯形图。,第11章 可编程控制器及其应用,11.3.6 试画出能实现图11.13所示动作时序图的梯形图。,谢 谢!,哈尔滨工业大学（威海）,