第六章-可编程控制器硬件、软件及工作原理

红河学院电气控制与PLC技术教案第六章 可编程控制器硬件、软件及工作原理授课章节6-1可编程控制器的硬件及结构；6-2可编程控制器的分类；周次第10周 总第19次课教学目的和要求1、了解PLC的硬件及结构、功能特点；2、了解PLC分类、内设“软继电器”类型。重点难点内设“软继电器”类型是PLC应用“操作指令”通过软件来实现控制的基础。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数1学时教学过程和教学内容备注6-1 可编程控制器的硬件及结构可编程控制技术涉及多学科技术领域：微型计算机技术各种硬件、软件技术自动化技术电子技术、（经典及现代）控制理论、工程方法通信技术数据信息集成处理与高速传输交换、工控网（局网与工控网）及其现场总线技术、Interent和 Ethernet全面进入工业自动化领域；1、可编程序控制器是当今工业自动化的主流设备之一2、可编程控制器的硬件及结构微处理器（CPU）：接收并存储用户程序和数据；诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。系统存储器系统程序存储器+系统数据存储器：存放系统工作程序（监控程序）；存放模块化应用功能子程序；存放命令解释程序；存放功能子程序的调用管理程序；存放存储系统参数。用户存储器RAM/EPROM/EEPROM：存放用户工作程序；存放工作数据输入单元带光电隔离电路：多种辅助电源类型：AC电源DC24V输入、DC电源DC24V输入、DC电源DC12V输入；接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）；接收模拟量信号（模拟量输入单元）；接收按钮或开关命令（数字量输入单元）；接收传感器输出信号。输出单元带光电隔离器及滤波器：多种输出方式：晶体管、晶闸管、继电器；驱动直流负载（晶体管输出单元）；驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）；驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。通讯及编程接口采用RS-485或RS-422串行总线：连接专用编程器（FX-20P、FX-10P）；连接个人电脑（PC），实现编程及在线监控；连接工控机，实现编程及在线监控；连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯；连接打印机等计算机外设。I/O扩展接口采用并行通讯方式：扩展I/O模块；扩展位置控制模块（如F2-30GM）；扩展通讯模块（如FX-232AW等）；扩展模拟量控制模块（如FX-2DA、FX-4AD等）。3、可编程控制器的编程工具（1）、便携式简易编程器 （2）电脑软件组件编程4、可编程控制器内设“软继电器”类型6-2 可编程控制器的分类FX0N系列可编程序控制器（应用）：FX0N系列可编程序控制器有12种基本单元、3种扩展单元、7种扩展模块，可组成24-128个I/O点的系统。该系列有38种55条功能指令，用户存储器（EEPROM）容量为2000步。 FX0N系列有较强的通信功能，可与内置RS-232C通信接口的设备通信，使用FX0N-485ADP模块，与计算机可实现1：N（最多8台）的通信。FX0N备有8位模拟量输入输出模块FX0N-3A（2路输入，1路输出），可以与三菱公司的A系列可编程控制器联网，内附2点模拟定时器。使用FX0N-232ADP通信适配器，可与有RS-232C接口的设备通信。FX2N系列可编程序控制器（应用）：FX2N系列可编程序控制器功能最强、速度最高。基本指令执行时间高达0.08us/条，用户存储器容量可扩展到16K，I/O点可扩展到256个，有5种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，及模拟定时器功能扩展板，可实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态、200多点定时器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跑步指针、15点中断指针供使用。FX2N有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器时间常数、数学运算、逻辑运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID运算、开平方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、ASCII码输出、BCD与BIN的转换、串行数据传送、校验码、比较触点等功能指令。内装实时钟，有时钟数据比较、加减、读出/写入指令，可用于时间控制。FX2N系列还有矩阵输入、10键输入、16键输入、数字开关、方向开关、7段显示器扫描显示、示教定时器等指令。第六章 可编程控制器硬件、软件及工作原理授课章节6-3可编程控制器的工作原理；6-4可编程控制器的软件（16基本指令）周次第10周 总第20次课教学目的和要求1、理解并掌握PLC的工作原理、等效电路、三个批处理工作过程；2、掌握16基本指令的意义及应用编程。重点难点1、PLC的工作原理、等效电路、三个批处理工作过程；2、左母线的理解、指令的灵活应用教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注6-3 可编程序控制器的工作原理一、PLC控制系统的等效电路二、PLC控制器的工作流程小型PLC工作过程有两大特点：一是周期性扫描，二是集中批处理。三、小型PLC的三个批处理工作过程四、PLC对输入/输出的处理规则1、输入采样扫描到的信号状态，集中写进去的，在本扫描周期中， 它不随外部输入信号的变化而变化。 2、输出映象寄存器的状态由用户程序中输出指令的执行结果来决定。3、输出锁存器中的数据在输出刷新阶段，从输出映象寄存器中写进去的。4、输出端子的输出状态，是由输出锁存器中的数据确定的。5、执行用户程序时所需的输入、输出状态，上从输入映象寄存器和输出映象寄存器中读出的。6-4 可编程控制器的软件一、数据结构十进制数（DEC:DECimal number），常用于：定时器/计数器的设定值；辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、状态（S）等软元件的地址号；应用指令的数值型操作数及指令动作常数（K）。十六进制数（HEX:HEXdecimal number）：与十进制数一样，用于指定应用指令的数值型操作数及指令动作常数（H）。二进制数（BIN:BINary number）：PLC内部数据类型，通过外设进行监视时，各软元件的数值自动变换为十进制数或十六进制数。八进制数（OCT:OCTal number）用于输入继电器和输出继电器的软元件编号。输入继电器用X00X07、X10X17、X20X27等八进制格式进行编号；输出继电器用Y00Y07、Y10Y17、Y20Y27等八进制格式进行编号。BCD码（BCD:BINary Code Decimal）用二进制形式表示的十进制数，常采用8421BCD码。常用BCD码编码开关将BCD码数据送入PLC；PLC常以BCD码格式将输出数据送数码显示器显示。浮点数据（标绘值）：二进制浮点数常用于高精度浮点运算；十进制浮点数用于实施监视。二、可编程序控制器的基本指令编程语言：继电符号语言（梯形图）、指令表；SFC状态图创建“软电气接线图”的编程指令：三菱FX2N系列PLC具有基本逻辑指令20条，步进顺控指令2条，功能指令128条(具有中断输入处理、修改输入滤波器时间常数、数学运算、逻辑运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID运算、开平方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、ASCII码输出、BCD与BIN的转换、串行数据传送、校验码、比较触点等功能指令。内装实时钟，有时钟数据比较、加减、读出/写入指令，可用于时间控制。)可编程控制器应用技术的理念：每写出一条指令就等于（创建）联接了一个对应的电气元件，不同的指令就是不同的电气元件和不同的联接方式，可组成电气工程上所需要的各种复杂程度的控制系统(控制电路)。工作原理（动画演示：Flash多媒体教学资源库）：例：用PLC实现控制抢答器的设计。控制任务：设计一个四组智力竞赛抢答控制程序。控制要求为：（1）当某竞赛者抢先按下按钮，显示器（图2-59七段数码管）能及时显示该组号码，并使蜂鸣器发出响声，同时锁住抢答器使其他组按下的按键无效。（2）抢答器有置位、复位按钮，主持人按下置位按钮后才能重新抢答。 七段数码管1进行PLC输入输出I/O分配：外接电器输入端子外接电器输出端子机内其他器件第一组抢答按钮SB1第二组抢答按钮SB2第三组抢答按钮SB3第四组抢答按钮SB4主持人置位控制按钮SB5主持人复位控制按钮SB6X1X2X3X4X5X6蜂鸣器七段数码管显示A 段七段数码管显示B 段七段数码管显示C 段七段数码管显示D 段七段数码管显示E 段七段数码管显示F 段七段数码管显示G 段Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7辅助继电器M1辅助继电器M2辅助继电器M3辅助继电器M4辅助继电器M5PLC实现控制抢答器的设计（动画演示：组态王6.53教学软件系统）例1 用PLC实现料斗上料生产线的控制。料斗上料生产线示意图如图所示。控制任务：料斗由三相异步电动机M1拖动卷扬机进行提升，料斗提升到上限位后自动翻斗卸料，翻斗时撞击SQ1，随即料斗下降，降至下限位撞击SQ2后停20s加料，同时启动皮带运输机(由三相异步电动机M2拖动)向料斗加料，20s加料到时限后皮带运输机停自行停止工作，料斗则自动上升如此循环。要求：（1）工作方式设置为自动循环工作方式；（2）有必要的电气保护和联锁保护；（3）自动循环时应按任务所述的顺序工作，料斗可以停在爬梯的任意位置，启动时可以使料斗随意从上升或下降的状态开始运行。（4）料斗拖动应有电磁制动抱闸。完成本例编程按以下步骤进行。1进行PLC输入输出端子的定义，即I/O分配；2.PLC控制的梯形图设计。外接电器输入端子外接电器输出端子机内其他器件卷扬机上升启动按钮SB1卷扬机下降启动按钮SB2停止按钮SB3系统试车启动按钮SB4取消系统试车按钮SB5皮带运输机试车启动按钮SB6上限位行程开关SQ1下限位行程开关SQ2X0X1X2X10X11X12X3X4M1电机上升控制接触器KM1M1电机下降控制接触器KM2M2电机运行控制接触器KM4电磁制动抱闸控制接触器KM3Y0Y1Y2Y3辅助继电器M0定时器T0介绍指令的基本的功能强调PLC接线通过例题说明几条基本指令即可完成很多控制任务第六章 可编程控制器硬件、软件及工作原理授课章节6-4可编程控制器的软件（713基本指令）周次第11周 总第21次课教学目的和要求1、理解710基本指令的意义；2、掌握710基本指令的应用编程。重点难点1、电路块的理解及块指令应用；2、“主控指令”按定义很难理解、难掌握，需按“备注”中的注释讲解。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注6-4 可编程控制器的软件上次教学内容回顾：16基本指令的意义及应用编程。PLC控制的电机正反转工作原理（动画演示：Flash多媒体教学资源库）：7、ORB（0r Block）电路块或指令 功能：使电路块与电路块并联8、ANB（AND Block）电路块或指令 功能：使电路块与电路块串联9、定时器指令T（Timer):T0T199为100ms定时器，K定时数为0.13267.6s；T200T245为10ms定时器，K定时数为0.01326.76s；T246T249为1ms定时器，K定时数为0.00132.676s；T250T255为100ms定时器，K定时数为0.13267.6s；10、MC“主控指令” 和MCR“主控复位指令”MC功能：主控电路起点，通过MC指令的操作元件Y或M的常开触点将左母线临时移到一个所需的位置，产生一个临时左母线，形成一个主控电路块。MCR功能：主控电路块终点，取消临时左母线，即将左母返回到原来位置，结束主控电路块。例： 应用： 通过PLC控制的电机正反转工作原理及动作示意（Flash多媒体教学资源库）回顾上次教学内容：16基本指令的意义及应用编程。什么是电路块？注意应用技巧主控指令可理解为创建一个“总开关”第六章 可编程控制器硬件、软件及工作原理授课章节6-4可编程控制器的软件（1115基本指令）、综合设计编程应用周次第11周 总第22次课教学目的和要求1、理解1115基本指令的意义；2、掌握115基本指令的综合设计编程应用。重点难点1、掌握所学指令应用；2、“进栈指令”按定义很难理解、难掌握，需按“备注”中的注释讲解。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注6-4 可编程控制器的软件问题引入：PLC对电机顺序控制工作原理（动画演示：Flash多媒体教学资源库）11、MPS进栈指令、MRD读栈指令、MPP出栈指令功能：用于多重输出。MPS进栈指令将触点的逻辑运算结果推入栈存储器1号单元中，存储器每个单元中原来的数据依次向下推移。MRD读栈指令将栈存储器中1号单元的内容读出。MPP出栈指令将栈存在1号单元的数据取出，其他单元数据依次向上推移。注意：1）MPS、MPP指令必须成对使用，缺一不可；MRD指令有时可以不用。 2）MPS连续使用次数最多不超过11次。3）MPS、MRD、MPP之后若有单个触点串联，用AND、ANI指令；若有触点组成电路块串联，则用ANB指令；若无触点，直接驱动线圈，应该用OUT指令。12、置位与复位指令13、脉冲微分指令（PLS、PLF）PLS上升沿脉冲微分指令上升沿微分输出PLF下降沿脉冲微分指令下降沿微分输出表达方式：0 LD X0 1 PLS M0意义：1、PLS 指令中X0从0到1变化时，M0产生一个扫描周期的脉冲。2、PLF指令中X0从1到0变化时，M0产生一个扫描周期的脉冲。14、空指令与结束指令NOP空操作指令无动作或改写。END结束指令输入输出处理回到第0步，即END后面的指令程序不执行。使用NOP、END指令的注意事项：1）AND、ANI指令改为NOP指令时使相关触点短路；2）ANB指令改为NOP指令时，使前面电路全部短路；3）OR指令改为NOP指令时，使相关电路切断；4）ORB指令改为NOP时前面的电路全部切断；5）当执行程序全部清零操作时，所有指令均变为NOP；6）END并不是PLC的停机指令，仅说明执行用户程序的一个周期结束。15、计数器指令C（Counter):C0C99为通用计数器，K设定值为K1 K32767；C100C199为失电保持计数器，K设定值为K1 K32767；掉电时，其当前值和输出触点的置位/复位状态也能保持。 综合应用应用PLC对继电器电路的改造综合应用1：PLC能耗制动控制（动画演示：组态王6.53教学软件系统）I/O分配：停止SB1X1，正转起动SB2X2，反转起动SB3X3；正转KM1Y1，反转KM2Y2，制动KM3Y3综合应用1：PLC可逆运行反接制动（动画演示：组态王6.53教学软件系统）I/O分配：停止SB1X1，正转起动SB2X2，反转起动SB3X3；速度继电器（正）SK-1X4，速度继电器（反）SK-2X5，正转KM1Y1，反转KM2Y2，R接入或切除KM3Y3通过PLC控制的电机顺序控制工作原理及动作示意（Flash多媒体教学资源库）引入问题。进栈指令可理解为存入一个等效电路（节点）；读栈指令可理解为取用存入的等效电路（节点）；出栈指令可理解为取用并消除原存入的等效电路（节点）通过动画演示介绍控制功能、PLC接线图、PLC控制程序设计思路和步骤第六章 可编程控制器硬件、软件及工作原理授课章节6-4可编程控制器的软件综合设计编程应用周次第12周 总第23次课教学目的和要求全面掌握115基本指令的综合应用编程设计。重点难点1、掌握应用PLC对继电器控制电路进行改造的方法；2、掌握PLC在实际应用中的接线方法；3、理解并体验基本指令的综合应用编程设计技巧，提高应用能力。教学手段多媒体课堂教学，利用多媒体动画，并结合实际问题讲解教学时数2学时教学过程和教学内容备注6-4 可编程控制器的软件综合应用应用PLC对继电器电路的改造综合应用3：PLC绕线式异步机串频敏变阻器起动控制（动画演示：组态王6.53教学软件系统）I/O分配：停止SB1X1，起动SB2X2；电源接入KM1Y1，BP切除KA2Y2，电源指示灯HL1Y4，运行指示灯HL2Y3综合应用4：PLC异步机串自耦变压器起动控制（动画演示：组态王6.53教学软件系统）I/O分配：停止SB1X1，起动SB2X2，全压运行KM2Y2，自耦变压器接入KM1Y1，自耦变压器星点KM3Y3，停车指示灯HL1Y4，起动指示灯HL2Y5，运行指示灯HL3Y6综合应用5：PLC绕线式异步机串电阻起动控制（动画演示：组态王6.53教学软件系统）I/O分配：停止SB1X1，起动SB2X2，电源接入KM1Y1，R1切除KM2Y2，R2切除KM3Y3，R3切除KM4Y4综合应用6：PLC异步机Y/D降压起动控制（动画演示：组态王6.53教学软件系统）I/O分配：停止SB1X1，起动SB2X2，三角形全压运行KM2Y2，电源接入KM1Y1，星形连接KM3Y3例：用PLC实现十字路口交通灯自动控制。控制任务和要求：按启动按钮后如时序图所示。东西方向：绿灯亮4 s，接着闪2 s后熄灭，接着黄灯亮2 s后熄灭，红灯亮8 s后熄灭；南北方向：红灯亮8 s后熄灭，绿灯亮4 s，接着闪2 s后熄灭，接着黄灯亮2 s后熄灭；反复循环工作。按下停止按钮后，系统停止工作。 十字路口交通灯控制时序图1进行PLC输入输出I/O分配：PLC端子的I/O分配情况外接电器输入端子外接电器输出端子机内其他器件启动按钮 SB1停止按钮SB2X0X1东西方向红灯东西方向黄灯东西方向绿灯南北方向红灯南北方向黄灯南北方向绿灯Y0Y1Y2Y3Y4Y5辅助继电器M0、M1、M2、M5、M7、M10 定时器T0、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T72. PLC控制设计本例是控制程序设计完成后的交通灯控制梯形图（方案一）。本设计较典型地应用了按时间原则进行的顺序控制的设计手法和设计思想。每完成一个时间段的工作后，执行相应的切换控制并接通下一个定时单元都应用了不同的设计技巧，双自保支路的使用、“起保停”与主控指令的“总开关”单元的应用较为突出。梯形图可读性强，是经验编程较为典型的应用。以下两图是本例设计的交通灯控制梯形图方案二、三。其编程设计的风格和技巧都很有特点，供读者阅读练习。交通灯控制梯形图（方案二） 交通灯控制梯形图（方案三）注意PLC在实际应用中的接线方法应用PLC对继电器控制电路进行改造时，一是满足原控制的功能；二是控制的梯形图需按PLC指令的规则进行设计。本设计较典型地应用了按时间原则进行的顺序控制的设计手法和设计思想，有多处设计技巧性强，需精读。两个方案设计的风格和技巧都很有特点22