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1、第11章 可編程控制器(PLC),概述,11.2 可編程控制器的程序編制,11.3 可編程控制器應(yīng)用舉例,11.1 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理,第11章 可編程控制器(PLC),本章要求：,1. 了解可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理。,2. 了解可編程控制器的幾種基本編程方法。,3. 熟悉常用的編程指令。,4. 學(xué)會使用梯形圖編制簡單的程序。,第11章 可編程控制器（PLC）,概述,PLC是60年代末發(fā)展起來的一種新型的電氣控制裝置，它將傳統(tǒng)的繼電控制技術(shù)和計算機控制技術(shù)融為一體，被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機械和生產(chǎn)過程的自動控制。,傳統(tǒng)的繼電接觸控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)

2、中廣泛應(yīng)用。但這類控制裝置體積大，耗電較多，功能少，特別是靠硬件連接構(gòu)成系統(tǒng)，接線復(fù)雜，通用性和靈活性差。,它的起源可以追溯到60年代，美國通用汽車公司為了適應(yīng)汽車型號不斷翻新的需要，對生產(chǎn)線上的控制設(shè)備提出了新的要求，為此設(shè)想：把計算機的功能完善、通用靈活等優(yōu)點和繼電接觸控制簡單易懂等優(yōu)點結(jié)合起來，從而提供了繼電器控制系統(tǒng)無法比擬的靈活性。并要求把計算機的編程方法和程序輸入方法加以簡化，使得不熟悉計算機的人也能方便使用。但這一時期它主要是代替繼電器系統(tǒng)完成順序控制，邏輯運算，計時、計數(shù)、故稱為可編程邏輯控制器 簡稱PLC（Programmable Logical Controller）。,可

3、編程控制器的發(fā)展：,進入80年代，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的功能已遠遠超出邏輯控制、順序控制的范圍，它具有數(shù)據(jù)運算、傳送與處理功能和可以進行模擬量控制、位置控制，特別是遠程通訊功能的實現(xiàn)，易于實現(xiàn)柔性加工和制造系統(tǒng)，因此將其稱為可編程控制器（Programmable Controller）簡稱PC ,但為了與個人電腦PC相區(qū)別，仍將其稱為PLC。,目前PLC已廣泛應(yīng)用于冶金、礦業(yè)、機械、輕工等領(lǐng)域，加速了機電一體化的進程。,1.用于邏輯控制,這是PLC的基本功能，也是最廣泛的應(yīng)用，如機車的電氣控制、包裝機械的控制、電梯的控制等。,2.用于模擬量的控制,PLC通過模擬量I/

4、O模塊，實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對模擬量進行控制。如閉環(huán)系統(tǒng)的過程控制、位置控制和速度控制。,2.用于工業(yè)機器人的控制,PLC作為一種工業(yè)控制器，適用于工業(yè)機器人。如自動生產(chǎn)線上有多個自由度的機器人控制。,11.1.1 可編程控制器的主要功能和特點,主要功能,2. PLC的主要特點,(1) 可靠性高，抗干擾能力強。由于采用大規(guī)模集成電路和微處理器，使系統(tǒng)器件數(shù)大大減少，并且在硬件的設(shè)計和制造的過程中采取了一系列隔離和抗干擾措施，使它能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，具有很高的可靠性。,(2) 編程簡單，使用方便。目前大多數(shù)PLC均采用梯形圖編程語言，沿用了繼電接觸控制的一些圖形符號，直觀清晰，易于掌握。,(3)

5、通用性好，具有在線修改能力。PLC硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以靈活地組態(tài)以適應(yīng)不同的控制對象，控制規(guī)模和控制功能的要求。且可通過修改軟件，來實現(xiàn)在線修改的能力，因此其功能易于擴展，具有廣泛的工業(yè)通用性。,,(4) 縮短設(shè)計、施工、投產(chǎn)的周期，維護容量。目前PLC產(chǎn)品朝著系列化、標準化方向發(fā)展，只需根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選用相應(yīng)的模塊進行組合設(shè)計，同時用軟件編程代替了繼電控制的硬連線，大大減輕了接線工作，同時PLC還具有故障檢測和顯示功能，使故障處理時間縮短。,(5) 體積小，易于實現(xiàn)機電一體化。,各種PLC的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但其結(jié)構(gòu)和工作原理大同小異，都是以微處理器為核心的電子電氣系統(tǒng)。PLC

6、各種功能的實現(xiàn)，不僅基于其硬件的作用，而且要靠其軟件的支持。,PLC內(nèi)部主要由主機、輸入 /輸出接口、電源、編程器、擴展接口和外部設(shè)備接口等幾部分組成。,11.2 可編程控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理,11.1.1 可編程控制器的結(jié)構(gòu)及各部分的作用,,,1. 主機,主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器,系統(tǒng)程序存儲器：主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序。系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改。,用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器：主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)、中間結(jié)果。,2. 輸入/輸出(I/O)接口,輸入接口用于接收輸入設(shè)備（如：按鈕、行程開關(guān)、傳感器

7、等）的控制信號。,輸出接口用于將經(jīng)主機處理過的結(jié)果通過輸出電路去驅(qū)動輸出設(shè)備（如:接觸器、電磁閥、指示燈等）。,3. 電源,電源指為CPU、存儲器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配備的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源,4. 編程器,編程器是PLC很重要的外部設(shè)備，它主要由鍵盤、顯示器組成。編程器分簡易型和智能型兩類。小型PLC常用簡易編程器，大、中型PLC多用智能編程器。編程器的作用是編制用戶程序并送入PLC程序存儲器。利用編程器可檢查、修改、調(diào)試用戶程序和在線監(jiān)視PLC工作狀況。現(xiàn)在許多PLC采用和計算機聯(lián)接，并利用專用的工具軟件進行編程或監(jiān)控。,6. 外部設(shè)備接口,I/O擴展接口用于將擴充外部輸入/輸出端

8、子數(shù)擴展單元與基本單元（即主機）聯(lián)接在一起。,5. 輸入輸出擴展接口,此接口可將編程器、打印機、條形碼掃描儀等外部設(shè)備與主機相連。,11.1.3 可編程控制器的工作原理,PLC采用“順序掃描、不斷循環(huán)”的工作方式，這個過程可分為輸入采樣，程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段，整個過程掃描并執(zhí)行一次所需的時間稱為掃描周期。,輸入采樣,程序執(zhí)行,輸出刷新,1. 輸入采樣階段,PLC在輸入采樣階段，以掃描方式順序讀入所有輸入端的通/斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)，并將此狀態(tài)存入輸入狀態(tài)寄存器，即輸入刷新。接著轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。在程序執(zhí)行期間，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，只有在下一個掃描周期的輸入處

9、理階段才能被讀入。,2. 程序執(zhí)行階段,PLC在執(zhí)行階段，按先左后右，先上后下的步序，執(zhí)行程序指令。其過程如下：從輸入狀態(tài)寄存器和其它元件狀態(tài)寄存器中讀出有關(guān)元件的通/斷狀態(tài)，并根據(jù)用戶程序進行邏輯運算，運算結(jié)果再存入有關(guān)的狀態(tài)寄存器中。,3. 輸出刷新階段,在所有指令執(zhí)行完畢后，將各物理繼電器對應(yīng)的輸出狀態(tài)寄存器的通/斷狀態(tài)，在輸出刷新階段轉(zhuǎn)存到輸出寄存器，去控制各物理繼電器的通/斷，這才是PLC的實際輸出。,由PLC的工作過程可見， 在PLC的程序執(zhí)行階段，即使輸入發(fā)生了變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會立即改變，要等到下一個周期輸入處理階段才能改變。暫存在輸出狀態(tài)寄存器中的輸出信號，等到一

10、個循環(huán)周期結(jié)束，CPU集中將這些輸出信號全部輸出給輸出鎖存器，這才成為實際的CPU輸出。因此全部輸入、輸出狀態(tài)的改變就需要一個掃描周期，換言之，輸入、輸出的狀態(tài)保持一個掃描周期。,11.1.3 可編程控制器的主要技術(shù)性能,2. 用戶程序存儲容量,用來衡量PLC所能存儲用戶程序的多少。,3. 掃描速度,指掃描1000步用戶程序所需的時間，以ms/千步為單位。,4. 指令系統(tǒng)條數(shù),指PLC具有的基本指令和高級指令的種類和數(shù)量。種類數(shù)量越多，軟件功能越強。,5. 編程元件的種類和數(shù)量,編程元件指：輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、通用“字”寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及特殊功能繼電器等。其種

11、類和數(shù)量是衡量PLC的一個指標。,FP1C24編程元件的表示形式及編號范圍,11.2 可編程控制器的程序編制,11.2.1 可編程控制器的編程語言,同其它電腦裝置一樣，PLC的操作是依其程序操作進行的，而程序是用程序語言表達的，并且表達的方式多種多樣，不同的生產(chǎn)廠家，不同的機種，采用的表達方式不同，但基本上可歸納為：,1. 梯形圖,是在繼電控制系統(tǒng)電氣原理圖基礎(chǔ)上開發(fā)出來的一種圖形語言。它繼承了繼電器接點、線圈、串聯(lián)、并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形符號，具有形象、直觀、實用的特點，不需學(xué)習(xí)計算機專業(yè)知識，電氣技術(shù)人員使用最方便。,例：用PLC組成電機起停控制電路,繼電接觸控制圖,(1) PLC系統(tǒng)圖,

12、起動按鈕,停止按鈕,如：接通SB0，則X0存儲單元對應(yīng)的位為“1”,反之則為“0”。,常閉接點,(2) 利用梯形圖編制控制程序,Y0,,X0,,,,X1,如：按SB0，則X0存儲單元為“1”則其常開接點閉合，線圈通電，電機轉(zhuǎn)動。,注意：這些接點或線圈并不是真實的物理繼電器接點或線圈，而是在軟件編程中使用的編程元件，每個編程元件與存儲器中的一個存儲單元相對應(yīng)，該存儲單元為“1”則表示梯形圖中常開閉合, 常閉斷開，線圈通電。, ,Y0,如：按SB1，則X1存儲單元為“1”則其常閉接點斷開，線圈斷電，電機停車。,,,輸出繼電 器(線圈),常開接點,梯形圖和助記符語言是PLC中最常用的編程語言，學(xué)習(xí)中

13、應(yīng)注意以下概念：,(1)梯形圖中的繼電器并不一定是物理繼電器，而是PLC存儲器的一個存儲單元，當(dāng)寫入該單元的邏輯狀態(tài)為“1”時，表示繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸頭斷開。,(2)梯形圖中流過的電流不是物理電流，而是概念電流，是程序執(zhí)行的形象表示方式。,(3)梯形圖中的繼電器接點在編寫用戶程序時（即作為邏輯接點）可根據(jù)需要在梯形圖中反復(fù)使用，沒有數(shù)量限制，既可用常開也可用常閉。,(4)只有PLC中的物理繼電器才能驅(qū)動實際負載，其它繼電器只能作為一種邏輯來使用，故稱為“軟繼電器”。,(3)輸入繼電器用于接收外部輸入信號，它不能由PLC內(nèi)部其它繼電器的觸頭來驅(qū)動。,2. 語句表語言,這種編程

14、語言與匯編語言類似，不同的廠家其語句表有所不同，這里以日本松下可編程控制器為例，對上述電機起、?？刂七M行編程（即將梯形圖轉(zhuǎn)換成語句表語言）。,注意：按梯形圖從左到右，從上到下的順序編程。,11.2.2 可編程控制器的編程原則和方法,1. 編程原則,（1）PLC編程元件的觸點在編程過程中可以無限次 使用，每個繼電器的線圈在梯形圖中只能出現(xiàn)一次， 它的觸點可以使用無數(shù)次。,（2）梯形圖的每一邏輯行皆起始于左母線，終止于右母線。線圈總是處于最右邊，且不能直接與左邊母線相連。,,,（3）編制梯形圖時，應(yīng)盡量做到“上重下輕、左重右輕”。,,不合理,合理,（4）兩個或兩個以上的線圈可以并聯(lián)，但不可以串聯(lián)。

15、,2. 編程方法,(1)確定I/O點數(shù)及分配,(2)編制梯形圖和指令語句表,(5)程序以END指令結(jié)束，程序的執(zhí)行是從第一個地址到END指令結(jié)束，在調(diào)試的時候，可以利用這個特點將程序分成若干個塊，進行分塊調(diào)試，直至程序全部調(diào)試成功。,12.2.3 可編程控制器的指令系統(tǒng),ST 起始指令,ST/ 起始反指令,OT 輸出指令,指 令,可使用的編程元件,X Y R T C,,,,,1. 起始指令ST，ST/與輸出指令OT,X Y R T C,Y R T C,功能：讀入指定常開接點（X1）的ON/OFF信息。在每一條邏輯線或一個程序段的開始都要使用ST指令或ST/指令。,功能：讀入指定常閉接點（

16、X1）的ON/OFF信息。,功能：將邏輯運算結(jié)果去驅(qū)動一個指定的線圈，輸出指令可并列使用。OT指令不能用于輸入繼電器X，也不能直接用于左母線。,例：當(dāng)輸入接點X0 ON時，使輸出繼電器Y0、Y1動作，當(dāng)接點X1 OFF時，使繼電器Y2動作。,梯形圖對應(yīng)的 助記符程序,功能：該指令是觸點串聯(lián)連接指令。用于單個動合觸點的串聯(lián)，即完成邏輯“與” 運算。,2. 觸點串聯(lián)指令A(yù)N，AN/與觸點并聯(lián)指令OR，OR/,例：當(dāng)輸入條件R0和R1及R2同時為ON時Y3被輸出的程序。,時序圖,梯形圖程序,例：當(dāng)輸入條件R0為ON，R1和R2為OFF時Y3被輸出程序。,例：當(dāng)輸入條件R0為ON，R1和R2為OFF時

17、Y3被輸出程序。,例：當(dāng)輸入條件R0或R1或R2為ON時Y3被輸出程序。,梯形圖程序,例：當(dāng)輸入條件R0為ON，或R1或R2為OFF時Y3被輸出程序。,,,,梯形圖程序,例1 : 利用PLC實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制,1.要求：SB1按鈕為正轉(zhuǎn)按鈕，SB2為反轉(zhuǎn)按鈕，SB0為停止按鈕。,3. 梯形圖程序,正轉(zhuǎn),反轉(zhuǎn),3. 塊串聯(lián)指令A(yù)NS與塊并聯(lián)指令ORS,,,指令塊1,指令塊2,,語句表指令 ST X0 OR X2 ST X1 OR/ X3 ANS OT Y0,用于電路塊與前面電路塊的串聯(lián),在使用ANS指令前，應(yīng)先完成電路塊的內(nèi)部連接。,ANS指令是一條獨立指令，不帶元件符號。,3. 塊串聯(lián)指

18、令A(yù)NS與塊并聯(lián)指令ORS,指令塊1,,指令塊2,,語句表指令 ST X0 AN X2 ST X2 AN/ X3 ORS OT Y0,,用于電路塊與前面電路塊的并聯(lián),在使用ORS指令前，應(yīng)先完成電路塊的內(nèi)部連接。,ORS指令是一條獨立指令，不帶元件符號。,4. 置位、復(fù)位指令SET，RST,功能：當(dāng)輸入條件變?yōu)镺N時，使指定線圈保持ON狀態(tài)，此后即使輸入變?yōu)镺FF，該輸出仍保持ON狀態(tài)。,功能：當(dāng)輸入條件變?yōu)镺N時，使指定線圈保持OFF狀態(tài)，此后即使輸入變?yōu)镺FF，該輸出仍保持OFF狀態(tài)。,用于對Y和R的置位和復(fù)位,5. 定時器指令TM,定時器分為下列三種類型,TMR:定時單位為0.

19、01s的定時器。,TMX:定時單位為0.1s的定時器。,TMY:定時單位為1s的定時器。,定時器為通電延時型。,設(shè)置值,定時器號,語句表指令 ST X0 TMX 2 K 50 ST T2 OT Y0,5. 定時器指令TM,,,,,,,,,,,X0,T2,如果需要也可構(gòu)成延時斷電的定時器。,,Y0,,,,,X0,6. 計數(shù)器指令CT,設(shè)置值,計數(shù)器號,語句表指令 ST X0 ST X1 CT 100 K 4 ST C100 OT Y0,,,,7. 微分指令DF，DF/,例：,功能：當(dāng)檢測到觸發(fā)信號上升沿時，線圈接通1個掃描周期,功能：當(dāng)檢測到觸發(fā)信號下降

20、沿時，線圈接通1個掃描周期,例：,例：,時序圖,8. 空操作指令NOP,語句表指令 ST R1 NOP OT Y0,NOP指令的使用對程序運行的結(jié)果沒有任何影響，一般為了方便閱讀。,9. 移位指令SR,語句表指令 ST X0 ST X1 ST X2 SR WR2,10. 堆棧指令PSHS、RDS、POPS,PSHS用于壓入堆棧，RDS用于讀出堆棧，POPS用于彈出堆棧。,PSHS,RDS,POPS,語句表指令 ST X0 PSHS AN X1 OT Y0 RDS AN X2 OT Y1 POPS AN X3 OT Y2,12.3 可編程控制器應(yīng)用舉例,選擇PLC類

21、型,硬件設(shè)計,軟件設(shè)計,系統(tǒng)總裝統(tǒng)調(diào),投入運行,1.要求,2.系統(tǒng)圖,3.梯形圖程序,Y1 接通電源、Y2 形連接、Y3 星形連接,啟動時，按下SB2，X2常開閉合，此時R0接通，定時器接通，Y1、Y3也接通，KM1、KM3接觸器接通，電動機進入星形降壓啟動。,延時5秒后，定時器T0動作，其常閉觸點斷開，使Y1、Y3斷開，KM1、KM2斷開。,T0的常開觸點閉合，接通定時器T1，延時1秒后，T1動作，Y1、Y2接通，KM1、KM2接通，電動機三角形聯(lián)結(jié)，進入正常工作。,12.3.2 加熱爐自動上料控制,1.系統(tǒng)要求 系統(tǒng)啟動時，先將爐門打開，當(dāng)爐門打開到最大時，給料機進，送料入爐。給料后，給料機退回到原位，并將爐門關(guān)閉。,,2.系統(tǒng)圖,3.梯形圖程序,