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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(huì)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(jì)算機(jī)控制技術(shù)融為一體，被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，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(hào)不斷翻新的需要，對(duì)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(jì)算機(jī)的功能完善、通用靈活等優(yōu)點(diǎn)和繼電接觸控制簡單易懂等優(yōu)點(diǎn)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(jì)算機(jī)的編程方法和程序輸入方法加以簡化，使得不熟悉計(jì)算機(jī)的人也能方便使用。但這一時(shí)期它主要是代替繼電器系統(tǒng)完成順序控制，邏輯運(yùn)算，計(jì)時(shí)、計(jì)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(jìn)入80年代，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器的功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制、順序控制的范圍，它具有數(shù)據(jù)運(yùn)算、傳送與處理功能和可以進(jìn)行模擬量控制、位置控制，特別是遠(yuǎn)程通訊功能的實(shí)現(xiàn)，易于實(shí)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(gè)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(jī)械、輕工等領(lǐng)域，加速了機(jī)電一體化的進(jìn)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(jī)車的電氣控制、包裝機(jī)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(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對(duì)模擬量進(jìn)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(jī)器人的控制,PLC作為一種工業(yè)控制器，適用于工業(yè)機(jī)器人。如自動(dòng)生產(chǎn)線上有多個(gè)自由度的機(jī)器人控制。,11.1.1 可編程控制器的主要功能和特點(diǎn),主要功能,2. PLC的主要特點(diǎn),(1) 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。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(jì)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(hào)，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(duì)象，控制規(guī)模和控制功能的要求。且可通過修改軟件，來實(shí)現(xiàn)在線修改的能力，因此其功能易于擴(kuò)展，具有廣泛的工業(yè)通用性。,,(4) 縮短設(shè)計(jì)、施工、投產(chǎn)的周期，維護(hù)容量。目前PLC產(chǎn)品朝著系列化、標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行組合設(shè)計(jì)，同時(shí)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(shí)PLC還具有故障檢測和顯示功能，使故障處理時(shí)間縮短。,(5) 體積小，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)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(shí)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(jī)、輸入 /輸出接口、電源、編程器、擴(kuò)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(jī),主機(jī)部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器：主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對(duì)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(chǔ)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(hào)。,輸出接口用于將經(jīng)主機(jī)處理過的結(jié)果通過輸出電路去驅(qū)動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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?，F(xiàn)在許多PLC采用和計(jì)算機(jī)聯(lián)接，并利用專用的工具軟件進(jìn)行編程或監(jiān)控。,6. 外部設(shè)備接口,I/O擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)充外部輸入/輸出端
8、子數(shù)擴(kuò)展單元與基本單元（即主機(jī)）聯(lián)接在一起。,5. 輸入輸出擴(kuò)展接口,此接口可將編程器、打印機(jī)、條形碼掃描儀等外部設(shè)備與主機(jī)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(gè)過程可分為輸入采樣，程序執(zhí)行、輸出刷新三個(gè)階段，整個(gè)過程掃描并執(zhí)行一次所需的時(shí)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(huì)改變，只有在下一個(gè)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(jìn)行邏輯運(yùn)算，運(yùn)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(duì)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(shí)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(huì)立即改變，要等到下一個(gè)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(hào)，等到一
10、個(gè)循環(huán)周期結(jié)束，CPU集中將這些輸出信號(hào)全部輸出給輸出鎖存器，這才成為實(shí)際的CPU輸出。因此全部輸入、輸出狀態(tài)的改變就需要一個(gè)掃描周期，換言之，輸入、輸出的狀態(tài)保持一個(gè)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(chǔ)容量,用來衡量PLC所能存儲(chǔ)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(shí)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(jí)指令的種類和數(shù)量。種類數(shù)量越多，軟件功能越強(qiáng)。,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(shí)器、計(jì)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(gè)指標(biāo)。,FP1C24編程元件的表示形式及編號(hào)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(jìn)行的，而程序是用程序語言表達(dá)的，并且表達(dá)的方式多種多樣，不同的生產(chǎn)廠家，不同的機(jī)種，采用的表達(dá)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(diǎn)、線圈、串聯(lián)、并聯(lián)等術(shù)語和類似的圖形符號(hào)，具有形象、直觀、實(shí)用的特點(diǎn)，不需學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)，電氣技術(shù)人員使用最方便。,例：用PLC組成電機(jī)起?？刂齐娐?繼電接觸控制圖,(1) PLC系統(tǒng)圖,
12、起動(dòng)按鈕,停止按鈕,如：接通SB0，則X0存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的位為“1”,反之則為“0”。,常閉接點(diǎn),(2) 利用梯形圖編制控制程序,Y0,,X0,,,,X1,如：按SB0，則X0存儲(chǔ)單元為“1”則其常開接點(diǎn)閉合，線圈通電，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。,注意：這些接點(diǎn)或線圈并不是真實(shí)的物理繼電器接點(diǎn)或線圈，而是在軟件編程中使用的編程元件，每個(gè)編程元件與存儲(chǔ)器中的一個(gè)存儲(chǔ)單元相對(duì)應(yīng)，該存儲(chǔ)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(chǔ)單元為“1”則其常閉接點(diǎn)斷開，線圈斷電，電機(jī)停車。,,,輸出繼電 器(線圈),常開接點(diǎn),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(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元，當(dāng)寫入該單元的邏輯狀態(tài)為“1”時(shí)，表示繼電器線圈通電，其動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，動(dòng)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(diǎn)在編寫用戶程序時(shí)（即作為邏輯接點(diǎn)）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(dòng)實(shí)際負(fù)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(hào)，它不能由PLC內(nèi)部其它繼電器的觸頭來驅(qū)動(dòng)。,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(duì)上述電機(jī)起、?？刂七M(jìn)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(diǎn)在編程過程中可以無限次 使用，每個(gè)繼電器的線圈在梯形圖中只能出現(xiàn)一次， 它的觸點(diǎn)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(shí)，應(yīng)盡量做到“上重下輕、左重右輕”。,,不合理,合理,（4）兩個(gè)或兩個(gè)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(diǎn)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(gè)地址到END指令結(jié)束，在調(diào)試的時(shí)候，可以利用這個(gè)特點(diǎn)將程序分成若干個(gè)塊，進(jìn)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(diǎn)（X1）的ON/OFF信息。在每一條邏輯線或一個(gè)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(diǎn)（
16、X1）的ON/OFF信息。,功能：將邏輯運(yùn)算結(jié)果去驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(diǎn)X0 ON時(shí)，使輸出繼電器Y0、Y1動(dòng)作，當(dāng)接點(diǎn)X1 OFF時(shí)，使繼電器Y2動(dòng)作。,梯形圖對(duì)應(yīng)的 助記符程序,功能：該指令是觸點(diǎn)串聯(lián)連接指令。用于單個(gè)動(dòng)合觸點(diǎn)的串聯(lián)，即完成邏輯“與” 運(yùn)算。,2. 觸點(diǎn)串聯(lián)指令A(yù)N，AN/與觸點(diǎn)并聯(lián)指令OR，OR/,例：當(dāng)輸入條件R0和R1及R2同時(shí)為ON時(shí)Y3被輸出的程序。,時(shí)序圖,梯形圖程序,例：當(dāng)輸入條件R0為ON，R1和R2為OFF時(shí)Y3被輸出程序。,例：當(dāng)輸入條件R0為ON，R1和R2為OFF時(shí)
17、Y3被輸出程序。,例：當(dāng)輸入條件R0或R1或R2為ON時(shí)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(shí)Y3被輸出程序。,,,,梯形圖程序,例1 : 利用PLC實(shí)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(dú)立指令，不帶元件符號(hào)。,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(dú)立指令，不帶元件符號(hào)。,4. 置位、復(fù)位指令SET，RST,功能：當(dāng)輸入條件變?yōu)镺N時(shí)，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(shí)，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(duì)Y和R的置位和復(fù)位,5. 定時(shí)器指令TM,定時(shí)器分為下列三種類型,TMR:定時(shí)單位為0.
19、01s的定時(shí)器。,TMX:定時(shí)單位為0.1s的定時(shí)器。,TMY:定時(shí)單位為1s的定時(shí)器。,定時(shí)器為通電延時(shí)型。,設(shè)置值,定時(shí)器號(hào),語句表指令 ST X0 TMX 2 K 50 ST T2 OT Y0,5. 定時(shí)器指令TM,,,,,,,,,,,X0,T2,如果需要也可構(gòu)成延時(shí)斷電的定時(shí)器。,,Y0,,,,,X0,6. 計(jì)數(shù)器指令CT,設(shè)置值,計(jì)數(shù)器號(hào),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(hào)上升沿時(shí)，線圈接通1個(gè)掃描周期,功能：當(dāng)檢測到觸發(fā)信號(hào)下降
20、沿時(shí)，線圈接通1個(gè)掃描周期,例：,例：,時(shí)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(duì)程序運(yùn)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(jì),軟件設(shè)計(jì),系統(tǒng)總裝統(tǒng)調(diào),投入運(yùn)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(dòng)時(shí)，按下SB2，X2常開閉合，此時(shí)R0接通，定時(shí)器接通，Y1、Y3也接通，KM1、KM3接觸器接通，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入星形降壓啟動(dòng)。,延時(shí)5秒后，定時(shí)器T0動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開，使Y1、Y3斷開，KM1、KM2斷開。,T0的常開觸點(diǎn)閉合，接通定時(shí)器T1，延時(shí)1秒后，T1動(dòng)作，Y1、Y2接通，KM1、KM2接通，電動(dòng)機(jī)三角形聯(lián)結(jié)，進(jìn)入正常工作。,12.3.2 加熱爐自動(dòng)上料控制,1.系統(tǒng)要求 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先將爐門打開，當(dāng)爐門打開到最大時(shí)，給料機(jī)進(jìn)，送料入爐。給料后，給料機(jī)退回到原位，并將爐門關(guān)閉。,,2.系統(tǒng)圖,3.梯形圖程序,
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