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1、第5章 PLC电气控制线路可编程序控制器是:一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计的，是一种用于控制的专用微型计算机。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算 ,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器是在顺序控制器的基础上发展起来的新型控制器。可编程序控制器简称PLC 。5.1 PLC 编程1PLC 的结构、功能和特点（1）PLC 的结构PLC 的结构如图 5-1 所示，主要构成部分有：中央控制单元CPU ，如 MCS-51,MCS-96 ；存储器 : 系统程序存储器ROM; 用户程
2、序存储器RAM ；I/O 接口，是CPU 与I/O 现场设备连接的部件；外部设备，包括编程器等. 通过通信端口与PLC 联系 , 完成人机对话。图 5-1 可编程序控制器结构框图1）中央控制单元中央控制单元(CPU) 是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O 以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时， 首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结
3、果送入I/O 映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。因此，中央控制单元为控制和计算中心，其主要作用是：接受从编程器输入的用户程序，并存入程序存储器中。用扫描方式采集现场输入状态和数据，并存入输入状态寄存器中。执行用户程序，产生相应的控制信号去控制输出电路，实现程序规定的各种操作。通过故障诊断程序，诊断PLC 的各种运行错误。2）存储器PLC 的存储器用来存放系统程序和数据，因此有程序存储器和变量（数据）存储器；程序分系统程序和用户程序，因此程序存储器又分为系统程序存储器和用户程序
4、存储器。 系统程序存储器。系统程序存储器存放系统程序（系统软件）。系统程序决定PLC 性能，它包括监控程序、解释程序、故障自诊断程序、标准子程序及其他各种管理程序。系统程序用来管理、协调PLC 各部分的工作，编译、解释用户程序，进行故障诊断等。系统程序由生产厂家提供，一般固化在ROM 或 EPROM 中，用户不能直接存取。 用户程序存储器。用户程序存储器可分为两部分，一部分用来存储用户程序，另一部分则供监控和用户程序作为缓冲单元。用户程序是用户为解决实际问题并根据PLC 指令系统而编制的程序，它通过编程器输入，经微处理器存入用户程序存储器。为了便于程序的调试、修改、扩充、完善，该存储器可使用
5、RAM ，但具有掉电保护功能。微处理器对供监控和用户程序作为缓冲单元的某些部分可以进行字操作，而对另一部分可进行位操作。在PLC 中，可进行字操作的缓冲单元常称为字元件（也称数据寄存器），可进行位操作的缓冲单元常称为位元件（也称辅助继电器）。 变量（数据）存储器。变量（数据）存储器存放PLC 的内部逻辑变量，如内部继电器、I/O 寄存器、定时器/计数器中的当前值等。由于CPU 需要随时读取和更新这些存储器的内容，因此变量存储器采用RAM 。现今用户程序存储器和变量存储器常采用低功耗的CMOS-RAM及锂电池供电的掉电保护技术，以提高运行可靠性。3）输入 /输出电路（ I/O） 输入电路。 PL
6、C 与外部连接的输入通道。输入信号（如按钮、行程开关以及传感器输出的开关信号或模拟量）经过输入电路转换成中央控制单元能接受和处理的数字信号。 输出电路。 输出电路是PLC 向外部执行部件输出相应控制信号的通道。将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电。通过输出电路， PLC 可对外部执行部件（如接触器、电磁阀、继电器、指示灯、步进电机、伺服电机等）进行控制。输入 /输出电路根据其功能的不同，可分为数字输入、数字输出、模拟量输入、 模拟量输出、位置控制、通信等各种类型。（2）PLC的功能1）逻辑控制。可编程控制器具有逻辑运算功能，它设置有“与”、 “或
7、” 、 “非”等逻辑指令，能够描述继电器触点的串联、并联、串并联、并串联等各种连接。因此它可以代替继电器进行组合逻辑和顺序逻辑控制。2）定时控制。可编程控制器具有定时控制功能。它为用户提供若干个定时器并设置了定时指令。定时时间可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活， 操作方便。3）计数控制。可编程控制器具有计数控制功能。它为用户提供若干个计数器并设置了计数指令。定数值可由用户在编程时设定，并能在运行中被读出与修改，使用灵活，操作方便。4）/D、D/A 转换。大多数可编程控制器还具有模/数（ A/D ）和数 /模（ D/A ）转换功能，能完成对模拟量的检测与控制。5）定位控制。
8、有些可编程控制器具有步进电动机和伺服电动机控制功能，能组成开环系统或闭环系统，实现位置控制。6）通讯与联网。有些可编程控制器具有联网和通讯功能，可以进行远程I/O控制，多台可编程控制器之间可以进行同位链接，还可以与计算机进行上位链接。由一台计算机和多台可编程控制器可以组成 “集中管理、 分散控制” 的分布式控制网络，以完成较大规模的复杂控制。7）数据处理功能。大多数可编程控制器都具有数据处理功能，能进行数据并行传送、比较运算； BCD码的加、减、乘、除等运算；还能进行字的按位“与”、 “或”、 “异或”、求反、逻辑移位、算术移位、数据检索、比较、数制转换等操作。（3）PLC 的特点1）抗干扰能
9、力强、可靠性高、环境适应性好。可编程控制器是专门为工业控制而设计的，在设计和制造中均采用了诸如屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元器件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性很高。此外，可编程控制器具有很强的自诊断功能，可以迅速方便地判断出故障，减少故障排除时间。可在各种恶劣的环境中使用。2）编程方法简单易学。可编程控制器的设计者在设计可编程控制器时已充分考虑到使用者的习惯和技术水平以及用户的使用方便，采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为程序的主要表达方式，程序清晰直观， 指令简单易学， 编程步骤和方法容易理解和掌握。3）应用灵活、通用性好。可编程控制器的用户程序可简单而方便地修改，以适应
10、各种不同工艺流程变更的要求；可编程控制器品种多、可由各种组件灵活组成不同的控制系统，同一台可编程控制器只要改变控制程序就可实现控制不同的对象或不同的控制要求；构成一个实际的可编程控制器控制系统一般不需要很多配套的外围设备。4）完善的监视和诊断功能。各类可编程控制器都配有醒目的内部工作状态、通讯状态、I/O点状态和异常状态等显示，也可以通过局部通讯网络由高分辨率彩色图形显示系统监视网内各台可编程控制器的运行参数和报警状态等；具有完善的诊断功能，可诊断编程的语法错误、数据通讯异常、内部电路运行异常、RAM 后备电池状态异常、I/O 模板配置变化等。2PLC 的编程语言（1）PLC 器内部等效继电器
11、电路PLC 内部有许多具有不同功能的器件，实际上这些器件是由电子电路和存储器组成的。例如输入继电器X 是由输入电路和映象输入接点的存储器组成；输出继电器Y 是由输出电路和映象输出接点的存储器组成；定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态器S、数据寄存器 D、变址寄存器V/Z 等都是由存储器组成的。为了把它们与通常的硬器件区分开，通常把上面的器件统称为软器件，也称编程器件。F-40M型 PLC 内部等效继电器类型、地址号和数目见表5-1 。表5-1 F-40M型PLC 内部等效继电器序号等效继电器地址号数目1 输入继电器 X 400-413；500-513 12；12 2 输出继电器 Y 430-
12、437；530-537 8；8 3 时间继电器 T 450-457；550-557 延时（ (0.1-999)S 8；8 4 计数继电器 C 460-468;560-567 计数 (1-999) 次6；6 5 辅助继电器 M 100-277；300-377 128；64 （2）PLC的编程语言PLC 是按照程序进行工作的。程序就是用一定的语言描述出来的控制任务。1994 年 5月国际电工委员会（IEC）在 PLC 标准中推荐的常用语言有：梯形图；指令语句表；顺序功能图；功能块图。1）梯形图。梯形图基本上沿用继电器-接触器电气控制图的形式，采用的符号也大致相同。如图 5-2 所示，梯形图两侧的平
13、行竖线为母线，其间为由许多触点和编程线圈组成的逻辑行。应用梯形图进行编程时，只要按梯形图逻辑行顺序输入到计算机中，计算机就可自动将梯形图转换成 PLC 能接受的机器语言，存入并执行。图 5-2梯形图梯形图编程的一般规则有： 梯形图按自上而下, 从左到右的顺序排列, 每一个继电器为一个逻辑行, 起始于左母线 , 然后是触点的各种连接, 最后是线圈与右母线连接。 没有输入继电器线圈, 其他继电器线圈在一个程序中只出现一次, 而触点可以重复使用。 在时间继电器和计数继电器之后, 要设常数 , 并单独占一行。2）指令语句表。指令表类似于计算机汇编语言的形式，用指令的助记符来进行编程。它通过编程器按照指
14、令表的指令顺序逐条写入PLC 并可直接运行。指令表的指令助记符比较直观易懂，编程也很简单，便于工程人员掌握，因此得到了广泛的应用。但要注意的是，不同厂家制造的PLC，所使用的指令助记符有所不同，即对同一梯形图来说，用指令助记符写成的语句表也不相同。图5-2 梯形图对应的指令表如下。3）顺序功能图。顺序功能图应用于顺序控制类的程序设计，包括步、动作、转换条件、有向连线和转换五个基本要素。顺序功能图的编程方法是将复杂的控制过程分成对个工作步骤（简称步），每个步又对应着工艺动作，把这些步按照一定的顺序要求进行排列组合，就构成整体的控制程序。顺序功能图如图5-3 所示。图5-3 顺序功能图X000X0
15、01X002X003M0Y000Y000Y001LD X000 AND X001 LD X002 ANI X003 ORB OUT Y000 LDI M0 AND Y000 OUT Y001步1步2动作 1动作 2转换条件 1转换条件 2转换条件 3有向连线转换初始步4）功能块图。功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，熟悉数字电路的技术人员比较容易掌握。该编程语言类似“与门”、 “或门”的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆圈表示“非”运算，信号自左向右流动。功能块图5-4 所示。图5-4 功能块图（3）常见的指令语句表指令语句表的
16、格式有3种： 指令编程元件地址号 指令常数1）输入、输出指令LD：取指令。用于与母线连接的动合触头；LDI ：取反指令。用于与母线连接的动断触头；OUT ：输出指令。由于驱动输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等。但不能用于输入继电器。OUT 指令用语计数器、定时器时，后面必须紧跟常数K 值，常数 K 的设定也作为一个步序。如图 5-5 所示为 LD、LDI 、OUT 指令应用的实例。X000Y030X001M100T50 K19T50Y031图 5-5 LD、LDI 、OUT 指令的使用程序的执行结果如下：Y030 与 X000 的状态完全相同。ORTest1Test2ANDSR S1 Q1 R ResetStartSW1 IX3 当 X001 的状态由1 变 0 时，定时器T50 开始延时， 19s 后，定时器的动合触头闭合，使输出继电器Y031 由 0 变 1。 当 X001 的状态由0变 1 时，输出继电器Y031 立即由 1 变 0。2）逻辑“与”指令AND ：与指令。动合触头串联连接指令。ANI ：与非指令。动断触头串联连接指令。要注意的是， 这两条指令只能用于一个触头与
