《機電傳動》第七章可編程控制器原理與應用

第7章可編程控制器原理與應用本章需要掌握的內容：熟悉可編程控制器的基本組成、工作原理、特點和用途；重點掌握三菱FX2N系列可編程控制器的指令系統、編程方法和應用實例；

PLC是由美國在60年代研制成功，由最初的可編程邏輯控制器已發(fā)展為現今的可編程控制器。PLC具有邏輯運算、順序控制、定時、計數、和算術運算等功能，并通過數字的、模擬的輸入輸出，控制各種類型的機械或生產過程。它是微機技術和繼電器技術相結合的產物，是以微處理器為核心的專用計算機。它將人工編制的控制程序存放在存儲器中，用程序來實現控制功能。目前，PLC技術、CAD/CAM技術和工業(yè)機器人已成為加工工業(yè)自動化的三大支柱?？删幊炭刂破鞲攀?/p>

ProgrammableLogicController-----PLC7.1.1

基本結構

7.1PLC的基本結構、工作原理和主要特點1）接受用戶程序，存入程序存儲器；2）掃描并采集現場輸入狀態(tài)和數據，存入輸入狀態(tài)存儲器中；3）執(zhí)行用戶程序，產生相應的控制信號，實現程序規(guī)定的各種功能；4）通過故障診斷程序，診斷PLC的各種運行錯誤。1.中央控制單元（微處理器、CPU）

1）系統程序存儲器：它決定PLC性能，包括監(jiān)控程序、解釋程序、自診斷程序和標準子程序及其他各種管理程序等。2用戶程序存儲器：分兩部分，一部分用來存儲用戶程序，另一部分作為監(jiān)控程序和用戶程序的緩沖單元。用戶程序由編程器輸入，經CPU存放于用戶程序存儲區(qū)，使用RAM，具有掉電保護功能。微處理器可對緩沖單元的某些部分進行字操作（字元件）和位操作（位元件）。3變量（數據）存儲器：存儲程序運行時產生的邏輯變量，使用RAM。2.存儲器：用來存放程序和數據1）輸入電路輸入電路是PLC與外部信號連接的輸入通道，現場輸入信號（如按鈕、行程開關等）經過輸入電路轉換成中央控制單元能接受和處理的數字信號。2）輸出電路是PLC向外部執(zhí)行部件輸出相應控制信號的通道。通過輸出電路，PLC可對現場執(zhí)行單元（如接觸器、繼電器、電動機、指示燈等）進行控制。

3.輸入輸出（I/O）電路4.電源部件能將交流電轉換為中央控制單元、輸入/輸出電路所需要的直流電，能消除電源電壓波動、溫度變化對輸出電壓的影響，對過電壓具有一定的保護能力，內部裝有備用電池，實現掉電保護。5.編程器是PLC的重要外圍設備，它能對程序進行編制、調試、監(jiān)視、修改、編緝。分為簡易型和智能型兩種。也可采用計算機作編程器7.1.2PLC的結構形式可分為整體式：結構緊湊，體積小，重量輕，適用于常規(guī)控制。模塊式：采用搭積木的方式組成，在一塊基板上插上CPU、電源、I/O模塊及特殊功能模塊。可根據應用場合靈活選用各模塊，適用于大型系統。7.1.3PLC的工作原理

工作原理：由輸入電路采集被控設備的檢測信號或操作命令，通過微處理器執(zhí)行用戶程序，進行邏輯運算，再通過輸出電路驅動被控設備的執(zhí)行機構。工作方式：周期掃描方式，每個掃描周期分五個階段（1）自診斷：完成對輸入輸出電路、CPU、存儲器的自檢。（與標準狀態(tài)進行比較）（2）與編程器通信。如有通信請求，進行處理。（3）讀入現場信號：讀入所有輸入端的信號狀態(tài)，存入輸入狀態(tài)寄存器（4）執(zhí)行用戶程序：微處理器根據用戶程序對輸入狀態(tài)寄存器中的數據進行運算，將結果存入輸出狀態(tài)寄存器。（5）輸出結果：將輸出寄存器中的數據通過輸出電路轉化為電壓或電流信號，驅動被控設備。PLC有兩種工作狀態(tài)：STOP和RUN全部輸入、輸出的狀態(tài)保持一個掃描周期。掃描周期主要取決于PLC的速度和程序的長短，一般為幾毫秒至幾十毫秒。7.2PLC的主要功能和特點7.2.1PLC的功能（1）邏輯運算和控制功能：能夠描述開關量的串聯、并聯等連接方式，代替繼電器實現邏輯控制。（2）定時、計數功能：（3）A/D、D/A轉換功能：完成對速度、溫度、壓力等模擬量的控制。（4）數控功能：（5）通信與聯網功能：有些PLC具有可以進行遠程控制、多臺PLC之間同位鏈接、與計算機進行上位鏈接。組成大規(guī)模的復雜控制系統。（6）數據處理功能：能進行數據并行傳送、比較運算、移位、數據檢索、數據比較、數制轉換等操作。7.2.2PLC的特點（1）抗干擾能力強，環(huán)境適應性好（2）編程方法簡單易學（3）應用靈活，通用性好（4）完善的監(jiān)視和診斷功能應用：廣泛應用于順序控制，并向過程控制、監(jiān)控和數據采集、統計過程控制、統計質量控制等領域滲透。7.3PLC的編程元件（三菱FX2N系列）1.輸入繼電器X由輸入電路和輸入寄存器組成，其輸入電路組成和工作原理如下：光電耦合器件的作用：a.現場與CPU的隔離，提高系統的抗干擾性。b.將現場的各種電平信號轉化成CPU能處理的標準電平信號。

c.避免電路出現故障時，外部強電損壞主機2

.輸出繼電器Y由輸出電路和輸出寄存器組成，有晶體管、晶閘管和繼電器三種輸出方式。繼電器輸出電路：晶體管輸出電路：CPU可以對輸出繼電器進行讀/寫操作。3.定時器T（時間繼電器）由設定值寄存器、當前值寄存器及狀態(tài)寄存器組成；當x0的狀態(tài)為1時，計數器A累加時鐘脈沖個數，當計數器A的計數值等于設定值后，比較器輸出為1；當x0的狀態(tài)為0時，計數器不計數，定時器的狀態(tài)時鐘為0.定時器可分為1ms、10ms、100ms定時器等。4.計數繼電器C當復位輸入條件X0的狀態(tài)為1時，計數器的狀態(tài)為0；當復位輸入條件X0的狀態(tài)為0時，計數器對X1的脈沖個數進行計數，計數值等于設定值時，計數器的狀態(tài)變?yōu)?，直到復位輸入條件X0由0變?yōu)?時清零。圖7.8計數器工作原理圖X0當前值寄存器設定值寄存器狀態(tài)寄存器復位輸入X1計數脈沖輸入5.輔助繼電器M是存儲器中的一個部分，按位編址，由程序指令控制，專供內部編程使用。

PLC一般有通用輔助繼電器、斷電保持輔助繼電器和特殊輔助繼電器三種。程序可對通用型、斷電保持型輔助繼電器進行讀/寫操作。二者區(qū)別在于是否有斷電保持功能。

特殊輔助繼電器，具有特定功能，根據用戶程序對它們操作的情況，可分為以下兩類：（1）系統軟件寫操作，用戶程序讀操作類。如M8000用于運行監(jiān)控、M8002用于初始脈沖。（2）系統軟件讀操作，用戶程序寫操作類。如M8033用于PLC暫停運行，保持輸出狀態(tài)；M8034用于PLC終止運行。輸出全部為0。

6.數據寄存器D按字編址，由程序指令進行讀/寫操作，用于存儲狀態(tài)參數和運行數據。一般為16位，也可組成32位數據寄存器。（1）通用數據寄存器，用戶程序可對其進行讀/寫操作，PLC運行停止時自動清零。（2）掉電保護數據寄存器，用戶程序可對其讀/寫操作，有掉電保護功能。（3）特殊數據寄存器，供用戶軟件和系統軟件交換信息使用。（4）文件寄存器，用于存儲大量重要數據，三菱FX2N的文件寄存器區(qū)域從D1000開始，以500個為一個子文件區(qū)域，最多可設置14個這樣的子文件區(qū)域。7.指針P/I（1）分支指針：用于指定跳轉、調用指令的目標，FX2N的分支指針為P0～P127。（2）中斷指針：用于中斷子程序

8.狀態(tài)元件S：用于步進順控程序，與STL指令組合使用。7.4

PLC的軟件技術7.4.1用戶數據結構與用戶程序表達方式用戶數據結構1）位數據：即邏輯量，其值為0或1，存放位數據的元件稱為位元件（X、Y、S、M）。2）字數據：即數值量，FX2N的數制形式有十進制和十六進制，但可以處理八進制、ASCⅡ碼、整數、實數、浮點實數等數據?？捎脙蓚€16位的字數據組成一個32位的字數據。存放字數據的元件稱為字元件（如數據寄存器D）3）混合數據：一個元件中既有位數據又有字數據。三菱FX2N的混合元件有定時器T、計數器C。2.用戶程序表達方式1）梯形圖：類似繼電器電路圖，邏輯關系：2）語句表由操作碼、操作數（標志符和地址碼）組成LDX000ANDM100ORY030ANIY0027.4.2基本指令(FX2N系列）1.輸入、輸出指令LD：取指令。對應與左母線連接的或電路塊開始的常開觸點。LDI：取反指令。對應與左母線連接的或電路塊開始的常閉觸點。動斷觸點。OUT：輸出指令。對應與右母線連接的線圈符號。用與計數器或定時器時，后加常數K指令地址號

LD

X000

OUTY030LDI

X001OUT

M100OUT

T50K

19LD

T50OUT

Y0312.邏輯指令:1）邏輯與指令AND—與指令，動合觸點與前一個觸點的串聯ANI—與非指令，動斷觸點與前一個觸點的串聯LDX002;讀X002ANDM102;X002·M102OUTY035;讀Y035LDY035;讀Y035ANIX003;Y035·X003OUTM100;M100=Y035·X003ANDT51;Y035·X003·T51OUTY036;Y036=Y035·X003·T512）邏輯或指令OR-

或指令動合觸點與其它觸點的并聯ORI-或非指令動斷觸點與其它觸點的并聯LDX014ORX016ORIM102OUTY035LDX005ANDX015ORM102ANIX017ORIM100OUTM103對于相同的輸出，兩個觸點串聯連接后組成的電路稱為支路。

ORB-用于兩條以上支路并聯連接的情況。3）支路并聯指令LDX001ANDX002LDIX003ANDX004ORBLDX005ANIX006ORBORX007OUTY0004)電路塊串聯指令

兩條以上支路并聯連接后組成的電路稱為電路塊。ANB-電路塊串聯指令。用兩于兩個電路塊串聯連接的情況。LDX001ANDX002LDX003ANIX004ORBLDX005ANDX006LDIX007ANDX010ORBANBORX011OUTY0303.

置位、復位指令SET(置位指令)用于使位元件置1并保持RST(復位指令)用于使位元件清零并保持LDX000SETY000LDX001RSTY000LDX002SETM0LDX003RSTM0LDY000SETS0LDM0RSTS0圖7.16SET、RST指令的應用舉例X000X001X002X003Y000M00246810[SETY000][RSTY000][SETM0][RSTM0][SETS0][RSTS0]X000X001Y0004.

主令控制指令LDX000MCN0M100LDX001OUTY000LDX002OUTY001MCRN0LDX002OUTY002MC主令控制起始指令，用于公共串聯觸點的連接。MCR主令控制結束指令，用于MC指令的復位。

注意：(1)MC、MCR指令必須成對出現，編程時不要漏掉MCR指令，否則程序將出錯；(2)使用主控指令MC之后，母線轉移至主控制觸點之后，與新分支母線相連的觸點都要用LD或LDI指令；(3)在梯形圖中可以多次使用主控指令，并可嵌套使用，但最多不能超過7次。幾點說明：（1）當許多線圈同時受輸出繼電器Y或輔助繼電器M（特殊輔助繼電器除外）控制時，使用MC指令；（2）在梯形圖中，主控觸點與一般觸點垂直；（3）在指令MCN0M100中，N0表示第一次母線轉移，M100為主控繼電器線圈。（4）當X000=1時，Y000=X001，Y001=X002；當X000=0時，Y000=0，Y001=0。5.

棧指令MPS(進棧指令)：將數據存入棧內，棧內數據下移MRD(讀棧指令)：讀取棧頂的數據，棧內數據不動MPP(出棧指令)：將棧頂的數據讀出，棧內的數據上移LDX000MPSANIX001MPSANDX002OUTY000MPPANDX003OUTY001MRDANDX004ANDX005OUTY002MPPANIX006OUTY003幾點說明：（1）棧指令用于帶分支的多路輸出電路；（2）棧指令僅用于輸入繼電器X作為公共觸點的情況；（3）棧指令沒有使母線移動，故棧指令后的觸點不能用LD或LDI指令；應用實例：6.

脈沖指令圖7.20這組指令與LD、AND、OR指令相對應，指令中P對應上升沿脈沖，F對應下降沿脈沖。LDPX000ORPX001OUTM0LDM8000ANDPX001OUTM1LDFX000ORFX001OUTY000LDM8000ANDFX001OUTY0017.4.3常用編程技巧1.程序的合理性對于并聯支路，串聯觸點多的支路最好排在該功能梯形圖的上面。對于串聯支路，并聯觸點多的電路塊最好排在梯形圖的左面。2.

程序的正確性圖7.23豎線上不能有觸點圖7.24線圈和右母線之間不能連接觸點圖7.25不能使用OUT指令對同一個元件進行兩次以上操作3.定時器的使用1）通電延時功能當輸入信號X000為1時，定時器T0開始計時，當定時器的當前值等于設定時間時，輸出Y000為1，直到輸入信號X000為0時為止（設T0的時鐘周期為0.01s）。2）斷電延時功能當輸入信號X000為1時，輸出Y000為1，定時器不計時。當輸入X000由1變0時，Y000繼續(xù)為1，同時定時器T0開始計時，當定時器的當前值等于設定時間時，T0的狀態(tài)為1，其反碼使輸出Y000由1變?yōu)?，定時器同時停止計時。3）用定時器產生周期脈沖信號當X000由0變1時，T0輸出一個脈沖信號，脈沖信號的脈寬由寄存器D2的值確定，周期則由寄存器D1和D2的值確定，改變寄存器D1和D2的值，就可改變脈沖信號的脈寬和頻率。7.5PLC的應用PLC廣泛應用于工業(yè)生產過程的自動控制（1）用于開關量邏輯控制。取代繼電器—接觸器邏輯控制。如組合機床、自動生產線等。（2）用于閉環(huán)過程控制。利用PLC的PID控制功能實現閉環(huán)控制。（PID控制器就是根據系統的反饋誤差利用比例、微分、積分方法計算控制量來進行控制。）（3）PLC配合數字控制。與NC、CNC組成控制系統。（4）用于工業(yè)機器人控制。（5）用于組成多級控制系統。如FMC、FMS、CIMS等控制系統中，用PLC組成基層和中層控制系統。1.

三相異步電動機的啟動、停止控制7.5.2PLC實現電動機控制的設計

在圖(b)所示PLC外部接線圖中，停止按鈕SB2用的是動合觸點，而在梯形圖中，使用輸入繼電器X000的動斷觸點。這種處理方法使梯形圖與繼電器控制電路一致，讀圖方便。當然也可采用動斷觸點，則梯形圖中用動合觸點。COMCOM0X000X001X002Y000FX2NLDX000ORY000ANIX001ANIX002OUTY000END2.三相異步電動機的正反轉控制KHKHCOMCOM0X000X001X002FX2NY000Y0011)互鎖控制2)正反轉切換延時控制3)正反轉切換時需先按下停止按鈕SB34)熱繼電器觸點的連接方式指令語句表:LDX000ORM0ANIX001ANIX002ANIY001OUTM0LDM0OUTT0K5LDT0OUTY000LDX001ORM1ANIX000ANIX002ANIY000OUTM1LDM1OUTT1K5LDT1OUTY001END3.三相異步電動機Y-Δ啟動控制COMCOM0X000X001Y000FX2NY001Y002KM1KM2KHKM2KM1KH1）T0常閉觸點應換成M0常閉觸點，否則會導致短路；2)T0設定的延時時間是繞組Y接時的運轉時間；3）T1設定的延時時間是Y-Δ切換時間；4)M0的作用是保持T1有電。指令語句表：LDX000ORY000ANIX001OUTY000MC