可編程序控制器電子教程

可編程序控制器電子教案第1章概述1.1可編程序控制器的由來可編程序控制器(ProgrammableController)簡稱為PC可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicCntroller)。簡稱為PLC

1968年．美國最大的汽車制造廠家——通用汽車公司(GM)提出了研制可編程序控制器的基本設(shè)想，即

(1)能用于工業(yè)現(xiàn)場。

(2)能改變其控制“邏輯”，而不需要變動組成它的元件和修改內(nèi)部接線。

(3)出現(xiàn)故障時易于診斷和維修。

1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出了世界上第一臺PLC。我國1974年研制，77年應(yīng)用。1.2可編程序控制器的定義、特點一、定義：可編程序控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設(shè)計?！?/p>

二、特點1編程方法簡單易學(xué)2功能強，性能價格比高3硬件配套齊全．用戶使用方便。適應(yīng)性強4可靠性高。抗干擾能力強5系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少6維修工作量小，維修方便7體積小，能耗低

1.3可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域1.數(shù)字量邏輯控制2.運動控制3.閉環(huán)過程控制4.數(shù)據(jù)處理5.通信聯(lián)網(wǎng)1.4可編程序控制器的發(fā)展趨勢

1．向高性能，高速度、大容量發(fā)展

2．大力發(fā)展微型可編程序控制器

3.大力開發(fā)智能型l／O模塊和分布式I／O子系統(tǒng)

4．基于個人計算機的編程軟件取代手持式編程器

5．可編程序控制器編程語言的標準化

6．可編程序控制器通信的易用化和“傻瓜化”

7．可編程序控制器的軟件化與Pc化

8．組態(tài)軟件引發(fā)的七位計算機編程革命

9．可編程序控制器與現(xiàn)場總線相結(jié)合第2章可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1可編程序控制器的基本結(jié)構(gòu)2.1.1基本結(jié)構(gòu)組成：CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、編程裝置。1CPU模塊1）CPU芯片作用：在可編程序控制器控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當于人的大腦，它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出。2）存儲器：作用：存放系統(tǒng)程序，用戶程序和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)程序：決定PLC的基本智能，由廠家設(shè)計，并存入ROM、EEPROM。用戶不能修改。用戶程序：根據(jù)要求，用PLC的編程語言，編制的程序，用戶用編程器寫入RAM或EEPROM。類型

(1)隨機存取存儲器(RAM)用戶可以用編程裝置讀出RAM中的內(nèi)容，也可以將用戶程序?qū)懭隦AM，它是易失性的存儲器，它的電源中斷后，儲存的信息將會丟失。

(2)只讀存儲器(ROM)ROM的內(nèi)容只能讀出，不能寫入。它是非易失的，它的電源消失后，仍能保存儲存的內(nèi)容。ROM一般用來存放可編程序控制器的系統(tǒng)程序。(3)可電擦除可編程的只讀存儲器(EEPROM或E2PROM)

它是非易失性的，但是可以用編程裝置對它編程．兼有ROM的非易失性和RAM的隨機存取優(yōu)點，但是將信息寫入它所需的時間比RAM長得多。EEPROM用來存放用戶程序和需長期保存的重要數(shù)據(jù)。

2I／0模塊作用：是系統(tǒng)的眼、耳、手、腳，是聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。1）輸入模塊作用：接收和采集輸入信號。輸人電路：設(shè)有RC濾波電路和光電耦合器。

2）輸出模塊作用：控制輸出設(shè)備，執(zhí)行裝置。輸出電路：晶體管和場效應(yīng)管、雙向晶閘管，小型繼電器。

3、編程裝置

作用：編程裝置用來生成用戶程序，并對它進行編輯、檢查和修改。1）.手持式編程器：不能直接輸人和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令表程序，因此又叫做指令編程器。2）.編程軟件編程：在屏幕上直接生成和編輯梯形圖、指令表、功能塊圖和順序功能圖程序，并可以實現(xiàn)不同編程語言的相互轉(zhuǎn)換。

4、電源可編程序控制器使用220V交流電源或24V直流電源。內(nèi)部的開關(guān)電源為各模塊提供DC5V、±12V、24V等直流電源。2.1.2可編程序控制器的物理結(jié)構(gòu)

1整體式（S7—200）（圖2-2）

2模塊式(s7—300和s7—400系列)(圖2-3)。2.1.3可編程序控制器的外部接線

CPU222模塊的外部接線圖(見圖2-6)2.2可編程序控制器的工作原理

2.2.1可編程序控制器的工作方式工作狀態(tài)：STOP：創(chuàng)建和編輯用戶程序，設(shè)置PLC的硬件功能，并可下栽到PLC。

RUN:執(zhí)行用戶程序?qū)崿F(xiàn)控制功能。

掃描工作方式。(圖2-9)2.2.2可編程序控制器的工作原理

1.讀取輸入2.執(zhí)行用戶程序3.通信處理4.自診斷測試5.修改輸出6.中斷程序的處理7.立即I／O處理

2.2.3輸人／輸出滯后時間

是指可編程序控制器的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時刻之間的時間間隔，幾十毫秒。2.3S7-200系列可編程序控制器性能簡介2.3.1CPU模塊S7-200有5種CPU模塊，。2.3.2數(shù)字量擴展模塊當CPUI／O點數(shù)不夠時，必須使用擴展模塊的I／O點數(shù)2.3.3模擬量輸入輸出擴展模塊模擬量擴展模塊有3種。2.3.4熱電偶、熱電阻擴展模塊

EM231熱電偶、熱電阻模塊.EM231熱電偶模塊。2.3.5PROFIBUS-DP通信模塊2.3.6STEP7-Micro／WIN編程軟件簡介2.4可編程序控制器的安裝

2.4.1模塊的安裝與拆卸

1.模塊的安裝與拆卸

2.現(xiàn)場接線端子排與可拆卸的端子連接器。2.4.2本機I／0與擴展l／O本機I／O有固定的地址，擴展I／0點的地址由模塊的類型和模塊在同類I／O模塊鏈中的位置來決定。規(guī)則：1）同類型輸入或輸出點的模塊進行順序編址。

2）數(shù)字量I／0模塊的地址以字節(jié)(8位)為單位，未用的位不會分配給I／0鏈中的后續(xù)模塊。

3）模擬量擴展模塊以2字節(jié)遞增的方式來分配地址。CPU224的I／0地址分配舉例。（圖2—12）第3章可編程序控制器程序設(shè)計基礎(chǔ)3.1可編程序控制器的編程語言與程序結(jié)構(gòu)3.2存儲器的數(shù)據(jù)類型與尋址方式3.3位邏輯指令

3.4定時器與計數(shù)器指令

3.1.1可編程序控制器編程語言的國際標準

1994年5月可編程序控制器標準(IECll31).組成：通用信息，設(shè)備與測試要求，編程語言，用戶指南和通信。編程語言標準。(IECll31．3)(1)順序功能圖(SequentialFunctionChart)。

(2)梯形圖(LadderDiagram)。

(3)功能塊圖(FunctionBlockDiagram)。

(4)指令表(Inst~ctionList)。

(5)結(jié)構(gòu)文本(structuredText)1順序功能圖(SFC)

這是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制程序。順序功能圖提供了一種組織程序的圖形方法，在順序功能圖中可以用別的語言嵌套編程。步、轉(zhuǎn)換和動作是順序功能圖中的三種主要元件?？梢杂庙樞蚬δ軋D來描述系統(tǒng)的功能。

2梯形圖(LAD)

組成：由觸點、線圈和用方框表示的功能塊。（圖3-3）特點：1）沿用繼電器這一名稱，但不是真實繼電器，而是軟件中編程元件。2）假想的“能流”(POWeYFlow)，從左向右流動。3）邏輯解算，從左至右，從上至下。4）線圈放在最右邊，觸點可無限次使用。

3功能塊圖(FBD)

4語句表（STL）指令表程序：一種與微機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式。

5結(jié)構(gòu)文本(sT)

結(jié)構(gòu)文本(sT)是為IECll31—3標準創(chuàng)建的一種專用的高級編程語言。與梯形圖相比，它能實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。

3.2存儲器的數(shù)據(jù)類型與尋址方式3.2.1數(shù)據(jù)在存儲器中存取的方式

1位、字節(jié)、字和雙字位(bit)：二進制數(shù)的1位只有O和1兩種不同的取值。字節(jié)(Byte)：8位二進制數(shù)組成1個字節(jié)。字(Word)：兩個字節(jié)。雙字（DoubleWord）：兩個字。。2數(shù)據(jù)的存取方式

I3.2IB3(圖3-5)。VBl00VWl00VDl00(見圖3-6)。3．2．2不同存儲區(qū)的尋址

1輸入映像寄存器(I)尋址輸入映像寄存器的標識符為I(I0.0-I15.7)，在每個掃描周期的開始，CPU對輸入點進行采樣，并將采樣值存于輸入映像寄存器中。

I、O、V、M、S、SM、L均可按位、字節(jié)、字和雙字來存取。2輸出映像寄存器(Q)尋址輸出映像寄存器的標識符為Q(QO.O～Q15.7)，在掃描周期的末尾，CPU將輸出映像寄存器的數(shù)據(jù)傳送給輸出模塊，再由后者驅(qū)動外部負載。3變量存儲器(v)尋址程序執(zhí)行的過程中存放中間結(jié)果，或用來保存與工序或任務(wù)有關(guān)的其他數(shù)據(jù)。4位存儲器(M)區(qū)尋址內(nèi)部存儲器標志位(MO.0～M31.7)用來保存控制繼電器的中間操作狀態(tài)或其他控制信息。

5特殊存儲器(SM)標志位尋址特殊存儲器用于CPU與用戶之間交換信息如SMO.O、SMO.l、SMO.4和SMO.5

6局部存儲器(L)區(qū)尋址

S7-200有64個字節(jié)的局部存儲器，其中60個可以作為暫時存儲器，或給子程序傳遞參數(shù)。7定時器存儲器(T)區(qū)尋址S7-200有三種時基增量分別為1ms、lOms和lOOms定時器。8計數(shù)器存儲器(c)區(qū)尋址計數(shù)器用來累計其計數(shù)輸入端脈沖電平由低到高的次數(shù)，CPU提供加計數(shù)器、減計數(shù)器和加減計數(shù)器。9順序控制繼電器(s)尋址順序控制繼電器(SCR)位用于組織機器的順序操作，SCR提供控制程序的邏輯分段。10模擬量輸入(AI)尋址

S7-200將現(xiàn)實世界連續(xù)變化的模擬量(如溫度、壓力、電流、電壓等)用A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為1個字長(16位)的數(shù)字量，用區(qū)域標識符AI、數(shù)據(jù)長度(w)和字節(jié)的起始地址來表示模擬量輸入的地址。11模擬量輸出(AQ)尋址

S7-200將1個字長的數(shù)字用D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實世界的模擬量，用區(qū)域標識符AQ、數(shù)據(jù)妊度(w)和字節(jié)的起始地址來表示存儲模擬量輸出的地址12累加器(AC)尋址累加器是可以像存儲器那樣使用的讀／寫單元，例如可以用它向子程序傳遞參數(shù)，或從子程序返回參數(shù)，以及用來存放計算的中間值。CPU提供了4個32位累加器(AC0-AC3)，可以按字節(jié)、字和雙字來存取累加器中的數(shù)據(jù)13高速計數(shù)器(HC)尋址高速計數(shù)器用來累計比CPU的掃描速率更快的事件，其當前值和設(shè)定值為32位有符號整數(shù)，當前值為只讀數(shù)據(jù)。14常數(shù)的表示方法與范圍常數(shù)值可以是字節(jié)、字或雙字，CPU以二進制方式存儲常數(shù)，常數(shù)也可以用十進制、十六進制、ASCII碼或浮點數(shù)形式來3.2.3直接尋址與間接尋址

1直接尋址在指令中直接使用存儲器或寄存器的元件名稱和地址編號，直接查找數(shù)據(jù)，如VW790、VBl00。使用地址指針來存取存儲器中的數(shù)據(jù)，使用前，首先將數(shù)據(jù)所在單元的內(nèi)存地址放入地址指針寄存器中，然后根據(jù)此地址指針存取數(shù)據(jù)。建立指針只能用V、L或ACl、AC2和AC3作指針。例如：MOVD＆VB200，AC1MOVD＆C3，VD6MOVD＆MB4，LD8

2）用指針來存取數(shù)據(jù)（圖3-7）

3）修改指針例：MOVDAC1將指針增加兩次，指向下一個字。INCDAC1MOVW*AC1,AC0將AC1所指向的字的數(shù)值送AC03.3位邏輯指令

3.3.1觸點指令1.標準觸點指令

LD(Load裝載)、A(And，與)和0(Or，或)。2.堆棧的基本概念

S7—200有1個9位的堆棧，棧頂用來存儲邏輯運算的結(jié)果．下面的8位用來存儲中間運算結(jié)果。堆棧中的數(shù)據(jù)一般按“先進后出”的原則存取。3OLD(0rLoad)指令串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接。

OLD指令不需要地址，它相當于需并聯(lián)的兩塊電路右端的一段垂直連線。

4ALD(AndLoad)指令圖3-9中OLD后面的兩條指令將兩個觸點并聯(lián)。5其他堆棧操作指令入棧(LPS，LogicPush)（見圖3-11）。讀棧(LRD，LogicRead)出棧(LPP，LogicPop)裝載堆棧(LDSn，LoadStack，n=1~8)

6立即觸點立即(Immediate)觸點指令只能用于輸入I，執(zhí)行立即觸點指令時，立即讀人物理輸人點的值，根據(jù)該值決定觸點的接通／斷開狀態(tài)，但是并不更新該物理輸人點對應(yīng)的映像寄存器。3.3.3輸出指令

1輸出(=)2立即輸出(=I)

只能用于輸出量(Q)，執(zhí)行該指令時，將棧頂值立即寫入指定的物理輸出位和對應(yīng)的輸出映像寄存器。3置位與復(fù)位（S、R）4立即置位與立即復(fù)位（Sl、Rl）3.3.4其他指令1取反(NOT)2跳變觸點3空操作指令3.4定時器與計數(shù)器指令

3.4.1定時器指令分類：通電延時定時器(TON)、斷電延時定時器(TOF)、保持型通電延時定時器(TONR)分辨率：lms、lOms和lOOms

1.通電延時定時器(TON)2.斷電延時定時器(TOF)。

3．保持型通電延時定時器(TONR)(圖3-18)。

4．定時器當前值刷新的方法1).1ms定時器2)10ms定時器3100ms定時器3.4.2計數(shù)器指令

1.加計數(shù)器CTU。

2減計數(shù)器GTD3加減計數(shù)器CTUD。第4章數(shù)字量控制系統(tǒng)梯形圖程序設(shè)計方法

4.1梯形圖的經(jīng)驗設(shè)計法

經(jīng)驗設(shè)計法:在典型電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)對控制系統(tǒng)要求，不斷地修改和完善梯形圖。設(shè)計所用的時間、設(shè)計的質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，它可以用于較簡單的梯形圖(如手動程序)的設(shè)計。4.1.1梯形圖的基本電路1.起動保持和停止電路

2.延時接通/短開電路

3.閃爍電路（圖4-4）。

4.1.2.小車自動往返運動的梯形圖設(shè)計4.2根據(jù)繼電器電路圖設(shè)計梯形圖的方法4.2.1概述用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。特點：不需要改動控制面板，操作人員不用改變長期形成的操作習(xí)慣。4.2.2基本方法

1)了解和熟悉被控設(shè)備的工藝過程和機械的動作情況，根據(jù)繼電器電路圖分析和掌握控制系統(tǒng)的工作原理。

2)確定可編程序控制器的輸入信號和輸出負載，對應(yīng)的梯形圖中的輸入位和輸出位的地址，畫出可編程序控制器的外部接線圖。

3)確定與繼電器電路圖的中間繼電器、時間繼電器對應(yīng)的梯形圖中的存儲器位(M)和定時器(T)的地址。

4)根據(jù)上述對應(yīng)關(guān)系畫出梯形圖。

例：是某三速異步電動機起動和自動加速的繼電器控制電路圖，圖4-8、圖4-9、圖4-10。4.3.3注意事項遵守梯形圖語言中的語法規(guī)定。置中間單元。

3)盡量減少可編程序控制器的輸入信號和輸出信號。4)外部聯(lián)鎖電路的設(shè)立。5)在串聯(lián)電路中單個觸點應(yīng)放在右邊，在并聯(lián)電路中單個觸點應(yīng)放在下向。

6)外部負載的額定電壓。4.3順序控制設(shè)計法與順序功能圖4.3.1順序控制設(shè)計法

1．用經(jīng)驗設(shè)計法設(shè)計梯形圖時，沒有一套同定的方法和步驟可以遵循，具有很大的試探性和隨意性，對于不同的控制系統(tǒng)，沒有一種通用的容易掌握的設(shè)計方法。梯形圖往往很難閱讀，系統(tǒng)的維修和改進困難。

2．定義：所謂順序控制，就是按照生產(chǎn)工藝預(yù)先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用F，根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)和時間的順序，在生產(chǎn)過程中各個執(zhí)行機構(gòu)自動地有秩序地進行操作。

3.順序控制設(shè)計法的基本思想：將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步(step)，并用編程元件(M和S)來代表各步。a.步的劃分:根據(jù)輸出量的狀態(tài),在任何一步之內(nèi)，各輸出量的ON／OFF狀態(tài)不變，但是相鄰兩步輸出量的狀態(tài)是不同的。b.轉(zhuǎn)換條件:使系統(tǒng)由當前步進入下一步的信號。4．3．2順序功能圖1．順序功能圖的由來功用：描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是設(shè)計可編程序控制器的順序控制程序的有力工具。組成：步、有向連線、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件、動作2.步

1）表示方法：用矩形方框，方框中可以用數(shù)字，編程元件的地址作為步的編號。圖4-12是某組合機床動力頭的進給運動示意圖和輸入輸出信號時序圖。

2）初始步：與系統(tǒng)的初始狀態(tài)相對應(yīng)的步稱為初始步，初始步用雙線方框表示。

3）與步對應(yīng)的動作或命令。

4）活動步：系統(tǒng)正處于某一步所在的階段時．該步處于活動狀態(tài)。3．有向連線與轉(zhuǎn)換條件

1）有向連線：從上到下或從左至右箭頭不標，反之標出。

2）轉(zhuǎn)換：用有向連線上與有向連線垂直的短劃線來表示，將相鄰兩步隔開。

3）轉(zhuǎn)換條件：轉(zhuǎn)換條件是與轉(zhuǎn)換相關(guān)的邏輯命題，轉(zhuǎn)換條件可以用文字語言、布爾代數(shù)表達式或圖形符號標注在表示轉(zhuǎn)換的短線的旁邊。

4．基本結(jié)構(gòu)1）單序列2）選擇序列3）并列序列4）順序功能圖舉例5．轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的基本規(guī)則

1）轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的條件

(1)該轉(zhuǎn)換所有的前級步都是活動步。

(2)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換條件得到滿足。

2）轉(zhuǎn)換實現(xiàn)應(yīng)完成的操作

(1)使所有由有向連線與相應(yīng)轉(zhuǎn)換符號相連的后續(xù)步都變?yōu)榛顒硬健?/p>

(2)使所有由有向連線與相應(yīng)轉(zhuǎn)換符號相連的前級步都變?yōu)椴换顒硬健?．注意事項

(1)兩個步絕對不能直接相連必須用一個轉(zhuǎn)換將它們隔開。

(2)兩個轉(zhuǎn)換也不能直接相連必須用一個步將它們隔開。

(3)初始步一般對應(yīng)于系統(tǒng)等待起動的初始狀態(tài)，始步是必不可少。

(4)自動控制系統(tǒng)應(yīng)能多次重復(fù)執(zhí)行同一工藝過程，一般應(yīng)有由步和有向連線組成的閉環(huán)，即在完成一次工藝過程的全部操作之后，應(yīng)從最后一步返回初始步，系統(tǒng)停留在初始狀態(tài)(單周期，圖4-12)，在連續(xù)循環(huán)工作方式時，將從最后一步返回下一工作周期開始運行的第一步(圖4-17)。(5)只有當某一步的前級步是活動步時，該步才有可能變成活動步第5章順序控制梯形圖的設(shè)計方法

定義:根據(jù)順序功能圖設(shè)計梯形圖的方法。方法:使用起保停電路；以轉(zhuǎn)換為中心；使用控制繼電器。5.1

使用起保停電路設(shè)計順序控制梯形圖的方法

1.鍋爐的鼓風(fēng)機和引風(fēng)機梯形圖設(shè)計2.輸出電路的設(shè)計方法。：

1）某一輸出量僅在某一步中為ON，將它的線圈與對應(yīng)步的存儲器位（M0.2）的線圈并聯(lián)。

2）某一輸出在幾步中都為ON，將代表各有關(guān)步的存儲器位的常開觸點并聯(lián)后，驅(qū)動該輸出的線圈。（M0.1～MO.3的常開觸點并聯(lián)驅(qū)動Q0.O的線圈）5.2以轉(zhuǎn)換為中心的順序控制梯形圖設(shè)計方法1.梯形圖與順序功能圖的對應(yīng)關(guān)系特點：這種設(shè)計方法特別有規(guī)律。在設(shè)計復(fù)雜的順序功能圖的梯形圖時既容易掌握，又不容易出錯。2.某組合機床的動力頭控制系統(tǒng)梯形圖設(shè)計（圖5-8）注意：使用這種編程方法時，不能將輸出位的線圈與置位指令和復(fù)位指令并聯(lián)。5.3使用SCR指令的順序控制梯形圖設(shè)計方法5.3.1順序控制繼電器指令順序控制繼電器s專門用于編制順序控制程序。

裝載順序控制繼電器(LoadSequenceControlRelay)指令LSCRn：表示一個SCR段即順序功能圖中的步的開始。

順序控制繼電器結(jié)束(sequenceControlRelayEnd)指令SCRE：表示SCR段的結(jié)束。

順序控制繼電器轉(zhuǎn)換(sequenceControlRelayTransition)指令SCRTn:表示SCR段之