可編程控制器原理及應用ProgrammableLogicController(PLC)

ProgrammableController(PC)PLC是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下應用而設計的工業控制裝置，是在繼電器控制和計算機控制的基礎上，逐步發展成以微處理器為核心，把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體的新型工業自動控制裝置?！?

概述一、概況PLC可編程控制器PLC（可編程序控制器）的產生1968年，美國最大的汽車制造商通用汽車公司(GM公司)為了適應生產工藝不斷更新的需要，提出概念：期望找到一種新的方向，盡可能減少重新設計繼電控制系統和重新接線的工作，以降低成本、縮短周期，設想把計算機通用、靈活、功能完備等優點和繼電控制系統的簡單易懂、價格便宜等優點結合起來，制成一種通用控制裝置，并把計算機的編程方法和程序輸入方式加以簡化，用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使得不熟悉計算機的人也能方便地使用。為此進行招標，1969年，美國數字設備公司(DEC公司)研制出了第一臺可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController，簡稱PLC)，在GM公司的自動裝配線上試用獲得了成功。第一代：從第一臺PLC誕生到上個世紀70年代初。第二代：70年代初至70年代末?！馛PU使用中小規模集成電路，采用磁芯存儲器?！馛PU使用微處理器，采用半導體存儲器EPROM?！窨煽啃暂^差，略強于繼電器控制?！駲C種單一，沒形成系列。●有了計算機接口和模擬量控制功能?！窨煽啃蕴岣??！裾麢C功能向系列化、標準化發展，并由專用向通用方向過渡?！窆δ芎唵危ㄖ挥杏嫈?定時功能）?！窆δ茉鰪姡ㄔ黾舆壿?數據運算、數據處理、自診斷等功能）。PLC（可編程序控制器）的發展第三代：70年代末到80年代中期?！馛PU使用8或16位微處理器甚至多微處理器，采用半導體存儲器EPROM、CMOSRAM等。●增加浮點數運算，平方、三角函數等運算。●增加查表、列表功能。●自診斷及容錯技術提高?！裉菪螆D語言及語句表成熟。●小型PLC體積減小、可靠性提高、成本下降。●大型PLC向模塊化、多功能方向發展。

第四代：80年代中期到90年代中期。第五代：90年代中期之后。●增加高速計數、中斷、A/D、D/A、PID等功能?！裉幚硭俣冗M一步提高（1s/步）?！襁B網功能增強?！窬幊陶Z言進一步完善，開發了編程軟件?！馛PU使用16位或32位微處理器。●PLC的I/O點增加，最多可達32K個I/O點。●處理速度進一步提高（1ns/步）?！馪LC都可以與計算機通信?！窬哂袕姶蟮臄抵颠\算、函數運算、大批量數據處理的功能?！耖_發了大量的特殊功能模塊?！窬幊誊浖δ芨鼜姶?。●不斷開發出功能強大可編程終端。

★I/O模塊將直接安裝在現場，CPU與現場I/O通過數據通信實現控制，使系統控制更有效、可靠性更高；

★進一步應用計算機的信息處理技術、網絡通信技術和圖形顯示技術，使系統的產生控制功能與信息管理功能一體化。

★隨著硬件冗余技術的應用，各種單元、甚至整個系統都可應用冗余技術，使系統具有更高的可靠性；PLC（可編程序控制器）的發展趨勢二、PLC的品牌產品三菱：FX1S、FX1N、FX2N、Q、A系列日立：E、EC、EM、EMII、H、EH-150、MICRO-EH系列東芝：EX20EX40系列富士：NB、NJ、NS、SPB系列松下：FP0、FP1、FP2、FP2SH、FP3、FPM、FPC、FP5、

FP10、FP10S、FP10SH系列歐姆龍：CPM1A、CPM2A、C200H、CQM1、CQM1A、

CJ系列SIEMENS：SIMATICS7-200S7-300S7-400系列施耐德：Twido系列通用：GE-I系列德洲儀器：TI100系列LG：K10、K30、K60、K80、K100、K120、K120S（E）、

K200、K300、K1000系列二、PLC的品牌產品

CPM1A40點的主機的外觀2.CPM1A40點的主機的面板結構輸入點LED輸出點LEDI/O擴展器外設端口運行狀態LED

CPM1A主機的輸入/輸出接線端子輸入端子輸出端子CPM1A-20EDR

I/O擴展單元的外觀連接電纜I/O擴展器輸入點LED輸出點LEDCPM1A-20EDRI/O擴展單元的面板I/O擴展器連接電纜CPM1A-20EDR

I/O擴展單元輸入/輸出接線端子輸入端子輸出端子三、主要功能1.邏輯控制可編程序控制器具有邏輯運算功能，它設置有“與”、“或“、“非”等邏輯運算指令，能夠描述繼電器觸點的串聯、并聯、串并聯、并串聯等各種連接。因此它可以代替繼電器進行組合邏輯和順序邏輯控制。2.定時控制可編程序控制器具有定時控制功能。它為用戶提供若干個定時器并設置了定時指令。定時時間可由用戶在編程時設定，并能在運行中被讀出與修改，定時時間的最小單位也可在一定的范圍內進行選擇，因此，使用靈活，操作方便。3.計數控制可編程序控制器具有計數控制功能。它為用戶提供若干個計數器并設置了記數指令。計數值可由用戶在編程時設定，并能在運行中被讀出與修改，有些可編程序控制器還設置了加計數、減計數兩種不同的記數方式。

4.A/D、D/A轉換大多數可編程序控制器還具有摸/數（A/D）和數/摸（D/A）轉換功能，能完成對模擬量的檢測與控制。三、主要功能5.定位控制有些可編程序控制器具有步進電動機和伺服電動機控制功能，能組成開環系統或閉環系統，實現位置控制。

6.通信與聯網有些可編程序控制器具有聯網和通信功能，可以進行遠程I/O控制，多臺可編程序控制器之間還可以進行同位鏈接，還可以與計算機進行上位鏈接。由一臺計算機和多臺可編程序控制器可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制網絡，以完成較大規模的復雜控制。三、主要功能7.數據處理功能大多數可編程序控制器都具有數據處理功能，能進行數據并行傳送、比較運算；BCD碼的加、減、乘、除等運算；還能進行字的按位“與”、“或”、“異或”、求反、邏輯移位、算術移位、數據檢索、比較、數制轉換等操作。

隨著科學技術的不斷發展，可編程序控制器的功能還在不斷拓寬和增強。三、主要功能四、主要特點1.靈活性、通用性強2.可靠性高、抗干擾能力強、適用于惡劣工作環境3.編程簡單易學，使用方便4.接線簡單5.功能強大6.體積小、重量輕、功耗小、安裝維護方便、性價比高，易于實現機電一體化7.控制系統設計簡單，開發周期短1）各種機械行業，可實現設備、自動線的自動化控制；2）順序控制、過程控制、位置控制、生產過程的監控和管理、結合網絡技術；3）數字量、模擬量的數據采集；五、應用范圍學習要求：了解可編程控制器的基本結構與基本工作原理搞清楚PLC內部等效繼電器電路的等效思路熟悉PLC的指令系統掌握PLC的編程方法和開發步驟

一、PLC的基本結構三菱PC基本單元外形CPU存儲器通用串口擴展接口電源外部設備（編程器等）擴展單元、特殊功能單元等輸入狀態寄存器輸出狀態寄存器輸入接口輸出接口現場輸入信號現場輸出信號PLC基本結構框圖§2

可編程控制器的硬件結構與工作原理PLC硬件系統結構圖電源I/O擴展單元輸入設備輸出設備輸出接口外部設備接口輸入接口I/O擴展接口主機PLC編程器打印機磁帶機計算機掃描儀CPU存儲器用戶程序系統程序數據按鈕行程開關觸點電磁閥電磁線圈指示燈2.存儲器系統程序存儲區：存放系統軟件，固化在ROM或EPROM等只讀存儲器中。用戶程序存儲區：存放用戶程序變量（數據）存儲區：存放內部變量或數據通常采用低功耗的CMOS-RAM存儲器加備用電池，可讀寫1.中央處理單元CPU

計算和控制中心。它的性能（位數和主頻）決定了PLC的運算速度和信息處理量的大小。3.輸入/輸出接口：是CPU連接工業現場設備的橋梁。CPU：標準電平弱電數字量外部設備：開關量、模擬量不同電壓等級的交流、直流量高速、低速信號遠程、本地信號輸入/輸出接口PC廠家為用戶提供各種類型的I/O接口電路。直流開關量輸入接口電路光耦的作用:電氣隔離，抗干擾電平轉換開關量輸入接口：將工業現場的開關量信號轉變成CPU能接受的標準邏輯電平。(圖)直流開關量輸入接口交流開關量輸入接口內部直流電源發光二極管光電耦合器輸出方式開關量輸出接口：通過該接口實現對外部設備的驅動控制繼電器輸出晶體管輸出晶閘管輸出繼電器輸出：輸出接口由繼電器構成。晶體管輸出：輸出接口由晶體管構成。晶閘管輸出：輸出接口由晶閘管構成。適于大功率、低速、交、直流負載適合于小功率、高速、直流負載適合于大功率、高速、交流負載(圖)繼電器輸出型接口電路負載電源由外部提供繼電器輸出接口電路Y0COM1晶體管輸出接口電路+5V+24V+24V或+5V6.編程器：是PLC的主要外設。用于用戶程序的編制、編輯、調試、檢查和監視。

便攜式：本身不帶CPU，只能聯機編程。體積小、重量輕、便于生產現場調試。CRT智能式：帶有顯示屏的圖形編程器，有CPU，可聯機編程也可脫機編程，可用多種語言編程。4.擴展接口：是用于擴展I/O單元或特殊功能單元。

通用微機作為編程器：個人電腦，配上廠家提供的編程軟件和通訊線。有效利用資源。5.電源：是PLC的供電電源一般為市電（也有24V供電的）。PLC內部設計有電路進行穩壓和變換。以適應內部電路的需要。二、PLC的基本工作原理PLC的工作方式：循環掃描工作方式掃描周期：從開始到輸出結果完成所需的時間。一般為幾毫秒~幾十毫秒。(圖)開始自診斷與編程器通信讀入現場信號執行用戶程序輸出結果STOPRUN用戶程序輸入映象寄存器輸出映象寄存器執行用戶程序輸出讀入

產品檢測傳送帶如圖示，用PLC來檢測產品數量。為確保不漏檢，對PLC掃描周期有何要求？

產品通過檢測點的時間間隔為：T=0.025m/(50m/60s)=30ms,所以，PLC的掃描周期必須小于30msPLC的分類按I/O點數分小型PLC：入出總點數256中型PLC：入出總點數256~2048大型PLC：入出總點數>2048按結構類型分整體式模塊式（積木式）按功能分低檔機中檔機高檔機

三、PLC分類、主要技術指標PLC的主要技術指標入/出點數掃描速度內存容量指令條數內部元件功能模塊編程語言§3可編程控制器的軟件和用戶環境一、PLC的軟件結構軟件結構監控程序用戶程序1.監控程序

監控程序是可編程控制器產品必須包括的部分，由生產廠家提供。其功能如下：

1）系統管理運行管理：何時輸入、何時輸出、何時運算、何時自檢、何時通訊等進行時間上的分配管理。程序空間的管理：生成用戶環境。系統自檢程序：系統出錯檢驗、用戶程序語法檢驗、句法檢驗等。2）用戶指令解釋程序編輯程序和解釋程序。3）標準程序和系統調用2.用戶程序

用戶在PLC提供的編程環境下編制的完成控制功能的程序。1.用戶數據結構

1）位數據這是一類邏輯量，其值只有“0”或“1”。2）字數據其數制、字長有很多形式。單字或雙字、十進制（K）或十六進制(H)等。3）位和字的混合。二、用戶環境2、PLC的內部等效電路輸入設備輸出設備輸入部分：等效輸入繼電器。邏輯控制部分：由用戶程序實現的邏輯關系。構成邏輯電路的元件是等效編程元件。輸出部分：等效輸出繼電器。

三菱F系列PLC的基本情況日本三菱的早期產品，小型機，整體式結構，包括：基本單元，擴展單元、特殊單元三種。3.PLC的元件

用戶可以使用的輸入輸出接口、內部存儲單元——統稱元件。型號表示方法入出總點數M(基本單元)E（擴展單元）輸出類型R－繼電器輸出T－晶體管輸出S－晶閘管輸出電源種類V－100/110V交流E－220/240V交流D－24V直流FX2N—1234－FX2N--48MR主要技術指標輸入、輸出點總數：48功耗：25VA定時器：16個計數器：16個輔助繼電器：192個（64個有掉電保護）內存：890字運算速度：45us/步序（平均）指令：20條輸出形式：繼電器輸出

編程元件1.輸入繼電器（X0~X7，X10~X17，X20~X27，…）注意：元件編號采用八進制輸入繼電器線圈由外部信號驅動，觸點可無限次使用。2.輸出繼電器（Y0~Y7，Y10~Y17，Y20~Y27，…）主要用于將內部邏輯結果傳遞到外部負載，每一輸出繼電器僅有一常開觸點連到輸出端子供外部負載用，同時也有軟觸點可無限次使用。3.輔助繼電器(M)

編號從M0開始十進制編碼通用型和掉電保護型兩種輔助繼電器僅供內部使用4.定時器（T）編號從T0開始；十進制編碼定時器按定時時鐘的不同進行分組

延時時間由設定的K值大小確定定時器做計時功能5.計數器(C)

編號從C0開始；十進制編碼分加計數、減計數和雙向計數器分掉電保護和通用型兩種

計數值由設定的K值大小確定可對外部事件或內部脈沖進行計數。6.特殊輔助繼電器(M)M8000：運行監視當PLC處于運行狀態時，M8000自動為“1”；反之，M8000為“0”M8002：產生初始化脈沖PLC的第一個掃描周期內，M8002為“1”，以后為“0”。M8000M8002M8012：以周期為100ms循環通斷M8030：鋰電池電壓下降到一定值時M8030為“1”M8033：PLC停止運行時輸出保持M8034：若使M8034為“1”將起到禁止全部輸出的作用M80127.狀態元件(S)

編號從S0開始；十進制編碼分初始狀態元件、原位狀態元件、通用狀態元件和保持狀態元件狀態元件是步進順序控制的重要元件。8.指針（P/I）編號從0開始十進制編碼調用指令和跳轉用分支指正P，中斷程序使用中斷指針I9.數據寄存器（D）編號從0開始十進制編碼分通用寄存器、掉電保護寄存器以及文件寄存器§4可編程控制器的編程和基本的邏輯指令一、PLC的常用編程語言助記符語言：類似于匯編語言，用易于記憶的助記符表達某種操作梯形圖語言:與傳統的繼電器－接觸器控制線路圖相似，不同的是特定元件和構圖規則LDX400ORX402ANIX401OUTY430LDX402OUTY431形象、直觀、易于接受邏輯功能圖語言：類似于與、或、非邏輯電路順序功能流程圖語言：類似于程序框圖。對于一些較復雜的順序控制，用此較易易于描述較為復雜的控制功能，表達直觀二、梯形圖程序設計的規則和方法梯形圖中的元件：必須是對應PLC中給定編號的編程元件梯形圖符號母線：假象能電流從左母線流向右母線邏輯行（每一繼電器線圈為一邏輯行）：按自上而下，自左而右的順序畫邏輯行線圈和觸點的使用：線圈：廣義的線圈。線圈右邊必須連右母線，左邊必須有觸點，同一程序中同一元件的線圈使用兩次或以上稱為雙線圈輸出，一般不應出現雙線圈輸出。觸點：軟觸點，可以無限次的使用，觸點不能連到右母線。程序有結尾標志三、三菱F系列PLC的指令系統輸入、輸出指令LD：“取”指令,用于母線、分支電路開始的常開觸點。LDI：“取反”指令，用于母線、分支電路開始的常閉觸點。OUT：輸出，驅動Y、M、T、C的線圈，注意：驅動T或C時，該指令后必須設常數K值輸入輸出指令編程示例LDX000OUTY000LDIX001OUTM100OUTT0K19LDT0OUTY001LD、LDI地址碼：X、Y、C、T、MOUT地址碼：Y、C、T、M邏輯指令與指令AND：“與”，串聯一個常開觸點ANI：“與非”，串聯一個常閉觸點地址碼：X、Y、M、T、CLDX002ANDM102OUTY035LDY035ANIX003OUTM102ANDT1OUTY036或指令OR：”或“，并聯一個常開觸點ORI：”或非”，并聯一個常閉觸點地址碼：X、Y、M、T、CLDX014ORX016ORIM102OUTY035LDY035ANDX015ORM103ANIX017ORIM110OUTM103電路塊連接指令ORB：塊電路或指令，兩個以上觸點串聯的支路與前面支路并聯LDX001ANDX002LDIX003ANDX004ORBLDX005ANIX006ORBORX007OUTY036ANB：電路塊與指令，用于并聯電路塊與前面接點電路或并聯電路塊的串聯LDX001ANDX002LDX003ANIX004ORBLDX005ANDX006LDIX007ANDX010ORBANBORX011OUTY030復位指令RST：用于對計數器、移位寄存器的復位計數器及復位指令使用示例LDX000RSTC0LDX401OUTC0K10LDC0OUTY030復位輸入端：K值置入計數器計數器觸點復位計數輸入端：每通斷一次，計數值減1計數器觸點：當計數值減為零時，計數器觸點動作；觸點動作后一直保持直到被復位指令復位注：當復位輸入保持時，計數信號不起作用計數器有掉電保護M8002——特殊輔助繼電器定時時間=100X600ms

脈沖輸出指令PLS：將脈寬較寬的輸入信號變成脈寬等于PLC掃描周期的脈沖信號保持指令SET：置位保持指令RST：復位保持指令LDX001SETM202LDX002RSTM202使M202置位并保持使M202復位并保持主控母線指令（目標元素M100~M177）MC：主控開始，引出一條分支母線MCR：主控返回，使分支母線結束并回到原來的母線上

多個繼電器同時受一個觸點或一組觸點控制，這種控制稱為主控指令多，占用內存多輸出繼電器Y530、Y531、Y532受輸入繼電器X500、X501主控LDX500ANDX501OUTM100MCM100LDX502OUTY530LDX503OUTY531LDX504OUTY532MCRM100LDX505OUTY533更好的辦法：采用主控指令注意：MC、MCR必須成對出現。分支母線上每一邏輯行編程時，都要用LD或LDI指令開始?？汕短资褂弥骺啬妇€指令，最多8次。跳步指令CJP：跳轉開始EJP：跳轉結束（1）CJP、EJP后面跟一個標號，代表目的地址。為：700~777之間的3位8進制數。程序A跳轉條件成立？程序C程序BYN（2）程序中CJP跳轉目的地、必須有EJP對應。CJP總在前，EJP總在后。圖跳步指令MPS：進棧指令MRD：讀棧指令MPP：出棧指令LDX500ANDX501MPSANDX502OUTY530MRDANDX503OUTY531MPPANDX504OUTY532LDX505OUTY533空操作指令NOP：不完成任何操作，只是占用一步的時間。程序結束指令END：用于結束程序，表示程序終了指令小結：LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI——對觸點操作的指令ANB、ORB——觸點塊連接指令OUT、SET、RST、PLS——對線圈操作的指令CJP、EJP、MC、MCR、MPS、MRD、

MPP、NOP、END——其它指令四、常用編程技巧1.梯形圖設計技巧指令的能實現性LDX400LDX401ANDX402ORBOUTY431LDX401ANDX402ORX400OUTY431觸點串并聯原則：“左重右輕，上重下輕”LDX400LDX401ORX402ANBOUTY431LDX401ORX402ANDX400OUTY431Y431雙線圈輸出，前一個無效2.定時器及計數器的應用1)定時器用作時間繼電器2)用定時器產生周期脈沖信號T450線圈得電—延時T1秒T451、Y430得電—延時T2秒T451常閉觸點斷T450失電T451失電T451線圈Y430線圈OFFT450觸點T451線圈Y430線圈ONT450觸點3)實現長延時的方法：將兩個計數器串起來使用C460觸點作為下一個計數器C461的計數輸入信號M71脈沖使C460、C461同時初始復位C460、C461各自的觸點控制自己復位，實現連續計數?？傃訒r＝(100ms

999)999M100§5可編程控制器的應用一、電動機常用控制線路舉例1.三相異步電動機起、?？刂崎_關量邏輯控制SB1:起動按鈕SB2:停止按鈕圖X400Y430Y430X402X401KH:熱繼電器常開觸點X402正轉反轉停止2.三相異步電動機正反轉控制目標：按一下SB1，電機正轉——KM1得電并保持按一下SB2，電機反轉——KM2得電并保持按一下SB3，電機停轉——KM1、KM2失電圖X400X401M100M100X402Y431M100T450K2T450Y430X401X400M101M101X402Y430M101T451K2T451Y431

在上述正反轉控制中，若梯形圖設計為如下方式，在實際運行中可行嗎？為什么？3.三相異步電動機Y/啟動控制Y：KM、KM1得電：KM、KM2得電起動停止KMKM2KM1引出分支母線起動KM的同時T450開始延時KM1線圈失電后T451開始延時保持KM得電KM1:ONKM2:OFFKM1:OFFKM2:ON先后分支母線返回圖KM1KM2主電路KMX400X401Y430M100T450T450M100Y430Y432Y431Y431Y432T451T451Y432Y432Y430Y432二、裝配流水線的控制傳送帶上共有8個工位，工件從0號位裝入，分別在1、3、5、7工位上完成4種裝配操作。0、2、4、6工位用于傳送工件。0號位裝有行程開關，當有工件時，合上電源開關傳送帶才可啟動工作。每隔5S移動一個工位。傳送帶裝配流水線工作示意圖ST1YA2YA3YA4YA0 1 2 3 4 5 6 7操作4操作1操作2操作3成品庫工件裝入電源X400X401X402Y430Y431Y432Y433QGSTSBCOMCOM1YA2YA3YA4YA復位按鈕電源開關行程開關用移位寄存器的M111、M113、M115、M117分別控制4種操作，則要求移位寄存器每隔5S移位一次?！绾萎a生移位信號？X400T450T450M100M100K55S5S掃描周期M100三、鉆孔動力頭的控制

動力頭停在處于原位，1ST被壓合

起動SB，電磁閥1YA得電，使動力頭快進

到達工位2，2ST被壓合，使電磁閥1YA、2YA都得電，動力頭工進

到達工位3，3ST被壓合，使電磁閥1YA、2YA失電，動力頭停止前進，工進延時1S，等待加工完成。延時時間到，電磁閥3YA得電，動力頭退回步序輸入條件輸出1YA3YA2YA原位1ST－－－－－－－－－－－－－－＋＋＋＋快進1ST?SB工進2ST延時3ST退回3ST?KT1ST原位動作順序表：現場器件PLC對應端子1ST動力頭原位說明輸入輸出2ST3STSBX400X401X402X4031YA2YA3YAY431Y432Y433快進到位工進到位起動按鈕快進、工進工進退回PLC分配對照表PLC與外部器件的連接關系：X402X402Y433X400X400X403Y431Y431X401Y432Y432X402T450K1COMX400X401X402X403Y431Y432Y433COM1~電源FU1YA2YA3YA1ST2ST3STSBNLGNDPLC的工作電源原位按扭快進工進停止延時退回Y433T450Y433四、搬運機械手的控制搬運機械手示意圖工藝流程圖夾緊后，延時3S再上升，保證可靠夾緊松開后，延時2S再上升，保證可靠松開1ST：下限2ST：上限3ST：右限4ST：左限工件夾緊——電磁閥驅動汽缸來實現2YA：ON夾緊，OFF松開機械手移動：

1YA，控制下降

3YA，上升

4YA，右移

5YA，左移步序輸入條件下降1YA夾緊2YA上升3YA右移4YA左移5YA燈HL原點2ST.4ST——————————+下降1SB+——————————夾緊1ST——+————————上升KT1——++————右移2ST——+——+————下降3ST++————————松開1ST————————————上升KT2————+——————左移2ST————————+——原點2ST.4ST——————————+設計思路：原位——下降——夾緊——上升——右行——下降——松開——M100M101M102M103M104M105M106

上升——左行——回原點M107M110M111啟動下限左限右限上限復位指示燈下降閥左移閥右移閥上升閥夾緊閥PLC接線圖M201Y432M102T450SM201K3夾緊延時M107Y433M103上升M104Y434右行松開K2RM201M106T451M110Y435右行X402X404