可編程控制器原理及應用金守峰課程內容第一章緒論第二章可編程控制器的組成與工作原理第三章編程語言與基本邏輯指令第四章FX系列PLC的編程方法第五章功能指令第五章FX系列編程軟件的使用方法一、電氣控制系統的基本功能和特點輸入部分：由各類按鈕開關、行程開關、接近開關、轉換開關等主令電器構成。邏輯部分：由各種繼電器及其觸點組成的實現一定邏輯功能的控制線路。輸出部分：由各種電磁閥線圈，接通電動機的各種接觸器和信號指示燈等執行電器構成。主電路控制電路鼠籠式電動機直接起動的電氣控制系統SB1KMSB2FRKMFRKMFUQ3~M..保險絲熱繼電器發熱元件開關接觸器主觸點起動按鈕停止按鈕接觸器線圈接觸器輔助觸點熱繼電器動斷觸點1.1電器的定義及分類

電器—自動或手動接通和斷開電路，能實現對電路或非電對象切換、保護、檢測、變換和調節目的的電氣元件。電器的分類

低壓電器、高壓電器、手動電器、自動電器控制電器、主令電器、保護電器、配電電器、執行電器、電磁式電器、非電量控制電器等。1.2常用的控制電器開關電器1、刀開關2、轉換開關（組合開關）3、自動開關（自動空氣斷路器）1.2常用的控制電器主令電器自動控制系統中用于發送控制指令——不能直接用于通斷主電路1、控制按鈕2、行程開關（限位開關）3、接近開關（無觸點行程開關）4、各類傳感器5、萬能轉換開關1.2常用的控制電器接觸器用于頻繁接通或斷開交直流主電路或大容量控制電路，按主觸頭通過的電流種類分為：交流接觸器和直流接觸器。1、交流接觸器——主要用于控制籠形和繞線式電動機的起動、運行中斷開以及籠形電動機的反接制動、反向運行、點動等2、直流接觸器——結構和工作原理與交流接觸器基本相同，主要用于遠距離控制，電壓可至400V、電流至600A的直流電路以及頻繁操作的直流電動機。1.2常用的控制電器繼電器按輸入信號的性質分電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、溫度繼電器、速度繼電器、壓力繼電器繼電器與接觸器的不同點：繼電器可以對各種輸入量的變化作出反應，而接觸器只在一定的電壓信號下動作；繼電器用于切換小電流的控制和保護電路，無滅弧裝置而接觸器用來控制大電流電路。工作狀態：線圈斷電“0”，得電“1”；電磁式電流繼電器KI、電磁式電壓繼電器KV、電磁式中間繼電器KA。1.3電氣控制系統的基本功能及特點

實現了用弱電信號控制強電、實現了自動控制，統治時間長（上百年歷史）；可靠性低、通用性差、缺乏“柔性、體積大、耗電多；二、可編程控制器的發展歷程市場背景

60年代末，大批量少品種的生產轉變為小批量多品種的生產，市場所需的“柔性”生產線呼喚新型控制系統的誕生。在傳統的順序控制器的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術而形成的一代新型工業控制裝置，目的是用來取代繼電器、執行邏輯、記時、計數等順序控制功能，建立柔性的程控系統。2.1可編程控制器的產生2.1可編程控制器的產生1、68年GM公司公開招標研制，69年DEC公司應標研制成功世界上第一臺可編程序控制器(ProgrammableLogicController)簡稱PLC。功能：取代繼電器、接觸器控制，進行邏輯運算等。2、70年代PLC采用了通用微處理器，功能不斷增強。3、80年代隨大規模和超大規模集成電路等微電子技術的發展，以16位和32位微處理器構成的微機化PC得到了驚人的發展。

2.2可編程控制器的定義國際電工學會（IEC）定義：可編程序控制器是一種數字運算操作電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的，模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關的外圍設備，都應按易于與工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。2.3可編程序控制器的特點1.可靠性高，抗干擾能力強2.通用性強，控制程序可變，使用方便3.功能強，適應面廣4.編程簡單，容易掌握5.減少了控制系統的設計及施工的工作量6.體積小、重量輕、功耗低、維護方便2.4可編程序控制器的分類按功能強弱低檔機、中檔機、高檔機三類按I/O點數分類小型PLC

中型PLC

大型PLC

2.4可編程序控制器的分類小型PLC

I/O點數<256點，單CPU、8位或16位處理器、用戶存儲器容量4K字以下。GE-I型美國通用電氣（GE）公司TI100

美國德洲儀器公司F、F1、F2

日本三菱電氣公司C20C40

日本立石公司（歐姆龍）S7-200

德國西門子公司EX20EX40

日本東芝公司SR-20/21

中外合資無錫華光電子工業有限公司

2.4可編程序控制器的分類中型PLCI/O點數256～2048點；雙CPU，用戶存儲器容量2～8K。S7-300

德國西門子公司SR-400

中外合資無錫華光電子工業有限公司SU-5、SU-6

德國西門子公司C-500

日本立石公司GE-ⅢGE公司2.4可編程序控制器的分類大型PLCI/O點數>2048點；多CPU，16位、32位處理器，用戶存儲器容量8～16KS7-400

德國西門子公司GE-ⅣGE公司C-2000

立石公司K3

三菱公司2.5可編程序控制器的結構PLC主要由CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成。2.5可編程序控制器的結構CPU模塊微處理器+存儲器I/O模塊系統的眼、耳、手、腳編程器編輯用戶程序，監視PLC狀態電源為系統提供電源中央處理單元存儲器數據存儲器輸出接口地址總線控制總線數據總線編程單元照明電磁裝置執行機構……電源地址總線控制總線輸入接口模擬量輸入行程開關繼電器接點各種開關2.6可編程序控制器的應用開關量邏輯控制

自動生產線、機床電氣控制、沖壓機械、鑄造機械、運輸帶、包裝機、飛剪等控制運動控制

切削機床、金屬成形機械、裝配機器人、電梯等。閉環過程控制溫度、壓力、流量等連續變化的模擬量的閉環控制。數據處理

數學運算、數據傳輸、轉換、排序、查表、位操作。通信聯網

PLC與遠程I/O、PLC之間、PLC與其它智能控制器之間通信。2.7可編程序控制器的應用高性能、高速度、大容量發展多CPU結構高性能、流水RISC結構CPU(32位機)增加智能控制功能支持組態設計大力發展微型PLC，不斷增強微型PLC的功能掌上PLC高性能支持多種編程方式2.7可編程序控制器的應用PLC編程語言標準化

IEC1131-3

順序功能圖（SFC）梯形圖功能塊圖指令表結構文本2.7可編程序控制器的應用PLC與其它工業控制器產品相互融合

2.7可編程序控制器的應用大力開發智能I/O模塊PLC與現場總線相結合基于現場總線的現場級與車間級自動化系統增強通信聯網能力PLC－當代工業自動化支柱之一三、可編程控制器的工作原理掃描式的工作方式

PLC是采用周期循環掃描的工作方式，CPU連續執行用戶程序和任務的循環序列稱為掃描。兩種工作狀態

運行（RUN）停止（STOP）內部處理通信服務輸入處理程序執行輸出處理RUNSTOP3.1掃描工作方式運行狀態(RUN):輸入處理執行程序輸出處理內部處理通訊處理停止狀態(STOP):內部處理通訊處理內部處理通信服務輸入處理程序執行輸出處理RUNSTOP3.2掃描周期（T）PLC在【RUN】工作狀態時，完成‘內部處理、通信服務、輸入處理、程序執行、輸出處理‘所需的時間。T=公共部分掃描時間+外設掃描時間+用戶程序執行時間+I／0掃描時間3.3工作原理停止按鈕接觸器輸入電路輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出電路（）程序執行啟動按鈕x1x0x1x0Y0Y0Y03.4輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間（系統響應時間）輸入電路濾波時間輸出電路滯后時間掃描工作時間（延遲可達2個多掃描周期）第二章PLC的硬件可編程控制器的基本結構一、可編程控制器的物理結構整體式模塊式1.1整體式PLCCPU模塊，輸入輸出模塊和電源裝在一個箱狀機殼內。適用于小型PC，它包括基本單元和擴展單元。1.2模塊式PLC由框架和模塊組成，模塊插在模塊插座上，模塊插座焊在框架中的總線連接板上。二、CPU模塊與存儲器CPU(通用微處理、單片機、位片機)（1）通用處理器：8086、80286、80386（2）單片機芯片：8031、8096（3）位片式微處理器：AMD-2900從單片機到標準的計算機芯片；采用傳統的繼電器符號語言（梯形圖）二、CPU模塊與存儲器存儲器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM）系統程序：系統管理、監控程序、編譯（ROM）用戶程序（EPROM、RAM）二、CPU模塊與存儲器1、隨機存取存儲器(RAM)：可讀可寫，沒有斷電保持功能。2、只讀存儲器(ROM)：只讀，不能寫。3、可擦除可編程序的只讀存儲器(EPROM)：非易失性。用紫外線照射芯片上的透鏡窗口，可以擦除已寫入的內容,寫入新內容。4、可電擦除的(EPPROM)：是非易失的，間有ROM的非易失性和RAM的隨機存取的優點。價格比較高。三、I/O模塊輸入（Input）電路和輸出（Output）電路簡稱為I/O模塊，它們是聯系外部現場和CPU模塊的橋梁。模塊的外部接線方式

匯點式分組式分割式匯點式各個I/O電路有一個公共點，共用一個電源。COMX0X1X2X3X4X5X6X7分組式I/O分成若干組，每組I/O共用一個電源，各組電源可以不同。COM1Y0Y1COM2Y2Y3分割式各個I/O點之間相互隔離，每個I/O可以使用獨立電源。YOCOM0Y1COM1Y2COM2Y3COM3開關量輸入模塊采集輸入信號、隔離、濾波和電平轉換，使之轉換成CPU能夠接收和處理的信號。X7

···

COM

+24v

PLC的直流輸入電路

+24v

輸入緩沖器

X1

開關量輸入模塊PLC的交流輸入電路開關量輸出模塊將CPU送出的信號經過隔離、電平轉換、放大后驅動接觸器等執行元件。輸出負載的電源一般外接。繼電器輸出直流、交流負載（隔離、功率放大）晶體管集電極輸出直流負載雙向可控硅輸出交流負載開關量輸出模塊繼電器輸出模塊原理圖

···

輸出鎖存器

V

Y0

COM

Y7

開關量輸出模塊大功率晶體管或場效應管輸出

開關量輸出模塊雙向晶閘管輸出輸出電路的分類：由輸出開關器件來分

負載OFF/ON容量晶體管直流0.2mS0.5A/點DC5-30V可控硅交流1mS0.3A/點AC85-242V繼電器交/直流10mS2A/點AC250VDC30V型號：FX2-48MR繼電器輸出I/O：24/24FX2-32MS可控硅輸出I/O：16/16FX2-64MT晶體管輸出I/O：32/32其他部件電源可編程控制器使用220V交流電源或24V直流電源。電源單元的作用是把外部電源（220V的交流電源）轉換成內部工作電壓。外部連接的電源，通過PLC內部配有的一個專用開關式穩壓電源，將交流/直流供電電源轉化為PLC內部電路需要的工作電源（直流5V、±12V、24V），并為外部輸入元件（如接近開關）提供24V直流電源（僅供輸入端點使用），而驅動PLC負載的電源由用戶提供。其他部件編程器目的：用來輸入和編輯用戶程序和監視PLC運行時各種元件的工作狀態。編程方式：在線/離線編程。

其他部件對外接口擴展接口通信接口智能

I/O接口PLC還可配有盒式磁帶機，EPROM寫入器，存儲器卡等其他外部設備。220V

SB1SB2SB3

CX0X1X2

C

KM1

～

Y0Y1C

PLC

電機正反轉控制輸入輸出電路

380V

KM2

220V

FX系列PLC

發展歷程

20世紀80年代推出F系列，90年代被F1、F2系列取代，其后FX2N、FX2NC在性能價格比上又有明顯提高，FX系列適應面廣，最多可擴展到256個I/O點，并有很強的網絡通信功能。FX系列PLC的特點體積極小的微型PLC先進美觀的外部結構提供多個子系列供用戶選用靈活多變的系統配置功能強，使用方便FX系列PLC的型號FX1N系列PLCFX1NC系列PLCFX3UC系列PLCFX3U系列PLCFX1S系列PLCFX2N系列PLC特殊功能模塊模擬量輸入輸出模塊高速數器模塊運動控制模塊通信模塊2、可編程控制器的工作過程

1）掃描：PLC中的CPU按分時原則操作順序進行，即每一時刻執行一個操作。這種分時操作的過程稱為對程序的掃描。2）PLC運行時的內部列操：故障診斷及處理、數據輸入與輸出、通信、執行用戶程序、服務于外設命令。現場信號

受控元件

寫

輸入采樣

輸入刷新

讀

輸入端子輸入緩沖器

輸入映象寄存器

用戶程序執行

輸出映象寄存器

輸出端子

讀

輸出鎖存器

3）PC對輸入/輸出的處理規則輸入刷新：將所有輸入信號讀入到輸入映象寄存器中存儲（RAM區，固定地址）；執行用戶程序：順序：從上到下、從左到右。信息來源：輸入/輸出映象寄存器及相關RAM。執行結果：寫入輸出映象寄存器。輸出刷新：映象寄存器的數據全部送入輸出鎖存器，通過輸出端子Y驅動執行器。循環工作：每次執行完用戶程序后，如果沒有外設命令，則系統會自動循環地掃描運行。4）特點：a）信息處理：信號的輸入、數據的處理和控制信號的輸出分別在一個掃描周期內的不同時間間隔里以批處理方式進行。在一個工作周期內，輸入/出映象寄存器的信息保持不變。

b）“串行”工作方式的特點：可避免繼電-接觸器控制中觸點的競爭和時序的失配問題；導致了輸出對輸入時間上的滯后，掃描周期T越長，滯后越嚴重。滯后的相關因素：掃描方式、電路慣性、程序設計的安排。掃描周期T：完成一次循環操作所需要的時間構成：執行用戶程序所占用的時間（與程序的長短及指令操作的復雜程度有關）、系統管理操作占用的時間（基本不變）、I/O硬件電路的延時。1、監控程序：

管理程序用戶指令解釋程序標準程序模塊，系統調用通過改進監控程序就可在不增加任何硬件設備的條件下大大改善PLC的性能。運行管理生成用戶元件內部自檢三、可編程控制器的軟件

2、用戶程序以內碼形式線性地存放監控程序指定的存儲區內。語言：梯形圖

LadderDiagram

指令表InstructionList

順序功能圖

SequentialFunctionChart(SFC)

高級語言AdvancedLanguage

匯編語言AssembleLanguage

結構文本StructuredText

第三章PLC程序設計基礎可編程控制器編程語言的國際標準順序功能圖(Sequentialfunctionchart)

梯形圖(Ladderdiagram)

功能塊圖(Functionblockdiagram)

指令表(Instructionlist)

結構文本(Structuredtext)順序功能圖(Sequentialfunctionchart)相當于應用軟件中的邏輯框圖，是一種位于其它編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制程序。步轉換動作梯形圖(Ladderdiagram)梯形圖與繼電器控制電路相似SB1SB2KMKMY0X1Y0X0X1X0COMY0COM~KMSB2SB1梯形圖控制電路圖I/O分配：

X0：啟動X1：停車Y0：KMPLC外部接線圖功能塊圖(Functionblockdiagram)類似于數字邏輯電路中編程語言，用類似與門、或門等方框圖來表示的邏輯運算關系。SRS1Q1RANDORTest1Test2Sw1%1X3Resetstart指令表(Instructionlist)由若干條指令組成的程序叫指令表程序。

LDX0OUTY0LDIX1OUTY1OUTY2LDX3OUTY3結構文本(Structuredtext)PASCALBASICC等高級語言數學運算數據處理圖形顯示報表打印梯形圖的主要特點某些編程元件沿用繼電器名稱,編程元件不是真實的硬件繼電器,而是軟件繼電器。梯形圖兩側的垂直公共線為公共母線（Busbar）,分析時，可以假想有一個能流從左向右流動。程序執行是一個邏輯解算的過程。根據梯形圖中各觸點的狀態和邏輯關系,求出各個線圈對應的編程元件的狀態,邏輯求解順序：從上到下，從左到右。編程元件的常開觸電和常閉觸電可以無限次使用。梯形圖中的線圈應該放在最右邊。X5X1X3X2Y1X4X1X3X2Y1X5X3X1X4X5FX系列PLC梯形圖中的編程元件FX系列的用戶數據結構1）BIT位數據

ON/OFF(通/斷)2）字數據

BCD碼(外部，內部BIN）3）字與位數據定時器、計數器設定值BCD

觸點：ON/OFF位元件輸入繼電器X，存放外部輸入電路的狀態輸出繼電器Y，PLC直接輸出物理信號輔助繼電器M，PLC內部運算標志狀態繼電器S，PLC內部運算標志兩種狀態ON（1）或OFF（0）字元件用于設定定時器或計數器的當前值8個連續的位組成一個字節（Byte）16個連續的位組成一個字（Word），兩個連續的字組成雙字（DoubleWord）有符號的字可以表示最大正數為：32767FX系列的性能指標運算控制方式輸入輸出控制方式運算速度程序語言程序容量指令數輸入繼電器輸出繼電器輔助繼電器狀態寄存器定時器計數器數據寄存器跳步指令輸入繼電器（X）輸入繼電器是PC接收外部輸入的開關量的窗口。PC通過光電耦合器將外部輸入的開關量信號讀入并存儲在輸入映像寄存器內。輸入繼電器沒有線圈，狀態取決于外部輸入信號的狀態輸入繼電器（X）輸入繼電器（X）對應的寄存器為“1”狀態常開觸點閉合常閉觸點斷開外部觸點接通時外部觸點斷開時對應的寄存器為“1”狀態常開觸點閉合常閉觸點斷開輸出繼電器（Y）輸出繼電器是將PC的輸出信號傳遞給輸出模塊，由輸出模塊驅動外部負載工作。FX2N系列PLC輸入、輸出繼電器元件號輔助繼電器（M）輔助繼電器是用軟件實現的，它們不能直接對外輸出信號去驅動負載，相當于繼電器控制系統中的中間繼電器。通用型500點M0-M500無斷點保持功能鎖存用 2572點M500-M3071有斷點保持功能特殊用 256點M8000-M8255特殊輔助繼電器運行監視(M8000)當PLC運行時，M8000接通;；PLC停止運行時，M8000斷開。

STOP

RUNSTOP特殊輔助繼電器初始化脈沖（M8002）在M8000由OFF變為ON狀態時的一個掃描周期ON。

STOPRUNSTOP一個掃描周期特殊輔助繼電器時鐘脈沖（M8011~M8014）：M8011~M8014分別是10ms、100ms、1s和1min時鐘脈沖。M801110msM8012100ms特殊輔助繼電器鋰電池電壓降低（M8005)：電池電壓下降至規定值時M8005變為ON。線圈驅動型特殊輔助繼電器M8030M8034狀態繼電器（S）狀態是用于編制順序控制程序的一種編程元件定時器(T)功能：相當于一個時間繼電器構成：一個設定值寄存器（字）一個當前值寄存器（字）以及無數個觸點（bit）定時器的設定值：常數K、數據寄存器（D）計時脈沖：1mS、10mS、100mS。觸點動作：計時時間達到設定值時，輸出觸點動作常開通，常閉斷。定時器(T)通用定時器100ms定時器T0~T199

定時范圍為0.1~3276.7s（其中T192~T199為子程序和中斷服務程序專用的定時器）10ms定時器T200~T245定時范圍為0.1~327.67s通用定時器沒有保持功能，在輸入電路斷路或停電時復位定時器(T)定時器(T)積算定時器1ms定時器T246~T249定時范圍為0.001~32.767s100ms定時器T250~T255定時范圍為0.1~3276.7s具有斷點保持功能；斷電后再次通電，計數器繼續定時。定時器(T)積算定時器定時器(T)定時器的定時精度計數器(C)構成：一個設定值寄存器（字）一個當前值寄存器（字）以及無數個觸點（bit）

計數元件：X，Y，M，S，T，C。上升沿有效計數器(C)16位加計數器X10X11C0RSTC0C0K9Y0X10X11C0RSTC0C0K9Y0計數器(C)32位加/減計數器計數器(C)32位加/減計數器計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)C235~C241為一相無啟動/復位輸入端C241~C245為一相帶啟動/復位輸入端C251~C255為兩相雙計數輸入C246~C250為一相雙計數輸入（加/減脈沖輸入）計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)單相單輸入計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)計數器(C)高速計數器C235~C255(X0~X7)單相雙輸入X000由斷開到接通進行增計數X001由斷開到接通進行減計數計數器(C)高速計數器（雙向高速計數器）X012接通時C251通過中斷進行X000(A相）和X001(B相）動作計數。指針（P/I)指針（P/I)分支用指針中斷用指針跳轉用指針子程序調用指針指針（P/I)跳轉用指針FX系列PLC的基本邏輯指令LDLDIOUT

指令LD(Load):

常開觸點與母線連接指令LDI(LoadInverse):

常閉觸點與母線連接指令OUT(Out):

驅動線圈的輸出指令FX系列PLC的基本邏輯指令ANDANI

指令AND(And):

與指令，常開觸點串聯連接指令。ANI(Andinverse):

與非指令，常閉觸點串聯連接指令。LDX0ANDM101OUTY3LDY3ANIX3OUTM101ANDT1OUTY5FX系列PLC的基本邏輯指令ORORI指令OR(0r