自动配料皮带运输机的传动与控制系统设计.docx
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自动配料皮带运输机的传动与控制系统设计
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自动配料皮带运输机的传动与控制系统设计
摘要
皮带运输是一种长距离、大批量、高速运输货物原料的运输体系，它被广泛的应用于工业生产中，如冶金、煤炭、港口、建筑、食品加工等。
运输机的输送带是一种弹性体，从它起始点和卸载点之间有大量的能量储存与消耗。
这种能量将使皮带产生较大的张力。
关于动态计算和设计的理论至今还不完善。
在中国，皮带在运输系统设计中一般被认为是一种坚硬的物质。
为了防止传动滚筒运转开始时打滑，要由它静止时计算出的结果乘以一个系数（一般为1.3到1.7之间）来得到，导致皮带的张力和主要的承载设计参数增加，设备的成本也变得过高，另外它还可以经常引起组成结构、驱动装置、卸载装置和制动装置的不稳定变化，而皮带的局部张力又是如此的小，从而导致经常有事故发生，如输送带的松弛。
由于原煤是不规则的块状，容易对皮带造成损坏。
美国和加拿大动力研究所把运输系统划分成一系列的弹性胶带和部件，用数学计算的方法分析运输机的动态特性。
现代的工业生产中常常需要对物料进行加工、搬运，如果这些繁杂的工作由人工完成的话不但效率低，而且劳动强度大，不适合现代化的生产需要。
本文主要对基于PLC自动配料皮带运输机控制系统。
该控制系统具有精度高、成本低、抗干扰能力强、故障率低、操作维护简单等特点，具有良好的应用价值，在建材、化工、食品机械、钢铁、冶金、煤矿等工业生产中广泛运用。
近些年，带式输送机又在其他一些产业部门表现出具有巨大的潜力和广阔的市场应用前景。
本次设计主要内容:
采用三菱FX2N系列PLC实现控制系统的设计，着重从带式运输机，液体混合装置系统两个方面深入研究，确定其控制要求，明确PLC的机型的选择，确定I/O地址的分配，设计I/O接线图，控制流程图及梯形图，深入理解PLC的编程方法，按照控制要求对自动配料皮带运输机的传动与控制系统设计进行编程。
关键字:
PLC,自动配料皮带运输机，带传动，程序，设计
目录
前言。
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第一章可编程序控制器概述。
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1.1可编程序控制器的产生和发展。
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1.2可编程控制器的基本组成和工作原理。
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1.2.1PLC的基本组成。
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1.2.2PLC的工作原理。
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1.3可编程序控制器的特点。
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第二章三菱FX2N系列可编程控制器简介。
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2.1FX2N系列PLC的结构特点。
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2.2FX2N系列PLC的基本组成。
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2.3FX2N系列可编程控制器内部元件及功能。
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第三章应用PLC实现控制系统的设计。
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3.1选题依据。
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3.2方案研究与选择。
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3.3结构设计及控制要求。
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第四章系统的总体设计。
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4.1PLC机型的选择及外部接线图。
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4.2I/O设备及I/O编号的分配。
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4.3顺序功能图的设计。
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4.4梯形图的设计及程序设计。
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绪论
谢辞
参考文献
附录
前言
PLC目前已广泛应用于工业生产的自动化控制领域，无论是从国外引进的自动化生产线还是自行设计的自动控制领域，都普遍采用了PLC自动控制。
PLC控制系统处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。
其主要原因，在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适用与当前工业企业对自动化的需要。
与传统的继电器控制相比，PLC控制系统具有构成简单、可靠性高、适用性强、抗干扰能力强、易于编程、体积小、可在线修改、设计与调试周期短、便于安装和维修等突出优点、而且一般不需要采取特殊措施，就能直接在工业环境中使用，更加适合现代化的要求，采用PLC控制系统能够提高系统的整体性能，具有较明显的优越性。
本次设计主要的内容是在液体混合装置控制系统上的改进，结合皮带运输机的传动与控制系统，构造出新的控制系统即自动配料皮带运输机的传动与控制系统。
应用日本三菱公司FX2N系列PLC实现在自动配料皮带运输机的传动与控制系统方面的控制，该系统能够提供均匀的干料，并附带输送的功能，现场维修与安装非常便利，且能够适应于高温度、高粉尘、有冲击和连续振动，环境比较复杂的场合，减少人员劳动力，提高劳动生产率、节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。
本次毕业设计的主要内容：
1.方案选择与系统结构设计
2.输入输出与PLC机型的选择
3.I/O地址的分配
4.程序状态图的设计
5.梯形图的编写及程序分析，
第一章皮带运输机的传动系统
1.1皮带运输机的粘弹性摆动方程
皮带运输机是一个运输系统，它包括环绕皮带、张紧皮带轮、驱动装置、拉紧装置和卸载装置，设皮带机的运输长度为L（m）皮带运输机机尾平衡重量为M（kg），皮带的动态加速度为U＝U（x，t）；皮带的弹性系数为E（N/）；皮带的横截面积为A（）；等效阻力为j（N），皮带、输送物料和托滚的总质量是q（kg/m），皮带运输机的加速度是a（t）（m/），则其弹性方程为：
（00）
（1）
其中：
j——皮带输送速度，
j＝
1.2皮带运输机的初始条件和边界条件
皮带运输机的边界条件包括许多种不同的拉紧装置，根据制造方法，拉紧装置可分为固定式拉紧装置、垂直重锤拉紧装置和自动拉紧装置。
固定式拉紧装置皮带运输机的边界条件为：
U（0,t）=0,U（L,t）=0
（2）
垂直重锤拉紧装置系统为：
驱动滚筒
U（0,t）=0,U（L,t）=0
拉紧装置
（3）
其中：
位移和时间的函数
皮带运输机的初始位移和初始速度为U（x,0）=0,（4）
1.3位移和张力的计算方案
通过采用可变间距调节和总体协调调节，当垂直重锤拉紧装置被采用时，从方程式
（1）中可得到位移方程为：
（5）
1.4动态拉紧和张力计算
若皮带机采用Y系列鼠笼式电动机，有辅助电动机有限扭矩的一对孔，它的初始加速度被近似地认为是纠正系数，以确保在加速过程中时间为T（s），正常的运转速度是，这里不考虑阻力，用a（t）解答了采用垂直重锤拉紧装置皮带张力的计算方法。
（5）
公式（5）表明L是在正常情况下皮带张力的计算方法，它表明了当来回运转时要求把垂直重锤拉紧装置安装在机尾时皮带上的张力更小。
2拉紧装置的设计
皮带输送机的拉紧装置可分为固定式拉紧装置、垂直重锤拉紧装置和自动式拉紧装置，它应该能保证当滚筒启动，停止或有突发事故时，使皮带不打滑，要保证在皮带的每一个点上有一个必要的张力，为了防止下垂设备和不工作的零件之间变松，拉紧装置的拉紧距离依据不同的拉紧装置，皮带使用过后的情况，在加速和减速的过程中保证预留的长度。
在固定设计中，拉紧装置被称为最小的张力点，一般来说，拉紧装置一般要求安装在矿石的下面，当要求安装在水平皮带运输机的机头上时也是一样。
在动态设计中，皮带的张力随拉紧装置的安装位置和类型而改变。
当驱动装置突然停止时，为了减小皮带的张力，防止皮带张力过大或过小，在长距离，大输送量，大功率皮带机向上运输，水平运输，向下运输，双向运输时，在两个滚筒之间应安装垂直重锤拉紧装置。
这样，当机头的驱动滚筒突然停止时，垂直重锤拉紧装置可以消除一半的振动，与采用其他的拉紧装置相比，皮带的振动力量和速度可减少到50%。
垂直重锤拉紧装置的极限条件是应该在两个驱动滚筒之间保持拉紧状态；采用固定式拉紧装置的极限条件是在驱动滚筒和改向滚筒之间保持张紧力，根据固定式极限条件，计算出的皮带张力更小，这样，皮带的张力就有了很大的减小，于是，它可以在凹面截面或最小张力点上确保运输机安全运行，使输送带的张力和承受载荷在允许范围之内降低成本。
当然，允许向上运行的皮带输送机把垂直重锤拉紧装置安装在矿井的底部，对于水平皮带运输机，要把固定式拉紧装置放在机头部位。
拉紧装置的类型和安装位置要根据皮带机的参数来计算，设计过程中还要考虑到它的安全性、可靠性、技术含量、合理性、经济性和实用性。
拉紧装置的最小张力要根据机尾滚筒和皮带轮之间的倾斜角度来确定，当向上或水平运输，皮带加速向下突然停止时，为了确保皮带在驱动滚筒上不打滑，可以用下列公式计算最小张力
（7）
其中：
-静止时确保皮带在驱动滚筒上不打滑的最小张力（N）,
-圆周驱动力或工作阻力（N）,
-传动装置的动载荷（N），
-摩擦常量，
由公式（5）可计算出采用垂直重锤拉紧装置的输送带的位移，由公式（3）可算出拉紧装置的位移。
3驱动装置的设计
根据皮带运输机的工作阻力和拉紧装置的拉紧力，可计算出皮带上每一点的张力，可以
确定驱动装置的数量和其安装位置，可以合理的选择皮带的型号，为了减小皮带的张力和设备的成本，在设计中建议使用合理的柔性拉紧设备，合理计算柔性拉紧特性和合理的柔性制动特性。
在传统的设计中，皮带运输机开始加速的特征曲线是其中的一部分特征曲线，换句话来说，启动时加速度从零增加到最大所产生的加速频率超过了极限范围，就导致压力动态特性过大。
在柔性拉紧设计中，急速频率的变化在所允许的范围之内。
因为加速度是从零缓慢地增加到最大值，沿着一个较缓的特征曲线，动态压力的频率特性随着加速频率的减小而减小，特别是在某些特殊的条件下，皮带的弹性振动可以被消除，这样皮带运输机就变得合理和经济。
近年来，柔性拉紧装置得到了广泛的应用，如CST控制启动运输设备，调速液力耦合器，软硅控制拉紧装置，频繁变速设备等等。
通过研究三角正弦抛物线和不规则加速度特征曲线，我们发现当采用抛物线加速特征曲线时，皮带的弹性振动可以被消除，皮带的张力可以达到最小。
皮带运输机抛物线加速度控制的计算公式如下：
（8）
抛物线加速度控制曲线的最大值为，把公式（8）代入公式（6）就可得到当采用垂直重锤拉紧装置时皮带张力的计算公式：
第一章可编程序控制器概述
1.1可编程序控制器的产生和发展
1.可编程序控制器的产生
20世纪60年代以前，对工业生产进行自动控制的最先进装置就是继电控制盘，它对当时生产力的发展确实发挥了很大的作用。
但当人类历史跨入20世纪60年代后，工业生产随着市场的转变，开始由大批量少品种的生产转变为小批量多品种的生产。
在这种转换过程中，继电控制系统的许多固有弊端越发显得突出，成为了生产转换的一大障碍。
如继电器控制系统中，使用了大量的机械触点，系统的可靠性较差、功能局限性大、体积大、耗能多、特别是生产工艺要求发生变化时，控制柜内的元件和接线也必须要作相应的变动、这种变动的工期长，费用高，有的用户宁愿扔掉旧的控制柜，另外制作一台新的控制柜。
总之，20世纪60年代后期，市场所需的‘柔性’生产线呼唤新型控制系统的诞生。
1968年，美国最大的汽车制造厂家---通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断翻新，试图
寻找一种新型的工业控制器，以尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统的硬件及接线、减少时
间，降低成本。
因而设想把计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编
程方法和程序输入方式加以简化，用“面向控制过程，面向对象”的“自然语言”进行编程，使
不熟悉计算机的人也能方便地使用。
即：
硬件：
减少
软件：
灵活简单
针对上述设想，通用汽车公司提出了这种新型控制器所必须具备的十大条件（有名的“GM10条”）
1编程简单，可在现场修改程序序
2维护方便，最好是插件式
3可靠性高于继电器控制柜
4体积小于继电器控制柜
5可将数据直接送入管理计算机
6在成本上可与继电器控制柜竞争
7输入可以是交流115V
8输出可以是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀
9在扩展时，原有系统只要很小变更
10用户程序存储器容量至少能扩展到4K
1969年，美国数字设备公司（GEC）首先研制成功第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自
动装配线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。
接着，美国国MODICON公司也开发出可编程序控制器084。
1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台可编程序控制器DSC-8。
1973年
，西欧国家也研制出了他们的第一台可编程序控制器。
我国从1974年开始研制，1977年开始工业应
用。
早期的可编程序控制器是为取代继电器控制线路、存储程序指令、完成顺序控制而设计的。
主
要用于：
1.逻辑运算 2.计时，计数等顺序控制，均属开关量控制。
所以，通常称为可编程序逻
辑控制器（PLC—ProgrammableLogicController）。
进入70年代，随着微电子技术的发展，
PLC采用了通用微处理器，这种控制器就不再局限于当初的逻辑运算了，功能不断增强。
因此，实
际上应称之为PC——可编程序控制器。
至80年代，随大规模和超大规模集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机
化PC得到了惊人的发展。
使PC在概念、设计、性能、价格以及应用等方面都有了新的突破。
不仅控
制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着
远程I/O和通信网络、数据处理以及图象显示的发展，使PC向用于连续生产过程控制的方向发展，
为实现工业生产自动化的一大支柱。
1.2可编程控制器的基本组成和工作原理
由PLC得定义可知，它实质上是一种工业控制而设计的专用计算机，所以尽量可编程控制器的品种繁多，结构、功能多种多样，但系统组成和工作原理基本相同。
概括起来，系统都是硬件和软件两大部分组成，都是采用集中采样、集中输出的周期循环扫描方法进行工作。
1.2.1PLC的基本组成
可编程控制器的硬件由微处理器、存储器、I/O接口电路、电源、扩展接口、外接接口及编程器。
图1—1为可编程控制器的硬件简化框图。
图1—1编程控制器的硬件简化框图
1.中央控制处理单元（CPU）
2.可编程控制器中常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机和双极型位片式微处理器三种类型。
3.通用微处理器有8080、8086、80286、80386等；单片机有8031、8096等；位片式微处理器的AM2900、AM2903等。
FX2可编程控制器使用的微处理器是16位的8096单片机。
4.存储器
5.可编程控制器配有两种存储器：
系统存储器和用户存储器。
6.系统存储器：
存放系统管理程序。
7.用户存储器：
存放用户编制的控制程序。
8.输入接口电路
9.PLC通过输入单元可实现将不同输入电路的电平进行转换，转换成PLC所需的标准电平供PLC进行处理。
10.接到PLC输入接口的输入器件是：
各种开关、按钮、传感器等。
各种PLC的输入电路大都相同，PLC输入电路中有光耦合器隔离，并设有RC滤波器，用以消除输入触点的抖动和外部噪声干扰。
PLC输入电路通常有三种类型：
直流（12∽24）V输入、交流（100∽120）V输入与交流（200∽240）V输入和交直流（12∽24）V输入
11.输出接口电路
12.PLC的输出有三种形式，即继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出
输出端子有两种接法：
一种是输出各自独立，无公共点：
各输出端子各自形成独立回路。
一种为每4∽8个输出点构成一组，共有一个公共点：
在输出共用一个公共端子时，必须用同一电压类型和同一电压等级，但不同的公共点组可使用不同电压类型和等级的负载，且各输出公共点之间是相互隔离的。
输入输出端子处理的过程如下：
13.电源
14.PLC的供电电源一般是市电，也有用直流24V电源供电的。
15.6.编程器
16.利用编程器可将用户程序输入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序、修改程序；利用编程器还可以监视PLC的工作状态。
编程器一般分简易型和智能型。
17.7.PLC的软件结构
18.在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：
19.
（1）系统监控程序：
用于控制可编程控制器本身的运行。
主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块，系统调用。
20.
（2）用户程序：
它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。
1.2.2PLC的工作原理
1.扫描工作方式
可编程控制器工作时，它的CPU每一瞬间只能做一件事，也就是说一个CPU每一刻只能执行一个操作而不可能同时执行多个操作。
CPU按分时操作方式来顺便处理各项任务。
PLC对各个需要处理的任务依次俺规定顺序进行访问和处理的工作方式称为扫描工作方式。
用户程序所用到的PLC各种软继电器室按各自程序号的大小在时间上串行工作的，但由于CPU运算速度极高，宏观上给人一种似乎是同时完成的感觉。
PLC执行用户程序时，采用扫描工作方式完成。
整个扫描过程PLC除了执行用户程序外，还要完成其它工作，如图1—2所示为PLC工作过程框图。
图1—2PLC工作过程框图
在执行用户程序前，PLC还要完成内部处理，通信服务于自诊检查。
在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，监视定时器复位以及完成其他一些内部处理。
在通讯服务阶段，PLC完成与一些带处理器的智能模块或其他外设的通信，完成数据的接受和发送任务、响应编程器键入命令，更新编程器显示内容、更新时钟和特殊寄存器内容等工作。
PLC具有很强的自诊断功能，如电源检测、内部部件是否正常、程序语法是否有错误等，一旦有错或异常则CPU能根据错误类型和程度发出提示信号，甚至进行相应的出错处理，使PLC停止扫描或强制变成STOP状态。
当PLC处于STOP状态时，只能完成内部处理和通信服务工作。
当PLC处于运行状态时，除完成内部处理和通信服务的操作外，还要完成输入处理、程序执行、输出处理工作。
2.PLC执行程序的过程
PLC执行程序的过程份三个阶段，即输入采样（输入处理）阶段、程序执行阶段、输出刷新（输出处理阶段），如图1—3所示
图1—3PLC扫描工作过程示意图
（1）输入处理阶段
在这阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入状态存入输入映像存储器中。
在本工作周期内，这个采样结果的内容不会改变，而且这个采样结果将在PLC执行过程时被使用。
（2）程序执行阶段
在这一阶段，PLC按顺序进行扫描，即从上到下，从左到右地扫描每条指令，并分别从输入映像寄存器和输出映像寄存器（及元件映像寄存器）中获得所需的数据进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映像寄存器中保存。
但这个结果在全部程序未执行完毕前不会送到输出端口上。
（3）输出刷新阶段
在所有用户程序执行完成后，PLC将输出映像寄存器的内容送入输出所存其中，通过一定方式输出，驱动外部负载。
从上述PLC的工作过程可以看出：
PLC工作方式的主要特点是采用周期循环扫描，集中输入与集中输出的方式。
第二章三菱FX2N系列可编程控制器简介
三菱公司是日本生产PLC的主要厂家之一。
先后推出的小型、超大型PLC有F、F1、FX2、FX1、FX2C、FX0、FX2N、FX2NC等系列已停产，取而代之的是FX2系列机型，属于高性能叠装式机种，也是三菱公司的典型产品。
另外，三菱公司还生产A型系列PLC的大中型模块式机种，只要系列型号有ANS/ANA和Q4AR等产品。
它们的点数比较多，最多可达4096点，最大用户程序存储量达124K步，一般用在控制规模比较大的场合。
A系列产品具有数百条功能指令，类型众多的功能单元，可以方便的完成位置控制、模拟量控制及几十个回路的PLD控制，可以方便的和上位机及各种外设进行通讯工作，在许多任务业自动化场合获得应用。
20世纪90年代，三菱公司在FX系列PLC的基础上又推出了FX2N系列产品，该机型在运算速度、指令数量及通讯功能方面有了较大的进步，是一种小型化、高速度、高性能、各方面都相当于FX系列中最高档次的超小型的PLC。
2.1FX2N系列PLC的结构特点
FX2N采用一体化的箱体式结构，其结构非常紧凑。
她将所有的电路装入一个模块内，构成了一个整体，体积小巧、成本低、安装方便
为了达到输入输出点数灵活装置及易于扩展的目的，FX2N系列的产品可由不同点数的基本单元和扩展单元构成，使装置就越灵活。
FX2N系列可编程程序控制器还有许多专用的特殊功能单元，这些单元有模拟量I/O单元、高速计数单元，位置控制单元、凸轮控制单元、数据输入输出单元等。
大多数单元都是通过单元的拓展口与可编程控制器主机相连的。
有部分特殊功能单元通过可编程控制的编程器接口连接。
还有的通过主机上并联的适配器接入，不影响源系统的扩展。
FX2N系列最大输入输出点数为256点。
为了构成点数更多的系统，还可以采用点对点通信方式，将两台机连接起来，构成总点数多一倍的系统。
2.2FX2N系列PLC的基本组成
FX2N系列PLC由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。
仅用于基本单元或将上述各种产品组合起来使用即可。
基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。
扩展单元用于增加I/O点数及改变I/O比例，内部无电源，由基本单元或扩展单元供电。
因扩展单元及扩展模块无CPU，因此必须与基本单元一起使用。
特殊功能单元是一些专门用途的装置，如位置控制模块、模拟量控制块、计算机通讯模块等等。
2.3FX2N系列可编程控制器内部元件及功能
FX系列产品，它内部的编程元件，也就是支持该机型编程语言的软元件，暗通俗叫法分别称为继电器、定时器、计数器等。
但他们与真实元件有很大的差别，一般称它们为‘软继电器’。
这些编程用的继电器，它的工作圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、没有机械磨损和电蚀等问题。
它在不同的指令操作下，其功作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。
一般情况下，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，SPM代表专用辅助继电器，T代表定时器,C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器，MOV代表传输等。
1.输入继电器（X）
PLC的输入端子是从外部开关接受信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的电子继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制输入），线圈的吸合或释放只取决于PLC外部触点的状态。
内部有常开/常闭两种触点供编程随时使用，且使用次数不限。
输入电路的时间常数一般小于10ms。
各基本单元都是八进制输入的地址，输入为X000-X007,X010-X017,X020-X027.它们一般位于机器的上端。
2.输出继电器（Y）
PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。
输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，其余常开/常闭触点供内部程序使用。
输出继电器的电子常开/常闭触点使用次数不限。
输出电路的时间常数是固定的。
各基本单元都是八进制输出，输出为Y000-Y007,Y010-Y017,Y020-Y027.它们一般位于机器的下端。
3.辅助继电器（M）
PLC内有很多的辅助继电器，其线圈与输出继电器一样，由PLC内各软元件的触点驱
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