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PLC教程

PLC可编程控制器

2010年8月

目录

1.可编程控制器（PLC）概述2

2.可编程控制器基本组成5

3.PLC的工作原理和系统构成8

4.PLC的编程元件10

5.PLC的编程语言和基本指令16

6.PLC的基本指令21

7.PLC程序设计方法一.梯形图经验设计法29

8.PLC程序设计方法二.继电器控制电路移植法34

9.PLC程序设计方法三顺序控制设计法之功能表图36

10.PLC程序设计方法三顺序控制设计法之单序列结构的编程方法37

11.PLC程序设计方法三顺序控制功能图的编程方法选择单序列结构的编程方法41

12.PLC程序设计方法三顺序控制功能图的编程方法之并行单序列结构的编程方法44

13.PLC功能指令48

14.PLC功能指令传送与比较指令50

15.PLC功能指令算术和逻辑运算指令55

16.PLC功能指令循环移位与移位指令58

17.PLC功能指令、方便指令和外部I/O设备指令61

18.可编程控制器控制系统设计67

19.GPP软件简介74

1.可编程控制器（PLC）概述

一、PLC的产生及其特点

实物展示：

三菱PLC外形图：

Q系列PLCFX2N系列

PLCFX1N系列PLCFX1SN系列PLC

西门子PLC外形图：

S7-200系列PLCS7-300系列PLC

S7-400系列PLC

欧姆龙PLC外形图：

C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLC

1、可编程控制器的名称演变

1969年时被称为可编程逻辑控制器，简称PLC（ProgrammableLogicController）。

70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，称其为可编程控制器，简称PC（ProgrammableController）。

但由于PC容易和个人计算机（PersonalComputer）相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

2、可编程控制器定义

（1987年国际电工委员会）可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的，模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

3、可编程控制器的产生

1）1968年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司（GM公司）提出设想。

2）1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PC，型号为PDP-14。

3）第一代：

从第一台可编程控制器诞生到70年代初期。

其特点是：

CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器；

4）第二代：

70年代初期到70年代末期。

其特点是：

CPU采用微处理器，存储器采用EPROM；

5）第三代：

70年代末期到80年代中期。

其特点是：

CPU采用8位和16位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等；

6）第四代：

80年代中期到90年代中期。

PC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片，处理速度也达到1us/步；

7）第五代：

90年代中期至今。

PC使用16位和32位的微处理器芯片，有的已使用RISC芯片。

编程控制器运行演示展示板PLC，时间继电器，继电器，直流电源，两个直流电动机，按钮，若干导线。

演示操作

可编程控制器控制电动机的顺序启动

方式一：

按下启动按钮，由可编程控制器控制电动机M1，M2先后启动运行，按下停止按钮，两个电动机停止工作。

方式二：

按下启动按钮，由可编程控制器控制电动机M2，M1先后启动运行，按下停止按钮，两个电动机停止工作。

问题提出：

传统的继电接触控制系统，只能改变某些硬件接线，才能完成上述的两种控制方式，而可编程控制器控制系统可在不改变硬件接线的情况下，通过修改程序而实现控制顺序的变化。

控制两个电动机的顺序运行，控制复杂程度不高，如用继电接触控制系统已够费时的了，何况汽车生产流水线的控制系统？

二、可编程控制器的基本特点

1、灵活、实用

2、可靠性高、抗干扰能力强

3、编程简单、使用方便

4、接线简单

5、功能强

6、体积小、重量轻、易于实现自动化

三、可编程控制器的发展趋势

1．向高速度、大存储容量方向发展CPU处理速度进一步加快，存储容量进一步扩大

2．控制系统将分散化分散控制、集中管理的原则。

3．可靠性进一步提高随着PC进入过程控制领域，对可靠性的要求进一步提高。

硬件冗余的容错技术将进一步应用。

4．控制与管理功能一体化PC将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使PC系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。

四、PC的应用领域

1、开关量逻辑控制

2、模拟量闭环控制

3、数据量的职能控制

4、数据采集与监控

5、通讯联网与集算散控制

2.可编程控制器基本组成

问题：

1、可编程控制器由哪几部分组成？

2、可编程控制器怎样分类？

一、可编程控制器的组成

（一）硬件构成

1、中央处理单元（CPU）

（1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

（2）采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中。

（3）逐条读取指令，完成各种运算和操作。

（4）将处理结果送至输出端。

（5）响应各种外部设备的工作请求。

2、存储器（ROM/RAM）

（1）系统程序存储器（ROM）用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据，PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。

（2）用户存储器（RAM）包括用户程序存储区和工作数据存储区。

这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。

掉电会丢失存储的内容，一般用锂电池来保持。

注意：

PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的

3、可编程控制器输入端口电路

开关量输入接口电路：

采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。

PLC的输入接口电路（直流输入型）

4、可编程控制器输出接口电路

开关量输出接口电路：

采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。

有三种类型：

第一：

继电器输出型：

为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。

第二：

晶闸管输出型：

为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。

第三：

晶体管输出型：

为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。

5、模拟量接口电路

（1）模拟量输入接口：

把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的有若干位二进制数字表示的信号标准

的模拟量信号：

电流信号：

4~20mA电压信号：

1~10V

（2）模拟量输出接口：

将PLC运算处理的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制的要求信号

（3）智能输入输出接口：

自带CPU，由专门的处理能力，与主CPU配合共同完成控制任务，可减轻主CPU工作负担，又可提高系统的工作效率

6、电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。

许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备（传感器）提供标准电源。

7、编程器

编程器：

专用的手持式、台式；电脑+编程软件。

作用：

编程，调试，监控

二、可编程控制器的分类

按硬件的结构类型分类：

整体式、模块式、叠装式。

按I/O点数的多少分类：

小型PLC、中型PLC、大型PLC

3.PLC的工作原理和系统构成

一、可编程控制器是如何工作的？

继电器控制系统：

硬逻辑并行运行的方式

计算机控制系统：

采用等待命令的工作方式，如键盘扫描方式或I/O扫描方式

可编程控制器控制系统：

循环扫描工作方式，即系统工作任务管理及应用程序执行都是按循环扫描方式完成的

二、可编程控制器工作原理

可编程控制器在开机后，完成内部处理、通信处理、输入刷新、程序执行、输出刷新五个工作阶段，称为一个扫描周期。

完成一次扫描后，又重新执行上述过程，可编程控制器这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式。

1、信号传递过程（从输入到输出）

最终输出刷新：

将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。

2、扫描周期和I/O滞后时间

可编程控制器在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。

其典型值为1~100ms。

I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指可编程控制器外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。

I/O滞后现象的原因

（1）输入滤波器有时间常数

（2）输出继电器有机械滞后

（3）PC循环操作时，进行公共处理、I/O刷新和执行用户程序等产生扫描周期

（4）程序语句的安排，也影响响应时间

三、可编程控制器的系统配置

1、FX2N系列可编程控制器型号格式如下：

M：

基本单元

E：

输入输出混合扩展单元与扩展模块

EX：

输入专用扩展模块

EY：

输出专用扩展模块

R：

继电器输出

S：

晶体管输出

T：

晶闸管输出

2、FX2N系列可编程控制器系统配置

FX2N是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程控制器。

它的基本指令执行时间高达0.08s，远远超过了很多大型可编程控制器。

用户存储器容量可扩展到16K步，最大可以扩展到256个I/O点，有5种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板，使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能。

3、可编程控制器的技术性能指标

1.输入/输出点数

2.存储容量

3.扫描速度

4.指令系统

5.可扩展性

6.通信功能

4.PLC的编程元件

FX2N系列PLC编程元件分类和编号

编程元件的基本特征

编程元件的使用

一、FX2N系列PLC编程元件分类和编号

1、PLC编程元件的物理实质：

电子电路及存储器。

称“软继电器”

2、编程元件的基本特征

3、可编程控制器的编程元件

二、输入继电器X

可编程控制器输入接口的一个接线点对应一个输入继电器。

输入继电器的线圈只能由机外信号驱动，它可提供无数个常开接点、常闭接点供编程时使用。

如图3.1。

FX2N系列的输入继电器采用八进制地址编号，X0～X267最多可达184点。

三、输出继电器Y

PLC输出接口的一个接线点对应一个输出继电器。

输出继电器的线圈只能由程序驱动，每个输出继电器除了为内部控制电路提供编程用的常开、常闭触点外，还为输出电路提供一个常开触点与输出接线端连接。

驱动外部负载的电源由用户提供。

如图3.2所示是输出继电器的等效电路。

输出继电器的地址编号也是八进制，Y0～Y267，最多可达184点。

四、辅助继电器M

PLC内部有很多辅助继电器，和输出继电器一样，只能由程序驱动，每个辅助继电器也有无数对常开、常闭接点供编程使用。

其作用相当于继电器控制线路中的中间继电器。

辅助继电器的接点在PLC内部编程时可以任意使用，但它不能直接驱动负载，外部负载必须由输出继电器的输出接点来驱动。

辅助继电器M分类

辅助继电器分以下三种类型：

通用辅助继电器

M0-M499，共500个点

断电保持辅助继电器

M500-M1023及M1024-M3071共2572点。

特殊辅助继电器

M8000-M8255，共256个点。

特殊辅助继电器：

①只能利用其接点的特殊辅助继电器。

线圈由PLC自动驱动，用户只可以利用其接点。

例如：

M8000为运行监控用，PLC运行时M8000接通。

M8002为仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器。

②可驱动线圈型特殊辅助继电器。

用户激励线圈后，PLC作特定动作。

例如：

M8033为PLC停止时输出保持特殊辅助继电器。

M8034为禁止全部输出特殊辅助继电器。

M8039为定时扫描特殊辅助继电器。

五、状态器S

状态器S是构成状态转移图的重要软元件，它与后续的步进梯形指令配合使用。

通常状态继电器软元件有下面五种类型

初始状态继电器S0～S9共10点。

回零状态继电器S10～S19共10点。

通用状态继电器S20～S499共480点。

停电保持状态器S500～S899共400点。

报警用状态继电器S900～S999共100点。

六、定时器T

定时器作为时间元件相当于时间继电器，由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器触点组成。

在其当前值寄存器的值等于设定值寄存器的值时，定时器触点动作。

故设定值、当前值和定时器触点是定时器的三要素。

定时器累计PLC内的1ms，10ms，100ms等的时钟脉冲，当达到所定的设定值时，输出接点动作。

定时器可以使用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用后述的数据寄存器D的内容作为设定值。

这里的数据寄存器应有断电保持功能。

定时器可以分为：

常规定时器T0～T245

积算定时器T246～T255

1、常规定时器的动作过程

2、积算定时器T246～T255

1ms积算定时器T246～T249共四点，每点设定值范围0.001s～32.767s；100ms积算定时器T250～T255共6点，每点设定值范围0.1s～3276.7s。

如图所示，当定时器线圈T250的驱动输入X1接通时T250用当前值计数器累计100ms的时钟脉冲个数，当该值与设定值K10相等时，定时器的输出接点输出，当计数中间驱动输入X0断开或停电时，当前值可保持。

输入X1再接通或复电时，计数继续进行，当累计时间为10×0.1s＝1s时，输出接点动作。

当复位输入X1接通时，计数器就复位，输出接点也复位

3、接点的动作时序

接点动作时序如图所示。

定时器在其线圈被驱动后开始计时，到达设定值后，在执行第一个线圈指令时，其输出接点动作。

从驱动定时器线圈到其接点动作称为定时器接点动作精度时间t，t＝T+T0-α。

七、计数器C

可编程控制器的计数器共有两种：

内部信号计数器和高速计数器。

内部信号计数器有分为两种：

16位递加计数器和32位增减计数器。

1、16位递加计数器

设定值位1～32767。

其中，C0～C99共100点是通用型，C100～C199共100点是断电保持型。

下图表示了递加计数器的动作过程。

2、32位增减计数器

设定值为－2147483648～＋2147483647，其中C200～C219共20点是通用型，C220～C234共15点为断电保持型计数器。

32位双向计数器是递加型还是递减型计数由特殊辅助继电器M8200～M8234设定。

特殊辅助继电器接通时（置1）时，为递减计数；特殊辅助继电器断开（置0）时，为递加计数。

可直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为设定值。

间接设定时，要用器件号紧连在一起的两个数据寄存器。

如图所示，用X14作为计数输入，驱动C200计数器线圈进行计数操作。

当计数器的当前值由－4到－3（增大）时，其接点接通（置1）；当计数器的当前值由－3到－4（减小）时，其接点

断开（置0）。

八、数据寄存器D

在进行输入输出处理、模拟量控制、位置控制时，需要许多数据寄存器存储数据和参数。

数据寄存器为16位，最高位

为符号位，可用两个数据寄存器合并起来存放32位数据，最高位仍为符号位。

数据寄存器分成下面几类：

通用数据寄存器D0～D199共200点

断电保持/锁存寄存器D200～D7999共7800点

特殊数据寄存器D8000～D8255共256点

文件数据寄存器D1000～D7999共7000点

1、通用数据寄存器D0～D199共200点

一旦在数据寄存器写入数据，只有不再写入其他数据，就不会变化。

但是当PLC由运行到停止或断电时，该类数据寄存

器的数据被清除为0。

但是当特殊辅助继电器M8033置1，PLC由运行转向停止时，数据可以保持。

2、断电保持/锁存寄存器D200～D7999共7800点

断电保持/锁存寄存器有断电保持功能，PLC从RUN状态进入STOP状态时，断电保持寄存器的值保持不变。

利用参数设

定，可改变断电保持的数据寄存器的范围。

3、特殊数据寄存器D8000～D8255共256点

这些数据寄存器供监视PLC中器件运行方式用。

其内容在电源接通时，写入初始值（先全部清0，然后由系统ROM安排

写入初始值）。

例如，D8000所存的警戒监视时钟的时间由系统ROM设定。

若有改变时，用传送指令将目的时间送入D8000。

该值在PLC由RUN状态到STOP状态保持不变。

未定义的特殊数据寄存器，用户不能用。

4、文件数据寄存器D1000～D7999共7000点

文件寄存器是以500点为一个单位，可被外部设备存取。

文件寄存器实际上被设置为PLC的参数区。

文件寄存器与锁存

寄存器是重叠的，可保证数据不会丢失。

FX2N系列的文件寄存器可通过BMOV（块传送）指令改写

九、变址寄存器（V/Z）

变址寄存器除了和普通的数据寄存器有相同的使用方法外，还常用于修改器件的地址编号。

V、Z都是16位的寄存器，可进行数据的读写。

当进行32位操作时，将V、Z合并使用，指定Z为低位

十、指针（P/I）

分支指令用P0～P62、P64～P127共127点。

指针P0～P62、P64～P127为标号，用来指定条件跳转，子程序调用

等分支指令的跳转目标。

P63为结束跳转用。

中断用指针I0□□～I8□□共9点。

中断指针的格式表示如下：

（1）输入中断I△0□

□＝0表示为下降沿中断；□＝1表示为上升沿中断。

△表示输入号，取值范围为0～5，每个输入只能用一次。

例如，I001为输入X0从OFF到ON变化时，执行由该指令作为标号后面的中断程序，并根据IRET指令返回。

（2）定时器中断I△□□

△表示定时器中断号,取值范围为6～8，每个定时器只能用1次。

□表示定时时间，取值范围为10～99ms。

例如，I710，即每隔10ms就执行标号为I710后面的中断程序，并根据IRET指令返回。

十一、常数（K/H）

常数也作为器件对待，它在存储器中占有一定的空间，十进制常数用K表示，如18表示为K18；十六进制常数用H表示，如18表示为H12。

5.PLC的编程语言和基本指令

一、可编程控制器的编程语言

不同厂家，不同型号的PLC的编程语言只能适应自己的产品。

IEC中的PLC编程语言标准中有五种编程语言：

顺序功能

图编程语言、梯形图编程语言、功能块图编程语言、指令语句表编程语言、结构文本编程语言。

最常用的就是梯形图编程语言和指令语句表编程语言。

1、梯形图编程语言

梯形图是在原继电器—接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。

它是目前用得最多的PLC编程语言。

注意：

梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。

常开触点：

常闭触点：

线圈：

注意：

它们并非是物理实体，而是“软继电器”。

每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。

该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。

2、梯形图编程格式

（1）梯形图按行从上至下编写，每一行从左往右顺序编写。

PLC程序执行顺序与梯形图的编写顺序一致。

（2）图左、右边垂直线称为起始母线、终止母线。

每一逻辑行必须从起始母线开始画起，终止于继电器线圈或终止母线（有些PLC终止母线可以省略）。

（3）梯形图的起始母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与终止母线之间则不能有任何触点。

3、指令语句表编程语言

助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。

同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。

助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。

案例

在生产实践过程中，某些生产机械常要求既能正常起动，又能实现调整位置的点动工作。

试用可编程控制器的基本逻辑指令来控制电动机的点动及连续运行。

1、异步电动机控制线路图

图（a）为主电路。

工作时，合上刀开关QS，三相交流电经过QS，熔断起FU，接触器KM主触点，热继电器FR至三相交流电动机。

图（b）为最简单的点动控制线路。

起动按钮SB没有并联接触器KM的自锁触点，按下SB，KM线圈通电，松开按钮SB时，接触器KM线圈又失电，其主触点断开，电动机停止运转。

图（c）是带手动开关SA的点动控制线路。

当需要点动控制时，只要把开关SA断开，由按钮SB2来进行点动控制。

当需要正常运行时，只要把开关SA合上，将KM的自锁触点接入，即可实现连续控制。

图（d）中增加了一个复合按钮SB3来实现点动控制。

需要点动运行时，按下SB3点动按钮，其常闭触点先断开自锁电路，常开触发后闭合接通起动控制电路，KM接触器线圈得电，主触点闭合，接通三相电源，电动机起动运转。

当松开点动按钮SB3时，KM线圈失电，KM主触点断开，电动机停止运转。

若需要电动机连续运转，由停止按钮SB1及起动按钮SB2控制，接触器KM的辅助触点起自锁作用。

2、可编程控制器的硬件连接

实现电动机的点动及连续运行所需的器件有：

起点按钮SB1，停止按钮SB2，交流接触器KM，热继电器JR及刀开关QS等。

主电路的连接如图所示。

3、梯形图的设计

梯形图便是是以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变而来。

两者部分符号对应关系如表所示。

根据输入输出接线圈可设计出异步电动机点动运行的梯形图如图（a）所示。

工作过程分析如下：

当按下SB1时，输入继电器X0得电，其常开触点闭合，因为异步电动机未过热，热继电器常开触点不闭合，输入继电器X2不接通，其常闭触点保持闭合，则此时