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第12章可编程控制器(PLC)概述12.2可编程控制器的程序编制12.3可编程控制器应用举例12.1可编程控制器的结构和工作原理第12章可编程控制器(PLC)本章要求：1.了解可编程控制器的结构和工作原理。2.了解可编程控制器的几种基本编程方法。3.熟悉常用的编程指令。4.学会使用梯形图编制简单的程序。第12章可编程控制器（PLC）概述1.定义：可编程控制器是一种数字运算的电子操作系统装置，专为工业现场应用而设计的，它采用可编程序的存储器，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，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统联成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计2.可编程控制器的发展：它的起源可以追溯到60年代，美国通用汽车公司为了适应汽车型号不断翻新的需要，对生产线上的控制设备提出了新的要求，为此研制了第一台可编程控制器用于生产线上，通过改变存储在里面的指令的方法来改变生产线的控制流程，从而提供了继电器控制系统无法比拟的灵活性。但这一时期它主要是代替继电器系统完成顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，实际只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器简称PLC（ProgrammableLogicalController）。进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程控制器的功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，可以进行模拟量控制、位置控制，特别是远程通讯功能的实现，易于实现柔性加工和制造系统，因此将其称为可编程控制器（ProgrammableController）简称PC,但为了与个人电脑PC相区别，仍将其称为PLC。PLC已被称为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，加速了机电一体化的进程。各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其结构和工作原理大同小异，都是以微处理器为核心的电子电气系统。PLC各种功能的实现，不仅基于其硬件的作用，而且要靠其软件的支持。PLC内部主要由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几部分组成。12.1可编程控制器的结构和工作原理12.1.1可编程控制器的结构及各部分的作用模拟量输入行程开关继电器触点各种开关传感器CPUROM、RAM电源部件输出接口输入接口外设接口照明电磁装置执行机构采用光电隔离装置继电器、可控硅、晶体管电路编程器打印机计算机1.主机CPU是PLC的核心，一切逻辑运算及判断都是由其完成的，并控制所有其它部件的操作。它就是我们常说的电脑芯片。(1)运行用户程序。(2)监控输入/输出接口状态。(3)作出逻辑判断和进行数据处理主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。内部存储器有两类：一类是系统程序存储器，另一类是用户程序及数据存储器2.输入/输出(I/O)接口输入接口用于接收输入设备（如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出电路去驱动输出设备（如:接触器、电磁阀、指示灯等）。3.电源电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关稳压电源4.编程器编程器是PLC很重要的外部设备，它主要由键盘、显示器组成。编程器分简易型和智能型两类。小型PLC常用简易编程器，大、中型PLC多用智能编程器。编程器的作用是编制用户程序并送入PLC程序存储器。利用编程器可检查、修改、调试用户程序和在线监视PLC工作状况。现在许多PLC采用和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。6.外部设备接口I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元（即主机）联接在一起。5.输入输出扩展接口此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。12.1.2可编程控制器的工作原理PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写输入采样程序执行输出刷新输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写一个扫描周期12.1.2可编程控制器的工作原理PLC采用“顺序扫描、不断循环”的工作方式，这个过程可分为输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。1.输入采样阶段PLC在输入采样阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。2.程序执行阶段PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。3.输出刷新阶段在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。由PLC的工作过程可见，在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。12.1.3可编程控制器的主要技术性能1.I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。2.用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。3.扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。4.指令系统条数指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。5.编程元件的种类和数量编程元件指：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄存器及特殊功能继电器等。其种类和数量是衡量PLC的一个指标。代表字母元件名称编号范围输入继电器输出继电器辅助继电器定时器计数器通用“字”寄存器XYRTCWRX0～XF共16点Y0～Y7共8点R0～R62F共1008点T0～T99共100点C100～C143共44点WR0～WR62共63个FP1－C24编程元件的表示形式及编号范围12.1.4可编程控制器的主要功能和特点1.主要功能（1）开关逻辑控制（2）定时/计数控制（3）步进控制（4）数据处理（5）过程控制（6）运动控制（7）通信联网（8）监控（9）数字量与模拟量的转换2.PLC的主要特点(1)可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。(2)编程简单，使用方便。(3)通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。(4)缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。(5)体积小，易于实现机电一体化。12.2可编程控制器的程序编制12.2.1可编程控制器的编程语言同其它电脑装置一样，PLC的操作是依其程序操作进行的，而程序是用程序语言表达的，并且表达的方式多种多样，不同的生产厂家，不同的机种，采用的表达方式不同，但基本上可归纳为：梯形图语言语句表语言布尔代数语言流程图语言目前常用1.梯形图是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器接点、线圈、串联、并联等术语和类似的图形符号，具有形象、直观、实用的特点，不需学习计算机专业知识，电气技术人员使用最方便。X0X1X2COM...+SB0SB1Y0COMY2Y1...~220VKM24VPLC(1)PLC系统图起动按钮停止按钮如：接通SB0，则X0存储单元对应的位为“1”,反之则为“0”。常闭接点(2)利用梯形图编制控制程序Y0X0X1如：按SB0，则X0存储单元为“1”则其常开接点闭合，线圈通电，电机转动。注意：这些接点或线圈并不是真实的物理继电器接点或线圈，而是在软件编程中使用的编程元件，每个编程元件与存储器中的一个存储单元相对应，该存储单元为“1”则表示梯形图中常开闭合,常闭断开，线圈通电。[]Y0状态取决于按钮是否动作如：按SB1，则X1存储单元为“1”则其常闭接点断开，线圈断电，电机停车。输出继电器(线圈)常开接点2.语句表语言这种编程语言与汇编语言类似，不同的厂家其语句表有所不同，这里以日本松下可编程控制器为例，对上述电机起、停控制进行编程（即将梯形图转换成语句表语言）。STX0ORY0AN/X1OTY0注意：按梯形图从左到右，从上到下的顺序编程。梯形图和助记符语言是PLC中最常用的编程语言，学习中应注意以下概念：(1)梯形图中的继电器并不一定是物理继电器，每个继电器或输入接点各为存储器中的一位，相应位为“1”态，表示继电器线圈通电或常开触头闭合，或常闭触头断开。(2)梯形图中流过的电流不是物理电流，而是概念电流，是程序执行的形象表示方式。(3)梯形图中的继电器接点在编写用户程序时（即作为逻辑接点）可根据需要在梯形图中反复使用，没有数量限制，既可用常开也可用常闭。(4)只有PLC中的物理继电器才能驱动实际负载，其它继电器只能作为一种逻辑来使用，故称为“软继电器”。12.2.2可编程控制器的编程原则和方法1.编程原则（1）PLC编程元件的触点在编程过程中可以无限次使用，每个继电器的线圈在梯形图中只能出现一次，它的触点可以使用无数次。（2）梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且不能直接与左边母线相连。[][][][]（3）编制梯形图时，应尽量做到“上重下轻、左重右轻”。[]不合理合理[]（4）两个或两个以上的线圈可以并联，但不可以串联。[][]X0X0Y12.编程方法(1)确定I/O点数及分配(2)编制梯形图和指令语句表(5)程序以END指令结束，程序的执行是从第一个地址到END指令结束，在调试的时候，可以利用这个特点将程序分成若干个块，进行分块调试，直至程序全部调试成功。12.2.3可编程控制器的指令系统ST加载ST/加载非OT输出指令可使用区域XYRTC1.起始指令ST，ST/与输出指令OT功能：读入指定常开接点（X1）的ON/OFF信息。在每一条逻辑线或一个程序段的开始都要使用ST指令或ST/指令。STX1ST/X1功能：读入指定常闭接点（X1）的ON/OFF信息。X1[]X1[]功能：把输出指令之前的运算结果输出到指定的接点，输出指令可并列使用。OTY1Y1[]例：当输入接点X0ON时，使输出继电器Y0、Y1动作，当接点X1OFF时，使继电器Y2动作。梯形图对应的助记符程序STX0OTY0OTY1ST/X1OTY2[][]Y0X0[]Y2X1梯形图程序Y1ANX1功能：该指令是接点串联连接指令。到此为止的运算结果与指定的接点X1的ON/OFF信息进行与运算。2.触点串联指令AN，AN/与触点并联指令OR，OR/AN与AN/与非OR或指令可使用区域XYRTCOR/或非X1X[]例：当