1、2022-6-101PLC原理與應用原理與應用 主講教師：侯益坤 2022-6-102本課程基本情況專業課 先修課程：電子電路基礎，計算機應用基礎 后續課程：教材PLC原理與應用李樹雄編 北京航空航天大學出版社 2006年10月第一版2022-6-103課程主要內容和學習方法課程主要內容和學習方法可編程控制器的基礎知識：類比；識記FP1的指令系統：要求基本指令熟悉FP1可編程控制器、編程工具簡介：應用PLC程序設計及應用：方法 2022-6-104 目錄 第一章 可編程控制器礎知識第二章 FP1可編程控制器的規格、性能及系統構成第三章 FP1的指令系統第四章 FP1的特殊功能及高級模塊第五章

2、PLC程序設計及應用舉例第六章 編程工具2022-6-105第一章第一章 可編程控制器基礎知識可編程控制器基礎知識1.1 1.1 可編程序控制器可編程序控制器(PLC)(PLC)的歷史與發展的歷史與發展 1.2 PLC1.2 PLC的特點及應用領域的特點及應用領域1.3 PLC1.3 PLC的一般構成和基本工作原理的一般構成和基本工作原理1.4 PLC1.4 PLC的編程語言的編程語言1.5 PLC1.5 PLC的性能指標與分類的性能指標與分類2022-6-106第一章 可編程控制器基礎知識1.1 1.1 可編程控制器的可編程控制器的歷史和發展歷史和發展 1.1.11.1.1 可編程控制器的產

3、生與歷史繼電器控制系統的特點 缺點：體積大、可靠性低、查找故障困難、接線復雜、對生產工藝變化性的適應性差。優點：簡單易懂、操作方便、價格便宜。2022-6-10720世紀60年代，由于小型計算機的出現和大規模生產及多機群控的發展，人們曾試圖用小型計算機來實現工業控制，代替傳統的繼電接觸器控制。1968年美國General Motors公司，為了適應生產工藝不斷更新的需要，要求制造商為其裝配線提供一種新型的通用程序控制器，并提出10項招標指標。這就是著名的GM 10條。2022-6-108 編程簡單，可在現場修改程序；編程簡單，可在現場修改程序； 可靠性高于繼電器控制柜；可靠性高于繼電器控制柜；

4、 體積小于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜； 維護方便，最好是插件式；維護方便，最好是插件式； 可將數據直接送入管理計算機；可將數據直接送入管理計算機； 在成本上可與繼電器控制柜競爭；在成本上可與繼電器控制柜競爭； 輸入可以是交流輸入可以是交流115V115V； 輸出為交流輸出為交流115V115V、2A2A以上，能直接驅動電磁閥等；以上，能直接驅動電磁閥等； 在擴展時，原系統只需很小變更；在擴展時，原系統只需很小變更； 用戶程序存貯器容量至少能擴展到用戶程序存貯器容量至少能擴展到4K4K。GM10條是可編程序控制器出現的直接原因：2022-6-109可編程控制器的發展大體可分為以下幾個階段

5、：可編程控制器的發展大體可分為以下幾個階段：第第1 1階段：階段： 可編程控制器剛問世時，功能十分簡單，只有邏輯可編程控制器剛問世時，功能十分簡單，只有邏輯運算，定時，計數等功能。運算，定時，計數等功能。 第第2 2階段：階段：集成電路技術的發展及微處理器的產生，使集成電路技術的發展及微處理器的產生，使PLCPLC技技術得到了較大的發展。術得到了較大的發展。 第第3 3階段：階段：單片計算機的出現，半導體存儲器進入工業化生產單片計算機的出現，半導體存儲器進入工業化生產以及大規模集成電路的使用，推進了以及大規模集成電路的使用，推進了PLCPLC的進一步發的進一步發展，使其演變成專用的工業計算機。

6、展，使其演變成專用的工業計算機。2022-6-1010可編程控制器的發展大體可分為以下幾個階段：可編程控制器的發展大體可分為以下幾個階段：第第4 4階段：階段： 計算機技術的飛速發展及超大規模集成電路、門陣計算機技術的飛速發展及超大規模集成電路、門陣列電路的使用、促使列電路的使用、促使PLCPLC完全計算機化。完全計算機化。第第5 5階段：階段： RISC(RISC(精簡指令集計算機精簡指令集計算機) )芯片在計算機行業大量使芯片在計算機行業大量使用，表面貼裝技術和工藝已成熟，這些使用，表面貼裝技術和工藝已成熟，這些使PLCPLC整機的整機的體積大大縮小，體積大大縮小，PLCPLC開始大量使用

7、開始大量使用1616位和位和3232位的微處位的微處理器芯片，有的理器芯片，有的PLCPLC已使用已使用RISCRISC芯片。芯片。2022-6-1011 1.1.2 1.1.2 可編程控制器的發展及定義 1969年，美國數據設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器，并成功地應用在GM公司的生產線上。這一時期它主要用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱 70年代后期，隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展，使PLC從開關量的邏輯控制擴展到數字控制及生產過程控制領域，真正成為一種電子計算機工業控制裝置，故稱為可編程控制器編程控制器，簡稱PC(Programmable

8、Controller)。但由于PC容易和個人計算機 (Personal Computer)相混淆，故人們仍習慣地用PLC作為可編程控制器的縮寫。2022-6-1012 1985年1月： “可編程序控制器是一種數字運算的電子系統，專為工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在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，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，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設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體，易于擴充的原則設計”。2022-6-1013 1.1.3 1.1.3 PLC的發展趨勢1.方便靈活和小型化2.高功能和大

9、型化3.產品規范化、標準化規范化、標準化2022-6-1014 1.2 PLC的特點及應用領域1.2.11.2.1 PLCPLC的主要特點的主要特點 可靠性高、抗干擾能力強。可靠性高、抗干擾能力強。主要有以下幾個方面：主要有以下幾個方面： 隔離隔離( (采用光電耦合器采用光電耦合器 ) )濾波 對PLC的內部電源采取了屏蔽、穩壓、保護等措施。 設置了連鎖、環境檢測與診斷、Watchdog等電路。 利用系統軟件定期進行系統狀態、用戶程序、工作環境和故障檢測。對用戶程序及動態工作數據進行電池備份。 采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。采用密封、防塵、抗振的外殼封裝結構。 1. 以集成電路為基本元件

10、，內部處理過程不依賴于機械觸點。采用循環掃描的工作方式采用循環掃描的工作方式，也提高了抗干擾能力。 2022-6-10152. 編程簡單、使用方便、柔性好編程簡單、使用方便、柔性好易學易懂的梯形圖語言易學易懂的梯形圖語言類似計算機匯編語言的助記符語言類似計算機匯編語言的助記符語言3. 通用性好通用性好互換性好，擴展功能強互換性好，擴展功能強4. 功能強大，可實現三電一體化功能強大，可實現三電一體化 將電控將電控(邏輯控制邏輯控制)、電儀、電儀(過程控制過程控制)和電結和電結(運動控制運動控制)集于一體，可以方便、集于一體，可以方便、靈活地組合成各種不同規模和要求的靈活地組合成各種不同規模和要求

11、的控制系統。控制系統。5. 體積小、重量輕、功耗低體積小、重量輕、功耗低2022-6-10166. 設計施工周期短設計施工周期短 由于由于PLC用軟件取代繼電接觸器控用軟件取代繼電接觸器控制系統中的大量中間繼電器、時間繼制系統中的大量中間繼電器、時間繼電器、計數器等低壓電器，使整個的電器、計數器等低壓電器，使整個的設計、安裝、接線工作量大大減少。設計、安裝、接線工作量大大減少。程序設計和硬件施工可以同時進行，程序設計和硬件施工可以同時進行，因而大大縮短了施工周期。因而大大縮短了施工周期。 2022-6-10171.2.2 PLC1.2.2 PLC的應用領域的應用領域 開關量的邏輯控制開關量的邏

12、輯控制：可取代傳統繼電器系統和可取代傳統繼電器系統和順序控制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產線、順序控制器。如各種機床、自動電梯、裝配生產線、電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。而且輸入、輸電鍍流水線、運輸和檢測等的控制。而且輸入、輸出的點數不受限制。出的點數不受限制。 機械運動控制機械運動控制：可用于精密金屬切削機床、機械：可用于精密金屬切削機床、機械手、機器人等設備的控制。手、機器人等設備的控制。 過程控制（模擬量控制）過程控制（模擬量控制）：通過配用通過配用AD、DA轉換模塊及智能轉換模塊及智能PID模塊實現對生產過程中的溫模塊實現對生產過程中的溫度、壓力、流量、速度等連續變化的模擬量進行

13、閉度、壓力、流量、速度等連續變化的模擬量進行閉環調節控制。環調節控制。數據處理數據處理：很強的數學運算、數據傳送等。很強的數學運算、數據傳送等。 1.多級控制 ：利用利用PLC的網絡通信功能模塊及遠程的網絡通信功能模塊及遠程IO控制模塊實現多臺控制模塊實現多臺PLC之間、之間、PLC與上位計算與上位計算機的鏈接，以完成較大規模的復雜控制。機的鏈接，以完成較大規模的復雜控制。 2022-6-10181.1. PLCPLC的一般構成和基本工作原理的一般構成和基本工作原理1.3.1 PLC1.3.1 PLC的系統結構的系統結構電磁電磁閥閥電磁電磁線圈線圈指示燈指示燈電電 源源I/O擴擴展展接接口口I

14、/O擴擴展展單單元元CPU存 儲 器存 儲 器用戶用戶程序程序系統系統程序程序輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備輸輸出出接接口口外外部部設設備備接接口口輸輸入入接接口口編程器編程器數數據據打印機打印機磁帶機磁帶機計計算機算機掃描儀掃描儀按鈕按鈕行程行程開關開關觸點觸點外部設備外部設備2022-6-1019 PLC各部分的作用 CPU 診斷診斷PLC電源、內部電路的工作狀態及編電源、內部電路的工作狀態及編制程序中的語法錯誤。制程序中的語法錯誤。 采集現場的狀態或數據，并送入采集現場的狀態或數據，并送入PLC的寄的寄存器中存儲起來。存器中存儲起來。（讀入數據指令）（讀入數據指令） 按存放指令的順序，

15、逐條讀取指令，完成按存放指令的順序，逐條讀取指令，完成各種運算和操作。各種運算和操作。 （指令翻譯）（指令翻譯） 執行指令規定的操作，并將處理結果送至執行指令規定的操作，并將處理結果送至輸出端。輸出端。（指令執行）（指令執行） 1.響應各種外部設備的工作請求。響應各種外部設備的工作請求。（中斷輸（中斷輸入入） 2022-6-1020 PLCPLC各部分的作用各部分的作用存儲器存儲器 系統程序存儲器系統程序存儲器：用以存放系統管理程序、監用以存放系統管理程序、監控程序及系統內部數據。控程序及系統內部數據。PLC出廠前已將其固出廠前已將其固化在只讀存儲器化在只讀存儲器ROM或或PROM中，用戶不能

16、中，用戶不能更改。更改。用戶存儲器：用戶存儲器：包括用戶程序存儲區及工作數據包括用戶程序存儲區及工作數據存儲區。這類存儲器一般由低功耗的存儲區。這類存儲器一般由低功耗的CMOS-RAM構成，其中的存儲內容可讀出并更改。構成，其中的存儲內容可讀出并更改。 PLC產品手冊中給出的“存儲器類型”和“程序容量”是針對用戶程序存儲器而言的。2022-6-1021 PLCPLC各部分的作用各部分的作用輸入、輸出接口電路輸入、輸出接口電路（）輸入接口電路（）輸入接口電路：3.采用光電耦合電路，將限位開關、手動開關、編碼器等現采用光電耦合電路，將限位開關、手動開關、編碼器等現場輸入設備的場輸入設備的控制信號轉

17、換控制信號轉換成成CPU所能接受和處理的所能接受和處理的數字信號數字信號。 PLCPLC的輸入接口電路（直流輸入型）的輸入接口電路（直流輸入型） 內內部部電電路路R R2 2R1R1C CLEDLED光電耦合器光電耦合器COMCOMDCDC24V24VSBSB2022-6-1022 PLCPLC各部分的作用各部分的作用（）輸出接口電路：（）輸出接口電路：采用光電耦合電路，將將CPUCPU處理處理過的信號轉換成現場需要的強電信號輸出，過的信號轉換成現場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥等外部設備的通斷電。有三種類型： 內內部部電電路路L LE ED DL L: :負負 載載C CO OM

18、ML LL L輸輸 出出 端端 子子（a) a) 繼電器輸出型繼電器輸出型 繼電器輸出型繼電器輸出型：為有觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較低的開關頻率較低的直流負載直流負載或或交流負載交流負載回路回路。2022-6-1023內內部部電電路路L LE ED D輸輸出出端端子子L L: :負負載載C CO OM ML LL L（b） 晶閘管輸出型L L: :負負 載載輸輸 出出 端端 子子L LE ED D內內部部電電路路C CO OM ML LL L（c） 晶體管輸出型（NPN集電極開路）輸輸 出出 端端 子子L LE ED D內內部部電電路路C CO OM ML L: :負負 載載L L

19、L L（d） 晶體管輸出型（PNP集電極開路） 晶體管輸出型晶體管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的直流電源負載。 晶閘管輸出型：晶閘管輸出型：為無觸點輸出方式，用于接通或斷開開關頻率較高的交流電源負載。2022-6-1024電源電源 PLC的電源的電源是指將外部輸入的交流電處理后轉換成滿足PLC的CPU、存儲器、輸人輸出接口等內部電路工作需要的直流電源電路或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關穩壓電源，不僅可提供多路獨立的電壓供內部電路使用，而且還可為輸入設備提供標準電源。 2022-6-1025手持編程器（外設接口）手持編程器（外設接口） 手持編程器采用手持編程器

20、采用助記符語言編程助記符語言編程，具有編具有編輯、檢索、修改程序、進行系統設置、內存監輯、檢索、修改程序、進行系統設置、內存監控等功能。可一機多用，具有使用方便、價格控等功能。可一機多用，具有使用方便、價格低廉的特點。外設接口還可以連接多種設備諸低廉的特點。外設接口還可以連接多種設備諸如：打印機、掃描儀等。如：打印機、掃描儀等。缺點：缺點：不夠直觀不夠直觀 可通過可通過PLC的的RS232外設通訊口外設通訊口(或或RS422口配以適配器口配以適配器)與計算機聯機與計算機聯機，利用專利用專用工具軟件用工具軟件（NPSTGR、FPSOFT、FPWINGR）對對PLCPLC進行編程和監控進行編程和監

21、控。利用計。利用計算機進行編程和監控比手持編程工具更加直觀算機進行編程和監控比手持編程工具更加直觀和方便。和方便。2022-6-1026I I0 0擴展接口擴展接口 若主機單元的IO點數不能滿足需要時，可通過此接口用扁平電纜線將通過此接口用扁平電纜線將IO擴展單元與主機相連，以擴展單元與主機相連，以增加增加I IO O點數點數。PLC的最大擴展能力主要受的最大擴展能力主要受CPU尋址能力和主機驅動能力的限制。 2022-6-10271.3.1.3. PLCPLC基本工作原理基本工作原理PLC與普通微機在許多方面有相似之處，但其工作方式卻與微機有很大的不同。微機：微機：等待命令等待命令的工作方式

22、。如在常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式下，有鍵按下或I/O動作，則轉入相應的子程序;無鍵按下或IO不動作,則處于等待狀態。PLCPLC：循環掃描循環掃描的工作方式。 CPU從第一條指令開始按指令步序號作周期性的循環掃描，如果無跳轉指令,則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，直至遇到結束符后又返回第一條指令，周而復始不斷循環，每一個循環稱為一個掃描周期。如下圖所示：2022-6-1028、10、10、11、ED11、ED圖圖 PLC循環掃描工作示意圖循環掃描工作示意圖2022-6-1029 一個掃描周期主要分為三個階段：一個掃描周期主要分為三個階段： 輸入采樣階段輸入采樣階段 程序執行階段程

23、序執行階段 1. 輸出刷新階段輸出刷新階段 輸入刷新 程序執行輸出刷新一個掃描周期輸入刷新 PLC的掃描工作過程用戶輸出設備輸入端子輸入鎖存器輸入映象寄存器輸出映象寄存器輸出鎖存器輸出端子程序執行用戶輸入設備寫讀讀2022-6-1030與編程器或計算機等通信自診斷讀入現場信號執行用戶程序輸出結果圖圖 PLCPLC工作過程框圖工作過程框圖 第第1 1階段：自診斷。階段：自診斷。 第第2 2階段：階段：PLCPLC檢查是否有與編程器或計算機的通信請求。檢查是否有與編程器或計算機的通信請求。第第3 3階段：階段：PLCPLC的中央處理器對各個輸入端進行掃描，將輸入端的狀態送的中央處理器對各個輸入端進

24、行掃描，將輸入端的狀態送到輸入狀態寄存器中，這一階段也稱為輸入信號采樣階段。到輸入狀態寄存器中，這一階段也稱為輸入信號采樣階段。第第4 4階段：中央處理器階段：中央處理器CPUCPU將指令逐條調出并執行，以對輸入和原輸出狀態將指令逐條調出并執行，以對輸入和原輸出狀態 ( (這些狀態統稱為數據這些狀態統稱為數據) )進行進行“處理處理”，即按程序對數據進行邏，即按程序對數據進行邏輯、算術運算、再將正確的結果送到輸出狀態寄存器中，這就輯、算術運算、再將正確的結果送到輸出狀態寄存器中，這就 是執行用戶程序階段。是執行用戶程序階段。第第5 5階段：所有的指令執行完畢后，集中把輸出狀態寄存器的狀態通過輸

25、階段：所有的指令執行完畢后，集中把輸出狀態寄存器的狀態通過輸出部件轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅動被出部件轉換成被控設備所能接受的電壓或電流信號，以驅動被控設備，這一階段也稱為輸出刷新階段。控設備，這一階段也稱為輸出刷新階段。2022-6-1031說明：說明： 由于輸入刷新階段是緊接輸出刷新階段后馬上進行的，所以亦將這兩個階段統稱為IO刷新階段。實際上，除了執行程序和IO刷新外，PLC還要進行各種錯誤檢測(自診斷功能)并與編程工具通訊，這些操作統稱為“監視服務”。一般在程序執行后進行。 掃描周期的長短主要取決于程序的長短。 由于每一個掃描周期只進行一次I0刷新，故使系統存存在輸入

26、、輸出滯后現象。在輸入、輸出滯后現象。這對于一般的開關量控制系統不但不會造成影響，反而可以反而可以增強系統的抗干擾能力。增強系統的抗干擾能力。但對于控制時間要求較嚴格、響應速度要求較快的系統，就需要精心編制程序，必要時采用一些特殊功能，以減少因掃描周期造成的響應滯后。2022-6-10321.4 1.4 PLCPLC的編程語言的編程語言 不采用微機的編程語言，采用梯形圖語言、指令助記符語言、控制系統流程圖語言、布爾代數語言等。其中梯形圖、指令助記符語言最為常梯形圖、指令助記符語言最為常用。用。 PLC的設計和生產至今尚無國際統一標準，不不同廠家所用語言和符號也不盡相同。同廠家所用語言和符號也不

27、盡相同。但它們的梯形圖語言的基本結構和功能是大同小異大同小異的。 2022-6-10331.4.1 1.4.1 梯形圖語言梯形圖語言 梯形圖是梯形圖是在原繼電器在原繼電器接觸器控制系統的繼電器梯形接觸器控制系統的繼電器梯形圖基礎上演變而來的圖基礎上演變而來的一種圖形語言一種圖形語言。它是目前用得最多的它是目前用得最多的PLC編程語言。編程語言。作為一種圖形語言，它是將內部的作為一種圖形語言，它是將內部的各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號各種編程元件和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號定義，并按控制要求將有關圖形符號按一定規律連接起來，定義，并按控制要求將有關圖形符號按一定規律

28、連接起來，構成描述輸入、輸出之間控制關系的圖形。這種圖形就稱構成描述輸入、輸出之間控制關系的圖形。這種圖形就稱為的梯形圖。為的梯形圖。梯形圖是由電氣符號、線圈和觸點等梯形圖是由電氣符號、線圈和觸點等組成。組成。常開觸點 ： 常閉觸點： 線圈：2022-6-1034注意注意梯形圖表示的并并不是一個實際電路而只是一個控制程不是一個實際電路而只是一個控制程序，序，其間的連線表示的是它們之間的邏輯關系，即所謂“軟接線”。它們并非是物理實體，而是它們并非是物理實體，而是“軟繼電器軟繼電器”。每個。每個“軟軟繼電器繼電器”僅對應僅對應PLCPLC存儲單元中的一位。存儲單元中的一位。該位狀態為“1”時，對應

29、的繼電器線圈接通，其常開觸點閉合、常閉觸點斷開；狀態為“0”時，對應的繼電器線圈不通，其常開、常閉觸點保持原態。X0X1Y0Y0(b) PLC梯形圖（a）繼電器接觸器線路圖）繼電器接觸器線路圖2022-6-10351.4.2 1.4.2 助記符語言助記符語言助記符語言類似于計算機匯編語言助記符語言類似于計算機匯編語言，用一些簡潔一些簡潔易記的文字符號表達易記的文字符號表達PLCPLC的各種指令。同一廠家的的各種指令。同一廠家的PLCPLC產品，產品，其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可互相轉換。其助記符語言與梯形圖語言是相互對應的，可互相轉換。 助記符語言包含2個部分:操作碼、操作數 操作

30、碼表明該指令執行的操作種類：如數據傳送、算術操作碼表明該指令執行的操作種類：如數據傳送、算術運算、邏輯運算等。操作數一般是由標識符和參數組成。運算、邏輯運算等。操作數一般是由標識符和參數組成。如：如： ST X0ST X0 OR Y0OR Y0 AN/ X1 AN/ X1 OT Y0 OT Y0 助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖助記符語言常用于手持編程器中，梯形圖語言則多用于計算機編程環境中。語言則多用于計算機編程環境中。 X0X1Y0Y0(b) PLC梯形圖2022-6-10361.4.3 邏輯功能圖（略）邏輯功能圖（略）參見P41-422022-6-10371.5 PLC1.5 PLC

31、的性能指標與分類的性能指標與分類1.5.1 PLC的主要性能指標I/OI/O點數點數 - 輸入、輸出端子的個數。輸入、輸出端子的個數。這些端子可以通過鑼釘與外部設備相連接。這些端子可以通過鑼釘與外部設備相連接。I/OI/O點點數數是是PLCPLC的重要指標。的重要指標。 I/OI/O點數點數越多表明可以與外部越多表明可以與外部相連的設備越多，控制規模越大。相連的設備越多，控制規模越大。I/OI/O點數點數包括：包括：主主機機I/OI/O點數點數和和最大擴展最大擴展I/OI/O點數點數兩種。兩種。2. 程序容量程序容量 - 決定存放用戶程序的長短。在決定存放用戶程序的長短。在PLC中中程序是按程序是按“步步”來存放的。條指令少則占步，多來存放的。條指令少則占步，多則占十幾步。步占個地址單元，個地址單元占則占十幾步。步占個地址單元，個地址單元占用個字節。如：用戶程序為用個字節。如：用戶程序為1000步，可知其