可编程控制器基本原理

§1 概述

机械设备控制系统构成：

输入设备 （主令、检测） 输出设备 （驱动、显示） 控制装置 一、 继电器——接触器控制系统

（1） 系统简单，成本低，可靠性高，应用广泛，为广大电工所接受 （2） 控制功能少（逻辑控制、延时控制），不灵活（硬接线，工艺流程无法随意更改） （3） 故障诊断、维修困难 （4） 难以实现网络控制

二、 PLC控制系统

PLC——（Programmable Logic Controller）可编程序控制器，既有继——接系统优点，又有计算机控制特点，是一种专用工业控制装置。

定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。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、模拟式的输入和输出，控制各种机械和生产过程。

1、特点： （1） 抗干扰能力强，可靠性高。（采用无触点电路，高品质的电源模块，采用屏蔽、滤波、隔离等措施；完善的I/O接口；独特的程序运行方式）（抗干扰强度：1000V，10μ s；AC220V±15%，-10~55˚C，35~85%RH。环境适应性强。） （2） 控制功能强，柔性好。（逻辑控制、步进、定时/计数、模拟量控制、数据处理、通讯联网；修改程序方便）

（3） 编程简单，易学易用（采用近似于继——接线路的梯形图编程语言，指令系统简单。在PLC内部增加了解释程序）

（4） 组合灵活，使用方便（为系列产品，可组合成各种规模的控制系统。直接与外部I/O设备相连，接线简单，I/O状态显示清晰，便于调试） （5） 实现联网控制 2、结构：

整机式：一般为小型机（24点，40点，点等），可扩展。

模块式：分电源模块、CPU模块、输入/输出模块、A/D，D/A模块、通讯模块等， 组合灵活，可组成中型机（128~512点）、大型机（>512点）。 3、应用方式： （1） 单机控制系统

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（2） 多机控制系统（利用PLC通讯功能组成主从站分级控制） （3） 网络控制系统（与计算机共同组成多级控制网络）

§2 PLC硬件构成及工作原理

一、 PLC硬件构成

用户 输入 设备 编 程 器

输 入接 口 编 程 器 接口 电源模块 CPU 存贮器ROM RAM I/O扩展接口 输 出接 口 通 讯接 口 用户 输出 设备

1. CPU：PLC的核心

功能：接收并存贮用户程序；I/O控制；自诊断（电源、内部工作状态、编程语法）；

执行用户程序。 CPU主要采用通用微处理器（Z80、8086、M68000）、单片机（8051、8031、8049）双极型位片式微处理器（AMD2900系列） 2. 存贮器：

系统程序存贮器——存放系统监控、编译、诊断程序，ROM（由厂方固化） 用户程序存贮器——存放用户程序（根据现场控制要求用PLC专用语言编制的程

序），

RAM、EPROM，E2PROM 3. 输入/输出组件

输入接口电路——CPU与用户输入设备的连接部件。采集现场开关接点的状态信

号；并转换成标准逻辑电平，送CPU处理；带光电隔离，实现电气隔离，避免强电侵入。（信号采样、电平转换、电气隔离）

① 直流输入单元电路

② 交流输入单元电路

开关接点的“通”、“断”信号经光电耦合电路转化为“1”、“0”数据，存放在输入状态寄存器中，每个开关状态占寄存器字中的一位。接通时一般为7mA。

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输出接口电路——CPU与用户输出设备的连接部件。输出状态寄存器的信号经输

出锁存电路和光电耦合电路转换为不同类型的输出信号，再经功率放大电路驱动外接负载。（信号锁存、功率放大、电气隔离）

① 晶体管输出接口电路——驱动直流负载 ② 可控硅输出接口电路——驱动交流负载 ③ 继电器输出接口电路——驱动交、直流负载

每个输出点的输出电路等效为一个输出继电器，输出信号为“1”，对应输出接点“接通”；输出信号为“0”，对应输出接点“断开”。

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4. 用户程序输入设备

① 编程器——直接输入指令表或梯形图，简单方便，但程序修改、运行监控不方便。

② 计算机——利用PLC编程软件，进行程序编辑、传送、运行、实时监控、打

印以及不同程序间转换等。

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二、 PLC工作原理

1、PLC的等效电路

软元件：输入继电器 X

输出继电器 Y 辅助继电器 M 定时器 T 计数器 C 数据寄存器 D

2、PLC工作过程

分三个阶段进行：

a. 输入采样阶段——对输入端口状态进行扫描，并将结果存放在输入状态寄存器

器中。

b. 程序执行阶段——按顺序逐行扫描，解释执行程序，所需数据从输入状态寄存

器和元素状态 寄存器中读取，执行结果写入相应元素状态寄存器（Y、M、T、C、D……） c. X0 X1 X2

输出刷新阶段——把输出状态寄存器内容送给锁存电路，通过功率放大电路，驱动相应端口负载，完成实际输出。

输入状态寄存器程 读 写 读 序执行元素状态寄存器刷新 输出状态寄存器Y0 Y1 Y2

输入采样阶 程序执行阶输出刷新阶 - 34 -

PLC不断重复上述三个阶段，来完成它的工作过程。每重复一次的时间就是一个工作周期（一般为几十ms）

1.

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I/O响应处理原则

第六章 可编程序控制器应用程序

§ 1编程概述

一、 PLC编程语言：

PLC是专门为工业自动控制而开发的装置。为适应广大电气技术人员和操作

维护人员的使用习惯，不采用计算机编程语言，而是采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”，即图形化编程语言。有三种形式。 1.

梯形图（LAD）：形式上类似于继电器控制回路。

由常开接点、常闭接点、线圈、纵向连线、横向连线等连接而成，直观易懂。 特点：① 自上而下，从左到右排列，每个继电器线圈为一逻辑行。起于左母线，经过接点的各种连接，最后终于继电器线圈，呈阶梯形。

② 因为是“软继电器”，梯形图中继电器的线圈是广义的，也没有电压等级之分，可以是Y、M、T、C、S、D （输入继电器X在梯形图中只有接点，没有线圈。）

③ 在同一程序段中，某一编号的继电器线圈只出现一次，而各元素接点可

无限引用。

④ 负载只由输出继电器驱动，Y线圈为“1”，对应的输出端口常开接点闭合，负载回路接通，否则断开。（M、T、C、S等不能作输出控制用，只供PLC内部使用）

⑤PLC按扫描方式顺序执行梯形图程序，从上到下，从左到右，不存在几条回路同时动作的可能。 2.

语句表（STL）：类似于计算机汇编语言，用指令助记符来编程。

特点：① 语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序最小单元。

② 语句格式：操作码 操作数

指令助记符 地址、数据

③ 每个操作功能由一条或几条语句来执行。

④ 语句表和梯形图是PLC的不同语言形式，可互相转换。

3.

控制系统流程图（CSF）

二、 PLC的元素种类及编号（以FX系列为例）

1、 输入继电器X——对应于输入端口地址（128点，八进制）

X000~X007 X010~X017 X020~X027 …… X070~X077

X100~X107 X110~X117 X120~X127 …… X170~X177 2、 输出继电器Y——对应于输出端口地址（128点，八进制）

Y000~Y007 Y010~Y017 Y020~Y027 …… Y070~Y077

Y100~Y107 Y110~Y117 Y120~Y127 …… Y100~Y107

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3、 辅助继电器M （十进制）

① 通用辅助继电器 M000~M449 500点

② 掉电保护辅助继电器 M500~M1023 524点

③ 特殊辅助继电器 M8000~M8255 256点（只能利用其触点） M8000 运行状态 M8002 初始化脉冲 M8011 10ms时钟脉冲 M8012 100ms时钟脉冲 M8034 禁止对外输出 （提供继电器线圈）

4、 定时器 T

T000~T199 200点 100ms精度，定时范围0.1~3276.7s（215）

T200~T245 46点 10ms 精度，定时范围0.01~327.67s（215） 5、 计数器C

① 通用计数器 C000~C099 100点 计数范围1~32767（215 增计数）

② 掉电保护计数器 C100~C199 100点 计数范围1~32767（215 增计数） 6、 状态寄存器S——用于步进编程

初始状态器 S0~S9 10点

复位状态器 S10~S19 10点 通用状态器 S20~S499 480点 掉电保护状态器 S500~S9 400点 7、 指针P——作跳转标号 N——主控用 P0~P63 点； N0~N7 8点 8、 数据寄存器 D（16位）

① 通用数据寄存器 D000~D199 200点 ② 掉电保护数据寄存器 D200~D511 312点

§2 PLC指令系统

一、 基本指令

1. 输入/输出指令

LD —— 用于与母线相连的常开接点，“取”指令。操作数：X、Y、M、T、C、S LDI—— 用于与母线相连的常闭接点，“取反” 指令。操作数同上 OUT—— 用于驱动指定的线圈，“输出” 指令。操作数为： Y、M、T、C、S LD X0 OUT LDI OUT OUT LD OUT

Y0 M1 Y1 M10 Y1 M11

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2. 逻辑指令

① AND——用于常开接点的串联，“与” 指令。操作数为：X、Y、M、T、C、S

ANI——用于常闭接点的串联，“与非” 指令。操作数为：X、Y、M、T、C、S ② OR—— 用于常开接点的并联，“或” 指令。操作数为：X、Y、M、T、C、S ORI——用于常闭接点的并联，“或非” 指令。操作数为：X、Y、M、T、C、S LD X0 LD TO AND X2 ORI X10 OUT Y0 AND X4 LD Y0 OR ` Y1 OR M0 ANI X3 ANI X3 OUT Y1 OUT M0 AND X5 OUT TO OUT Y2 K20

③ 电路块连接指令：

ANB——电路块串联指令，没有操作数

ORB——电路块并联指令，没有操作数 LD X1 OUT Y6 ORI X2 LD X1 LDI X3 OR X2 AND X4 LD X4 ORB AND M10 LD Y6 LDI X3 ANI X4 AND M11 ORB ORB LD X5 OR Y7 ORI M11 ANB ANB OUT Y7

*ANB、ORB指令没有操作数；支路的起点以LD、LDI开始；电路块结束后，使用ANB（ORB），表示与前面电路相串联（并联）。

3. 置位/复位等指令

① PLS——脉冲指令，产生一个周期的脉冲信号。M ② SET/RST指令：成对出现，两指令间可插入其它程序。 SET——置位指令；RST——复位指令。操作数为Y、M、S

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③ NOP——空操作指令，不影响任何输出，只改变步序号。（便于程序的调试、

修改）

④ END——程序执行过程中，遇到END指令，便结束程序，跳回起始地址。（可

缩短程序扫描周期，便于程序的调试，可用于分段调试，）

*没有END指令，程序执行阶段将扫描整个程序存储空间

4.

主控指令——用于一个接点或接点组控制多条逻辑行的电路 MC ——主控指令，建立新母线，操作数为M MCR——主控复位指令，返回原来母线。

LD MC SP LD OUT LD MC SP LDI OUT

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X0 N0 M100 X1 Y0 X2 N1 M101 X4 Y2

LD ORI OUT LDI OR OUT MCR LD ANI OUT

X3 Y6 Y4 X5 X6 Y6 N1 Y6 M0 Y7

① 主控接点后电路由LD、LDI开始。

② MC/MCR成对出现，主控电路连续，则只需最后一个主控复位指令。可嵌套8次。

③ 主控接点没接通，MC、MCR之间的程序段输出为0，可用于故障处理。 5.

① X0条件满足，跳过程序B，跳转到P0处，程序B保持原状态。大大缩短了

程序扫描周期。 ② 解决了双线圈问题

③ 跳转可以嵌套，可以交叉。 6.

编程提醒：

跳转指令——实现程序分支控制

CJ——条件跳转指令，P0~P63作跳转指针。

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二、 计时/计数指令

1. 计时指令形式（T0~T245）

都为延时接通方式：

设计成延时断开方式

方波发生器

2. 计数指令形式

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计数功能：① 当复位输入有效时，计数器的值为0

② 当计数输入的每一个上升沿使计数器的值加1

③ 当计数器的值增为设定值时，计数器的接点接通。（停止计数，直至复位）

例：实现长时间延时

作业

§3 步进指令

1. 状态图——直观地反映出工艺流程。（由若干状态步组成）

状态步三要素：该状态步的驱动负载Y；转移条件X；转移目标Sn 同时进行的工作可放在同一状态步中。

2. 3.

步进梯形图——采用步进指令，根据状态图设计出的梯形图。简单只直观，适于顺序控制程序的设计。

步进指令：成对出现

STL——步进接点指令，操作数为：S0~S9 RET——步进返回指令

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特点：

④ 状态寄存器使用了SET指令时，才具有步进控制功能，除了提供步进接

点，还提供一般接点。

⑤ 某一状态寄存器置位后，其步进接点接通，其后电路工作，并将前一步

的状态寄存器断开，前一状态步的输出为0，若需保持输出，可使用SET/RST指令。

⑥ STL接点具有主控功能，STL接点后电路由LD、LDI开始。不能使用MC/MCR指令，但可以使用CJ指令，当执行跳转时，跳到某步进接点内，不论该接点是否接通，都令其接通而继续执行电路。

⑦ 只要不是相邻的状态步中，可重复使用同一地址号计时器。 ⑧ 步进接点电路块相连，则只需要最后一个RET。

⑨ 若使用掉电保护型状态寄存器，当电源断电——恢复时，可继续原来的

动作顺序。

例：深孔钻三次进给控制程序设计

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4．多流程步进顺序控制 ①选择分支结构

②并联分支结构

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③跳转与循环

例：机械手控制程序设计P115~P119

§4 PLC控制程序设计方法

例：液压滑台自动循环和点动控制

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①逻辑编程法 ②S、R编程法 - 46 -

③步进指令编程法

作业

*PLC应用前景

§5 PLC控制系统设计的一般步骤

一、 根据生产工艺过程分析控制要求，确定用户输入/输出设备

二、 根据控制功能要求，根据I/O点数，选择PLC机型

三、 分配I/O地址，设计PLC接线图（反映PLC与外部I/O设备连接关系） 四、 进行控制程序设计：

1、 先绘制系统控制流程图，划分控制功能块

2、 根据功能块，设计相应梯形图，最后合成为一个完整控制程序

3、 根据梯形图编制程序清单（语句表程序）

五、 用编程器或编程软件把程序送入PLC用户存储器中，进行调试和修改，得到正确

的控制程序，生成技术文件。

实验部分

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