項(xiàng)目一初識(shí)PLC控制系統(tǒng)

i錄

緒論」

項(xiàng)目一初識(shí)PLC控制系統(tǒng)工

任務(wù)一彩燈控制y

任務(wù)二搶答器的控制14

任務(wù)三自動(dòng)門的控制四

任務(wù)四學(xué)習(xí)PLC編程語言爭

項(xiàng)目二三相異步電動(dòng)機(jī)的控制且

任務(wù)一三相異步電動(dòng)機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制

任務(wù)二三相異步電動(dòng)機(jī)的單向運(yùn)轉(zhuǎn)控制⑶

任務(wù)三三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制工

任務(wù)四學(xué)習(xí)編程軟件g

項(xiàng)目三定時(shí)器與計(jì)數(shù)器&

任務(wù)一電動(dòng)機(jī)的Y-△減壓啟動(dòng)控制&

任務(wù)二利用PLC實(shí)現(xiàn)簡易交通燈控制工2

任務(wù)三庫房計(jì)料系統(tǒng)型

任務(wù)四全自動(dòng)洗衣機(jī)

項(xiàng)目四PLC程序應(yīng)用97

任務(wù)一油循環(huán)控制12

任務(wù)二彩燈循環(huán)控制107

任務(wù)三多臺(tái)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制112

任務(wù)四計(jì)算器功能的實(shí)現(xiàn)_L1^

項(xiàng)目五順序控制繼電器（SCR）指令128

任務(wù)一送料小車控制128

任務(wù)二三相異步電動(dòng)機(jī)啟/停順序控制3

任務(wù)三液壓動(dòng)力滑臺(tái)控制」41

項(xiàng)目六PLC通信實(shí)例信6

任務(wù)一自由端口通信146

任務(wù)二PPI協(xié)議153

任務(wù)三Modbus協(xié)議161

任務(wù)四USS協(xié)議168

緒論

可編程控制器簡稱PLC,是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展極為迅速，應(yīng)用面極為廣泛的工

業(yè)控制裝置，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱之首。當(dāng)今PLC吸取了微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技

術(shù)的最新成果，以單機(jī)自動(dòng)化到整條生產(chǎn)線的自動(dòng)化乃至整個(gè)工廠的生產(chǎn)自動(dòng)化；從柔性制

造系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人到大型分散控制系統(tǒng)，PLC均承擔(dān)著重要角色。

下面就部分PLC外形圖作一簡單介紹。

一、常用PLC型號(hào)及外形圖

目前國際上各PLC生產(chǎn)廠商均推出了各自的產(chǎn)品，主要有三菱公司的FX系列、西門子

S7系列、松下的FP系列、以及歐姆龍、富士、施耐德等各系列的

三菱FX1S/FX1N系列PLC三菱FX2N系歹UPLC

西門子S7-200系列PLC西門子新一代S7-400

系列PLC

歐姆龍C200H型機(jī)系列PLC歐姆龍CP1H系列

PLC

松下FP1系歹PLC松下

FPX系歹（jPLC

富士PLC

施耐德PLC

二、PLC的功能簡介

由上面的各PLC外形圖可見，PLC基本上是一個(gè)長方型箱體，其上有與外界連接導(dǎo)線的

各種端子。事實(shí)上，PLC是一個(gè)電信號(hào)的信息處理系統(tǒng)，任何系統(tǒng)都要有輸入和輸出，箱體

上的各種端子，一部分屬于輸入端子，另一部分屬于輸出端子。通過輸入端子，PLC可以接

收來自于各種工況的電信號(hào)，然后被PLC所處理，最后PLC將處理后的結(jié)果，通過輸出端

子輸送到工況環(huán)境，控制各種設(shè)備或儀器工作，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。

三、PLC在工業(yè)上的部分應(yīng)用

PLC在工業(yè)上的部分應(yīng)用如圖0-2所示。

PLC在雙表顯示中的應(yīng)用PLC在水汽集中取樣自控系統(tǒng)中

的應(yīng)用

PLC在電池清洗設(shè)備中的應(yīng)用PLC在可編程數(shù)控底

孔加工機(jī)中的應(yīng)用

WnCC工作站VWiCCH作站

懺印機(jī)FT印■機(jī)

光纖環(huán)網(wǎng)

S7-400H

歡場(chǎng)意線

ET200MET200M

~VSSG-vnmi

ET200MET200M

-=nnnii-=nnnii

ET200MET200M

4mlio

集控室煤倉向

PLC在電廠輸煤程控系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

圖0-2PLC在工業(yè)上的部分應(yīng)用

項(xiàng)目一初識(shí)PLC控制系統(tǒng)

可編程控制器（PLC）制造廠家較多，目前市場(chǎng)上品種、規(guī)格繁多，各廠家均獨(dú)具特色,

但一般來說，PLC控制系統(tǒng)包括兩部分，一部分是硬件系統(tǒng)，另一部分是軟件系統(tǒng)。PLC的

硬件基本組成主要由微處理器（CPU）、存儲(chǔ)器、I/O單元、電源單元和編程器等五大部分

組成。軟件系統(tǒng)主要是編制的各種程序。PLC的工作方式均采用“循環(huán)掃描，周而復(fù)始”。

其工作過程實(shí)質(zhì)上就是CPU掃描程序的執(zhí)行過程。為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)PLC控制系統(tǒng)，下面分四個(gè)

任務(wù)來進(jìn)行學(xué)習(xí).

任務(wù)一彩燈控制

一、任務(wù)目標(biāo)

一、任務(wù)分析

節(jié)日彩燈的亮暗變化，給節(jié)日帶來無窮樂趣，現(xiàn)有一彩燈，通過PLC來實(shí)現(xiàn)它的亮暗控

制。

控制電路如圖1T所示。

控制要求：1.按下按鈕$B,彩燈HL亮。2.松開按鈕SB,彩燈HL滅。

如何用PLC實(shí)現(xiàn)本任務(wù)呢？PLC是什么？其結(jié)構(gòu)如何？通過本任務(wù)學(xué)習(xí)來解決這些問

題。

三、背景知識(shí)

可編程控制器(PLC)是計(jì)算機(jī)家族中的一員，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用

一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)

操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

傳統(tǒng)的繼電接觸控制系統(tǒng)通常由輸入設(shè)備、控制線路和輸出設(shè)備三大部分組成，如圖『2

所示。顯然這是一種由許多“硬”的元器件連接起來組成的控制系統(tǒng)，PLC及其控制系統(tǒng)是

從繼電接觸控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，PLC的輸入/輸出部分與繼電接觸控制

系統(tǒng)大致相同，PLC控制部分用微處理器和存儲(chǔ)器取代了繼電器控制線路，其控制作用是通

過用戶軟件來實(shí)現(xiàn)的。PLC的基本結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。PLC的基本組成部分包括微處理器

(CPU)、存儲(chǔ)器、I/O單元、電源單元和編程器等。

圖1-2繼電接觸控制系統(tǒng)

圖1-3

Fit

|；R|I,:Ft"

!口

-:做處理路

格塊制*在位依

HVJln『tS^

用戶程序存林也

田海中五

圖1-3PLC的基本結(jié)構(gòu)

(-)常用低壓電器

低壓電器：用于交流1200V、直流1500V以下的電路中起通斷、保護(hù)、控制或調(diào)節(jié)作用

的電器產(chǎn)品。

1.熔斷器

用途：主要用作短路保護(hù)。

結(jié)構(gòu)：熔斷器主要由熔體(俗稱保險(xiǎn)絲)和安裝熔體的熔管兩部分組成。熔體由易熔金

屬材料鉛、錫、鋅、銀、銅及其合金制成，通常做成絲狀或片狀。熔管是裝熔體的外殼，由

陶瓷、絕緣鋼紙或玻璃纖維制成，在熔體熔斷時(shí)兼有滅弧作用。

工作原理：

熔斷器的熔體與被保護(hù)的電路串聯(lián)，當(dāng)電路正常工作時(shí)，熔體允許通過一定大小的電流

而不熔斷。當(dāng)電路發(fā)生短路或嚴(yán)重過載時(shí)，熔體中流過很大的故障電流，當(dāng)電流產(chǎn)生的熱量

達(dá)到熔體的熔點(diǎn)時(shí)，熔體熔斷切斷電路，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)目的。

1-動(dòng)觸頭2-熔絲3-流蓋4-靜觸頭5-瓷座「瓷帽2-熔管3-瓷套4-上接線端

5-下接線端6-底座

圖1-4插入式熔斷器圖1-5

螺旋式熔斷器

1-夾座2-底座3-熔管

圖1-6密閉管式熔斷器圖1-7熔斷器圖形文

字符號(hào)

2.交流接觸器

工作原理：交流接觸器有兩種工作狀態(tài)：得電狀態(tài)（動(dòng)作狀態(tài)）和失電狀態(tài)（釋放狀態(tài)）.

接觸器主觸點(diǎn)的動(dòng)觸頭裝在與銜鐵相連的絕緣連桿上，其靜觸點(diǎn)則固定在殼體上。當(dāng)線圈得

電后，線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力，將銜鐵吸合。銜鐵帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，使常閉

觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，分?jǐn)嗷蚪油ㄏ嚓P(guān)電路。當(dāng)線圈失電時(shí)

1-主觸頭2-常閉輔助頭3-常開輔助頭4-動(dòng)鐵心5-電磁線圈6-靜鐵心7-滅弧罩8-彈簧

圖『8交流接觸器的結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖

a)b)c)d)

a）接觸器線圈b）主觸頭c）常開輔助觸頭d）常閉輔助觸頭

圖19交流接觸器-各部件圖形文字符號(hào)

3.繼電器

繼電器是一種根據(jù)電量（電流、電壓）或非電量（時(shí)間、速度、溫度、壓力等）的變化

自動(dòng)接通和斷開控制電路，以完成控制或保護(hù)任務(wù)的電器。

繼電器和接觸器的結(jié)構(gòu)和工作原理大致相同，與接觸器的主要區(qū)別在于：

接觸器：用于主電路、電流大，有滅弧裝置，一般只能在一定的電壓作用下動(dòng)作。

繼電器：用于控制電路，電流?。ɡ^電器觸頭容頭量較小，不大于5A）,無滅弧裝置,

可在各種電量或非電量的作用下動(dòng)作。

4.熱繼電器

熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電器,在電路中用作電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)和

斷相保護(hù)。長期過載、頻繁啟動(dòng)、欠電壓、斷相運(yùn)行均會(huì)引起過電流。

熱繼電器種類很多，應(yīng)用最廣泛的是基于雙金屬片的熱繼電器，其結(jié)構(gòu)原理如圖1T0

所示：主要由熱元件、雙金屬片和觸頭三部分組成。

工作原理：發(fā)熱元件接入電機(jī)主電路，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，熱元件產(chǎn)生的熱量雖能使雙

金屬片彎曲，但還不足以使繼電器動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，流過元件的電流加大，產(chǎn)生的熱

量增加，使雙金屬片產(chǎn)生的彎曲位移增大，經(jīng)過一定時(shí)間后，通過導(dǎo)板推動(dòng)熱繼電器的觸點(diǎn)

動(dòng)作，使常閉觸點(diǎn)斷開，切斷電動(dòng)機(jī)控制電路，使電動(dòng)機(jī)主電路失電，電動(dòng)機(jī)得到保護(hù)。當(dāng)

故障排除后，按下手動(dòng)復(fù)位按鈕，使常閉觸點(diǎn)重新閉合（復(fù)位），可以重新啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

由于熱繼電器主雙金屬片收熱膨脹的熱慣性及動(dòng)作機(jī)構(gòu)傳遞信號(hào)的惰性原因，熱繼電器

從電動(dòng)機(jī)過載到觸點(diǎn)動(dòng)作需要一定時(shí)間，也就是說，即使電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載甚至短路，熱繼電

器也不會(huì)瞬間動(dòng)作，因?yàn)闊崂^電器不能用于短路，熱繼電器也不會(huì)瞬間動(dòng)作，因此熱繼電器

不能用于短路保護(hù)。但也正是這個(gè)熱惰性和機(jī)械惰性，保證了熱繼電器在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或短時(shí)

過載時(shí)不會(huì)動(dòng)作。從而滿足了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求。熱繼電器的文字符號(hào)為FR,圖形符號(hào)如

圖1-11所示。

1-雙金屬片固定柱2-雙金屬片3-加熱元件4-導(dǎo)板5-補(bǔ)償雙金屬片6、7-靜觸頭

8-復(fù)位調(diào)節(jié)螺釘9-動(dòng)觸頭10-復(fù)位按鈕11-調(diào)節(jié)旋鈕12-支撐件

13-彈簧14-推桿

圖1-10熱繼電器的結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖

a）加熱元件b）熱繼電器觸頭

圖111熱繼電器圖形文字符號(hào)

5.按鈕

用途：按鈕常用于接通和斷開控制電路。它只能短時(shí)接通或分?jǐn)?A以下的小電流電路,

向其它電器發(fā)出指令性的電信號(hào)，控制其它電器動(dòng)作。由于按鈕載流量小，不能直接用于控

制主電路的通斷。

按鈕是由按鈕帽、復(fù)位彈簧、橋式觸點(diǎn)和外殼組成。器結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖如圖1T2所示,

圖形符號(hào)及文字符號(hào)如圖1T3所示。

按鈕按用途和結(jié)構(gòu)不同，分為啟動(dòng)按鈕、停止按鈕和復(fù)合按鈕等。

a）動(dòng)合觸點(diǎn)b）動(dòng)斷觸點(diǎn)c）復(fù)式觸點(diǎn)

圖1-13按鈕的圖形文字符號(hào)

貧

選擇使用時(shí)應(yīng)從使用場(chǎng)合、所需觸頭數(shù)及按鈕帽的顏色等因素考慮。一般“綠色”表示啟動(dòng),

“紅色”表示停止，“黑色”表示點(diǎn)動(dòng)，“藍(lán)色”表示復(fù)位，“啟動(dòng)”與“停止”交替用

黑白、白色或灰色。

（二）PLC的組成

1.微處理器（CPU）

CPU一般由控制器、運(yùn)算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個(gè)芯片上。與一般計(jì)算

機(jī)一樣，CPU是可編程控制器的核心，它按系統(tǒng)程序賦予的功能指揮可編程控制器有條不

紊地進(jìn)行工作。

不同型號(hào)可編程控制器的CPU芯片是不同的，有的采用通用CPU芯片，如8031、8051、

8086、80826等，也有采用廠家自行設(shè)計(jì)的專用CPU芯片（如西門子公司的S7-200系列

可編程控制器均采用其自行研制的專用芯片如下圖1-14所示），隨著CPU芯片技術(shù)的不斷

發(fā)展，可編程控制器所用的CPU芯片也越來越高檔。

S7-200CPU有CPU21X和CPU22X兩個(gè)系列。CPU21X包括CPU212、CPU214、CPU215

和CPU216,是第一代產(chǎn)品，主機(jī)都可進(jìn)行擴(kuò)展，本書不作介紹。CPU22X包括CPU221、

CPU222、CPU224、CPU226和CPU226XM,CPU22X是第二代產(chǎn)品，具有速度快，具有通

訊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

CPU221CPU222CPU224

圖1-1457-200系列CPU種類

CPU的主要功能：

(1)接收并存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)；

(2)診斷電源、PLC工作狀態(tài)及編程的語法錯(cuò)誤；

(3)接收輸入信號(hào)，送入數(shù)據(jù)寄存器并保存；

(4)運(yùn)行時(shí)順序讀取、解釋、執(zhí)行用戶程序，完成用戶程序的各種操作;

(5)將用戶程序的執(zhí)行結(jié)果送至輸出端。

S7-200系列CPU的特性表如表1-1所示：

表1-1

特征CPU221CPU222CPU224CPU224XPCPU226

數(shù)字輸入681414網(wǎng)

數(shù)字輸出461010回

數(shù)字輸入端出的最大值|248]

1078168168

模擬輸入082830

模擬輸出041415回

模擬輸入端出的最大值

0103538困

程序內(nèi)存4481212/16士6五.

數(shù)據(jù)內(nèi)存22810叵］

*CPU芯片的性能關(guān)系到可編程控制器處理控制信號(hào)的能力與速度，CPU位數(shù)

越高，系統(tǒng)處理的信息量越大，運(yùn)算速度也越快。

2.存儲(chǔ)器

可編程控制器的存儲(chǔ)器可以分為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器、用戶程序存儲(chǔ)器及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等

三種。

(1)系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器

系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器用來存放由可編程控制器生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，

用戶不能直接更改。系統(tǒng)程序質(zhì)量的好壞，很大程度上決定了PLC的性能，其內(nèi)容主要包

括三部分：第一部分為系統(tǒng)管理程序，它主要控制可編程控制器的運(yùn)行，使整個(gè)可編程控制

器按部就班地工作；第二部分為用戶指令解釋程序，通過用戶指令解釋程序，將可編程控制

器的編程語言變?yōu)闄C(jī)器語言指令，再由CPU執(zhí)行這些指令；第三部分為標(biāo)準(zhǔn)程序模塊與系

統(tǒng)調(diào)用程序，它包括許多不同功能的子程序及其調(diào)用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運(yùn)

算等的子程序，可編程控制器的具體工作都是由這部分程序來完成的，這部分程序的多少?zèng)Q

定了可編程控制器性能的強(qiáng)弱。

(2)用戶程序存儲(chǔ)器

根據(jù)控制要求而編制的應(yīng)用程序稱為用戶程序。用戶程序存儲(chǔ)器用來存放用戶針對(duì)具體

控制任務(wù)，用規(guī)定的可編程控制器編程語言編寫的各種用戶程序。目前較先進(jìn)的可編程控制

器采用可隨時(shí)讀寫的快閃存儲(chǔ)器作為用戶程序存儲(chǔ)器?？扉W存儲(chǔ)器不需后備電池，掉電時(shí)數(shù)

據(jù)也不會(huì)丟失。

（3）工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)工作數(shù)據(jù)，即用戶程序中使用的ON/OFF狀態(tài)、數(shù)值數(shù)據(jù)等。

在工作數(shù)據(jù)區(qū)中開辟有元件映像寄存器和數(shù)據(jù)表。其中元件映像寄存器用來存儲(chǔ)開關(guān)量、輸

出狀態(tài)以及定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等內(nèi)部器件的ON/OFF狀態(tài)。數(shù)據(jù)表用來存放各種

數(shù)據(jù)，它存儲(chǔ)用戶程序執(zhí)行時(shí)的某些可變參數(shù)值及A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量和數(shù)學(xué)運(yùn)算的結(jié)

果等。

PLC產(chǎn)品手冊(cè)中給出的“存儲(chǔ)器類型”和“程序容量”是針對(duì)用戶程序存儲(chǔ)器而言的。

3.輸入/輸出（I/O）單元

輸入/輸出接口是PLC與外界連接的接口。是CPU與現(xiàn)場(chǎng)I/O裝置或其他外部設(shè)備之間

的連接部件。

輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號(hào)，一類是由按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、

繼電器觸點(diǎn)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)等的開關(guān)量輸入信號(hào)。另一類是由電位器、

測(cè)速發(fā)電機(jī)和各種變送器等來的模擬量輸入信號(hào)。

輸出接口用來連接被控對(duì)象中各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥（模

擬量）、調(diào)速裝置（模擬量）等。

注意：I/O的能力可按用戶的需要進(jìn)行擴(kuò)展和組合

4.編程器

編程器有簡易編程器和智能圖形編程器兩種，主要用于編程、對(duì)系統(tǒng)作一些設(shè)定、監(jiān)控

PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀況。編程器是PLC開發(fā)應(yīng)用、監(jiān)測(cè)運(yùn)行、檢查維護(hù)不可缺

少的器件。

編程器不直接加入現(xiàn)場(chǎng)控制運(yùn)行。一臺(tái)編程器可開發(fā)、監(jiān)護(hù)許多臺(tái)PLC的工作。

5.電源

電源部件用來將外部供電電源轉(zhuǎn)換成供PLC的CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口等電子電路工作

所需要的直流電源，使PLC能正常工作。

PLC的電源部件有很好的穩(wěn)壓措施，因此對(duì)外部電源的要求不高。直流24V供電的機(jī)型,

允許電壓為16?32V；交流220V供電的機(jī)型，允許電壓為85?264V,頻率為47?53Hz。

一般情況下，PLC還為用戶提供24V直流電源作為輸入電源或負(fù)載電源。

為防止因外部電源發(fā)生故障，造成PLC內(nèi)部重要數(shù)據(jù)丟失，故一般備有后備電源。

四、任務(wù)實(shí)施

根據(jù)圖1-1硬件電路圖所示，繪制PLC控制程序如下所示

|節(jié)日彩燈亮暗變化PL灌序

網(wǎng)絡(luò)1指令表

LDIoo

=QOO

圖1-15形圖及指令表

五、知識(shí)鏈接

1.可編程控制器的產(chǎn)生和發(fā)展

20世紀(jì)60年代，在世界工業(yè)技術(shù)改革浪潮的沖擊下，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在尋找一種比

繼電器更可靠、功能更齊全、響應(yīng)速度更快捷的新型工業(yè)控制裝置。直到1968年，美國通

用汽車（GE）公司為適應(yīng)汽車型號(hào)的不斷翻新，盡量避免重建流水線和更換繼電器控制系統(tǒng),

以降低成本，縮短生產(chǎn)周期。為此，美國通用汽車公司公開招標(biāo)，研制一種工業(yè)控制器，提

出了“使用、編程方便，可在現(xiàn)場(chǎng)修改和調(diào)試程序，維護(hù)方便，可靠性高，體積小，易于擴(kuò)

充”等要求。

根據(jù)招標(biāo)要求，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）在1969年研制出了第一臺(tái)可編程控制器

PDP-14,并在通用汽車公司的自動(dòng)裝配生產(chǎn)線上試用，獲得成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制的新

局面。經(jīng)過30多年的發(fā)展，產(chǎn)品性能日臻完善，概括起來，其發(fā)展過程可歸納如下，見表

1-2所示。

表1-2

發(fā)展時(shí)期特點(diǎn)典型產(chǎn)品舉例

由數(shù)字集成電路構(gòu)成，功能簡單，DEC公司的PDP-14、日本富

初創(chuàng)時(shí)期

僅具備邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)功能。士電機(jī)公司的USC-4000等

（1969年?1977年）

機(jī)種單一，沒有形成系列

以微處理器為核心，功能不斷完德國西門子公司的

功能擴(kuò)展時(shí)期善，增加了傳送、比較和模擬量運(yùn)SYMATICS3系列和S4系列、

（1977年?1982年）算等功能。初步形成系列，可靠性日本富士電機(jī)公司的SC系列

進(jìn)一步提高，存儲(chǔ)器采用EPROM。等

能夠與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)通信，出現(xiàn)了德國西門子公司的

聯(lián)機(jī)通信時(shí)期分布式控制，增加了多種特殊功能，SYMATICS5系列、日本三菱

（1982年?1990年）如浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、平方、三角函數(shù)、公司的MELPLAC-50、日本富

脈寬調(diào)制等士電機(jī)公司的MICREEX等

通信協(xié)議走向標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了和德國西門子公司的S7系

網(wǎng)絡(luò)化時(shí)期

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，出現(xiàn)了工業(yè)控制歹IJ、日本三菱公司的A系列等

（1990年?）

網(wǎng)?？梢杂酶呒?jí)語言編程

從PLC的發(fā)展趨勢(shì)看，PLC控制技術(shù)將成為今后工業(yè)自動(dòng)化的主要手段。在未來的工業(yè)

生產(chǎn)中，PLC技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM和數(shù)控技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的四大支

柱技術(shù)。

2.可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域

PLC已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。從行業(yè)看，冶金、機(jī)械、化工、輕工、食品、

建材等，幾乎沒有不用到它的。不僅工業(yè)生產(chǎn)用它，一些非工業(yè)過程，如樓宇自動(dòng)化、電梯

控制、農(nóng)業(yè)的大棚環(huán)境參數(shù)調(diào)控、水利灌溉等。PLC應(yīng)用領(lǐng)域主要分為如下幾類：

（1）取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，也

可用于多機(jī)群控及自動(dòng)化流水線，如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、電鍍流水線等。

（2）工業(yè)過程控制。在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，存在一些如溫度、壓力、流量、液位和速度

等連續(xù)變化的量，PLC采用相應(yīng)的A/D、和D/A轉(zhuǎn)換模塊，以及各種各樣的控制算法程序來

處理，完成閉環(huán)控制。

(3)運(yùn)動(dòng)控制。PLC可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。一般使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模

塊，如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊，廣泛用于各種機(jī)械、機(jī)

床、機(jī)器人、電梯等場(chǎng)合。

(4)數(shù)據(jù)處理。PLC具有數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能,

可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。數(shù)據(jù)處理一般用于如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大

型控制系統(tǒng)。

(5)通信及聯(lián)網(wǎng)。PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著工廠

自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

思考與練習(xí)

1.什么是可編程控制器？它的組成部分有哪些？

2.PLC的CPU有哪些功能？

3.簡述PLC的發(fā)展歷程。

4.簡述PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。

任務(wù)二搶答器的控制

一、任務(wù)目標(biāo)

z.西輜入曲曲口不

二、任務(wù)分析

在各種知識(shí)競(jìng)賽中，經(jīng)常用到搶答器，現(xiàn)有四人搶答器，通過PLC來實(shí)現(xiàn)控制，如圖

1-16所示，圖中，輸入10.1?10.4與4個(gè)搶答按鈕相連，對(duì)應(yīng)4個(gè)輸出Q0.1?Q0.4繼電

器。只有最早按下按鈕的人才有輸出，后續(xù)者無論是否有輸入均不會(huì)有輸出。當(dāng)組織人按復(fù)

位按鈕后，輸入10.0接通搶答器復(fù)位，進(jìn)入下一輪競(jìng)賽。

SH)

COMCOM

圖1-16四人搶答器控制電路圖

本任務(wù)涉及到多個(gè)輸入、輸出，在PLC硬件上如何連接？如何理解PLC的輸入/輸出？

通過本任務(wù)的學(xué)習(xí)來解決這些問題。

三、背景知識(shí)

在PLC系統(tǒng)中，外部設(shè)備信號(hào)均是通過輸入/輸出端口與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的。所以，

無論是硬件電路設(shè)計(jì)還是軟件電路設(shè)計(jì)，都要清楚地了解PLC的端口結(jié)構(gòu)及使用注意事項(xiàng),

這樣才能保證系統(tǒng)的正確運(yùn)行。

輸入/輸出接口就是將PLC與現(xiàn)場(chǎng)各種輸入/輸出（I/O）設(shè)備連接起來的部件。PLC應(yīng)

用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，要求其輸入能將現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器能接收的信號(hào)，且最大程度

地排除干擾信號(hào)，提高可靠性；輸出能將微處理器送出的弱電信號(hào)放大成強(qiáng)電信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)

各種負(fù)載。因此，PLC采用了專門設(shè)計(jì)的輸入/輸出端口電路。

輸入輸出接口的任務(wù)是將被控對(duì)象或被控生產(chǎn)過程的各種變量進(jìn)行采集送入CPU處理,

同時(shí)控制器又通過I/O接口將控制器運(yùn)算處理產(chǎn)生的控制輸出送到被控設(shè)備或生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，驅(qū)

動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。如圖1T7所示。

可

編

焦

制

器

圖1T7可編程控制器系統(tǒng)構(gòu)成

1.輸入接口

輸入接口電路是PLC與控制現(xiàn)場(chǎng)的接口界面的輸入通道。輸入信號(hào)可以用來接收和采集

兩種類型的輸入信號(hào)：一種是由按鈕開關(guān)、選擇開關(guān)、行程開關(guān)等提供的開關(guān)量輸入信號(hào);

另一種是由傳感器、電位器、熱電偶等提供的連續(xù)變化的模擬信號(hào)。如圖1T8所示。

圖1-18輸入接口結(jié)構(gòu)原理圖

輸入接口常見有3種接口形式，如圖1-19所示

a）干接觸式b）24V直流輸入式c）交流輸入式

圖1-19輸入接口形式

注意：

采用光電耦合電路與現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)相連接的目的是防止現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電干擾進(jìn)入可編程控制器。

2.輸出接口

輸出接口用來連接被控對(duì)象中各種執(zhí)行元件，如接觸器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥(模

擬量)、調(diào)速裝置(模擬量)等。

輸出接口有多種輸出方式，如圖1-20所示。

(1)繼電器輸出：接觸電阻小，抗沖擊能力強(qiáng)，但響應(yīng)速度慢，一般為毫秒級(jí)，可驅(qū)

動(dòng)交/直流負(fù)載，常用于低速大功率負(fù)載。

(2)晶體管輸出：響應(yīng)速度快，一般為納秒級(jí)，無機(jī)械觸點(diǎn)，可頻繁操作，受命長，

可以驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。

(3)晶閘管輸出：響應(yīng)速度比較快，一般為微秒級(jí)，無機(jī)械觸點(diǎn)，可頻繁操作，受命

長，可以驅(qū)動(dòng)交/直流負(fù)載。

內(nèi)

陸

做

期

內(nèi)

卻

小

路

DC24V

(a)繼電器輸出(b)晶體管輸出

內(nèi)

部

由

路

(C)晶閘管輸出圖1-20輸出接口的輸出方式

注意

:由于可編程控制器在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作，對(duì)輸入輸出接口有兩個(gè)主要的要求：一是接

口有良好的抗干擾能力；二是接口能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各類信號(hào)的匹配要求。

四、任務(wù)實(shí)施

根據(jù)圖1-16硬件電路圖所示，繪制PLC控制程序如圖1-21所示。

I搶答器控制程序

網(wǎng)絡(luò)1第一蛆搶答

I網(wǎng)絡(luò)注釋

網(wǎng)絡(luò)2第二組搶答

|網(wǎng)絡(luò)注釋

Q0.3Q0.4Q0.2

)

網(wǎng)絡(luò)3第三組搶答

|網(wǎng)絡(luò)注釋

Q0.2Q0.4Q0.3

<)

網(wǎng)絡(luò)4第四蛆搶答

|網(wǎng)絡(luò)注釋

Q0.1Q0.2

—I

—I

I搶答器控制程序（指令表）

網(wǎng)絡(luò)1第一組搶答

I網(wǎng)絡(luò)注釋

LD10.1

0Q0.1

AN10.0

ANQ0.2

ANQ0.3

ANQ0.4

=Q0.1

網(wǎng)絡(luò)2第二組搶答

I網(wǎng)絡(luò)注釋

LD10.2

Q0.2

AN10.0

ANQ0.1

ANQ0.3

ANQ0.4

=Q0.2

網(wǎng)絡(luò)3第三組搶答

I網(wǎng)絡(luò)注釋

LD10.3

0Q0.3

AN10.0

ANQ0.1

ANQ0.2

ANQ0.4

=Q0.3

網(wǎng)絡(luò)4第四蛆搶答

I網(wǎng)絡(luò)注稀

LD10.4

0Q0.4

AN10.0

ANQ0.1

ANQ0.2

ANQ0.3

=Q0.4

圖1-21梯形圖及指令表

五、知識(shí)鏈接

PLC的分類

可編程控制器是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和現(xiàn)代化大生產(chǎn)需要的產(chǎn)物，在不同環(huán)境中應(yīng)用的類型

不同，一般來說，可以從3個(gè)方面對(duì)PLC進(jìn)行分類，見表1-3所示。

表1-3

分類原則種類PLC特點(diǎn)相關(guān)3產(chǎn)品舉例

按PLC的1/0點(diǎn)數(shù)一般在64點(diǎn)以下。其特OMRON公司的

控制規(guī)模微型PLC點(diǎn)是體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、以開關(guān)CPM1A系列PLC、德

分類量控制為主，有的產(chǎn)品具有少量模國西門子的LOGO系

擬量信號(hào)處理能力歹PLC

I/O點(diǎn)數(shù)一般在256點(diǎn)以下。除開日本三菱公司的

關(guān)量1/0外，一般都有模擬量控制FX2系列PLC、0MR0N

小型PLC功能和高速控制功能。有的產(chǎn)品還公司的C60P系列

有多種特殊功能模板或智能模塊。PLC、西門子的

有較強(qiáng)的通信能力S7-200PLC

I/O點(diǎn)數(shù)一般在1024點(diǎn)以下。指

OMRON公司的

令系統(tǒng)更豐富，內(nèi)存容量更大，一

中型PLCC200HPLC、西門子

般都有可供選擇的系列化的特殊功

的S7-300PLC

能模板，具有較強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)能力

I/O點(diǎn)數(shù)一般在1024點(diǎn)以上。軟、

硬件功能極強(qiáng)，運(yùn)算和控制功能豐

OMRON公司的

富。具有多種自診斷功能。通信聯(lián)

大型PLCC1000HPLC,西門子

網(wǎng)功能強(qiáng)，有各種通信聯(lián)網(wǎng)的模塊，

的S7-400PLC

可以構(gòu)成三級(jí)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)工廠生

產(chǎn)管理自動(dòng)化

美國GE公司的

I/O點(diǎn)數(shù)一般可達(dá)萬點(diǎn)，甚至幾萬90-70PLC、西門子

超大型PLC

點(diǎn)。功能更加強(qiáng)大公司的

SS-115U-CPU945PLC

具有基本的控制功能和一般的運(yùn)

算能力，工作速度比較低，能帶的

輸入和輸出模塊的數(shù)量比較少，輸OMRON公司的C60P

低檔機(jī)

按PLC的入和輸出模塊的種類也比較少。這系列PLC

控制功能類PLC只適合于小規(guī)模的簡單控制。

分類在聯(lián)網(wǎng)中一般適合做從站使用

控制能力和運(yùn)算能力都較強(qiáng)，工

西門子的S7-300

中檔機(jī)作速度比較快，能帶的輸入和輸出

PLC

模塊的數(shù)量較多，輸入和輸出模塊

的種類也比較多?？赏瓿芍械纫?guī)模

的控制任務(wù)。聯(lián)網(wǎng)中可做主站或從

站

控制能力和運(yùn)算能力強(qiáng)大，工作

速度快，能帶的輸入和輸出模塊的西門子的S7-400

高檔機(jī)數(shù)量很多，輸入和輸出模塊的種類PLC、美國GE公司的

也很全面。可完成大規(guī)模的控制任90-70PLC

務(wù)。聯(lián)網(wǎng)中可做主站

把電源、CPU、內(nèi)存、I/O系統(tǒng)都

西門子公司的

箱體式結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)小箱體內(nèi)。一個(gè)主機(jī)箱

LOGO系列PLC

體就是一臺(tái)完整的PLC

按PLC的

CPU、輸入和輸出單元、電源單元

結(jié)構(gòu)分類西門子公司的

組合式（模塊以及各種功能單元自成一體，稱為

S-200>S-300>S-400

式）結(jié)構(gòu)模塊或模板。各種模塊可根據(jù)需要

系列PLC

搭配組合，靈活性強(qiáng)。

思考與練習(xí)

1.PLC的輸入輸出口有哪些作用？

2.輸入接口常見有幾種接口形式？

3.輸出接口有哪幾種輸出方式？

4.簡述PLC的分類。

任務(wù)三自動(dòng)門的控制

一、任務(wù)目標(biāo)

二、任務(wù)分析

用PLC控制一車庫大門自動(dòng)打開和關(guān)閉，以便讓一個(gè)接近大門的物體（如車輛）進(jìn)入或

離開車庫?？刂埔螅翰捎靡慌_(tái)PLC,把一個(gè)超聲開關(guān)和一個(gè)光電開關(guān)作為輸入設(shè)備將信號(hào)

送入PLC。PLC輸出信號(hào)控制門電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。如圖卜22所示。

圖1-22PLC在自動(dòng)開關(guān)門中的應(yīng)用

從圖1-22可知，PLC有多種不同類型的輸入控制，那PLC是如何工作的呢？通過本任

務(wù)的學(xué)習(xí)來解決這個(gè)問題。

三、相關(guān)知識(shí)

PLC運(yùn)行時(shí)，CPU是不能同時(shí)去執(zhí)行多個(gè)操作，只能按分時(shí)操作原理運(yùn)行，即每一時(shí)刻

執(zhí)行一個(gè)操作，完成一個(gè)動(dòng)作，隨著時(shí)間的自然延伸，一個(gè)動(dòng)作接著一個(gè)動(dòng)作地順序執(zhí)行下

去。這種分時(shí)操作的過程稱為CPU的掃描工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放在

存儲(chǔ)器中,如：

川XXXXX

XXXXX

XXXXX

10XXXXX

11XXXXX

L12END

CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符號(hào)后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循

環(huán)。整個(gè)掃描過程PLC除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其它工作。圖1-23所示為PLC工作

過程框圖。

△上以淋肩動(dòng)

W

l，O和內(nèi)部緇由君；獷￥的

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作

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共

構(gòu)出硬件和用戶程序存操

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吊設(shè)標(biāo)志似管位R

用錯(cuò)打點(diǎn)受

采樣幃入信號(hào)

制新輸入映儂"儲(chǔ)麟

瞪拄出時(shí)/亞立11]

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輸H1映像在附儒的內(nèi)容

輸HG怖H1項(xiàng)行牌

M中定螞那M位一|

他行外沒命令

圖1-23PLC工作過程框圖

由圖1—23工作過程框圖可以看出，PLC的工作過程可以分為以下幾個(gè)階段:

1.初始化

可編程控制器每次在電源接通時(shí)，將進(jìn)行初始化工作，主要包括I/O寄存器和內(nèi)部繼電

器清零，定時(shí)器復(fù)位等，初始化完成后則進(jìn)入周期掃描工作方式。

2.公共操作

公共操作主要包括以下方面：

（1）輸入/輸出部分檢查。

（2）清監(jiān)視器。主機(jī)的監(jiān)視器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)定時(shí)器，PLC在每次掃描結(jié)束后使其復(fù)位。

當(dāng)PLC在RUN方式下工作時(shí)，此定時(shí)器檢查CPU的執(zhí)行時(shí)間，當(dāng)執(zhí)行時(shí)間超過監(jiān)視器設(shè)定時(shí)

間時(shí)，表示CPU有故障。若發(fā)現(xiàn)故障，除通過指示燈顯示出故障外，還自動(dòng)判斷故障性質(zhì)。

一般性故障，只報(bào)警不停機(jī)，等待處理；對(duì)于嚴(yán)重故障，則停止用戶程序的運(yùn)行，關(guān)閉PLC

的一切輸出信號(hào)及切斷相關(guān)的輸出聯(lián)系。

（3）檢查硬件和用戶程序存儲(chǔ)器。

3.執(zhí)行程序過程

PLC執(zhí)行程序的過程分三個(gè)階段，即輸入采樣（輸入處理）階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新

（輸出處理）階段，如圖「24所示。

圖1-24PLC執(zhí)行程序的過程

（1）輸入采樣階段在這一階段,PLC以掃描工作方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎霠顟B(tài)

采樣并存入輸入映像寄存器中。在本工作周期內(nèi)，這個(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，而且這個(gè)

采樣結(jié)果將在PLC執(zhí)行程序時(shí)被使用。

I

If

注會(huì)

：輸入狀態(tài)表（輸入映像寄存器）一一采樣時(shí)刷新。

（2）程序執(zhí)行階段在這一階段，PLC按順序進(jìn)行掃描，即從上倒下、從左到右地掃

描每條指令，并分別從輸入映像寄存器和輸出映像寄存器中獲得所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算、處理,

再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映像寄存器中保存。但這個(gè)結(jié)果在全部程序未

執(zhí)行完畢之前不會(huì)送到輸出端口上。

注渥

：輸出狀態(tài)表（輸出映像寄存器）一一隨時(shí)刷新（中間值和最終結(jié)果）。

（3）輸出處理階段在所有用戶程序執(zhí)行完后，PLC將輸出映像寄存器中的內(nèi)容送入

輸出鎖存器中，通過一定方式輸出，驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。

I

_______________________________________________________________________

：執(zhí)行用戶程序的結(jié)果送到輸出寄存器，并不立即向PLC的外部輸出。輸出端子的接通或開

斷一一由輸出鎖存器決定。

四、任務(wù)實(shí)施

根據(jù)圖1-22畫出PLC控制接線圖及程序如圖1-25所示。當(dāng)超聲開關(guān)檢測(cè)到門前有車輛

時(shí)10.0動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，升門信號(hào)Q0.0被置位，升門動(dòng)作開始，當(dāng)升門到位時(shí)門頂限位開關(guān)

動(dòng)作，10.2動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，開門信號(hào)Q0.0被復(fù)位，升門動(dòng)作完成；當(dāng)車輛進(jìn)入到大門遮斷

光電開關(guān)的光束時(shí)，光電開關(guān)10」動(dòng)作，其動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，車輛繼續(xù)行進(jìn)駛?cè)氪箝T后，接

收器重新接收到光束，其動(dòng)斷觸點(diǎn)10.1恢復(fù)原始狀態(tài)閉合，此時(shí)這一由斷到通的信號(hào)驅(qū)動(dòng)

PLS指令使M0.0產(chǎn)生一脈沖信號(hào)，M0.0動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，降門信號(hào)Q0.1被置位，降門動(dòng)作開

始，當(dāng)降門到位時(shí)門底限位開關(guān)動(dòng)作，10.3動(dòng)合觸點(diǎn)閉合，降門信號(hào)Q0.1被復(fù)位，降門動(dòng)

作完成。

圖1-25PLC控制接線圖及梯形圖、指令表

五、知識(shí)鏈接

LPLC的技術(shù)指標(biāo)

PLC的技術(shù)指標(biāo)包括硬件指標(biāo)和軟件指標(biāo)，見表「4所示。

通過對(duì)PLC的技術(shù)指標(biāo)體系的了解，可根據(jù)具體控制工程的要求，在眾多PLC中選取合

適的PLCo

表1_4

工作環(huán)境一般都能在下列環(huán)境條件下工作：溫度0?55℃,濕度小于85%

硬件指標(biāo)

I/0點(diǎn)數(shù)PLC外部輸入、輸出端子數(shù)。這是最重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)

內(nèi)部寄存PLC內(nèi)部有許多寄存器用以存放變量狀態(tài)、中間結(jié)果、數(shù)據(jù)等。

器寄存器的配置情況常是衡量PLC硬件功能的一個(gè)指標(biāo)

內(nèi)存容量一般以PLC所能存放用戶程序多少衡量。

編程語言PLC常用的編程語言有梯形圖語言、助記符語言及某些高級(jí)語言

這是衡量PLC軟件功能強(qiáng)弱的主要指標(biāo)。PLC具有的指令種類越

指令條數(shù)

多，其軟件功能越強(qiáng)

軟件指標(biāo)