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plc教案
第一章可编程序控制器的基本程序设计
教学重点：
（1）梯形图经验设计法分析
（2）继电器电路移植法设计梯形图
教学难点：
经验设计法和移植法
教学过程：
一．PLC的工作原理
对PLC来说，用户程序是通过编程器键入，并存储于用户存储器。
顺序执行用户程序是PLC的基本工作方式，每一时刻只能执行一个指令，由于PLC有足够快的执行速度，以使外部结果从客观上看似乎是同时执行的。
PLC工作过程周期需要三个阶段：
输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段。
对用户程序的循环执行过程称为扫描。
这种工作方式称为扫描工作方式。
PLC程序执行过程如图5-13所示。
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子的状态通/断（ON/OFF），并将此状态存入输入镜象寄存器。
接着转入程序执行阶段。
在程序执行期间，即使外部输入信号的状态变化，输入镜象寄存器的状态也不会改变，这些变化只能在下一个工作周期的输入采样阶段才被读入。
2、程序执行阶段
PLC在程序执行阶段顺序对每条指令进行扫描。
先从输入镜象寄存器中读入所有输入端子的状态。
若程序中规定要读入某输出状态，则也在此时，从元件镜象寄存器读入，然后进行逻辑运算，由输出指令将运算结果存入元件镜象寄存器。
这就是说，对于每个元件来说，元件镜象寄存器中所寄存的内容，会随着程序的执行过程而变化。
3、输出刷新阶段
在所有指令执行完毕后即执行程序结束指令时，元件镜象寄存器中所有输出继电器的通/断（ON/OFF）状态，在输出刷新阶段转存到输出锁存电路，因而元件镜象寄存器亦称为输出镜象寄存器。
输出锁存电路的状态，由上一个刷新阶段输出镜象寄存器的状态来确定。
输出锁存电路的状态，决定了PLC输出继电器线圈的状态，这才是PLC的实际输出。
PLC重复执行上述三个阶段构成的工作周期亦称为扫描周期。
扫描周期因PLC机型而异，一般执行1000条指令约20ms。
PLC工作完一个工作周期后，在第二个工作周期输入采样阶段进行输入刷新，因而输入镜象寄存器的数据，由上一个刷新时间PLC输入端子的通/断状态决定。
二．程序设计：
程序设计是PLC应用中最关键的问题。
程序设计方法是指用什么方法设计PLC梯形图。
它们是梯形图设计的状态表法、PLC程序设计的功能图法、PLC程序设计的流程图法等。
状态表和功能图是用于程序设计的两种表示方法。
状态表法是从传统继电器逻辑设计方法继承而来的，经过适当改进，适合于可编程控制器梯形图设计的一种方法。
它的基本思想是，被控过程由若干个状态组成，每个状态都是由于接受了某个切换主令信号而建立，辅助继电器用于区分状态且构成执行元件的输入变量，而辅助继电器的状态由切换主令信号来控制。
正确写出辅助继电器与切换主令信号之间的逻辑方程及执行元件与辅助继电器之间的逻辑关系，也就基本完成了程序设计任务。
但状态表法仅适合于单一顺序问题的程序设计，而对于具有并发顺序和选择顺序的问题就显得无能为力了。
功能图法是先将控制要求表达为功能图，用功能图来说明可编程控制器所要完成的控制功能，然后由功能图写出逻辑方程，再画出梯形图或写出指令。
在工业控制中，往往要求按确定的顺序按步操作，这时除了用基本逻辑指令编程外，还可采用移位寄存器来实现其控制，这样将大大简化程序设计。
随着PLC技术的发展，PLC的数据处理功能愈来愈强的数据处理功能愈来愈强。
而且，对逻辑问题，有时采用数据处理指令来解决，比单纯用逻辑指令要简单。
但是，许多逻辑设计的方法很难直接用于设计与数据处理有关的PLC程序。
流程图是熟悉计算机高级语言的程序设计人员常用的一种解决与数据处理指令有关PLC程序设计的有效方法。
状态表法、功能图法可以解决顺序、随机等类型问题的程序设计。
但是，这些方法不适用于具有协调、竞争等性质系统控制程序的设计.
三．PLC程序设计的一般步骤
1．梯形图的绘制原则
1）梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。
每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。
每一个逻辑行起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于继电器线圈或右母线。
绘制梯形图时应注意的是：
线圈与右母线之间没有任何触点，而线圈与左母线之间必须要有触点。
2）在梯形图中某个编号继电器线圈只能出现一次，而继电器触点（常开或常闭）可无限次引用。
有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许线圈重复输出。
3）在每一逻辑行中，串联触点多的支路应放在上方。
如果将串联触点多的支路放在下方，则语句增多，程序变长。
如图6-1所示。
图 6-1 梯形图之一
4）在每一个逻辑行中，并联触点多的支路应放在左边。
如果将并联触点多的电路放在右边，则语句增多、程序变长。
如图6-2所示。
5）梯形图中，不允许一个触点上有双向“电流”通过。
如图6-3a所示，触点X002上有双向“电流”通过，该梯形图不能编程，这是不允许的。
对于这样的梯形图，应根据其逻辑功能作适当的等效变换，如图6-3b所示。
6）梯形图中，当多个逻辑行都具有相同条件时，为了节省语句数量，常将这些逻辑行合并。
如图6-4a所示，并联触点X000、X001是各个逻辑行所共有的相同条件。
可
图6-4梯形图之四图7-3 梯形图之三
图7-2 梯形图之二
图7-1 梯形图之一
图6-5复杂电路的处理方法
图7-4梯形图之四图7-3 梯形图之三
图7-2 梯形图之二
图7-1 梯形图之一
图6-3 梯形图之三
图7-2 梯形图之二
图7-1 梯形图之一
合并成图6-4b所示的梯形图，可以利用主控指令或分支指令来编程。
7）如果电路结构复杂，用ANB、ORB等指令难以处理时，可以重复使用一些触点改成等效电路，再进行编程，如图6-5所示。
8）设计梯形图时，输入继电器的触点状态全部按相应的输入设备为常开进行设计更为合适，不易出错。
2．PLC程序设计的一般步骤
1）详细了解生产工艺和设备对控制系统的要求。
必要时画出系统的工作循环图或流程图、功能图及有关信号的时序图。
2）将所有输入信号（按钮、行程开关、速度及时间等传感器），输出信号（接触器、电磁阀、信号灯等）及其它信号分别列表，并按PLC内部软继电器的编号范围，给每个信号分配一个确定的编号，即编制现场信号与PLC软继电器编号对照表。
3）根据控制要求设计梯形图。
图上的文字符号应按现场信号与PLC软继电器编号对照表的规定标注。
4）编写程序清单。
梯形图上的每个逻辑元件均可相应地写出一条命令语句，编写程序应按梯形图的逻辑行和逻辑元件的编排顺序由上至下、自左至右依次进行。
四．程序设计的常用方法
1.将继电器控制电路，改画成梯形图。
对于成熟的继电器控制系统，可用此法改画成PLC梯形图。
图6-6为三相感应电动机正反转控制电路，现以此为例来说明此法。
图6-6 接触器控制电动机正反转控制电路
1）分析控制要求
正转：
按下SB2，KM1通电吸合，M正转；
反转：
按下SB3，KM2通电吸合，M反转；
停止：
按下SB1，KM1（KM2）断电释放，M停。
2）编制现场信号与PLC软继电器对照表，见表6-1。
3）画梯形图。
按梯形图的要求把原控制电路适当改动，并根据表6-1标出各触点，线圈的文字符号，见图6-7。
改用PLC软继电器后，触点的使用次数不受限制，故作为停止按钮和热继电器的输入继电器触点各用了两次。
由于梯形图中得触点代表软继电器的状态，其中X000的常闭触点只有在输入继电器X000未得电的条件下才保持闭合，所以当电动机运行时，停止按钮应该断开输入继电器X000，即停止按钮SB1应当接常开触点，其接线图如图6-8所示。
4）列写程序清单。
根据梯形图自上而下，从左到右按它们的逻辑关系，列写程序清单如表6-2所示。
表6-1现场信号与PLC地址对照表
类别
名称
现场信号
PLC地址
输入信号
停止按钮
SB1
X000
正转按钮
SB2
X001
反转按钮
SB3
X002
热继电器
KR
X003
输出信号
正转接触器
KM1
Y000
反转接触器
KM2
Y001
2.经验设计法。
根据被控对象对控制的要求，初步设计出继电器控制电路，或直接设计出梯形图，再进行必要的化简和校验，有时在调试过程中还需要进行必要的修改。
这种设计方法灵活性大，其结果一般不是唯一的。
例如：
电动机正反转控制电路
图6-7a所示为PLC的外部硬件接线图。
其中SB1为停止按钮，SB2为正转起动按钮，SB3为反转起动按钮，KM1为正转接触器，KM2为反转接触器。
实现电动机正反转功能的梯形图如图6-7b所示。
应该注意的是：
图6-7虽然在梯形图中已经有了内部软继电器的互锁触点（X001与X002、Y000与Y001），但在外部硬件输出电路中还必须使用KM1、KM2的常闭触点进行互锁。
因为，一方面是PLC内部软继电器互锁只相差一个扫描周期，而外部硬件接触器触点的断开时间往往大于扫描周期，来不及响应。
另一方面也是避免接触器KM1或KM2的主触点熔焊引起电动机主电路短路。
表6-2程序清单
步序号
指令
数据
步序号
指令
数据
0
1
2
3
4
5
6
7
LD
OR
ANI
ANI
ANI
ANI
OUT
LD
X001
Y000
X000
X002
X003
Y001
Y000
X002
8
9
10
11
12
13
14
OR
ANI
ANI
ANI
ANI
OUT
END
Y001
X000
X001
X003
Y000
Y001
3.程序设计的状态表法
状态表法是从传统继电器逻辑设计方法继承而来的，经过适当改进，适合于可编程控制器梯形图设计的一种方法。
它的基本思路是，被控过程由若干个状态所组成；每个状态都是由于接受了某个切换主令信号而建立；辅助继电器用于区分状态且构成执行元件的输入变量；而辅助继电器的状态由切换主令信号来控制。
正确写出辅助继电器与切换主令信号之间的逻辑方程及执行元件与辅助继电器之间的逻辑方程，也就基本完成了程序设计任务。
为此，应首先列出状态表，用以表示被控对象工作过程。
状态表是在一矩形表各中，从左到右列有如下项：
状态序号、该序号状态的切换主令信号、该状态对应的动作名称、每个执行元件的状态、输入元件状态、将要设计的辅助继电器状态及约束条件等。
状态表列出后，用1或0数码来记载每一个输入信号触点的状态，若将该状态序号的每一个输入信号的数码从左到右排成一行就成为该状态序号的特征数，所以特征数是由该状态输入触点数码组成。
将各个状态的特征数进行分析，看哪些是可区分状态，哪些是不可区分状态。
对于不可区分状态可通过引入雇主继电器，构成尾缀数码，把它们尾缀在特征数之后，使之获得新的特征数。
这样，由于辅助继电器的介入，使所有状态的特征数都获得完全区分。
利用特征数中的数码就能构成每个状态的输出逻辑方程。
此后，再将逻辑方程转化为梯形图或程序命令。
状态表法可参阅有关资料，在此不详叙。
除上述三种方法外还有程序设计的功能图法和用移位寄存器实现顺序控制，这两种方法将在后详细讨论。
二．基本指令程序设计
教学重点：
运用实例讲解三菱plc的基本指令和程序设计
教学难点：
基本指令及程序设计
教学过程：
①起动停止控制程序
图5-73所示梯形图是起动停止控制程序之一。
当X1常开触点闭合时，辅助继电器M1线圈接通，其常开触点闭合自锁。
当X2常闭触点断开，M1线圈断开，其常开触点断开。
在这里X1就是起动信号，X2为停止信号。
图5-74为另一种起动停止控制程序，它利用了SET/RST指令，达到的目的是相同的。
思考题：
单键起停
②产生单脉冲的程序
图5-75
图5-76
在PLC程序设计时经常用到单个脉冲，进行一些软继电器的复位、起动、停止等。
最常用的产生单脉冲的程序就是使用PLS和PLF指令完成，利用这两条指令可以得到宽度为一个扫描周期的脉冲。
图5-75和图5-76为得到单个脉冲的梯形图和时序图。
③产生固定脉宽连续脉冲的程序
在PLC程序设计中，经常用到连续的脉冲信号，如作为计数器的计数脉冲或其他用途。
图5-77为得到连续的脉冲信号的程序，脉冲宽度为一个扫描周期，且不可调整。
注意，不可用输出继电器产生连续的脉冲信号，因为如果输出继电器为继电器输出型，硬件继电器的触点在高频率的接通断开运行中，短时间内就将损坏。
④产生可调脉宽连续脉冲的程序
上述产生连续脉冲的程序其脉冲宽度不可调整，在PLC程序设计时，经常用到脉宽可调的连续脉冲。
如：
故障报警指示灯等，要求一定的点亮和时间，这在PLC程序设计时可以利用定时器T来完成。
图5-78为产生可调脉宽连续脉冲的程序。
在这里T0为输出接通时间，T1为输出关断时间，通过修改T0和T1的时间设定值，便可以改变M1的接通和关断时间。
⑤利用特殊辅助继电器产生的闪烁电路程序
在PLC程序设计中如果故障报警指示灯的闪烁时间定为点亮1s熄灭1s，则可利用特殊辅助继电器M8013完成程序设计。
M8013是时钟为1s的特殊辅助继电器，我们可以利用它来驱动输出继电器。
见图5-79。
当故障检测信号X1有输入时，故障报警输出Y1便产生接通1s、断开1s的连续输出信号。
利用M8011~M8014可以完成10ms、100ms、1s、1min的闪烁电路程序。
图5-79
⑥时间控制程序
FX系列PLC的定时器为接通延时定时器，线圈得电开始延时，时间达到设定值，其常开触点闭合，常闭触点断开。
当定时器线圈断电时，其触点瞬间复位。
利用定时器的特点，便可以设计出多种时间控制程序。
如接通延时控制程序和断开延时控制程序。
图5-80为接通延时控制程序，图5-81为断开延时控制程序。
图5-80所示程序，X0接通后，T0开始延时，若X0接通时间不足时间设定值，T0触点不动作。
当X0一次接通时间达到10s后（此例中时间设定值为K100），Y0便有信号输出。
所以称为接通延时控制程序。
图5-81所示程序，当X1接通后，Y0便有输出，当X1断开10s后，Y0才停止输出，所以称为断开延时控制程序。
⑦定时器串级使用控制程序
在PLC程序设计中经常用到较长时间延时的控制程序，而定时器的时间设定值范围是固定的，达不到要求，这时可以使用两个或多个定时器串级使用以扩展延时范围。
图6-82所示程序为使用两个定时器串联，达到1h延时的控制程序。
图5-82所示程序，当X0接通后，Y0便有输出，这时T0开始延时，当T0延时达到1800s（30分钟）后，起动T1开始延时。
当T1延时达到1800s（30分钟）后，停止Y0输出。
这样，在X0起动后Y0开始输出，1h后Y0停止输出。
定时器串级使用时，其总的定时时间为各定时器时间常数设定值之和。
如果用N个定时器进行串级使用，其最长的定时时间为3276.7×N（s）。
⑧采用计数器实现延时的控制程序
使用计数器实现定时功能，需要使用时钟脉冲作为计数器的输入信号，而时钟脉冲可以由PLC内部的特殊辅助继电器产生。
如M8011、M8012、M8013、M8014等。
这些特殊辅助继电器分别为10mS、100ms、1s、1min时钟脉冲。
也可以使用连续脉冲的控制
程序产生。
图5-83为采用计数器实现延时的控制程序。
图5-83所示控制程序运行过程为：
当起动信号X0闭合时，M0动作并自锁。
C0开始对M8012产生的时钟脉冲进行计数。
当计数值达到设定值18000后，C0动作，其常开触点闭合，Y0开始有输出。
当停止信号X1闭合时，使得C0复位，并使M0解锁，Y0停止输出。
M8012为100ms的时钟脉冲，从起动信号X0闭合到产生Y0的延时时间为18000×0.1=1800（s）=30min。
使用M8012延时时间最大误差为0.1s。
要想改变延时时间，可以改变设定值，要想提高延时精度可以使用周期更短的时钟脉冲。
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