plc原理及应用.docx
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plc原理及应用
《PLC原理及应用》
学院名称：
机械学院
专业班级：
测控0901
学生姓名：
学号：
指导教师姓名：
2013年1月
目录
一、课程综述2
1.1可编程序控制器的简述2
1.1.1可编程序控制器的定义2
1.1.2可编程控制器的趋势与动向3
1.2.3PLC的特点3
1.2PLC的内容5
1.2.1可编程序控制器的原理6
1.2.2S7-300的基本指令6
1.2.3.S7-200的功能指令用法8
1.2.4.可编程控制器应用系统设计8
1.2.5.可编程控制器联网通信8
二．学习心得及体会9
三．顺序控制设计法及应用10
3.2使用起保停电路的编程方式11
3.3使用步进梯形指令的编程方式11
四．PLC技术应用11
五、参考文献13
一、课程综述
1.1可编程序控制器的简述
1.1.1可编程序控制器的定义
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能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。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.1.2可编程控制器的趋势与动向
1）当代PLC技术的发展趋势
发展迅速，产品更新换代；开发各种智能化模块，不断增强过程功能；PLC与个人计算机（PC）结合；通信联网功能不断增强；发展新的编程语言，增强容错功能。
2）当代PLC技术的发展动向
美国通用汽车以用户身份提出新一代控制器应具备十大条件，这十大条件是：
1.编程方便，可在现场修改程序；
2.维修方便，最好是插件式；
3.可靠性高于继电器控制柜；
4.体积小于继电器控制柜；
5.可将数据直接送入管理计算机；
6.在成本上可与继电器控制竞争；
7.输入可以是交流115V；
8.输出为交流115V/2A以上，能直接驱动电磁阀；
9.在扩展时，原有系统只要很小变更；
10.用户程序存储容量至少能扩展到4K字节。
1969年美国数字设备公司成功研制世界第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用并获得成功。
接着美国MODICON公司也研制出084控制，从此，这项新技术迅速在世界各国得到推广应用。
1971年日本从美国引进这项技术，很快研制出第一台可编程序控制器DSC-18。
1973年西欧国家也研制出他们的第一台可编程控制器。
我国从1974年开始研制，1977年开始工业推广应用。
进入20世纪70年代，随着微电子技术的发展，尤其是PLC采用通讯微处理器之后，这种控制器就不在不局限于当初的逻辑运算了，功能得到更进一步增强。
进入20世纪80年代，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和少数32位微处理器构成的微机化PLC，使PLC的功能增强，工作速度快，体积减小，可靠性提高，成本下降，编程和故障检测更为灵活，方便。
1.2.3PLC的特点
1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2）硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3）易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4）容易改造
系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5）体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.2PLC的内容
PLC的软件系统由系统程序（又称系统软件）和用户程序（又称应用软件）两大部分组成。
1.2.1可编程序控制器的原理
PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。
CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性地集中采样、集中输出的方式来完成的。
1.2.2S7-300的基本指令
一）重点是掌握S7-300的基本指令。
1）位操作类指令：
逻辑取（装载）指令LD/LDN,触点串联指令A/AN
触点并联指令O/ON,电路块的串联指令ALD,电路块的并联指令OLD,置位/复位指令S/R和边沿触发指令EU/ED
2）定时器指令
1.1定时器指令工作方式：
3种定时指令分别为TON、TONR和TOF。
1.2定时器的工作原理：
使能输入有效后，当前值PT对PLC内部的时基脉冲增1计数，当计数值大于或等于定时器的预置值后，状态位置1。
时基：
按脉冲分，有1ms、10ms、100ms三种定时器。
a）接通延时定时器
用于单一间隔的定时。
上电周期或首次扫描，定时器状态位OFF（0），当前值为0。
使能输入接通时，定时器位为OFF（0），当前值从0开始计数时间，当前值达到预置值时，定时器位ON
（1），当前值最大到32767并保持。
使能输入断开，定时器自动复位，即定时器状态位OFF（0），当前值为0。
指令格式：
TONTxxx，PT
b）有记忆接通延时定时器
用于对许多间隔的累计定时。
上电周期或首次扫描，定时器状态位OFF（0），当前值保持。
使能输入接通时，定时器位为OFF，当前值从0开始计数时间。
使能输入断开，定时器位和当前值保持最后状态。
使能输入再次接通时，当前值从上次的保持值继续计数，当累计当前值达到预设值时，定时器状态位ON
（1），当前值连续计数最大到32767。
指令格式：
TONRTxxx，PT
C）断电延时延时定时器
断电延时型定时器用来在输入断开，延时一段时间后，才断开输出。
使能端（IN）输入有效时，定时器输出状态位立即置1，当前值复位为0。
使能端（IN）断开时，定时器开始计时，当前值从0递增，当前值达到预置值时，定时器状态位复位为0，并停止计时，当前值保持。
指令格式：
TOFTxxx，PT
3）计时器指令：
计数器指令有3种：
增计数CTU、增减计数CTUD和减计数CTD。
指令操作数有4方面：
编号、预设值、脉冲输入和复位输入。
3.运算指令1）算术运算指令：
整数与双整数加减法指令（INT/DINT），整数乘除法指令，.实数加减乘除指令，数学函数变换指令2）逻辑运算指令：
逻辑与指令（WAND），逻辑或运算（WOR），逻辑异或指令（WXOR），取反指令（INV）3）递增、递减指令：
字节增和字节减字增和字减，双字增和双字减
4）数据处理指令：
数据传送指令和移位指令
5）比较指令：
字节比较LDB、AB、OB，整数比较LDW、AW、OW，双字整数比较LDD、AD、OD和实数比较LDRAROR。
6）运算指令
A算术运算指令：
整数与双整数加减法指令（INT/DINT），整数乘除法指令，实数加减乘除指令和数学函数变换指令。
B逻辑运算指令：
逻辑与指令（WAND），逻辑或运算（WOR），逻辑异或指令（WXOR）和取反指令（INV）。
C递增、递减指令：
字节增和字节减，字增和字减和双字增和双字减
7）移位指令：
左移位和右移位，循环左移位、循环右移位和寄存器移位
8）转换指令：
数据类型转换指令，编码和译码指令，七段译码指令，字符串转换指令
9）表功能指令：
读表指令，表取数指令和表查找指令
重点内容：
定时器/计数器指令、运算指令、数据处理指令的功能和应用
1.2.3.S7-200的功能指令用法
1）系统控制类指令：
结束指令END和MEND，停止指令STOP，看门狗复位指令WDR。
2）跳转、循环指令：
（1）跳转指令JMP，跳转指令。
使能输入有效时，使程序流程跳到同一程序中的指定标号n处执行。
（2）标号指LBL，标号指令。
标记程序段，作为跳转指令执行时跳转到的目的位置。
操作数n为0~255的字型数据。
循环指令：
由FOR和NEXT指令构成程序的循环体。
FOR指令标记循环的开始，NEXT指令为循环体的结束指令。
3）子程序调用指令：
建立子程序，子程序调用，带参数的子程序调用
4）顺序控制指令：
顺序步开始指令（LSCR），顺序步结束指令（SCRE），顺序步转移指令（SCRT）。
重点内容是S7-300功能指令的作用及使用方法，程序控制类指令：
系统控制类指令，跳转、循环指令，子程序调用指令，顺序控制指令。
1.2.4.可编程控制器应用系统设计
重点内容是PLC应用程序设计的方法，程序设计的方法是指用什么方法和编程语言来编写用户程序。
程序设计方法：
经验设计法，继电器控制电路转换为梯形图法，逻辑设计法，顺序控制设计法。
结构形式：
（1）顺序结构
（2）分支结构：
选择性分支，并发性分支（3）循环结构
功能流程图，简称功能图，又叫状态流程图或状态转移图，它是专用于工业顺序控制程序设计的一种功能说明性语言，能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。
1.2.5.可编程控制器联网通信
重点内容是S7-300的通信方式及自由口通信。
1．通信方式
1）基本通信方式：
并行通信，串行通信，串行通信分类2）异步串行通信3）通信接口：
RS232接口，RS485接口，RS422接口
2．S7-300通信及自由口通信
1）字符数据格式：
10位字符数据:
传送数据由1个起始位、8个数据位、无校验位、一个停止位组成。
2）网络层次结构
3）通信类型及协议分类
连接方式：
单主站和多主站
通信协议分:
通用协议,公司专用协议（PPI协议,MPI协议,Profibus协议,自由口协议）
4）通信设备
（1）通信口
（2）网络连接器（3）通信电缆（4）网络中继器（5）调制解调器
二．学习心得及体会
有的初学者在理论上花了很多功夫，结果半年下来还是没有把PLC搞懂，其实他们只是缺少了一些PLC的实践经验，只要再进行一些实际的梯形图编写、程序下载、调试等操作，增加对PLC的感性认识，很快就可以掌握PLC这项技术了。
开始阶段可以先学习一种品牌的PLC，因为所有的PLC原理都是差不多的，掌握了一种PLC其它的只要翻阅一下手册也就能上手使用了。
初学时可以编一些简单的梯形图，如触点的与、或、输出等，在PLC的机器里运行一下。
成功了就会增加你学习的兴趣、和信心。
然后再把PLC的主要功能逐个运用一次，比如高速计数器，你可以用PLC本身的脉冲输出端接到高速计数器的输入端，下载编好的梯形图，打开变量观察窗口，运行程序，观察计数的值是否正确。
经过了这样的实践，你基本上知道PLC到底能做哪些事情了，在实际的工控应用中就能做到胸有成竹了。
1．学习PLC的理由
PLC控制是当今自动化控制的主流，目前自动化机台控制大多采用PLC控制，只要是从事自动化的人员，就必须要会使用PLC，否则入不了自动化控制的门，被自动化行业淘汰。
为此不得不学习PLC。
2．方法
a．有条件的最好去买台PLC用来实践；
b．PLC技术是一门实践性非常强的技术，如果你想学好，那么你就必须去实践它。
编程就像是一位习武之人，如果只是整天坐在家中看拳谱，不出门练武的话，那么就是一本再厉害的武林密集，再长的时间他的功力也不会提高。
学习PLC也是同样的道理，光看书是没有用的，一本PLC书您就是看了十遍以后您还是不会用，学过编程（不管什么语言）的都知道。
c．在学习PLC书本知识的过程中，肯定会对许多指令不是很了解，如果您没有一一解决的话，那么这将是您学习PLC的最大障碍。
因此进行实际应用，逐一攻破，这样，你的PLC知识不但会学得牢固，而且在学习的过程中你掌握了实际使用。
d．在学习PLC有了一定的基础之后，可以自己独立编写一段自己设计的程式，然后传送到PLC中去运行程式。
再经过不断的修改，调试，最后运行成功，这样你的兴趣会大增，达到满意的效果。
三．顺序控制设计法及应用
可编程控制器PLC外部接线简单方便，它的控制主要是程序的设计，编制梯形图是最常用的编程方式，使用中一般有经验设计法，逻辑设计法，继电器控制电路移植法和顺序控制设计法，其中顺序控制设计法也叫功能表图设计法，功能表图是一种用来描述控制系统的控制过程功能、特性的图形，它主要是由步、转换、转换条件、箭头线和动作组成。
这是一种先进的设计方法，对于复杂系统，可以节约60%~90%的设计时间.我国1986年颁布了功能表图的国家标准（GB6988.6-86）。
有了功能表图后，可以用四种方式编制梯形图，它们分别是:
起保停编程方式、步进梯形指令编程方式、移位寄存器编程方式和置位复位编程方式。
例如:
某PLC控制的回转工作台控制钻孔的过程是:
当回转工作台不转且钻头回转时，若传感器X400检测到工件到位，钻头向下工进Y430当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关X401时，计时器T450计时，4s后快退Y431到上接近开关X402，就回到了原位。
功能表图见图1:
500）this.style.width=500;"border=1onclick="javascript:
window.open（this.src）;">
图1功能表图
3.2使用起保停电路的编程方式
起保停电路仅仅使用与触点和线圈有关的指令，无需编程元件做中间环节，各种型号PLC的指令系统都有相关指令，加上该电路利用自保持，从而具有记忆功能，且与传统继电器控制电路基本相类似，因此得到了广泛的应用。
这种编程方法通用性强，编程容易掌握，一般在原继电器控制系统的PLC改造过程中应用较多。
如图2为使用起保停电路编程方式编制的与图1顺序功能图所对应的梯形图，图2中只有常开触点、常闭触点及输出线圈组成。
500）this.style.width=500;"border=1onclick="javascript:
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图2起保停电路实现顺序控制
3.3使用步进梯形指令的编程方式
步进梯形指令是专门为顺序控制设计提供的指令，它的步只能用状态寄存器S来表示，状态寄存器有断电保持功能，在编制顺序控制程序时应与步进指令一起使用，而且状态寄存器必须用置位指令SET置位，这样才具有控制功能，状态寄存器S才能提供STL触点，否则状态寄存器S与一般的中间继电器M相同。
在步进梯形图中不同的步进段允许有双重输出，即允许有重号的负载输出，在步进触点结束时要用RET指令使后面的程序返回原母线。
把图1中的0-3用状态寄存器S600-S603代替，代替以后使用步进梯形指令编程，对应的梯形图如图3所示。
这种编程方法很容易被初学者接受和掌握，对于有经验的工程师，也会提高设计效率，程序的调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，在顺序控制设计中应优先考虑，该法在工业自动化控制中应用较多。
四．PLC技术应用
可编程序控制器ProgrammableLogicController在工厂自动化中占有举足轻重的地位。
技术的不断发展极大地促进了基于PLC为核心的控制系统在控制功能、控制水平等方面的提高。
同时对其控制方式、运行水平的要求也越来越高，因此交互式操作界面、报警记录和打印等要求也成为整个控制系统中重要的内容。
对于那些工艺过程较复杂，控制参数较多的工控系统来说，尤其显得重要。
新一代工业人机界面的出现，对于在构建PLC工控系统时实现上述功能，提供了一种简便可行的途径。
4.1系统概述
切割区为浮法玻璃生产线中一个重要工段，其中包括测量发讯、纵切、横切、掰断加速、掰边、纵掰纵分、输送辊道等众多生产控制设备。
系统硬件上主要由主控制器PLC，现场设备控制装置，包括伺服控制器、变频器、模拟量信号及脉冲信号处理器等和HMI构成。
作为整个控制系统的核心，切割区主控系统在正常生产时根据生产工艺要求协调各个单机控制子系统的工作，制定切割计划，实现整个生产过程全自动化。
整个系统的核心控制部分由日本三菱FX-200系列PLC完成，此部分内容本文略，而系统的监控和交互式操作界面等任务将由HMI承担。
主要有以下内容：
系统参数的设定；动态画面的显示；故障报警与诊断。
其中HMI选用深圳显控公司的SA-5.7型人机界面。
4.2HMI与PLC之间的通讯
当HMI用于PLC控制系统时，HMI与PLC之间通过串口以DirectLink（直接连接）方式进行通讯。
在该方式下，HMI根据要求直接读入PLC的数据或把数据写入PLC相应的地址中。
由于内装通讯协议，因此无须编制通讯程序，只要指定所用PLC类型即通讯协议，运行时便可实现通讯。
因此大大减少了PLC用户程序的负担。
在系统设计时，直接指定控制部件与其对应PLC的输入输出（I／O）、寄存器（R）、中间寄存器（M）的地址，运行时HMI就能自动和PLC进行数据交换。
直接读取或改写PLC相应地址的内容，并据此改变画面上显示内容。
同时通过对HMI的触摸操作，可向PLC相应的地址输入数据。
4.3HMI监控主面
整个HMI监控系统采用树型结构，由监控主画面及相应功能子画面组成。
在监控主画面下端设有控制功能键，按动功能键可以依次进入相应子画面，执行所需的功能。
在每一个子画面中可通过功能键在同一功能组中进行画面切换，在任一子画面都可以通过主画面功能键退回到监控主画面。
系统自动采集相关数据，将切割计划、测量脉冲、辊道速度等一些重要生产工艺参数显示在主画面上，便于操作人员的观察。
监控主画面上还有生产过程的动态画面显示，在动态画面上以各种形式模拟出主要控制设备的运行情况，例如光电开关的动作、电磁阀的吸合、电机的运行停止等，直观、生动的反映出现场的过程，方便操作人员对生产情况、设备工况的了解。
显控公司的HMI编程软件SamDraw3.1提供了丰富的控制部件，例如按钮部件、画面切换部件、指示灯部件、数据文本显示部件等等，实现上述功能只要根据需要选择相应的控制部件，定义好其属性即可。
SamDraw3.1采用监控软件通用模式，所有控制部件的属性通过组态形式完成，以实现相应控制功能。
使用SamDraw3.1内附的图库及作图工具来构造生产现场的模拟画面，简便易行。
内容丰富的作图工具库，使得画面生动、丰富多彩。
而且SamDraw3.1还支持图片上传以及自定义图库功能，用户可以很方便的将本地图片生成为图库或控件，在以后的组态过程中可以很方便的调用。
此外，充分利用HMI的优势将原先布置在控制柜上的开关、指示灯尽可能地用HMI中的控制部件替代，这样做减少硬件设备，简化了现场设备间的接线，更重要的是给设计和调试带来诸多方便。
五、参考文献
[1]柳春生著.西门子PLC应用与设计教程.北京市：
机械工业出版社.2011
[2]王淑英.S7-200西门子PLC基础教程.人民邮电出版社.2009
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