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可编程控制器
第16章可编程控制器
本章要求：
了解PLC的结构及工作原理，PLC的编程语言，对PLC进行一般性的掌握。
本章内容：
可编程控制器（PLC）采用微型计算机作为控制部件，用寄存器和计数器等电子线路，替代传统的继电器，以计算机执行程序指令的方式，将外部现场信号传入到计算机内，计算机对这些信号按程序要求进行处理，并将处理的结果通过输出电路去控制执行机构，使其按生产程序的要求运行。
它已经成为改造落后控制设备的有效手段，是自动控制系统的标准设备。
本章学时：
4学时
16.1可编程控制器的结构和基本工作原理
用可编程控制器所实施的控制，其实质是按一定算法进行输入输出变换，并将这个变换予以物理实现。
可编程控制器由主机、输入输出电路、编程单元三部分组成。
如图16-1所示。
16.1.1主机
可编程控制器的主机，一般是一个单片微型计算机。
它由中央处理器（CPU）、系统程序存储器、用户程序存储器及输入输出接口组成。
其结构框图见图16-2。
中央处理器（CPU）是管理控制可编程控制器运行的核心设备。
它按照用户程序的要求，将输入到可编程控制器的现场信号取到计算机中，然后按用户控制指令的要求进行运算，再将结果送到输出端，控制电器设备的通断电，完成预定的生产工艺。
系统程序存储器是计算机存放管理程序、监控程序的部件，它可对用户程序进行编译处理，但用户不能修改可编程控制器（PLC）的系统程序。
这种存储器的内容只能读出，不能修改，叫做只读存储器（ROM）。
用户程序存储器是用来存放用户编写的控制程序、执行用户程序过程中出现的数据以及输入信息和输出信息等。
用户程序存储器存储的信息可以由用户编写、修改、增删，这种存储器被称为读写存储器（RAM）。
不同型号的PLC可能使用不同的CPU，制造厂家用CPU的指令系统编写系统程序，并固化到只读存储器ROM中，CPU按系统程序赋予的功能，接收编程单元输入的用户程序和数据，存入随机读写存储器RAM中，CPU按扫描方式工作，从0000首址存放的第一条用户程序开始，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。
16.1.2输入输出电路
这部分是PLC与被控设备连接的接口电路。
用户设备输入PLC的各种控制信息，通过该输入接口将这些信息转换成中央处理器（CPU）能够接收和处理的信号，然后再通过输出接口电路将（CPU）输出的控制信号转换成现场所需要的信号，以驱动现场所用电磁阀、接触器、电机等被控设备和元件。
1．输入接口电路
一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路（I/O口）组成。
见图16-3所示。
来自现场的，由按钮、传感器等产生的信号，接到输入接口的接线端。
为防止工业环境下强磁场对计算机的干扰，需在主机与现场输入信号之间加入一个既可传递信息，又能将二者隔离开的光电耦合电路，如图16-3中的D1、D2。
光电耦合器的原理是：
当光电耦合器的输入端加上变化的信号，发光二极管就会产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三极管在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光耦合器的线性工作区，输出信号与输入信号有线性关系。
由于输入和输出是靠光耦合的，在电气上完全隔离，因此输出信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。
发光二极管的正向阻抗较低，而外界干扰源的内阻较高，根据分压原理，干扰源送到输入端的干扰噪声很小。
输入接口电路的工作原理是：
当输入的现场命令到来时，接线端子上有电压输入，使二极管D1、D2上共产生约1.5V的电压，D1，D2是发光二极管，其中，D1用于显示输入端是否有信号输入，D2于晶体管T封装在一起，当D2导通发光，晶体管T受到光照，产生电流向主机I/O口输出信号，主机将此信号送到用户程序存储器。
一般将输入端口可以接入的信号个数叫做可编程控制器的输入点数。
2．输出接口电路
可编程控制器输出电路的作用是将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电器的信号，以便控制接触器线圈、电磁阀等电器的通断状态。
输出接口同样有将计算机与外部强电电路隔离的作用。
如图16-4所示，D为发光二极管。
PLC一般采用继电器输出如图16-4，也有采用晶闸管或晶体管输出。
输出电路端能够输出的信号数称为可编程控制器（PLC）的输出点数。
输入点数与输出点数之和称为可编程控制器的I/O点数。
D
输出电路有三种形式：
（1）继电器，用于低速大功率控制；
（2）可控硅，用于高速大功率控制；（3）晶体管，用于高速小功率控制。
16.2PLC的内部寄存器及I/O配置
可编程控制器的用户存储器中有许多寄存器，这些内存除存放用户和系统程序外，在这些寄存器中划出一个特定的区域，这个区域内寄存器可按指令的要求，实现电磁继电器的功能（断开、闭合），这个寄存器区称为“软继电器”区。
用户存储器中，有各种用途的寄存器区，为了寻址方便，又将这个寄存器区划分为若干小区，每个小区完成一种特定的继电器功能。
根据用途，将这些寄存器划分为四个区。
16.2.1输入/输出（I/O）寄存器区
这个寄存器区用于存放输入、输出信号，它可直接与外部输入、输出端传递信息。
在每一个输入、输出扫描服务期间，CPU将可编程控制器外部的输入控制命令通过输入电路的端子接收到输入寄存器区，将输出寄存器中存放的信号送到可编程控制器输出电路相关端子端子处，以便控制外部执行电器的通断电。
输入/输出寄存器区既可以按接点（一位），也可以按寄存器（字—16位）进行操作。
16.2.2内部辅助寄存器区
这个区域主要用于存放中间变量，它的作用相当于传统继电器控制电路中的中间继电器，它用于中间过程的转换控制。
内部辅助寄存器在梯形图中可以作为“继电器”的“线圈”用，也可以作为触点用，但它不能接收输入电路端子信号，也不能将它的信号送到输出电路的端子。
内部辅助寄存器区既可以按接点（一位），也可以按寄存器（字—16位）进行操作。
16.2.3数据寄存器区
这个区域主要用于数据存储，存放中间结果。
该寄存器区只能以寄存器（字—16位）方式进行操作。
16.2.4专用寄存器区
这个区域包括定时器、计数器、标志位寄存器、内部指令寄存器等。
定时器：
主要起时间继电器的作用，用于延时控制。
PLC中的定时器是一个电子式的记数装置，当定时器按指令接通后，PLC内部的标准时钟信号输入到定时器，定时器根据输入的时钟信号累加记时，当达到设定后，定时器“触头”动作。
延时时间等于时钟信号的周期T与时钟信号数目的乘积。
访问定时器时，除给出编号（地址）外，还应给出时间设定值，即时钟信号周期和时钟信号数（时间常数）。
计数器：
用于记录输入信号到来的个数。
当输入信号到来的个数达到设定值是，计数器的触头动作。
访问计数器除要给出地址，还要给出计数器的设定值。
标志位寄存器：
用于监测系统工作状态、产生的时钟信号及各种标志的专用寄存器。
内部指令寄存器：
用于存放PLC的内部指令。
OMRON产品中的寄存器采用5--6位阿拉伯数码寻址，格式如图16-7所示。
16.3PLC编程语言概述
与一般的计算机语言相比，PLC的编程语言，具有明显的特点。
它既不同与高级语言，也不同于汇编语言。
PLC的主要用户是工程技术人员，应用场合是工业过程。
因此，PLC的编程语言简单，易于编写和调试，但应用范围比较窄。
目前，各个PLC的生产厂家使用的语言互不兼容。
常用的PLC使用的编程语言有梯形图语言、助记符语言和计算机高级语言，一般的小型机多使用多使用梯形图语言或指令助记符语言，本书着重介绍这两种语言。
16.3.1梯形图语言
梯形图是一种图形语言，它是以继电器控制系统的电气原理图为基础演变而来的。
它沿用了传统的继电器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，还加进了许多功能强、使用灵活的指令，使得编程更加容易。
梯形图语言比较形象、直观，对于熟悉继电器控制系统的人来说，容易接受。
世界上各个PLC的生产厂家都把梯形图语言作为第一用户编程语言。
表16-1给出了OMRON的梯形图语言对常用继电器的常开触点、常开触点、输出线圈表示符号对照。
表16-1几个元件的对应图符
常开触点
常闭触点
输出线圈
常用继电器
OMRON
梯形图
OMRON可编程控制器的梯形图语言格式：
1梯形图左边为起始母线，右边为结束母线，右母线可省略不画。
梯形图的每个逻辑行始于左母线，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，最后是线圈输出，整个图形呈阶梯形。
②梯形图中的接点（对应继电器的触头）有两种，常开和常闭，不同的继电器用不同的寄存器编号表示。
梯形图的每一个逻辑行开始与母线相连的必须是触点。
③输出继电器用表示，并标有相应的I/O寄存器的编号，输出寄存器只能输出一次，输出前面必须有接点。
图16-6（a）继电器控制电路原理图
④继电器触点作为输入元素可使用无数次，用线圈驱动的触点可多次用作输入，既可用作常开触点，又可用作常闭触点。
⑤一段完整的梯形图程序，必须用END结束。
例16.3-1图16-6（a）是用按钮、接触器控制电动机正、反转的电气控制原理图，图16-8（b）是完成同样控制功能，用PLC控制时的外部接线图及梯形图。
Us
16.3.2指令助记符语言
指令助记符语言是用一系列可编程控制器的操作命令组成的语句表,这些操作命令将控制逻辑关系描述出来，通过编程器将这些命令输入到可编程控制器。
这里重点介绍20条基本指令及某些用于数据传送的指令和位移指令。
掌握这些指令后，就可以用PLC取代继电器控制电路，完成原来用继电器控制较难实现的逻辑控制功能。
可编程控制器的指令由助记符和操作数两部分组成，助记符标志计算机的CPU执行此条指令完成的功能，操作数指出CPU的操作对象（寄存器的地址、通道号、位号）。
1.操作数的寻址
（1）直接寻址
指令中的操作数存放于存储器中，存储器由若干个通道组成。
每个通道为16个二进制数位，每位叫做一个继电起（软继电器）。
在指令格式中，操作数以所在继电器的地址码形式给出，叫做直接寻址。
（2）间接寻址
数据存储区（DM）的数据访问可采用间接寻址方式，可用DM表示。
将DM的内容作为操作数的实际地址。
（3）立即数寻址
当立即数作为操作数时，需要在立即数前面加上“#”以示与继电器号的区别。
2．OMRON公司C200HPLC的基本指令：
基本指令是指令系统中具有基本功能的最常见的指令。
它的指令码由唯一对应的助记符给出，表16-9是各基本指令的格式和功能。
表16-2OMRON公司C200HPLC的基本指令
指令助记符
梯形图
操作内容
读取指令
LDs
读入每一逻辑线开头的常开触点状态，用于每条逻
辑线的开始。
操作数s：
除DM区以外的寄存器点号。
输出指令
OUTs
将运算结果输出。
操作数s：
IR、HR、TR、AR、LR。
“与”指令
ANDs
逻辑“与”运算，用于串联一个常开触点。
操作数s：
IR、SR、HR、TR、AR、LR
“或”指令
ORs
逻辑“或”运算，用于并联一个常开触点。
操作数s：
IR、SR、HR、TR、AR、LR
“非”指令
NOT
对操作数求“反”，可与上述指令配合使用，用于对
常闭触点的操作。
LDNOTs
读入逻辑线开头的常闭触点状态。
OUTNOTS
将运算结果求反后输出
ANDNOTs
“与非”运算，串联一个常闭触点。
ORNOTs
“或非”运算，并联一个常闭触点
程序块“与”
ANDLD
两个程序块（触点组）的串联
程序块“或”
ORLD
两个程序块（触点组）的并联
结束指令
END
程序结束。
PLC执行用户程序时，总是从第一条开始
遇到END结束。
利用这些基本指令编制出“与”、“或”混合基本逻辑控制程序。
编程举例如图16-6所示。
地址
指令
数据
00000
LD
00000
00001
OR
00001
00002
ANDNOT
00002
00003
OUT
00200
00004
LD
00003
00005
AND
00004
00006
LD
00005
00007
ANDNOT
00006
00008
ORLD
00009
OUT
00201
00010
LD
00007
00011
OR
00009
00012
LD
00008
00013
OR
00010
00014
ANDLD
00015
OUT
00202
00016
END（01）
16.4OMRON可编程控制器的程序设计
16.4.1OMRON可编程控制器的编程步骤：
对可编程控制器系统，要根据控制要求设计程序。
其编程过程大致分四步进行。
1．确定I/O点数
首先要明确系统对现场的控制要求和控制系统的组成，分清输入设备和输出设备的种类和数量，即PLC所需的总的I/O点数。
2．分配I/O地址
可编程控制器的内存单元采用通道的概念，每个通道由16个二进制数位组成，每位就是一个继电器。
位地址由存储器标识符、通道地址和位码共同组成。
对输入、输出信号和中间信号地址位的分配，称为继电器（位）的I/O分配。
其分配原则如下：
（1）根据信号发生的时序来分配地址，以便于检查。
（2）尽可能把一个系统、设备或部件的信号集中编址，以利于维护。
（3）定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保工作顺序的可靠性。
（4）程序中大量使用的内部继电器称作工作位（不是I/O位），工作位也要统一编号，进行工作位分配。
（5）在地址分配完成后，列出I/O位分配表和工作位分配表。
3．绘制梯形图
绘制梯形图是程序设计的主体，由梯形图语言可直观的表达程序设计的思想，实现程序编制。
4．把梯形图转换成语句表
将梯形图转换成语句表后，由编程器将其输入到PLC中。
16．4．2OMRONC200H可编程控制器编程举例
例16．4-1用OMRONC200H可编程控制器实现三相异步电动机的正反转控制。
三相异步电动机的正反转继电器控制如图16-所示。
图16-10三相异步电动机的正反转继电器控制图
解：
该控制电路有三个输入信号。
停机按纽SB1、正转按纽SB2、反转按纽SB3。
两个输出信号正转接触器线圈KMF、反转接触器线圈KMR。
I/O分配：
输入信号：
SB2——00000输出信号：
KMF——00500
SB3——00001KMR——00501
SB1——00002
绘制梯形图、编写语句表如图16-11所示
地址
指令
数据
00000
LD
00000
00001
OR
00500
00002
ANDNOT
00002
00003
ANDNOT
00501
00004
OUT
00500
00005
LD
00001
00006
OR
00501
00007
ANDNOT
00002
00008
ANDNOT
00500
00009
OUT
00501
00010
END（01）
OMRONC200HPLC的外部接线图如图10-12所示。
例16．4-2三相异步电动机Y—Δ降压起动的继电器控制电路如图10-13所示。
用OMRONC200H可编程控制器实现三相异步电动机Y—Δ降压起动控制。
解：
三相异步电动机Y—Δ降压起动的继电器控制电路的工作过程是这样的。
启动时，按下SB2，接触器KM1、KM2相继吸合。
KM1通过其常开接点自保，电动机接成Y形，并接通电源降压启动。
同时，继电器KT线圈接通，开始计时，经起动延时（设为10s）后，接触器KM2释放，KM3吸合，电动机改接成Δ形，正常运行。
停车时，按下停止按纽SB1，接触器KM1、KM3释放，电动机断电停止运转。
该控制电路有三个输入信号。
停机按纽SB1、启动按纽SB2、过载保护的热继电器FR，三个输出信号，电源主接触器线圈KM1、Y形连接接触器线圈KM2、Δ形连接接触器KM3。
I/O分配：
输入信号：
SB2——00000输出信号：
KM1——00501
SB1——00001KM2——00502
FR——00002KM3——00503
图16-14所示是三相异步电动机的Y—Δ降压起动的梯形图及相应的语句表。
地址
指令
数据
00000
LD
00000
00001
OR
00501
00002
ANDNOT
00001
00003
IL
00004
LDNOT
TIM000
00005
ANDNOT
00503
00006
OUT
00502
00007
LD
00502
00008
OR
00501
00009
AND
00002
00010
OUT
00501
00011
LDNOT
00503
00012
TIM
000
#0100
00013
LDNOT
00502
00014
OUT
00503
图16-14电动机Y—Δ降压起动
00015
ILC
00016
END（01）
习题：
16-1、16-2、16-12
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