《PLC原理及应用》教材 模块2基本应用模块.docx

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《PLC原理及应用》教材模块2基本应用模块

《PLC原理及应用》教材编写参考资料

模块2基本应用模块

学习目标

基本应用模块主要介绍三菱FX2N系列PLC的步进指令及其编程方法。

本模块通过LED数码管的PLC控制、大小工件分类的PLC控制、交通信号灯的PLC控制、工业洗衣机的PLC控制4个项目,学习PLC步进指令及顺序控制的设计方法。

本模块的学习要求达到以下目标:

◆认识状态软元件S。

◆理解步进状态指令STL、RET。

◆认识步进状态程序的状态转移图和步进梯形图。

◆掌握步进程序的编写和输入方法。

◆初步学会运用步进控制程序解决一些实际问题。

◆进一步掌握停电保持功能的应用。

项目1LED数码管的PLC控制

一、项目描述

在实际生活中,七段数码管是常用来显示数字的重要元件之一,如图2-1-1所示。

本项目要求用PLC控制七段数码管,显示数字0-9。

具体要求是:

按下启动按钮,数码管依次显示“0”“9”,每个数字亮15后换成下一个数字,再显示15,以上重复进行显示。

按停止按钮,显示器马上停止。

图2-1-1七段数码管

二、项目目标

●认识七段数码管及其接线与应用。

●学会PLC控制七段数码管的显示控制编程方法。

●学会状态元件“S”与步进控制指令“STL”、“RET”。

●掌握步进控制程序的状态转移图和步进梯形图。

三、项目分析

本项目要求实现七段数码管显示的PLC控制,是典型的顺序控制。

所谓顺序控制,就是按照生产工艺预先规定的顺序,在各个输入信号的作用下,根据内部状态和时间的顺序,生产的各个执行机构自动有序地进行操作。

本项目对数字显示的要求是:

按下启动按钮,显示从“0”开始,显示1s,再显示下一个数字,一直显示到“9”,然后又从“0”开始,重复运行,运行时按停止按钮可以马上停止,属于自动连续运行方式。

四、项目准备

1.在实际应用中,七段数码管是通过不同的组合形成数字“0-9”的,图2-1-2中列出了数码管显示各个数字时发光段的组合（发光为高电平“1"）,如:

当a、b、c、d,e、f六个发光段发光时,即显示数字“0”,而要显示数字“1”,贝IJ需要有b、c两个发光段发光即可。

图2-1-2七段数码管不同的组合关系

2.认识状态元件S与步进控制指令STL、RET

状态S是步进控制程序的重要软元件。

状态元件S有多种功能,最常用的一般状态元件编号是SO-S499（共500个）,其中SO-S9（10个）只能用于初始状态,SlO-S19作应用指令FNC60（IST）的原点复原用,不用于普通状态。

一般普通状态都用S20-S499。

状态元件分类见表2-1-1。

表2-1-1状态元件分类

步进程序的运行控制使用STL和RET指令,其功能见表2-1-2。

表2-1-2STL和RET指令功能

3.步进控制程序的状态转移图与步进梯形图的认识

在三菱PLC的指令中,对设备的顺序控制过程常常采用步进控制程序图来编写。

步进控制程序的每一步（状态）可表示设备运行的每一个工序,程序按控制要求一步步地执行,程序直观、易懂、易学,且逻辑简化,程序设计思路也更清晰。

由于步进控制程序图每一步的工作十分明确,因此非常有利于程序的修改和调试。

步进控制一般分为单流程、选择性分支和并行分支三种。

本项目主要介绍单流程步进控制的应用,选择性分支和并行分支将在后述项目中介绍。

图2-1-3所示为步进控制单流程程序的基本结构。

其中图（a）是状态转移图（SFC）,图（b）是相应的步进梯形图（STL）。

从图2-1-3中可知,步进程序的基本结构是由初始状态（SO）、普通状态（S30-S32）和状态转移条件组成的。

其中初始状态可视为设备的运行停止状态,也可称为设备的待机状态。

普通状态为设备的运行工序,按顺序控制过程从上向下进行。

状态转移条件是:

设备运行时,当某一工序执行完成后,从该工序向下一工序转移的条件。

图2-1-3步进控制单流程程序的基本结构

步进程序的特点:

（1）要执行步进程序,首先要激活初始状态SO。

一般情况下,步进程序都会用特殊辅助继电器M8002在PLC得电时产生脉冲来激活SO,如图2-1-3所示。

（2）步进程序中每个普通状态执行时,与上一状态是不接通的。

当上一个状态执行完成后,若满足转移条件,就转移到下一个状态执行,而上一状态就会停止执行,从而保证了执行过程按工序的顺序进行控制。

同时,图2-1-3所示的“状态转移图（SFC）”是将工序执行的内容与工序转移要求以状态执行和状态转移的形式反映在步进程序中,控制过程清楚明了,很方便对顺序控制过程进行编程。

在以后的学习中,在对顺序控制进行程序设计时,都应先编写好状态转移图作为初步设计。

步进梯形图（STL）的图形虽与状态转移图（SFC）不一样,但控制过程是相同的。

由于现用的三菱SWOPCFXGP/WIN-C编程软件无“状态转移图”程序的编写功能,因此,在用该软件编写步进程序时,需要将“状态转移图”变为“步进梯形图”输入。

当然,也可以将“状态转移图”变为指令方式输入。

（3）对步进程序中的每一个状态,都需要用STL指令去驱动状态的执行。

必须清楚的是:

在步进程序中,每个STL指令都会与SET指令共同使用,即每个状态都需要先用SET指令置位,再用STL指令驱动。

（4）状态转移条件应视为接在左母线的触点,与上一状态连接的触点应使用LD、LDI指令；也允许指令的串联和并联,如图2-1-4所示

图2-1-4状态转移条件的指令运用

（5）图2-1-3中状态转移的实心箭头表示步进程序最后一个状态的转移,不论转移到哪个状态,通常情况都使用OUT指令执行,如图2-1-3所示梯形图中的“OUTSO”。

（6）步进程序结束时要使用RET指令,如不写入RET,程序会提示出错。

（7）状态在满足转移条件（转移控制触点ON）时,就会立刻发生转移（下一状态置位）,此时,原状态立刻停止执行,而下一状态在STL驱动下开始执行。

对于每个状态的执行程序,可视为左母线开始。

部分基本指令在状态执行中的应用如图2-1-5所示。

图2-1-5状态执行程序部分基本指令的运用

五、项目实施

（一）确定PLC的I/0分配表

本项目中PLC的I/0分配见表2-1-3。

表2-1-3PLC控制七段数码管显示的I/0分配表

（二）画出PLC的I/0接线图

根据I/0分配表,画出PLC控制七段数码管显示的接线原理图,如图2-1-6所示。

图2-1-6PLC控制七段数码管显示的接线原理图

（三）项目器材

项目所用器材见表2一1-40

表2-1-4PLC控制七段数码管显示的项目器材表

（四）按110接线图完成接线

按图2-1-6接好线路。

（1）连接PLC的输入端外接元件。

（2）连接PLC的输出端与七段数码管的接线。

（3）连接PLC的电源（注意先不要带电作业）。

（4）连接制作的5V电源。

（5）注意连接PLC的接地线。

PLC控制七段数码管显示的实物模拟接线图如图2-1-7所示。

图2-1-7PLC控制七段数码管显示的实物模拟接线图

（五）程序编写

根据项目分析,本项目属于顺序控制任务,采用自动连续运行方式,用步进指令编写程序。

项目的状态转移图如图2-1-8所示。

图2-1-8PLC控制七段数码管显示的状态转移图

由于定时器在状态停止执行后会自动清零、触点会自动复位,因此不需要对定时器进行复位清零处理。

PLC控制七段数码管显示的梯形图程序如图2-1-9所示。

PLC控制七段数码管显示的指令程序如图2-1-10所示。

（六）程序调试

（1）输入程序并传送到PLC,然后运行调试,观察是否符合要求,如不符合要求则要检查接线、数码管的焊接以及PLC程序,直至达到要求的显示效果。

①按下启动按钮SB1,数码管按要求进行流水、闪烁显示。

注意观察显示是否达到要求。

②按下停止按钮SB2,显示马上停止。

再按下起动按钮SB1,又重新启动显示。

（2）由于本项目涉及PLC、外接的数码管,也可按下面方法调试:

模拟调试程序。

暂时不接外围数码管,观察PLC的输出指示灯是否按要求指示,如否则检查并修改程序,直至指示正确。

然后再接上数码管观察显示效果。

图2-1-9PLC控制七段数码管显示的梯形图程序

图2-1-10PLC控制七段数码管显示的指令程序

六、项目拓展

本项目是步进控制的初步学习,因此必须注意以下几点:

1.状态的编号

在步进程序中,每个状态都要有一个编号,而且每个状态的编号是不能相同的,但对于连续的状态,没有规定一定要用连续的编号,所以在编写程序时,为了程序修改的方便,对于比较复杂的程序,一般对两个相邻的状态采用相隔2-4个数的编号较好。

2.程序中的元件双重输出

对于状态中的执行元件,在同一状态内,与普通的梯形图一样不能出现两个相同的执行元件,否则,会出现元件的双重输出现象,使程序控制出现问题。

但在不同的状态中使用相同的执行元件,如输出继电器Y、M等,就不会出现元件双重输出的控制问题。

所以,在步进程序中,相同的执行元件在不同的状态使用是完全可以的,在这个项目训练中,可以看到这个情况。

3.对于定时器

在步进程序中,可以在相隔1个或1个以上状态中使用同一元件,但一定不能在相邻状态中使用。

同理因为使用的是普通定时器,所以状态停止执行后,这些普通的定时器自动清零、触点自动复位。

4.两个状态绝对不能直接相连接,必须用一个转换条件将它们隔开,即如何由这一状态进入到下一个状态的条件（通常所说的转移条件）。

七、思考与练习

某现场要求:

用PLC进行控制,实现一个数字的流水闪烁显示。

具体要求是:

（1）按一下启动按钮,显示从“9"开始,“9”先亮15,再灭15后,再显示“8”,同样亮15,再灭15后,以此类推地显示到“0”,然后再重复进行显示。

（2）按停止按钮,马上停止。

请按项目实施步骤要求完成该工作任务。

八、项目评估

1.对本项目的知识、技能、方法及项目实施情况等进行总结。

2.针对自己的学习情况进行小组展（演）示、交流、讨论。

3.填写项目评估表（见表2-1-5）。

表2-1-5项目评估表

项目2大小工件分类的PLC控制

一、项目描述

在某工厂自动分拣系统如图2-2-1所示。

有大小两种工件（铁材料）,现在要求用PLC实现对大小工件的自动分类控制。

具体要求是:

按下启动按钮,大小工件分类机的分拣杆必须从初始位置（不在初始位置不能启动）下降,规定时间内没有压到下限位开关,则是大工件,就送到大工件容器；如果在规定时间内压到下限位开关,则是小工件,就送到小工件容器,重复以上分拣控制。

在分拣机工作过程中,要保证:

（1）分拣机的垂直运动和横向运动不能同时进行；

（2）要保证对工件吸牢与完全释放（延时ls）。

按停止按钮,大小工件分类机必须完成分拣工作后、分拣杆要在初始位置才能停止。

二、项目目标

●学会编写选择性分支结构步进控制程序。

●利用所学的PLC编程知识完成大小工件的自动分类控制。

三、项目分析

由大小工件自动分类示意图可以看出,系统存在两个可选择的分支,选择条件为电磁铁吸住大工件还是小工件,即行程开关SQ5是否压合。

当SQ5未压合时,电磁铁吸住的是大工件,系统选择将工件运往大工件容器箱的分支；当SQ5压合时,电磁铁吸住的是小工件,系统选择将工件运往小工件容器箱的分支。

根据项目的控制要求,确定出该项目的系统工作流程图,如图2-2-2所示。

根据控制要求和系统工作流程图,可以简单地画出系统的控制流程图,如图2-2-3所示。

图2-2-1大小工件自动分拣装置

四、项目准备

1.选择性分支的状态转移图

根据状态转移条件从多个分支流程中选择某一分支执行，这种状态转移图的分支结构称为选择性分支。

选择性分支实际上是从几个分支中选择一个分支执行，因此每次只能满足一个分支转移条件，几个分支转移条件不能同时满足。

如图2-2-4所示，就是一个选择性分支状态转移图的例子。

图2-2-4所示的状态转移图有三个分支流程，S20为分支状态，S25为汇合状态。

步进程序执行至分支状态S20后，当某一分支执行条件满足时，选择执行该分支流程。

当XO为ON时，选择执行第一分支流程;当X3为ON时，选择执行第二分支流程;当时X6为ON时，选择执行第三分支流程。

但每次选择执行时，同一时刻X0，刀和X6只能有一个状态为ON，这是选择性分支的必要前提。

S25为汇合状态，当执行至每一分支流程的最后一个状态时，由相应的转移条件驱动。

例如选择第一分支执行至状态S25时，X2为ON，则转移到汇合状态S25，其他分支类似。

图2-2-2大小工件分拣机的图2-2-3大小工件分类控制流程图

系统工作流程图

图2-2-4选择性分支状态转移图

2.选择性分支点的编程

选择性分支点的编程原则是先对各分支进行集中转移处理，然后再按顺序分别对各分支进行编程，如图2-2-5所示。

图2-2-5选择性分支点编程

如图2-2-5所示,在分支状态S20中先进行驱动处理（OUTYO）,并集中进行三个分支的状态转移处理（SETS21、SETS31和SETS41）,然后按顺序分别对三个分支进行编程。

3.选择性汇合点的编程

选择性汇合点的编程原则是:

先分别在各分支最后的一个状态进行向汇合状态的转移处理,然后再对汇合状态编程,如图2-2-6所示。

如图2-2-6所示,先在各个分支的最末状态S23、S33和S43中分别进行转移到汇合状态的处理（SETS25）,然后再在汇合状态S25中进行输出（OUTY7）等其他处理。

图2-2-6选择性汇合状态编程

4.选择性分支状态转移图对应的梯形图程序

根据选择性分支步进程序的编程原则，可写出如图2-2-4所对应的梯形图程序和指令程序，如图2-2-7所示。

五、项目实施

（一）确定PLC的I/O分配表

本项目中PLC的I/O分配见表2-2-1。

表2-2-1大小工件分类的PLC控制项目I/O分配表

图2-2-7图2-2-4对应的梯形图程序和指令程序

（二）画出PLC控制大小工件自动分类的IIO接线图

根据I/O分配表,画出PLC控制大小工件（铁）自动分类的接线原理图,如图2-2-8所示。

图2-2-8PLC控制大小工件自动分类的接线原理图

（三）项目器材

项目所用器材见表2-2-2。

表2-2-2大小工件分类的PLC控制项目器材表

（四）按I/O接线图完成接线

按图2-2-8接好线路。

（1）连接PLC的输入端外接元件。

（2）连接PLC的输出端的外接元件（交流按触器、指示灯等）接线。

（3）连接PLC的电源（注意先不要带电作业）。

（4）注意连接PLC的接地线。

大小工件自动分类的PLC控制项目实物模拟接线图如图2-2-9所示。

图2-2-9大小工件自动分类的PLC控制项目实物模拟接线图

（五）程序编写

在步进程序设计时,要求先画出系统的流程图（状态转移图）,如图2-2-10所示。

图2-2-10大小工件自动分类的PLC控制项目状态转移图

如图2-2-10所示,初始位置启动条件是分拣杆处于左上位（Xl,X4）接通,此时按下启动按钮（X0）,辅助继电器M0接通,转入状态S20,分拣杆下降（Y3）接通2s,在此期间分拣杆若碰到的是大（铁）工件则对不动作,选择左边这一个分支进行;若在2s内,分拣杆碰到的是小（铁）工件则X5动作,选择右边这一个分支进行,当一次分拣过程结束后,分拣机继续进行下一次分拣,直到按下停止按钮SB2（X6）后,分拣机在完成本次分拣以后,停在初始位置,等待下一次启动。

大小工件自动分类的PLC控制项目梯形图程序如图2-2-11所示。

大小工件自动分类的PLC控制项目指令程序如图2-2-12所示。

图2-2-11大小工件自动分类的PLC控制梯形图程序

（六）程序调试

1.输入程序并传送到PLC,然后运行调试,观察是否符合要求,如不符合要求则要检查接线、交流接触器、指示灯以及PLC程序,直至达到要求的控制效果。

（1）给PLC通电,分拣杆停在初始位置,按下启动按钮SBl,自动分拣系统开始运行。

（2）按下停止按钮SB2后,控制灯不会马上停止,而要等到一次自动分拣完成后,系统才停止运行。

再按下起动按钮SBl,又重新启动。

2.由于本项目涉及PLC、外接的模拟控制交流接触器,所以也可先模拟调试程序。

暂时不接PLC的外围模拟电路,观察PLC的输出指示灯是否按要求指示,如否则检查修改程序,直至指示正确。

然后再正确接通PLC外围的模拟电路,并观察其运行效果。

图2-2-12大小工件自动分类的PLC控制项目指令程序

六、项目拓展

本项目主要介绍步进控制选择性分支结构,掌握更多的程序处理方法,需要长期训练。

由于设备运行方式和运行要求是多种多样的,因此,掌握顺序控制程序中的各种解决方法十分必要,选择性分支是步进控制中非常重要的一种控制方式,大家一定要多加练习。

此外,如何确定某一项目是否属于选择性分支,也同样重要。

同样是该项目,如果要求自动分拣机每按下启动按钮一次,只能分拣一次,要再次分拣,就要再次按下启动按钮。

从这个项目要求中,可以看出,可以不用停止按钮c实际上,自动分拣机变成了“一次"（启动按钮决定）分拣机。

它的参考梯形图程序如图2-2-13所示。

图2-2-13大小工件“一次”（启动按钮决定）分拣机的梯形图程序

七、思考与练习

要求给本项目中的自动分拣机增加一个保险控制。

具体要求:

在大小（铁）工件自动分拣过程中,当电磁铁工作时,不允许有人员接近工作区（保证工作人员安全）。

若有人员进入工作区,则警示红灯亮,电磁铁不工作。

请按项目要求完成该工作。

八、项目评估

1.对本项目的知识、技能、方法及项目实训情况等进行小结。

2.针对自己的学习情况进行小组展（演）示、交流、讨论。

3.填写项目评估表（见表2-2-3）。

表2-2-3项目评估表

项目3交通信号灯的PLC控制

一、项目描述

某城市新建道路十字路口的交通信号灯如图2-3-1所示,要求用PLC进行控制。

具体要求是:

按下启动按钮,十字路口的交通信号灯开始工作,东西方向绿灯亮,25s以后,在3s内绿灯闪3次后,绿灯灭,黄灯亮2s后灭,红灯亮;在此30s内,南北方向红灯亮。

两个方向交替运行,实现城市十字路口交通的指挥功能。

按停止按钮,十字路口的交通信号灯马上全部停止。

图2-3-1交通信号灯

具体一个周期的控制要求见表2-3-1。

表2-3-1十字路口交通信号灯控制要求

二、项目目标

·学习步进并行分支程序结构。

·利用所学的PLC编程知识完成交通信号灯的控制。

·提高从项目中获取知识信息并灵活处理实际问题的能力。

三、项目分析

该控制系统是一个时间顺序控制系统,可以采用基本逻辑指令编程,也可以用前面学习过的单流程步进程序设计;同时还可以将东西方向和南北方向各看成一条主线,并行同时执行,即用并行分支步进程序进行设计。

因此,可画出该项目的控制时序图,如图2-3-2所示。

图2-3-2十字路口交通信号灯控制时序图

按下启动按钮,十字路口交通信号灯控制系统开始周而复始地循环工作;按下停止按钮,系统完成当前一个循环后自动停止工作。

四、项目准备

1.并行分支的状态流程图

当满足某些条件后,使多个分支流程同时执行的分支结构称为并行分支。

并行分支是满足某条件时若干分支同时并行执行,因此必须等所有分支全部执行完成后,才能继续执行下一个流程,如图2-3-3所示。

图2-3-3中,S20为分支状态,S26为汇合状态。

当步进程序执行到状态S20时,若X0为ON,则状态从S20同时转移至S21、S31和S41,三个分支流程同时并行执行;而只有当三个分支全部执行结束后,接通X4,才能使状态S23、S33和S43同时复位,转移到下一个状态S26,实现并行分支的汇合。

图2-3-3并行分支状态流程图

2.并行分支点的编程

并行分支点的编程原则和选择性分支类似,也是先对各分支集中进行状态转移处理,然后再分别按顺序对各分支进行编程,如图2-3-4所示。

图2-3-4并行分支状态编程

图2-3-4中,在分支状态S20中先进行驱动处理（OUTY0）,并以X0为触发条件,同时向三个分支状态转移处理（SETS21、SETS31和SETS41）,然后按顺序分别对三个分支进行编程。

3.并行汇合点的编程

并行汇合点的编程原则是,将各分支的最后一个状态的SET触点串联,集中进行向汇合状态的转移处理,以保证每个分支执行完毕后才能向汇合状态转移,然后再对汇合状态进行编程,如图2-3-5所示。

图2-3-5并行汇合状态编程

图2-3-5中,在各个分支状态都执行结束后,即各个分支的最末状态S23、S33和S43的STL触点均闭合时,接通步进汇合条件X4,集中转移到并行分支的汇合状态S26,然后进行输出（OUTY007）等其他处理。

图2-3-3对应的梯形图和指令表,如图2-3-6所示。

五、项目实施

（一）确定PLC的I/O分配表

本项目中PLC的I/O分配见表2-3-2。

图2-3-6图2-3-3对应的梯形图和指令表

表2-3-2十字路口交通信号灯的PLC控制项目I/O分配表

（二）画出PLC的I/O接线图

根据I/O分配表,画出十字路口交通信号灯的PLC控制接线原理图,如图2-3-7所示。

图2.-3-7十字路口交通信号灯的PLC控制接线原理图

（三）项目所用器材

项目所用器材见表2-3-3。

表2-3-3十字路口交通信号灯的PLC控制项目器材表

（四）按I/O接线图完成接线

按图2-3-7接好线路。

（1）连接PLC的输入端外接元件。

（2）连接PLC的输出端与十字路口交通信号灯（LED模拟）的接线。

（i）连接PLC的电源（注意先不要带电操作）。

（4）注意连接PLC的接地线。

十字路口交通信号灯的PLC控制实物模拟接线图如图2-3-8所示。

图2-3-8十字路口交通信号灯的PLC控制实物模拟接线图

（五）程序编写

在步进程序设计时,要先画出控制系统的状态转移图,然后再根据状态转移图编写梯形图程序或指令程序。

依照十字路口交通信号灯控制的时序图,并将东西方向和南北方向各看成一个分支,可得出十字路口交通信号灯控制的并行分支流程图,如图2-3-9所示。

图2-3-9十字路口交通信号灯的PLC控制状态转移图

图2-3-9中,当PLC为“RUN”时,步进程序转入状态S0,而启动和停止程序在步进过程之外,按下启动按钮后,辅助继电器M10接通,步进程序转入状态S20,东西绿灯（Y0）和南北红灯（Y5）同时接通,步进过程转入并行分支,两条分支同时并行执行。

东西绿灯（Y0）亮,南北红灯（Y5）亮；25s后东西绿灯闪烁（闪烁周期为1s）,由计数器（C0）来计闪烁的次数,未满三次跳转到状态S22,满三次则转入状态S23,东西黄灯（Y1）亮;2s以后,转入状态S25,东西红灯（Y2）亮,计数器（CO）复位;同时南北分支转入状态S51,南北绿灯（Y3）亮……当南北分支执行到状态S54时,南北黄灯（Y4）亮,计数器（C1）复位,定时器T9动作时,步进过程跳转到状态S0,此时若未按下停止按钮（X1）即Ml0保持接通,则交通灯自动重复循环;若己按停止按钮,则M10断开,交通灯停止运行,等待下一次启动。

十字路口交通信号灯的PLC控制梯形图程序如图2-3-10所示。

图2-3-10十字路口交通信号灯的PLC控制梯形图程序

十字路口交通信号灯的PLC控制指令程序如图2-3-11所示。

图2-3-11十字路口交通信号灯的PLC控制指