可编程控制器原理与应用.docx
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可编程控制器原理与应用
前言
随着可编程控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）技术的迅速发展，它以体积小、功能强、可靠性高以及安装应用方便等优点，很快在我国的工业控制中占据了主导地位。
为了适应这一时代发展的需要，全国各大中专院校各类职业技术学校都相继将PLC教学纳入教学任务，作为电子、电器以及工业自动化类专业的一门必修课。
PLC（可编程控制器）实验教学是这门课程的重要环节。
我司根据这一课程的教学大纲，综合多所院校老师的教学意见，结合工业控制的实际情况，开发了PLC（可编程控制器）系列实验系统。
产品推出以来，得到了各大院校教学老师和专家的一致好评。
实验系统利用按钮、开关来模拟各类传感器的输出作为控制信号；利用LED发光二极管模拟LED数码管、指示灯、直流电机、步进电机、继电器以及各类工业控制中的执行机构，生动形象的模仿工业工程中的实际状态。
它们设计考究、功能全面、操作简便，是PLC教学的得力助手！
ZY17PLC-Sim12BE实验箱由PLC主机、实验演示板以及附件构成。
其中PLC主机采用的是目前工业控制中应用最普遍的西门子主机，型号为S7-200、CPU226（AC/DC/继电器）。
本PLC可编程控制器实验箱与同类产品相比有四大特点：
1、以前的实验箱只将主机的输入输出引到实验箱面板上。
此次，将主机的所有接线端子包括电源端子引到实验箱上，所有主机接线均有学生来连。
这样，学生能更深入的了解PLC工作原理。
2、实验容涉及位逻辑指令，定时、计数指令，功能指令，全面涵盖教学重难点。
3、实验箱设有短路保护，避免学生错误操作烧坏主机。
该实验箱的设计和实验指导书的编写，力求做到通俗易懂，贴近人的认知过程，软硬件都设有练习。
学生实验之前应以此为参考进行预习，每实验小组都建议配置有实验指导书。
希望老师在本课程实验之前，简介此实验箱的一般使用方法（详见第一章），起到加强巩固实验教学效果的作用。
由于编者的能力以及时间的限制，书中肯定存在一些不足之处，期盼各位老师和专家的提出指正，衷心的感！
第一章可编程控制器实验装置介绍
第一节可编程控制器简介
可编程序控制器，英文称ProgrammableController，简称PC。
为了与个人计算机的PC（PersonalComputer）相区别，在PC中增加了L（Logic）而写成PLC。
PLC是以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程的存储器，用以在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械生产过程。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能和习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试和查错都很方便。
用户在购买到所需的PLC后，只需按说明书的提示，进行少量的接线和简易的用户程序的编制，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
经过30多年的发展，可编程控制器已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。
现在继电器已经用进入包括过程控制、位置控制等场合的所有控制领域。
在工业控制领域起着举足轻重的作用。
一、PLC的工作原理
PLC的工作方式有周期扫描方式、定时中断方式、输入中断方式、通信方式等等。
最主要的方式是周期扫描方式。
周期扫描方式大致可以分为以下六个过程：
1、上电处理过程
PLC上电后，要进行第一次上电的初始化处理。
CPU进行的初始化工作，包括清除部继电器区，复位所有的定时器，检查I/O单元的连接等。
2、共同处理过程
在上电处理通过以后，要进到这一步。
共同处理的主要任务是复位监视定时器，检查I/O总线是否正常，检查扫描周期是否过长，检查程序存储器是否有异常，如果有异常，根据错误情况，发出报警输出或者停止PLC的运行。
3、通信服务过程
当PLC和微机构成通信网络或由PLC构成分散系统时，需要有通信服务过程。
4、外部设备服务过程
当PLC接有外部设备（如编程器、打印机等），则需要进行外部设备服务过程。
5、程序执行过程
该过程执行用户程序存储器所存的指令。
从输入映像寄存器和其它软元件的映像寄存器中将有关元件的通/断状态读出，从程序的第0步开始顺序的运算，每次结果都写入对应的映像寄存器中。
因此，各元件的映像寄存器的容随着程序的执行在不断的变化（输入元件除外）。
输出继电器的部触点的动作由输出映像寄存器的容决定。
6、I/O刷新过程
这个过程可分为输入信号刷新和输出信号刷新。
输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。
输入处理过程将PLC全部输入端子的通/断状态，读入输入映像寄存器。
在程序执行过程中，即使输入状态变化，输入映像寄存器的容也不会马上改变。
直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。
此外，输入触点从通到断或从断到通变化到处于确定止，输入滤波器还有一个响应延迟。
输出处理过程将输出映像寄存器的通/断状态向输出锁存继电器传送，成为PLC的实际输出。
PLC在执行完第6步后，又跳到第1步重新运行，如此不断循环。
二、PLC的结构及各部分的作用
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不相同，但结构与工作原理则小异，其组成与计算机完全相同，它就是一台适合于工业现场使用的专用计算机，其硬件组成有六个部分（如图1-1）。
图1-1可编程控制器的组成
1、中央处理单元
与普通计算机一样，CPU是系统的核心部件，是由大规模和超大规模的集成电路微处理器芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。
进入运行状态后，用扫描的方式接收输入装置的状态或数据，从存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。
分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。
PLC中的中央处理单元多用8到32位字长的单片机。
2、存储单元
按照物理性能，存储器可以分为两类，随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“1”或清“0”的操作后，它的状态才确定。
若关断电源，状态丢失。
这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。
只读存储器有两种。
一种是不可擦除ROM，这种ROM只能写入一次，不能改写。
另一种是可擦除ROM，这种ROM经擦除后还可重写。
其中EPROM只能用紫外线擦除部信息，E2PROM可以用电擦除部信息，这两种存储器的信息可保留10年左右。
3、电源单元
PLC配有开关电源，电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。
有些PLC还配有大容量电容作为后备电源，停电时可以保持50h。
除了需要交流电源以外，还需要直流电源。
一般直流5V电源供PLC部使用，直流24V电源供输入输出端和各种传感器使用。
4、输入输出单元
输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是PLC与现场输入输出设备或其它外部设备之间的连接部件。
PLC通过输入模块把工业设备状态或生产过程信息读入中央处理单元，通过用户程序的运算和操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。
而功能模块则是一些智能化了的输入和输出模块。
比如温度检测模块、位置检测模块、位置控制模块、PID控制模块等。
中央处理单元与输入输出模块的连接是由输入接口和输出接口完成的。
5、接口单元
接口单元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。
这些接口都是为了进一步扩展PLC的功能而设置的。
6、外部设备
PLC的外部设备主要有编程器、文本显示器、操作面板、打印机等等，使PLC的使用更加方便。
第二节STEP7-Micro/WIN编程软件使用说明
STEP7-Micro/WIN用于西门子S7-200系列PLC的程序编辑，支持三种编程模式：
LAD（梯形图）、FBD（功能块图）和STL（语句表）。
Micro/WIN还提供程序在线编辑、调试、监控以及CPU部数据的监视、修改功能等等。
一、安装
安装编程软件的计算机应使用Windows操作系统，双击安装图标，根据安装时的提示完成安装。
安装完成后，用菜单命令“Tools（工具）/Options”（选项），选择“General”（常规），可以设置语言环境选择希望使用的语言。
二、STEP7-Micro/Win简介
1、STEP7-Micro/Win窗口元素（如图1-2）
图1-2STEP7-Micro/Win窗口元素
●浏览条——显示常用编程按钮群组。
浏览条包括：
视图：
显示程序块、符号表、状态表、数据块、系统块、交叉参考及通讯按钮。
工具：
显示指令向导、TD200向导、位置控制向导、EM253控制面板和扩展调制解调器向导等的按钮。
●指令树——提供所有项目对象和当前程序编辑器的所有指令的树型视图。
可以在项目分支里对所打开项目的所有包含对象进行操作；利用指令分支输入编程指令。
●交叉参考——查看程序的交叉引用和元件使用信息。
●数据块——显示和编辑数据块容。
●状态表——允许将程序输入、输出或变量置于图表中，监视其状态。
●符号表——允许分配和编辑全局符号。
●输出窗口——在编译程序或指令库时提供消息。
当输出窗口列出程序错误时，双击错误讯息，会自动在程序编辑器窗口中显示相应的程序网络。
●状态栏——提供在STEP7-Micro/WIN中操作时的操作状态信息。
●程序编辑器——包含用于该项目的编辑器（LAD、FBD或STL）的局部变量表和程序视图。
单击程序编辑器窗口底部的标签，可以在主程序、子程序和中断服务程序之间移动。
●局部变量表——包含对局部变量所做的定义赋值（即子程序和中断服务程序使用的变量）
2、项目及其组件
STEP7-Micro/Win把每个实际的S7-200系统的用户程序、系统设置等保存在一个项目文件中，扩展名为.mwp。
打开一个.mwp文件就打开了相应的工程项目。
使用浏览条的视图部分和指令树的项目部分，可以查看项目的各个组件，并且在它们之间切换。
用鼠标单击浏览条图标或着双击指令树分支可以快速到达相应的项目组件。
三、在编程软件中设置通讯接口的参数
在STEP7-Micro/WIN中选择菜单命令“检视/元件/设置PG、PC接口”，或双击指令树的“设置PG/PC接口”图标进入“设置PG/PC接口”对话框（如图1-3）。
图1-3设置PG/PC的界面
1、选择通信硬件
在“接口参数指定（InterfaceParameterAssignment）”列表框中选择通信接口协议“PC/PPIcable（PPI）”，在“AccessPointoftheApplication（应用的访问接点）”列表框中，将出现“Micro/WIN——>PC/PPIcable”。
2、设置PC/PPI电缆的PPI参数
单击“Properties（属性）”按钮，将会出现PC/PPI电缆的属性窗口（如图1-4）。
选择图1-4所示的默认值即可。
单击“LocalConnection（本地连接）”选项卡，选择连接PC/PPI电缆的计算机的RS232C通信口COM1。
设置完后点击“OK”按钮。
此时设置的是计算机通信接口的参数，下面还必须设置S7-200的波特率和站地址。
图1-4查看、设置PPI参数
3、设置S7-200的波特率和站地址
在STEP7-Micro/WIN中选择菜单命令“检视/元件/系统块”，或双击指令树中的系统块图标，将打开S7-200的通信参数的选项卡（如图1-5），具体设置采用如图所示的默认值。
图1-5系统块设置CPU通讯口属性
四、编程
1、创建一个项目
点击“文件/新建”或按工具条左边的按钮，生成一个新的项目。
执行菜单命令“文件/另存为”保存文件。
2、设置PLC型号
执行菜单命令“PLC/类型”在出现的对话框里选择PLC型号，这里我们选择“CPU226”。
3、选择编程语言和指令集
执行菜单命令“工具/选项”，在“一般”选项卡中可以选择语言和指令集。
具体设置如图1-6所示。
图1-6选择语言环境
4、选择程序结构
较简单的数字量控制程序一般只有主程序（OB1），较大的程序除了主程序外可能还有子程序和中断程序，根据需要选择程序结构。
5、编写程序
这里主要讲的是在LAD程序编辑器中的程序编辑方法。
STEP7-Micro/WIN用Network（程序段）来组织程序。
每个程序段相当于继电器控制图中的一个电流通路。
一个程序段只能有一个“能流”通路，不能有两条互不联系的通路。
在LAD编辑器中有以下四种输入程序指令的方法：
◆鼠标拖放
◆特殊功能键（F4，F6，F9）
◆鼠标双击
◆LAD指令工具栏按钮
编辑梯形图程序时，在矩形光标所在的位置放置一个触点（线圈）。
点击触点（线圈）上面或下面的红色问号，就可以设置该触点（线圈）的地址或其他参数。
双击梯形图中的网络编号选中整个网络后，可以删除或复制粘贴网络中的程序。
6、切换编程语言
单击菜单“检视”中的命令，可在三种编程语言间切换。
五、编译和下载
在STEP7-Micro/WIN中编辑的程序必须编译成S7-200CPU能识别的机器指令，才能下载到S7-200CPU运行。
单击菜单“PLC/编译”或“PLC/全部编译”选项，或者单击工具栏的或按钮，执行编译。
◆编译：
编译当前所在的程序窗口或数据块窗口。
◆全部编译：
编译项目文件中所有可编译的容。
使用菜单“文件/下载”，或单击工具栏中按钮来执行下载。
下载时将S7-200、CPU的模式开关拨到“STOP”位置。
六、运行和调试
1、运行程序
将S7-200CPU上的模式开关拨到“RUN”位置，“RUN”指示灯亮，程序开始执行。
如果S7-200CPU上的模式开关处于“RUN”或“TERM”位置，还可以在STEP7-Micro/WIN软件中使用菜单命令“PLC/RUN”和“PLC/STOP”，或工具栏按钮和改变CPU的运行状态。
单击菜单命令“调试/开始程序状态”或者工具栏上的按钮，进入监控程序状态。
但是程序监控状态不能完全如实显示变化迅速元件的状态。
2、用状态表监视程序
使用状态表可以监控数据。
使用菜单“监视/元件/状态图”或单击浏览条“检视/状态图”打开状态表窗口。
在状态表中输入要监视的变量的地址和数据类型，定时器和计数器可以分别按位或按字监视。
单击菜单“调试/开始图状态”或单击工具栏按钮来监控状态表表格的数据值。
如果按位监视，显示的是它们的输出位的ON/OFF状态。
如果按字监视，显示的是它们的当前值。
第三节ZY17PLC-Sim12BE特点介绍
一、实验容全面，涵盖知识面广
本实验箱设置有九个实验单元。
1、基本指令编程练习：
（1）与、或、非逻辑运算指令实验
（2）置位、复位及脉冲输出指令实验
（3）定时器/计数器功能实验
2、应用实验：
（1）水塔水位控制模拟
（2）四节传送带模拟
（3）机械手控制模拟
（4）五相步进电机模拟
（5）液体自动混合模拟
（6）LED数码显示
（7）装配流水线控制模拟
（8）交通灯控制模拟
（9）三层电梯模拟
这些实验的设置，全面的涵盖了PLC编程教学的重难点。
而且，实验箱的设计贴近人们对新事物的认知过程，力求做到深入浅出，难度有层次。
二、PLC主机
出厂时已配接西门子S7-200系列主机并且接入交流220V电源，将剩余的输入、输出和电源端子分别引到PLC实验台的控制面板相应引出端口上，其端口采用带自锁装置插座，引线端名称及编号与PLC主机的名称及编号一致，实验时直接在面板上连线即可。
本实验台S7-200、CPU226（AC/DC/继电器）的外部接线原理图如图1-7所示。
图1-7PLC外部接线图
本实验台输入电源的供电电源采用PLC输出的DC24V/400mA传感器电源供电，负载电源采用DC24V/4A开关电源供电。
三、短路保护
为了确保PLC主机的安全，我们在实验箱的输出回路上设有保险管保护。
四、开关区
本实验台在开关区设置5个轻触开关A0～A4，5个拨位开关A5～A9，其开关量分别从带自锁功能插座对应引出，这10个开关的公共端已接到西门子可编程控制器的L+（指西门子可编程控制器下方的L+插孔，它是直接从主机的L+引到面板上的L+插孔）。
从图1－7可知，当开关或按钮闭合时，如果将此开关接入PLC的某个输入（I*）时，即用自锁线将I*与An相连，闭合An时，即将输入I*接通，在PLC中含义为输入继电器线圈导通。
五、指示区
指示区提供有10个发光二极管作为PLC输出资源，这些发光二极管的公共端已接到直流电源的GND上。
注：
面板上西门子可编程控制器正上方的+24V、+5V、GND插孔是由直流电源直接引出的，实验箱通电后，它们即输出＋24V/4A，+5V/2A电源各一路。
该实验箱的负载供电即用＋24V直流电源；＋5V电源为扩展电源，方便二次开发使用。
当指示灯接入PLC的输出电路，并通电，发光二极管发亮。
六、实验单元
实验单元即此实验箱上的九个应用实验单元，每个实验单元对应一个模拟的实验容。
各个实验单元与PLC主机以及开关区、指示区在电路上没有任何连接。
学生做实验时需根据所编程序决定如何连线。
每个实验单元的开关（按键）公共端均连到了该单元的L+端子，负载（发光二极管）公共端均连到了该单元的GND端子。
开关或负载的另一端根据模块上的标识引到了面板上对应的插孔。
第二章基本指令及应用编程练习
实验一位逻辑指令
一、实验目的
1、了解S7-200系列PLC的结构和外部I/O接线方法。
2、熟悉STEP7-Micro/WIN编程软件的使用方法。
3、通过练习熟悉与、或、非等位逻辑指令。
二、实验仪器
1、ZY17PLC-Sim12BE可编程控制器实验箱1台
2、安装了STEP7-Micro/WIN编程软件的PC机1台
3、PC/PPI编程电缆1根
4、连接导线若干
三、实验原理
1、基本指令功能介绍
标准常开触点用LD表示，标准常闭触点用LDN表示，输出操作用“＝”表示；逻辑与、或、“取非”分别用“A”、“O”和“NOT”表示；串联电路的并联操作用“OLD”表示；并联电路的串联操作用“ALD”表示。
2、实验程序
应用基本指令编写以下程序，并进行验证。
梯形图语句表
图2-1触点与输出指令
四、实验容及步骤
1、在断电的情况下，将编程电缆一端与PLC的编程接口相连，另一端与计算机串口连接。
2、实验接线：
将I0.0、I0.1、I0.2分别和开关区的A5、A6、A7相连；Q0.0、Q0.1分别和指示区的L0、L1插孔相连；然后将的1M与M相连，1L与＋24V相连。
3、打开STEP7-Micro/WIN编程软件，执行菜单命令“文件/新建”，或点击工具条上最左边的按钮，生成一个新的项目。
执行菜单命令“PLC/类型”，设置PLC型号。
4、在主程序（OB1）中输入以上梯形图程序，点击工具条中的或按钮，编译输入的程序。
如程序有错，输出窗口会显示错误信息。
用鼠标双击错误信息可以在程序编辑器中显示相应出错程序段以便修改。
5、打开实验箱电源，将PLC上的模式开关拨到STOP位置。
执行菜单命令“文件/下载”或工具条中的按钮，选择下载的块，执行下载。
6、改变开关A5、A6、A7的状态，观察并记录实验结果。
I0.0
I0.1
I0.2
Q0.0
Q0.1
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
五、思考题及解答
1、写出本实验程序中Q0.0和Q0.1输出的逻辑表达式。
2、根据以下的时序要求编写程序，并调试直至正确为止。
图2-2时序图
实验二置位、复位及脉冲输出指令实验
一、实验目的
1、了解S7-200系列PLC的结构和外部I/O接线方法。
2、熟悉STEP7-Micro/WIN编程软件的使用方法。
3、熟悉置位、复位指令的使用方法。
4、熟悉微分操作指令的使用方法。
二、实验仪器
1、ZY17PLC-Sim12BE可编程控制器实验箱1台
2、安装了STEP7-Micro/WIN编程软件的PC机1台
3、PC/PPI编程电缆1根
4、连接导线若干
三、实验原理
1、指令功能介绍
置位操作用S表示。
当置位信号为1时，被置位线圈置“1”。
当置位信号变为“0”后，被置位线圈的状态可以保持，直到使其复位的线圈到来；复位操作用R表示。
当复位信号为“1”时，被复位线圈置“0”，当复位信号变为“0”以后，被复位的线圈的状态可以保持，直到使其置位的信号的到来。
上微分操作由“EU”表示。
上微分操作指某一位操作数的状态由0变为1的过程，即出现上升沿的过程。
上微分指令在这种情况下可以形成一个ON、一个扫描周期的脉冲；下微分操作由“ED”表示。
下微分操作是指某一位操作数的状态由1变为0的过程，即出现下降沿的过程。
下微分指令在这种情况下可以形成一个ON、一个扫描周期的脉冲。
2、实验程序
编写以下程序，并进行验证。
梯形图语句表
图2-3置位、复位及微分指令
四、实验步骤及注意事项
1、在断电的情况下，将编程电缆一端与PLC的编程接口相连，另一端与计算机串口连接。
2、实验接线：
将I0.0、I0.1分别和开关区的A5、A6插孔相连；Q0.0和指示区的L0插孔相连；然后将1M与M相连，1L与＋24V相连。
3、打开STEP7-Micro/WIN编程软件，执行菜单命令“文件/新建”，或点击工具条上最左边的按钮，生成一个新的项目。
执行菜单命令“PLC/类型”，设置PLC型号。
4、在主程序（OB1）中输入以上梯形图程序，点击工具条中的或按钮，编译输入的程序。
如程序有错，输出窗口会显示错误信息。
用鼠标双击错误信息可以在程序编辑器中显示相应出错程序段以便修改。
5、打开实验箱电源，将PLC上的模式开关拨到STOP位置。
执行菜单命令“文件/下载”或工具条中的按钮，选择下载的块，执行下载。
6、改变A5、A6的状态，观察并记录实验结果，控制时序图为：
图2-4时序图
五、思考题及解答
1、根据下面的时序图编写实验程序。
图2-5时序图
2、PLC的工作原理是怎样的？
什么是PLC的一个扫描周期？
实验三定时器与计数器指令
一、实验目的
1、了解S7-200系列PLC的结构和外部I/O接线方法。
2、熟悉STEP7-Micro/WIN编程软件的使用方法。
3、熟悉定时/计数指令的功能及用法。
二、实验仪器
1、ZY17PLC-Sim12BE可编程控制器实验箱1台
2、安装了STEP7-Micro/WIN编程软件的PC机1台
3、PC/PPI编程电缆1根
4、连接导线若干
三、实验原理
1、指令功能介绍
1）定时器
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