第 11 章 可编程控制器 (PLC)

2. 第11章 可编程控制器(PLC) 11.1可编程控制器的结构和工作原理 11.2可编程控制器的程序编制 11.3可编程控制器应用举例

3. 第11章 可编程控制器(PLC) 本章要求： 1. 了解可编程控制器的结构和工作原理; 2. 了解可编程控制器的几种基本编程方法; 3. 熟悉常用的编程指令; 4. 学会使用梯形图编制简单的程序。

4. 第11章 可编程控制器(PLC) 继电接触控制系统在生产中得到广泛应用。但由于它的机械触点多、接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性差，因此已不能满足现代化生产过程复杂多变的控制要求。 可编程控制器(PLC)是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种工业控制器。专门用于工业现场的自动控制装置。 PLC 具有可靠性高、功能完善、组合灵活、编程 简单以及功耗低、体积小等优点。但它存储容量小，价格高。 本章只为初学者提供PLC 基础知识,重点是简单 程序编制，重在应用。

5. 11.1.1 可编程控制器的结构及各部分的作用 PLC的类型种类繁多，功能和指令系统也不尽相同虽然多种多样，但其结构和工作方式则大同小异，一般由主机、输入/输出接口、电源、编程器、扩展接口和外部设备接口等几个主要部分构成。 11.1可编程控制器的结构和工作方式 PLC 可看作一个系统，外部的各种开关信号或模拟信号均为输入量，它们经输入接口寄存到PLC 内部的数据存储器中，而后按用户程序要求进行逻辑运算和数据处理，最后以输出变量的形式送到输出接口，从而控制输出设备。

6. 编程器 I/O扩展单元 I/O扩展接口 打印机 计算机 存储器 磁带机 扫描仪 用户程序 数据 系统程序 指示灯 按钮 输入接口 输出接口 电磁线圈 触点 CPU   行程开关 电磁阀 PLC 硬件系统结构图 外部设备接口 主机 输出设备 输入设备 电 源 PLC

7. 系统程序存储器 PLC 内部存储器 用户程序及数据存储器 主机部分包括中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器 CPU是PLC的核心，主要用来运行用户程序，监控输入/输出接口状态。 1. 主机 系统程序存储器：主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序。系统程序已由厂家固定，用户不能更改。 用户程序及数据存储器：主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据、中间结果。

8. 2. 输入/输出(I/O)接口 I/O接口是PLC 与输入/输出设备联接的部件。 输入接口用于接收输入设备(如：按钮、行程开关、传感器等）的控制信号。 输出接口用于将经主机处理过的结果通过输出 电路去驱动输出设备(如: 接触器、电磁阀、指示灯 等)。 I/O接口一般采用光电耦合电路,以减少电磁干扰。 3. 电源 PLC电源指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源

9. 4. 编程器 编程器是PLC 重要的外部设备，用于手持编程。 利用编程器可输入、检查、修改、调试用户程序或在线监视PLC工作状况。除手持编程器外，目前，使用较多的是利用通信电缆将PLC和计算机联接，并利用专用的工具软件进行编程或监控。 5. 输入输出扩展接口 I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数扩展单元与基本单元(即主机)联接在一起。 6. 外部设备接口 此接口可将编程器、打印机、条形码扫描仪等外部设备与主机相连。

10. 一个扫描周期 11.1.2 可编程控制器的工作方式 PLC 采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作。其工作过程分为输入采样、程序执行和输出刷新 三个阶段，并进行周期循环。 输入状态寄存器 输出状态寄存器 程序执行 输入锁存器 输出锁存器 输出端子 输入端子 写 读 读 输入采样 程序执行 输出刷新 一条指令所需时间一般不超过100 ms。

11. 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的通/断状态或输入数据，并将此状态存入输入状态寄存器，即输入刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。

12. 2. 程序执行阶段 PLC在执行阶段，按先左后右，先上后下的步序，执行程序指令。其过程如下：从输入状态寄存器和其它元件状态寄存器中读出有关元件的通/断状态，并根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关的状态寄存器中。 3. 输出刷新阶段 在所有指令执行完毕后，将各物理继电器对应的输出状态寄存器的通/断状态，在输出刷新阶段转存到输出寄存器，去控制各物理继电器的通/断，这才是PLC的实际输出。

13. 由PLC的工作过程可见， 在PLC的程序执行阶段，即使输入发生了变化，输入状态寄存器的内容也不会立即改变，要等到下一个周期输入处理阶段才能改变。暂存在输出状态寄存器中的输出信号，等到一个循环周期结束，CPU集中将这些输出信号全部输出给输出锁存器，这才成为实际的CPU输出。因此全部输入、输出状态的改变就需要一个扫描周期，换言之，输入、输出的状态保持一个扫描周期。

14. 11.1.3 可编程控制器的主要技术性能 1. I/O点数 指PLC外部输入和输出端子数。通常小型机有几十点，中型机有几百个点，而大型机超过千点。 2. 用户程序存储容量 用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。在PLC 中，程序指令按“步”存储, 一“步”占用一个地址单元,一条指令有的往往不止一“步”。一个地 址单元一般占两个字节。 3. 扫描速度 指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。有时也用扫描一步指令的时间计,如s/步。

15. 4.指令系统条数 PLC 具有基本指令和高级指令，指令的种类和数 量越多，其软件功能越强。 5. 编程元件的种类和数量 编程元件是指输入继电器、输出继电器、辅助继 电器、定时器、计数器、通用“字”寄存器、数据寄 存器及特殊功能继电器等，其种类和数量的多少是衡 量 PLC 硬件功能强弱的一个指标。 PLC 内部“继电器”是存储 器的存储单元。当写入该单元逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。所以PLC 内部这些继电器称为“软”继电器。

16. 元件名称 功能说明 代表字母 编号范围 接收外部输入的信号 X0  XF 共16点 输入继电器 X 输出程序执行结果 给外部输出设备 Y Y0  Y7 共 8 点 输出继电器 R0  R62F 共 1008 点 在程序内部使用， 不能提供外部输出 辅助继电器 R 延时定时继电器，其 触点在程序内部使用 T0 T99 共 100 点 定时器 T C100  C143 共 44 点 减法计数继电器，其 触点在程序内部使用 计数器 C WR0  WR62 共63个 每个WR由相应的16 个辅助继电器R 构成 通用“字” 寄存器 WR FP1-C24可编程控制器编程元件的编号范围与功能说明

17. 11.1.4 可编程控制器的主要功能和特点 1. 主要功能 (1) 开关逻辑控制 用PLC取代传统的继电接触器进行逻辑控制。 (2) 定时/计数控制 用PLC的定时/计数指令来实现定时和计数控制。 (3) 步进控制 用步进指令实现一道工序完成后，再进行下一道 工序操作的控制。 (4) 数据处理 能进行数据传输、比较、移位数制转换、算术运 算和逻辑运算等操作。

18. (5) 过程控制 可实现对温度、压力、速度、流量等非电量参数 进行自动调节 (6) 运动控制 通过高速计数模块和位置控制模块进行单轴和多 种控制。如用于数控机床、机器人等控制。 (7) 通信联网 通过PLC之间的联网及与计算机的联接，实现远 程控制或数据交换。 (8) 监控 能监视系统各部分的运行情况,并能在线修改控制 程序和设定值。 (9) 数字量与模拟量的转换 能进行A/D和D/A转换，以适应对模拟量的控制。

19. 2. PLC的主要特点 (1) 可靠性高，抗干扰能力强。由于采用大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬件的设计和制造的过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环境，具有很高的可靠性。 (2) 编程简单，使用方便。 (3) 通用性好，具有在线修改能力。PLC硬件采用模块化结构，可以灵活地组态以适应不同的控制对象，控制规模和控制功能的要求。且可通过修改软件，来实现在线修改的能力，因此其功能易于扩展，具有广泛的工业通用性。

20. (4) 缩短设计、施工、投产的周期，维护容量。目前PLC产品朝着系列化、标准化方向发展，只需根据控制系统的要求，选用相应的模块进行组合设计，同时用软件编程代替了继电控制的硬连线，大大减轻了接线工作，同时PLC还具有故障检测和显示功能，使故障处理时间缩短。 (5) 体积小，易于实现机电一体化。

21. 11.2可编程控制器的程序编制 可编程控制器的程序有系统程序和用户程序两种。 系统程序用户不能修改。 用户程序是用户根据控制要求，利用 PLC 厂家提 供的程序编制语言编写的应用程序。 6.2.1 可编程控制器的编程语言 PLC 的编程语言以梯形图语言和指令语句表语言 最为常用，并且两者常常联合使用。 1. 梯形图 是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形语言。它继承了继电器触点、线圈、串联、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示 PLC输入和输出之间逻辑关系的图形。

22. 梯形图中用 表示 PLC 编程元件的动合触点 表动断触点 表线圈 PLC 输入继电 器动断触点 1 2 输出 继电 器线 圈 KM 动合 触点 SB1 X1 X2 Y1 SB2 动合 触点 Y1 KM (ED) 1. 梯形图 编程元件的种类用图形符号及字母或数字加以区别。 例:用PLC组成电机起停控制电路 (1) 继电接触控制图 (2) 利用梯形图编制控制程序

23. 几点说明 (1)梯形图中的继电器不是物理继电器，是 PLC存储器的一个存储单元。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，则表示相应继电器的线圈接通，其动合触点闭合，动断触点断开。 (2)梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行(或称梯级)起始于左母线，然后是触点的串、并联连接，最后是线圈与右母线相联。 (3)梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是“概念电流”，从左流向右，其两端没有电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中满足线圈接通的条件。

24. (4)输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器输出程序执行结果给外部输出设备。当梯形图中的输出继电器线圈接通时，就有信号输出，但不是直接驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。 输出继电器的触点也可供内部编程使用。 2.指令语句表 指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC 程序的语言，它类似于计算机的汇编语言，但比汇编语言容易理解。若干条指令组成的程序就是指令语句表

25. 地址 指 令 X1 Y1 X2 左 母 线 0 ST X2 1 OR Y1 Y1 2 AN/ X1 3 OT Y1 (ED) 4 ED 梯形图 笼型电动机直接起动控制的指令语句表 ST起始指令(取指令):从左母线(即输入公共线)开始取用动合触点作为该逻辑行运算的开始，图中取用X2。 OR触点并联指令(也称或指令): 用于单个动合触点的并联，图中并联Y1。

26. AN/ 触点串联反指令(也称与非指令):用于单 个动断触点的串联，图中串联X1。 OT输出指令: 用于将运算结果驱动指定线圈，图中驱动输出继电器线圈Y1。 ED程序结束指令。

27. 11.2.2 可编程控制器的编程原则和方法 1. 编程原则 (1) PLC编程元件的触点在编制程序时使用次数 是无限的。每个继电器的线圈在梯形图中只能出现 一次, 它的触点可以使用无数次。 (2) 梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且不能直接与左边母线相连。 正确 不正确

28. X3 X4 Y1 X2 X1 X3 X5 Y2 X1 X2 (3) 编制梯形图时，应尽量做到“上重下轻、左重右轻”。 不合理 合理 (4) 在梯形图中应避免触点画在垂直线上，因为它无法用指令语句编程。 无法编程

29. FR KM SB1 SB2 (a) KM FR SB1 KM PLC X1 X2 Y1 X1 Y1 SB2 X2 Y1 E  COM COM (c) (b) (5) 应避免同一继电器线圈在程序中重复输出，否则将引起误操作。 (6) 外部输入设备动断触点的处理： 电动机直接起动控制

30. FR SB1 KM PLC X1 Y1 SB2 X2  E COM COM 两边各自 的公共端子 在(b)图中，SB1 接成动断，接在PLC 输入继电器 的 X1 端子上, 则在编制梯形图时, 用的是动合触点X1。 因 SB1闭合，对应的输入继电器接通, 这时它的动合触 点 X1 是闭合的。按下 SB1，断开输入继电器，它才断 开。 FR 的触点只能接 成动断触点, 且不 作为 PLC 的输入 信号,而将其直接 通断接触器线圈 外接 通常由PLC 内部电源提供 　　为了使梯形图和继电接触器控制电路一一对应， PLC 输入设备的触点应尽可能接成动合形式。

31. ~ Q FR FU KM1 KM2 SB3 SB1 KM1 KM2 KM1 KM2 KM1 SB2 FR KM2 M 3~ 2. 编程方法 以笼型电动机正反转的控制电路 为例介绍PLC控制的编程方法 笼型电动机正反转的控制电路

32. 共需 5 个 I/O 点，即 输 入 输 出 SB1 X0 SBF X1 SBR X2 KMF Y1 KMR Y2 KMF KMR SB1 PLC X0 Y1 FR SBF KMR X1 KMF Y2 SBR X2  COM COM E 2. 编程方法 (1)确定I/O点数及分配 电动机正反转 控制外部接线图

33. 地址 指 令 0 ST X1 1 OR Y1 2 AN/ X0 3 AN/ Y2 4 OT Y1 5 ST X2 6 OR Y2 7 AN/ X0 8 AN/ Y1 9 OT Y2 Y2 X0 X1 Y1 Y1 Y1 X0 X2 Y2 Y2 (ED) 10 ED (2)编制梯形图和指令语句表 指令语句表 梯形图

34. 地址 指 令 X0 Y0 0 ST X0 1 OT Y0 2 ST/ X1 3 OT R0 X1 R0 1. 起始指令ST，ST/与输出指令OT 11.2.3可编程控制器的指令系统 ST/ 起始反指令(也称取反指令)：从左母线开始取用动断触点作为该逻辑行运算开始。 指令使用说明： (1)ST，ST/ 指令的使用元件为 X，Y，R，T，C； OT 指令的使用元件为 Y，R。 (2) ST，ST/ 指令也可与 ANS 或 ORS 块操作指令 配合用于分支回路的起始处。

35. X0 Y0 地址 指 令 0 ST X0 1 OT Y0 2 OT Y1 3 OT Y2 Y1 Y2 指令使用说明： (3) OT 指令不能直接用于左母线，可以使用若干次，这相当于线圈的并联。 当 X0 闭合时，则 Y0、Y1，Y2 均接通。 2. 触点串联指令 AN, AN/ 与触点并联指令 OR, OR/ AN，AN/ 指令分别用于单个动合和动断触点的串联。 OR，OR/ 指令分别用于单个动合和动断触点的并联。

36. 指 令 地址 X1 X0 Y0 0 ST X0 1 AN X1 2 OT Y0 3 ST X2 4 AN/ X3 5 OT Y1 6 ST X4 7 OR X5 8 OT Y2 9 ST X6 X3 X2 Y1 X4 Y2 X5 X6 Y3 X7 10 OR/ X7 11 OT Y3 2. 触点串联指令 AN, AN/ 与触点并联指令 OR, OR/ 指令使用说明 (1) AN，AN/， OR，OR/ 指令的 使用元件为X，Y， R，T，C。 (2) AN，AN/， 指令可多次连续串 联使用。 OR，OR/ 指令可多次连续并 联使用。 串联或并联次 数没有限制。

37. 地址 指 令 X1 0 ST X0 1 OR X2 2 ST X1 3 OR/ X3 4 ANS 5 OT Y0 X0 Y0 X3 X2 3.块串联指令 ANS 与块并联指令 ORS ANS(块与)和 ORS(块或)分别用于指令块的串 联和并联连接, ANS 用于将两组并联的触点(指令块 1 和指令块 2)串联；ORS 用于将两组串联的触点(指 令块 1 和指令块 2)并联。 指令块1 指令块2

38. 地址 指 令 X1 Y0 X0 0 ST X0 1 AN X1 2 ST X2 3 AN/ X3 4 ORS 5 OT Y0 X3 X2 3.块串联指令 ANS 与块并联指令 ORS 指令块1 指令块2 指令使用说明： (1) 每一指令块均以ST(或ST/)开始。 (2) 当两个以上指令块串联或并联时，可将前面 块并联或串联的结果作为新的“块”参与运算。 (3) 指令块中各支路的元件个数没有限制。 (4) ANS 和 ORS 指令不带使用元件。

39. 指 令 地址 X2 X3 X0 Y0 0 ST X0 1 OR X1 2 ST X2 3 AN X3 4 ST X4 5 AN/ X5 6 ORS 7 OR X6 8 ANS 9 OR/ X7 10 OT Y0 X5 X1 X4 X6 X7 例1：写出下图所示梯形图的指令语句表。 解：指令语句表如右图所示。

40. 指 令 地址 X0 Y0 0 ST X0 1 OT Y0 2 / 3 OT Y1 Y1 4.反指令/（非指令） 反指令是将该指令所在位置的运算结果取反。 当 X0 闭合时，Y0 接通，Y1 断开；反之，则相反。 5. 定时器指令 TM TMR 和 TMX 指令各占三个 地址号，TMY 指令占四个地 址号。 TMR：定时单位为 0.01 s 的定时器； TMX：定时单位为 0.1 s 的定时器； TMY：定时单位为 1 s 的定时器。

41. X0 TMX50 指令语句表 2 指 令 地址 T2 Y0 0 ST X0 1 TMX 2 K 50 4 ST T2 5 OT Y0 X0 Y0 5s 2s 定时器设置值 定时时间 50  0.1s = 5s TM 指令用法 定时器编号 动作时序图 当定时触发信号发出后，触点X0闭合，定时开始，5s 后定时时间到，定时器触点T2 闭合，线圈Y0也就接通。如果 X0闭合时间不到 5 s，则无输出。

42. 指令使用说明 (1) 定时设置值为K0  K32767 范围内任意一个十 进制常数。 (2)定时器为减 1 计数，每来一个时钟脉冲 CP， 定时设置值减 1，至减为 0 时，定时器动作，其动合触 点闭合, 动断触点断开。 (3)如果在定时器工作期间, X0 断开, 则运行中断， 定时器复位, 回到原始之值, 同时其动合、动断触点恢 复常态。 (4)程序中每个定时器只能使用一次,但其触点可 多次使 用。

43. 指 令 地址 X0 TMX 30 0 ST X0 1 TMX 1 K 30 4 ST Y0 5 AN/ X0 6 TMX 2 K 40 9 ST T1 10 OR Y0 11 AN/ T2 12 OT Y0 13 ED 1 Y0 X0 TMX 40 2 T2 T1 Y0 Y0 (ED) X0 Y0 4s 3s 例2:试编制延时3 s 接通、延时4 s 断开的电路的 梯形图和指令语句表。 解:利用两个TMX 指令的定时器 T1 和 T2, 其定 时设置值 K分别为30 和 40,即延时分别为 3 s 和 4 s。 梯 形 图 指 令 语 句 表 动作 时序 图

44. 指 令 地址 0 ST X0 1 ST X1 2 CT 100 K 4 5 ST C100 6 OT Y0 X0 C CT 4 X1 R 100 C100 Y0 6. 计数器指令 CT 指令语句表 计数脉冲 输入端 计数 设置值 梯形图 计数器 编号 CT 指令占三个地址号 复位脉冲输入端 X0 当计数到 4 时，计数器动合触点 C100 闭合，线圈 Y0 接通。 X1 Y0

45. 6. 计数器指令 CT 指令使用说明 (1)计数设置值为K0  K32767 范围内任意一个十进制常数。 (2)计数器为减 1 计数，每来一个计数脉冲上升沿，计数设置值减 1，至减为 0 时，计数器动作，其动合触点闭合，动断触点断开。 (3)如果在计数器工作期间，复位端 R 输入复位 信号，使计数器复位，则运行中断，回到原始之值， 同时其动合、动断触点恢复常态。 (4)程序中每个计数器只能使用一次，但其触点可多次使用。

46. 地址 指 令 X1 X0 Y0 0 ST X0 1 PSHS 2 AN X1 3 OT Y0 4 RDS 5 AN/ X2 6 OT Y1 7 POPS 8 AN X3 9 OT Y2 X2 Y1 Y2 X3 7. 堆栈指令 PSHS，RDS，POPS PSHS(压入堆栈)，RDS(读出堆栈)，POPS(弹 出堆栈)，常用于梯形图中多条联于同一点的分支通 路，并要用到同一中间运算结果的场合。 指令语句表 梯形图 PSHS RDS POPS

47. X1 X0 Y0 X2 X0 X0 Y1 Y2 X3 指令使用说明 (1) 在分支开始处用 PSHS 指令，它存储分支点 前的运算结果；分支结束用 POPS 指令，它读出和清 除 PSHS 指令存储的运算结果；在两个指令之间的分 支均用 RDS 指令, 它读出PSHS 指令存储的运算结果。 (2) 堆栈指令是组合指令不能,单独使用。PSHS， POPS在程序中各出现一次(开始和结束时)，而 RDS 在程序中视连接在同一点的支路数目的多少可多次使 用。 等效梯形图

48. 指令 地址 0 ST X0 1 DF 2 OT Y0 3 ST X1 4 DF/ 5 OT Y1 X0 Y0 (DF) X1 Y1 (DF/) 8. 微分指令 DF，DF/ DF：当检测到触发信号上升沿时，线圈接通一 个扫描周期。 DF/：当检测到触发信号下降沿时，线圈接通一个扫描周期。 指令语句表 梯形图

49. 8. 微分指令 DF，DF/ 指令使用说明 X0 (1)DF，DF/ 指令 在触发信号接通或断 开状态变化时有效。 X1 Y0 (2)DF，DF/ 指令 没有使用次数的限制。 Y1 一个扫描周期 (3)如果某一操作 只需在触点闭合或断 开时执行一次，可使 用 DF或DF/ 指令。 当X0 闭合时，Y0 接通一个扫描周期；当 X1 断开时，Y1 接通一个扫描周期。触点 X0、X1 分别称为上升沿和下降沿微分指令的触发信号。

50. 梯形图 X0 Y0 S X1 Y0 X0 R 指令语句表 X1 地址 指令 0 ST X0 1 SET Y0 4 ST X1 5 RST Y0 Y0 9. 置位、复位指令 SET，RST SET：触发信号 X0 闭合时，Y0 接通。 RST：触发信号 X1 闭合时，Y0 断开。 指令用法 动作时序图