1、目 录绪论 1项目一 初识 PLC 控制系统 4任务一 彩灯控制 4任务二 抢答器的控制 14任务三 自动门的控制 20任务四 学习 PLC 编程语言 26项目二 三相异步电动机的控制 33任务一 三相异步电动机的点动控制 33任务二 三相异步电动机的单向运转控制 39任务三 三相异步电动机的正反转控制 45任务四 学习编程软件 53项目三 定时器与计数器 64任务一 电动机的 Y-减压启动控制 64任务二 利用 PLC 实现简易交通灯控制 72任务三 库房计料系统 80任务四 全自动洗衣机 90项目四 PLC 程序应用 97任务一 油循环控制 97任务二 彩灯循环控制 107任务三 多台电动
2、机启动控制 112任务四 计算器功能的实现 118项目五 顺序控制继电器（SCR）指令 128任务一 送料小车控制 128任务二 三相异步电动机启/停顺序控制 136任务三 液压动力滑台控制 141项目六 PLC 通信实例 146任务一 自由端口通信 146任务二 PPI 协议 153任务三 Modbus 协议 161任务四 USS 协议 168绪论可编程控制器简称 PLC，是 20 世纪 60 年代以来发展极为迅速，应用面极为广泛的工业控制装置，是现代工业自动化的三大支柱之首。当今 PLC 吸取了微电子技术和计算机技术的最新成果，以单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化；从柔
3、性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC 均承担着重要角色。下面就部分 PLC 外形图作一简单介绍。一、 常用 PLC 型号及外形图目前国际上各 PLC 生产厂商均推出了各自的产品，主要有 三菱公司的 FX 系列、西门子 S7 系列、松下的 FP 系列、以及欧姆龙、富士、施耐德等各系列的三菱 FX1S/FX1N 系列 PLC 三菱 FX2N 系列 PLC西门子 S7-200 系列 PLC 西门子新一代 S7400 系列 PLC欧姆龙 C200H 型机系列 PLC 欧姆龙 CP1H 系列 PLC松下 FP1 系列 PLC 松下FP 系列 PLC富士 PLC 施耐德 PLC 二、PLC 的
4、功能简介由上面的各 PLC 外形图可见，PLC 基本上是一个长方型箱体，其上有与外界连接导线的各种端子。事实上，PLC 是一个电信号的信息处理系统，任何系统都要有输入和输出，箱体上的各种端子，一部分属于输入端子，另一部分属于输出端子。通过输入端子，PLC可以接收来自于各种工况的电信号，然后被 PLC 所处理，最后 PLC 将处理后的结果，通过输出端子输送到工况环境，控制各种设备或仪器工作，达到自动控制的效果。三、PLC 在工业上的部分应用PLC 在工业上的部分应用如图 0-2 所示。PLC 在双表显示中的应用 PLC 在水汽集中取样自控系统中的应用 PLC 在电池清洗设备中的应用 PLC 在可
5、编程数控底孔加工机中的应用 PLC 在电厂输煤程控系统改造中的应用图 0-2 PLC 在工业上的部分应用项目一 初识 PLC 控制系统可编程控制器（PLC）制造厂家较多，目前市场上品种、规格繁多，各厂家均独具特色，但一般来说，PLC 控制系统包括两部分，一部分是硬件系统，另一部分是软件系统。PLC 的硬件基本组成主要由微处理器（CPU）、存储器、I/O 单元、电源单元和编程器等五大部分组成。软件系统主要是编制的各种程序。PLC 的工作方式均采用“循环扫描，周而复始”。其工作过程实质上就是 CPU 扫描程序的执行过程。为进一步认识 PLC 控制系统，下面分四个任务来进行学习。任务一 彩灯控制 一
6、、任务目标一、任务分析节日彩灯的亮暗变化，给节日带来无穷乐趣，现有一彩灯，通过 PLC 来实现它的亮暗控制。控制电路如图 1-1 所示。控制要求：1.按下按钮 SB，彩灯 HL 亮。2.松开按钮 SB，彩灯 HL 灭。 如何用 PLC 实现本任务呢？PLC 是什么？其结构如何？通过本任务学习来解决这些问题。三、背景知识可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。传统的继电接触控制系统通常由输入设备、控制
7、线路和输出设备三大部分组成，如图 1-2所示。显然这是一种由许多“硬”的元器件连接起来组成的控制系统，PLC 及其控制系统是从继电接触控制系统和计算机控制系统发展而来的，PLC 的输入/输出部分与继电接触控制系统大致相同，PLC 控制部分用微处理器和存储器取代了继电器控制线路，其控制作用是通过用户软件来实现的。PLC 的基本结构如图 1-3 所示。PLC 的基本组成部分包括微处理器（CPU）、存储器、I/O 单元、电源单元和编程器等。图 1-2 继电接触控制系统图 1-3 图 1-3 PLC 的基本结构（一）常用低压电器低压电器：用于交流 1200V、直流 1500V 以下的电路中起通断、保护
8、、控制或调节作用的电器产品。1 熔断器用途：主要用作短路保护。 结构：熔断器主要由熔体（俗称保险丝）和安装熔体的熔管两部分组成。熔体由易熔金属材料铅、锡、锌、银、铜及其合金制成，通常做成丝状或片状。熔管是装熔体的外壳，由陶瓷、绝缘钢纸或玻璃纤维制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。 工作原理：熔断器的熔体与被保护的电路串联，当电路正常工作时，熔体允许通过一定大小的电流而不熔断。当电路发生短路或严重过载时，熔体中流过很大的故障电流，当电流产生的热量达到熔体的熔点时，熔体熔断切断电路，从而实现保护目的。1-动触头 2-熔丝 3-瓷盖 4-静触头 5-瓷座 1-瓷帽 2-熔管 3-瓷套 4-上接线端 5-
9、下接线端 6-底座图 1-4 插入式熔断器 图 1-5 螺旋式熔断器1-夹座 2-底座 3-熔管图 1-6 密闭管式熔断器 图 1-7 熔断器图形文字符号2交流接触器工作原理：交流接触器有两种工作状态：得电状态（动作状态）和失电状态（释放状态）。接触器主触点的动触头装在与衔铁相连的绝缘连杆上，其静触点则固定在壳体上。当线圈得电后，线圈产生磁场，使静铁心产生电磁吸力，将衔铁吸合。衔铁带动动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，分断或接通相关电路。当线圈失电时1-主触头 2-常闭辅助头 3-常开辅助头 4-动铁心 5-电磁线圈 6-静铁心 7-灭弧罩 8-弹簧图 1-8 交流接触器的结构图与实物
10、图a)接触器线圈 b)主触头 c)常开辅助触头 d)常闭辅助触头图 1-9 交流接触器-各部件图形文字符号3继电器继电器是一种根据电量（电流、电压）或非电量（时间、速度、温度、压力等）的变化自动接通和断开控制电路，以完成控制或保护任务的电器。继电器和接触器的结构和工作原理大致相同，与接触器的主要区别在于： 接触器：用于主电路、电流大，有灭弧装置，一般只能在一定的电压作用下动作。继电器：用于控制电路，电流小（继电器触头容头量较小，不大于 5A ），无灭弧装置，可在各种电量或非电量的作用下动作。4热继电器热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，在电路中用作电动机的过载保护和断相保护。长期过载
11、、频繁启动、欠电压、断相运行均会引起过电流。热继电器种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，其结构原理如图 1-10所示：主要由热元件、双金属片和触头三部分组成。工作原理：发热元件接入电机主电路，当电机正常运行时，热元件产生的热量虽能使双金属片弯曲，但还不足以使继电器动作。当电动机过载时，流过元件的电流加大，产生的热量增加，使双金属片产生的弯曲位移增大，经过一定时间后，通过导板推动热继电器的触点动作，使常闭触点断开，切断电动机控制电路，使电动机主电路失电，电动机得到保护。当故障排除后，按下手动复位按钮，使常闭触点重新闭合(复位)，可以重新启动电动机。由于热继电器主双金属片收热膨胀的热惯
12、性及动作机构传递信号的惰性原因，热继电器从电动机过载到触点动作需要一定时间，也就是说，即使电动机严重过载甚至短路，热继电器也不会瞬间动作，因为热继电器不能用于短路，热继电器也不会瞬间动作，因此热继电器不能用于短路保护。但也正是这个热惰性和机械惰性，保证了热继电器在电动机启动或短时过载时不会动作。从而满足了电动机的运行要求。热继电器的文字符号为 FR，图形符号如图 1-11 所示。1-双金属片固定柱 2-双金属片 3-加热元件 4-导板 5-补偿双金属片 6、7-静触头 8-复位调节螺钉 9-动触头 10-复位按钮 11-调节旋钮 12-支撑件 13-弹簧 14-推杆图 1-10 热继电器的结构
13、图及实物图a)加热元件 b)热继电器触头图 1-11 热继电器图形文字符号5按钮用途：按钮常用于接通和断开控制电路。它只能短时接通或分断 5A 以下的小电流电路，向其它电器发出指令性的电信号，控制其它电器动作。由于按钮载流量小，不能直接用于控制主电路的通断。按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触点和外壳组成。器结构及实物图如图 1-12 所示，图形符号及文字符号如图 1-13 所示。按钮按用途和结构不同，分为启动按钮、停止按钮和复合按钮等。图 1-12 按钮的实物图及结构图a）动合触点 b）动断触点 c）复式触点图 1-13 按钮的图形文字符号选择使用时应从使用场合、所需触头数及按钮帽的颜色等因素考
14、虑。一般“绿色”表示启动，“红色”表示停止， “黑色”表示点动，“蓝色”表示复位，“启动”与“停止”交替用黑白、白色或灰色。（二）PLC 的组成1微处理器（CPU）CPU 一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。与一般计算机一样， CPU 是可编程控制器的核心，它按系统程序赋予的功能指挥可编程控制器有条不紊地进行工作。 不同型号可编程控制器的 CPU 芯片是不同的，有的采用通用 CPU 芯片，如 8031、 8051、8086、80826 等，也有采用厂家自行设计的专用 CPU 芯片（如西门子公司的 S7-200 系列可编程控制器均采用其自行研制的专用芯片如下图 1-14
15、 所示），随着 CPU 芯片技术的不断发展，可编程控制器所用的 CPU 芯片也越来越高档。 S7-200 CPU 有 CPU 21X 和 CPU 22X 两个系列。CPU 21X 包括 CPU 212、CPU 214、CPU 215 和 CPU 216，是第一代产品，主机都可进行扩展，本书不作介绍。CPU 22X 包括 CPU 221、CPU 222、CPU 224、CPU 226 和 CPU 226XM，CPU 22X 是第二代产品，具有速度快，具有通讯能力强等特点。图 1-14 S7-200 系列 CPU 种类CPU 的主要功能：（1）接收并存储用户程序和数据；（2）诊断电源、PLC 工作
16、状态及编程的语法错误；（3）接收输入信号，送入数据寄存器并保存；（4）运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作；（5）将用户程序的执行结果送至输出端。 S7-200 系列 CPU 的特性表如表 1-1 所示：表 1-1CPU 芯片的性能关系到可编程控制器处理控制信号的能力与速度，CPU 位数越高，系统处理的信息量越大，运算速度也越快。2存储器可编程控制器的存储器可以分为系统程序存储器、用户程序存储器及工作数据存储器等三种。 （1）系统程序存储器 系统程序存储器用来存放由可编程控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能直接更改。系统程序质量的好坏，很大程度上决
17、定了 PLC 的性能，其内容主要包括三部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制可编程控制器的运行，使整个可编程控制器按部就班地工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将可编程控制器的编程语言变为机器语言指令，再由 CPU 执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序，可编程控制器的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了可编程控制器性能的强弱。 （2）用户程序存储器 根据控制要求而编制的应用程序称为用户程序。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的可编程控制器编程
18、语言编写的各种用户程序。目前较先进的可编程控制器采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需后备电池，掉电时数据也不会丢失。 （3）工作数据存储器 工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的 ON/OFF 状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表。其中元件映像寄存器用来存储开关量、 输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的 ON/OFF 状态。数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及 A/D 转换得到的数字量和数学运算的结果等。PLC 产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。3输入/输出
19、（I/O）单元输入/输出接口是 PLC 与外界连接的接口。是 CPU 与现场 I/O 装置或其他外部设备之间的连接部件。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一类是由按钮、选择开关、行程开关、继电器触点、接近开关、光电开关、数字拨码开关等的开关量输入信号。另一类是由电位器、测速发电机和各种变送器等来的模拟量输入信号。 输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。 注意：I/O 的能力可按用户的需要进行扩展和组合4编程器编程器有简易编程器和智能图形编程器两种，主要用于编程、对系统作一些设定、监控 PLC 及 PLC 所控制的系统的
20、工作状况。编程器是 PLC 开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件。注意：编程器不直接加入现场控制运行。一台编程器可开发、监护许多台 PLC 的工作。5电源电源部件用来将外部供电电源转换成供 PLC 的 CPU、存储器、I/O 接口等电子电路工作所需要的直流电源，使 PLC 能正常工作。PLC 的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的要求不高。直流 24V 供电的机型，允许电压为 1632V；交流 220V 供电的机型，允许电压为 85264V，频率为4753Hz。一般情况下，PLC 还为用户提供 24V 直流电源作为输入电源或负载电源。注意：为防止因外部电源发生故障，造成 PLC 内
21、部重要数据丢失，故一般备有后备电源。四、任务实施根据图 1-1 硬件电路图所示，绘制 PLC 控制程序如下所示图 1-15 形图及指令表五、知识链接1.可编程控制器的产生和发展20 世纪 60 年代，在世界工业技术改革浪潮的冲击下，各工业发达国家都在寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快捷的新型工业控制装置。直到 1968 年，美国通用汽车（GE）公司为适应汽车型号的不断翻新，尽量避免重建流水线和更换继电器控制系统，以降低成本，缩短生产周期。为此，美国通用汽车公司公开招标，研制一种工业控制器，提出了“使用、编程方便，可在现场修改和调试程序，维护方便，可靠性高，体积小，易于扩充”等要求
22、。根据招标要求，美国数字设备公司（DEC）在 1969 年研制出了第一台可编程控制器PDP-14，并在通用汽车公司的自动装配生产线上试用，获得成功，从而开创了工业控制的新局面。经过 30 多年的发展，产品性能日臻完善，概括起来，其发展过程可归纳如下，见表 1-2 所示。表 1-2 发展时期 特点 典型产品举例初创时期（1969 年1977 年）由数字集成电路构成，功能简单，仅具备逻辑运算和计时、计数功能。机种单一，没有形成系列DEC 公司的 PDP-14、日本富士电机公司的 USC-4000 等功能扩展时期（1977 年1982 年）以微处理器为核心，功能不断完善，增加了传送、比较和模拟量运算
23、等功能。初步形成系列，可靠性进一步提高，存储器采用 EPROM。德国西门子公司的SYMATIC S3 系列和 S4 系列、日本富士电机公司的 SC 系列等联机通信时期（1982 年1990 年）能够与计算机联机通信，出现了分布式控制，增加了多种特殊功能，如浮点数运算、平方、三角函数、脉宽调制等德国西门子公司的SYMATIC S5 系列、日本三菱公司的 MELPLAC-50、日本富士电机公司的 MICREEX 等网络化时期（1990 年 ）通信协议走向标准化，实现了和计算机网络互联，出现了工业控制网。可以用高级语言编程德国西门子公司的 S7 系列、日本三菱公司的 A 系列等从 PLC 的发展趋势
24、看，PLC 控制技术将成为今后工业自动化的主要手段。在未来的工业生产中，PLC 技术、机器人技术、CAD/CAM 和数控技术将成为实现工业生产自动化的四大支柱技术。2.可编程控制器的应用领域PLC 已广泛应用于工业生产的各个领域。从行业看，冶金、机械、化工、轻工、食品、建材等，几乎没有不用到它的。不仅工业生产用它，一些非工业过程，如楼宇自动化、电梯控制、农业的大棚环境参数调控、水利灌溉等。PLC 应用领域主要分为如下几类：（1）取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线，如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、电镀流水线等。（2）工业过程
25、控制。在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量，PLC 采用相应的 A/D、和 D/A 转换模块，以及各种各样的控制算法程序来处理，完成闭环控制。（3）运动控制。PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。一般使用专用的运动控制模块，如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）数据处理。PLC 具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。数据处理一般用于如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（5）通信及联网。PLC 通信含 PLC 间的通信及 PLC
26、 与其它智能设备间的通信。随着工厂自动化网络的发展，现在的 PLC 都具有通信接口，通信非常方便。思考与练习1什么是可编程控制器？它的组成部分有哪些？2PLC 的 CPU 有哪些功能？3简述 PLC 的发展历程。4简述 PLC 的应用领域。任务二 抢答器的控制 一、任务目标 二、任务分析在各种知识竞赛中，经常用到抢答器，现有四人抢答器，通过 PLC 来实现控制，如图1-16 所示，图中，输入 I0.1I0.4 与 4 个抢答按钮相连，对应 4 个输出 Q0.1Q0.4 继电器。只有最早按下按钮的人才有输出，后续者无论是否有输入均不会有输出。当组织人按复位按钮后，输入 I0.0 接通抢答器复位，
27、进入下一轮竞赛。图 1-16 四人抢答器控制电路图本任务涉及到多个输入、输出，在 PLC 硬件上如何连接？如何理解 PLC 的输入/输出？通过本任务的学习来解决这些问题。三、背景知识在 PLC 系统中，外部设备信号均是通过输入/输出端口与 PLC 进行数据传送的。所以，无论是硬件电路设计还是软件电路设计，都要清楚地了解 PLC 的端口结构及使用注意事项，这样才能保证系统的正确运行。输入/输出接口就是将 PLC 与现场各种输入/输出（I/O）设备连接起来的部件。PLC 应用于工业现场，要求其输入能将现场的输入信号转换成微处理器能接收的信号，且最大程度地排除干扰信号，提高可靠性；输出能将微处理器送
28、出的弱电信号放大成强电信号，以驱动各种负载。因此，PLC 采用了专门设计的输入/输出端口电路。输入输出接口的任务是将被控对象或被控生产过程的各种变量进行采集送入 CPU 处理，同时控制器又通过 I/O 接口将控制器运算处理产生的控制输出送到被控设备或生产现场，驱动各种执行机构动作，实现实时控制。如图 1-17 所示。图 1-17 可编程控制器系统构成1输入接口输入接口电路是 PLC 与控制现场的接口界面的输入通道。输入信号可以用来接收和采集两种类型的输入信号：一种是由按钮开关、选择开关、行程开关等提供的开关量输入信号；另一种是由传感器、电位器、热电偶等提供的连续变化的模拟信号。如图 1-18
29、所示。图 1-18 输入接口结构原理图输入接口常见有 3 种接口形式，如图 1-19 所示a) 干接触式 b) 24V 直流输入式 c) 交流输入式图 1-19 输入接口形式注意：采用光电耦合电路与现场输入信号相连接的目的是防止现场的强电干扰进入可编程控制器。2输出接口输出接口用来连接被控对象中各种执行元件，如接触器、电磁阀、指示灯、调节阀（模拟量）、调速装置（模拟量）等。输出接口有多种输出方式，如图 1-20 所示。（1）继电器输出：接触电阻小，抗冲击能力强，但响应速度慢，一般为毫秒级，可驱动交/直流负载，常用于低速大功率负载。（2）晶体管输出：响应速度快，一般为纳秒级，无机械触点，可频繁操
30、作，受命长，可以驱动直流负载。（3）晶闸管输出：响应速度比较快，一般为微秒级，无机械触点，可频繁操作，受命长，可以驱动交/直流负载。 (a) 继电器输出 (b) 晶体管输出 (c) 晶闸管输出 图 1-20 输出接口的输出方式注意： 由于可编程控制器在工业生产现场工作，对输入输出接口有两个主要的要求： 一 是接口有良好的抗干扰能力；二 是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。四、任务实施根据图 1-16 硬件电路图所示，绘制 PLC 控制程序如图 1-21 所示。图 1-21 梯形图及指令表五、知识链接PLC 的分类可编程控制器是科学技术发展和现代化大生产需要的产物，在不同环境中应用的类型不同
31、，一般来说，可以从 3 个方面对 PLC 进行分类，见表 1-3 所示。表 1-3 分类原则 种类 PLC 特点 相关 3 产品举例按 PLC 的控制规模分类微型 PLCI/O 点数一般在 64 点以下。其特点是体积小巧、结构紧凑、以开关量控制为主，有的产品具有少量模OMRON 公司的CPM1A 系列 PLC、德国西门子的 LOGO 系拟量信号处理能力 列 PLC小型 PLCI/O 点数一般在 256 点以下。除开关量 I/O 外，一般都有模拟量控制功能和高速控制功能。有的产品还有多种特殊功能模板或智能模块。有较强的通信能力日本三菱公司的FX2 系列PLC、OMRON 公司的C60P 系列 P
32、LC、西门子的 S7-200 PLC中型 PLCI/O 点数一般在 1024 点以下。指令系统更丰富，内存容量更大，一般都有可供选择的系列化的特殊功能模板，具有较强的通信联网能力OMRON 公司的C200H PLC、西门子的 S7-300 PLC大型 PLCI/O 点数一般在 1024 点以上。软、硬件功能极强，运算和控制功能丰富。具有多种自诊断功能。通信联网功能强，有各种通信联网的模块，可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化OMRON 公司的C1000H PLC、西门子的 S7-400 PLC超大型 PLCI/O 点数一般可达万点，甚至几万点。功能更加强大美国 GE 公司的90-70 PLC、西门子公司的 SS-115U-CPU945 PLC低档机具有基本的控制功能和一般的运算能力，工作速度比较低，能带的输入和输出模块的数量比较少，输入和输出模块的种类也比较少。这类 PLC 只适合于小规模的简单控制。在联网中一般适合做从站使用OMRON 公司的C60P 系列 PLC按 PLC 的控制功能分类中档机控制能力和运算能力都较强，工作速度比较快，能带的输入和输出西门子的 S7-300 PLC
