第十章可编程序控制器(PLC)

第十章 可编程序控制器（PLC ）

本章要求 了解有关PLC 可编程控制器的结构和工作原理的基本概念；了解PLC 编程的基本问题。

本章重点 PLC 可编程控制器的基础知识

本章简述 可编程序控制器（PLC ）是为取代继电接触器控制系统而设计的一种新型工业控制装置，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数等各种功能。它具有通用性强、可靠性高、指令系统简单、编程方便、体积小等一系列优点，文中简单介绍了PLC 的基本的一些问题，为后续课程奠定基础。 本章学时 1学时

第一节 PLC 的基本结构和工作原理

一、PLC 的基本结构

不同型号的PLC ，其内部结构和功能不尽相同，但它们的基本结构却是一样的，如10-1所示。

1．CPU

CPU 是PLC 的核心，其功能是接收并存储从编程器输入来的用户程序和数据；用扫描方式接收现场输入装置的状态或数据；再从存储器逐条读取用户程序、经命令解释后按指令规定的功能产生有关的控制信号，开启或关闭相应的控制门电路，

分时分路地完成数据的存

图10-1 PLC 的基本结构

取、传送、组合、比较、变换等操作，完成用户程序中规定的各种逻辑或算术运算等任务，根据运算结果更新有关标志位的状态和输出状态寄存表的内容，再由输出状态表的位状态或数据寄存器的有关内容实现输出控制、制表打印、数据通信等功能。

2．存储器

存储器用来存放系统工作程序，调用管理程序和各种系统参数。

3．输入/输出（I/O）接口

I/O接口是CPU与工业现场装置之间的连接部件。PLC通过输入接口把工业设备或生产过程的状态或信息送入CPU，通过用户程序的运行，把结果通过输出接口输出给执行机构。

4．电源

PLC的电源分为两种，一种是外部电源或称用户电源，用于传送现场信号或驱动现场执行机构，通常由用户另备；另一种称为内部电源，是主机内部电路的工作电源，是主机重要的组成部分。

5．编程器

编程器是PLC的一种主要外部设备。其主要任务是输入程序、调试程序，并可用来监视PLC的工作状态、显示错误信息等。

二、PLC的基本工作原理

1．PLC的扫描

PLC采用的是循环扫描工作方式。当PLC运行时，用户程序中有很多操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按程序规定的顺序依次执行各个操作。这种按顺序执行操作的工作方式称为扫描工作方式。

扫描从存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是按顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始地重复。

2．PLC的工作过程

PLC的工作过程就是程序执行过程，它是一种循环过程，每一次循环所用的时间称为一个扫描周期。

PLC

投入运行后，首先按顺序扫描各输入端的

图10-2 PLC的工作过程

状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各输出端发出相应的控制信号。除此之外，为提高工作的可靠性和及时接收外来的控制指令，在每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信请求。整个工作过程如图10-2所示。

第二节PLC的编程

一、PLC的常用编程语言

（一）梯形图

梯形图编程语言是目前用得最多的PLC编程语言之一，它沿用了继电接触器控制电路的符号，同时增加了一些继电接触器控制中没有的符号。因此梯形图与继电接触器控制线路图在形式上和符号上有许多相似之处。

1．梯形图的表达形式

梯形图按照从左到右、从上而下的顺序排列，如图10-3所示。

最左边的竖线称为起始母线或左母线，或

者简称母线。一般最右边还加上一条竖线，称为右母线。各个触点及线圈按照控制要求和一定的规则连接起来。从左母线开始，从左到右依次连接各个触点，最后以线圈结束（常常还要加上右母线），称为一个逻辑行或一个梯级，整个图形呈阶梯形。

梯形图中使用的基本符号，如图10-3

所示，

主要有母线、连线、常开触点、常闭触点及线圈，

此外还有指令框、标号等。不同型号的PLC的

梯形图所用的基本符号的画法可能略有不同，但

表达的意义是一致的。

梯形图中的触点有常开、常闭两种，它们可以是PLC内输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器、状态元件等的触点，每个触点都要标上自己的编号以示区别。

梯形图中的线圈，可以是输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等的线圈，每个线圈也要标上其编号（标在线圈图形的外面或内部）。

编程时，可以通过编程器上的键盘将梯形图输入进去，同时梯形图在编程器的显示器或显示屏上显示出来。

2．梯形图语言的编程规则

（1）梯形图中的每个逻辑行，要以左母线为起点、右母线为终点（有时允许省略右母线）。在一个逻辑行中，各种符号应从左到右横向排列。一行结束，才能自上而下再排列下一行。

图10-3 梯形图

（2）线圈及命令框必须位于一行的最右端（或与右母线连接），在它们的右边不允许再有任何触点存在。线圈接通后，才能使对应的触点动作。

（3）触点可以任意串联或并联，但线圈只能并联而不能串联。

（4）同一个触点的使用次数不受限制，而同一线圈则一般不能重复使用。

（5）触点应画在水平线上，而不应画在垂直分支上。

（6）梯形图中，每行串联的触点数目和沿垂直方向的并联触点数目，理论上虽没有限制，但它们受所用编程器显示屏幕大小的限制，不同的编程器对此有不同的限定。

（7）当有几个串联支路相并联时，宜将含有触点最多的那个串联支路画在梯形图的最上面；当有几个并联电路相串联时，宜将含有触点最多的并联支路画在梯形图的最左面。

（8）程序结束时要有结束标志END。

（9）梯形图中的元件，特别是输入继电器的触点和输出继电器的线圈，是PLC的内部的软元件而不是实际元件，用户程序执行时所依据的输入、输出状态，是相应映像寄存器中的状态，而不是PLC外接的实际开关在当时的状态。

（10）PLC按照循环扫描方式沿梯形图从左到右、从上而下顺序执行程序。可以把左、右母线假想为火线、地线，有假想的电流在梯形图中流动，在每一行中只能自左向右流；在母线则从上向下流。一段程序的执行结果，可以立即被其后的程序所利用。在这样的假想电流流动中，如果电流可以通过线圈流至右母线，则线圈就接通，相应的触点就动作。程序执行遇到END时，一个扫描周期中对用户程序的扫描就结束，结果存在各元件的映像寄存器中。

3．梯形图与继电接触器控制电路图的差别

虽然梯形图与继电接触控制电路图在表达方式上有类似之处，但由于PLC结构及工作方式与继电接触器控制系统有本质的不同。因此，梯形图与继电接触器控制电路图二者之间是有差别的，这表现在以下几个方面：

（1）组成元件不同

继电接触器控制系统使用的继电器是真正存在的实物，它有真正的线圈和触点，各继电器间的连线也是真正的导线，母线间需施加真正的电源，元件及线路中有真正的电流流通。

梯形图则是PLC的一种编程语言，它是借用继电器、线圈、触点、母线、连线等概念及其图形符号，用图形这种直观的表达方式来形象地描述逻辑运算关系和顺序控制的操作。梯形图中的元件都是PLC内部存储器中的软元件，其触点的使用次数是无限的，母线间也不加真正的电源，元件与接线中并没有真正的电流通过，上面所说的假想电流的流动实际上是一种信息的传递。

（2）工作方式不同

在继电接触器控制电路图中的母线上施加电压后，接于其间的继电器在满足条件时是并行动作的，因此往往要采取措施来防止发生触点竞争现象。而梯形图被执行时，是按照循

环扫描方式，即从左向右、自上而下逐个动作的，因此一般不会产生触点竞争问题。

另一方面，继电接触器控制电路图的母线加电后，只要是连通的节点，电流都可以向左、右两个方向流通。而在梯形图中，当触点闭合时，假想电流只能从左向右单方向流通。

（3）设计难度不同

设计继电接触器控制电路图时，为了控制作用的安全可靠并尽量节约触点使用量，往往要设置许多联锁环节。而画梯形图时，由于在扫描工作方式下不存在几个并联支路同时动作的问题，加之可使用的软元件极为丰富，因此使难度大大降低，效率大大提高。

（4）对常闭输入触点的编程处理

继电接触器控制电路图中的常开、常闭触点与实际使用的触点是完全一样的，而PLC 中输入继电器触点的状态则是取自其映像寄存器。当与输入继电器对应的外部接线端子有信号时，其映像寄存器的状态将在输入处理阶段被置1，此时该输入继电器的常开、常闭触点的状态将分别为1（接通）、0（断开）。如果外部接线端子上的信号是由一个实际的常闭开关（触点或按钮等）产生的，那么此时与其对应的输入继电器的常闭触点的状态（断开）就与该实际常闭触点的状态相反了。因此，如果把继电接触器控制电路图照搬改为梯形图（即在梯形图中用PLC输入继电器的常闭触点来代换实际的常闭触点），则就会得到相反的结果。解决这一问题的办法是把实际的常闭触点改为常开触点，或者把输入继电器的常闭触点改成常开触点。

（二）语句表

语句表类似于计算机的汇编语言，用指令的助记符进行编程。指令语句由操作码和操作数两部分组成，其格式为：

操作码操作数

操作码用助记符表示，指示CPU要完成的各种操作功能，又称为编程指令，包括逻辑运算、算术运算、定时、计数等操作。操作数给出了操作码指定的某种操作的对象或执行操作所需的数据，通常为编程元件的编号或常数，如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器等。

（三）控制系统流程图

控制系统的全过程可以分为几个相对独立的功能块，每一块又是由几个条件、几个动作按照相应的逻辑关系、动作顺序连接组合而成，块与块之间可以顺序执行，也可以按条件判断分别执行或者循环转移执行。如图10-4所示

图10-5 逻辑功能图

（四）逻辑功能图

逻辑功能图是一种用逻辑功能符号来表达PLC 指令的图形语言。它类似于半导体逻辑电路的逻辑功能框图，一般用一个框表示一种功能，框内的符号表达了该框的逻辑运算功能。例如，把图10-3所示的梯形图的第一行用逻辑功能图表示就为图10-5所示。

二、PLC 的基本编程指令

PLC 的编程指令，随其生产厂家及机型的不同而不同，下面具体介绍F 1系列PLC 的基本编程指令。

1．触点取用和线圈输出指令LD 、LDI 、OUT

LD ，取指令，从输入母线开始，取用常开触点；LDI ，取反指令，从输入母线开始，取用常闭触点；OUT ，线圈驱动指令。

LD 、LDI 指令使用于与输入母线相连的触点，也可以与ANB 、ORB 指令配合使用于分支回路的开头。

OUT 指令适用于输出继电器、辅助继电器、定时器和计数器，但不能用于输入继电器。

2．触点串联指令AND 、ANI

AND ，与指令，用于单个常开触点的串联；ANI ，与反指令，用于单个常闭触点的串联。

AND 、ANI 是单个触点串联连接指令，可以重复使用。在串联多个触点组合回路时，需采用ANB 指令。

3．触点并联指令OR 、ORI

OR ，或指令，用于单个常开触点的并联；ORI ，或反指令，用于单个常闭触点的并联。 OR 、ORI 指令可作为一个接点的连续并联指令，紧接在LD 、LDI 指令之后使用。若要将两个以上触点的串联回路和其它回路并联时，需采用ORB 指令。

4．支路并联连接指令ORB

ORB ，或块指令，用于支路的并联连接。

几个串联支路并联连接时，其支路的起点以LD 、LDI 开始，支路的终点用ORB 指令。

5．支路串联连接指令

ANB

图10-4 控制系统流程图

ANB，与块指令，用于支路的串联连接。

分支电路（并联电路块）与前面电路串联连接时，分支的起始点用LD、LDI指令，并联电路块结束后，使用ANB指令与前面电路串联。

6．主控触点指令MC、MCR

MC，主控开始指令，用于指定在相同控制条件下的主控电路块的起点以连接主控触点，在MC指令后面要由LD、LDI指令开始；MCR，主控返回（复位）指令，它使主控结束并返回到原来的母线。MC与MCR必须配对使用。

7．复位指令RST

复位指令RST为计数器和移位寄存器的复位指令。适用于将计数器的当前值回复到设定值或清除移位寄存器中所有位的信息。

8．条件跳步及跳步结束指令CJP/EJP

条件跳步指令CJP和跳步结束指令EJP是由指令加上跳步目标构成。两条指令必须成对使用，跳步目标和结束目标一致。

9．置位及复位指令S/R

置位、复位指令S/R用于输出继电器、状态器和辅助继电器M200～M377的保持和复位工作。

用S指令时，辅助继电器具有自保功能维持接通状态。当用R指令时，自保功能消除，辅助继电器复位。

10．移位指令SFT

移位指令SFT用于移位寄存器的移位。

11．脉冲输出指令PLS

脉冲输出指令PLS用于辅助继电器M的短时间脉冲输出。其作用是将脉宽较宽的输入信号变成脉宽等于PLC扫描周期的触发脉冲信号，而信号周期不变。

12．空操作指令NOP

空操作指令NOP占用1个步数，但它不产生任何操作。在程序中加入NOP指令后，当改动程序时可以减少步序号的改变。

13．程序结束指令END

程序结束指令END用于程序的终结。若在程序中出现了END指令，则END以后的程序步就不再执行，直接进行输出处理。

以上仅就PLC的基本结构、工作原理及编程语言进行了简单介绍，还有许多问题未能涉及，如PLC编程规则、PLC控制系统设计方法等，这些将留在后续课程中介绍。