PLC編程入門：PLC結(jié)構(gòu)及作用_PLC的工作原理_PLC的程序編制_PLC的基本指令

　　可編程序控制器，英文稱Programmable Controller，簡稱PC。但由于PC容易和個人計算機（Personal Computer）混淆，故人們?nèi)粤?xí)慣地用PLC作為可編程序控制器的縮寫。它是一個以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時/計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入、輸出接口，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC是微機技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機械觸點的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點，充分利用了微處理器的優(yōu)點，又照顧到現(xiàn)場電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專門的計算機編程語言知識，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡單指令形式，使用戶程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯也都很方便。用戶在購到所需的PLC后，只需按說明書的提示，做少量的接線和簡易的用戶程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

　　一、PLC的結(jié)構(gòu)及各部分的作用

　　PLC的類型繁多，功能和指令系統(tǒng)也不盡相同，但結(jié)構(gòu)與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入/輸出接口、電源擴展器接口和外部設(shè)備接口等幾個主要部分組成。PLC的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　　

　　圖1-1-1

　　1、主機

　　主機部分包括中央處理器（CPU）、系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器。CPU是PLC的核心，它用以運行用戶程序、監(jiān)控輸入/輸出接口狀態(tài)、作出邏輯判斷和進行數(shù)據(jù)處理，即讀取輸入變量、完成用戶指令規(guī)定的各種操作，將結(jié)果送到輸出端，并響應(yīng)外部設(shè)備（如電腦、打印機等）的請求以及進行各種內(nèi)部判斷等。PLC的內(nèi)部存儲器有兩類，一類是系統(tǒng)程序存儲器，主要存放系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統(tǒng)程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數(shù)據(jù)存儲器，主要存放用戶編制的應(yīng)用程序及各種暫存數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。

　　2、輸入/輸出（I/O）接口

　　I/O接口是PLC與輸入/輸出設(shè)備連接的部件。輸入接口接受輸入設(shè)備（如按鈕、傳感器、觸點、行程開關(guān)等）的控制信號。輸出接口是將主機經(jīng)處理后的結(jié)果通過功放電路去驅(qū)動輸出設(shè)備（如接觸器、電磁閥、指示燈等）。I/O接口一般采用光電耦合電路，以減少電磁干擾，從而提高了可靠性。I/O點數(shù)即輸入/輸出端子數(shù)是PLC的一項主要技術(shù)指標，通常小型機有幾十個點，中型機有幾百個點，大型機將超過千點。

　　3、電源

　　圖中電源是指為CPU、存儲器、I/O接口等內(nèi)部電子電路工作所配置的直流開關(guān)穩(wěn)壓電源，通常也為輸入設(shè)備提供直流電源。

　　4、編程

　　編程是PLC利用外部設(shè)備，用戶用來輸入、檢查、修改、調(diào)試程序或監(jiān)示PLC的工作情況。通過專用的PC/PPI電纜線將PLC與電腦聯(lián)接，并利用專用的軟件進行電腦編程和監(jiān)控。

　　5、輸入/輸出擴展單元

　　I/O擴展接口用于將擴充外部輸入/輸出端子數(shù)的擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。

　　6、外部設(shè)備接口

　　此接口可將打印機、條碼掃描儀，變頻器等外部設(shè)備與主機相聯(lián)，以完成相應(yīng)的操作。

　　實驗裝置提供的主機型號有西門子S7-200系列的CPU224（AC/DC/RELAY）。輸入點數(shù)為14，輸出點數(shù)為10；CPU226（AC/DC/RELAY），輸入點數(shù)為26，輸出點數(shù)為14。

　　二、PLC的工作原理

　　PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行時，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。

　　PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。

　　PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進入程序執(zhí)行階段。

　　PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。

　　輸出刷新階段：當所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動相應(yīng)輸出設(shè)備工作。

　　三、PLC的程序編制

　　編程元件

　　PLC是采用軟件編制程序來實現(xiàn)控制要求的。編程時要使用到各種編程元件，它們可提供無數(shù)個動合和動斷觸點。編程元件是指輸入寄存器、輸出寄存器、位存儲器、定時器、計數(shù)器、通用寄存器、數(shù)據(jù)寄存器及特殊功能存儲器等。

　　PLC內(nèi)部這些存儲器的作用和繼電接觸控制系統(tǒng)中使用的繼電器十分相似，也有“線圈”與“觸點”，但它們不是“硬”繼電器，而是PLC存儲器的存儲單元。當寫入該單元的邏輯狀態(tài)為“1”時，則表示相應(yīng)繼電器線圈得電，其動合觸點閉合，動斷觸點斷開。所以，內(nèi)部的這些繼電器稱之為“軟”繼電器。

　　S7-200系列CPU224、CPU226部分編程元件的編號范圍與功能說明如下表所示

　　表1-1-1

　　

　　2、編程語言

　　所謂程序編制，就是用戶根據(jù)控制對象的要求，利用PLC廠家提供的程序編制語言，將一個控制要求描述出來的過程。PLC最常用的編程語言是梯形圖語言和指令語句表語言，且兩者常常聯(lián)合使用。

　　3、梯形圖（語言）

　　梯形圖是一種從繼電接觸控制電路圖演變而來的圖形語言。它是借助類似于繼電器的動合、動斷觸點、線圈以及串、并聯(lián)等術(shù)語和符號，根據(jù)控制要求聯(lián)接而成的表示PLC輸入和輸出之間邏輯關(guān)系的圖形，直觀易懂。

　　梯形圖中常用7 圖形符號分別表示PLC編程元件的動合和動斷觸點；

　　用（ ）表示它們的線圈。梯形圖中編程元件的種類用圖形符號及標注的字母或數(shù)加以區(qū)別。觸點和線圈等組成的獨立電路稱為網(wǎng)絡(luò)，用編程軟件生成的梯形圖和語句表程序中有網(wǎng)絡(luò)編號，允許以網(wǎng)絡(luò)為單位給梯形圖加注釋。

　　梯形圖的設(shè)計應(yīng)注意到以下三點：

　?、偬菪螆D按從左到右、自上而下地順序排列。每一邏輯行（或稱梯級）起始于左母線，然后是觸點的串、并聯(lián)接，最后是線圈。

　?、谔菪螆D中每個梯級流過的不是物理電流，而是“概念電流”，從左流向右，其兩端沒有電源。這個“概念電流”只是用來形象地描述用戶程序執(zhí)行中應(yīng)滿足線圈接通的條件。

　?、圯斎爰拇嫫饔糜诮邮胀獠枯斎胄盘枺荒苡蒔LC內(nèi)部其它繼電器的觸點來驅(qū)動。因此，梯形圖中只出現(xiàn)輸入寄存器的觸點，而不出現(xiàn)其線圈。輸出寄存器則輸出程序執(zhí)行結(jié)果給外部輸出設(shè)備，當梯形圖中的輸出寄存器線圈得電時，就有信號輸出，但不是直接驅(qū)動輸出設(shè)備，而要通過輸出接口的繼電器、晶體管或晶閘管才能實現(xiàn)。輸出寄存器的觸點也可供內(nèi)部編程使用。

　　2）指令語句表

　　指令語句表是一種用指令助記符來編制PLC程序的語言，它類似于計算機的匯編語言，但比匯編語言易懂易學(xué)，若干條指令組成的程序就是指令語句表。一條指令語句是由步序、指令語和作用器件編號三部分組成。

　　下例為PLC實現(xiàn)三相鼠籠電動機起/?？刂频膬煞N編程語言的表示方法：

　　

　　四、PLC的基本指令

　　S7-200的SIMATIC基本指令簡表：

　　

　　（其他指令見附表）

　　標準觸點指令

　　LD動合觸點指令，表示一個與輸入母線相連的動合觸點指令，即動合觸點邏輯運算起始。

　　LDN動斷觸點指令，表示一個與輸入母線相連的動斷觸點指令，即動斷觸點邏輯運算起始。

　　A 與動合觸點指令，用于單個動合觸點的串聯(lián)。

　　AX 與非動斷觸點指令，用于單個動斷觸點的串聯(lián)。

　　O 或動合觸點指令，用于單個動合觸點的并聯(lián)。

　　ON 或非動斷觸點指令，用于單個動斷觸點的并聯(lián)。

　　LD、LDN、A、AN、O、ON觸點指令中變量的數(shù)據(jù)類型為布爾（BOOC）型。LD、LDN兩條指令用于將接點接到母線上，A、AN、O、ON指令均可多次重復(fù)使用，但當需要對兩個以上接點串聯(lián)連接電路塊的并聯(lián)連接時，要用后述的OLD指令。

　　例子：

　　

　　

　　串聯(lián)電路塊的并聯(lián)連接指令OLD

　　兩個或兩個以上的接點串聯(lián)連接的電路叫串聯(lián)電路塊。串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時，分支開始用LD、LDN指令，分支結(jié)束用OLD指令。OLD指令與后述的ALD指令均為無目標元件指令，而兩條無目標元件指令的步長都為一個程序步。OLD有時也簡稱或塊指令。

　　并聯(lián)電路的串聯(lián)連接指令A(yù)LD

　　兩個或兩個以上接點并聯(lián)電路稱為并聯(lián)電路塊，分支電路并聯(lián)電路塊與前面電路串聯(lián)連接時，使用ALD指令。分支的起點用LD、LDN指令，并聯(lián)電路結(jié)束后，使用ALD指令與前面電路串聯(lián)。ALD指令也簡稱與塊指令，ALD也是無操作目標元件，是一個程序步指令。

　　輸出指令 =

　　1、= 輸出指令是將繼電器、定時器、計數(shù)器等的線圈與梯形圖右邊的母線直接連接，線圈的右邊不允許有觸點，在編程中，觸點以重復(fù)使用，且類型和數(shù)量不受限制。

　　置位與復(fù)位指令S、R

　　S為置位指令，使動作保持；R為復(fù)位指令，使操作保持復(fù)位。從指定的位置開始的N個點的寄存器都被置位或復(fù)位，N=1～255如果被指定復(fù)位的是定時器位或計數(shù)器位，將清除定時器或計數(shù)器的當前值。

　　跳變觸點EU，ED

　　正跳變觸點檢測到一次正跳變（觸點的入信號由0到1）時，或負跳變觸點檢測到一次負跳變（觸點的入信號由1到0）時，觸點接通到一個掃描周期。正/負跳變的符號為EU和ED，他們沒有操作數(shù)，觸點符號中間的”P”和”N”分別表示正跳變和負跳變

　　空操作指令NOP

　　NOP指令是一條無動作、無目標元件的一個序步指令?？詹僮髦噶钍乖摬叫驗榭詹僮?。用NOP指令可替代已寫入指令，可以改變電路。在程序中加入NOP指令，在改動或追加程序時可以減少步序號的改變。

　　程序結(jié)束指令END

　　END是一條無目標元件的一序步指令。PLC反復(fù)進行輸入處理、程序運算、輸出處理，在程序的最后寫入END指令，表示程序結(jié)束，直接進行輸出處理。在程序調(diào)試過程中，可以按段插入END指令，可以按順序擴大對各程序段動作的檢查。采用END指令將程序劃分為若干段，在確認處于前面電路塊的動作正確無誤之后，依次刪去END指令。要注意的是在執(zhí)行END指令時，也刷新監(jiān)視時鐘。

　　五、可編程控制器梯形圖編程規(guī)則

　　編程的幾個步驟

　?。ㄒ唬Q定系統(tǒng)所需的動作及次序。

　　當使用可編程控制器時，最重要的一環(huán)是決定系統(tǒng)所需的輸入及輸出。輸入及輸出要求：

　　第一步是設(shè)定系統(tǒng)輸入及輸出數(shù)目。

　　第二步是決定控制先后、各器件相應(yīng)關(guān)系以及作出何種反應(yīng)。

　?。ǘ斎爰拜敵銎骷幪?/p>

　　每一輸入和輸出，包括定時器、計數(shù)器、內(nèi)置寄存器等都有一個唯一的對應(yīng)編號，不能混用。

　?。ㄈ┊嫵鎏菪螆D。

　　根據(jù)控制系統(tǒng)的動作要求，畫出梯形圖。

　　梯形圖設(shè)計規(guī)則

　?。?）觸點應(yīng)畫在水平線上，并且根據(jù)自左至右、自上而下的原則和對輸出線圈的控制路徑來畫。

　?。?）不包含觸點的分支應(yīng)放在垂直方向，以便于識別觸點的組合和對輸出線圈的控制路徑。

　　（3）在有幾個串聯(lián)回路相并聯(lián)時，應(yīng)將觸頭多的那個串聯(lián)回路放在梯形圖的最上面。在有幾個并聯(lián)回路相串聯(lián)時，應(yīng)將觸點最多的并聯(lián)回路放在梯形圖的最左面。這種安排，所編制的程序簡潔明了，語句較少。

　　（4）不能將觸點畫在線圈的右邊。

　　將梯形圖轉(zhuǎn)化為程序

　　把繼電器梯形圖轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊炭刂破鞯木幋a，當完成梯形圖以后，下一步是把它的編碼編譯成可編程控制器能識別的程序。

　　這種程序語言是由序號（即地址）、指令（控制語句）、器件號（即數(shù)據(jù)）組成。地址是控制語句及數(shù)據(jù)所存儲或擺放的位置，指令告訴可編程控制器怎樣利用器件作出相應(yīng)的動作。

　?。ㄎ澹┰诰幊谭绞较掠面I盤輸入程序。

　?。┚幊碳霸O(shè)計控制程序。

　?。ㄆ撸y試控制程序的錯誤并修改。

　?。ò耍┍４嫱暾目刂瞥绦颉?/p> 　　六、圖解常用繼電器控制電路與相應(yīng)PLC結(jié)合使用的功能和工作原理

　　以下以圖解方式講解常用：繼電器控制電路與相應(yīng)PLC結(jié)合使用的功能和工作原理，都屬PLC基礎(chǔ)知識范圍

　　一、點動電路

　　功能介紹：

　　

　　工作原理：顧名思義，點則動，松則不動，即按下按鈕開，松開按鈕停。

　　

　　二、帶停止的自動保持電路

　　功能介紹

　　是保持電路狀態(tài)的一種基本形式，主要用于保持外部信號狀態(tài)。

　　

　　工作原理

　　開機，按下常開按鈕0，繼電器線圈J0 得電，J0 主觸點閉合，電機得電開機。同時J0 輔助觸點自鎖，電機繼續(xù)運行見圖2-6。停機，按下常閉按鈕1。繼電器線圈J0 失電，同時J0 輔助觸點斷開，電動機失電停機見圖2-5。

　　電路應(yīng)用

　　下面我們給繼電器線圈未通電和通電前后作出的比較：

　　

　　三、自保持互鎖電路

　　功能介紹

　　一個停止開關(guān)，兩個啟動開關(guān)，以先動作的信號優(yōu)先另一信號因受聯(lián)鎖作用，在停止信號未動作前用不會動作。

　　

　　工作原理

　　

　　此電路可作電機正反轉(zhuǎn)控制等。

　　四、先動作優(yōu)先電路

　　功能介紹

　　在多個輸入信號的線路中，以最先動作的信號優(yōu)先。在最先輸入的信號未除去之時，其它信號無法動作。

　　

　　工作原理

　　常開按扭0 到3 不管哪一個按下時，其對應(yīng)的繼電器線圈得電，相應(yīng)的常開觸點閉合自鎖，同時J4 繼電器也動作斷開其它3 組的供電，只要最先得電的繼電器不斷電，其它繼電器就無法動作。

　　 電路應(yīng)用

　　此電路只要在電源輸入端加一個復(fù)位開關(guān)，可作搶答器用。

　　五、后動作優(yōu)先電路

　　功能介紹

　　在多個輸入信號的線路中，以最后動作的信號優(yōu)先。前面動作所決定的狀態(tài)自行解除。

　　

　　工作原理

　　在電路通電的任何狀態(tài)按下常開按扭0 到3 時對應(yīng)的繼電器線圈得電，其相應(yīng)的常閉觸點斷開、同時解除其它線圈的自鎖（自保持）狀態(tài)。

　　電路應(yīng)用

　　此電路可在電源輸入端加一個復(fù)位常閉開關(guān)可作程序選擇、生產(chǎn)期順序控制電路等。

　　六、時間繼電器（又名延時繼電器）

　　

　　 功能介紹

　　當加入（或去掉）輸入的動作信號后，其輸出電路需經(jīng)過規(guī)定的準確時間才產(chǎn)生跳躍式變化（或觸頭動作）的一種繼電器，時間繼電器按功能分為接通延時、斷開延時、瞬動延時等。

　　

　　下面著重研究延時接通繼電器的應(yīng)用。

　　圖2-12 為簡單的延時接通應(yīng)用電路。為便于分析原理，在時間繼電器常開觸點上串聯(lián)一個燈泡，當然你也可以串聯(lián)其它負載，比如接觸器、固態(tài)繼電器等，圖2-13 為PLC 梯形圖的表達方式，原理圖與圖2-12 相同。為了分析動作流程，在接通延時應(yīng)用電路中加上電源見圖2-14，此時延時繼電器并未工作。

　　

　　假設(shè)延時繼電器預(yù)設(shè)時間為10 秒，按下常開按鈕，時間繼電器線圈得電并開始計時，10 秒后時間常開觸點閉合，同時燈泡得電點亮見圖2-16，直到松開常開按鈕，時間繼電器線圈失電，常開觸點恢復(fù)常開，此時再回到圖2-14 燈滅狀態(tài)。

　　

　　七、計數(shù)器

　　

　　功能介紹

　　通過傳動機構(gòu)驅(qū)動計數(shù)元件，指示被測量累計（加法計數(shù)）或逆計（減法計數(shù)）值的器件，當數(shù)量達到預(yù)設(shè)值輸出接通或斷開信號。

　　下面介紹一下加法計數(shù)應(yīng)用。

　　接線說明

　　

　　圖2-18 中1、4 腳為電源輸入端，2、3 腳為信號輸入端，5、6 腳為內(nèi)部常開觸點輸出端。

　　工作原理

　　按下和松開常開按鈕一次，計數(shù)器顯示窗口加一顯示，假設(shè)計數(shù)器預(yù)設(shè)值為3，當按下和松開常開按鈕數(shù)值到達3 次后，內(nèi)部常開觸點閉