项目二 PLC 编程元件和基本逻辑指令应用

1. 项目二 PLC编程元件和基本逻辑指令应用 编程元件是PLC的重要元素，是各种指令的操作对象。基本指令是PLC中应用最频繁的指令，是程序设计的基础。本章主要介绍三菱FX2N系列PLC的基本编程元件和基本逻辑指令及其编程使用。

2. 任务1 三相电机的全压起停控制 • （一）任务分析 • 在电气控制中，对于小型三相交流异步电动机，一般采取全压启动控制。图2－1所示为继电器接触器控制的原理图。按下起动按钮SB2，接触器KM线圈得电，其主触点闭合使电机全压启动；按下停止按钮SB1，电机停止。

3. PLC输入输出接线图 • 一个输入设备原则上占用PLC一个输入点（I），一个输出设备原则上占用PLC一个输出点（O）。 • 本控制任务I/O 地址分配如下： • 停止按钮SB1---X0； • 启动按钮SB2---X1； • FR触点----X2； • 接触器KM----Y0； • 将选择的输入输出设备和分配好的I/O 地址一一对应连接形成PLC的I/O接线图如图2－3所示。

4. 用PLC进行控制时主电路仍然和图2－1所示相同，只是控制电路不一样。首先要选定输入输出设备，就是选定发布控制信号的按钮、开关、传感器、热继电器触点等和选定执行控制任务的接触器、电磁阀、信号灯等；再把这些设备与PLC对应相连，编制PLC程序，最后运行程序就可以进行控制了。用PLC进行控制时主电路仍然和图2－1所示相同，只是控制电路不一样。首先要选定输入输出设备，就是选定发布控制信号的按钮、开关、传感器、热继电器触点等和选定执行控制任务的接触器、电磁阀、信号灯等；再把这些设备与PLC对应相连，编制PLC程序，最后运行程序就可以进行控制了。 • 正确选择输入输出设备对于设计PLC控制程序、完成控制任务非常重要。一般情况下，一个控制信号就是一个输入设备，一个执行元件就是一个输出设备。选择开关还是按钮，对应的控制程序也不一样。热继电器FR触点是电机的过热保护信号，也应该作为输入设备。 • 根据继电器-接触器控制原理，完成本控制任务需要有启动按钮SB2和停止按钮SB1两个主令控制信号作为输入设备；有执行元件（接触器）KM作为输出设备，控制电机主电路的接通和断开，从而控制电机的启停。

5. 选择好输入输出设备后，接下来的问题是如何将它们与PLC连接，让输入设备的动作信息传给PLC？PLC又如何将运行结果传给外部负载？ 这就要用到PLC的内部要素——编程元件X、Y。

6. （二）相关知识 1. PLC编程元件(软继电器)概念 • PLC内部有许多各种不同功能的编程元件，如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器等，它们不是物理意义上的实物继电器，而是由电子电路和存储器组成的虚拟器件，其图形符号和文字符号与传统继电器符号也不同，所以又称为软元件或软继电器。每个软元件都有无数对常开常闭触点，供PLC内部编程使用。 • 不同厂家不同型号的PLC，编程元件的数量和种类有所不同。三菱系列PLC的图形符号和文字符号有如图2－2所示几种表示方式：

7. 2. 输入继电器（X） • 输入继电器是PLC专门用来接收外界输入信号的内部虚拟继电器。它在PLC内部与输入端子相连，有无数的常开触点和常闭触点，可在PLC编程时随意使用。输入继电器不能用程序驱动，只能由输入信号驱动。 • FX系列PLC的输入继电器采用八进制编号。FX2N系列PLC带扩展时最多可达184点输入继电器，其编号为X0～X267。X0也即是X000.

8. 3. 输出继电器（Y） • 输出继电器是PLC专门用来将程序执行的结果信号经输出接口电路及输出端子，送达并控制外部负载的虚拟继电器。它在PLC内部直接与输出接口电路相连，有无数的常开触点与常闭触点，可在PLC编程时随意使用。输出继电器只能由程序驱动。 • FX系列PLC的输入继电器采用八进制编号。FX2N系列PLC带扩展时最多可达184点输出继电器，其编号为Y0～Y267。Y0也即是Y000.

9. 4. 分配I/O 地址，绘制PLC输入输出接线图 • 一个输入设备原则上占用PLC一个输入点（I），一个输出设备原则上占用PLC一个输出点（O）。 • 本控制任务I/O 地址分配如下： • 停止按钮SB1---X0； • 启动按钮SB2---X1； • FR触点----X2； • 接触器KM----Y0； • 将选择的输入输出设备和分配好的I/O 地址一一对应连接形成PLC的I/O接线图如图2－3所示。

10. 5. PLC编程语言 • 按照上述接线图实施接线后，按下启动按钮PLC如何就能使输出KM线圈通电呢？这就需要进行PLC编程。 • PLC常用的编程语言有梯形图、指令表和状态转移图、逻辑功能图及高级语言等。用的最多的是梯形图和指令表程序。

11. （1）梯形图 • 梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图是在常用的继电器-接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用的特点，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。 • 图2－4所示为用梯形图语言编写的PLC程序。图中左、右母线类似于继电器-接触器控制图中的电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图由若干梯级组成，自上而下排列，每个梯级起于左母线，经触点－线圈，止于右母线。

12. 当SB2闭合时，X1为“ON”状态，则X1的常开触点 闭合，X1的常闭触点 断开。

13. （2）指令表 • 这种编程语言是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程方式。 • 步序号是各语句在程序步中所占的第一步的序号。 • 与图2－4所示梯形图相对应的PLC指令表程序如下：

14. 6. FX系列PLC基本指令 • LD / LDI 取/取反指令 • 功能：取单个常开 / 常闭触点与母线（左母线、分支母线等）相连接，操作元件有：X、Y、M、T、C、S • OUT 驱动线圈（输出）指令 • 功能：驱动线圈。操作元件有： Y、M、T、C、S • LD / LDI指令及OUT指令的用法见图2－5所示。

15. AND / ANI 与/与反指令 功能：串联单个常开 / 常闭触点 • OR / ORI 或/或反指令 功能：并联单个常开 / 常闭触点

16. AND / ANI 和OR / ORI 指令的基本用法如图2－6所示。 注意：并联的起点规定在OR指令之前最近的LD / LDI指令处，见图2－7所示。 • END 结束指令 放在全部程序结束处，程序运行时执行第一步至END之间的程序。如图2－7所示。

17. （三）任务实施 1. 编制电机全压起动的梯形图程序 • 根据继电器控制原理，电机全压起停控制的梯形图程序如图2－8所示。按下启动按钮SB2，通过输入端子使输入继电器X1线圈得电,梯形图中X1常开触点闭合，使输出继电器Y0接通并且自锁，通过输出端子使执行元件KM线圈得电，使图2-1主电路中的KM主触点闭合启动电机运行；按下停止按钮SB1，输入X0线圈得电，梯形图中X0的常闭触点动作使输出Y0断电，从而使KM断电，电机停止。如果电机过载，热继电器触点FR动作通过X2也会切断Y0使电机停止。这个梯形图就是典型的启保停电路。

19. 2. 编写电机全压启动的指令表程序 • 根据梯形图，写出对应的指令表程序如图2－9所示。

20. （四）知识拓展 1. 常闭触点的输入信号处理 • PLC输入端口可以与输入设备不同类型的触点连接，但不同的触点类型设计出的梯形图程序不一样。 • （1）PLC外部的输入触点可以接常开触点，也可以接常闭触点。接常闭触点时梯形图中的触点状态与继电器-接触器控制图中的状态相反。

21. （2）教学中PLC的输入触点常使用常开触点，便于进行原理分析。但在实际控制中，停止按钮、限位开关及热继电器等要使用常闭触点，以提高安全保障。（2）教学中PLC的输入触点常使用常开触点，便于进行原理分析。但在实际控制中，停止按钮、限位开关及热继电器等要使用常闭触点，以提高安全保障。 • （3）为了节省成本，应尽量少占用PLC的I/O点，因此有时也将FR常闭触点串接在其它常闭输入设备或输出负载回路中。如图2－10所示。

22. 2. SET / RST 置位/复位指令 • 功能：SET使操作元件置位（接通并自保持），RST使操作元件复位（断开）。 • 当SET和RST信号同时接通时，写在后面的指令有效。见图2－11所示。

23. SET / RST与OUT 指令的用法区别可以从波形图中看出，见图2－12所示。

24. 任务2 三相电机的正反转控制 （一）任务分析 • 图2－13所示为三相异步电动机正反转运行的继电器-接触器控制电路。按下正转按钮SB2，电机正向启动运行；按下反转按钮SB3，电机反向启动运行；按下停止按钮SB1，电机停止运行。为了确保KM1、KM2不会同时接通导致主电路短路，控制电路中采用了接触器KM1、KM2常闭触点互锁。

25. 采用PLC进行控制时按以下步骤进行。 1. 选择输入输出设备，分配输入/输出地址，绘制I/O接线图 • X0：SB1（停止按钮,接常开触点）， • X1：SB2（正转起动） • X2：SB3（反转起动） • X3：FR（热继电器常闭触点） • Y1：KM1（正转接触器） • Y2：KM2（反转接触器） • 根据分配的I/O地址，绘制输入输出接线图如图2－14所示。图中PLC外部负载输出回路中串入了KM1、KM2的互锁触点，其作用在于即使在KM1、KM2线圈故障的情况下，也能确保KM1、KM2线圈不同时接通。

27. 2. 设计PLC控制程序 • 根据继电器-接触器控制原理，设计电机正反转的梯形图程序如图2－15所示。梯形图中X3常开触点和X0常闭触点串联后同时对线圈Y1和Y2都有控制作用.

28. （二）相关知识———PLC基本逻辑指令 1. ANB 与块指令 • 功能：串联一个并联电路块，无操作元件。见图2－16所示。 • ANB使用说明： • 电路块起点用LD、LDI，结束后使用ANB指令与前面电路串联。 • 有多个并联电路块串联时，如果依次用ANB指令与前面电路连接，支路数量没有限制；如果连续使用ANB指令编程，使用次数应限制在8次以下。

29. 2. ORB 或块指令 • 功能：并联一个串联电路块，无操作元件。见图2－17所示。

30. 【试试看】 写出图2－18所示的指令表程序。

31. 3. 多重输出指令（堆栈操作指令）MPS/MRD/MPP • PLC中有11个堆栈存储器，用于存储中间结果。如图2－19所示。 • 堆栈存储器的操作规则是：先进栈的后出栈，后进栈的先出栈。 • MPS———进栈指令，数据压入堆栈的最上面一层，栈内原有数据依次下移一层。 • MRD———读栈指令，用于读出最上层的数据，栈中各层内容不发生变化。 • MPP———出栈指令，弹出最上层的数据，其它各层的内容依次上移一层。 • MPS、MRD、MPP指令都不带操作元件。MPS与MPP的使用不能超过11次，并且要成对出现。见图2－19所示。

33. （三）任务实施 • 根据图2－15所示的梯形图，用多重输出指令编写电机正反转的指令表程序如图2－20所示。

34. （四）知识拓展 • 1. 主控触点指令MC / MCR（主控 / 主控复位指令） • 功能：用于公共触点的连接。当驱动MC的信号接通时，执行MC与MCR之间的指令；当驱动MC的信号断开时，OUT指令驱动的元件断开，SET/RST指令驱动的元件保持当前状态。见图2－21所示。

35. 注意事项： • 主控MC触点与母线垂直，紧接在MC触点之后的触点用LD / LDI 指令。 • 主控MC与主控复位MCR必须成对使用。 • N--------表示主控的层数。主控嵌套最多可以8层，用N0～N7表示。 • M100-----PLC的辅助继电器（见任务3），每个主控MC指令对应用一个辅助继电器表示。

36. 任务3 三相电机的延时启动控制 • （一）任务分析 • 图2－22所示为三相电机延时启动的继电器-接触器控制原理图。按下起动按钮SB1，延时继电器KT得电并自保，延时（比如50s）后接触器KM线圈得电，

37. （二）相关知识 • 1. FX系列PLC的编程元件——定时器(T) • 定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器(字)、一个当前值寄存器(字)、一个线圈以及无数个触点(位)。通常在一个PLC中有几十至数百个定时器，可用于定时操作，起延时接通或断开电路的作用。 • 在PLC内部，定时器是通过对内部某一时钟脉冲进行计数来完成定时的。常用计时脉冲有三类，即1ms、10 ms和100ms脉冲。不同的计时脉冲其计时精度不同。当用户需要定时操作时，可通过设定脉冲的个数来完成，用常数K设定（1－32767），也可用数据寄存器D设定。

38. FX系列PLC的定时器采用十进制编号，如FX2N系列的定时器编号为T0～T255。FX系列PLC的定时器采用十进制编号，如FX2N系列的定时器编号为T0～T255。 • 通用定时器的地址范围为T0～T245，有二种计时脉冲，分别是100 ms和10ms，其对应的设定值分别为0.1～3276.7s和0.01～327.67s，见图2－23所示。

39. 通用定时器的工作原理和过程： • 当驱动线圈的信号X20接通时，定时器T0的当前值对100 ms脉冲开始计数，达到设定值30个脉冲时，T0的输出触点动作使输出继电器Y0接通并保持，即输出是在驱动线圈后的3s（100ms×30个=3s）时动作。 • 当信号X20断开或发生停电时，通用定时器T0复位（触点复位、当前值清0），输出继电器Y0断开。当X20第二次接通时T0又开始重新定时，由于还没到达设定值X20就断开了，因此T0触点不会动作，Y0也不会接通。

40. 2. FX系列PLC的辅助继电器(M) • 辅助继电器不能直接对外输入、输出，但经常用作状态暂存、中间运算等。辅助继电器也有线圈和触点，其常开和常闭触点可以无限次在程序中使用，但不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须由输出继电器进行。 • 辅助继电器采用字母M表示，并辅以十进制地址编号。辅助继电器按用途分为以下几类： • 通用辅助继电器M0～M499(500点) • 断电保持辅助继电器M500～M1023(524点) • 用于保存停电前的状态，并在运行时再现该状态的情形。停电保持内装的后备电池支持。 • 特殊辅助继电器M8000～M8255(256点)

41. PLC内部有很多特殊辅助继电器。这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能，一般分为两大类：一类是只能利用其特殊辅助验电器触点，这类继电器的线圈由PLC自动驱动，用户只能利用其触点进行编程。如：M8000（运行监控），M8002（初始脉冲），M8012（100ms时钟脉冲）等，其波形图见图2－25所示。PLC内部有很多特殊辅助继电器。这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能，一般分为两大类：一类是只能利用其特殊辅助验电器触点，这类继电器的线圈由PLC自动驱动，用户只能利用其触点进行编程。如：M8000（运行监控），M8002（初始脉冲），M8012（100ms时钟脉冲）等，其波形图见图2－25所示。 • 另一类是可驱动线圈型特殊辅助继电器 用户驱动线圈后，PLC作特定的动作。 如：M8033指PLC停止时输出保持， M8034指PLC禁止全部输出， M8039指PLC定时扫描等。

42. 【应用举例】 设计路灯的控制程序。 • 要求： 每晚七点由工作人员按下按钮（X0），点亮路灯Y0，次日凌晨X1停止。特别注意的是，如果夜间出现意外停电，则要求恢复来电后继续点亮路灯。 • 图2－26所示是路灯的控制程序。M500是断电保持型辅助继电器。出现意外停电时，Y0断电路灯熄灭。由于M500能保存停电前的状态，并在运行时再现该状态的情形，所以恢复来电时，M500能使Y0继续接通，点亮路灯。

43. （三）任务实施 • 1. 选择输入输出设备，分配I/O地址，画出接线图 • 要实现电机延时启动，只需选择发送控制信号的启动、停止按钮和传送热过载信号的FR常闭触点作为PLC的输入设备；选择接触器KM作为PLC输出设备控制电机的主电路即可。时间控制功能由PLC的内部元件（T）完成，不需要在外部考虑。 • X21-----SB2停止按钮常闭与FR常闭串联 • X20----SB1启动按钮 • Y20----接触器KM • I/O接线图如图2－27所示。

44. 2. 设计PLC控制程序 • 如图2－28所示，X20接外部按钮只能提供短信号，而T0定时器需要长信号才能定时。程序采用X20提供启动信号，辅助继电器M0自保以后供T0定时用。这样就将外围设备的短信号变成了程序所需的长信号。

45. （四）知识拓展 1. 积算定时器（T246～T255） • 如图2－29所示，它与通用定时器的区别在于：线圈的驱动信号X20断开或停电时，积算定时器不复位，当前值保持，当驱动信号X20再次被接通或恢复来电时积算定时器累计计时。当前值达到设定值时，输出触点动作。需要注意的是，必须要用复位信号才能对积算定时器复位。当复位信号X21接通时，积算定时器处于复位状态，输出触点复位，当前值清0，且不计时。

46. 积算定时器也有二种计时脉冲，分别是1 ms和100ms，其对应的设定值分别为0.001～32.767s和0.1～3276.7s，见图2－30所示。

47. 2. 定时器自复位电路---用于循环定时 • 如图2－31所示为通用定时器自复位电路，其工作过程分析如下：X20接通1s时，T0常开触点动作使Y0接通，常闭触点在第二个扫描周期中使T0线圈断开，Y0跟着断开；第三个扫描周期T0线圈重新开始定时，重复前面的过程。 • 定时器的自复位电路要分析前后三个扫描周期，才能真正理解它的自复位工作过程。定时器的自复位电路用于循环定时。

48. 3. 振荡电路 • 图2－32所示为用定时器组成的振荡电路及输入输出波形图。当输入X0（也就是X000）接通时，输出Y0（也就是Y000）以1s周期闪烁变化（如果Y0接指示灯，则灯光灭0.5s亮0.5s，交替进行），如波形图所示。改变T0、T1的设定值，可以调整Y0的输出脉冲宽度。

49. 【应用举例】 • 合上开关K1（X0），红灯(Y0)亮1S灭1S，累计点亮半小时自行关闭系统。 • 图2－33所示为其梯形图程序。该程序中红灯间歇点亮，其点亮的累计时间要用积算定时器计时，半小时计满时T250常闭触点将整个程序切断。当X0断开时积算定时器复位。

50. 任务4 洗手间的冲水清洗控制 • （一）任务分析 • 某宾馆洗手间的控制要求为：当有人进去时，光电开关使X0接通，3s后Y0接通使控制水阀打开开始冲水，时间为2s；使用者离开后，再一次冲水，时间为3s。 • 根据本任务的控制要求，可以画出输入X0与输出Y0的波形图关系如图2－34。