PLC 原理与应用

1. PLC原理与应用 电气学院 自动化 杨霞 2007年2月

2. PLC原理与应用 第8讲 • 讲解内容： • 4 可编程序控制器的指令系统 • 4.5 PLC的程序控制类指令（10个） • 4.6 PLC的应用指令（9个） • 5 开关量控制分析 • 学习说明 ： • 本讲是学习的PLC的指令系统及开关量概念。重点掌握： • 1 PLC的程序控制类指令（10个） • 2 PLC的应用指令（9个） • 3 开关量概念：电平式输入信号 、脉冲式输入信号 、脉冲式输入信号存在的问题及解决 、两个重要的启保停控制公式。

3. 4.5 PLC的程序控制类指令（10个） • 本节主要介绍与程序执行的方式、路线、标志等有关的，参与对程序执行状况进行控制的指令。 • 注意：MASTER-K系列可编程序控制器中功能相同的指令符号中有加后缀P和不加后缀P的，有加前缀D和不加前缀D的区别。 • 有无后缀P表示功能相同，启动条件不同。带后缀P的指令表示输入信号上升沿启动，一个上升沿指令执行一次。不带后缀P的指令只要输入信号是高电平，每个扫描周期内都要执行一次。 • 有无前缀D表示功能相同，操作数长度不同。D表示操作数据长度加倍，在介绍具体指令时对××P、D××不再另加说明。

4. 4.5.1 空指令* • 指令格式： • NOP （27） • 没有操作数，是无处理操作指令,它的出现对其前面的运算结果无任何影响。使用这条指令的目的是为了在调试程序时设置断点；也为了在编写程序时暂时保留一些空程序步，方便今后插入适当的指令。空指令在梯形图上不使用。

5. 4.5.2 程序结束标记指令* • 指令格式： • END （28） • END是指令，必须写到程序的最后一步。END指令的功能是表示一个程序结束，PLC的操作系统在处理了END指令后才返回到程序的0000步，从头执行程序。END指令是程序能够周期循环执行的标志。

6. 4.5.3 监视定时器复位指令 • 指令格式： • WDT （29） • WDTP （30） • 监视定时器(Watchdog Timer)是为了保证PLC的正常运行而设立的。PLC正常运行时,每个周期扫描时间不会超过WDT设定的时间，PLC在运行监视阶段对WDT进行扫描时要对WDT进行复位，以便对下一个周期扫描时间进行监视。如果用户程序过长，使周期扫描时间超过了WDT的设定时间，WDT也要发出故障信号，停止系统运行，但这不是真正的故障，为了不使WDT误发故障信号，我们在程序中间插入WDT指令，使WDT在程序控制下按规定时间正常复位。这样在程序过长的情况下，也保证了PLC的正常运行。 • 注意：WDT在输入条件满足的情况下，即保持ON的情况下，每个扫描周期都要执行一次。而WDTP只在输入条件由0变为1(上升沿)的情况下才执行一次。

7. 4.5.4 I/O刷新指令 • 指令格式： • IORF dl d2 （31） • IORFP dl d2 （32） • 这两条指令的功能是使I/O继电器在程序执行过程中进行刷新，以提高I/O响应速度。操作数dl 、d2代表I/O继电器P的字名称标号（字地址）。这两条指令按字进行刷新。dl是刷新字的首地址，d2是末地址。 • 注意：d2的编号应大于或等于dl的编号，否则出错，程序当做NOP指令处理。

8. 4.5.5 锁存——主控开关设置指令* • 指令格式： • MCS n （33） • MCSCLR n （34） 操作数n是一个取值为0到7的整数。 • MCS指令的功能是：把本指令前的逻辑操作结果锁存，并供锁存解除前的所有同级的子逻辑段使用。 MCS指令相当于在该指令之前设立了一个总开关。 • MCS可提供：8级内部锁存，操作数n表示锁存的级别。优先顺序为MCS 0最高，MCS 7最低，使用MCS指令必须从MCS 0开始，逐级降低。锁存解除前级别号重叠,或不按使用顺序使用，作为程序出错处理。 • MCSCLR n指令：为锁存解除指令，多级锁存解除时的次序是由低到高，逆序。也可以一次性使用级别高的解除指令，将级别低的锁存一并解除。

9. 【例4-5-1】一个使用2次MCS指令的例子。2次MCS相当于使用两级主控开关

10. 4.5.6 跳转指令* • 指令格式： • JMP n （35） • JME n （36） • 指令中n是操作数，为00~63的整数，表示跳转指令的序号。当JMP n指令的输入条件满足时（ON），程序跳到JME n指令后去执行，这里两个n是同一整数。这两条指令是有条件跳转指令，条件就是JMP n输入信号，如为0，从JMP n指令后顺序执行，如为1，程序跳到JME n后面执行。 • 注意：这两条指令必须配对使用，只有一个JMP n指令是错误的。程序跳转只能从前往后，不能逆跳（有的类型PLC可以逆跳）。在一个程序中，n不能重复使用，但出现多个n相同的JMP n对应一个n相同的JME n是允许的。不允许从主程序跳到子程序。从子程序内跳到子程序外可以，不允许从一个子程序跳到另一个子程序内。

11. 4.5.7 子程序调用指令* • 指令格式： • CALL n （37） • CALLP n （38） • SBRT n （39） • RET （40） • 这里n是操作数，是00~63的整数，表示子程序调用指令的序号。一个程序中最多可以有64个子程序，子程序都放在主程序END指令的后面。SBRT n是子程序的开始标记，RET是子程序的结束指令。调用指令CALL n编在主程序中，当输入条件满足时(ON)，它调用序号相同的子程序。子程序执行完毕后，RET指令使程序返回到调用指令后一条指令处继续执行。

12. 【例4-5-2】使用调用指令CALL的例子。

13. 4.5.8 循环执行指令* • 指令格式： • FOR n （41） • NEXT （42） • 这是程序循环执行指令，n是整数，表示循环执行的次数，n的取值范围为1~65535。程序从FOR n指令开始，对NEXT指令前的程序循环执行n次，n次后程序从NEXT指令下一条指令开始向后顺序执行。在一个程序中可使用5个FOR n~NEXT指令。K30、K50系列没有这个指令。

14. 4.5.9 故障号输出指令 • 指令格式： • FALS n （43） • n是16进制4位整数(0000~FFFFH〉是用户自己设定的故障编号。 • 这条指令的功能是：当指令前的输入条件满足时（ON），把故障编号送入特殊继电器F区域中的F14（F15）存储器。当F14是16位存储器时，就送入F14中；当F14是8位存储器时，F14存低8位的数据，F15存高8位数据。注意：这条指令前的输入条件可以是系统各方面故障继电器（F继电器）的触点，也可以是程序软件中故障标志继电器触点。一旦故障发生，故障标号就送入了F14（F15）存储器，我们监视F14（F15）存储器，看故障标号就知道发生了什么故障，并采取相应的消除故障的方法。

15. 4.5.10 中断处理指令 • MASTER—K的K500和K1000机型，可以进行中断处理。使用的中断指令格式： • EI （44) 中断允许指令 • DI （45） 中断禁止 • TDINT （46） 固定周期中断子程序开始地址 • INT n （47） 外部输入中断子程序开始地址 • IRET （48） 中断程序结束标志，中断返回指令 • MASTER—K的K500和K1000的中断有两种：固定周期中断TDI和过程驱动中断PDI。TDI是内部中断，PDI是外部输入中断。中断类型、中断优先级、中断周期、外部中断申请入口等在编程参数设定时设置。以上指令在PLC程序中使用。

16. 4.6 PLC的应用指令（9个） • 应用指令：是用来增强PLC的逻辑控制能力，扩大PLC的功能和应用范围的。应用指令主要包括数据运算、数据处理、数据显示等以字或字节为单位进行数据操作的指令。 • PLC应用指令的一个重要特点：就是每条应用指令必须有一个开关量信号做该应用指令的条件。也就是说，只有应用指令前逻辑操作结果为1（ON）时，该应用指令才能启动执行。在MASTER-K系列PLC中应用指令一般放在一个逻辑段的最后，表示一个逻辑段的结束。 • 注意：应用指令本课用不上自己看。

17. 5 开关量控制分析 • 这里，我们主要就实现开关量控制的过程进行分析。在一系列执行器件存在的情况下，能够保证各个执行器件都按要求通电和断电，是开关量控制任务。 • 最基础的控制线路：是一个执行器件（或称输出负载）串联一个开关、再串联一个电源的线路；开关提供输入控制信号，执行器件得到输出信号。 • 用逻辑变量来表示开关量，逻辑值1表示开关闭合、表示执行器件通电（ON）；逻辑值0表示开关断开、表示执行器件断电（OFF）。开关的时序图如图5-1-1所示。 图5-1-1 开关的时序图

18. 开关状态 • 一个开关有两种状态：0态，即关断状态，和1态，即导通状态。 • 状态的切换：由0态变为1态（OFF→ON）称为导通切换；由1态变为0态（ON→OFF），称为关断切换。 • 状态的保持：维持开关ON称为导通保持；维持开关OFF称为关断保持。 • 注意：输出开关量（输出负载）是被控量，对输出开关量除了要提供导通切换和关断切换的控制外，还必须提供导通保持和关断保持的控制。

19. 逻辑式Y=X 电路实现 • 从线路图上看，输入开关X闭合，输出负载Y得电；输入开关X断开，输出负载Y失电。这种方式是利用输入开关的通断变化来控制输出开关量的状态切换；利用输入开关维持导通或维持关断来控制输出开关保持原来的状态。逻辑式为Y=X。以X为输入变量，Y为输出变量，电平式输入信号作用下。

20. 逻辑式Y=X PLC程序实现 图5-1-3 时序波形图 图 5-1-4逻辑图 图 5-1-5梯形图

21. 几个概念 • 注意：从逻辑电路的角度说，电平式输入信号的开关电路输出状态只决定于输入状态，属于组合逻辑电路。 • 电平式输入信号的控制是开关量的最基本控制。如果，我们只能通过直接拨拉开关X，使线路导通切换、导通保持、关断切换、关断保持，我们提供的是电平式输入信号。（不安全） • 脉冲式输入信号：从开关的角度说，一个输入开关经由断→短时的通→断(0→1→0)的动作过程，就是一个脉冲，称为正脉冲，若经由通→短时的断→通(1→0→1)的动作过程，也是一个脉冲，称负脉冲。 • 开关量控制中的脉冲式输入信号：指对开关量控制的四个环节（导通切换、导通保持、关断切换、关断保持），一个脉冲只控制一个环节的输入信号。如果，一个脉冲四个环节都管，就是再窄的脉冲，也是电平式输入信号。这也是两者的区别!

22. 脉冲式输入信号存在的问题 • 脉冲式输入信号存在的问题及解决：状态不可区分。解决的方法：采用反馈的方法，通过把输出变量引回到输入端，作为新的输入条件来解决这个问题，状态完全可以区分。 • 例如：设A是导通切换脉冲信号，B是关断切换脉冲信号，Z是输出变量（被控开关量）。一种状态切换如果按钮、行程开关等就是提供脉冲式输入信号的器件。 问题分析：第一行AB=00，Z=0；第三行AB=00，Z=1，相同的逻辑电路，在相同的输入条件下，输出的逻辑值不同，违反了逻辑函数是单值函数、一种输入只对应一种输出的唯一性原则。在组合逻辑电路中这称为状态不可区分。说明脉冲式输入信号不能提供对状态保持的控制，说明只用脉冲式输入信号来控制开关量的状态切换是不会实现时序波形图的。

23. 脉冲式输入信号存在的问题解决 • 解决状态不可区分，采用反馈的方法，通过把输出变量引回到输入端，作为新的输入条件来解决这个问题。设Zn+1为输出变量，Zn是反馈变量。

24. 由脉冲式输入信号存在的问题解决引出两个重要的启、保、停控制公式由脉冲式输入信号存在的问题解决引出两个重要的启、保、停控制公式 • 注意：这里Y是输出开关变量，A是导通切换命令，B是关断切换命令。这两个公式：逻辑段对应的逻辑式的一般形式。脉冲输入信号的启、保、停控制线路。

25. 实现启、保、停控制的PLC程序（两公式） • A、B是PLC的输入继电器，Z是PLC的输出继电器，A、B点外接两个触点都是常开的按钮，Z点外接执行器件。它们可以称为，PLC的启、保、停控制程序。

26. 开关量控制的两级控制 • 注意：使用脉冲式输入信号实现开关量控制，实际上是两级控制：第一级，脉冲式输入信号转换为电平开关信号；第二级，电平开关控制接有被控执行器件的线路的通断。控制线路示意图及两级控制时序图见图。

27. 导通切换与关断切换命令组的关系： • 实际上A是导通切换命令组，B是关断切换命令组。组中有两种关系：约束关系和平行关系。 • 约束关系时： • 平行关系时： • PLC程序设计的关键：是处理好这些导通切换命令组和关断切换命令组。

28. 继电器—接触器 控制系统 回顾

29. 低压电器按控制对象分类 开关 熔断器 断路器 配电 电器 低压 电器 时间继电器 热继电器 速度继电器 电流继电器 中间继电器 接触器 继电器 起动器 主令电器 控制 电器

30. ~ ~ ~ 380 主触点 弹簧 线圈 辅助 触点 衔铁 铁芯 M 3~ 电机 未接通电源图 接触器结构 动作过程 线圈通电 衔铁被吸合 触头闭合 电机接通 电源

31. ~ ~ ~ 380 动作过程 线圈通电 衔铁被吸合 触头闭合 电机接通 电源 M 3~ ~ 220 接通电源图

32. 简单的接触器控制 A B C 停止 按钮 起动 按钮 刀闸起隔离作用 M 3~ 特点：小电流控制 大电流。 自保持

33. A B C 停车 按钮 QS KM SB1 SB2 FU C' B' KM 起动 按钮 KM 自保持 M 3~ 电动机连续运行

34. 欠压 脱扣器 过流 脱扣器 低压断路器（自动开关） 作用：可实现短路、过载、失压保护。 结构： 工作原理：过流时，过流脱扣器将脱钩顶开，断开电 源；欠压时，欠压脱扣器将脱钩顶开，断开电源。

35. 1、9.弹簧 2.触点 3.锁扣 4.搭钩 5.轴 6.过电流脱扣器 7.杠杆 8、10.衔铁 11.欠电压脱扣器 12 、13.双金属片及其加热元件 过载脱扣器 低压断路器原理图

36. A B C QS FU KM2 SB2 KM1 KM2 KM2 操作过程： 正转 SB1 M 3~ FR SB 停车 反转 SB2 该电路必须先停车才能由正转到反转或由反转到正转。SB1和SB2不能同时按下，否则会造成短路！ 电机的正反转控制 正转 FR SB1 KM1 SB KM1

37. 互锁 电机的正反转控制— 加互锁 FR SB1 KM1 KM2 SB KM1 SB2 KM2 KM1 A B C Q S KM2 FU KM1 KM2 互锁作用：正转时，SB2不起作用；反转 时，SB1不起作用。从而避免两触发器 同时工作造成主回路短路。 FR M 3~

38. 机械互锁 电器互锁 机械互锁（复合按钮） 电器互锁（互锁触头） 双保险 电机的正反转控制—双重互锁 FR SB KM1 SB1 KM2 KM1 SB2 KM2 A B C KM1 QS FU KM1 KM2 KM2 FR M 3~

39. 按下按钮（SB） 线圈（KM）通电 M 3~ 电机转动； 触头（KM）闭合 按钮松开 线圈（KM）断电 电机停转。 触头（KM）打开 点动控制 1)异步机的直接起动 A B C C' QS 控制电路 KM FU SB B' KM 动作过程 主电路

40. A B C FU KM SB3：点动 SB2：连续运行 控制 关系 M 3~ 该电路缺点：动作不够可靠。 点动+连续运行 方法一：用复合按钮。 QS KM SB2 SB1 SB3 FR KM FR 控制电路 主电路

41. A B C FU KM SB：点动 SB2：连续运行 控制 关系 M 3~ 点动+连续运行 方法二：加中间继电器（KA）。 K SB2 SB1 FR K KM SB K FR

42. 思考 以下控制电路能否实现即能点动、 又能连续运行 SB2 KM SB1 FR KM SB 不能点动！

43. 多台电动机的连锁控制线路 1)两台电动机的互锁 a)如机床主传动与润滑油泵传动间的连锁就是一种最常见的连锁：要求主传动电动机应该在润滑油泵工作后才准启动 a)工作互锁，同时停车

44. 多台电动机的连锁控制线路 1)两台电动机的互锁 a)如机床主传动与润滑油泵传动间的连锁就是一种最常见的连锁：要求主传动电动机应该在润滑油泵工作后才准启动

45. 多台电动机的连锁控制线路 1)两台电动机的互锁 b)铣床中不仅要求进给装置只有在主轴旋转后方能工作和两者能同时停车，而且要求在主轴旋转时进给装置可以单独停车。 b)工作互锁,可单独停车 这里1M代表主轴电动机，2M代表进给电动机。

46. 多台电动机的连锁控制线路 1)两台电动机的互锁 c)铣床不仅要求主轴旋转后才允许进给装置工作，而且最好能满足只有在进给装置停止后，才允许主轴旋转停止。 c)工作、停车都有互锁 这里1M代表主轴电动机，2M代表进给电动机。

47. 多台电动机的连锁控制线路 1)两台电动机的互锁 c)铣床不仅要求主轴旋转后才允许进给装置工作，而且最好能满足只有在进给装置停止后，才允许主轴旋转停止。 c)工作、停车都有互锁

48. 多台电动机的连锁控制线路 1)两台电动机的互锁 d)龙门刨床的横梁与工作台之间、刀架的进给与快速移动之间都要求两者不能同时工作. d)两电动机不能同时工作的互锁

49. 集中控制与分散控制 这个线路的特点是各拖动电动机的操作独立性更好，操作简单，许多生产自动线上都采用这样的控制线路。 5SB 、6SB集中控制

50. 集中控制与分散控制 这个线路的特点是各拖动电动机的操作独立性更好，操作简单，许多生产自动线上都采用这样的控制线路。 1SB 、3SB控制1KM