目 录
第一章． 第二章． 第三章． 第四章． 第五章．
第一节. 第二节.
一． 二． 三． 四．
P L C 概 论 ......................................................................... 2 PLC的组成及工作原理 .......................................................................... 2 三菱FX2N PLC指令系统 ....................................................................... 2 P L C 应 用 实 例 ......................................................................... 2 PLC程序设计的功能表图方法 .............................................................. 2
概 述 ........................................................................................................................... 2 功能表图的基本概念 ................................................................................................... 3
步 ..................................................................................................................................................... 3 有向线和转移 ................................................................................................................................. 4 功能表图的构成规则 ..................................................................................................................... 4 功能表图的基本形式 ..................................................................................................................... 4
第三节.
一．
二．
用梯形图实现功能表图的程序设计 ........................................................................... 7
步的进入 ......................................................................................................................................... 7 步的退出 ......................................................................................................................................... 7
第六章．
第一节．
一．
二． 三．
PLC应用中的若干问题 ........................................................................ 10
PLC的使用及其型号选择 ........................................................................................ 10
PLC型号的选择 ........................................................................................................................... 10 开关量I/O模块的选择 ................................................................................................................ 11 编程手段的选择 ........................................................................................................................... 12
第二节．
一．
二． 三．
降低PLC系统费用的方法 ....................................................................................... 12
减少模块的数量 ........................................................................................................................... 12 减少输入点 ................................................................................................................................... 12 减少输出点 ................................................................................................................................... 15
参考书： ......................................................................................................................... 16
PLC原理及应用 （讲义） 2
第一章． P L C 概 论
见 《PLC原理及应用（讲义）》上
第二章． PLC的组成及工作原理
见 《PLC原理及应用（讲义）》上
第三章． 三菱FX2N PLC指令系统
见 《PLC原理及应用（讲义）》中
第四章． P L C 应 用 实 例
见 《PLC原理及应用（讲义）》中
第五章． PLC程序设计的功能表图方法
第一节. 概 述
功能表图 ( Function Chart ) 亦称顺序功能表图 ( Sequence Function Chart )，简称SFC。
在前面我们已经系统地介绍了梯形图设计方法，这种方法绝大多数是采用经验设计方法，是从传统的继电器逻辑设计方法继承而来，它的基本设计思想是：被控制过程由若干个状态所组成，每个状态都由输入的某些命令信号建立，辅助继电器用于区分状态且构成执行元件的输入变量，而辅助继电器的状态由输入的命令信号控制，正确找出辅助继电器、命令信号及执行元件之间的逻辑关系，也就基本完成了程序设计任务。
经验法仅适用于简单的单一顺序问题的程序设计，且设计无一定的规律可循，对稍复杂的程序设计起来显得较为困难，而对具有并发顺序选择顺序的问题就更显得无能为力，故有必要寻求一种能解决更广泛顺序类型问题的程序设计方法。 功能表图是一种能很好解决上述问题的程序设计方法，它是描述控制系统的控制过程、功能、特性的一种图形，它最初很象一种工艺性的流程图，它并不涉及所描述的控制功能之具体技术，是一种通用的技术语言。这种设计方法很容易被初学者接受，对有一定经验的技术人员而言也会提高设计效率，有资料称这种设计方法可减少2/3的设计时间，且用此法设计出的程序调试、修改、阅读也很容易。 这种设计方法是在80年代初由法国科技人员最先提出的，因为它有许多优越
PLC原理及应用 （讲义） 3
性，很快得到了推广，法、德等国并对此推出了相关的国家标准，IEC了于88年公布了类似的国际标准，我国也已在86年颁布了功能表图的国标。
功能表图法在PLC程设中有两种用法：
1) 直接根据功能表图的原理研制PLC，即将功能表图作为一种编程语言直接使用，目前已有此类产品，多数应用在大、中型PLC上，其编程主要通过CRT终端，直接使用功能表图输入控制要求。
2) 用功能表图说明PLC所要完成的控制功能，然后再据此找出逻辑关系并画出梯形图。这种应用法较多，本节主要讨论这种方法。
第二节. 功能表图的基本概念
功能表图是一种描述顺序控制系统过程、功能和特性的图形表示方法。主要由步、转移，有向线等元素组成。
n
n为序号 图5-1步的符号
如
10 一． 步
步是控制系统中一相对不变的状态，在功能表图中，步通常表示某个或某些执行元件的状态，其符号见图5-1。步又分成起始步、动步、静步。 1．起始步：
起始步对应于控制系统的初始状态，是系统运行的起点。一个控制系统至少要有1个起始步，起始步的符号见图5-2
2．动步、静步
静步是指控制系统当前没有运行的步。 动步是指控制系统当前正在运行的步。
动步用1个小黑点放在步的方框图中表示，见图5-3。 动步、静步是系统分析时用的术语，平时进行程设时并不用。
图5-3动步符号
N N
N为序号 图5-2起始步
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3．步对应的动作
步是一个稳定的状态，表示过程中的一个动作。在该步的右边用1个矩形框表示，见图5-4，当一个步对应多个动作时，可用图5-5表示。
图5-4与步对应动作的表示方法
图5-5 一步对应多个动作的表示方法
N 动作 N 动作A 动作B N 动作A 动作B 二． 有向线和转移
1． 有向线
在控制系统中动步是变化的，会向前转移的，转移的方向是按有向线规定的路线进行，习惯上是从上到下、由左至右；如不是上述方向，应在有向线上用箭头标明转移方向。
必要时为了便于理解也可加箭头。 2． 转移条件
动步的转移是有条件的，转移条件在有向线上划一短横线表示，见图5-6，横线旁边注明转移条件。
若同一级步都是动步，且该步后的转移条件满足，则实现转移，即后一静步变为动步，原来的动步变为静步。
图5-6
a+b c . d
三． 功能表图的构成规则
画控制系统功能表图必须遵循以下规则： 1) 步与步不能直接相连，必须用转移分开。 2) 转移与转移不能相连，必须用步分开。
3) 步与步之间的连接采用有向线，从上→下或由左→右画时，可以省略箭头。当有向线从下→上或由右→左时，必须画箭头，以明示方向。 4) 至少有1个起始步。 四． 功能表图的基本形式 1. 单一序列 单一序列由一系列前后相继激活的步组成，每步的后面紧接一个转移，每个转移后面只有一
3 d 4 e 5 (a)
6 e 5 f 9 g 11 13 7 m 8 n 12 p (b)
图5-7单一序列与选择序列
(c)
PLC原理及应用 （讲义） 5
个步，见图5-7（a）。
2. 选择序列
选择序列的开始称为分支，见 图5-68(b)，转移符号只能标在水平
连线之下。如果步5是活动的，并且转移条件 e＝1，则发生由步5→步6的进展。 如果步5是活动的，并且f＝1，则发生由步5→步9的进展。一般只允许同时选择一个序列。
选择序列的结束称为合并，见图5-7(c)。几个选择序列合并到一个公共序列时，转移符号和需要重新组合的序列数量相同，转移符号只允许标在水平连线之上。如果步7是活动步，并且转移条件m＝1，则发生由步7→步13的进展。如果步8是活动步，并且n =1,则发生由步8→步13的进展。
3. 并发序列
并发序列的开始称为分支，见图5-8(a)。当转移的实现导致几个序列同时激活时，这些序列称为并发序列。当步3是活动的，并且转移条件d＝1时，
3 d 2 5 e 7 4 6 (a)
8 9 (b)
图5-8 并发序列的分支与合并
步4、步6、步8这三步同时变为活动步。同时步3变为静步。为了强调转移的同步实现。水平连线用双线表示。步4、步6、步8被同时激活后，每个序列中活动步的进展将是独立的。在表示同步的水平双线之上。只允许有一个转移符号。
并发序列的结束称为合并，见图5-8(b)。在表示同步的水平双线之下，只允许有一个转移符号。当直接连在双线上的所有前级步都处于活动状态，并且转移条件e=1时，才会发生步2、步5、步7到步9的进展，即步2、步5、步7同时变为静步，而步9变为活动步。
并发序列用来表示系统的几个同时工作的独立部分的工作情况。
PLC原理及应用 （讲义） 6
例如：图5-9是一个三工位钻床的工作台示意图。图5-10是该工作台控制系统的功能表图。步1是初始步，按下起动按钮后，三个工位同时工作。一个工位将工件送到圆形工作台上，然后送料推杆退回。另一个工位将工件夹紧并钻孔，钻完后钻头向上返回初始位置并松开工件。在第三个工位用深度计测量加工的孔 是否合格：如果合格，则测量头上升，并自动卸下加工好的工件。然后卸料杆返回；如果不合格，测量头返回后人工取走次品，并用按钮发出人工卸料完成的信号。三个工位的操作都完成以后，工作台顺时针旋转120℃，最后系统返回初始 步。步4、步9、步14并不完成什么动作，是为同时结束三个并发步而设置的等待步。图5-10中水平双线之下的转移条件“=1”表示转移条件总是满足的，即只要步4、步9、步14都是活动的，就会发生步4、步9、步14到步17的转移，步4、步9、步14变为静步，而步17变为活动步。
17 =1 工作台旋转 120° 14 4 3 2 送料推杆推 料到位 送料推杆返回 推杆初始位 7 升到顶 8 9 夹具松开 已松开 12 卸毕 13 卸料杆返回 卸料杆初始位 卸完按钮 5 6 钻到位 提钻 夹具夹紧 已夹紧 下钻 探到底,且2 第三节. 用梯形图实现功能表图的程序设计 一． 步的进入 除起始步外，每步的进入用该步前的转移条件和上一步的状态相与作为启动条件。 起始步一般用其它所有步的静步状态相与作为它的驱动条件。 二． 步的退出 用后面1步的状态作为本步的退出条件 注意：并发序列步的退出。并发序列退出进入后一步时，必须将所有并发顺序支路最后一步的状态相与后作为下一步进入的条件。 例如：4例6中讲述的液体混合装置一例，其PLC控制原理图、功能表图如图5-11（a）、（b）。控制程序梯形图如图5-12。 （a） 图5-11 液体混合装置控制系统功能表图 Y1 Y2 Y3 Y4 M15 Y0 Y2 Y1 Y4 Y4 Y3 X4 X3 X1 Y3 X0 X3 Y2 Y1 X2 Y4 Y2 Y4 Y3 L E+ COM N 1 YV1 YV2 YV3 启动 RUN X0 X1 X2 X3 X4 Y1 Y2 Y3 R RUN.L 2 I 3 H 4 T 5 L （b） 开YV3 Y3 R加热 Y4 开YV2 Y2 开YV1 Y1 H I L T Y4 M15 * Y1 起始步1的状态用M15表示，是用步2～步5的静步状态相与作为它的驱动条件。 M15支路在单一顺序控制中无多大意义，可省。但在选择/并发顺序中有较明确的意义，可使程序结构清晰。 END 图5-12 液体混合装置 PLC控制程序梯形图 PLC原理及应用 （讲义） 8 再如三位工位钻床的PLC控制原理图、地址分配见图5-13： 假设每步的状态用M位表示，例如M01、M09、M10、M17分别表示1、9、10、17步的状态。对应的梯形图如图5-14： RUN 启动 料到位 推杆初始位 夹具已夹紧 夹具已松开 钻头钻到位 钻头升到顶 探头探到底 探头升到顶 卸毕 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 E+ Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 COM 送料推杆推 送料推杆返回 夹具夹紧 夹具松开 钻头下钻 钻头提钻 测头下探 测头上升 卸料杆拨 卸料杆返回 工作台旋转 人工卸料灯 卸料杆初始位 旋转120° 卸完按钮 图5-13 三位工位钻床的PLC控制原理图 PLC原理及应用 （讲义） 9 02 M03 M04 M09 M10 M11 „MM„17 T00 T01 T01 T00 T01 TIM00 M01 M10 M11 M21 M12 M01 M02 M01 M05 M01 M10 M3 M04 M08 M09 M13 M16 X0 X0 M03 M11 11 M02 2 X0 M11 M06 M05 5 M15 并发进入* M10 M25 M15 M11 X10 M12 M12 X11 M13 M15 X14 M16 M15 15M12 12 选择进入 M13 M10 10 M14 M14 X2 M17 M04 4 X4 M17 M09 9 X12 X14 Y4 M17 M14 14 并发的最后一步M16 M04 M09 M14 X13 M13 13选择顺 序的最 M16 16后一步 M17 17 并发汇总 * M17 M02 M03 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 送料推杆推 送料推杆返回 夹具夹紧 夹具松开 钻头下钻 钻头提钻 测头下探 M02 X1 M03 M04 M03 3 M05 M08 M05 M06 M06 M07 M07 M08 M10 X3 M07 M06 6 M07 7 M06 M07 M10 X5 M08 X6 M09 M08 8 M11 * T00 Y10 测头上升 M15 M12 Y11 Y12 Y13 Y14 END K20 下2.0sec K21 下2.1sec M21 合格 2.0 M13 M17 M16 X7 X7 图5-14 三位工位钻床的控制程序梯形图 PLC原理及应用 （讲义） 10 第六章． PLC应用中的若干问题 第一节． PLC的使用及其型号选择 工业控制现在趋向于使用可编程控制器。PLC的高可靠性、高抗干扰性、很强的自我纠错和自我诊断能力已受到人们的普遍欢迎。而事实上PLC在实际应用中的引入对整个系统而言确实是大有裨益，但是在实际应用中也不是处处都适宜使用PLC。一方面其价格相对较高(最小配置也达千元以上)，盲目使用会使系统造价偏高；另一方面在某些控制系统中使用PLC中未必适合，比如下列情况就没必要使用PLC： 1) 被控制系统很简单，I/O点数很少。 2) I/O点数虽多，但控制并不复杂，各部分的联系很少，此种情况使用用继电器控制即可。 在下列情况则应选用PLC： 1) 系统的I/O点数很多，控制复杂，若用继电器控制，要用大量的中间继电器、时间继电器和接触器等器件； 2) 可靠性要求较高，继电器控制无法达到； 3) 工艺流程/产品品种常变，需要经常改变控制电路的结构或修改多项控制参数； 4) 多台设备的系统需要用同一个控制器控制； 5) 用继电器控制的费用低于PLC，但两者的费用已是同一数量级时。 一． PLC型号的选择 在确定系统中使用PLC后，就必须进行PLC的选型工作。进行选型工作时，应该从以下几个方面进行综合考虑： 1．I/O点数问题 I/O点数是决定PLC选型的最重要因素之一，一般而言： 1) 当控制对象I/O点在60点之内，I/O点数比为3/2时选用整体式(小型)PLC较为经济； 2) 当控制对象I/O点在100—200点左右，选用小型模块式的较为合理； 3) 当控制对象I/O点在300点左右时，选中型PLC； 4) 当控制对象I/O点在Y0点以上时就必须选用大型PLC。 PLC原理及应用 （讲义） 11 2．I/O类型问题 I/O类型也是决定PLC选型的重要因素之一，一般而言，多数小型PLC只具有开关量I/O；PID、A/D、D/A、位控等功能一般只有大、中型PL C才有。 3．联网通信问题 联网通讯是影响PLC选型的重要因素之一，多数小型机提供较简单的RS-232通讯口，少数小型PLC没有通讯功能。而大中型PLC一般都有各种标准的通信模块可供选择。必须根据实际情况选择适当的通信手段，然后决定PLC的选型。 4．系统响应时间问题 系统响应时间也是影响PLC选型的重要因素之一。一般而言，小型PLC扫描时间为10—20ms/kb；中型PLC扫描时间为几ms/kb；大型PLC扫描时间在1ms/kb以下。而系统响应时间约为2倍的扫描周期。根据实际要求进行分析，选择恰当的响应时间和PLC。 5．可靠性问题 应从系统的可靠性角度，决定PLC的类型和组网形式。比如对可靠性要求极高的系统，可考虑选用双CPU型PLC或冗余控制系统/热备用系统。 6．程序存贮器问题 在PLC选型过程中，PLC内存容量、型式也是必须考虑的重要因素。 通常的计算方法是：I/O点数×8(开关量)+100×模拟量通道数(模拟量)+120×(1+采样点数×0.25)(多路采样控制) 内存型式有CMOS(电容/电池保护的)、EPROM和E2PROM 总之，进行PLC选型时，不要盲目地追求过高的性能指标。另外，I/O点数，存贮容量应留有一定的余量以便实际工作中的调整。 二． 开关量I/O模块的选择 确定下PLC的型号以后，就必须对各种模块进行选型，开关量模块的选型主要涉及到如下几个问题： 1.外部接线方式问题 I/O模块一般分为独立式、分组式和汇点式。通常，独立式的点均价格较高，如果实际系统中开关量输入信号之间不需隔离可考虑选择后两种。 2.点数问题 前面所说，点数是影响PLC选型的重要因素，同样在进行I/O模块的选型时也必须根据具体点数的多少选择恰当的I/O模块。通常I/O模块有4、8、16、24、32、 PLC原理及应用 （讲义） 12 64点几种。一般而言，点数多的点均价就低。 3.开关量输入模块 通常的开关量输入模块类型有有源输入、无源输入、光电接近传感器等输入。进行开关量输入模块的选型时必须根据实际系统运行中的要求综合考虑。当然，具体到有源输入模块还分为AC输入、DC输入和TTL电平输入。 AC电压等级24V、120V、220V DC电压等级24V、48V、10~60V AC/DC电压等级24V。 4.开关量输出模块 通常的开关量输出模块类型有继电器输出、可控硅输出和晶体管输出。在开关量输出模块的选型过程中，必须根据实际系统运行要求及要求输出的电压等级进行相应的选型。 三． 编程手段的选择 PLC编程手段也是影响PLC选型的一个重要因素，一般常用的编程手段有如下几种： 1) 便携式简易编程器：一般的应用场合选它较多，特别是当控制规模小，程序简单的情况下，使用较为合适。 2) 图形(GP)编程器：此种编程方法适用于中、大型PLC，此方法除具有输入、调试程序功能外，还具有打印程序等功能。但价较高，一般情况不必采用。 3) PC机及编程软件包：这是PLC的一种很好的编程方法，具有功能强、 成本低(因为很普及)以及使用方便等特点。 第二节． 降低PLC系统费用的方法 一般，PLC系统的价格约有40—60%的费用是用于I/O模块及其辅助设备(如电源、扩展机架等)，当前PLC的I/O点均价高达100元/点左右。所以减少所需I/O点数是降低PLC系统费用的主要措施之一。 一． 减少模块的数量 模块数的减少，可减少扩展机架和扩展电源的数量，从而达到减少造价的目的。同时I/O模块应该尽量选用点数多的、汇点式的，使其点均价降低。 二． 减少输入点 减少输入点可以有效的减少与此相关的费用，具体操作实施要在系统设计过程 PLC原理及应用 （讲义） 13 中统筹安排，主要体现在软硬件的调整上。常用的方法有如下几种： 1. 操作功能相同的输入信号合并 如下图所示，左边的示意图从功能上可用右图替代，而且减少了一个输入点。 图6-1 输入信号合并 X0 X0 X0 X0 X1 „„ X1 „„ 2. 去掉多余的输入信号 在实际系统集成的过程中，有许多冗余接线完成的功能，通过适当调整接线、程序，所完成的功能相同，但却少开销了PLC的输入点。如下图所示，左图中两位开关处于上/下触点表示的分别是手动/自动状态，而右图完成的功能与左图相同，只是程序稍作改动。 X0 X1 手动 自动 X0 手动 自动 X1 X0 „„ 手动 „„ 自动 X0 X0 „„ 手动 „„自动 图6-2 去掉多余信号 3. 无需接入PLC的信号不要接入 图6-3所示，左图中开关K断 / 合分别导致交流接触器C的线圈激励/不激励。相同的功能可简单地由右图完成，无 X0 Y0 图6-3 无需接入PLC的信号 KA X0 Y0 KM L N KA KM PLC原理及应用 （讲义） 14 需开销PLC的I/O点。 4. 矩阵输入 实际应用中，有许多冗余接线完成的功能，通过接线、程序的适当调整，所完成的功能相同。如下图所示，左图的PLC接线、程序占用9个输入点，而改成右图后，占用3个输入点和3个输出点（输出模块是继电器型的），总量上少用了3个点。工作原理是：M20--M22轮流为“1”状态，从输入端X1--X3分时输入3组开关的状态。因为输出电路的公共点COM与输入电路的公共点E+连在一起，M20为“1”状态时读入1K-3 K的状态，设1K接通，电流从M20端流出，经1K流入X1端，使输入点X1变为“1”状态。在梯形图中，将M20和X1的常开触点串联，对应于1K提供的输入量。M21为“1”状态时，读入4K-6K的状态；M22为“1”状态时，读入7K-9 K的状态。 右图是控制对应的梯形图，该梯形图使用了移位寄存器，移位脉冲的周期(0.01s)应大于PLC的扫描周期。1K-9 K的变位速度应慢于0.1s。 1K E+ 2K X1 X2 ……in 9K X11 图6-4 X1 X2 ………… X11 图6-5 Y0 O Y1 U Y2 T COM 1K 4K 7K E+ X1 2K 5K 8K I X2 N 3K 6K 9K X3 M8002 MM0 23 M8011 SFTL M0 M20 K16 K1 (0.01S) M20 X1 X2 M20 X3 M21 X1 X2 M21 X3 M22 X1 X2 M22 X3 PLC原理及应用 （讲义） 15 三． 减少输出点 1. 状态指示灯与输出命令并联 注意：并联时指示灯与负载的 额定电压应相同，总电流不应超过PLC允许的值。 Y0 Y1 Y0 × × Y0 Y1 Y0 图6-6 2. 数字显示器代替指示灯 图6-7 只有1个灯亮 Y0 Y1 … … … Y17 × × Y0 Y3 Y4 Y7 1 2 4 8 1 2 4 8 个位 ………十位 3. 用PLC的一个输出点控制指示灯常亮或闪烁，可以显示两种不同的信息 减少输入 / 输出点的方法还有好多，这里就不一一列举了。 × 用数字显示 PLC原理及应用 （讲义） 16 PLC原理及应用 吕国芳 参考书： 1. 可编程序控制器应用技术 廖常初 等编 何衍庆 等编 易传禄 等编 朱善君 等编 崔亚军 等编 附录1 重庆大学出版社 化学工业出版社 上海科普出版社 清华大学出版社 电子工业出版社 2. 可编程序控制器原理及应用技巧 3. 可编程序控制器应用指南 4. 可编程序控制系统原理、应用、维护 5. 可编程序控制器原理及程序设计 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容