可编程控制器原理及其应用第二版课后答案(王庭有著)国防工业出版社

习题一

1. 什么是可编程控制器？

可编程控制器是一种工业控制计算机，简称PLC（Programmable Logic Controller）或PC（Programmable Controller）。因为个人计算机也简称PC（Personal Computer），为避免和个人计算机相混淆，一般简称可编程控制器为PLC。

2. 什么是可编程控制器的I/O 接口电路？可编程控制器的I/O 接口电路由哪几部分组成？

I/O 接口电路的作用是什么？

I/O接口电路是可编程控制器连接外部设备的接口电路。

I/O接口电路包括输入模块、输出模块、编程器接口、存储器接口、扩展板接口、特殊模块接口和通讯接口。

I/O接口电路是可编程控制器和外界交换信息的通道。I/O接口电路实现可编程控制器与外部设备的信息交换。输入模块用来接收和采集输入信号，输出模块用来把可编程控制器产生的控制信号传送到其控制对象上，编程器接口主要用于把编程器连接到可编程控制器，存储器接口用于扩展存储器，扩展板接口用于连接扩展板（如通讯扩展板），特殊功能模块接口用于把特殊功能模块（如A/D模块、D/A模块）连接到可编程控制器上，通讯接口用于可编程控制器之间或可编程控制器与上位机之间的通讯。

3. 什么是软继电器？试比较软继电器和真实的继电器的异同。

可编程控制器中的输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器等称为软继电器（软电器），它们只是用来描述可编程控制器的控制功能的一种等效电器，不是真正的继电器。

①相同点

电气结构相同：均由线圈和触点（常开触点和常闭触点）组成。

工作原理相同：当线圈通电时，常开触点闭合，常闭触点断开；当线圈断电时，常开触点断开，常闭触点闭合。

②不同点

电气符号不同：真实继电器的电气符号由国家标准规定，软继电器的电气符号由可编程控制器厂家规定。

触点数量不同：真实继电器只有有限对触点，软继电器有无穷对触点。

形态不同：真实继电器有形状、有尺寸，是一种实实在在的电器实体；软继电器只是计算机中的存储位或存储单元，是电子电路。

控制功能的实现方式不同：真实继电器通过真实继电器的触点状态的变化来实现其控制功能，而软继电器则是通过执行控制程序来实现其控制功能。

驱动方式不同：可编程控制器通过软件“置1”或“置0”存储位来改变软继电器的工作状态，只要存储位“置1”或“置0”，对应的软继电器即可可靠工作；真实继电

器通过使线圈通电或断电来改变软继电器工作状态，线圈电压必须达到规定的值，真实继电器才能可靠工作。

工作可靠性和寿命不同：软继电器工作可靠性高、寿命长；真实继电器工作可靠性相对低、寿命相对短。

4. 什么是可编程控制器的输入点？输出点？I/O 点数？

广义地说，可编程控制器上输入信号（数字信号或模拟信号）的一个通道称为一个输入点，可编程控制器上输出信号（数字信号或模拟信号）的一个通道称为一个输出点，可编程控制器的所有输入点和输出点的总和称为可编程控制器的I/O点数。狭义的I/O 点数仅指输入继电器与输出继电器的总数（输入输出信号为数字信号）。

5. 什么是可编程控制器的梯形图？

把选用的可编程控制器的等效电器连成的等效控制电路图称为可编程控制器的梯形图。梯形图是使用可编程控制器时，面向使用者，用来描述可编程控制器的控制功能的一种形象的图形。梯形图在可编程控制器内体现为程序，即用户程序。

6. 什么是可编程控制器的I/O 连接图？

可编程控制器与其外设的连接图称为可编程控制器的I/O连接图。

7. 可编程控制器的结构形式有那几种？各有何特点？如何选择可编程控制器的结构形

式？

从结构上看，可编程控制器有主机扩展式和模块式两种。

主机扩展式可编程控制器的CPU部分、存储器部分、I/O接口电路部分及内部电源做成一个整体，装在一个机箱内形成一台完整的可编程控制器。当主机满足不了使用要求时，可以加各种模块（例如I/O模块、通讯处理模块、A/D模块）进行扩展。FX系列可编程控制器就属于主机扩展式可编程控制器。

主机扩展式可编程控制器价格便宜，性价比高，体积较小，控制规模相对小些，处理能力相对弱些。

模块式可编程控制器的CPU部分、存储器部分、输入接口电路部分、输出接口电路部分、数据交换接口电路（如通讯接口）部分及内部电源都做成单独的模块，使用时选择好这些模块后，再把所有模块插在母板（母板就是计算机总线）上组合成一台完整的可编程控制器。

模块式可编程控制器的系统构成比较灵活，扩展方便，容易维修，体积较大。

中高档的可编程控制器一般做成模块式。相对而言，模块式可编程控制器的控制规模大，可以完成复杂的逻辑控制，可以完成闭环控制，具有较强的数据处理能力，可以完成矩阵运算、函数运算，可以完成数据管理工作，有更强的通讯能力。

控制规模不太大、处理速度、处理能力要求不太高时，可选用主机扩展式，反之，选用模块式。

8. 可编程控制器的输出模块连接控制对象时，有几种接线方法？如何选用这些接线方法？

输出模块的接线可采用分组汇点式（每组输出元件拥有一个公共端），如图(a)所示；

或采用汇点式，如图(b)所示。输出模块连接的所有控制对象的电压等级和类型都相同时，采用汇点式（全部输出元件拥有一个公共端）；输出模块连接的控制对象的电压等级或类型不相同时，采用分组汇点式。

图可编程控制器输入输出的接线方式

9. 可编程控制器的输出模块有几种类型？如何选择可编程控制器的输出模块的类型？

可编程控制器的输出模块的类型有晶体管型（T）、可控硅型（S）、继电器型（R）。

晶体管型只能驱动直流负载，可控硅型只能驱动交流负载，继电器型则既能驱动直流负载，也能驱动交流负载。

根据负载类型、电源类型、要求的输出响应速度选择可编程控制器的输出模块。晶体管型（T）、可控硅型（S）输出响应速度快。

10.阅读图1.18 所示电路，使用可编程控制器实现原电路的功能。画出可编程控制器的I/O

连接图和梯形图。

图1.18 题10 图

I/O连接图

梯形图

11.阅读图1.19 所示电路，使用可编程控制器实现原电路的功能。画出可编程控制器的I/O

连接图和梯形图。

\\

图1.19 题11 图I/O连接图

梯形图

12.阅读图1.20 所示电路，使用可编程控制器实现原电路的功能。画出可编程控制器的I/O

连接图和梯形图。

图1.20 题12 图

I/O连接图梯形图

习题二

1．可编程控制器有哪些软电器？这些软电器中哪些用八进制编号？哪些用十进制编号？

①可编程控制器中的软电器有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定

时器、计数器、状态继电器。

②输入继电器和输出继电器采用八进制编号，其它软电器采用十进制编号。2．比较输入继电器、输出继电器和辅助继电器的异同。

①相同点

电气结构相同：均由线圈和触点（常开触点和常闭触点）组成。

工作原理相同：当线圈通电时，常开触点闭合，常闭触点断开；当线圈断电时，常开触点断开，常闭触点闭合。触点在梯形图中的使用次数不受限制。

②不同点

编号不同：输入继电器编号为“X＋3位数字”，如X000、X001；输出继电器编号为“Y＋3位数字”，如Y000、Y001；辅助继电器编号为“M＋数字”，如M0、M120 等。

用途不同：输入继电器和输入模块相对应，用来接收和采集输入信号，输入继电器的线圈不能出现在梯形图中。输出继电器和输出模块相对应，用来把可编程控制器产生的控制信号传送到其控制对象上。辅助继电器是可编程控制器的内部电器，只用在梯形图内，与其它软电器配合实现各种控制功能，与输入输出无直接关系，辅助继电器的种类比较多，数量也较多，有些辅助继电器具有特殊功能。3．定时器有哪几种类型？说明每种定时器的结构和工作原理。

①定时器分类

按定时精度分，定时器有1ms定时器、10ms定时器、100ms定时器。

按定时器定时时间是否可以累加，定时器分为非积算型定时器和积算型定时器。

②定时器结构

定时器由线圈和触点组成，但线圈的通电或断电时刻与其触点的状态转换时刻不同步。

③非积算型定时器的工作原理

非积算型定时器的线圈通电时，定时器开始计时（每个计数脉冲来临时定时器当前值加1），时间到（计数当前值=计数设定值）则定时器常开触点闭合，常闭触点断开。系统或线圈断电时停止计时并复位，定时器常开触点断开，常闭触点闭合，定时器当前值回0。

④非积算型定时器的工作原理

积算型定时器的线圈通电时，定时器开始计时，线圈断电时，定时器停止计时，但不复位，线圈再通电时，定时器在上次通电时的计时结果上继续累加时间，

时间到则定时器常开触点闭合，常闭触点断开。积算型定时器必须用复位指令复位，复位后，定时器常开触点断开，常闭触点闭合，定时器当前值回0。系统断电也不会让积算型定时器复位。

图非积算型定时器图积算型定时器

4．定时器有1ms 定时器、10ms 定时器、100ms 定时器，这里的1ms、10ms、100ms 的含义是什么？

定时器通过对可编程控制器内的方波信号的计数来实现计时。根据定时器计数的方波信号的周期，定时器分为1ms定时器（对周期1ms的方波计数）、10ms定时器（对周期10ms的方波计数）、100ms定时器（对周期100ms的方波计数）。1ms 定时器的定时精度是1ms，10ms定时器的定时精度是10ms，100ms定时器的定时精度是100ms。

5．如何设定和计算定时器的定时时间？

使用定时器时，先要选择定时器类型（积算型或非积算型）及定时精度（1ms、10ms或100ms），然后要设置定时时间。定时时间是通过设定计数次数来设置的，定时器的定时时间按下式计算：

定时时间＝计数次数×定时精度。

6．什么是定时器的设定值？什么是定时器的当前值？

人为指定的规定定时器定时时间的数值称为定时器的设定值，设定值规定了定时器线圈通电时刻与定时器触点动作时刻的时间差，设定值规定了定时器触点动作时刻滞后于定时器线圈通电时刻的时间。定时器开始计时后，至考察时刻时间的累计值（计数值）称为定时器的当前值。

7．什么是低速计数器？低速计数器有哪几种类型？说明每一种低速计数器的结构和工作原理。

低速计数器对低速脉冲计数，低速计数器的计数信号由可编程控制器的软电

器或外部电器产生，计数频率最大为扫描周期的倒数，在几十至几百赫兹之间。

低速计数器有16位增计数器和32位增／减双向计数器两类。低速16位增计

数器的设定值寄存器和当前值寄存器都是16位寄存器，计数器设定值有效范围是1～32767，它只能作加法计数。低速32位增／减双向计数器的设定值寄存器和当

前值寄存器是32位寄存器，设定值有效范围为－2147483648～＋2147483647。32

位增／减双向计数器可作加法计数和减法计数，计数方式用特殊辅助继电器

M8200～M8234来设定。当特殊辅助继电器置1时，其对应的双向计数器按减法计

数方式计数；当特殊辅助继电器置0时，其对应的双向计数器按加法计数方式计数。

计数器由计数装置和触点组成，计数装置（包括计数端和复位端）用来改变

触点的状态。计数端和复位端分别由一条由各种触点组成的电路控制。

低速16位增计数器的工作原理如图所示。

图低速16 位增计数器

计数器的复位电路OFF时，计数器进入计数状态。每来一个计数脉冲计数一

次（上升沿计数），即控制计数端的电路每次由OFF→ON时，计数器计数一次。当计数器计数到设定值时，计数器触点动作，常开触点闭合，常闭触点断开，计数当前值不再增加。

计数器的复位电路ON时，计数器进入复位状态，常开触点断开，常闭触点闭合，计数当前值回0。复位电路具有优先权：复位电路ON时，即使有计数脉冲，

计数器也不会计数；复位电路ON时，计数器立即复位。

计数器的复位电路OFF时，计数器进入计数状态。每来一个计数脉冲计数一

次（上升沿计数），即控制计数端的电路每次由OFF→ON时，计数器计数一次。低速32位双向计数器作增计数时，当计数值达到或超过设定值时，触点动作并保持（常开触点闭合，常闭触点断开），只要有计数脉冲，计数器继续计数（计数当前值继续增加）；而作减计数时，计数值小于设定值时触点复位（常开触点断开，常闭触点闭合），但计数当前值不回0，只要有计数脉冲，计数器继续计数（计数当前值继续减少）。32位增／减双向计数器是循环计数器，若当前值已为＋2147483647时，再计一次数，则当前值变为－2147483648；同样，若当前值已为

－2147483648时，再计一次数，则当前值变为＋2147483647。

计数器的复位电路ON时，计数器进入复位状态，常开触点断开，常闭触点闭合，计数当前值回0。复位电路具有优先权：复位电路ON时，即使有计数脉冲，计数器也不会计数；复位电路ON时，计数器立即复位。

低速32位增／减双向计数器的工作原理如图所示。

图32位增／减双向计数器的工作过程

8．如何设定低速计数器的增／减计数方向？

32位增／减双向计数器可作加法计数和减法计数，计数方式用特殊辅助继电器M8200～M8234来设定。当特殊辅助继电器置1时，其对应的双向计数器按减法计数方式计数；当特殊辅助继电器置0时，其对应的双向计数器按加法计数方式计数。

9．什么是低速计数器的当前值和设定值？

计数器的设定值是人为指定的一个数值，设定值规定了计数器开始计数后，计数器触点动作的条件。计数器开始计数后，至考察时刻计数值的累计值称为计数器的当前值。

10．什么是高速计数器？高速计数器有哪些类型？说明每一种高速计数器的工作原理和使用方法。

11、什么是时序图？时序图的用途是什么？

描述电器状态和电路状态与时间的关系的图形成为时序图。

时序图既可用来描述软电器的线圈的通电时刻、断电时刻、通电状态持续时间、断电状态持续时间；也可用来描述软电器的触点的闭合时刻、断开时刻、闭合

状态持续时间、断开状态持续时间。在这两种情况下，时序图由水平线和竖线组成。竖线表示线圈的通电时刻、断电时刻；或者表示触点的闭合时刻、断开时刻。低水平线表示线圈的断电状态，低水平线段的长度表示线圈的断电状态的持续时间；或者表示触点的断开状态，低水平线段的长度表示触点的断开状态的持续时间。高水平线表示线圈的通电状态，高水平线段的长度表示线圈的通电状态的持续时间；或者表示触点的闭合状态，高水平线段的长度表示触点的闭合状态的持续时间。低水平线段右端或高水平线段左端的竖线（上升沿）表示某种状态的开始时刻，低水平线段左端或高水平线段右端的竖线（下降沿）表示某种状态的结束时刻。时序图的组成如图所示。时序图用来描述软电器中的定时器和计数器时，有时还会加上斜线表示时间值和计数值的累加过程，也可能出现台阶形的波形，表示计数值的变化过程，

图时序图的组成

时序图用于描述控制电路的工作情况和工作过程。

\\

““

13．什么是逻辑表达式？逻辑表达式的用途是什么？

电路中的二值元件（如触点、线圈）的状态可用一个变量表示，这种变量称

为逻辑变量。逻辑变量只取逻辑值“0”、“1”。“0”对应线圈的通电状态和触点的 闭合状态，“1”对应线圈的断电状态和触点的断开状态。一般，常开触点和线圈 对应的逻辑变量用常开触点和线圈所属电器的文字符号表示，常闭触点对应的逻辑 变量也用常闭触点所属电器的文字符号表示，但其文字符号加上划线。

逻辑表达式是由逻辑变量经过逻辑运算构成的表达式。代表线圈的逻辑变量 单独放在“=”的一边，“=”的另一边放上由代表触点的逻辑变量经过逻辑运算构 成的表达式，这个表达式由逻辑加运算符“+”、逻辑乘运算符“.”、逻辑非运算符 “-”、括号构成，表示触点之间的连接关系，逻辑加”用来表示“触点并联”，逻 辑乘”用来表示“触点串联”，“逻辑非”用来表示“常闭触点”(即常开触点的状 态取反)。

逻辑表达式通过计算由代表触点的逻辑变量组成的表达式的逻辑值，确定线 圈的逻辑值，再由线圈的逻辑值确定线圈控制的触点的逻辑值，进而分析电路状态。

14．什么是数据寄存器？数据寄存器的字长是多少？如果要存储到数据寄存器中的数

据的字长比数据寄存器的字长大，如何使用数据寄存器来存放这样的数据？ 15．什么是文件寄存器？ 16．什么是变址寄存器？

17．什么是指针？指针有哪几种类型？

18．什么是位元件、字元件、双字元件和位组合元件？ 19．写出图 2.53 和图 2.54 对应的指令程序。

\\

图2.53 题19 图图2.54 题19 图

20．写出图2.55 对应的指令程序。图中SET 指令和RST 指令是什么指令？SET 指令和RST 指令的用途是什么？

图2.55 题20 图

21．写出图2.56 对应的指令程序。图中PLS 指令和PLF 指令是什么指令？PLS 指令和PLF 指令的用途是什么？

图2.56 题21 图

22．写出图2.57 对应的指令程序。LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF 指令的功能是什么？

图2.57 题22 图

23．用堆栈指令写出图2.58 对应的指令程序。

\\

图2.58 题23、24 图

24．用主控指令写出图2.58 对应的指令程序。25．END 指令的功能是什么？

习题三答案

1．可编程控制器是如何实现其控制功能的？可编程控制器实现其控制功能的方式与继电器-接触器系统实现控制功能的方式有何不同？

①继电器-接触器控制系统是通过继电器和接触器触点状态的变化来实现其控

制功能。

②可编程控制器则是通过执行控制程序来实现其控制功能。

2．可编程控制器的控制程序包含哪些功能模块？可编程控制器采用什么样的方式执行其控制程序？

①可编程控制器的控制程序大致由三大模块构成。

第一个大模块是初始化模块，当可编程控制器上电后，即进行系统初始化。

例如，使系统的某些存储区清0，将特殊寄存器（单元或位）置位或清0，

设置I/O模块的工作方式等。

第二个大模块是实现系统控制功能的模块，在这个模块中，系统接受外部

输入信号，根据外部输入信号执行用户程序，按照用户程序的执行结果输出

控制信号，去影响可编程控制器的控制对象的行为。在这个模块中，还要进

行通讯处理，实现可编程控制器与可编程控制器之间的信息交换，或实现可

编程控制器与其它设备（如上位计算机、智能仪表、远程I/O设备、变频器

等）之间的信息交换。

第三个大模块是保证可编程控制器可靠性的模块，这个模块能对可编程控

制器自身是否正常进行自我诊断。例如，判断电池电压是否已降至允许电压

最小值以下，判断是否有硬件故障（CPU、存储器、I/O设备是否正常），判

断通讯是否异常等。如果自检不正常，可编程控制器中的异常继电器接通，

可编程控制器面板上的出错指示灯亮，特殊寄存器中将存入错误代码。当出

现致命错误时，可编程控制器被强制为STOP状态，用户程序不再被执行。

②可编程控制器采用循环方式周期性地执行其控制程序中的各个功能模块，

3．可编程控制器的工作过程主要包含哪几个阶段？每个阶段实现什么功能？

①输入采样：可编程控制器上电且状态开关置于RUN后，首先进入输入采样

阶段。在这个阶段，可编程控制器扫描所有输入端子，并将接在各输入端子

上的各种触点的状态（0状态或1状态）读入，并保存在相应的存储区中。

保存输入信号状态的存储区称为输入映像区，在输入采样阶段，输入映像区

的值被刷新。

②通讯处理：输入采样阶段结束后，可编程控制器开始通讯处理阶段，实现可

编程控制器与其它智能设备之间的信息交换。可编程控制器从其它设备接受

的信息存入接收缓冲区，而要传送给其它智能设备的信息则需事先写入发送

缓冲区。

③执行用户程序：通讯处理阶段结束后，可编程控制器自动进入执行用户程序

1

阶段。在这个阶段，可编程控制器利用输入映像区中的值以及接收到的通讯

数据，按从上到下的顺序执行用户程序，产生中间结果及要输出以影响控制

对象行为的控制信号。中间结果是M电器、S电器等内部电器的状态，输出

信号是Y电器的状态，输出信号保存在Y电器对应的存储区中，存储输出继

电器状态的存储区称为输出映像区。

④输出刷新：用户程序执行完后，可编程控制器进入输出刷新阶段。在这个阶

段，可编程控制器把输出映像区中的值送至输出锁存器，输出锁存器的状态

被刷新，输出锁存器的新状态通过输出端子施加到可编程控制器的控制对象

上，以影响控制对象的行为。输出刷新完成后，可编程控制器自动开始新的

输入采样阶段，之后，周而复始地重复上述四个阶段，直到可编程控制器关

机或进入STOP状态。

4．什么是可编程控制器的扫描周期？决定可编程控制器扫描周期的主要因素是什么？扫描周期越长越好还是越短越好？

①可编程控制器的控制程序的各个模块均被执行一次所需要的时间称为扫描

周期。扫描周期是可编程控制器的一个重要技术指标。

②可编程控制器正常工作后，执行通讯处理程序所需要的时间与网络的复杂程

度及通讯的数据量大小有关，执行用户程序所需要的时间与用户程序的长短

有关，执行其它程序模块所需要的时间是固定的，所以，可编程控制器的扫

描周期的长短主要由通讯时间和执行用户程序的时间决定。当然，可编程控

制器的扫描周期还与CPU的运算速度、I/O点的多少、扩展模块的多少有关。

③扫描周期反映出可编程控制器的处理速度，越短越好。扫描周期越短，输入

信号和输出信号的同步性越好。

5．可编程控制器有输入信号后，将有相应的输出信号，这两种信号是否同步？为什么？如果不同步，它们之间的时间差会有多大？

①不同步。

②可编程控制器的工作过程主要由输入采样、通讯处

理、执行用户程序、输出刷新四个阶段组成，这四个

主要工作阶段有严格的先后顺序，一个阶段结束后，

才开始下一个阶段，四个阶段在时间上没有重叠，如

图所示。

③输入采样阶段输入信号，输出刷新阶段才输出信号，

而输出刷新阶段滞后于输入采样阶段，因此，可编程

控制器的输出信号滞后于产生这些输出信号的输入

信号。

④约几个扫描周期。

6．阅读下列梯形图，根据已给出的时序图，画出指定的时序图。

2

⑴

⑵

图3.28

图3.29

题 6 图1

题 6 图2 3

⑶

⑷

图3.30

图3.31

题 6 图3 题 6 图4 4

⑸

图3.32 题 6 图5

7．在可编程控制器的输入端接4只转换开关，每只开关代表一个

二进制位。在可编程控制器的输出端接图 3.33所示的LED显示

器。要求输入二进制数0000～1001，在LED显示器上显示相应

的十进制数，试设计其控制程序。

图 3.33 LED 管

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