PLC实训指导书-电气自动化

电气控制技术PLC编程与应用技术

实

训

指

导

书

一、实训目的和要求

1、实训目的

（1）掌握可编程序控制器的操作方法；

（2）熟悉基本指令与应用指令以及实训设备的使用方法；

(3) 理论联系实际提高学生分析问题和解决问题的能力；

2、实训要求

（1）认真准备每次实训的内容；

（2）实训前理清好本次内容的编程思路以及所要使用的编程方法；

（3）通过上机调试来发现问题和解决问题；

（4）验证程序的最终实现结果是否符合要求；

二、实训内容

项目一：PLC基础知识

任务一：PLC的基本认识

基础知识

一、PLC的由来

1、替代继电-接触器控制系统

复习继电-接触器控制系统知识：组成、缺点

2、研发标准：美国通用汽车公司(GM公司) 1968年提出了研制新型控制装置的十项指标，其主要内容如下：

(1) 编程简单，可在现场修改和调试程序；

(2) 价格便宜，性价比高于继电器控制系统；

(3) 可靠性高于继电器控制系统；

(4) 体积小于有继电器控制柜的体积，能耗少；

(5) 能与计算机系统数据通信；

(6) 输入量是交流115 V电压信号（美国电网电压是110V）；

(7) 输出量是交流115 V电压信号、输出电流在2 A以上，能直接驱动电磁阀等；

(8) 具有灵活的扩展能力；

(9) 硬件维护方便，采用插入式模块结构；

(10) 用户存储器容量至少在4 KB以上

3、研发时间：1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求研制出第一台可编程序控制器，型号为PDP-14

二、PLC的定义

1980年正式将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，常将可编程序控制器简称为PLC。

PLC作了定义：可编程序控制器是一种带有指令存储器、数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动化控制装置。

1987年的第3稿中对PLC作了如下的定义：PLC是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按照易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则而设计。

三、PLC的功能

1、控制功能：逻辑、定时、计数、顺序

2、数据处理

3、A/D、D/A转换功能

4、通信、联网

四、PLC的特点

1、可靠性高，抗干扰能力强

2、编程方法简单，易于掌握

3、功能强

4、通用性强，使用方便

5、模块化组合，灵活方便

6、体积小，能耗低

五、分类

1、按点数和功能分类

(1)超小型机：I/O点数为64点以内，内存容量为256～1000字节；

(2)小型机：I/O点数为64～256，内存容量为1～3.6K字节；

(3)中型机：I/O点数为256～1024，内存容量为3.6～13K字节；

(4)大型机：I/O点数为1024以上，内存容量为13K字节以上；

2、按结构形式

(1) 整体式结构

一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。

（2) 模块式结构

模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。

六、PLC的发展及现状

1、结构确定 1970-1980

2、系列化、标准化、模块化 1980-1990

3、高性能、小型化 1990-2000

4、智能模块开发与网络化阶段 2000-

三大流派：美、欧、日。日本立石（OMRON）公司的C系列可编程序控制器；

日本三菱（MITSUBISHI）公司的F、F1、F2、FX2系列可编程序控制器；日本松下（PANASONIC）电工公司的FP1系列可编程序控制器；美国通用电气（GE）公司的GE系列可编程序控制器；美国艾论—布拉德利（A--B）公司的PLC-5系列可编程序控制器；德国西门子（SIEMENS）公司的S5、S7系列可编程序控制器。

七、PLC的发展趋势

1、向小型化、专业化、价格低廉方向

应用于单机控制和小生产线的控制

2、向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化方向发展

任务二、PLC构成、原理、应用

基础知识

一、PLC的基本结构

1、微处理器（CPU）：运算器、控制器

2、存储器：系统程序、用户程序、逻辑变量、一些其他信息。

3、输入、输出模块（I/O）

输入：隔离，滤波、电平转化。

输出：隔离

4、电源模块

24V直流、220V交流

5、编程器

键盘、显示器、工作方式选择开关和外存储器接插口。

6、其他接吸外部设备

二、PLC的软件系统

组成：系统程序、用户程序

1、系统程序—软件核心，控制管理硬件系统，为用户程序执行提供支持。

1）系统管理程序

2）用户程序编辑和指令解释程序

3）标准子程序与调用管理程序

2、用户程序

用户利用PLC的一个编程语言，根据用户的不同控制要求编制的控制程序。

3、编程语言

1）梯形图

2）指令语句

3）逻辑符号图

三、PLC工作原理、

循环扫描工作方式，三个阶段：

①输入采样

②程序执行

③输出刷新

四、PLC控制系统与继电-接触器控制系统的比较

1、继电-接触器控制系统的组成

2、PLC控制系统的组成

3

1）控制方法

2）工作方式

3）控制速度

4）定时和计算控制

5）可靠性

6）可维护性

五、PLC的等效电路

PLC的用户程序替代继电-接触器控制电路

即将PLC等效成无数个“软继电器”和“软接线”，而用户程序就是用“软接线”将“软继电器”及其“触点”按一定要求连接起来的“控制电路”。

输入设备控制相应的“软继电器”状态。——输入继电器

“软继电器”的状态控制对应的输出设备的状态。——输出继电器

用户程序中线圈————“—( )—”

动合触点——“——”

动断触点——“——”

任务三：PLC软件的使用，程序的设计过程

基础知识

一、PLC主要编程方式

1、指令表编程：“ LD”、“ AND”、“ OUT”等顺序指令输入的方式。

2、梯形图：顺控信号及软元件号，在图形画面上作出顺控电路图的方法。这种方法用触电符号与线圈符号表示顺控回路，因而容易理解程序的内容。用时还可用回路显示的状态来监控可编程控制器的动作。

二、梯形图

1、继电器电路图与梯形图的比较

2、梯形图编程基本规则

（1）动合触点、动断触点、触点可反复使用

（2）线圈用Y000~Y377表示，只能使用一次

（3）由左到右，由上到下顺序画出，“左重右轻，上重下轻”。

三、基本指令：（LD、LDI、OUT、AND、ANI、OR、ORI、ORB）

（1）运算开始

（2）触点串联连接

（3）触点并联连接

（4）组合电路的编程

（5）置位、复位指令

（5）定时器、计数器

计数器

通用增加计数器为16个（CO~C15），锁存用增量计数器个数为16个（C16~C31），每个计数器为16位，指令步数为3步。

C200~C219通用增减计数器20个，C220~C234锁存用增减计数器15个，每个计数器为32位。

定时器指令

200个100ms定时器T0~T199，46个100ms定时器T200~T245，4个1ms累计定时器T246~T249。

任务四：实验设备的硬件介绍

基础知识

一、电源模块

1、交流输入插座:通过电流电缆与220V单相电源连接，(1)供电给实验箱,(2)通过实验箱内部连接、向交流型PLC提供交流输入。

2、直流稳压电源：+5V、1A用于给执行机构的外围电路供给电源。+24V、2A用于输出负载及演示装置供电。输出实验时，一般接于PLC的CPMO~COM5。

二、PLC主机（以FXIN40MER为例）

PLC24个输入端，16个输出端

1、FX系列

—

序列号品种区别特殊

I/O点数输出类型

单元类型

（1）序列号：0、0S、0N、2、2C、1N、2N、2NC

（2）I/O点数：10~256

（3）单元类型

M——基本单元

E——输入、输出混合扩展单元及扩展模块

EX——输入专用扩展模块

EY——输出专用扩展模块

（4）输出形式

R——继电器输出

T——晶体管输出

S——晶闸管输出

（5）特殊品种区别

若特殊品种一项无符号，通指AC电源，DC输出，横排端子排，继电器输出：2A/电，晶体管输出：0.5A/点，晶闸管输出：0.3A/点.

举例说明：FXIN40MRD含义

FX1N系列，输入、输出总点数为48点，继电器输出，DC电源，DC输入的基本单元。

三、开关量输出区

12个钮子开关：K0、K1、……K11，4个按钮开关：P0、P1、P2、P3。开关量分别同带自锁功能之插座对应引出。其公共端COM已接地。当开关或按纽闭合时，开关量作为PLC某个输入（Xn）时，用自锁线将Xn与Kn相连，闭合相应之Kn时，让PLC 输入端接地，在PLC中之含义为输入继电器导通。

四、输出负载区：

LED指示灯L1……L16、七段数码管D1（A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、DP1）D2（A2、B2、C2、D2、D2、E2、F2、G2、DP2）继电器T0、T1、T2、T3、直流电机M、蜂鸣器DEEP。

注意：FXIN40MR是继电器输出型必需由用户提供外电源继电器的线圈才能动作。

实验时，在COMO~COM5用带锁紧插头电线接入+24V直流电源。

项目二：PLC对电动机的控制

任务一：单向运转电气控制图分析与改造

（一）点动控制电路

能力目标

1. 进行I/O分配

2. 正确进行硬件连接

3. 运行一个简单控制电路程序

知识准备

1. FX1N的基本指令（LD、LDI、OUT）应用

2.看懂一个简单梯形图

任务引入

如图2-1 所示为一点动控制线路，即用按钮和接触器等来控制电动机单方向运转的最简单的正转控制线路，现对如图2-1所示的点动控制线路进行PLC改造。

任务分析

所谓点动控制是指按下按钮，电动机就得电运行；松开按钮，电动机就失电停转。这种控制方法常用于电葫芦的起重机控制和车床拖板箱快速移动电动机控制。

在点动控制线路中，开关QS、熔断器FU1、接触器主触点及电动机组成主电路部分；而由启动按钮SB、接触器KM线圈组成控制电路部分。PLC改造主要针对控制电路进行改造，而主电路部分保留不变。

在控制电路中，启动按钮属于控制信号，应作为PLC的输入量分配接线端子，而接触器线圈属于被控对象，应作为PLC的输出量分配接线端子。

图2-1 点动控制线路图2-2 PLC硬件接线图

任务实施

一、I/O分配

二、绘制PLC硬件接线图

根据如图2-1所示的控制线路图及I/O分配，绘制PLC硬件接线图，如图2-2所示，以保证硬件接线操作正确。

三、设计梯形图程序

双击FX软件图标，启动该软件，并创建一个工程项目，并命名为点动控制线路。

四、运行及调试程序

1. 下载程序，在线监控程序运行。

2. 分析程序运行结果，编写语句表及相关技术文件

（1）控制过程分析如图2-3所示，接通开关QS→按下点动按钮SB→线圈Y0得电→梯形图中X0常开触点接通→线圈Y0有信号流流过→其硬件常开触点接通→接触器线圈KM得电→接触器主触点接通→电动机启动运转。

松开点动按钮→线圈Y0断电→梯形图中X0常开触点复位断开→线圈Y0没有信号流流过→其硬件常开触点断开→接触器线圈KM断电→接触器主触点复位断开→电动机停止运转。

a）主电路 b）硬件接线图

图2-3 控制过程分析

（2）编写语句表及相关技术文件。

（二）连续运转控制线路的PLC改造

能力目标

1．正确使用PLC基本指令进行编程操作。

2．按照编程规则正确编写简单的控制程序。

3．掌握起保停电路的程序设计方法。

知识准备

1．FX1N的基本指令（AND、ANI、OR、ORI）应用。

2．梯形图编程的基本规则。

3．常闭触点输入信号的处理。

任务引入

连续运转控制线路如图2—4所示，该线路可以控制电动机连续运转，并且具备短路、过载、欠压及失压保护功能，连续运转控制线路是有触点控制线路的基本课题。

从如图2—4所示的控制线路可见，由开关QS、熔断器FU1、接触器主触点、热继电器热元件及电动机组成主电路部分，而由热继电器常闭触点、停止按钮SB1、启动按钮SB2、接触器线圈及常开触点组成控制电路部分。PLC改造主要针对控制电路进行改造，而主电路部分保留不变。

任务分析

在控制电路中，热继电器常闭触点、停止按钮、启动按钮属于控制信号，应作为PLC的输入量分配接线端子；而接触器线圈属于被控对象，应作为PLC的输出量分配接线端子，对于PLC的输出端子来说，允许额定电压为220V，因此需要将原线路图中接触器的线圈电压由360V改为220V，以适应PLC的输出端子需要。

图2-4 连续运转控制线路图 2-5 PLC硬件接线图

对于线路图中的触点串并联接线，应根据逻辑关系采用PLC的基本位逻辑指令进行程序设计，本任务主要应用AND、ANI、OR、ORI指令。

任务实施

一、I/O分配

二、绘制PLC硬件接线图

根据如图2-4所示的控制线路图及I/O分配，绘制PLC硬件接线图，如图2-5所示，以保证硬件接线操作正确。

三、设计梯形图程序

采用启保停电路设计连续运转控制线路梯形图程序如图2—6所示。

图2—6 采用启保停电路的连续运转控制线路梯形图程序

四、运行并调试程序

1. 下载程序，在线监控程序运行。

2. 分析程序运行结果，编写语句表及相关技术文件。

（三）拓展训练

用PLC改造连续运转带点动控制线路的设计、安装与调试

一、准备要求

设备：一个停止按钮SB1，一个启动按钮SB2，一个点动按钮SB3和一台电动机M 及其相应得电气元件等。

二、控制要求

图2-6 连续运转带点动控制线路

任务二：正、反转电气控制图分析与改造

能力目标

1．熟练应用基本指令指令编写控制程序。

2．初步熟悉PLC控制系统的设计、编程和调试的一般方法。

知识准备

1．FX1N的基本指令应用。

2．联锁控制的实现方法。

任务引入

按钮、接触器双重联锁正反转控制线路如图2-7所示，该线路兼有两种联锁控制线路的优点，操作方便，工作安全可靠。

由如图2-7所示的控制线路可见，对于接触器KM1而言，按钮SB1相当于启动按钮，SB2和SB3属于停止按钮，KH属于过载保护装置。因此，针对接触器KM1的梯形图程序，可参照连续运转控制线路进行编程操作。接触器KM2的梯形图程序与KM1相识。

图2-7 双重联锁的正反转控制线路

任务分析

分析如图2-7所示的控制线路的原理可知，接触器KM1与KM2不能同时得电动作，否则三相电源短路。为此，电路中采用接触器常闭触点串接在对方线圈回路作电气联锁，使电路工作可靠。采用按钮SB1、SB2的常闭触点，目的是为了让电动机正反转直接切换，操作方便。这些控制要求都应在梯形图程序中予以体现。

任务实施

一、I/O分配

二、绘制PLC硬件接线图

根据如图2-7所示的控制线路图及I/O分配，绘制PLC硬件接线图，如图2-8所示，以保证硬件接线操作正确。

由于PLC程序执行时间很短（一个扫描周期仅几微妙），而接触器动作也需要时间，两者存在一定的时间差，很容易导致接触器工作过程中出现短路故障。因此，在接触器KM1、KM2的线圈回路串联对方的常闭触点实现电气联锁很必要。

图2-8 PLC硬件接线图

三、设计梯形图程序

采用启保停电路设计正反转控制线路梯形图程序，其梯形图如图2—9所示。

图2—9采用启保停电路的正反转控制线路梯形图程序

四、运行并调试程序

1. 下载程序，在线监控程序运行。

2. 分析程序运行结果，编写语句表及相关技术文件。

拓展训练用PLC改造自动往返循环控制线路的设计、安装与调试

一、准备要求

设备：一个停止按钮SB1，一个正向启动按钮SB2，一个反向启动按钮SB3，四个行程开关SQ1—SQ4和一台电动机M及其相关电气元件等。

二、控制要求

图2—10采自动往返循环控制线路

任务三：降压起动电气控制图分析与改造

能力目标

1.正确选用定时器指令编写控制程序

2.掌握定时器指令的应用场合。

知识准备

1.FX1N的定时器指令（T）应用。

2.定时范围的扩展方法。

任务引入

由于交流异步电动机直接启动时启动电流很大，容易造成电动机故障。因此，一般对于容量较大的异步电机采用降压启动，以限制启动电流。Y—Δ降压启动是一种较为常见的启动方法，Y—Δ启动控制线路如图2—11所示，该线路适用于正常工作时定子绕组作Δ形联结的异步电动机。

图 2-11 Y—Δ启动控制线路

任务分析

由如图2—11所示的控制线路可见，接触器KM2与KM3不能同时得电动作，否则三相电源短路。为此，电路中采用接触器常闭触点串接在对方线圈回路作电气联锁，使电路可靠。

时间继电器采用通电延时型时间继电器，控制电动机Y形连接降压启动的时间，时间继电器KT不能作为PLC的输出量分配接线端子，应该利用PLC内部的接通延时定时器指令（T）实现定时功能。所以，在本任务中将重点学习FX1NPLC中定时器指令的应用。

任务实施

一、I/O分配

二、绘制PLC硬件接线图

根据如图2-11所示的控制线路图及I/O分配，绘制PLC硬件接线图，如图2-12所示，以保证硬件接线操作正确。

图2-12 PLC硬件接线图

三、创建工程项目，设计梯形图程序

采用启保停电路设计Y—Δ启动控制线路梯形图程序如图2—13所示。

如图2—13 采用启保停电路的Y—Δ启动控制线路梯形图程序

四、运行并调试程序

1. 下载程序，在线监控程序运行。

2. 分析程序运行结果，编写语句表及相关技术文件。

拓展训练

用PLC 改造带Y—Δ启动的正反转控制线路的设计与调试

一、准备要求

设备：一个停止按钮SB1，一个正向启动按钮SB2，一个反向启动按钮SB3和一台电机M及其相应的电气元件等。

二、控制要求

图2—14 带Y—Δ启动的正反转控制线路