学习单元4 编制和模拟调试PLC简单程序

学习目标

1.熟悉PLC的编程语言及应用程序的编写方法。

2.熟悉FX2n系列PLC的主要编程元件。

3.掌握FX2n系列PLC基本逻辑指令的格式和含义。

4.掌握用基本逻辑指令编写简单控制程序的方法。

知识要求

一、PLC的编程语言

1.PLC编程语言的种类及特点

     目前，PLC的编程语言有梯形图编程语言、指令语句表编程语言、功能图编程语言、高级编程语言等。梯形图编程语言和指令语句表编程语言最为常用。

(1)梯形图

    梯形图是按照原继电器控制设计思想开发的一种编程语言，它与继电器控制电路图相类似，对从事电气专业的人员来说，简单、直观、易学、易懂。它是PLC的主要编程语言，使用非常广泛。

(2)指令语句表

    指令语句表是一种类似于计算机中汇编语言的助记符指令编程语言。指令语句由地址(或步序)、助记符、数据三部分组成。指令语句表也是PLC的常用编程语言，尤其是采用便携式编程器进行PLC编程、调试、监控时，必须将梯形图转化成指令语句表，然后通过便携式编程器输人PLC进行编程、调试、监控。

(3)功能图编程

    功能图编程是一种在数字逻辑电路设计基础上开发的一种图形编程语言。逻辑功能清晰、输入、输出关系明确，适用于熟悉数字电路系统设计人员，采用智能型编程器(专用图形编程器或计算机编程软件)编程。

(4)高级编程语言

    随着PLC技术发展，大型、超大型、高档PLC具有很强运算与数据处理等功能，为了方便用户编程，许多高档PLC都配备了BASIC语言、C语言等高级编程语言。

2.PLC梯形图与继电器控制电路的区别

    PLC的梯形图虽和继电器控制电路相类似，但其控制元器件和工作方式不一样，主要区别是:

(1)元器件不同

    继电器控制电路是由各种硬件继电器组成，而PLC梯形图中输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等软继电器是由软件来实现的，不是硬件继电器。

(2)工作方式不同

    继电器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处于受控状态，凡符合条件吸合的硬件继电器都同时处于吸合状态，受各种约制条件不应吸合的硬件继电器都同时处于断开状态，也就是说，继电器控制采用并行工作方式。如忽略电磁滞后及机械滞后时间，在工作过程如果一个继电器的线圈通电，那么该继电器的所有常开和常闭触点都会立即动作，其常开触点闭合，常闭触点打开。但是在PC梯形图中的软继电器都处于周期性循环扫描工作状态，受同一条件制约的各个软继电器的动作顺序取决于程序扫描顺序，同一个软继电器的线圈与常开和常闭触点的动作并不同时发生，也就是说，PLC采用串行工作方式。在PLC的工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，该线圈的所有常开和常闭触点，并不一定都会立即动作，只有CPU 扫描到该触点时才会动作，例如，扫描到常开的触点闭合，常闭的触点打开PLC采用这种工作方式有利于避免电路中竞争冒险现象的产生。

(3)元件触点数量不同

    硬件继电器的触点数量有限，一般只有4~8对，而PLC梯形图中软继电器的触点数量可以有无限多个常开、常闭触点。

(4)控制电路实施方式不同

    继电器控制电路是通过各种硬件继电器之间接线来实施，控制功能固定，当要修改控制功能时，必须重新接线。PLC控制电路由软件编程来实施，可以灵活变化和在线修改控制功能。

二、三菱FX2n系列PLC的主要编程元件

    PLC是借助于大规模集成电路和计算机技术开发的一种新型工业控制器。使用者可以不必考虑PLC内部元器件具体组成线路，可以将PC看成由各种功能软元件组成的工业控制器，利用编程语言对这些软元件的线圈、触点等进行编程以达到控制要求，为此使用者必须熟悉和掌握这些软元件的功能、编号及其使用方法每种软元件都用特定的字母来表示，如又表示输入继电器、￥表示输出继电器M 表示辅助继电器、T表示定时器、C表示计数器、S表示状态元件等，并对这些软元件给予规定的编号。使用时一般可以认为软元件和继电器元件相类似，具有线圈和常开、常闭触点。当线圈通电时，常开触点闭合，常闭触点断开，反之，当线圈断开时，常开触点断开，常闭触点接通。但软元件和继电器元件在本质上是不相同的，软元件仅仅是PLC中存储单元，线通电仅是表示该元件存储单元置“1”，反之，线圈断电表示该元件存储单元置“0”。由于软元件是存储单元，可以无限次地访问，因而软元件可以有无限个常闭触点和常开触点，这些触点在PLC编程时可以随意使用。下面将对主要软元件进行说明。

1.输入继电器和输出继电器

(1)输入继电器(X)

    输入继电器是PLC中专门用来接收外部用户输入设备，如开关、传感器等的输入信号的。输入继电器只能由外部信号所驱动，而不能用程序指令来驱动。在梯形图中只能出现输入继电器的触点，不能出现输入继电器线圈。它可提供无限个常开触点、常闭触点供编程使用。它的元件号按八进制编号如X0~X7、X10~X17……不同型号的PLC拥有的输入继电器数量是不相同的，如FX2n—16M的输人点为8点，对应的输人继电器的编号为X0~X7；FX2n—32M的输人点为16点对应的输人继电器的编号为X0~X7、X10~X17。FX2n系列PLC可使用的输人继电器最多可达184点(X0~X267)。

(2)输出继电器(Y)

    输出继电器是PLC中唯一具有外部硬触点的软继电器，PLC只能通过输出继电器的外部触点来控制输出端口连接的外部负载。输出继电器只能用程序指令驱动，外部信号无法驱动。输出继电器具有1个外部硬触点和无限个常开、常闭软触点供编程使用。它的元件号按八进制编号如Y0~Y7、Y10~Y17……不同型号PLC的输出继电器数量是不相同的，如FX2n—16M的输出点为8点，对应的输出继电器的编号为 ￥0~Y7；FX2n—32M的输出点为16点，对应的输出继电器的编号为 Y0~Y7、Y10~Y17。FX2n系列PLC可使用的输出继电器最多可达184点(Y0~Y267)。

2.辅助继电器(M)

    辅助继电器和继电器控制电路中的中间继电器作用类似，但是它的触点不能直接驱动外部负载。辅助继电器与输出继电器一样，它的线圈只能用程序指令驱动外部信号无法驱动。它可提供无限个常开触点、常闭触点供编程使用。它的元件号按十进制编号。辅助继电器可分为通用辅助继电器、断电保持辅助继电器、特殊功能辅助继电器三种类型。

    (1)通用辅助继电器(M0~M499)共500点。当PLC在运行中若发生停电，通用辅助继电器将全部成为断开状态。

    (2)断电保持辅助继电器(M500~M3071)共2572点，该类继电器是有电池后备的辅助继电器，具有记忆能力。当PLC在运行中若发生停电，断电保持辅助继电器仍能保持原来停电前的状态。

    (3)特殊功能辅助继电器(M8000~M8255)共256个，这些特殊功能辅助继电器每个都具有特定的功能。可分为二类:

    1)只能利用其触点的特殊辅助继电器。其线圈由PC自行驱动，用户只能利用其触点。如M8000—PLC运行时接通，可作为PLC运行(RUN)监控;M8002—仅在PC运行开始瞬间接通，产生初始脉冲。M8011、M8012、M8013、M8014是时钟脉冲继电器，分别为每隔10ms、100ms、1s及lmin发脉冲，具体功能可查看PLC的编程手册。

    2)可驱动线圈型特殊辅助继电器。用户驱动线圈后，PLC做特定动作。如M8033为PLC停止时输出保持辅助继电器，M8034为禁止全部输出辅助继电器、M8039为恒定扫描周期使能辅助继电器等。

3.定时器(T)

    PLC中定时器T相当于继电器控制电路中的时间继电器，它可提供无限个常开触点、常闭触点供编程使用。定时器元件号按十进制编号，T0~T199为100ms定时器，设定值范围为0.1~3276.7s，最小单位为01s、T200~T245为10ms定时器，设定值范围为0.01~327.67s，最小单位为00s。T246~T249为1ms积算型定时器，T250~T255为100ms积算型定时器。PLC中定时器T是根据时钟脉冲累积计时的，实质上是对时钟脉冲计数。定时器T为字、位复合软元件，由设定值寄存器、当前值寄存器和定时器的触点组成。设定值寄存器存储计时时间设定值，当前值寄存器记录计时当前值。当定时器T满足计时条件开始计时，当前值寄存器则开始计数，当前值与设定值相等时、定时器触点动作，其常开触点接通，常闭触点断开。定时器可以使用立即数K(常数)作为设定值，也可用数据寄存器的内容作为设定值。

4.计数器(C)

    计数器在程序中用做计数控制。计数器元件号按十进制编号。计数器为字、位复合软元件，由设定值寄存器、当前值寄存器和计数器的触点组成。计数器可以使用立即数K(常数)作为设定值，也可用数据寄存器的内容作为设定值。它可提供无限个常开触点、常闭触点供编程使用。计数器可分为:

    (1)16位递加型计数器。其中C0~C99为通用加法计数器，C100~C199为断电保持的加法计数器，计数范围为1~32767。

    (2)32位双向计数器。设定值为一2147483648~+2147483647，其中C200~C219为通用型，C220~C234为断电保持计数器。32位双向计数器可以是递加型，也可是递减型，由特殊功能辅助继电器M8200~M8234设定，每个双向计数器对应由1个特殊功能辅助继电器设定。当这个特殊功能辅助继电器(例如M8212)置1时、对应的双向计数器(例如C212)为减计数，置0时计数器为增计数。

三、FX2n系列PLC的基本指令

    FX2n系列PLC的指令可分为基本指令、步进指令、功能指令等几类。按维修电工4级的培训大纲，要求能应用基本指令进行编程。本学习单元仅对FX2n系列PLC的基本指令进行介绍。

     FX2n的基本指令有LD、LDI、OUT、AND、AN、OR、ORI、ORB.ANB、MPS、MRD、MPP、MC、MCR、SET、RST、PLF、PLS、NOP、END等。指令由操作码和操作数两部分组成:操作码用助记符表示，常用2~4个英文字母组成(称指令)，表示该指令的作用，操作数即指令的操作对象，是执行该指今所选用的元件、设定值等。在基本指令中，ORB、ANB、MPS、MRD、MPF等指令无操作数，而其他指令需要1~2个操作数。下面对基本指令逐条加以说明。

1、逻辑取及输出线圈(LD、LDI、OUT)

    LD、LD指令使用元件X、Y、M、T、C、S的触点，表示梯形图中取1个常开(或常团)触点开始逻辑运算。

    OUT指今是对输出继电器(Y)、辅助继电器(M)、定时器(T)、计数器(C)等线圈的驱动指令，对于输人继电器(X)不能使用。

    LD、1D、〇UT指今用法如图2-86所示。由图2—86程序图中可看出:



图2—86   LD、LDI、OUT指令用法

    (1)LD将常开触点接到左母线上，LDI将常闭触点接到左母线上。另外LDLDI指令还可以与后述的 ANB、ORB指令配合用于电路块的开头。

    (2)输出线圈指令OUT可多次并行使用，形成并行输出线圈支路。

    (3)对于定时器的定时线圈或计数器的计数线圈，使用OUT指令后，必须设定常数K。图中定时器编号为T0，则说明是0.1s(100ms)定时器，设定值范围为0.1~3276.7s，定时最小单位为0.1s。K=30，则对应设定时间为30x0.1=3 s，即延时时间为3s。如K改为100，则对应设定时时间为100X0.1=10 s。

2.触点串联(AND、ANI)

    AND(与)功能为常开触点串联连接，ANI(与非)功能为常团触点串联

连接。

    这两类指令的操作元件为X、Y、M、S、T、C。指令应用举例如图2-87

所示。

    现结合图2—87，对 AND、ANI、OUT指令应用作几点说明:



图2—87   AND/ANI指令的用法

    (1)AND指令用于单个常开触点的串联，ANI指令用于单个常闭触点的串联，AND、ANI指令可以多次重复使用。并联电路块之间的串联连接，要用后述的ANB指令。

    (2)OUT指令后，再通过触点对其他线圈使用OUT指令，称之为纵接输出或连续输出，如图中的OUT Y4。在图中驱动M101之后，可再通过触点 T1驱动Y4。

3.触点的并联(OR、ORI)

    OR(或)功能为常开触点并联连接，ORI(或非)功能为常闭触点并联连接这两类指令的操作元件为 X、Y、M、S、T、C。指令应用举例如图2—88 所示。

说明:

    (1)OR、ORI只能用作为单个触点的并联连接指令。串联电路块之间的并联连接，要用后述的ORB指令。

    (2)OR、ORI指令是从该指令的所在位置开始，对前面的LD、LDI指令并联连接。并联连接可多次使用。

4.串联电路块的并联(电路块“或”指令 ORB)

    ORB指令是电路块“或”指令。适用于触点组(块)的并联连接。对每个由触点串联组成的电路块在支路的开始用LD、LDI指令，支路的结束处用ORB指令。ORB指令后面不需操作元件。ORB指令应用举例如图2—89所示。



图2—88  OR/ORI指令的用法



图2—89  ORB指令的用法

现结合图2—89，对ORB指令作几点说明:

    (1)2个以上的触点串联连接的电路称之为串联电路块。

    (2)当并联的串联电路块≥3时，有两种编程方法，但最好采用图2—89b。表示的编程方法，对串联电路块逐步连接，对每一个电路块使用1次ORB指令，这样对ORB使用次数无限制。采用图2—89c方法编程时，ORB指令虽然也可连续使用，但重复使用的次数应限制在8次之内。

5.并联电路块的串联(电路块“与”指令 ANB)

    ANB是电路块“与”指令。适用于并联电路块之间的串联连接、或称触点块的串联。在每个由触点并联组成的电路块中，第一个触点要用LD、LD1指令开始，并联电路块结束时，要用ANB指令与前面电路串联。ANB指令后面无任何操作元件。多个并联电路块可顺次用ANB指令与前面电路串联连接。

ANB指令应用如图2—90所示。


图2—90  ANB指令的用法

6.多重输出电路指令(MPS、MRD、MPP)

    这组指令又称为堆栈指令。利用这组指令可将梯形图中分支点的逻辑运算结果先存储，然后在需要的时候再取出。在FX2n系列PLC中，设计有11个存储中间运算结果的存储器，称之为栈存储器。MPS指令的功能就是将触点数据送入栈存储器，又称为进栈，使用一次MPS指令，该处的逻辑运算结果就推入栈的最上面一层。再次使用MPS指令时，先前被推入的数据依次向的下一层推移，而当前的逻辑运算结果又被推入栈的最上面，因此，栈存储器的最上面一层永远是最新被推人的数据。

    MPP指令的功能就是把最上面的数据推出栈存储器，又称为出栈。使用MPP指令后，栈中的各数据依次向上移动一层。最高一层的数据在读出后就从栈内被消除。栈存储器对数据的这种存储方式称为“后进先出(LIFO)”方式。

    MRD指令是栈存储器最高一层所存的数据的读出专用指令。执行MRD指令时，栈存储器内的数据不发生上、下移动的变化。

    这组堆栈指令都是没有操作元件的指令。图2—91是应用堆栈指令编程的例子。

现结合图2—91，对 MPS、MRD、MPP指令作几点说明:

    (1)MPS、MRD、MPP指令用于多重输出电路，MPS指令应先于 MRD、MPP指令使用。

    (2)MRD用于多重输出电路的中间，MRD指令可多次使用。



图2—91   堆栈指令的用法

    (3)MPP指令用于多重输出电路的最后，1个MPS指令必须配用1个MPP指令。

7.主控、主控复位指令(MC、MCR)

    MC是主控指令，相当于一个条件分支。若符合MC的控制条件，则执行MC所控制的后续程序，否则程序跳过MC和MCR之间的程序段去执行后续其他程序。

    MCR 是主控复位指令。它与MC必须成对使用，即MC指令后必定要用MCR指令来返回母线。

    图2—92为应用主控指令编程的例子。

    在图2—92中，当MC的控制条件X0接通时，执行MC与MCR之间的指令。主控触点M100接通，母线就移至主控触点M100之后成为主控母线，从而执行下边的程序。主控母线上必须用LD、LDI指令开始编程。主控触点可使用的元件只能为Y、M。使用不同的Y、M元件号，可多次使用MC指令。而且MC内部还可以嵌套，继续使用MC指令。



图2—92  应用主控指令编程

8.置位、复位指令(SET、RST)

    SET是置位指令，置某元件状态为ON；RST是复位指令，置某元件状态为OFF或对数据寄存器清零。

    SET指令使用的元件是位元件Y、M、S;RST指令使用的元件既可是位元件Y、M、S，也可是字元件 C、T等。指令用法如图2—93所示。



图2—93   SET/RST指令的用法

    SET/RST指令具有保持功能，在图2—93中，当X0接通后，即使再变成断开，Y0也保持接通。而X1接通后，即使再变成断开，Y0也将保持断开。用RST指令还可使计数器、定时器等复位。

9.脉冲输出指令(PLS、PLF)

    PLS是上升沿脉冲指令，在输人信号的上升沿会产生1个脉冲输出；PLF是下降沿脉冲指令，在输人信号的下降沿会产生1个脉冲输出。指令使用方法如图2—94所示。

说明:



图2-94   PLS/PLF指令的使用方法

a)PLS/PLF指令的使用    b)输入、输出波形图

    (1)PLS/PLF指令的操作元件只能用Y、M，不可用特殊功能辅助继电器。

    (2)使用PLS指令时，Y、M仅在驱动输人接通(OFF→ON)后的一个扫描周期内动作(置1)。如本图中，当X0接通时，PLS指令会使元件MO产生一个扫描周期宽度的脉冲。

    (3)使用 PLF指令时，Y、M 仅在驱动输人断开(ON→OFF)后的一个扫描周期内动作(置1)。如本图中，当X1断开时，PLF指令会使元件M1产生一个扫描周期宽度的脉冲。

10.空操作指令(NOP)

     执行这条指令不作任何逻辑操作，该指令只占一个步序号位置。当执行程序全部清零操作后，所有指令都变成NOP。

11.程序结束指令(END)

    在程序结束时，必须加上一条结束指令。PLC在扫描执行用户程序时，到END指令即不再执行以后的程序步，直接进行输出处理。若在程序中不写人END指令，则PLC将从用户程序的第一步扫描到程序存储器的最后一步。

技能操作

编制电动机 Y/△启动程序并进行模拟调试

一、操作要求

1.使用基本逻辑指令，编写电动机 Y/△启动的应用程序。

2.用按钮、指示灯、监控软件对程序进行模拟调试。

二、操作准备

项目所需设备、工具、材料见表2—9。

表2—9   项目所需设备、工具、材料



三、操作步骤

1.启动 FXGP-WIN 并新建一个文件。

    双击计算机桌面上的编程软件FXGP—WIN_C图标，启动编程软件。

    在打开的界面中，执行菜单命令〔文件〕→〔新文件〕，在PLC类型设置对话框中，选择PLC类型为“FX2N/FX2NC”，按〔确认〕键进人编辑界面。执行菜单命令〔文件〕→〔保存〕，在文件保存窗口中的“文件名”一栏中填写文件名如“TEST1”，其余各栏不填写，单击〔确定〕按钮，然后再在随后出现的“另存为(File Save As)”窗口中单击〔确定〕，此文件就已经以“TEST1.PMW”为稳件名被建立在编程软件默认的文件夹“c:\FXGPWIN”中了。

2.用基本逻辑指令，编写能实现电动机Y/△启动的应用程序。

    三相异步电动机 Y/△减压启动的电路图如图2—95所示。

    图2—95为继电器控制的三相异步电动机Y/启动电路。按启动按钮SB1，接触器KM和时间继电器KT同时得电，并通过KM的常开触点使接触器KM也得电，电动机接成Y形联结启动，按钮SB1也被自保。当延时3s后，KT常闭触点断开，接触器KM失电，KMy的常闭触点接通，使接触器KM得电，电动机接成△形联结投入运行。当按停止按钮SB2或电动机过载使热继电器KH动作时，KM、KM么接触器失电，电动机停止运行。



图2—95   三相异步电动机Y/△减压启动电路图

    要求用FX2n系列PLC按三相步电动机Y/启动继电器控制电路图编制PLC梯形图、写出语句表。

    梯形图的设计可有多种方法，如可按照各输入、输出变量的逻辑关系设计、按经验设计、按照继电控制电路替代设计及按工艺流程设计等。在用PLC对旧设备进行改造的场合，采用按照继电控制电路图直接替代成PLC梯形图的方法比较简单直观，易于接受。

    按照电动机Y/△启动的继电控制电路图作替代设计梯形图前，首先应确定输人、输出设备与PLC输人、输出端口的对应关系，也就是进行I/O分配，依据I/O分配表画出PLC接线图，然后按原控制电路图写出梯形图。根据本例中输入、输出设备情况，做出I/〇分配表如表2—10。

表2—10   电动机 Y/△启动的 I/O分配表



    按照I/〇分配表画出电动机Y/△启动的PLC接线图如图2—96所示，按照继电控制电路图直接画出梯形图并经过适当的程序优化后所得到的PLC梯形图如图2—97所示。



3.在FXGP—WIN的梯形图视图中输入所编写的应用程序，将程序下载到 PLC。

4.在PLC的I/O端口上连接按钮及指示灯。

    按图2—96所示，在PLC的输人端口接上3个按钮作为KH、SB1和SB2，在输出端口Y1、Y2和Y3上接上3个指示灯以代替KM、KMY和KM△，供调试时观察控制结果用。3个指示灯的另一端并接在一起后与输出端的COM1之间应接上1个直流24V的电源。



图2—97  电动机Y/△启动的PLC梯形图

5.调试程序。

     接通PLC的电源，使PLC运行，并在编程软件中用监控方式观察程序的运行情况。先后按下启动及停止按钮，观察指示灯的状态以验证程序运行的正确性。根据程序运行情况对程序进行修改并重复运行及监控。

6、程序运行正确后、保存程序文件，并向指导教师演示程序的运行。

四、注意事项

1、梯形图的编程规则和技巧

(1)触点的安排

    触点应画在水平线上，不能画在垂直分支上，图2—98a所示桥式电路不能直接编程。应等效变换为图2—98b所示梯形图。



图2—98  梯形图中触点的安排

a)桥式电路   b)对桥式电路进行等效变换

(2)串、并联的处理

    在有几条中联支路相并联时，应将触点最多的那个串联支路放在梯形图的最上面，在有几个并联回路相申联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左面。这种安排，所编制的程序简洁、明了，语句较少，如图2—99所示。



图2—99   串、并联回路的处理

a)串联支路的处理    b)并联回路的处理

(3)线圈的安排

    梯形图的每一逻辑行必定从左边母线以触点输入开始，以线圈结束，即线圈右面不能再放触点。如图2—100所示。



图2—100   梯形图中线圈的安排

a)不正确的画法   b)正确的画法

(4)不允许双线圈输出

    如果在同一程序中，同一元件的线圈使用两次或多次，则称为双线圈输出。这时前面的输出无效，只有最后一次才有效，所以不应出现双线圈输出(见图2—101)。



2.将继电控制电路替换成PLC梯形图时应注意的问题

    (1)主令电器(按钮、行程开关、接近开关等)、热继电器触点、速度继电器触点、油压继电器触点等都作为输人信号，接在X端口。对于上述这些继电控制电路图中的常闭触点在作为PLC的输入信号时，有两种接线方式：接成常开触点或接成常闭触点。

    通常认为接成常开触点比接成常闭触点优越，有几点好处:

    1)梯形图与继电控制电路一致。

    2)输人端全部常开触点，可以防止干扰信号侵人。

    3)电路中全部采用常开触点，接线统一，不会接错，提高效率，维修方便。

    (2)继电控制电路中的中间继电器和时间继电器可直接使用PLC内部的辅助继电器(M)和定时器(T)。

    (3)继电控制电路中的交叉控制电路、逆向控制电路及线圈后的触点在转换为梯形图时不能直接替换，应根据控制原理进行等效变换。