《设备控制基础》课程教案
任务PLC指令系统与编程方法学时 2
班级机电工程系各班教学设备多媒体
教学方法引导法、演示教学法教学场地多媒体教室、电气中心PLC实训室
教学目的能够对FX系列可编程控制器有所了解
掌握PLC基本指令的含义及用法
学会如何将PLC梯形图和指令表相互转换的方法。
重点难点将继电器—接触器控制线路转化为PLC的梯形图。PLC的各编程元件是怎样进行编号的
装接线并确定方案
教学安排
步骤教学过程设计
授课内容PLC的地址分配：输入、输出、辅助继电器、定时器、计数器、移位寄存器等编程方法和地址分配。
常用编程指令的应用：LD、LD—NOT、AND、AND—NOT、OR、OR—NOT、 AND—LD、OR —LD和特殊功能指令的应用
实施安排确定本单元学习方案。
讲授如何将继电器—接触器控制线路转化为PLC的梯形图。讲授PLC的指令表、编程方案。
演示如何安装接线并确定方案。
综合能力培养认真完成本次教学任务后，学生达到以下综合能力：专业基础知识和动手能力的提高；
具备查阅相关技术资料的能力，探索求解能力；
团队协作能力，分析和表达能力；
组织协调能力的提高，与人交流和沟通的能力。
良好习惯培养认真完成本次教学任务后，学生逐渐达到以下良好习惯：安全文明操作的良好习惯；
遵守纪律的良好习惯；
爱护环境，及时整理的良好习惯;
及时总结和分析的良好习惯；
课后总结检查各项学习任务完成情况和实施结果；
对本学习任务的过程和效果及时做出总结。
学习任务6.2 PLC的指令系统与编程方法
任务
◆了解FX系列可编程控制器
◆掌握PLC基本指令的含义及用法。
◆掌握PLC的地址分配：输入、输出、辅助继电器、定时器、计数器、移位寄存器等编程方法和地址分配。
◆了解如何将PLC梯形图和指令表相互转换的方法。
1 PLC编程元件
引导问题：
学生通过查阅相关学习资料和教师讲解，需要弄清以下问题：
1. FX系列PLC型号的含义？
2. PLC的编程元件有哪些？
3．PLC的各编程元件功能是什么？
4. PLC的各编程元件是怎样进行编号的？如何使用？
1.1 FX系列PLC简介
（1）FX系列PLC特点
FX系列可编程控制器是当前国内外新型的具有特色和代表性的微型PLC。它由日本三菱电机公司研制开发的。FX系列PLC基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念，使其具有数据传送与比较、四则运算与逻辑循环与移动等应用系统。除此之外，还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等高速处理指令，以及在SFC控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能大大增强。
（2）FX系列PLC型号的含义
FX系列可编程控制器型号格式如图所示：
（3）硬件简介
错误！未找到引用源。、上端子排
错误！未找到引用源。、下端子排
③、串口
④、拨动开关
（4）FX系列PLC主要性能指标
①硬件指标：
②软件指标：
（5）FX系列PLC的一般技术指标
FX系列PLC的一般技术指标包括基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标。
由于继电器控制系统的电路图与梯形图在结构形式、元件符号以及逻辑控制功能等方面的相似性，使得可以将一些继电器控制系统电路图的概念用于梯形图，常用的有触点概念和继电器概念。可编程序控制器编程元件的名称、地址编号、功能和使用方法、分述如下。
1.输入继电器X
输入继电器用来接收PLC外部开关信号，PLC通过输入接口将外部输入信号状态(接通时为“1”，断开时为“0”)读入并存储在输入映像寄存器中。输入继电器的编号即是输入端口的编号，也是输入映像寄存器对应位的地址代号。输入继电器在PLC内部与输入端子相连，它有无数的常开触点和常闭触点，这些动合、动断触点可在PLC编程时随意使用。FX2N输入继电器的编号采用八进制编码，范围为X0～X267(184点)。注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块按与基本单元最靠近顺序进行编号。
2.输出继电器Y
输出继电器用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。输出继电器线圈是由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。
。
3．辅助继电器M
在逻辑运算中经常需要一些中间继电器作为辅助运算用。这些元件不直接对外输入、输出，但经常用作状态暂存、移动运算等，它的数量常比软元件X、Y多，这就是辅助继电器。辅助继电器的动合和动断触点使用次数不限，在PLC内可以自由使用。但是，这些辅助继电器的触点不能对外直接输出驱动外部负载，只能作为中间状态的控制信号存放在存储器中，外部负载必须由输出继电器驱动。
1．通用辅助继电器(M000～M499)
FX2N系列共有500个通用辅助继电器。通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源断电，则线圈断开。当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为接通的以外，其余的仍将保持断开状态，它们没有断电保护功能。通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。
2．断电保持辅助继电器(M500～M3071) ，
FX2N系列有M500～M3071共2 572个断电保持辅助继电器。它与通用辅助继电器不同的是具有断电保护功能，即能记忆电源中断瞬时的状态，并在重新通电后再现其状态。比较图6-15(a)和图6-15(b)，当X0接通时，M0和M600都接通并自锁，若此时突然停电后再来电，则M0处于断开状态，而M600仍然处于接通状态(如果Xl常闭触点开路，则M600也是断开的)。
5．定时器T
可编程序控制器中的定时器作用相当于继电器控制系统中的时间继电器。FX2N系列中定时器可分为通用定时器、积算定时器2种。定时器的定时值由设定值给定，定时器根据时钟脉冲累积计时，计时到达设定值时，其触点动作。定时器提供无限对常开和常闭延时触点供编程使用。定时器编号采用十进制，其编号和设定时间如下：
设定方法为：
(1)定时精度为100 ms的定时器T000～T199，共计200点，设定值范围0.1～3276.7s。
(2)定时精度为10 m s的定时器T200～245，共计46点，设定值范围0.01～327.67s。
(3)定时精度为lms的积算定时器T246～T249，共4点，是对lms时钟脉冲进行累积计数，设定值范围0．001s～32.767s。
(4) 定时精度为l00ms的积算定时器T250～T255，共6点，是对l00ms时钟脉冲进行累积计数，设定值范围0．1s～3276.7s。
6．计数器C
它在执行扫描操作时对内部元件X、Y、M、S、T、C的信号进行计数。1）低速计数器
低速计数器分为：16位加计数器、32位加／减计数器。
2）内部高速计数器（C）
高速计数器只能刻录约定的经输入端子（输入继电器）送入的外部信号，而且这个信号的频率可以高达几千赫。还可以从输入端子直接进行复位的操作。
7．状态器S
状态器是在编制步进顺序控制时使用的编程元件，它与步进顺控指令STL组合使用，运用状态转移图，编制高效易懂的程序。状态器的触点使用同辅助继电器触点，使用次数不限。应用步进控制时，由初始状态器S0～S9进入步进控制；复位状态器Sl0～S19只用于设备回原位时的步进控制，并由初始状态器置位；通用状态器S20～S499用于设备工作步进控制，也需由初始状态器置位。
7．指针
分支指令用P0～P62、P64～P127共127点。指针P0～P62、P64～P127为标号，用来指定条件跳转，子程序调用等分支指令的跳转目标。P63为结束跳转用。
中断用指针I0□□～I8□□共9点。其中输入中断6点, 定时器中断3点。
8．数据寄存器D
可编程控制器中的寄存器用于存储模拟量控制、位置量控制、数据I/O所需的数据及工作参数。每一个数据寄存器都是16位（最高位为符号位），可以用两个数据寄存器合并起来存放32位数据（最高位为符号位）。
（1）通用数据寄存器D0∽D199（200点）
（2）停电保持数据寄存器D200∽D511（312点）
（3）特殊数据寄存器D8000∽D8255（256点）
（4）文件寄存器D1000∽D2999（2000点）
2 PLC的指令系统与编程方法
引导问题：
学生通过查阅相关学习资料和教师讲解，需要弄清以下问题：
1. PLC的基本指令有哪些？每一条基本指令相对应的操作元件是什么？
2．PLC的特殊指令有哪些？每一条特殊指令相对应的操作元件是什么?
3. 如何应用基本指令进行编程？
4. 梯形图与指令表如何互换？
2.1 PLC的基本指令
1.LD、LDI、OUT指令
符号名称功能操作元件
LD取常开触点逻辑运算起始X、Y、M、S、T、C
LDI取反常闭触点逻辑运算起始X、Y、M、S、T、C
OUT输出线圈驱动Y、M、S、T、C
1）程序举例：2）例题说明：3）指令使用说明：
2.AND、ANI指令
符号名称功能操作元件
AND与常开触点串联连接X、Y、M、S、T、C ANI与非常闭触点串联连接X、Y、M、S、T、C 1）程序举例2）例题说明3）指令说明：
3. OR、ORI
符号名称功能操作元件
OR或常开触点并联连接X、Y、M、S、T、C ORI或非常闭触点并联连接X、Y、M、S、T、C
1）程序举例：2）例题说明3）指令说明：
4.电路块并联指令ORB、电路块串联指令ANB
1）程序举例：2）例题说明：3）指令说明：
5. 堆栈指令MPS、MRD、MPP
1．进栈指令MPS
MPS指令用于分支的开始处，将运算结果送入栈存储器的第一层，同时将先前送入的数据依次移到下一层。
2．读栈指令MRD
MRD指令用于分支的中间段，将栈存储器的第一层数据(最后进栈的数据)读出且该数据继续保存在栈存储器的第一层，栈内各层的数据不发生移动。
3．出栈指令MPP
MPP指令用于分支的结束处，将栈存储器的第一层数据(最后进栈的数据)读出且该数据从栈中消失，同时将栈中各层数据依次上移。
6. 主控指令MC、MCR
1）程序举例2）例题说明3）指令说明：
7. 置位指令SET、复位指令RST
SET指令称为置位指令：功能为驱动线圈输出，使动作保持，具有自锁功能。
RST指令称为复位指令：功能为清除保持的动作，以及寄存器的清零。
1）程序举例2）例题说明3）指令说明：
8. 上升沿微分脉冲指令PLS、下降沿微分脉冲指令PLF
PLS指令：上升沿微分脉冲指令，当检测到逻辑关系的结果为上升沿信号时，驱动的操作软元件产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲信号。
PLF指令：下降沿微分脉冲指令，当检测到逻辑关系的结果为下降沿信号时，驱动的操作软元件产生一个脉冲宽度为一个扫描周期的脉冲信号。
1）程序举例2）例题说明3）指令说明
9. INV取反指令
INV指令是将即将执行INV指令之前的运算结果反转的指令，无操作软元件。
1）程序举例2）例题说明3）指令说明
10. 空操作指令NOP、结束指令END
1）NOP指令：称为空操作指令，无任何操作元件。
2）END指令：称为结束指令，无操作元件。其功能是输入输出处理和返回到0步程序。
3）指令说明：
11. LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF指令
1）LDP：上升沿检测运算开始(检测到信号的上升沿时闭合一个扫描周期)。
LDF：下降沿检测运算开始(检测到信号的下降沿时闭合一个扫描周期)
ANDP：上升沿检测串联连接(检测到位软元件上升沿信号时闭合一个扫描周期)
ANDF：下降沿检测串联连接(检测到位软元件下降沿信号时闭合一个扫描周期)
ORP：脉冲上升沿检测并联连接(检测到位软元件上升沿信号时闭合一个扫描周期)
ORF：脉冲下降沿检测并联连接(检测到位软元件下降沿信号时闭合一个扫描周期) 2）上述6个指令的操作软元件都为X、Y、M、S、T、C。
3）程序举例：
3. PLC的步进顺控指令与状态编程
引导问题：
学生通过查阅相关学习资料和教师讲解，需要弄清以下问题：
1.状态转移图是使用什么语言编程，它与梯形图语言有什么区别？
2.FX2N系列PLC的步进顺控指令有哪些，用途是什么？
3.状态转移图的编程方法是什么？
4.什么是单流程状态图的编程、选择性及并行性分支与汇合的编程？
3.1 状态转移图及状态的功能
3.1.1 状态转移图
用梯形图或指令表方式编程固然广为电气技术人员接受，但对于一个复杂的控制系统，尤其是顺序控制系统，由于内部的联锁、互动关系极其复杂，其梯形图往往过长。另外，在梯形图上如果不加注释，这种梯形图的可读性也会大大降低。
3.1.2 FX2N系列PLC的步进顺控指令
FX2N系列PLC的步进指令有两条：步进接点指令STL和步进返回指令RET。
1.STL（Step Ladder）：步进接点指令（梯形图符号为）
STL指令的意义为激活某个状态。在梯形图上体现为从母线上引出的状态接点。STL指令有建立子母线的功能，以使该状态的所有操作均在子母线上进行。
2. RET（Return）：步进返回指令
RET指令用于返回主母线。使步进顺控程序执行完毕时，非状态程序的操作在主母线上完成，防止出现逻辑错误。状态转移程序的结尾必须使用RET指令。
3.1.3 运用状态编程思想解决顺控问题的方法步骤
1. 将整个过程按任务要求分解，其中的每个工序均对应一个状态，并分配状态元件。
2. 弄清每个状态的功能作用。
3. 找出每个状态的转移条件，即在什么条件将下将某个状态“激活”。状态转移图就是状态和状态转移条件及转移方向构成的流程图，弄清转移条件当然是必要的。
3.2 单流程状态转移图的编程
3.2.1 流程的概念
所谓单流程，是指状态转移只可能有一种顺序。上个模块介绍的台车自动往返的控制过程只有一种顺序：S0→S20→S21→S22→S23→S24→S0，没有其他可能，所以叫单流程。当然，现实当中并非所有的顺序控制均为一种顺序。含多种路径的叫分支流程。本模块即为并联分支流程。
3.2.2 单流程状态转移图的编程方法
1．状态转移图的编程方法
（1）状态的三要素：对状态转移图进行编程，不仅是使用STL，RET指令的问题，还要搞清楚状态的特性及要素。
（2）状态转移图的编程方法，步进顺控的编程原则为：先进行负载驱动处理，然后进行状态转移处理。
2．状态的开启与关闭及状态转移图执行的特点
STL指令的含意是提供一个步进接点，其对应状态的三个要素均在步进接点之后的子母线上实现。若对应的状态是开启的（即“激活”），则状态的负载驱动和转移才有可能。若对应状态是关闭的，则负载驱动和状态转移就不可能发生。因此，除初始状态外，其他所有状态只有在其前一个状态处于激活且转移条件成立时才能开启。同时一旦下一个状态被“激活”，上一个状态会自动关闭。从PLC程序的循环扫描执行原理出发，在状态编程程序段落中，所谓“激活”可以理解为该段程序被扫描执行。而“关闭”则可以理解为该段程序被扫描，却不执行。
3．编程要点及注意事项
(1) 状态编程顺序为：先进行驱动，再进行转移，不能颠倒。
(2) 对状态处理，编程时必须使用步进接点指令STL。
(3)程序的最后必须使用步进返回指令RET，返回主母线。
(4)驱动负载使用OUT指令
(5)负载的驱动、状态转移条件可能为多个元件的逻辑组合，视具体情况，按串、并联关系处理，不遗漏。
(6) 若为顺序不连续转移，不能使用SET指令进行状态转移，应改用OUT指令进行状态转移。
（7）在STL与RET指令之间不能使用MC、MCR指令。
（8）初始状态可由其他状态驱动，但运行开始必须用其他方法预先作好驱动，否则状态流程不可能向下进行。
3.3 选择性分支与汇合的编程
存在多种工作顺序的状态流程图为分支、汇合流程图。分支流程可分为选择性分支和并行性分支两种。下面介绍分支、汇合流程的编程。
3.3.1 选择性分支状态转移图的特点
从多个流程顺序中选择执行一个流程，称为选择性分支。
3.3.2 选择性分支、汇合的编程
编程原则是先集中处理分支状态，然后再集中处理汇合状态。
1．分支状态的编程
编程方法是先进行分支状态的驱动处理，再依顺序进行转移处理。
2．汇合状态的编程
编程方法是先进行汇合前状态的驱动处理，再依顺序进行向汇合状态的转移处理。
3.4 并行性分支与汇合的编程
3.4.1 并行分支状态转移图及其特点
多个流程分支可同时执行的分支流程称为并行性分支。
3.4.2 并行性分支状态转移图的编程
编程原则是先集中进行并行性分支的转移处理，然后处理每条分支的内容，最后再集中进行汇合处理。
1．并行分支处理
编程方法是首先进行驱动处理，然后按顺序进行状态转移处理。
2 ．并行性分支汇合处理
编程方法是首先进行汇合前状态的驱动处理，然后按顺序进行汇合状态的转移处理。
3．选择性分支、并行性分支汇合编程应注意的问题
3.5 编程实例
例1：小车两地卸料控制线路，个工作周期的控制工艺要求如下：
1）按下启动按钮SB，小车前进，碰到限位开关SQ1停5秒后，小车后退；
2）小车后退压合SQ2后，小车停5s后，第二次前进，碰到限位开关SQ3，再次后退；
3）后退再次碰到限位开关SQ2时，小车停止。
(1) PLC接线图
(2) 将整个过程按任务要求分解为各状态，并分配状态元件：
(3) 弄清每个状态的功能、作用。
(4) 状态转移图及梯形图
例2：十字路口交通灯的控制
（1）问题的提出
a 控制开关
信号灯受启动及停止按钮的控制，当按动启动按钮时，信号灯系统开始工作，并周而复始地循环工作，当按动停止按钮时，系统将停止在初始壮态，即南北红灯亮，禁止通行；东西绿灯亮，允许通行。
b 控制要求
1）南北红灯亮维持30 秒，在南北红灯亮的同时，东西绿灯也亮，并维持25 秒，到25 秒时，东西方向绿灯闪，闪亮3 秒后，绿灯灭。在东西绿灯熄灭的同时，东西黄灯亮，并维持2 秒，到2 秒时，东西黄灯灭，东西红灯亮。同时，南北红灯熄灭，南北绿灯亮。
2）东西红灯亮维持30 秒。南北绿灯亮维持25 秒，然后闪亮3 秒，再熄灭。同时南北方向黄灯亮，并维持2 秒后熄灭，这时南北红灯亮，东西绿灯亮。
（2）硬件及接线
（3）软件设计
例3：分捡小球大球的机械装置的控制，工作顺序是向下，吸抓住球，向上，向右运行，向下，释放，向上和向左运行至左上点（原点），抓球和释放球的时间均为1 秒。
(1) PLC的I/O接线图
(2) 状态转移图
4．PLC编程的基本规则
引导问题：学生通过查阅相关学习资料和教师讲解，需要弄清以下问题：
1. PLC编程的基本规则具体有哪些？
2. 减小程序步数的方法有哪些？
（1）程序应按自上而下，从左至右的顺序编制。
（2）同一编号的输出元件在一个程序中使用两次，即形成双线圈输出，双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免。但不同编号的输出元件可以并行输出。
（3）线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用元件的常闭触点或特殊辅
助继电器M8000（常ON）来连接，
（4）适当安排编程顺序，以减小程序步数。
①串联多的电路应尽量放在上部
②并联多的电路应靠近左母线
（5）不能编程的电路应进行等效变换后再编程。
①桥式电路应进行变换后才能编程。
②线圈右边的触点应放在线圈的左边才能编程边
③对复杂电路，用ANB、ORB等指令难以编程，可重复使用一些触点画出其等效电路，然后
再进行编程