PLC触点串联运算(相乘运算)实验

AND串开点，ANI串闭点

[案例3-2] PLC触点串联运算(相乘运算)实验

3)PLC实验接线图、及动作顺序分析

梯形图有时又称继电器形逻辑图编程。这种方法是当今使用**为广泛的，对些我们将在介绍基本指令应用中作详细介绍。它使用**广泛的主要原因是它和以往的继电器控制线路十分接近。

如图1是典型的梯形图，两边垂直的线称为母线，在母线之间通过串并（与、非）关系构成一定的逻辑关系。PLC中还有一个关键的概念“能流”（Power  plow）。这仅仅是概念上的能流。如图，把梯形图中左边的母线假想为电源的“火线”，右边的母线假想为“零线”。如果有“能流”，则从左至右流向线圈，线圈被激励。原则线圈未被激励。母线中是否有“能流”流过，即线圈能否被激励，其关键主要取决于母线的逻辑线路是否接通。

应该强调指出的是，“能流”仅仅是假想的，便于理解梯形图各输出点动作的概念，并非实际存在的。

电气是什么意思？电气与电器的区别与联系

 通过介绍电气控制领域中常用低压电器的工作原理、用途、型号、规格及符号等知识，电器控制线路的基本环节，并通过对典型电器控制系统的分析，学会正确选择和合理使用常用电器、学会分析和设计电气控制线路的基本方法，为后继章节的学习打下

机电控制是研究如何设计控制器并合理选择或设计放大元件、执行元件、检测与转换元件、导向与支承元件和传动机构等，并由此组成机电控制系统使机电设备达到所要求的性能的一门科学，在机电一体化技术中占有非常重要的地位。

机电控制系统是机电一体化产品及系统中承担着控制对象输出，并按照指令规定的规律变化的功能单元，是机电一体化产品及系统的重要组成部分。机电控制系统是一种自动控制系统。

机电控制系统一般由指令元件，比较、综合与放大元件，转换与功率放大元件、执行元件、工作机构、检测与转换元件等6部分组成。

机电控制系统的工作原理是：有指令元件发出指令，通过比较、综合与放大元件将此信号与输出反馈信号比较，再将差值进行处理和放大、控制及转换，将此处理后的信号加到功率放大元件并施加到执行元件的输入信号，使得执行元件按指令的要求运动；而执行元件往往和机电装备的工作机构相连接，从而使机电装备的被控量（如位移、速度、力、转矩等）符合所要求的规律。

能把输入信号放大并向负载提供足够大的功率的放大器叫功率放大器。例如收音机的末级放大器就是功率放大器。

    （ 1 ）甲类单管功率放大器

 图 5 是单管功率放大器， C1 是输入电容， T 是输出变压器。它的集电极负载电阻 Ri′ 是将负载电阻 R L 通过变压器匝数比折算过来的：

    RC′= （ N1 N2 ） 2 RL=N 2 RL

    负载电阻是低阻抗的扬声器，用变压器可以起阻抗变换作用，使负载得到较大的功率。

    这个电路不管有没有输入信号，晶体管始终处于导通状态，静态电流比较大，困此集电极损耗较大，效率不高，大约只有 35 ％。这种工作状态被称为甲类工作状态。这种电路一般用在功率不太大的场合，它的输入方式可以是变压器耦合也可以是 RC 耦合。

（ 2 ）乙类推挽功率放大器

乙类推挽放大器的输出功率较大，失真也小，效率也较高，一般可达 60 ％。

    （ 3 ） OTL 功率放大器

    目前广泛应用的无变压器乙类推挽放大器，简称 OTL 电路，是一种性能很好的功率放大器。为了

易于说明，先介绍一个有输入变压器没有输出变压器的 OTL 电路，如图 7 。

  这个电路使用两个特性相同的晶体管，两组偏置电阻和发射极电阻的阻值也相同。在静态时， VT1 、 VT2 流过的电流很小，电容 C 上充有对地为 1 2 E c 的直流电压。在有输入信号时，正半周时 VT1 导通， VT2 截止，集电极电流 i c1 方向如图所示，负载 RL 上得到放大了的正半周输出信号。负半周时 VT1 截止， VT2 导通，集电极电流 i c2 的方向如图所示， RL 上得到放大了的负半周输出信号。这个电路的关键元件是电容器 C ，它上面的电压就相当于 VT2 的供电电压。

    以这个电路为基础，还有用三极管倒相的不用输入变压器的真正 OTL 电路，用 PNP 管和 NPN 管组成的互补对称式OTL 电路，以及**的桥接推挽功率放大器，简称 BTL 电路等等。

直流放大器

    能够放大直流信号或变化很缓慢的信号的电路称为直流放大电路或直流放大器。测量和控制方面常用到这种放大器。

    （ 1 ）双管直耦放大器

    直流放大器不能用 RC 耦合或变压器耦合，只能用直接耦合方式。图 8 是一个两级直耦放大器。直耦方式会带来前后级工作点的相互牵制，电路中在 VT2 的发射极加电阻 R E 以提高后级发射极电位来解决前后级的牵制。直流放大器的另一个更重要的问题是零点漂移。所谓零点漂移是指放大器在没有输入信号时，由于工作点不稳定引起静 态电位缓慢地变化，这种变化被逐级放大，使输出端产生虚假信号。放大器级数越多，零点漂移越严重。所以这种双管直耦放大器只能用于要求不高的场合。

 （ 2 ）差分放大器

    解决零点漂移的办法是采用差分放大器，图 9 是应用较广的射极耦合差分放大器。它使用双电源，其中 VT1 和 VT2 的特性相同，两组电阻数值也相同， R E 有负反馈作用。实际上这是一个桥形电路，两个 R C 和两个管子是四个桥臂，输出电压 V 0 从电桥的对角线上取出。没有输入信号时，因为 RC1=RC2 和两管特性相同，所以电桥是平衡的，输出是零。由于是接成桥形，零点漂移也很小。

  差分放大器有良好的稳定性，因此得到广泛的应用。

一种PLC主机的三大组成部分组成

PLC在某机械手控制系统中的组成如下：

1、输入单元
输入单元由8个按扭、8个开关和16个接插件组成，它们分别与PLC的16个输入点相接。改变这些开关或按扭的通断状态，即可对主机输入所需要的开关量。16个接插件可外接其它直流或开关量输入信号。
2、输出单元
输出单元由24个二极管和24个接插件组成，它们分别与PLC的24个输出点相连。发光二极管是否发光，即可表示输出点的状态，使用者可得到主机的输出信息。24个输出接插件可外接其它需要控制的设备。输出单元的4个地端，分别引出到面板，其中只有C4与3V电源共地。
3、电源单元
PLC主机左边有外接220V/AV的电源插座，作为PLC的工作电源。内装变压器，输出3V电源，供二极管使用。另外PLC的24VDC和24GND已引出到面板，供外接输入器件（如传感器）的工作电源用.

 定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。

（1）外壳

       三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。

机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。

端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。

轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。

接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。

吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬三相电动机。

（2）定子铁心

        异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图2所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。

（a）定子铁心 （b）定子冲片              

 图2  定子铁心及冲片示意图   

（3）定子绕组

         定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1, V1, W1 ，末端分别标为U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒里的排列如图3所示，可以接成星形或三角形。

功能表图中功能表图中选择序列和并行序列的编程问题

循环和跳步都属于选择序列的特殊情况。对选择序列和并行序列编程的关键在于对它们的分支和合并的处理，转换实现的基本规则是设计复杂系统梯形图的基本准则。与单序列不同的是，在选择序列和并行序列的分支、合并处，某一步或某一转换可能有几个前级步或几个后续步，在编程时应注意这个问题。

1．选择序列的编程

（1）使用STL指令的编程

如图5-35所示，步S0之后有一个选择序列的分支，当步S0是活动步，且转换条件X0为“1”时，将执行左边的序列，如果转换条件X3为“1”状态，将执行右边的序列。步S32之前有一个由两条支路组成的选择序列的合并，当S31为活动步，转换条件X1得到满足，或者S33为活动步，转换条件X4得到满足，都将使步S32变为活动步，同时系统程序使原来的活动步变为不活动步。

图5-35  选择序列的功能表图一

如图5-36所示为对图5-35采用STL指令编写的梯形图，对于选择序列的分支，步S0之后的转换条件为X0和X3，可能分别进展到步S31和S33，所以在S0的STL触点开始的电路块中，有分别由X0和X3作为置位条件的两条支路。对于选择序列的合并，由S31和S33的STL触点驱动的电路块中的转换目标均为S32。

图5-36  选择序列的梯形图一

在设计梯形图时，其实没有必要特别留意选择序列的如何处理，只要正确地确定每一步的转换条件和转换目标即可。

（2）使用通用指令的编程

如图5-38所示对图5-37功能表图使用通用指令编写的梯形图，对于选择序列的分支，当后续步M301或M303变为活动步时，都应使M300变为不活动步，所以应将M301和M303的常闭触点与M300线圈串联。对于选择序列的合并，当步M301为活动步，并且转换条件X1满足，或者步M303为活动步，并且转换条件X4满足，步M302都应变为活动步，M302的起动条件应为：，对应的起动电路由两条并联支路组成，每条支路分别由M301、X1和M303、X4的常开触点串联而成。

图5-37  选择序列功能表图二

图5-38  选择序列的梯形图二

（3）以转换为中心的编程

如图5-39所示是对图5-37采用以转换为中心的编程方法设计的梯形图。用仿STL指令的编程方式来设计选择序列的梯形图，请读者自己编写。

图5-39  选择序列的梯形图三

2．并行序列的编程

（1）使用STL指令的编程

如图5-40所示为包含并行序列的功能表图，由S31、S32和S34、S35组成的两个序列是并行工作的，设计梯形图时应保证这两个序列同时开始和同时结束，即两个序列的**步S31和S34应同时变为活动步，两个序列的**后一步S32和S35应同时变为不活动步。并行序列的分支的处理是很简单的，当步S0是活动步，并且转换条件X0＝1，步S31和S34同时变为活动步，两个序列开始同时工作。当两个前级步S32和S35均为活动步且转换条件满足，将实现并行序列的合并，即转换的后续步S33变为活动步，转换的前级步S32和S35同时变为不活动步。

可编程控制器的硬件系统组成（图）

可编程控制器的构成框图和计算机是一样的，都由中央处理器（CPU）、存贮器和输入/输出接口等构成。因此，从硬件结构来说，可编程控制器实际上就是计算机，图1是其硬件系统的简化框图。从图中可以看出PLC内部主要部件有:

（1）CPU（Central  Process  Unit）

CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。其功能是：

a、按PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

b、用扫描方式接收现场输入装置的状态式数据，并存入映象寄存器或数据寄存器中。

c、诊断电源、PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。

d、在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令规定的任务，产生相应的信号，去启闭有关控制门电路。分时分渠道地去执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等操作，完成用户程序中规定的逻辑式算术运算等任务。根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，再由输出映象寄存器的位状态式数据寄存器的有关内容，实现输出控制、制表、打印式数据通讯等。

PLC常用的CPU主要采用通用微处理器、单片机或双极型位片式微处理器。通用的微处理器常用的是8位机和16位机，如Z80A、8085、8086、6502、M6800、M6809、M68000等。单片机常用的有8039、8049、8031、8051等。双极型位片式微处理器常用的有AMD2900、AMD2903等。

①用通用微处理器作CPU

在低档PLC中，用Z80A做CPU较为普遍，Z80A用于PLC有如下长处： Z80（或Z80A）CPU及其配套的芯片廉价、普及、通用，用这套芯片制成的PC，给维修及推广普及带来方便。Z80有独立的输入/输出指令,而且指令格式较短，执行时间也较短，这样有利于扫描周期的缩短。Z80输入/输出指令格式较短，相应的输入/输出设备编码也较短，所以相应的译码硬件器较简单。由于Z80的信息是采用输入/输出映射方式，因而设计流程序时，对输入/输出与存储器寻址容易区别。

②用单片机作CPU

自从1974年出现单片机以来，已有不少产品采用单片机做可编程序控制器。日本三菱F系列PLC就采用美国INTEL公司MES－48系列的单片机8049和8039做处理器，8039单片机在一块片子上集成了8位的CPU，128×8的数据存储器。27条输入/输出线，T0、T1、INT测试线及8位定时器/计数器，时钟振荡电路等。

自80年代以来，出现了集成度更高。功能更强，并带有“布尔机”而又便于作数据通信的MCS-51系列单片机以及功能更高的16位单片机，大有取代MCS－48系列之势。日本三菱的F2系列PLC即采用CPU8031。MCS－51系列单片机是美国INTEL公司在MCS－48单片机基础上，于80年代初推出的产品，具有高集成度、高可靠性、高功能、高速度、低价格等特点。它有三个代表产品：8051、8751和8031，它们分别有不同的应用特性。8051是以4K字节EPR0M代替4K字节的R0M的8051； 8031是内部无R0M8051。必须外接EPR0M；INTEL公司的96系列的单片机，字长为16，运算速度比51系列更高，这必将为**次的PLC开发和应用带来美好的远景。用单片机制成的PLC有以下显著特点：为机电设备一体化创造了条件，因为由单片机制成PLC，体积更小。同时PLC逻辑功能很强，并且具有数值运算和通信接口。

③用位片式微处理器作CPU

位片式微处理器的主要特点是：速度快、灵活性强、效率高等特点。可以进行“级联”，易于“流水线”操作。

（2）系统程序存储器

它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的调用管理程序，以及对应定义（I/0、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系统）参数等功能。

（3）用户存储器

用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。同时，由于前面所说的系统程序直接关系到PLC的性能，不能由用户直接存取。因而通常PLC产品资料中所指的存储器型式或存储方式及容量，是对用户程序存储器而言。

常用的用户存储方式及容量型式或存储方式有CM0SRAM，EPR0M和EEPR0M。信息储存常用盒式磁带和磁盘。

CM0SRAM存储器是一种中高密度、低功能、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源。一旦交流电源停电，用锂电池来维持供电，可保存RAM内停电前的数据。锂电池寿命一般为1―5年左右。

EPR0M存储器是一种常的只读存储器，定入时加高电平，擦除时用紫外线照射。PLC通过写入器可将RAM区的用户程序固化到R0M盒中的EPR0M中去。在PLC机中插入R0M盒，PLC则执行R0M盒中用户程序；反之，不插上R0M盒，PLC则执行RAM区用户程序。

EEPR0M存储器是一种可用电改写的只读存储器。

（4）输入输出组件（I/0模块）

I/0模块是CPU与现场I/0装置或其它外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/0模块和各种用途的I/0组件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换数据、误码较验、A/D或D/A转换以及其它功能模块等。I/0模块将外界输入信号变成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变成需要的控制信号去驱动控制对象（包括开关量和模拟量），以确保整个系统正常工作。

输入的开关量信号接在IN端和0V端之间，PLC内部提供24V电源，输入信号通过光电隔离，通过R/C滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。PLC输出有三种型式：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。

（5）编程器

编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。

编程器分为简易型和智能型两类。前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。

（6）外部设备

一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。

（7）电源

根据PLC的设计特点，它对电源并无特别要求，可使用一般工业电源。

S7-200 CPU 22X 的输入/输出接口

S7-200主机配置的输入接口是数字信号输入接口。为了提高抗干扰能力，输入接口均有光电隔离电路，即由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。

    S7-200主机配置的输出接口通常是继电器和晶体管输出型。继电器输出型为有触点输出，外加负载电源既可以是交流，也可以是直流。CPU 226 AC/DC/继电器输出的CPU外围接线图如图所示。

CPU 226 AC/DC/继电器输出的CPU外围接线图

7-200系列PLC数字量I/O扩展模块

PLC的基本知识、**对PLC的定义

 随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已扩展到了几乎所有的工业领域。现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC(Programmable Logic Controller，可编程序控制器)正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。 

      PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要装置之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的使用，在其他领域(例如民用和家庭自动化)的应用也得到了迅速的发展。

       国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、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设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。 

       PLC的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经大量地应用在各种机械设备和生产过程的电气控制装置中，各行各业也涌现出了大批应用PLC改造设备的成果。了解PLC的工作原理，具备设计、调试和维护PLC控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人员和工科学生的基本要求。