电器控制与PLC电子教案

高分子化学教案(第一章) 《电气控制与PLC》教案 燕山大学电气工程学院 电气工程及其自动化系 漆汉宏 博士、教授 2007.06.16 第一章 常用低压电器 【课时安排】 1.1 概述 10分钟 1.2 接触器 20分钟 1.3 继电器 20分钟 1.4 熔断器 10分钟 1.5 低压隔离器 10分钟 1.6 低压断路器 10分钟 1.7 主令电器 20分钟 总计 2学时 【掌握】 1. 电器：概念；分类 2. 接触器：结构和工作原理；分类及特点；主要技术参数。 3. 继电器：概念；电压、电流继电器；中间继电器及固态继电器；时间继电器；热继电器；速度继电器。 4. 熔断器：原理及特性；主要技术参数；选择原则。 5. 低压隔离器：原理及分类；技术参数。 6. 低压断路器：原理及分类；技术参数。 7. 主令电器：按钮；行程开关、接近开关和光电开关；凸轮控制器与主令控制器；万能转换开关。 【教学目标】 1. 掌握电器相关的基本概念。 2. 掌握几种常用低压电器 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 概述 一 电器 1 定义：电器对电能的生产、输送、分配与应用起着控制、调节、检测和保护的作用，在电力输配电系统和电力拖动自动控制系统中应用极为广泛。 2 学习掌握电器的原因：继电器、接触器等工业电器为基础的电气控制技术具有相当重要的地位；掌握继电接触器控制技术也是学习和掌握PLC应用技术所必需的基础。 二 分类 按工作电压：高压、低压。 按动作原理：手动、自动。 安用途：控制、配电、主令、保护、执行。 第二节 接触器 一 结构和工作原理 1 结构：一般由电磁机构、触点、灭弧装置、释放弹簧机构、支架与底座等几部分组成。 2 工作原理：根据电磁原理工作：当电磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁心产生电磁吸力吸引衔铁，并带动触点动作，使常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁力消失，衔铁在释放弹簧的作用下降放，使触点复原，即常开触点断开，常闭触点闭合。 二 分类及特点 1 交流接触器：交流接触器线圈通以交流电，主触点接通、切断交流主电路。 2 直流接触器：直流接触器线圈通以直流电流，主触点接通、切断直流主电路。 三 主要技术参数：线圈电压、主触点额定电流、主触点额定电压、辅助触点额定电流、辅助触点对数、接触器极数以及接触器的机械寿命和电寿命等。 四 选择原则： 1 接触器的使用类别应与负载性质相一致，控制交流负载应选用交流接触器，控制直流负载则选用直流接触器。 2 主触点的额定工作电压应大于或等于负载电路的电压。 3主触点的额定工作电流应大于或等于负载电路的电流。 4接触器主触点的额完工作电流是在规定条件下（额定工作电压、使用类别、操作频率等）能够正常工作的电流值，当实际使用条件不同时，这个电流值也将随之改变。 5吸引线圈的额定电压应与控制回路电压相一致，接触器在线圈额定电压85％及以上时应能可靠地吸合。 6主触点和辅助触点的数量应能满足控制系统的需要。 第三节 继电器 一 继电器特性及其分类 1 原理：主要用于控制与保护电路中作信号转换用。具有输入电路（又称感应元件）和输出电路（又称执行元件），当感应元件中的输入量（如电流、电压、温度、压力等）变化到某一定值时继电器动作，执行元件便接通和断开控制回路。 2 分类：常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器以及温度、压力、计数、频率继电器等等。 3 特性：继电特性曲线。 4 参数：返回系数、吸合时间、释放时间。 二 电压、电流继电器 过电流继电器、欠电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器。 三 中间继电器与固态继电器 1 中间继电器：当电压或电流继电器触点容量不够时，可借助中间继电器来控制，用中间继电器作为执行元件，这时中间继电器被当作一级放大器用；当其他继电器或接触器触点数量不够时，可利用中间继电器来切换多条控制电路。 2 固态继电器：由固体半导体元件组成的无触点开关器件；4端有源器件； 四 时间继电器 1原理：感应元件接受外界信号后，经过设定的延时时间才使执行部分动作的继电器。 2按延时方式分类：通电延时型、断电延时型和带瞬动触点的通电（或断电）延时型继电器。 3按工作原理分类：空气阻尼式、电动式和电子式等。 4触点类型：常开延时闭合触点、常闭延时断开触点、常开延时断开触点和常闭延时闭合触点4类。 五 热继电器 1 定义：专门用来对连续运行的电动机进行过载及断相保护，以防止电动机过热而烧毁的保护电器。 2 组成：双金属片、加热元件、动作机构、触点系统、整定调整装置及手动复位装置等组成。 3 原理 4 参数：热继电器额定电流、相数、热元件额定电流、整定电流及调节范围等。 六 速度继电器 1 作用：用于转速的检测，常用在三相交流异步电动机反接制动转速过零时，自动切除反相序电源。 2 组成：转子、圆环（笼型空心绕组）和触点三部分组成。 3 原理 第四节 熔断器 一 作用：供电电路和电气设备的短路保护。 二 组成：由熔体和安装熔体的外壳两部分组成。 三 原理：通过熔断器的电流超过一定数值并经过一定的时间后，电流在熔体上产生的热量使熔体某处熔化而切断电路，从而保护了电路和设备。 四 特性：保护特性曲线 五 选择 第五节 低压隔离器 一 作用：在电源切除后，将电路与电源明显地隔开，以保障检修人员的安全。 二 类型：低压刀开关、熔断器式刀开关和组合开关三种。 三 刀开关 四 熔断器式刀开关 五 组合开关 第六节 低压断路器 一 作用：用来分配电能，不频繁地起动异步电动机，对电源电路及电动机等实行保护。功能相当于熔断器式断路器与过电流、欠电压、热继电器等的组合。 二 组成：主要由触点和灭弧装置、各种可供选择的脱扣器与操作机构、自由脱扣机构三部分组成。 三 参数：额定工作电压、壳架额定电流等级、极数、脱扣器类型及额定电流、短路分断能力等。 第七节 主令电器 一 概述 1 定义：用来发布命令、改变控制系统工作状态的电器。 2 类型：按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器、脚踏开关等。 二 按钮 1 结构组成：常闭触点、常开触点、桥式触点、弹簧、按钮帽。 2 颜色规定 3 结构型式 三 行程开关 1 作用：用于检测工作机械的位置，发出命令以控制其运动方向或行程长短。 2 分类： 按外壳防护形式：开启式、防护式及防尘式； 按动作速度：瞬动和慢动（蠕动）； 按复位方式：自动复位和非自动复位； 按接线方式：螺钉式、焊接式及插入式； 按操作形式：直杆式（柱塞式）、直杆滚轮式（滚轮柱塞式）、转臂式、方向式、叉式、铰链杠杆式等； 按用途：一般用途行程开关、起重设备用行程开关及微动开关等。 四 接近开关 1 原理：非接触式的检测装置，当运动着的物体接近它到一定距离时，它就能发出信号，从而进行相应的操作。 2 分类：高频振荡型、霍尔效应型、电容型、超声波型等。 3 参数：动作距离、重复精度、操作频率及复位行程等。 五 光电开关 1 原理：通过光的发射和接收实现非接触式位置检测装置。 2 分类：对射式和反射式。 六 凸轮控制器 1 作用：用于起重设备和其他电力拖动装置，以控制电动机的起动、正反转、调速和制动。 2 结构组成：主要由手柄、定位机构、转轴、凸轮和触点组成。 3 原理：转动手柄时，转轴带动凸轮一起转动，转到某一位置时，凸轮顶动滚子，克服弹簧压力使动触点顺时针方向转动，脱离静触点而分断电路。在转轴上叠装不同形状的凸轮，可以使若干个触点组按规定的顺序接通或分断。 七 主令控制器 1 作用：由主令控制器的触点来控制接触器，再由接触器来控制电动机。 2 结构组成：与凸轮控制器相似，与控制屏相配合。 八 万能转换开关 1 作用及原理：由多组相同结构的触点组件叠装而成的多回路控制电器，借助于不同形状的凸轮使其触点按一定的次序接通和分断，它能转换多种和多数量的电气控制电路。 2 转换开关定位特征 3 转换开关接线图 第二章 电气图及电气控制基本控制电路 【课时安排】 2.1 电气图的基本知识 25分钟 2.2 电气图纸 25分钟 2.3 三相异步电动机基本控制电路 2学时 2.4 双速电动机高低速控制电路 25分钟 2.5 液压系统的电气控制 25分钟 2.6 控制电路的其他基本环节 1学时 总计 5学时 【掌握内容】 1. 电器图形符号与文字符号，电气图的基本知识 2. 三相异步电动机起动、停止控制电路；正、反转控制电路；制动控制电路；点动、联锁、多点控制等基本控制电路环节 3. 多速电动机控制电路 【了解内容】 1. 电气图纸相关规范 2. 液压系统电气控制技术 【教学目标】 1. 掌握电气控制电路图的相关知识 2. 掌握三相异步电动机的基本控制电路环节 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 电气图的基本知识 一 概述 1 电气图：用电气图形符号绘制的图。是电工领域中最主要的提供信息方式，它提供的信息内容可以是功能、位置、设备制造及接线等。 2 电气图的类型：系统图与框图、电路图、接线图与接线表、功能表图、逻辑图、位置图等。根据其所表达信息的类型和表达方式而确定。 3 电气控制系统图：根据国家电气制图标准，用规定的图形符号、文字符号以及规定的画法绘制，表达设备电气控制系统的组成结构，工作原理及安装、调试、维修等技术要求的工程图。 4电气控制系统图种类：电路图（电气原理图）、电气接线图、电器元件布置图。 二 电气图形符号与文字符号 1 电气图形符号：由符号要素、限定符号、一般符号以及常用的非电操作控制的动作符号（如机械控制符号等），根据不同的具体器件情况组合而成。 2 电气文字符号：分为基本文字符号和辅助文字符号。基本文字符号有单字母符号和双字母符号。单字母符号表示电气设备、装置和元器件的大类；双字母符号由一个表示大类的单字母与另一表示器件某些特性的字母组成。辅助文字符号用来进一步表示电气设备、装置和元器件的功能、状态和特征。 3 常用电气图形符号与文字符号示例。 三 电气原理图 1 形式与作用：根据电气控制系统的工作原理，采用电器元件展开的形式绘制的。不按电器元件实际布置绘制，而是根据电器元件在电路中所起的作用画在不同的部位上，用于分析研究系统的组成和工作原理，并为寻找电气故障提供帮助，同时也是编制电气接线图的依据。 2 组成： 主电路：设备的驱动电路，包括从电源到用电设备的电路，是强电流通过的部分。 控制电路：由按钮、接触器和继电器的线圈、各种电器的常开、常闭触点等组合构成的控制逻辑电路，实现所需要的控制功能，是弱电流通过的部分。 辅助信号指示电路。 保护电路。 3 绘制方法 水平布置时，电源线垂直画，其他电路水平画，控制电路中的耗能元件（如接触器的线圈）画在电路的最右端。 垂直布置时，电源线水平画，其他电路垂直画，控制电路的耗能元件画在电路的最下端。 主电路采用粗实线。 控制电路和其他辅助的信号指示及保护电路采用细实线。 所有电器元件不画出实际的外形图，采用国家标准规定的图形符号和文字符号表示。 同一电器的各个部件可根据需要画在不同的地方，但必须用相同的文字符号标注。 多个同一种类的电器元件，可在文字符号后加上数字序号加以区分。 4 常用器件状态表示 继电器和接触器的线圈在非激励状态。 断路器和隔离开关在断开位置。 零位操作的手动控制开关在零位状态，不带零位的手动控制开关在图中规定的位置。 机械操作开关和按钮在非工作状态或不受力状态。 保护类元器件处在设备正常工作状态，特别情况在图样上加以说明。 5 标注：元器件的数据和型号，一般用小号字体标注在电器元件符号的附近，需要标注的元器件的数量比较多时，可以采用设备表的形式统一给出。 四 电器元件布置图 1 作用：用来表明电气设备上所有电器和用电设备的实际位置，是电气控制设备制造、装配、调试和维护必不可少的技术文件。 2 内容：控制柜与操作台（箱）内部布置图以及控制柜与操作台（箱）面板布置图。 3 绘制方法： 控制柜与操作台（箱）等设备的外形轮廓用细实线绘出。 可见的和需要表达清楚的电器元件及设备，用粗实线绘出其简单的外形轮廓，并标明其实际的安装位置。 电器元件及设备代号必须与有关电路图和设备清单上所用的代号相一致。 五 电气接线图 1 作用：表示电气设备或装置连接关系的简图，主要用于电气设备安装接线、线路检查、线路维修和故障处理。 2 内容：电气设备和电器元件的相对位置、项目代号、端子号、导线号、导线类型、导线截面积、屏蔽和导线绞合等情况。 第二节 电气图纸规范 一 图幅尺寸 二 图框线 三 图幅分区 四 标题栏 五 图线 六 字体 七 尺寸标注及比例 八 注释、详图及技术数据表示 第三节 三相异步电动机基本控制电路 一、起动、停止控制电路 笼型三相异步电动机的起动、停止控制电路是应用最广泛的、也是最基本的控制电路，主要有直接起动和降压起动两种方式。 1．直接起动控制电路 一些控制要求不高的简单机械，如小型台钻、砂轮机、冷却泵等常采用开关直接控制电动机起动和停止。它适用于不频繁起动的小容量电动机，不能远距离控制和自动控制。 2．降压起动控制电路 较大容量的笼型异步电动机一般都采用降压起动的方式起动，具体实现的方案有：定子串电阻或电抗器降压起动、星—三角变换降压起动、自耦变压器降压起动、延边三角形降压起动等。 二、正、反转控制电路 只要把电动机定子三相绕组所接电源任意两相对调，改变电动机的定子电源相序，就可改变电动机的转动方向。 三、电动机制动控制电路 制动停车的方式有两大类：即机械制动和电气制动。机械制动采用机械抱闸、液压或气压制动；电气制动有反接制动、能耗制动、电容制动等，其实质是使电动机产生一个与转子原来的转动方向相反的制动转矩。 第四节 双速电动机高低速控制电路 与普通电动机不同的是，变速电动机的定子备有多组绕组，改变其接法，就可改变电动机的磁极对数从而改变其转速。这里只讨论双速电动机的变速控制方法。 第五节 液压系统的电气控制 在生产的许多领域广泛采用液压传动或气压传动系统，完善、可靠的电气控制电路是发挥其作用的基础。液压传动系统易获得较大的力矩，运动传递平稳、均匀，准确可靠，控制方便，易实现自动化。 1．液压动力头控制电路 动力头是既能完成进给运动，而且又能同时完成刀具切削运动的动力部件。液压动力头的自动工作循环是由控制电路控制液压系统来实现的。 自动工作方式：：(1) 动力头原位停止( 2) 动力头快进 (3) 动力头工进 (4) 动力头快退 手动工作方式。 2．半自动车床刀架纵进、横进、快退控制电路 第六节 控制电路的其他基本环节 一、点动控制 点动指的是，按住按钮时电动机转动工作，手放开按钮时，电动机即停止工作。点动常用于生产设备的调整，如机床的刀架、横梁、立柱的快速移动，机床的调整对刀等。 二、联锁与互锁 1．联锁 在机床控制电路中，经常要求电动机有顺序的起动，如某些机床主轴必须在液压泵工作后才能工作；龙门刨床工作台移动时，导轨内必须有足够的润滑油；铣床的主轴旋转后，工作台方可移动等，这些都要求有联锁关系。 2．互锁 互锁实际上是一种联锁关系，其所以这样称谓，是为了强调触点之间的互相作用。 3．多点控制 在大型机床设备中，为了操作方便，常要求能在多个地点进行控制。例如把起动按钮并联连接，停止按钮串联连接，分别安置在三个地方，就可三地操作。 4．工作循环自动控制 (1) 工作台的正反向自动循环控制 许多机床的自动循环控制都是靠限位控制来完成的。某些机床的工作台要求正反向运动自动循环。 (2) 动力头的自动循环控制 它是由限位开关按行程来实现动力头的往复运动的。 第三章 电气控制电路实例分析 【课时安排】 3.1 卧式车床的电气控制电路 50分钟学时 3.2 Z 430型摇臂钻床的电气控制电路 25分钟 3.3 组合机床电气控制电路 25分钟 总计 2学时 【掌握内容】 . 卧式车床的电气控制电路 【了解内容】 1. Z 430型摇臂钻床的电气控制电路 2. 组合机床电气控制电路 【教学目标】 1. 掌握典型系统的电气控制电路 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 卧式车床的电气控制电路 卧式车床是机床中应用最广泛的一种，它可以用于切削各种工件的外圆、内孔、端面及螺纹。 一、CW6163B型万能卧式车床的控制电路 CW6163 B型万能卧式车床床身最大工件的回转半径为630 mm，工件的最大长度可根据床身的不同分为1500 mm或3000 mm两种。 1．主电路 介绍主电路的组成及工作原理 2．控制、照明及显示电路 介绍控制电路的组成及工作原理 二、C616卧式车床的电气控制电路 C616卧式车床属于小型车床，床身最大工件回转半径为160 mm，工件的最大长度为500mm。 1．主电路 介绍主电路的组成及工作原理 2．控制、照明和显示电路 介绍控制电路的组成及工作原理 三、C650卧式车床的电气控制电路 C650卧式车床属于中型车床，床身的最大工件回转半径为1020mm，最大工件长度为3000mm。 1．主电路 介绍主电路的组成及工作原理 2．控制电路 介绍正反转控制电路的组成及工作原理 、主轴电动机的反接制动控制 第二节 Z3040型摇臂钻床的电气控制电路 钻床可以进行多种形式的加工，如；钻孔、镗孔、铰孔及攻螺纹。因此要求钻床的主轴运动和进给运动有较宽的调速范围。 1．主电路 介绍主电路的组成及工作原理 2．控制、照明和显示电路 介绍控制电路的组成及工作原理。 (1) 主电动机的旋转控制 (2) 摇臂的升降控制 (3) 立柱和主轴箱的松开与夹紧控制 第三节 X62W万能升降台铣床电气控制电路 铣床的种类很多，有立铣、卧铣、龙门铣和仿形铣等。它们的加工性能及使用范围各不相同，本节以X62W万能铣床为例，分析中小型铣床电气控制电路的特点。 一、电气电路概述 该铣床由三台异步电动机拖动，M1为主轴电动机（功率为7.5kW、1450 r/min），通过开关SA5改变电源相序实现主轴正、反两个方向旋转。 二、控制电路 1. 主电动机的控制电路 (1) 主电动机的起动 (2) 主电动机的制动 (3) 主轴变速时的瞬时点动 (4) 主轴换刀制动 2．进给运动的控制 (1) 工作台的左右（纵向）运动 (2) 工作台上、下（垂直）运动和前、后（横向）运动 第四章 电气与CAD 【课时安排】 4.1 电气控制电路设计基础 2学时 4.2 机床电气控制电路设计举例 30分钟 4.3 电气设计的内容 20分钟 4.5 计算机辅助设计通用CAD绘图 20分钟 4.6 电气专业设计CAD软件 30分钟 总计 4学时 【掌握内容】 1. 电气控制电路设计方法 2. CAD软件的使用 【了解内容】 1. 电气控制电路设计原则。 2. CAD软件系列。 【教学目标】 1. 掌握电气控制电路设计步骤及方法。 2. 掌握CAD软件的使用。 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 电气控制电路设计基础 一、电气控制系统设计的基本内容和原则 （一）电气控制系统设计的基本内容 （二）电力拖动方案确定的原则 1．无电气调速要求的生产机械 2．要求电气调速的生产机械 3．电动机调速性质的确定 （三）控制方案确定的原则 二、电气控制电路设计方法 （一）控制电路设计要求 （二）控制电路设计方法 1．主电路设计 2．控制电路设计 3．联锁与保护环节设计 4．电路的完善 （三）控制电路设计时应注意的问题 三、电气控制电路设计中元器件的选择 （一）电动机的选择 1．电动机功率的选择 2．电动机额定电压的选择 3．电动机额定转速的选择 4．电动机结构型式的选择 5．笼型异步电动机有关电阻的计算 （二）常用低压电器的选择 1．接触器的选用 2．继电器的选择 3．熔断器的选择 4．其他电器的选择 四、电气控制系统中的保护环节 （一）短路保护 （二）过电流保护 （三）过载保护 （四）失电压保护 （五）欠电压保护 第二节 机床电气控制电路设计举例 设计CW6163型卧式车床的电气控制电路。 一、机床电气传动的特点及控制要求 二、电气控制电路设计 1．主回路设计 2．控制电路设计 3．信号指示与照明电路 5．绘制电气原理图 4．控制电路电源 三、选择电气元件 四、制定电气元件明细表 五、绘制电气安装接线图 第三节 电气设计的内容 一、设计说明书 设计说明书在三个阶段各不相同。 (一) 方案设计阶段 (二) 初步设计阶段 (三) 施工图设计阶段 二、设计计算书 三、设计图样 第四节 电气设计CAD 一、CAD的基本概念 1．CAD的概念 2．CAD的发展 3．CAD的功能 二、硬件系统 1．主机系统 2．图形输入设备 3．图形显示设备 4．图形硬拷贝设备 三、软件系统 1．软件系统的构成 2．软件系统的基本功能 3．电气设计CAD软件包的构成 第五节 计算机辅助设计通用CAD绘图 一、AutoCAD 二、AutoCAD各版本 三、电气设计通用CAD常规绘图方法 四、绘图注意事项 五、AutoCAD计算机绘图常用命令 第六节 电气专业设计CAD软件 一、EES系列 二、ABD－E 三、AS－E 四、INTER－DQ 五、Telec 第五章 可编程序控制器概论 【课时安排】 5.1 可编程序控制器的产生及发展 1学时 5.2 可编程序控制器的定义及特点 1学时 5.3 可编程序控制器工作原理 1学时 5.4 可编程序控制器的硬件及分类 1学时 5.5 可编程序控制器的软件及其工作原理 1学时 总计 5学时 【掌握内容】 1. 可编程序控制器的定义及其特点 2. 可编程序控制器的工作原理及工作过程 3. 可编程序控制器的硬件及分类 、软件及其工作原理 【了解内容】 1. 可编程序控制器的英文缩写及发展过程。 2. 可编程序控制器的分类。 【教学目标】 1. 掌握可编程序控制器工作原理 2. 掌握可编程序控制器的硬件及分类 、软件及其工作原理 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 可编程序控制器的产生及发展 一、可编程序控制器的产生 美国数字设备公司（DEC）根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。其后，日本、德国等相继引入这项新技术，可编程序控制器由此而迅速发展起来。 二、可编程序控制器的发展 20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等功能，从而使PLC的应用范围和应用领域不断扩大，成为现代工业控制的三大支柱（PLC、工业机器人和CAD/CAM）之一。 三、可编程序控制器按应用形式归纳为以下几种类型： (1) 开关量逻辑控制 (2) 模拟量控制 (3) 过程控制 (4) 定时和计数控制 (5) 顺序控制 (6) 数据处理 (7) 通信和联网 第二节 可编程序控制器的定义及特点 一、可编程序控制器的定义 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。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统连成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 二、可编程序控制器的特点 1）．可靠性高，抗干扰能力强 2）．通用性强，使用方便 3）．采用模块化结构，使系统组合灵活方便 4）．编程语言简单、易学，便于掌握 5）．系统设计周期短 6）．对生产改变适应性强 7）．安装简单、调试方便、维护工作量小 第三节 可编程序控制器工作原理 一、PLC的基本控制原理 PLC可以分为输入部分、逻辑部分和输出部分组成 输入部分：它收集并保存被控对象实际运行的数据和信息。例如，它收集来自被控制对象上的各种开关信息或操作台上的操作命令等。 逻辑部分：处理输入部分所取得的信息，并按照被控对象实际的动作要求作出反映。 输出部分：提供正在被控制的许多装置中，哪几个设备需要实时操作处理。 二、PLC的主要逻辑部件 （1）继电器逻辑 （2）定时器逻辑 （3）计数器逻辑 （4）触发器逻辑 （5）数据寄存器 三、PLC的编程语言 （1）梯形图编程（Ladder） （2）语句表编程（Statement List） （3）功能图编程（Function Block） 第四节 可编程序控制器的硬件及其分类 一、PLC的硬件电路主要包括以下几个部分： （1）中央处理器（CPU） （2）存储器 （3）输入输出接口 （4）电源 （5）外部设备 二、PLC的分类 （1）按应用规模和功能分类： 小型机、中型机、大型机 （2）按硬件结构类型分类： 整体式结构、模块式结构、叠装式结构 第五节 可编程序控制器的软件及其工作原理 一、PLC的软件 PLC的软件包含系统软件及应用软件两大部分。 二、PLC的工作原理 PLC的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。用户程序的完成可分为以下三个阶段： （1）．输入处理阶段 （2）．程序执行阶段 （3）．输出处理阶段 三、PLC控制与继电器控制的区别 （1）组成器件不同 （2）触点数量不同 （3）实施控制的方法不同 （4）工作方式不同 第六章 三菱FX2N系列可编程序控制器及其基本指令 【课时安排】 6.1 三菱FX2N系列可编程序控制器 2学时 6.2 三菱FX2N系列可编程序控制器主要编程元件 2学时 6.3 三菱FX2N系列可编程序控制器的基本指令 2学时 6.4 编程注意事项 1学时 6.5 基本编程指令举例 1学时 总计 8学时 【掌握内容】 1. 三菱FX2N系列可编程序控制器的基本组成 2. 三菱FX2N系列可编程序控制器的主要编程元件 3. 三菱FX2N系列可编程序控制器的基本指令及基本指令应用举例 【教学目标】 1. 掌握三菱FX2N系列可编程序控制器的编程元件。 2. 掌握三菱FX2N系列可编程序控制器的基本指令及应用。 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 三菱FX2N系列可编程序控制器 一、FX2N系列可编程序控制器的基本组成 FX2N系列PLC的主机称为基本单元，包括CPU、存储器、输入输出口及电源，是PLC的主要部分。 二、FX2N系列可编程序控制器型号名称体系及其种类 （1）基本单元型号名称组成及种类 （2）扩展单元型号名称组成及种类 （3）扩展模块型号名称组成及种类 （4）FX2N系列可编程序控制器特殊功能扩展模块 三、FX2N系列可编程序控制器技术指标 第二节 FX2N系列可编程序控制器主要编程元件 一、FX2N系列PLC编程元件的分类及编号 FX2N系列PLC编程元件的编号分为两个部分：第一部分是代表功能的字母。如输入继电器用“X”表示、输出继电器用“Y”表示。第二部分为数字，数字为该类器件的序号。FX2N系列PLC中输入继电器及输出继电器的序号为八进制，其余器件的序号为十进制。 二、编程元件的基本特征 一般地可认为编程元件和继电接触器的元件类似、具有线圈和常开常闭触点。而且触点的状态随着线圈的状态而变化，即当线圈披选中（通电）时，常开触点闭合，常闭触点断开，当线圈失去选中条件时，常闭接通，常开断开。从实质上来说，某个元件被选中，只是代表这个元件的存储单元置1，失去选中条件只是这个存储单元置0，由于元件只不过是存储单元，可以无限次地访问。 三、编程元件的功能和作用 （一）数值的处理 FX2N系列PLC根据不同的用途和目的，使用5种类型的数值，分别为： 1．十进制数（K） 2．十六进制数（H） 3．二进制数（B） 4．八进制数（O） 5．BCD码 6．其他数值（浮点数） （二）输入输出继电器 输入端子是PLC从外部开关接受信号的窗口。在PLC内部，与PLC输入端子相连的输入继电器是一种光电隔离的电子继电器，有无数的电子常开触点和常闭触点，可在PLC内随意使用。这种输入继电器不能用程序驱动。 输出端子是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器的外部输出用触点（继电器触点，晶闸管、晶体管等输出元件）在PLC内与该输出端子相连，有无数的电子常开触点和常闭触点，可在PLC内随意使用。PLC外部输出用触点，按照输出用软元件的响应滞后时间动作 （三）辅助继电器 PLC内有许多辅助继电器，这类辅助继电器的线圈与输出继电器一样，由PLC内的各种软元件的触点驱动。 （四）状态器 状态器是对工序步进控制简易编程的重要软元件，经常与步进梯形指令结合使用。 （五）定时器 定时器相当于继电器系统中的时间继电器，可在程序中用于延时控制。 （六）计数器 计数器在程序中用作计数控制。计数器分为内部信号计数器和外部信号计数器两类。 （七）数据寄存器 数据寄存器是存储数值数据的软元件，可以处理各种数值数据，利用它还可以进行各种控制。 （八) 指针 FX2N系列PLC的指针包括分支用指针（P）和中断用指针（I）。 第三节 FX2N系列可编程序控制器的基本指令 FX2N系列PLC有基本指令27条；步进梯形指令2条；应用指令128种，298条。本节介绍其基本顺控指令。 一、LD、LDI、OUT指令 LD、LDI指令分别用于将常开、常闭触点连接到母线上，或者与后述ANB或ORB指令组合，在分支回路的起点使用常开、常闭触点。OUT指令是对输出继电器、辅助继电器、状态器、定时器、计数器的线圈驱动指令，对输入继电器不能使用。 二、AND、ANI指令 AND、ANI指令分别用于单个常开、常闭触点的串联，串联触点的数量不受限制，该指令可以连续多次使用。 三、OR、ORI指令 OR、ORI指令分别用于单个常开、常闭触点的并联，并联触点的数量不受限制，该指令可以连续多次使用。 四、ORB、ANB指令 ORB、ANB指令都是不带软元件的独立指令。由两个以上触点串联连接的回路称为串联回路块，将串联回路块并列连接时，分支开始用LD或LDI指令，分支结束用ORB指令。 五、LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF指令 LDP、ANDP、ORP指令是进行上升沿检出的触点指令，仅在指定位元件的上升沿时（OFF→ON变化时）接通一个扫描周期。LDF、ANDF、ORF指令是进行下降沿检出的触点指令，仅在指定位元件的下降沿时（ON→OFF变化时）接通一个扫描周期。 六、MPS、MRD、MPP指令 FX2N系列PLC中有11个被称为堆栈的记忆运算中间结果的存储器。使用一次MPS指令，就将此时刻的运算结果送入堆栈的第一段存储。再使用MPS指令，又将中间结果送入第一段存储，而将先前送入存储的数据依次移到堆栈的下一段。 七、MC、MCR指令 MC为主控指令，用于公共串联触点的连接，MCR为主控复位指令，即MC的复位指令。 八、INV指令 INV指令的功能是将INV指令执行之前的运算结果取反，不需要指定软元件号， 九、PLS、PLF指令 使用PLS指令时，仅在驱动输入为ON的一个扫描周期内，软元件Y、M动作。使用PLF指令时，仅在驱动输入为OFF的一个扫描周期内，软元件Y、M动作。 十、SET、RST指令 SET为置位指令，使操作保持；RST为复位指令，使操作保持复位。 十一、NOP、END指令 NOP为空操作指令。将程序全部清除时，全部指令成为NOP。若在普通的指令之间加入NOP指令，则PLC无视其存在继续工作。 第四节 编程注意事项 一、梯形图编程规则 梯形图作为一种编程语言，绘制时应当有—定的规则： 1) 梯形图的各种符号，要以左母线为起点，右母线为终点（有时可以省略右母线），从左向右分行绘出。 2) 触点应画在水平线上，不能画在垂直分支线上。 3) 几个串联回路并联时，应该将串联触点多的回路写在上方；几个并联回路串联时，应该将并联触点多的回路写在左方。 二、语句表编程规则 指令表的表达顺序为：先写出参与因素的内容，再表达参与因素间的关系。 三、双线圈输出问题 在梯形图中，线圈前边的触点代表线圈输出的条件，线圈代表输出。如果在同一程序中同一元件的线圈使用两次或多次，称为双线圈输出。PLC程序顺序扫描执行的原则规定，这种情况出现时，前面的输出无效，最后一次输出才是有效的。 第五节 基本指令编程举例 本节以几个具体的例子说明基本指令的应用。 一、保持电路 二、延时断开电路 三、分频电路 四、振荡电路 五、报警电路 六、十字路口交通灯控制 第七章 三菱FX2N系列可编程序控制器步进梯形指令 【课时安排】 7.1 状态编程思想及步进梯形指令 2学时 7.2 状态转移图的类型及步进梯形图应用示例 4学时 总计 6学时 【掌握内容】 1. 步进梯形指令。 2. 状态转移图的类型及步进梯形图应用。 【了解内容】 1. 状态编程思想。 2. 步进梯形图的其它一些应用。 【教学目标】 1. 掌握步进梯形指令的助记符及名称。 2. 掌握步进梯形指令的应用。 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 状态编程思想及步进梯形指令 一、状态编程思想 以小车运动控制为例介绍状态编程思想。 二、步进梯形指令（STL、RET） FX2N系列PLC的步进梯形指令是采用步进梯形图编制顺序控制状态转移图程序的指令，它包括STL和RET两条指令。其中步进梯形指令STL是利用内部状态软元件，在顺控程序上进行工序步进控制的指令；返回RET指令是表示状态结束，用于返回主程序的指令。 三、步进梯形指令的特点 步进梯形指令仅对状态器S有效，但是对于用作一般辅助继电器的状态器S，则不能采用STL指令，而只能采用基本指令。 其特点为： 1）转移源自动复位 2）允许双重输出： 3）主控功能：使用STL指令，取指令（LD、LDI）点移至右边。使用RET指令后，取指令（LD、LDI）点返回到原来的母线上。 四、步进梯形指令应用注意事项： 1) 状态器编号不能重复使用。 2) STL触点断开时，与其相连的回路不动作，一个扫描周期后不再执行STL指令。 3) 状态转移过程中，在一个扫描周期内两种状态同时接通，因此为了避免不能同时接通的一对输出同时接通，除了在PLC外部设置互锁外，在相应的程序上也应设置互锁。 4) 定时器线圈与输出线圈一样，也可在不同状态间对同一定时器软元件编程，但是，在相邻状态下对同一定时器编程时，则状态转移时定时器线圈不断开，当前值不能复位，因此需要注意在相邻状态不要对同一定时器编程。 5) STL指令后的母线，一旦写入LD或LDI指令后，对于不需要触点的指令，必须采用MPS、MRD、MPP指令编程，或者改变回路的驱动顺序。 6) 在中断程序与子程序内不能采用STL指令。 第二节 状态转移图的类型及步进梯形图应用示例 一、单流程 所谓单流程是指状态转移只有一种顺序，它是状态转移图的基本形式。 二、选择性分支 从多个流程顺序中选择执行某一个流程，称为选择性分支。FX2N系列PLC一条选择性分支的支路数不能超过8条，初始状态对应有多条选择性分支时，每个初始状态的支路总数不能超过16条。 三、并行分支 多个分支流程可以同时执行的分支流程，称为并行分支。FX2N系列PLC并行分支的支路数不能超过8条，初始状态对应有多条并行分支时，每个初始状态的支路总数不能超过16条。 四、组合流程及虚拟状态 运用状态编程思想解决问题时，当状态转移图设计出来后，有些状态转移图不单单是某一种分支、汇合流程，往往是若干个或若干类分支、汇合流程的组合。 第八章 三菱FX2N系列可编程序控制器步进梯形应用指令 【课时安排】 8.1 应用指令的基本规则 1学时 8.2 三菱FX2N系列PLC程序流程控制应用指令 1学时 8.3 三菱FX2N系列PLC传送与比较应用指令 1学时 8.4 三菱FX2N系列PLC算术及逻辑运算应用指令 1学时 8.5 三菱FX2N系列PLC循环与移位应用指令 1学时 8.6 三菱FX2N系列PLC数据处理应用指令 1学时 8.7 三菱FX2N系列PLC高速处理应用指令 1学时 8.8 三菱FX2N系列PLC方便指令 1学时 8.9 三菱FX2N系列PLC外围设备I/O应用指令 1学时 8.10 三菱FX2N系列PLC外围设备SER应用指令 1学时 8.11 三菱FX2N系列PLC浮点运算应用指令 1学时 8.12 三菱FX2N系列PLC时钟运算应用指令 1学时 8.13 三菱FX2N系列PLC葛雷码变换应用指令 1学时 8.14 三菱FX2N系列PLC触点比较应用指令 1学时 总计 15学时 【掌握内容】 1. 三菱FX2N系列PLC各种应用指令的表示方法及表示意义。 2. 三菱FX2N系列PLC各种应用指令的实际应用。 【教学目标】 1. 掌握应用指令的助记符及名称。 2. 掌握应用指令的应用。 【教学手段】课堂讲授，辅以多媒体电子课件 【教学过程】 第一节 应用指令的基本规则 一、介绍应用指令使用时的一些基本规则，主要内容包括： 1．指令与操作数 2．操作数可用软元件 3．指令的形态与执行形式 4．标志的处理 5．指令使用次数与同时驱动的限制 6．浮点运算的数值处理 7．应用指令说明 第二节 三菱FX2N系列PLC程序流程控制应用指令 三菱FX2N系列PLC程序流程控制应用指令共有十条，指令编号为FNC00～FNC09。它们在程序中的条件执行与优先处理，与顺控程序的控制流程有关。 一、条件跳转指令 条件跳转指令CJ（Conditional Jump，FNC00）用于跳过顺序程序中的某一部分，以控制程序的流程。指针P（Point）用于指示分支和跳步程序，在梯形图中，指针放在左侧母线的左边。 二、子程序调用与返回指令 子程序是为一些特定的控制目的编制的相对独立的程序。子程序调用指令CALL（Sub- Routine Call，FNC01）用于子程序的调用，各子程序用指针P0～P62及P64～P127表示。 三、中断指令 中断是计算机所特有的一种工作方式，指主程序的执行过程中，中断主程序的执行去执行中断子程序。FX2N系列PLC的中断事件包括输入中断、定时中断和高速计数器中断。 四、主程序结束指令 主程序结束指令FEND（First End，FNC06）表示主程序的结束和子程序的开始。 五、监控定时器指令 监控定时器又称看门狗，在执行FEND和END指令时，监控定时器被刷新（复位），PLC正常工作时扫描周期小于它的定时时间。 六、程序循环指令 程序循环指令由FOR 及NEXT两条指令构成。 FOR 指令用来表示循环区的起点，NEXT表示循环区终点，FOR与NEXT之间的程序被反复执行，执行完后，执行NEXT后面的指令。 第三节 三菱FX2N系列PLC传送与比较应用指令 FX2N系列PLC 的数据传送、比较类指令共10条，指令功能编号为FNC10～FNC19。它们是数据处理类程序中使用十分频繁的指令。 一、比较指令 比较指令包括比较CMP（Compare）和区间比较ZCP（Zone Compare），比较结果用目的元件的状态来表示。 二、传送指令 传送指令包括传送MOV（Move）、BCD码移位传送SMOV（Shift Move）、取反传送CML（Complement Move）、数据块传送BMOV（Block Move）、多点传送FMOV（Fill Move）以及数据交换XCH（Exchange）指令。 三、数据变换指令 数据变换指令包括二进制数转换成BCD码并传送BCD（Binary Code to Decimal）和BCD码转换为二进制数并传送BIN（Binary）指令。 第四节 三菱FX2N系列PLC算术及逻辑运算应用指令 算术及逻辑运算指令是基本运算指令，通过算术及逻辑运算可实现数据的传送、变位及其他控制功能。 一、算术运算指令 算术运算包括二进制加ADD（Addition）、减SUB（Subtraction）、乘MUL（Multiplication）和除DIV（Division）指令， 二、二进制数加1、减1指令 二进制数加1指令INC（Increment）和减1指令DEC（Decrement）的操作数均可以取KnY、KnM、KnS、T、C、D、V和Z。 三、字逻辑运算指令 字逻辑运算指令包括字逻辑与WAND（Word AND）、字逻辑或WOR（Word OR）、字逻辑异或WXOR（Word Exclusive OR）和求补NEG（Negation）指令，它们的S1和S2均可以取所有的数据类型。 第五节 三菱FX2N系列PLC循环与移位应用指令 FX2N系列PLC循环与移位指令是使位数据或字数据向指定方向循环、位移的指令。 一、循环移位指令 1．左、右循环移位指令 左、右循环移位指令包括循环右移ROR（Rotation Right）和循环左移ROL（Rotation Left）指令。 2．带进位左、右循环移位指令 带进位循环移位指令也包括带进位循环右移RCR（Rotation Right with Carry）和带进位循环左移RCL（Rotation Left with Carry）指令，功能编号分别为FNC32和FNC33。 二、移位指令 1．位右移和位左移指令 位右移SFTR（Shift Right）与位左移SFTL（Shift Left）指令实现位元件中的状态成组地向右或向左移动。 2．字右移和字左移指令 字右移WSFR（Word Shift Right）、字左移WSFL（Word Shift Left）的源操作数可以取KnX、KnY、KnM、KnS、T、C和D，目标操作数可以取KnY、KnM、KnS、T、C和D。字移动指令只有16位运算。 3．移位寄存器写入与读出指令 移位寄存器又称为先入先出FIFO（First in First out）堆栈，堆栈的长度范围为2～512个字。移位寄存器写入指令SFWR（Shift Register Write）和移位寄存器读出指令SFRD（Shift Register Read）用于FIFO堆栈的读写，先写入的数据先读出。 第六节 三菱FX2N系列PLC数据处理应用指令 数据处理指令包含批复位指令、编码、译码指令及平均值计算指令等。其中批复位指令可用于数据区的初始化，编、译码指令可用于字元件中某个置1位的位码的编译。 一、区间复位指令 区间复位指令ZRST（Zone Reset）将D1～D2指定的元件号范围内的同类元件成批复位。 二、解码与编码指令 解码（译码）指令DECO（Decode）的位源操作可以取X、Y、M和S，位目的操作数可以取Y、M和S。字源操作数可以取K、H、T、C、D、V和Z，字目的操作数可以取T、C和D，n=1～8，只有16位运算。编码指令ENCO（Encode）只有16位运算。 三、求置ON位总和与ON位判别指令 位元件的值为1时称为ON，求置ON位总和指令SUM统计源操作数中为ON的位的个数，并将它送入目标操作数。 四、平均值指令 平均值指令MEAN是将S中指定的n个源操作数据的平均值存入目标操作数D中，舍去余数。 五、报警器置位复位指令 报警器置位指令ANS（Annunciator Set）的源操作数为T0～T199，目标操作数为S900～S999，n=1～32 767（定时器以100ms为单位设定）。报警器复位指令ANR（Annunciator Reset）无操作数。 第七节 三菱FX2N系列PLC高速处理应用指令 高速处理指令可以按最新的输入输出信息进行程序控制，并能有效利用数据高速处理能力进行中断处理。 一、与输入输出有关的指令 1．输入输出刷新指令 输入输出刷新指令REF（Refresh）可用于对指定的输入输出口立即刷新。 2．刷新和滤波时间常数调整指令 3．矩阵输入指令 二、高速计数器指令 高速计数器指令包括高速计数器比较置位HSCS（Set by High Speed Counter）、高速计数器比较复位HSCR（Reset by High Speed Counter）以及高速计数器区间比较HSZ（Zone compare for High Speed Counter）指令，它们均为32位指令， 三、脉冲密度与输出指令 1．脉冲密度速度检测指令 脉冲密度速度检测指令SPD（Speed Detect）用来检测给定时间内从编码器输入的脉冲个数，并计算出速度。 2．脉冲输出与脉宽调制指令 脉冲输出指令PLSY（Pluse Output）用于产生指定数量和频率的脉冲。 3．可调速脉冲输出指令 可调速脉冲输出指令PLSR（Pulse R）的源操作数和目的操作数的类型与PLSY的指令相同，只能用于晶体管输出型PLC的Y000或Y001，该指令只能使用一次。 第八节 三菱FX2N系列PLC方便指令 方便类指令可以利用最简单的顺控程序进行复杂控制。该类指令有状态初始化、查找数据线、列表数据排序等10种。 一、状态初始化指令 状态初始化指令IST（Initial State）与步进梯形STL指令一起使用，用于自动设置多种工作方式的控制系统的初始状态，以及设置有关的特殊辅助继电器的状态。 二、数据搜索指令 数据搜索指令SER（Data Search）用于在数据表中查找指定的数据。 三、凸轮顺控指令 1．绝对值式凸轮顺控指令 2．增量式凸轮顺控指令 四、定时器指令 1．示教定时器指令 示教定时器指令TTMR（Teachering Timer）可以通过按钮按下的时间调整定时器的设定值。 2．特殊定时器指令 特殊定时器STMR（Special Timer）指令用来产生延时断开定时器、单脉冲定时器和闪动定时器。m用来指定定时器所谓设定值。 五、其他方便指令 1．交替输出指令 交替输出指令ALT（Alternate）在每次执行条件由OFF变为ON时，目的操作数D中的输出元件状态向相反方向变化。 2．斜坡信号输出指令 斜坡信号输出指令RAMP可以产生不同斜率的斜坡信号。 3．旋转工作台控制指令 旋转工作台控制指令ROTC可以使工作台上指定位置的工件以最短的路径转到出口位置。 4．数据排序指令 数据排序指令SORT（Sort）将数据编号，按指定的内容重新排列，该指令只能用一次。 第九节 三菱FX2N系列PLC外围设备I/O应用指令 外围设备I/O应用指令具有与上述方便类指令近似的性质，通过最小量的程序与外部接线实现从外部设备接受数据或输出控制外部设备，可以简单地进行复杂的控制。 一、十键输入指令 十键输入指令TKY（Ten Key）是用10个按键输入十进制数的功能指令。 二、十六键输入指令 十六键输入指令HKY（Hexa Decimal Key）是使用十六键键盘输入数字及功能信号的功能指令。 三、数字开关指令 数字开关指令DSW（Digital Switch）是输入BCD码开关数据的专用指令，用来读入1组或2组4位数字开关的设置值。 四、七段码译码指令 七段码译码指令SEGD（Seven Segment Decoder）是驱动七段显示器的指令，可以显示1位十六进制数据。 五、带锁存七段码显示指令 带锁存七段码显示指令SEGL（Seven Segment with Latch）是驱动4位组成的1组或2组带锁存七段码显示器的指令。 六、方向开关指令 方向开关指令ARWS（Arrow Switch）是使用箭头开关通过位移动与各位数值增减实现数据输入显示的指令。 七、ASCII码转换与打印指令 ASCII码转换指令ASC（ASCII Code）是8个以下字母的ASCII码转换存储的指令。 八、BFM读出与写入指令 BFM读出指令FROM是将特殊单元缓冲存储器BFM的内容读出到PLC的指令，BFM写入指令TO是由PLC向特殊单元缓冲存储器BFM写入数据的指令。 第十节 三菱FX2N系列PLC外围设备SER应用指令 外围设备SER应用指令主要是对连接串联接口的特殊附件进行控制的指令，此外PID运算指令也包括在该类指令中。 一、串行通信传送指令 串行通信传送指令RS（RS-232C）为使用RS-232C、R