第一章 PLC的简介

1.1 可编程序控制器的概述

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，计算机控制已领域。现代社会 要求制造业对市场需求迅速的反应，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。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。

可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，它具有编程方法 简单易学、功能强，性能价格比高、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强、可靠性 高，抗干扰能力强、系统的设计，安装，调试工作量少、维修工作量小，维修方便、体 积小，能耗低等特点，已经成为当代工业自动化的主要控制设备之一，在工业生产的所 有领域得到了广泛的使用，在其它领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速 的发展。

PLC的推广应用在我国得到了迅猛的发展，它已经广泛应用在各种机械设备和生产 过程的电气控制装置中。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。

1.2 PLC的简介

1.2.1 PLC简介

可编程序控制器是20实际60年代开始发展起来的一种新型工业控制装置，用于取 代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制、顺序控制、定记数等功能。高档PLC还能实

现数字运算、数据处理、模拟量调节，以及联网通信。它具有通用性强、可靠性高、 指令系统简单、编程简单易学、易于掌 握、体积小、维修工作少、现场连接安装方

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便等优点。广泛应用于冶金、采矿、建材、石油、化工、机械制造、汽车、电力、造 纸、纺织、装卸、环保等领域，尤其在机械加工、机床控制上应用广泛。在自动化领 域CAD/CAM、工业机器人并称为工业自动化的三大支柱。

随着微处理器技术的日趋成熟，可编程序控制器的处理速度大大提高，功能不断 完善，性能不断提高，不但能进行逻辑运算、处理开关量，还能进行数字运、数据处 理、模拟量调节，体积缩小，实现了小型化。

1.2.2 硬件介绍

可编程序控制器的核心是一太单板机，其外围配置了相应的接口电路，内部配置 PLC的硬件包括基本组成部分、I/O扩展部分和外部设备三大部分。

（1）CPU

CPU即微处理器，实际是一太单片机，上面除了CPU，还有存储器和并行接口、窜行 接口、时钟。其作用是：

①对系统进行管理。

②进行程序解释，根据用户程序执行输入、输出操作等。

（2）存储器

PLC的存储器有两种：一是单片机上带的存储器，主要用于存储系统监控程序及系 统工作区间，生成用户环境，二是用户程序存储器，存储程序及参数，用锂电池作后 备，调试起来方便。

（3）输入/输出接口电路

输入/输出接口电路是PLC与被控对象联系的桥梁。

（4）电源

电源是PLC整机的能源供给中心。PLC系统中有两种电源：一种是内部电源，是PLC 主机内部电路的工作电源，要求性能稳定、工作可靠，一般用开关稳压电源。另一种是 外部电源，用于传输现场信息或驱动现场 执行机构，通常由用户另备。

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1.2.3 软件介绍

（1）监控程序

监控程序是由厂家编制的，用于管理、协调PLC各部分工作，充分发挥系统硬件功能，方 便用户使用的通用程序。具有以下功能：

①系统配置登记及初始化。

②系统自诊断。

③命令识别与处理。

④用户程序编译。

⑤模块化子程序及调用管理。

（2）用户程序

用户程序又称应用程序，由由用户根据控制需要用PLC的编程语言编制而成。

（3）用户程序

用户程序是由监控程序生成的，包括用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存储 区、用户参数、文件存储区等。

（4）PLC的内部等效电路

PLC是专为工业控制设计的专用计算机，包括了CPU、存储器、I/O接线口等硬件。

1.2.4 元件介绍

（1）输入继电器

输入继电器是PLC接受外部输入的开关量信号的窗口。PLC通过光耦合器，将外部信号的 装态读入并存储在影响寄存器中。输入继电器的状态唯一的取决于外部输入的信号状 态，不可能受用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器。

（2）输出继电器

输出继电器是PLC向外部负载发送信号窗口。输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输 出模块，再由后者驱动外部负载。在梯形图中，每一个输出继电器的常开出点和常闭触

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点都可以使用多次。

（3）辅助继电器

辅助继电器(M)是用软件实现的，它们不能接受外部的输入信号，也不能直接驱动外部负 载，是一种内部的状态标志。相当于电器控制系统中的中间继电器。

（4）定时器

PLC中的定时器（T）相当于继电器的时间继电器。它有一个设定值寄存器字，一个当前 值存储器字，和一个用来存储其触点状态的影响寄存器位，这三个存储单元使用同一个 元件号。

（5）内部计数器

内部计数器（C）用来对PLC的内部影响寄存器（X、Y、M和S）提供的信号计数，计数脉 冲为ON或OFF的持续时间，应大于PLC的扫描周期，其响应速度通常小于数十赫兹。

• 1.2.5 PLC的特点

• （1）编程方法简单易学

可编程序控制器采用专门的编程语言，指令少，简单易学。

• （2）功能强，性价比高

一太小型PLC内有成千上百个可供用户使用的编程元件，可以实现复杂的控制功能。与相 同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。

• （3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用 户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。

• （4）可靠性高，抗干扰能力强

PLC采用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到

数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产少现场，已经被认为最可靠的工业

控制设备之一。

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（5）系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器 件，使控制柜的设计、安装、调试工作量大大减少。

（6）维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，且有完善的自诊断功能。用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

（7）体积小，能耗低

小型PLC的体积相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2甚

至1/10，故可以省下大量的配线和附件，减少很多安装接线工时，节约大量费用。

1.2.6 硬件设计介绍

1、机型选择

①子系列名称，例如1S、1N、2N等。

②输入、输出的总点数。

③单元类型：M为基本单元，E为输入、输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入专用扩 展模快，EY为输出专用口占模块。

④输出形式：R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向晶体管输出。

表1-1 FX系列PLC的输出技术指标

	项目	继电器输出	晶闸管输出	晶体管输出
外	部电源	最大为AC1240V 或DC30V	AC85~242V	DC5~30V
	电阻负载	2A/1点，8A/COM	0.3A/1 点,0.8A/COM	0.5A/1点， 0.8A/COM
最大	感性负载	AC80VA,120/240V	AC36VA/240V	DC12W/24V
负载	白炽灯负 载	100W	30W	DC1.5W/24V
最	小负载	DC电压<5V时 2mA	AC2.3VA/240V	-----

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响应	OFF→ON	100ms	1ms	<0.2ms
时间	ON→OFF	10ms	10ms	<0.2ms
开	路漏电流	-----	AC2.4mV/240V	DC0.1mA/30V
电	路隔离	继电器隔离	光电晶闸管隔离	光耦合器隔离

⑤电源和输入输出类型等特点。无标记为DC输入，AC电源；D为DC输入，DC电源。

1.3 三菱PLC的简介

三菱PLC有如下系列:Q系列, AnS系列，QnA系列，A系列和FX系列前四个系列的PLC 为模块型。可按要求配置。FX系列PLC为单元型，内含CPU、电源和固定搭配的输入/输 出。Q4AR系列为双机热备系列，最大输入输出点数为8192点。A系列PLC的最大输出点数 为2048点。F系列程控器的最大输入输出点数为256点。三菱小型FX 2（N）系列程控器 的输入输出点最大不超过256点。每台主机可连模入、模出、高速记数、定位等特殊功 能模块，不超过8个。

FX系列在日本三菱的姬路制作所生产。三菱姬路制作所累计已生产超过三百万台 FX系列PLC。目前FX系列PLC为中国内地销量最多的小型PLC。FX 系列PLC根据输入输出 点数不同及功能分为多个不同的系列：输入出点数在30点以內可使用FX1S系列输入出 点数在128个点，FX1N系列输入出点数在256点以內可使用FX2N系列。

FX2N 系列PLC 的特点:FX2N是FX2的持续,基本单元(16~128点) 有继电器或晶体 管输出，最多可扩展到256点內置有8K步RAM (最多可扩展到16K步)可选用存储卡盒,有 RAM，EPROM和EEPROM等。优点还有超高速的运算速0.08微秒比FX2的0.48微秒快六倍容 量极大8K步(最大16K步)比FX2大四倍机体小型化比FX2小50%兼容FX2的编程设计备有多 种不同的FX2N扩展单元及特殊模块通讯功能扩展模块低成本模板化FX2N-xxxBD更多通讯 /网络功能，RS232，RS422，RS485更便宜的配置兼用FX0N的扩展单元及特殊模块可增加 多一个通道，如：连接一台人机界面显示单元DU，另外一个连接编程器；或连接二台DU 丰富的软元件辅助继电器(M):3072点+256点状态继电器(S):1000点计数器(C): 235点定

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时器(T): 256点(積算定时器1ms 4点，10ms 6点)数据寄存器(D): 200点+7800点（按需 设置)变址寄存器（V，Z)：16点堆栈指針(P): 128点中断指針(I):15点內附高速计数器 单向计数器: 60KHz 2点, 10KHz 4点双向计数器: 30KHz 1点,5KHz 1点。

第二章 PLC对全自动洗衣机的控制

2.1 PLC对全自动洗衣机进行控制的主要内容

用PLC对全自动洗衣机进行控制，全自动洗衣机示意图如图1所示，全自动洗衣机的 洗衣桶（外桶）和脱水桶（内桶）是以同一中心安放的。外桶固定，用作盛水用。内桶 可以旋转，用作脱水（甩干）用。内桶的四周有很多小孔，使内、外桶的水流相通。该 洗衣机的进水和排水分别由进水电磁阀和排水电磁阀来执行。进水时，通过电控系统使 进水阀门打开，经进水管将水注入到外桶。排水时，通过电控系统使排水阀门打开，将 水由外桶排到机外。洗涤正转、反转由洗涤电机驱动拨盘正转、反转来实现，此时脱水 桶（内桶）并不旋转。脱水时，通过电控系统将离合器合上，由洗涤电机带动内桶正转 进行脱水甩干。高、低水位开关分别用来检测高、低水位。启动按钮用来启动洗衣机工 作。停止按钮用来手动停止进水、排水、脱水及报警。排水按钮用来实现手动排水。

2.2 PLC对全自动洗衣机进行控制的主要要求

PLC投入运行，系统处于初始状态，准备好启动。选择水位，按下启动按钮，点控 系统打开进水阀，自来水经进水管注入到外桶，当水到达预设位置时，停止进水，并启 动洗涤电机开始洗涤正转。正转洗涤15S后洗涤电机暂停，暂停3S后开始洗涤反转，洗 涤反转15S后暂停3S，又开始洗涤正转……如此循环，若正、反洗涤达到3次时，开始排 水，

水位下降到低水位时，启动洗涤电动机带动内桶正转进行脱水并继续排水，脱水 10S就完成一次从进水到脱水的大循环。然后再启动进水洗涤，如此循环3次大循环，如

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果完成了3次大循环，则进行洗完报警。报警10S后结束全过程，自动停机。

此外，还要求可以按下排水按钮以实现手动排水，按下停止按钮以实现手动停止、

排水、脱水等。

2.3 PLC对全自动洗衣机进行控制的主要分析

PLC对全自动洗衣机的控制不同与一般的简单流程控制，该过程属于带有分支流程的 控制问题，具有明显的跳转、循环控制流程，因此该过程需使用一种重要的编程工具—中 间继电器（如M0、M1等）。

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图2-2 全自动洗衣机示意图

由控制要求可知，全自动洗衣机的工作流程图如图2-2所示。首先打开电源，用户根 据衣物的多少及大小进行水位的选择，并有相应的指示灯指示。再按下启动按钮，开始 进水洗涤衣物。使用PLC控制时，输入设备主要有电源按钮，启动按钮，水位选择按钮 （高水位选择按钮、中水位选择按钮、低水位选择按钮），水位开关（高水位开关、中 水位开关、低水位开关），排水按钮及脱水按钮等。输出设备主要有电源指示灯，水位 选择按钮信号灯（高水位选择信号灯、中水位选择信号灯、低水位选择信号灯），进水 电磁阀，洗涤电动机正转接触器，洗涤电动机反转接触器，排水电磁阀，脱水离合器及 报警蜂鸣器等。

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第三章 全自动洗衣机控制系统的PLC方案设计

3.1 全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置

根据题目要求和题目分析，该系统需要10个输入点和10个输出点，水位开关在此使用 行程开关代替。

3.1.1 PLC控制全自动洗衣机的输入/输出分配表。

表3-1 输入/输出分配表

	输入			输出
功能	元件	PLC地址	功能	元件	PLC地址
电源按扭	SB1	X0	进水电磁阀	YV1	Y0
启动按扭	SB2	X1	排水电磁阀	YV2	Y1
停止按扭	SB3	X2	洗涤电动机 正转接触器	KM1	Y2
排水按扭	SB4	X3	洗涤电动机 反转接触器	KM2	Y3
	高水位SB5	X4	脱水电磁离 合器	YC	Y4
水位选择 按扭	中水位SB6	X5	报警蜂鸣器	HA	Y5
	低水位SB7	X6	电源指示	HL1	Y6
水位开关	SQ1	X7	水位指示	HL2	Y7

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