可编程控制器原理与编程.pdf

21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 可编程控制器原理与应用可编程控制器原理与应用 主 编 赵 燕 周新建 副主编 麦云飞 阮祥发 参 编 杨福合 余先涛 陈 娟 主 审 江征风 参 编 李 磊 张 军 参 编 李 磊 张 军 内 容 简 介 本书以我国目前应用最广泛的三种高性能小型机为背景，系统地阐述了可编程控制器的结构、工作原 理、硬件和软件系统以及 PLC 控制系统从设计、安装到维护的过程，并对 PLC 的组网技术进行了详细介 绍。本书内容新颖，深入浅出，语言通俗易懂，注重理论联系实际。通过实例，详细地介绍了 PLC 在不 同行业中的具体应用。在编写形式上，注重理论与实践的结合，不但在各章节适时插入实例，使读者加深 理解和掌握具体内容，而且以 PLC 综合应用举例作为第 7 章的内容，以便于读者参考和提高综合应用可 编程控制器的能力。 本书可作为高等院校机电一体化专业、自动化专业、电气技术专业及其他相关专业的教材，也可作为 广大工程技术人员的参考用书。市版权局 图书在版编目CIP数据 可编程控制器原理与应用/赵燕，周新建主编. 北京中国林业出版社；北京大学出版社，2006.8 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 ISBN 7-5038-4438-8 Ⅰ.可 Ⅱ.①赵 ②周 Ⅲ. 可编程控制器高等学校教材 Ⅳ. TP332.3 中国版本图书馆 CIP 数据核字2006第 076957 号 书 名可编程控制器原理与应用 著作责任者赵 燕 周新建 主编 策 划 编 辑李昱涛 责 任 编 辑郭穗娟 郑铁志 标 准 书 号ISBN 7-5038-4438-8 出 版 者中国林业出版社地址北京市西城区德内大街刘海胡同 7 号 邮编100009 E-mailcfphz 电话编辑部 66170109 营销中心 66187711 北京大学出版社地址北京市海淀区成府路 205 号 邮编100871 E-mail pup_6 电话邮购部 62752015 发行部 62750672 编辑部 62750667 出版部 62754962 印 刷 者 发 行 者北京大学出版社 中国林业出版社 经 销 者新华书店 787 毫米1092 毫米 16 开本 19.5 印张 446 千字 2006 年 8 月第 1 版 2006 年 8 月第 1 次印刷 定 价29.00 元 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 丛书总序丛书总序 殷国富* 机械是人类生产和生活的基本工具要素之一，是人类物质文明最重要的一个组成部分。 机械工业担负着向国民经济各部门，包括工业、农业和社会生活各个方面提供各种性能先 进、使用安全可靠的技术装备的任务，在国家现代化建设中占有举足轻重的地位。20 世纪 80 年代以来，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学技术的发展及其 在机械工程领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了机械产品设计制造活动的深度 和广度，改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及 生产组织模式，产生了一大批新的机械设计制造方法和制造系统。这些机械方面的新方法 和系统的主要技术特征表现在以下几个方面∗ 1 信息技术在机械行业的广泛渗透和应用， 使得现代机电产品已不再是单纯的机械构 件，而是由机械、电子、信息、计算机与自动控制等集成的机电一体化产品，其功能不仅 限于加强、延伸或取代人的体力劳动，而且扩大到加强、延伸或取代人的某些感官功能与 大脑功能。 2 随着设计手段的计算机化和数字化，CAD/CAM/CAE/PDM 集成技术和软件系统得 到广泛使用，促进了产品创新设计、并行设计、快速设计、虚拟设计、智能设计、反求设 计、广义优化设计、绿色产品设计、面向全寿命周期设计等现代设计理论和技术方法的不 断发展。机械产品的设计不只是单纯追求某项性能指标的先进和高低，而是注重综合考虑 质量、市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响。 3 传统机械制造技术在不断吸收电子、信息、材料、能源和现代管理等方面成果的基 础上形成了先进制造技术，并将其综合应用于机械产品设计、制造、检测、管理、销售、 使用、服务的机械产品制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高 对动态多变的市场的适应能力和竞争能力。 4 机械产品加工制造的精密化、快速化，制造过程的网络化、全球化得到很大的发展， 涌现出 CIMS、并行工程、敏捷制造、绿色制造、网络制造、虚拟制造、智能制造、大规模定 制等先进生产模式， 制造装备和制造系统的柔性与可重组已成为 21 世纪制造技术的显著特征。 5 机械工程的理论基础不再局限于力学， 制造过程的基础也不只是设计与制造经验及 技艺的总结。今天的机械工程学科比以往任何时候都更紧密地依赖诸如现代数学、材料科 学、微电子技术、计算机信息科学、生命科学、系统论与控制论等多门学科及其最新成就。 上述机械科学与工程技术特征和发展趋势表明，现代机械工程学科越来越多地体现着 知识经济的特征。因此，加快培养适应我国国民经济建设所需要的高综合素质的机械工程 学科人才的意义十分重大、任务十分繁重。我们必须通过各种层次和形式的教育，培养出 适应世界机械工业发展潮流与我国机械制造业实际需要的技术人才与管理人才，不断推动 我国机械科学与工程技术的进步。 为使机械工程学科毕业生的知识结构由较专、较深、适应性差向较通用、较广泛、适 ∗殷国富教授现为教育部机械学科教学指导委员会委员，现任四川大学制造科学与工程学院院长 II 应性强方向转化，在教育部的领导与组织下，1998 年对本科专业目录进行了第 3 次大的修 订。调整后的机械大类专业变成 4 类 8 个专业，它们是机械类 4 个专业机械设计制造及 其自动化、材料成型及控制工程、过程装备与控制、工业设计；仪器仪表类 1 个专业测控 技术与仪器；能源动力类 2 个专业热能与动力工程、核工程与核技术；工程力学类 1 个 专业工程力学。此外还提出了面向更宽的引导性专业，即机械工程及自动化。因此，建立 现代“大机械、全过程、多学科”的观点，探讨机械科学与工程技术学科专业创新人才的 培养模式，是高校从事制造学科教学的教育工作者的责任；建立培养富有创新能力人才的 教学体系和教材资源环境，是我们努力的目标。 要达到这一目标，进行适应现代机械学科发展要求的教材建设是十分重要的基础工作 之一。因此，组织编写出版面向大机械学科的系列教材就显得很有意义和十分必要。北京 大学出版社和中国林业出版社的领导和编辑们通过对国内大学机械工程学科教材实际情况 的调研，在与众多专家学者讨论的基础上，决定面向机械工程学科类专业的学生出版一套 系列教材，这是促进高校教学改革发展的重要决策。按照教材编审委员会的规划，本系列 教材将逐步出版。 本系列教材是按照高等学校机械学科本科专业规范、培养方案和课程教学大纲的要求， 合理定位，由长期在教学第一线从事教学工作的教师立足于 21 世纪机械工程学科发展的需 要，以科学性、先进性、系统性和实用性为目标进行编写，以适应不同类型、不同层次的 学校结合学校实际情况的需要。本系列教材编写的特色体现在以下几个方面 1 关注全球机械科学与工程技术学科发展的大背景， 建立现代大机械工程学科的新理 念，拓宽理论基础和专业知识，特别是突出创造能力和创新意识。 2 重视强基础与宽专业知识面的要求。在保持较宽学科专业知识的前提下，在强化产 品设计、制造、管理、市场、环境等基础理论方面，突出重点，进一步密切学科内各专业 知识面之间的综合内在联系，尽快建立起系统性的知识体系结构。 3 学科交叉与综合的观念。现代力学、信息科学、生命科学、材料科学、系统科学等 新兴学科与机械学科结合的内容在系列教材编写中得到一定的体现。 4 注重能力的培养，力求做到不断强化自我的自学能力、思维能力、创造性地解决问 题的能力以及不断自我更新知识的能力，促进学生向着富有鲜明个性的方向发展。 总之，本系列教材注意了调整课程结构，加强学科基础，反映系列教材各门课程之间 的联系和衔接，内容合理分配，既相互联系又避免不必要的重复，努力拓宽知识面，在培 养学生的创新能力方面进行了初步的探索。当然，本系列教材还需要在内容的精选、音像 电子课件、网络多媒体教学等方面进一步加强，使之能满足普通高等院校本科教学的需要， 在众多的机械类教材中形成自己的特色。 最后，我要感谢参加本系列教材编著和审稿的各位老师所付出的大量卓有成效的辛勤 劳动，也要感谢北京大学出版社和中国林业出版社的领导和编辑们对本系列教材的支持和 编审工作。由于编写的时间紧、相互协调难度大等原因，本系列教材还存在一些不足和错 漏。我相信，在使用本系列教材的教师和学生的关心和帮助下，不断改进和完善这套教材， 使之在我国机械工程类学科专业的教学改革和课程体系建设中起到应有的促进作用。 2006 年 1 月 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 III 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 专家编审委员会 名 誉 主 任 胡正寰 * 主 任 委 员 殷国富 副主任委员 按拼音排序 戴冠军 江征风 李郝林 梅 宁 任乃飞 王述洋 杨化仁 张成忠 张新义 顾 问 按拼音排序 傅水根 姜继海 孔祥东 陆国栋 陆启建 孙建东 张 金 赵松年 委 员 按拼音排序 方 新 郭秀云 韩健海 洪 波 侯书林 胡如风 胡亚民 胡志勇 华 林 姜军生 李自光 刘仲国 柳舟通 毛 磊 孟宪颐 任建平 陶健民 田 勇 王亮申 王守城 魏 建 魏修亭 杨振中 袁根福 曾 忠 张伟强 郑竹林 周晓福 *胡正寰北京科技大学教授，中国工程院机械与运载工程学部院士 IV 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 参编学校名单 21 世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材 参编学校名单（按拼音排序）（按拼音排序） 1 安徽建筑工业学院 2 安徽科技学院 3 安徽农业大学 4 北华大学 5 北京建筑工程学院 6 北京联合大学 7 长春大学 8 长沙理工大学 9 重庆工学院 10 重庆交通学院 11 德州学院 12 东北林业大学 13 东华理工学院 14 福建工程学院 15 甘肃农业大学 16 桂林工学院 17 河北大学 18 河北建筑工程学院 19 河北农业大学 20 河南工业大学 21 河南科技学院 22 湖北汽车工业学院 23 湖南工程学院 24 湖南工学院 25 湖南工业大学 26 湖南理工学院 27 华北水利水电学院 28 华东交通大学 29 黄石理工学院 30 吉林工程技术师范学院 31 江苏大学 32 江西理工大学 33 九江学院 34 军事交通学院 35 兰州理工大学 36 辽宁工程技术大学 37 鲁东大学 38 南昌航空工业学院 39 南华大学 40 内蒙古工业大学 41 青岛科技大学 42 山东理工大学 43 上海工程技术大学 44 上海理工大学 45 上海水产大学 46 沈阳大学 47 四川农业大学 48 潍坊学院 49 武汉工业学院 50 武汉科技大学 51 武汉理工大学 52 湘潭大学 53 徐州师范大学 54 郑州航空工业管理学院 55 中北大学 56 中国农业大学 57 中南林业科技大学 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 前 言 可编程控制器PLC是一种数字式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、模拟式的输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一 系列优点，在汽车、钢铁、航空航天、船舶、化工、纺织、食品、造纸、军工等工业领域 获得了广泛的应用。 本书以目前市场上具有广泛影响的主流机型 FX2N作为主要对象，详细介绍了 PLC 的 工作原理、软硬件构成、指令系统和通信应用等相关知识。在选材上本书特别注意从应用 角度出发，以大量的编程方法和 PLC 的工程应用实例贯穿全书，以帮助读者能更快地理解 和掌握 PLC 技术及使用方法。同时还以专门的篇幅采用对比的方法介绍了与 FX2N系列相 似的西门子公司的 S7-200 和欧姆龙公司的 C 系列 PLC，以方便读者全面掌握不同厂家的 PLC 系统。在编写风格上注意遵循由浅入深、循序渐进的认识规律，便于读者自学。 赵燕、周新建担任本书的主编，麦云飞、阮祥发担任副主编，杨福合、余先涛、陈娟 任参编。具体分工第 1、2 章和第 6 章的第 9、10、11、12 节及附录由安徽科技学院的陈 娟编写；第 3、8 章由中北大学的杨福合编写；第 4、5 章和第 7 章的第 3、4 节由武汉理工 大学的阮祥发编写；第 6 章的第 1～8 节由武汉理工大学的余先涛编写；第 7 章的第 1、2 节及第 11 章由上海理工大学的麦云飞编写；第 9 章由武汉理工大学的赵燕编写；第 10 章 由华东交通大学的周新建编写。由赵燕负责全书的组织、修改和统稿。 武汉理工大学的江征风教授担任本书的主审，他仔细审阅了全部书稿，提出了许多宝 贵的意见和建议，在此表示诚挚的谢意书中部分章节的编写内容主要参照了三菱公司最 新技术资料和同行作者的有关文献，在此对书中所参考和引用的相关教材与资料的作者、 译者和单位一并表示感谢 因编者水平及时间有限，书中难免有疏漏之处，恳请读者批评指正。 编 者 2006 年 5 月 目 录 第 1 章 可编程控制器PLC概论................1 1.1 PLC 定义及特点.....................................1 1.1.1 PLC 的产生及定义.....................1 1.1.2 PLC 的特点.................................3 1.1.3 PLC 的分类.................................4 1.2 PLC 的发展趋势.....................................6 小结 ..................................................................7 习题 ..................................................................8 第 2 章 可编程控制器的组成 和工作原理..........................................9 2.1 PLC 的组成及各部分的作用.................9 2.1.1 PLC 的硬件组成.........................9 2.1.2 PLC 的软件组成.......................13 2.2 PLC 的输入/输出I/O接口..................14 2.2.1 PLC 的开关量输入接口...........14 2.2.2 PLC 的开关量输出接口...........14 2.3 PLC 的工作原理...................................15 2.4 PLC 的编程语言...................................18 2.4.1 PLC 编程语言的国际标准.......18 2.4.2 梯形图的特点............................20 小结 ................................................................21 习题 ................................................................22 第 3 章 FX2N可编程控制器............................23 3.1 FX2N的系统特点及配置 ......................23 3.1.1 FX2N的技术特点 ......................23 3.1.2 FX2N的型号说明 ......................24 3.1.3 FX2N系统的硬件配置 ..............25 3.2 FX2N的编程等效元件 ..........................27 3.3 FX2N的技术指标 ..................................39 小结 ................................................................42 习题 ................................................................42 第 4 章 基本逻辑指令...................................43 4.1 基本逻辑指令 .......................................43 4.1.1 逻辑取及线圈驱动指令 LD，LDI，OUT.......................43 4.1.2 触点串联指令 AND，ANI.......44 4.1.3 触点并联指令 OR，ORI..........45 4.1.4 串联回路块并联指令 ORB......45 4.1.5 并联回路块串联指令 ANB......46 4.1.6 边沿检出指令 LDP， LDF，ANDP，ANDF， ORP，ORF................................47 4.1.7 脉冲指令 PLS，PLF.................49 4.1.8 置位与复位指令 SET，RST.................................50 4.1.9 反转指令 INV ...........................52 4.1.10 栈操作指令 MPS， MRD，MPP ............................52 4.1.11 主控触点指令 MC，MCR .....55 4.1.12 空操作指令 NOP ....................57 4.1.13 程序结束指令 END................57 4.2 梯形图设计 ...........................................58 4.2.1 梯形图的特点 ...........................58 4.2.2 梯形图编程格式 .......................58 4.2.3 梯形图设计的基本步骤 ...........59 4.2.4 梯形图设计规则 .......................60 4.3 基本逻辑指令应用举例 .......................62 小结 ................................................................69 习题 ................................................................70 第 5 章 状态转移图及步进指令.................74 5.1 状态转移图 ...........................................74 5.2 步进梯形图及步进指令 .......................77 5.2.1 步进梯形图 ...............................77 5.2.2 步进指令 ...................................77 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 可编程控制器原理与应用 VI VI 5.3 步进梯形图指令编程基本方法 ...........79 5.4 状态转移图常见流程状态的编程 .......83 5.4.1 单流程状态编程........................83 5.4.2 跳转与重复状态编程................85 5.4.3 选择性分支与汇合 状态编程....................................85 5.4.4 并行分支与汇合状态................86 5.4.5 分支与汇合的组合....................89 5.5 状态转移图及步进指令 的应用实例............................................90 小结 ................................................................94 习题 ................................................................95 第 6 章 FX2N功能指令.....................................98 6.1 功能指令的表示与执行方式 ...............98 6.1.1 指令与操作数............................98 6.1.2 指令的数据长度与 执行形式....................................99 6.1.3 变址操作..................................102 6.2 程序流向控制指令 .............................104 6.2.1 条件跳转指令..........................104 6.2.2 子程序调用和返回指令..........106 6.2.3 中断指令..................................107 6.2.4 主程序结束指令......................109 6.2.5 监视定时器指令......................110 6.2.6 循环开始指令和循环 结束指令..................................111 6.3 数据传送和比较指令 .........................112 6.3.1 比较指令..................................112 6.3.2 区间比较指令..........................113 6.3.3 传送指令..................................114 6.3.4 移位传送指令..........................114 6.3.5 取反传送指令..........................115 6.3.6 块传递指令..............................115 6.3.7 多点传送指令..........................116 6.3.8 数据交换指令..........................117 6.3.9 BCD 变换指令........................117 6.3.10 BIN 变换指令........................117 6.4 算术运算和逻辑运算指令 .................118 6.4.1 加法指令 .................................118 6.4.2 减法指令 SUB.........................119 6.4.3 乘法指令 MUL........................119 6.4.4 除法指令 .................................120 6.4.5 加 1 指令、减 1 指令 .............120 6.4.6 逻辑与、或和异或指令 .........121 6.4.7 求补指令 .................................122 6.5 循环与移位指令 .................................123 6.5.1 左、右循环指令 .....................123 6.5.2 带进位的左、右循环指令 .....124 6.5.3 位组件左移、位组件 右移指令 .................................124 6.5.4 字元件右移、字元件 左移指令 .................................126 6.6 数据处理指令 .....................................127 6.6.1 区间复位指令 .........................127 6.6.2 译码指令 .................................127 6.6.3 编码指令 .................................128 6.6.4 置 1 位数总和指令 .................129 6.6.5 置 1 位判别指令 .....................129 6.6.6 平均值指令 .............................130 6.6.7 报警器置位指令 .....................130 6.6.8 报警器复位指令 .....................131 6.6.9 平方根指令 .............................131 6.6.10 浮点操作指令 .......................131 6.7 高速处理指令 .....................................132 6.7.1 I/O 刷新指令...........................132 6.7.2 刷新和调整滤波时间指令 .....132 6.7.3 矩阵输入指令 .........................133 6.7.4 高速计数器置位指令 .............134 6.7.5 高速计数器复位指令 .............135 6.7.6 高速计数器区别比较指令 .....135 6.7.7 转速测量指令 .........................135 6.7.8 脉冲输出指令 .........................136 6.7.9 脉宽调制指令 .........................136 6.8 方便指令 .............................................137 6.8.1 初始状态指令 .........................137 6.8.2 绝对值式凸轮顺控指令 .........138 6.8.3 增量凸轮控制指令 .................139 目 录 VII VII 6.8.4 示教定时器指令......................140 6.8.5 特殊定时器指令......................141 6.8.6 交替输出指令..........................142 6.8.7 旋转台控制指令......................142 6.9 外围设备 I/O 功能指令......................143 6.9.1 数据输入指令..........................143 6.9.2 数字译码指令..........................146 6.9.3 ASCⅡ码转换指令..................148 6.9.4 打印输出指令..........................148 6.9.5 读特殊功能模块指令..............148 6.9.6 写特殊功能模块指令..............149 6.10 外围设备SER指令 .........................149 6.10.1 串行通信指令 RSFNC80............................150 6.10.2 并行数据传送指令................151 6.10.3 ASCI 变换指令 .....................152 6.10.4 十六进制转换指令................152 6.11 外围设备指令 ...................................153 6.11.1 格雷码转换、逆转换 指令........................................153 6.11.2 模拟量模块读、写指令........153 6.12 触点比较指令 ...................................154 6.12.1 触点比较指令........................155 6.12.2 触点比较串联指令................155 6.12.3 触点比较并联指令................156 小结 ..............................................................156 习题 ..............................................................157 第 7 章 PLC 控制系统的设计....................158 7.1 PLC 控制系统设计原则和步骤.........158 7.1.1 PLC 控制系统设计 的一般原则..............................158 7.1.2 PLC 控制系统设计步骤.........159 7.2 PLC 控制系统的硬件设计.................160 7.2.1 I/O 点数的简化与扩展.......161 7.2.2 PLC 的选型及模块选型.........163 7.2.3 PLC 的外围电路设计.............166 7.3 PLC 控制系统的软件设计.................166 7.3.1 经验设计法..............................166 7.3.2 继电器-接触器控制线路 转换设计法 .............................168 7.3.3 逻辑设计方法 .........................170 7.3.4 状态转移图设计法 .................171 7.4 PLC 的控制系统设计实例.................172 小结 ..............................................................176 习题 ..............................................................177 第 8 章 PLC 的功能模块..............................179 8.1 功能模块概述 .....................................179 8.1.1 特殊功能模块的类型 及用途 .....................................179 8.1.2 特殊功能模块的安装 及应用 .....................................181 8.2 模拟量输入模块 .................................183 8.2.1 性能参数 .................................183 8.2.2 应用举例 .................................186 8.3 模拟量输出模块 .................................187 8.3.1 性能参数 ...................................187 1. FX2N-4DA 技术指标 .....................187 8.3.2 应用举例 .................................190 8.4 高速计数模块 .....................................191 8.4.1 基本性能参数 .........................192 8.4.2 应用举例 .................................197 8.5 可编程凸轮控制器模块 .....................198 8.5.1 FX2N-1RM-SET 的特点.........198 8.5.2 缓冲寄存器及设置 .................199 8.5.3 应用实例 .................................201 小结 ..............................................................202 习题 ..............................................................203 第 9 章 PLC 通信与计算机网络................204 9.