《电气控制与PLC》教案.docx

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《电气控制与PLC》教案

烟台机械工程学校

教案

课程名称:

电气控制与PLC

教师姓名:

尹旭涛

系别:

机电一体化

课程概况

课程名称:

电气控制与PLC

总学时:

52

周学时:

4

教学起始周:

第1周——第13周

授课班级及时间:

班级:

高二机电1班

时间:

教材概况（主编、出版社、版次等）:

主编:

吴丽

出版社:

高等教育出版社

版次:

2009年9月第2版

教辅概况:

课时授课计划

一、授课具体时间:

第1周

二、授课课题:

第3章PLC概述

三、教学目的要求:

（1）了解PLC的产生、PLC的特点、PLC的分类

（2）掌握PLC的编程语言、PLC的应用领域及发展趋势

四、教学重点难点:

（1）（重点）PLC的产生

（2）（重点）PLC的特点

（3）（重点）PLC的分类

（4）（难点）PLC的编程语言

五、教学方法、用具:

教学方法:

多媒体教课

教学用具:

三角板

六、教学过程（包括教学内容、辅助手段、板书设计、课堂练习、教学进程时

间分配、课外作业等）:

第3章可编程控制器概述

3、1可编程控制器的产生

3、1、1PLC的由来

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。

3、1、2PLC的定义

国际电工委员会（IEC）在1987年2月颁布了PLC的标准草案（第三稿）,草案对PLC作了如下定义。

3、2可编程控制器的特点

1.可靠性高,抗干扰强

2.功能强大,性价比高

3.编程简易,现场可修改

4.配套齐全,使用方便

5.寿命长,体积小,能耗低

6.系统的设计、安装、调试、维修工作量少,维修方便

3、3可编程控制器的分类

3、3、1按输入/输出点数分

根据PLC的输入/输出（I/O）点数的多少,一般可将PLC分为以下3类。

1.小型机

小型PLCI/O总点数一般在256点以下,用户程序存储器容量在4KB左右。

2.中型机

中型PLC的I/O总点数在256～2048点之间,用户程序存储器容量达到8KB左右。

3.大型机

大型PLC的I/O总点数在2048点以上,用户程序存储器容量达到16KB以上。

3、3、2按结构形式分

根据PLC结构形式的不同,可分为整体式与模块式两类。

1.整体式

2.模块式

3、3、3按生产厂家分

它们就是美国Rockwell自动化公司所属的A-B（Allen＆Bradly）公司

GE-Fanuc公司,德国的西门子（SIEMENS）公司

法国的施耐德（SCHNEIDER）自动化公司

日本的欧姆龙（OMRON）与三菱公司等

3、4可编程控制器的编程语言

3、4、1　PLC编程语言的国际标准

PLC编程语言标准（IEC61131-3）中有5种编程语言,即顺序功能图（Sequentialfunctionchart）,梯形图（Ladderdiagram）,功能块图（Functionblockdiagram）,指令表（Instructionlist）,结构文本（Structuredtext）。

其中的顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能块图（FBD）就是图形编程语言,指令表（IL）、结构文本（ST）就是文字语言。

1.顺序功能图（SFC）

2.梯形图（LD）

3.功能块图（FBD）

4.指令表（IL）

5.结构文本（ST）

3、4、2　梯形图的主要特点

（1）PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称

（2）根据梯形图中各触点的状态与逻辑关系,求出图中各线圈对应的软元件的ON/OFF状态,称为梯形图的逻辑运算。

（3）梯形图中各软元件的常开触点与常闭触点均可以无限多次地使用。

（4）输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的通断状态,因此在梯形图中不能出现输入继电器的线圈。

（5）辅助继电器相当于继电控制系统中的中间继电器,用来保存运算的中间结果,不对外驱动负载,负载只能由输出继电器来驱动。

3、5可编程控制器的技术性能指标

PLC的技术性能指标有一般指标与技术指标两种。

一般性能规格就是指使用PLC时应注意的问题,主要包括电源电压、允许电压波动范围、耗电情况、直流输出电压、绝缘电阻、耐压情况、抗噪声性能、耐机械振动及冲击情况、使用环境温度与湿度、接地要求、外形尺寸、质量等。

具体性能规格就是指PLC所具有的技术能力,如果只就是一般地了解PLC的性能,了解如下的基本技术性能指标即可。

1.I/O点数

如FX系列的I/O点数最多为256。

2.扫描速度

小型PLC的扫描时间可能大于40ms。

3.内存容量

一般小型机的存储容量为1KB到几千字节,大型机则为几十千字节,甚至1MB～2MB,通常以PLC所能存放用户程序的多少来衡量。

4.指令系统

5.内部寄存器

6.特殊功能模块

3、6可编程控制器的应用领域及发展趋势

3、6、1　PLC的应用领域

1.开关量逻辑控制

2.运动控制

3.过程控制

4.数据处理

5.通信连网

3、6、2　PLC的发展趋势

（1）从技术上瞧,PLC会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向发展。

（2）从规模上瞧,PLC会进一步向超小型与超大型两个方向发展。

（3）从配套性上瞧,PLC产品会向品种更丰富、规格更齐备的方向发展。

（4）从标准上瞧,PLC的通用信息、设备特性、编程语言等向IEC1131标准的方向发展。

（5）从网络通信的角度瞧,PLC将向网络化与通信的简便化方向发展。

教学后记:

通过学习,了解PLC的基本情况。

课时授课计划

一、授课具体时间:

第2周

二、授课课题:

第4章

FX系列PLC及其编程工具

三、教学目的要求:

（1）了解FX系列PLC概述

FX系列PLC

（2）掌握PLC的基本组成,

FX系列PLC的软元件

四、教学重点难点:

（1）（重点）FX系列PLC的种类

（2）（重点）PLC的基本组成由那些构成

（3）（重点）

（4）（难点）FX系列PLC的软元件与传统相比较后的转换

五、教学方法、用具:

教学方法:

多媒体教课

教学用具:

三角板

六、教学过程（包括教学内容、辅助手段、板书设计、课堂练习、教学进程时

间分配、课外作业等）:

第4章FX系列可编程控制器

4、1FX系列可编程控制器概述

4、1、1三菱小型PLC的发展历史

4、1、2FX系列型号的含义

FX系列PLC型号名称的含义如下:

（1）系列序号:

如1S,1N,2N等;

（2）I/O总点数:

10～256;

（3）单元类型:

M为基本单元,E为I/O混合扩展单元与扩展模块,EX为输入专用扩展模块,EY为输出专用扩展模块;

（4）输出形式:

R为继电器输出,T为晶体管输出,S为双向晶闸管输出;

（5）电源的形式:

4、1、3FX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,其具体规定如表4-1、表4-2及表4-3所示。

4、2FX系列可编程控制器的子系列

4、2、1FX1S系列PLC

4、2、2FX1N系列PLC

4、2、3FX2N系列PLC

4、2、4FX2NC系列PLC

4、2、5FX系列扩展单元、扩展模块

4、3FX系列可编程控制器的基本组成

4、3、1硬件

PLC硬件主要由中央处理单元、存储器、输入单元、输出单元、电源单元、编程器、扩展接口、编程器接口与存储器接口组成,其结构框图如图4-1所示。

4、3、2　软件

PLC就是一种工业计算机,不光要有硬件,软件也必不可少。

4、4FX系列可编程控制器的软元件

4、4、1　PLC的软元件概述

PLC内部有许多具有不同功能的元件,实际上这些元件就是由电子电路与存储器组成的。

4、4、2　FX2N的软元件

1.输入继电器（X）

2.输出继电器（Y）

3.辅助继电器（M）

4.状态继电器S

5.定时器T

6.计数器C

7.数据寄存器（D）

8.变址寄存器

9.指针（P/I）

指针（P/I）包括分支与子程序用的指针（P）以及中断用的指针（I）。

10.常数

常数K用来表示十进制常数,常数H用来表示十六进制常数。

4、5FX系列可编程控制器的工作原理

4、5、1扫描工作方式

PLC有运行（RUN）与停止（STOP）两种基本的工作模式。

1.内部处理阶段

2.通信服务阶段

3.输入处理阶段

4.程序处理阶段

5.输出处理阶段

图4-13PLC的扫描工作过程

外部负载断电,停止工作。

PLC的输入处理、程序处理与输出处理的工作方式如图4-13所示。

循环扫描的工作方式就是PLC的一大特点,也可以说PLC就是“串行”工作的,这与传统的继电器控制系统“并行”工作有质的区别,PLC的串行工作方式避免了继电器控制系统中触点竞争与时序失配的问题。

4、5、2扫描周期

4、5、3输入/输出滞后时间

输入/输出滞后时间又称系统响应时间,就是指PLC的外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔,它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间与因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。

教学后记:

通过学习,了解PLC的软元件。

课时授课计划

一、授课具体时间:

第3、4周

二、授课课题:

第5章

基本逻辑指令及其应用

三、教学目的要求:

（1）了解基本逻辑指令、

PLC的工作原理

（2）掌握常用基本电路的程序设计

PLC程序设计方法及技巧

四、教学重点难点:

（1）（重点）基本逻辑指令

（2）（重点）PLC的工作原理

（3）（重点）常用基本电路的程序设计

（4）（难点）PLC程序设计方法及技巧

五、教学方法、用具:

教学方法:

多媒体教课

教学用具:

三角板

六、教学过程（包括教学内容、辅助手段、板书设计、课堂练习、教学进程时

间分配、课外作业等）:

第5章基本逻辑指令及其应用

5、1基本逻辑指令

5、1、1逻辑取及驱动线圈指令LD/LDI/OUT

逻辑取及驱动线圈指令如表5-1所示。

1.用法示例

2.使用注意事项

3.双线圈输出

5、1、2　触点串、并联指令AND/ANI/OR/ORI

触点串、并联指令如表5-2所示。

2.使用注意事项

3.连续输出

如图5-4（a）所示,OUTM1指令之后通过X1的触点去驱动Y4,称为连续输出

5、1、3　电路块连接指令ORB/ANB

1.用法示例

电路块连接指令的应用如图5-5与图5-6所示。

5、1、4　多重输出电路指令MPS/MPD/MPP

多重输出电路指令如表5-4所示。

1.用法示例

多重输出电路指令的应用如图5-7与图5-8所示。

2.使用注意事项

5、1、5　置位与复位指令SET/RST

置位与复位指令如表5-5所示。

1.指令用法示例

指令用法示例如图5-9所示。

2.使用注意事项

5、1、6　脉冲输出指令PLS/PLF

脉冲输出指令如表5-6所示。

1.用法示例

2.使用注意事项

5、1、7脉冲式触点指令LDP/LDF/ANP/ANF/ORP/ORF

脉冲式触点指令如表5-7所示。

1.用法示例

2.使用注意事项

5、1、8　主控触点指令MC/MCR

主控触点指令如表5-8所示。

1.用法示例

2.使用注意事项

5、1、9　逻辑运算结果取反指令INV

逻辑运算结果取反指令如表5-9所示。

5、1、10空操作与程序结束指令

NOP/END

空操作与程序结束指令如表5-10所示。

1.空操作指令NOP

2.程序结束指令END

PLC按照循环扫描的工作方式,首先进行输入处理,然后进行程序处理,当处理到END指令时,即进行输出处理。

5、2梯形图的基本规则

1.线圈右边无触点

2.触点可串可并无限制

3.线圈不能重复使用

4.触点水平不垂直

5.触点多上并左

6.顺序不同结果不同

5、3基本电路的编程

电动机的起保停电路

（1）控制要求

按下起动按钮SB1,电动机起动运行,按下停止按钮SB2,电动机停止运行。

（2）输入/输出（I/O）分配

X0:

SB1,X1:

SB2（常开）,Y0:

电动机（接触器）。

（3）梯形图方案设计

若要改为起动优先,则梯形图如图5-21所示。

2.单台电动机的两地控制

（1）控制要求

按下地点1的起动按钮SB1或地点2的起动按钮SB2均可起动电动机;按下地点1的停止按钮SB3或地点2的停止按钮SB4均可停止电动机运行。

（2）输入/输出分配

X0:

SB1,X1:

SB2,X2:

SB3（常开）,X3:

SB4（常开）,Y0:

电动机（接触器）。

（3）梯形图方案设计

3.两台电动机的顺序联动控制

（1）控制要求

电动机M1先起动（SB1）,电动机M2才能起动（SB2）。

（2）输入/输出分配

X0:

电动机M1起动（SB1）,X1:

电动机M2起动（SB2）,X2:

电动机M1停止（SB3）,X3:

电动机M2停止（SB4）;Y0:

电动机M1（接触器1）,Y1:

电动机M2（接触器2）。

（3）梯形图方案设计

4.定时器的应用

（1）得电延时合（如图5-24所示）

（2）失电延时断（如图5-25所示）

3）3台电动机顺序起动

①控制要求。

电动机M1起动5s后电动机M2起动,电动机M2起动5s后电动机M3起动;按下停止按钮时,电动机无条件全部停止运行。

②输入/输出分配。

X1:

起动按钮,X0:

停止按钮,Y1:

电动机M1,Y2:

电动机M2,Y3:

电动机M3。

③梯形图方案设计。

5．计数器C的应用（如图5-27所示）

6.振荡电路

振荡电路可以产生特定的通断时序脉冲,它应用在脉冲信号源或闪光报警电路中。

（1）定时器组成的振荡电路一（如图5-28所示）

7.振荡电路的应用

8.定时器的延时扩展

9.两计数器接力计数

10.单触点的起动/停止控制

教学后记:

通过学习,了解PLC的基本逻辑指令。

要求同学们课后认真复习,抄写逻辑指令格式。

课时授课计划

一、授课具体时间:

第5、6周

第5章二、授课课题:

基本逻辑指令及其应用

三、教学目的要求:

（1）了解PLC程序设计方法及技巧

状态转移图

（2）掌握步进顺控指令及其编程方法

四、教学重点难点:

（1）（重点）PLC程序设计方法及技巧

（2）（重点）状态转移图

（3）（重点）步进顺控指令及其编程方法

（4）（难点）

五、教学方法、用具:

教学方法:

多媒体教课

教学用具:

三角板

六、教学过程（包括教学内容、辅助手段、板书设计、课堂练习、教学进程时

间分配、课外作业等）:

5、4梯形图程序设计的技巧

5、4、1转换法

转换法就就是将继电器电路图转换成与原有功能相同的PLC内部的梯形图。

1.基本方法

根据继电器电路图来设计PLC的梯形图时,关键就是要抓住它们的一一对应关系,即控制功能的对应、逻辑功能的对应以及继电器硬件元件与PLC软件元件的对应。

2.转换设计的步骤

（1）了解与熟悉被控设备的工艺过程与机械的动作情况,根据继电器电路图分析与掌握控制系统的工作原理,这样才能在设计与调试系统时心中有数。

（2）确定PLC的输入信号与输出信号,画出PLC的外部接线图。

（3）确定PLC梯形图中的辅助继电器（M）与定时器（T）的元件号。

（4）根据上述对应关系画出PLC的梯形图。

（5）根据被控设备的工艺过程与机械的动作情况以及梯形图编程的基本规则,优化梯形图,使梯形图既符合控制要求,又具有合理性、条理性与可靠性。

（6）根据梯形图写出其对应的指令表程序。

3.转换法的应用

例1图5-35就是三相异步电动机正反转控制的继电器电路图,试将该继电器电路图转换为功能相同的PLC的外部接线图与梯形图。

解:

（1）分析动作原理

（2）确定输入/输出信号

（3）画出PLC的外部接线图

（4）画对应的梯形图

（5）画优化梯形图

5、4、2　逻辑法

1.基本方法

用逻辑法设计梯形图,必须在逻辑函数表达式与梯形图之间建立一种一一对应关系,即梯形图中常开触点用原变量（元件）表示,常闭触点用反变量（元件上加一小横线）表示。

2.设计的步骤

（1）通过分析控制要求,明确控制任务与控制内容;

（2）确定PLC的软元件（输入信号、输出信号、辅助继电器M与定时器T）,画出PLC的外部接线图;

（3）将控制任务、要求转换为逻辑函数（线圈）与逻辑变量（触点）,分析触点与线圈的逻辑关系,列出真值表;

（4）写出逻辑函数表达式;

（5）根据逻辑函数表达式画出梯形图;

（6）优化梯形图。

3.逻辑法的应用

例3用逻辑法设计三相异步电动机Y/△降压起动控制的梯形图。

解:

（1）明确控制任务与控制内容

（2）确定PLC的软元件,画出PLC的外部接线图

（3）列出真值表

（4）列出逻辑函数表达式

（5）画出梯形图

（6）优化梯形图

教学后记:

通过学习,了解PLC的梯形图的画法,规则。

并熟悉常见电路的PLC转换。

课时授课计划

一、授课具体时间:

第7、8周

二、授课课题:

第6章

步进顺控指令及其应用

三、教学目的要求:

（1）了解状态转移图

（2）掌握步进顺控指令及其编程方法

四、教学重点难点:

（1）（重点）状态转移图

（2）（重点）步进顺控指令及其编程方法

（3）（重点）

（4）（难点）

五、教学方法、用具:

教学方法:

多媒体教课

教学用具:

三角板

六、教学过程（包括教学内容、辅助手段、板书设计、课堂练习、教学进程时

间分配、课外作业等）:

第6章步进顺控指令及其应用

6、1状态转移图及步进顺控指令

6、1、1流程图

首先,还就是来分析一下第5章的电动机循环正反转控制的例子,其控制要求为:

电动机正转3s,暂停2s,反转3s,暂停2s,如此循环5个周期,然后自动停止;运行中,可按停止按钮停止,热继电器动作也应停止。

从上述的控制要求中,可以知道:

电动机循环正反转控制实际上就是一个顺序控制,整个控制过程可分为如下6个工序（也叫阶段）:

复位、正转、暂停、反转、暂停、计数;

每个阶段又分别完成如下的工作（也叫动作）:

初始复位、停止复位、热保护复位,正转、延时,暂停、延时,反转、延时,暂停、延时,计数;各个阶段之间只要条件成立就可以过渡（也叫转移）到下一阶段。

因此,可以很容易地画出电动机循环正反转控制的工作流程图,如图6-1所示。

6、1、2　状态转移图

1.状态转移图

一就是将流程图中的每一个工序（或阶段）用PLC的一个状态继电器来替代;二就是将流程图中的每个阶段要完成的工作（或动作）用PLC的线圈指令或功能指令来替代;

三就是将流程图中各个阶段之间的转移条件用PLC的触点或电路块来替代;四就是流程图中的箭头方向就就是PLC状态转移图中的转移方向。

2.设计状态转移图的方法与步骤

（1）将整个控制过程按任务要求分解,其中的每一个工序都对应一个状态（即步）,并分配状态继电器。

电动机循环正反转控制的状态继电器的分配如下:

复位→S0,正转→S20,暂停→S21,反转→S22,暂停→S23,计数→S24。

（2）搞清楚每个状态的功能、作用。

状态的功能就是通过PLC驱动各种负载来完成的,负载可由状态元件直接驱动,也可由其她软触点的逻辑组合驱动。

（3）找出每个状态的转移条件与方向,即在什么条件下将下一个状态“激活”。

状态的转移条件可以就是单一的触点,也可以就是多个触点的串、并联电路的组合。

（4）根据控制要求或工艺要求,画出状态转移图。

3.状态转移与驱动的过程

4.状态转移图的特点

（1）可以将复杂的控制任务或控制过程分解成若干个状态。

（2）相对某一个具体的状态来说,控制任务简单了,给局部程序的编制带来了方便。

（3）整体程序就是局部程序的综合,只要搞清楚各状态需要完成的动作、状态转移的条件与转移的方向,就可以进行状态转移图的设计。

（4）这种图形很容易理解,可读性很强,能清楚地反映全部控制的工艺过程。

6、1、3　状态继电器

6、1、4　步进顺控指令

FX系列PLC的步进顺控指令有两条:

一条就是步进触点（也叫步进开始）指令STL（StepLadder）,一条就是步进返回（也叫步进结束）指令RET。

1.STL指令

STL步进触点指令用于“激活”某个状态,其梯形图符号为

。

2.RET指令

RET指令用于返回主母线,其梯形图符号为。

6、2步进顺控的编程方法

6、2、1状态转移图的编程方法

1.状态的三要素

2.编程方法

3.状态转移图的理解

6、2、2　编程注意事项

（1）与STL步进触点相连的触点应使用LD或LDI指令,

（2）初始状态可由其她状态驱动,但运行开始时,必须用其她方法预先作好驱动,否则状态流程不可能向下进行。

如按图6-2所示而设计的程序。

（3）STL触点可以直接驱动或通过别的触点驱动Y、M、S、T等元件的线圈与应用指令。

（4）由于CPU只执行活动步对应的电路块,因此,使用STL指令时允许双线圈输出,

（5）在步的活动状态的转移过程中,相邻两步的状态继电器会同时ON一个扫描周期,可能会引发瞬时的双线圈问题。

（6）并行流程或选择流程中每一分支状态的支路数不能超过8条,总的支路数不能超过16条。

（7）若为顺序不连续转移（即跳转）,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。

（8）STL触点右边不能紧跟着使用入栈（MPS）指令。

STL指令不能与MC、MCR指令一起使用。

在FOR、NEXT结构中、子程序与中断程序中,不能有STL程序块,但STL程序块中可允许使用最多4级嵌套的FOR、NEXT指令。

（9）需要在停电恢复后继续维持停电前的运行状态时,可使用S500～S899停电保持状态继电器。

6、2、3单流程状态转移图的编程

1.单流程

2.编程方法与步骤

（1）根据控制要求,列出PLC的I/O分配表,画出I/O分配图;

2）将整个工作过程