文档设计调研报告
随着社会的进步，现代科学技术的发展日新月异。科学的发展离不开工业的发展，可编程控制器，是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、通用的自动控制装置，由于其具有的许多优点使其得到了广泛的应用。但我认为我对其了解的不够，因此我选择了它作为我文档设计的题目，并就PLC的一写内容做了调研。
首先，我把学校的工业中心作为调研的主要地方。通过观察和老师的讲解示范，我知道了PLC在许多领域有着广泛的应用。通过老师的讲解和几个范例，我对其编程有了一写认识，PLC在现代工业生产的自动控制中起着很大的作用。
同时，通过翻阅相关书籍以及上网查询，对于PLC的原理、编程和应用，有了更全面的了解，对其重要性有了更深的认识。
摘要
本次文档设计为PLC的原理与应用。设计中，首先对PLC的定义做了阐述，然后回顾了它的历史，讲解了它的市场状况，并对其发展趋势做了展望，接着对PLC的工作原理和分类做了详细的描述。后面讲解了PLC的编程，并列举了一些常用的电路，举例说明了它在数控系统中的应用，最后对其故障诊断做了简述。
关键词：PLC、编程、梯形图、数控系统、维护
Abstract
The graduation of the PLC design principles and applications. Design, the first definition of the PLC done so, then recalled its history, on its market situation, and its development trend of prospects, and then the PLC principle and gave a detailed classification of the description. On the back of the PLC program, and cited a number of commonly used circuit, examples of engineering practice in the application of its fault diagnosis was made briefly.
Keywords：PLC 、Programming 、Ladder、NCS 、Maintenance
目 录
第一章 PLC概论 1
1.1 PLC的定义 1
1.2 PLC的发展和市场情况 2
1.2.1 PLC的发展历史 2
1.2.2 PLC的市场情况 2
1.2.3 PLC的网络及发展趋势 3
1.3 PLC的分类 5
1.3.1 按结构形式分类 5
1.3.2 按功能分类 5
1.3.3 按I/O点数分类 6
1.4 PLC的特点 6
1.4.1 可靠性高，抗干扰能力强 6
1.4.2 配套齐全，功能完善，适用性强 7
1.4.3 易学易用，深受工程技术人员欢迎 7
1.4.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 7
1.4.5 体积小，重量轻，能耗低 7
第二章PLC的构成与工作原理 8
2.1 PLC的构成 8
2.1.1 CPU的构成及功能 8
2.1.2 I/O模块 8
2.1.3 内存 9
2.1.4 电源模块 9
2.1.5 底板或机架 9
2.1.6 PLC系统的其它设备 9
2.1.7 PLC的通信联网 10
2.2 PLC的工作原理 10
2.2.1 扫描技术 11
2.2.2 PLC的I/O响应时间 11
第三章 PLC编程的基本方法 12
3.1 编程的基本原则 12
3.2 编程技巧 12
3.3 基本电路的编程 12
3.4 几个典型电路 13
3.4.1 具有电气联锁的电动机正反转控制电路 13
3.4.2 两台电动机顺序起动联锁控制电路 14
3.4.3 笼型电动机定子串自耦变压器减压起动自动控制线路 14
3.4.4 电梯控制 15
第四章 PLC编程在数控系统中的应用 17
4.1 PLC在数控系统点位控制系统中的应用 17
4.1.1 控制系统研制中需要认识与解决的若干问题 17
4.1.2 控制系统方案 18
4.1.3 控制系统的软件结构 19
4.1.4 结束语 20
4.2 PLC编程在几个典型控制系统中的应用 21
4.2.1 主轴定向控制 21
4.2.2 刀库自动选刀控制 22
4.2.3 润滑系统自动控制 24
第五章 PLC的维护 26
5.1 PLC常见故障处理 26
5.2 一般查找故障步骤 27
5.3 组件的更换 27
5.3.1 更换框架 27
5.3.2 CPU模块的更换 28
5.3.3 I/O模块的更换 28
第六章 总结 29
参考文献 30
致 谢 31
第一章 PLC概论
1.1 PLC的定义
可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC;加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器(PLC-Programmable Logic Controller)，为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。
PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufactory Association）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（Programmable Controller），并给PC作了如下定义：
“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能着，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”
以后国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
1.2 PLC的发展和市场情况
1.2.1 PLC的发展历史
1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。
在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场(过程控制)并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC(IPC)的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。目前全世界有200多厂家生产300多品种PLC产品，主要应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。
1.2.2 PLC的市场情况
国内PLC生产厂约30家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产，因此可以说PLC在我国未形成制造产业。作为原理、技术和工艺均无尖端技术难度的产品，只要努力，是能形成制造产业的。
在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿元人民币，应用的行业也很广。但是与其它国家相比，在机械加工及生产线方面的应用，还需要加大投入。我国市场上流行的有如下几家PLC产品:
(1) 施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品;
(2) 罗克韦尔公司(包括AB公司)PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品;
(3) 西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品;
(4) GE公司的产品;日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。
PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。
从技术创新的角度看，我国大中型企业还要大力发展CIMS(计算机集成制造系统)，在机械制造厂要形成FMS柔性制造系统，PLC是基础，所以PLC市场是广阔的。
PLC具有稳定可*、价格便宜、功能齐全、应用灵活方便、操作维护方便的优点，这是它能持久的占有市场的根本原因，我们下面重点阐述几个问题，并研究其发展趋势。
1.2.3 PLC的网络及发展趋势
一个或若干PLC与PC机联出系统，PC机起到原编程器及人机界面操作站的作用，这20世纪90年代的新潮流，这样为系统集成带来了商机，同时编程软件和人机界面软件(监控软件或称组态软件)及软件接口(或称驱动软件)也得到了发展。
近年来，PLC厂家在原来CPU模板上提供物理层RS232/422/485接口的基础，逐渐增加了各种通讯接口，而且提供完整的通讯网络。由于近来数据通讯技术发展很快，用户对开放性要求很强烈，现场总线技术及以太网技术也同步发展，所以PLC构成的PCS系统比DCS的开放性所处的现状稍好一些。目前罗克韦尔AB公司已形成了多层结构体系，即Ether Net、Control Net、Device Net及Asi等现场总线(原DH+网也可兼容)。西门子公司在Profibus-DP通讯网络及Profibus-FMS网络以外，提出了S7 Routing网络，即Profibus-DP和Industrial Enternet两层结构。网络还在发展，我国应已积极的姿态投入其中。
2001年我国机械工业成为工业发展新亮点，总产值比上年增长17.15%，汽车产量为世界前10位，机床产量为世界第5位。机械工业利润增长33.35%，占整个工业新增利润六成多。出口同样出现可喜的增长。现在机械工业提出要实施网络化，对这一点，PLC从业人员应有清醒的认识，应对网络化的开放性、网络构成的性能/价格比和网络的可*性、安全性、先进性上特别下功夫。
网络向上连是互联网问题，向下连是现场总线问题，另外现有网络能否用以太网“e网到底”方式、网络采用客户器/服务器方式、浏览器/服务器方式、生产者/消费者方式、接口软件采用OPC方式等问题都有待进一步落实。PLC与智能MCC马达控制中心、与数控机床配套的NC/CNC数控设备，以及与其它运行控制系统、电控设备、变频器和软起动器等连成系统;PLC要与DCS分工合作，充当DCS的远程I/O站等;PLC要与IPC分工合作，除用IPC作人机界面外，作软件PLC的I/O部件也是可行的;此外还有PLC与紧急停车安全系统(ESD，Emergency Shut Down Systems)的关系、与立体仓库、机器人、CAD/CAM等等都要处理好关系。总之，PLC要兼容各种新技术，使PLC成为真正意义上的“电脑”。
PLC的应用领域是宽阔的，还有许多领域急待开拓，如用于海关过境车辆认证(深圳盐田)、自动售药(若干中药店)在我国已有实例。另外，在离散事件系统中，如公路网交通流(车辆计数、乘客计数及停留时间计量)、物流系统、柔行制造系统(敏捷制造系统)及一切非标准随服务系统中，均可以采用PLC，进而建模和采取对策并优化。PLC的前途一片美好，一切悲观的论点是站不住脚的。至于技术进步，PLC与其它技术融合以至消失，那还需要一定的时间。
1.3 PLC的分类
PLC产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对PLC的分类，通常根据其结构形式的不同、功能的差异和I/O点数的多少等进行大致分类。
1.3.1 按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内， 具有结构紧凑、体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC 模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
1.3.2 按功能分类
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
（1）低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC 除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
（3）高档PLC 除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
1.3.3 按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
(1).小型PLC——I/O点数< 256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
如：GE-I型 美国通用电气（GE）公司
TI100 美国德洲仪器公司
F、F1、F2 日本三菱电气公司
C20 C40 日本立石公司（欧姆龙）
S7-200 德国西门子公司
EX20 EX40 日本东芝公司
SR-20/21 中外合资无锡华光电子工业有限公司
(2). 中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K
如：S7-300 德国西门子公司
SR-400 中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5、SU-6 德国西门子公司
C-500 日本立石公司
GE-Ⅲ GE公司
(3). 大型PLC——I/O点数> 2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K
如：S7-400 德国西门子公司
GE-Ⅳ GE公司
C-2000 立石公司
K3 三菱公司等
1.4 PLC的特点
1.4.1 可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
1.4.2 配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
1.4.3 易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
1.4.4 系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
1.4.5 体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
第二章PLC的构成与工作原理
2.1 PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
2.1.1 CPU的构成及功能
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
对使用者来说，不必详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令，但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
2.1.2 I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O种类有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
2.1.3 内存
内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。不同机型的PLC期内存大小也不尽相同，除主机单元的已有的内存区外，大部分机型还可根据用户具体需要加以扩展。
2.1.4 电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
2.1.5 底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
2.1.6 PLC系统的其它设备
i) 编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的
器件，用于编写程序、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。某些PLC也配有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
ii) 人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面也非常普及。
iii)输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。
2.1.7 PLC的通信联网
如图所示，依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
PLC的通信，还未实现互操作性，IEC规定了多种现场总线标准，PLC各厂家均有采用。对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲，选择网络非常重要的。首先,网络必须是开放的，以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展；其次，针对不同网络层次的传输性能要求，选择网络的形式，这必须在较深入地了解该网络标准的协议和机制的前提下进行；再次，综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题，确定不同层次所使用的网络标准。
2.2 PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
（1）继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
（2）PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
2.2.1 扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
（1）输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
2.2.2 PLC的I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。
第三章 PLC编程的基本方法
3.1 编程的基本原则
PLC编程应该遵循以下的基本原则：
外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的触点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。
梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在最右边。触点不能放在线圈的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的触点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不容许的，参看图3.1 （本章图见附录）
线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用过的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器R9010（常ON）的常开接点来连接，参看图3.2。
同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，就尽量避免线圈重复使用。
梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路不能直接编程，例如图3.3所示的桥式电路就不能直接编程。
在梯形图中串联接点使用的次数没有限制，可无限次地使用，见图3.4所示。
两个或者两个以上的线圈可以并联输出，如图3.5所示。
3.2 编程技巧
在编写PLC梯形图程序时应掌握如下的编程技巧：
把串联触点较多的电路编在梯形图上方，如图3.6所示。
并联触点多的电路应放在左边，如图3.7所示。若有几个并联电路相串联时，应将触点最多的并联电路放在最左边。
桥式电路编程。图3.3所示的梯形图是一个桥式电路，不能直接对它编程，必须重画成图3.8所示的电路才可进行编程。
3.3 基本电路的编程
（1）起动和复位电路
在PLC的程序设计中，起动和复位电路是构成梯形图的最基本的常用电路。
用输入继电器和输出继电器编制的梯形图如图3.9（a）所示。用输入继电器和锁存继电器编制的梯形图如图3.9（b）所示。
当X0的输入端子接通时，输入继电器X0线圈接通，其常开触点X0闭合，输出继电器线圈Y0接通并由其常开触点自保持（图3.9（b）采用的是锁存继电器）。当X1的输入端接通时，输入继电器X1的触点打开（图3.9（a）），常开触点X1闭合，锁存继电器KP复位，使输出Y0为OFF。其电路功能为输入X0为ON，输出Y0为ON；输入X1为ON时，输出Y0为OFF。
（2） 触发电路
采用DF指令构成触发器电路如图3.10所示。在输入信号X0的控制下，输出Y0不断翻转（ON/OFF…）。
（3） 二分频电路
采用DF指令构成的二分频电路如图3.11所示。
在t0时刻输入X1接通前沿，内部继电器R0接通一个扫描周期T，输出Y1接通，常开触点Y1闭合。当输入X1的第二个脉冲到来时，内部继电器R1接通，其常闭触点R1打开使Y1断开。从图3.11的波形图可以看到，输出Y1波形的频率为输入X1波形频率的一半。
（4） 延时接通电路
PLC中的定时器TIM与其他器件组合可构成各种时间控制电路。FP1系统PLC中的定时器是通电延时型定时器，定时器输入信号一经接通，定时器的设定值不断减1，当设定值减为零时，定时器才有输出，此时定时器的常开触点闭合，常闭触点打开。当定时器输入短开时，定时器复位，有当前值恢复到设定值，其输出的常开触点断开，常闭触点闭合。
出入端X0接不带自锁按钮开关，延时接通电路如图3.12所示。当输入X0端的输入接通时，输入继电器的线圈X0接通，其常开触点X0闭合，内部继电器R0接通，其常开触点R0闭合，接通定时器T0，T0的设定值K50开始递减，减为零时，T0常开触点闭合，输出继电器Y0延时5S后接通。当输入端X1接通后，内部继电器R0断电，其常开触点R0断开，定时器T0复位，其输出的常开触点T0断开，使输出Y0为OFF。
3.4 几个典型电路
3.4.1 具有电气联锁的电动机正反转控制电路
具有电气联锁的电动机正反转控制线路电气原理图，如图3.13（a）所示。PLC控制的输入输出接线图如图3.13（b）所示。梯形图如图3.13（c）所示。采用PLC控制的工作过程如下：
合上电源开关QK，按下正向起动按钮SB2，输入继电器X1的常开接点闭合，输出继电器Y0线圈接通并自锁，接触器KM1得电吸合，电动机正转。与此同时，Y0的常闭接点断开Y1的线圈，确保KM2不能吸合，实现电气互锁。按下反向起动按钮SB3时，X2常开接点闭合，Y1线圈接通，KM2得电吸合，电动机反转。与此同时，Y1的常闭接头断开Y0的线圈，KM1不能吸合，实现电气联锁。停机时按下按钮SB1，X0常闭接点断开；过载时热继电器常开接点FR闭合，X3的常闭接头断开，这两种情况都使Y0和Y1线圈断开，进而使KM1和KM2失电释放，电动机停下来。
3.4.2 两台电动机顺序起动联锁控制电路
这种线路的继电接触控制线路图如图3.14所示。PLC控制的输入输出接线如图3。14（b）所示。梯形图如图3.14（c）所示，采用PLC控制的工作过程如下：
合上电源开关QK，按下起动按钮SB2，输入继电器X0常开接点闭合，输出继电器Y0线圈接通并自锁，接触器KM1得电吸合，电动机M1起动。同时Y0常开接点闭合，线圈接通并自锁，KM2得电吸合，电动机M2起动。可见只有M1先起动，M2才能起动。按下停机按钮SB1，X1常闭接点断开；M1过载时，热继电器FR1常开触点闭合，X2常闭接点断开，这两种情况都能使Y0、Y1、T0线圈回路断开，KM1和KM2失电释放，两台电动机都停下来。如果M2过载时，FR2和X3动作，Y1和KM2线圈回路都断开，M2停转，但M1仍继续运行。
3.4.3 笼型电动机定子串自耦变压器减压起动自动控制线路
对较大容量的220/380V笼型电动机不宜采用Y-D减压限流起动方法，这时可采用自耦变压器与时间继电器控制电机减压起动，如图3.15(a)所示。采用PLC控制的输入输出接线如图3.15(b)所示。相应的梯形图如图3.15(c)所示，PLC控制的工作过程如下：
当按下SB2，X0接通R0线圈回路，R0常开接点闭合，R0自锁，并使Y0线圈接通和KM1吸合，串入自耦变压器减压起动，15秒T0常闭接点动作，使Y0线圈回路断开，从而使KM1失电释放，自耦变压器被切除，电动机起动完成，投入全电压运行。定时器定时K值根据需要由用户确定。停机时按下SB1，X1常闭接点断开R0线圈回路，进而断开Y1线圈回路使KM2失电释放，电动机停转。
3.4.4 电梯控制
(1) 电梯控制要求
1）开始时，电梯处于任意一层。
2）当有外呼梯信号到来时，轿厢响应呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门打开，延时3S后自动关门。
3）当有内呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门打开，延时3S后自动关门。
4）在电梯轿厢运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的外呼梯信号均不响应，但如果某反向外呼梯信号前方再无其他内、外呼梯信号时，则电梯响应外呼梯信号。例如，电梯轿厢在1楼，将要运行到3楼，在此过程中可以响应2层向上外呼梯信号，但不响应2层下外呼梯信号。否则，电梯轿厢将继续运行至4楼，然后向下运行响应3层向下外呼梯信号。
5）电梯应当具有最远反向外呼梯功能，例如，电梯轿厢在1楼，而同时有2层向下外呼梯，3层向下外呼梯，4层向下外呼梯，则电梯轿厢先去4楼响应4层向下外呼梯信号。
6）电梯未平层或运行时，开门按钮和关门按钮均不起作用。平层且电梯轿厢停止运行后，按开门按钮轿厢门打开，按开门按钮轿厢门关闭。
（2）I/O分配
输入 输出
1层内呼 X0 1层内呼指示 Y0
2层内呼 X1 2层内呼指示 Y1
3层内呼 X2 3层内呼指示 Y2
4层内呼 X3 4层内呼指示 Y3
1层外呼上 X4 1层外呼上指示 Y4
2层外呼下 X5 2层外呼下指示 Y5
2层外呼上 X6 2层外呼上指示 Y6
3层外呼下 X7 3层外呼下指示 Y7
3层外呼上 X8 3层外呼上指示 Y8
4层外呼下 X9 4层外呼下指示 Y9
开门开关 XA 电梯轿厢上行 YA
关门开关 XB 电梯轿厢下行 YB
1层平层 XC 门电机开 YC
2层平层 XD 门电机关 YD
3层平层 XE 电梯上行指示 YE
4层平层 XF 电梯下行指示 YF
开门限位 X10
关门限位 X11
轿厢上升极限位 X12
轿厢下降极限位 X13
（3）梯形图
电梯控制梯形图程序如图3.16所示
第四章 PLC编程在数控系统中的应用
4.1 PLC在数控系统点位控制系统中的应用
数控系统按其控制方式划分有点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。在机械加工时，数控系统的点位控制一般用在孔加工机床上（例如钻孔、铰孔、镗孔的数控机床），其特点是机床移动部件能实现由一个位置到另一个位置的精确移动，即准确控制移动部件的终点位置，但并不考虑其运动轨迹，在移动过程中刀具不切削工件。
实现数控系统点位控制的通常方法可以有两种：一是采用全功能的数控装置，这种装置功能十分完善，但其价格却很昂贵，而且许多功能对点位控制来说是多余的；二是采用单板机或单片机控制，这种方法除了要进行软件开发外，还要设计硬件电路、接口电路、驱动电路，特别是要考虑工业现场中的抗干扰问题。
由于可编程控制器（PLC）是专为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机，具有抗干扰能力强、可靠性极高、体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此通过实践与深入研究，本文提出了利用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的有关见解与方法，介绍了控制系统研制中需要认识与解决的若干问题，给出了控制系统方案及软硬件结构的设计思路，对于工矿企业实现相关机床改造具有较高的应用与参考价值。
4.1.1 控制系统研制中需要认识与解决的若干问题
1） 防止步进电机运行时出现失步和误差
步进电机是一种性能良好的数字化执行元件，在数控系统的点位控制中，可利用步进电机作为驱动电机。在开环控制中，步进电机由一定频率的脉冲控制。由PLC直接产生脉冲来控制步进电机可以有效地简化系统的硬件电路，进一步提高可靠性。由于PLC是以循环扫描方式工作，其扫描周期一般在几毫秒至几十毫秒之间，因此受到PLC工作方式的限制以及扫描周期的影响，步进电机不能在高频下工作。例如，若控制步进电机的脉冲频率为4000HZ，则脉冲周期为0.25毫秒，这样脉冲周期的数量级就比扫描周期小很多，如采用此频率来控制步进电机。则PLC在还未完成输出刷新任务时就已经发出许多个控制脉冲，但步进电机仍一动不动，出现了严重的失步现象。若控制步进电机的脉冲频率为100HZ，则脉冲周期为10毫秒，与PLC的扫描周期约处于同一数量级，步进电机运行时亦可能会产生较大的误差。因此用PLC驱动步进电机时，为防止步进电机运行时出现失步与误差，步进电机应在低频下运行，脉冲信号频率选为十至几十赫兹左右，这可以利用程序设计加以实现。
2）保证定位精度与提高定位速度之间的矛盾
步进电机的转速与其控制脉冲的频率成正比，当步进电机在极低频下运行时，其转速必然很低。而为了保证系统的定位精度，脉冲当量即步进电机转一个步距角时刀具或工作台移动的距离又不能太大，这两个因素合在一起带来了一个突出问题：定位时间太长。例如若步进电机的工作频率为20HZ，即50ms走一步，取脉冲当量为δ＝0.01mm/步，则1秒钟刀具或工作台移动的距离为20x0.01＝0.2mm，1分钟移动的距离为60x0.2＝12mm，如果定位距离为120mm，则定位时间需要10分钟，如此慢的定位速度在实际运行中是难以忍受的。 为了保证定位精度，脉冲当量不能太大，但却影响了定位速度。因此如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。
3）可变控制参数的在线修改
PLC应用于点位控制时，用户显然希望当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数能作相应的修改，例如步进电机步数的改变，速度的调整等。为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；虽然利用PLC的输入按键并配合软件设计也能实现控制参数的在线修改，但由于PLC没有提供数码显示单元，因此需要为此单独设计数码输入显示电路，这又将极大地占用PLC的输入点，导致硬件成本增加，而且操作不便，数据输入速度慢。所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。
4）其他问题
为了实现点位控制过程中数字变化的显示及故障输出代码的显示等要求，另外还得单独设计PLC的数码输出显示电路。由于目前PLC I/O点的价格仍较高，因此应着重考虑选用能压缩显示输出点的合适方法。此外，为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。
4.1.2 控制系统方案
1） 将定位过程划分为脉冲当量不同的两个阶段
要获得高的定位速度，同时又要保证定位精度，可以把整个定位过程划分为两个阶段：粗定位阶段和精定位阶段。这两个阶段均采用相同频率的脉冲控制步进电机，但采用不同的脉冲当量。粗定位阶段：由于在点位过程中，刀具不切削工件，因此在这一阶段，可采用较大的脉冲当量，如0.1mm/步或1mm/步，甚至更高。例如步进电机控制脉冲频率为20HZ，脉冲当量为0.1mm/步，定位距离为120mm，则走完全程所需时间为1分钟，这样为速度显然已能满足要求。精定位阶段：当使用较大的脉冲当量使刀具或工作台快速移动至接近定位点时，（即完成粗定位阶段），为了保证定位精度，再换用较小的脉冲当量进入精定位阶段，让刀具或工作台慢慢趋近于定位点，例如取脉冲当量为0.01mm/步。尽管脉冲当量变小，但由于精定位行程很短（可定为全行程的五十分之一左右），因此并不会影响到定位速度。
为了实现上述目的，在机械方面，应采用两套变速机构。在粗定位阶段，由步进电机直接驱动刀具或工作台传动，在精定位阶段，则采用降速传动。这两套变速机构使用哪一套，由电磁离合器控制。
2）应用功能指令实现BCD码拨盘数据输入
目前较为先进的PLC不仅具有满足顺序控制要求的基本逻辑指令，而且还提供了丰富的功能指令。如果说基本逻辑指令是对继电器控制原理的一种抽象提高的话，那么功能指令就象是对汇编语言的一种抽象提高。BCD码数据拨盘是计算机控制系统中常用到的十进制拨盘数据输入装置。拨盘共有0~9+个位置，每一位置都有相应的数字指示。一个拨盘可代表一位十进制数据，若需输入多位数据，可以用多片BCD码拨盘并联使用。 选用BCD码拨盘装置应用于PLC控制的系统，这样无需再设计数码输入显示电路，有效地节省了PLC的输入点，简化了硬件电路，因此能极方地实现数据的在线输入或修改（如计数器设定值的修改等），若配合简单的硬件译码电路，就可显示有关参数的动态变化（如电机步数的递减变化等）。为避免在系统运行中拨动拨盘可能给系统造成的波动，最好设置一输入键，当确认各片拨盘都拨到位后再按该键，这时数据才被PLC读入并处理。
3）“软件编码、硬件解码”
为满足压缩输出点这一前提条件，采用“软件编码、硬件解码”的方法设计PLC的数码输出显示电路。例如，对于9种及其以下的故障状态显示，可采用8-4软件编码，4-8硬件解码，使显示故障的输出点压缩为4个，硬件电路包含74LS04、74LS48、共阴数码管等器件。
4） PLC外部元件故障的自动检测
由于PLC具有极高的可靠性，因此PLC控制系统中绝大部分的故障不是来自PLC本身，而是由于外部元件故障引起的，例如常见的按钮或行程开关触点的熔焊及氧化就分别对应着短路故障及开路故障。系统一旦自动检测到元件故障，应不仅具有声光报警功能，而且能立即显示故障代码，以便用户据此迅速判断出故障原因。
4.1.3 控制系统的软件结构
软件结构根据控制要求而设计，主要划分为五大模块：即步进电机控制模块、定位控制模块、数据拨盘输入及数据传输模块、数码输出显示模块、元件故障的自动检测与报警模块。 由于整个软件结构较为庞大，脉冲控制器产生0.1秒的控制脉冲，使移位寄存器移位，提供六拍时序脉冲，通过三相六拍环形分配器使三个输出继电器Y430、Y431、Y432按照单双六拍的通电方式控制步进电机。为实现定位控制，采用不同的计数器分别控制粗定位行程和精定位行程，计数器的设定值依据行程而定。例如，设刀具或工作台欲从A点移至C点，已知AC＝200mm，把AC划分为AB与BC两段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段为粗定位行程，采用0.1mm/步的脉冲当量快速移动，利用了6位计数器（C660/C661），而BC段为精定位行程，采用0.01mm/步的脉冲当量精确定位，利用了3位计数器C460，在粗定位结束进入精定位的同时，PLC自动接通电磁离合器输出点Y433以实现变速机构的更换。
4.1.4 结束语
系统试验表明，本文提出的应用PLC控制步进电机实现数控系统点位控制功能的方法能满足控制要求，在实际运行中是切实可行的。所研制的控制系统具有程序设计思路清晰、硬件电路简单实用、可靠性高、抗干扰能力强，具有良好的性能价格比等显著优点，其软硬件的设计思路可应用于工矿企业的相关机床改造。
4.2 PLC编程在几个典型控制系统中的应用
各系统厂家都有自己的PLC控制系统，也有自己的编程工具，对用户都提供了标准的PLC应用实例和适应不同需要的子程序库，一般用户无需也不能修改PLC程序，但能通过PLC接口诊断到机床的一些故障，这对操作人员是有很大帮助的。
PLC程序的表达方式有梯形图、语句表和流程图，不同类型PLC的程序指令表述不尽相同，但它们的实质都是一致的。PLC程序指令有基本指令和功能指令。在数控机床中，为了实现某一功能，往往采用相应功能指令，如译码、比较、数据传送、数据检索及刀库旋转控制等，但要注意功能指令执行的条件、参数设置等问题。对于已学习过PLC程序设计的学习者，下面介绍几种典型控制系统。
4.2.1 主轴定向控制
加工中心在进行加工时，自动交换刀具或精镗孔时要用到主轴定向功能，其控制梯形图如图4.1所示。（本章图见附录）
图中M06是换刀指令，M19是主轴定向指令，这两个信号作为主轴定向控制的指令信号。AUTO为自动工作状态信号，手动时AUTO为“0”，自动时为“1”。RST为CNC系统的复位信号。ORCM为主轴定向继电器，其触点输出到机床，以控制主轴定向。ORAR为从机床侧输入的“定向到位”信号。
为了检测主轴定向是否在规定的时间内完成，这里应用了功能指令TMR进行定时操作。整定时限为4.5S。如在4.5S内不能完成定向控制，将发出报警信号，R1即为报警继电器。
主轴正/反转及齿轮换挡控制
主轴换挡结构如图4.2所示，控制梯形图如图4.3所示。
图4.3中各信号含义如下：
HS.M 手动操作开关
AS.M 自动操作开关
CW.M 主轴正转按钮
CCW.M 主轴反转按钮
OFF.M 主轴停转按钮
SPLGEAR 齿轮低速换挡到位开关
SPHGEAR 齿轮高速换挡到位开关
LGEAR 手动低速换挡操作开关
HGEAR 手动高速换挡操作开关
程序中应用了译码和延时2个功能指令。所涉及的M功能是：
M03 主轴正转
M04 主轴反转
M05 主轴停转
M41 主轴齿轮低速换挡
M42 主轴齿轮高速换挡
由梯形图控制可知，若在预定时间内齿轮换挡不成功，则通过时间继电器TM01常开触点的延时闭合，送出主轴错误信号SPERR。
在主轴正/反转控制和高、低速换挡控制梯形图中，都有逻辑互锁关系，以免造成控制功能切换时发生故障。在执行电路中，主轴正/反转接触器电路中还要加上相应的互锁环节，以提高互锁的可靠性。
4.2.2 刀库自动选刀控制
在具有自动换刀的数控机床上，刀库选刀控制（T）指令和刀具交换控制（M06）指令是PLC控制的重要部分。目前刀库选刀一般有两种控制方式：一是刀套编码方式的固定选刀，二是随机选刀。
刀套编码方式
刀套编码方式是对刀库中的刀套进行编码，并将与刀套编码相对应的刀具一一放入指定的刀套中，然后根据刀套的编码选取刀具。图4.4 所示为采用刀套编码的选刀控制。
图中，如采用与刀库同时旋转的绝对值编码器，则01-12刀套编号对应的BCD码为0000-1100，①-12为刀具编号，刀具编号与刀套编号一一对应。当执行M06 T04指令时，首先将刀套7转至换刀位置，由换刀装置将主轴中的7号刀装入7号刀套内，随后刀库反转，使4号刀套转至换刀位置，由换刀装置将4号刀装入主轴内。由此可以看出，刀套编码方式的特点是只认刀套不认刀具，刀具在自动交换过程中必须将用过的刀具放回原来的刀套内。当刀库选刀采用刀套编码方式控制时，要防止把刀具放入与编码不符的刀套内而引起的事故。
随机换刀
在随机换刀方式中，刀库上的刀具能与主轴的刀具任意地直接交换。随机换刀控制方式需要在PLC内部设置一个模拟刀库的数据表，其长度和表内设置的数据与刀库的位置数和刀具号相对应。图4.5所示为随机换刀方式刀库，表4.6为刀号数据表。
数据表的表序号与刀库刀套编号相对应，每个表序号中的内容就是对应刀套中所插的刀具号，如图4.5中，0-8为刀套号，也是数据表序号，其中0是将主轴作为刀库中的一个刀套。11-19为刀具号。由于刀具数据表实际上是刀库中存放刀具的一中映像，所以数据表与刀库中刀具的位置应始终保持一致，对刀具的识别实质上转变为对刀库位置的识别。当刀库旋转时，每个刀套通过换刀（比较值地址）时，由外部检测装置产生一个脉冲信号送到PLC，作为数据表序号指针，通过换刀位置时的计数值总是指示刀库的现在位置。
当PLC接到寻找新刀具的指令（TXX）后，在模拟刀库的刀号数据表中进行数据检索，检索到T代码给定的刀具号，将该刀具号所在数据表中的表序号放在一个地址单元中，这个表序号就是新刀具在刀库的目标位置。刀库旋转后，测得刀库的实际位置与刀库目标位置一致时，即识别了所要寻找的新刀具，刀库停转并定位，等待换刀。在执行M06指令时，机床主轴准停，机械手执行换刀动作，将主轴上用过的旧刀和刀库上选好的新刀进行交换。与此同时，修改现在位置地址中的数据，确定当前换刀位置的刀套号。
在FANUC PLC中，应用数据检索功能指令（DSCH）、符合检查功能指令（COIN）、旋转指令（ROT）、逻辑“与”和后传输指令（MOVE），即可完成上述随机换刀控制。
现根据图4.5和表4.6，执行M06 T14换刀指令。换刀结果：刀库中的 T14 刀装入主轴，主轴中原 T12 插入刀库6号刀套内。控制梯形图如图4.7所示。
图中，换刀位置（刀库现在位置）的地址为0164，在COIN功能指令中作为比较值地址，该地址内的数据为在换刀位置的刀套号（数据表序号），其值由外部计数装置根据刀库旋转方向进行加1或减1计数。图中所示的当前刀套号为5，该值以2位BCD码的形式（0000 0101）存入0164地址中。
在DSCH功能指令中，参数1为数据表容量，本例刀库共有9把刀，建立的刀号数据表只有9个数，故本参数设定值为0009；参数2为数据表的头部地址，本参数为0172；参数3为检索数据地址，其作用就是将T指令中的14号刀从数据表中检索出来，并将14号刀以2位BCD码的形式（0001 0100）存入0117地址单元中，故本参数为0117；参数4为检索结果输出地址，其作用就是将14号刀所在数据表的序号6以2位BCD码的形式（0000 0101）存入到0151地址单元中，故本参数为0151。
上电后，常闭触点A（128.1）断开，故DSCH功能指令按2位BCD码处理检索数据。当CNC读到T14指令代码信号时，将此信息传入PLC。TF（114.3）闭合，开始T代码检索，将14号刀号存入0117地址，数据表序号6存入0151，同时TERR（128.2）置“1”。
在COIN功能指令中，由控制条件可知，参数1和参数2分别为参考值地址0151和比较值地址0164，并按2位BCD形式进行处理，其中0151存放的是指令刀号14，而0164存放的是当前刀套数据表序号6。
当TERR由DSCH指令置“1”后，COIN指令即开始执行。因地址0151与0164内部数据不一致，则输出 TCOIN（128.3）为“0”，作为刀库旋转 ROT 功能指令的启动条件。
在 ROT 功能指令中，计算刀套的目标位置与现在位置之间相差的步数或位置号，并把它置入计算结果地址，可以实现最短路径将刀库旋转至预期位置。参数 1 为旋转检索数，即旋转定点位数，对本例，该参数为8；参数2为现在位置的地址，因当前刀套号5存放0164地址内，故参数2为0164；参数3为目标位置的地址，因指令要求T14号刀具的刀套号6存在0151地址内，故参数3为0151；参数4为计算结果输出地址，本例选定为0152。
当刀具判别指令执行后，TCOIN（128.3）输出为“0”，其常闭触点闭合，TF（114.3）此时仍为“1”，故ROT指令开始执行。根据ROT控制条件的设定，计算出刀库现在位置与目标位置相差步数为“1”，将此数据存入0152地址，并选择出最短旋转捷径，使REV（128.4）置“0”，正向旋转方向输出，通过CW.M正向旋转继电器，驱动刀库正向旋转一步，即找到6号刀位。
在本梯形图中MOVE指令的功能是修改换刀位置的刀套号。换刀前的刀套号5已由换刀后的刀套号6替代，故必须将地址0151内的数据照全样传输到0164地址中。因此MOVE指令中的参数1（高4位）、参数2（低4位）均采用全“1”，经与0151地址内数据6（BCD码0000 0110）相“与”后，其值不变，照原样传送到0164地址中。当刀库正转一步到位后，ROT指令执行完毕。此时T功能完成信号TFIN（128.5）的常开触点使MOVE指令开始执行，完成数据传送任务。
下一扫描周期，COIN判别执行结果，当两者相等时，使TCOIN置“1”，切断ROT指令和CW。M控制，刀库不再回转，同时给出TFIN信号，报告T功能已完成，可以执行M06换刀指令。
当M06执行后，必须对刀号及数据表进行修改，即序号0的内容改为刀具号14，序号6的内容改为刀具号12。
4.2.3 润滑系统自动控制
图4.8为某数控机床的电气控制原理图，图4.9为该润滑系统控制流程图，图4.10为该润滑系统PLC控制梯形图。
润滑系统正常工作时的控制程序
按运转准备按钮SB8，23N行X17.7为1，使输出信号Y86.6接通中间继电器KA4，KA4触点又接通继电器KM4，使润滑电动机M4起动运行，23P行的Y86.6触点自锁。
当Y86.6为1时，24A 行Y86.6触点闭合，TM17号定时器（R613.0）开始计时，设定时间为15S（通过MDI面板设定），到达15S后，TM17为1，23P行的R613.0触点断开，Y86.6为0，润滑电动机停止运行，同时也使24D行输出R600.2为1并自锁。
24F 行的R600.2为1，使TM18定时器开始计时，计时时间设定为25 min ，到达时间后，输出信号R613.1为1，使24G行的R613.1触点闭合，Y86.6输出并自锁，润滑电动机M4重新起动运行，重复上述控制过程。
润滑系统出现故障时的监控
当润滑油路出现泄露或压力开关SP2失灵时，M4已运行15S，但压力开关SP2未闭 合，24B行的X4.5触点未打开，R600.3为1并自锁，一方面使24I行R616.7输出为1，使23N行616.7触点打开，断开润滑电动机。另一方面24M行616.7触点闭合，使Y48.0输出为1，接通报警信号灯（发光二极管HL1亮），并通过TM02、TM03定时器控制，使信号报警灯闪烁。
当润滑油路堵塞或压力开关失灵的情况下，在M4已停止运行25min后，压力开关SP2未闭合，则24G行的X4.5闭合，R600.4输出为1，同样使24I行的R616.7输出为1，结果与第一种情况相同，使润滑电动机不再起动，并报警。
如果润滑油不足，液位开关SL闭合，24J行的X4.6闭合，同样使R616.7为1，断开M4并报警。
润滑电动机M4过载，QF4断开M4的主电路，同时QF4的辅助触点合上，使24I行的X2.5合上，同样使R616.7为1，断开M4的控制电路并同时报警。
通过24P、25A、25B、25C行，将四种报警状态传输到R652地址中的高4位中，可通过CRT/MDI检查诊断地址DGN N0652的对应位状态，如哪一位为1，即是纳一项的故障从而确认报警时的故障原因。
第五章 PLC的维护
5.1 PLC常见故障处理
维护概述
一般各型PLC（以下以无锡华光电子工业有限公司生产的SR系列PLC，做为描述样板，其余各型PLC大同小异）均设计成长期不间断的工作制。但是，偶然有的地方也需要对动作进行修改，迅速找到这个场所并修改它们是很重要的。修改发生在PLC以外的 动作需要许多时间。
查找故障的设备
SR PLC的指示灯及机内设备，有益于对PLC整个控制系统查找故障。编程器是主要的诊断工具，他能方便地插到PLC上面。在编程器上可以观察整个控制系统的状态，当您去查找PLC为核心的控制系统的故障时，作为一个习惯，您应带一个编程器。
基本的查找故障顺序
提出下列问题，并根据发现的合理动作逐个否定。一步一步地更换SR中的各种模块,直到故障全部排除。所有主要的修正动作能通过更换模块来完成。 除了一把螺丝刀和一个万用电表外，并不需要特殊的工具，不需要示波器，高级精密电压表或特殊的测试程序。
1、PWR（电源）灯亮否？如果不亮，在采用交流电源的框架的电压输入端（98-162VAC或195-252VAC）检查电源电压；对于需要直流电压的框架， 测量+24VDC和0VDC端之间的直流电压，如果不是合适的AC或DC电源，则问题发生在SR PLC之外。如AC或DC电源电压正常，但PWR灯不亮，检查保险丝， 如必要的话，就更换CPU框架。
2、PWR（电源）灯亮否？如果亮，检查显示出错的代码，对照出错代码表的代码定义，做相应的修正。
3、RUN（运行）灯亮否？如果不亮，检查编程器是不是处于PRG或LOAD位置，或者是不是程序出错。如RUN灯不亮，而编程器并没插上，或者编程器处于RUN方式 且没有显示出错的代码，则需要更换CPU模块。
4、BATT（电池）灯亮否？如果亮，则需要更换锂电池。由于BATT灯只是报警信号，即使电池电压过低，程序也可能尚没改变。更换电池以后， 检查程序或让PLC试运行。如果程序已有错，在完成系统编程初始化后，将录在磁带上的程序重新装入PLC。
5、在多框架系统中,如果CPU是工作的,可用RUN`继电器来检查其它几个电源的工作。如果RUN继电器未闭合(高阻态),按上面讲的第一步检查AC或DC电源如AC 或DC电源正常而继电器是断开的,则需要更换框架。
5.2 一般查找故障步骤
其他步骤于用户的逻辑知识有关。下面的一些步骤，实际上只是较普通的，对于您遇到的特定的应用问题，尚修改或调整。查找故障的最好工具就是 您的感觉和经验。首先，插上编程器，并将开关打到RUN位置，然后按下列步骤进行。
1、如果PLC停止在某些输出被激励的地方，一般是处于中间状态，则查找引起下一步操作发生的信号（输入，定时器，线川，鼓轮控制器等）。 编程器会显示那个信号的ON/OFF状态。
2、如果输入信号，将编程器显示的状态与输入模块的LED指示作比较，结果不一致，则更换输入模块。入发现在扩展框架上有多个模块要更换， 那么，在您更换模块之前，应先检查I/O扩展电缆和它的连接情况。
3、如果输入状态与输入模块的LED指示指示一致，就要比较一下发光二极管与输入装置（按钮、限位开关等）的状态。入二者不同，测量一下输入 模块，如发现有问题，需要更换I/O装置，现场接线或电源；否则，要更换输入模块。
4、如信号是线川，没有输出或输出与线川的状态不同，就得用编程器检查输出的驱动逻辑，并检查程序清单。检查应按从有到左进行， 找出第一个不接通的触点，如没有通的那个是输入，就按第二和第三步检查该输入点，如是线川，就按第四步和第五步检查。要确认使主控继电器步影响逻辑操作。
5、如果信号是定时器，而且停在小于999.9的非零值上，则要更换CPU模块。
6、如果该信号控制一个计数器，首先检查控制复位的逻辑，然后是计数器信号。按上述2到5部进行。
5.3 组件的更换
下面是更换SR-211PC系统的步骤
5.3.1 更换框架
1、切断AC电源 ；如装有编程器，拔掉编程器 。
2、从框架右端的接线端板上，拔下塑料盖板，拆去电源接线。
3、拔掉所有的I/O模块。如果原先在安装时有多个工作回路的话，不要搞乱IU/O的接线，并记下每个模块在框架中的位置，以便重新插上时不至于搞错。
4、如CPU框架，拔除CPU组件和填充模块。将它放在安全的地方，以便以后重新安装。
5、卸去底部的二个固定框架的螺丝，松开上部二个螺丝，但不用拆掉。
6、将框架向上推移一下，然后把框架向下拉出来放在旁边。
7、将新的框架 从顶部螺丝上套进去，
8、装上底部螺丝，将四个螺丝都拧紧。
9、插入I/O模块，注意位置要与拆下时一致。
如果模块插错位置，将会引起控制系统危险的或错误的操作，但不会损坏模块。
10、插入卸下的CPU和填充模块。
11、在框架右边的接线端上重新接好电源接线，再盖上电源接线端的塑料盖。
12、检查一下电源接线是否正确，然后再通上电源。仔细地检查整个控制系统的工作，确保所有的I/O模块位置正确，程序没有变化。
5.3.2 CPU模块的更换
1、切断电源，如插有编程器的话，把编程器拔掉。
2、向中间挤压CPU模块面板的上下紧固扣，使它们脱出卡口。
3、把模快从槽中垂直拔出。
4、如果CPU上装着EPROM存储器，把EPROM拔下，装在新的CPU上。
5、首先将印刷线路板对准底部导槽。将新的CPU模块插入底部导槽。
6、轻微的晃动CPU模块，使CPU模块对准顶部导槽。
7、把CPU模块插进框架，直到二个弹性锁扣扣进卡口。
8、重新插上编程器，并通电。
9、在对系统编程初始化后，把录在磁带上的程序重新装入。检查一下整个系统的操作。
5.3.3 I/O模块的更换
1、切断框架和I/O系统的电源。
2、卸下I/O模块接线端上塑料盖。拆下有故障模块的现场接线。
3、拆去I/O接线端的现场接线或卸下可拆卸式接线插座，这要视模块的类型而定。给每根线贴上标签或记下安装连线的标记，以便于将来重新连接。
4、向中间挤压I/O模块的上下弹性锁扣，使它们脱出卡口。
5、垂直向上拔出I/O模块。
第六章 总结
通过这次文档设计，我了解了PLC的原理，编程方法，及其在工程实践、生产生活中的应用。初步学会了PLC的编程方法，对其原理和市场有了一些认识。在这个过程中，开阔了我的眼界，锻炼了我的思维能力，让我在今后的工作、学习中受益匪浅。
现在PLC有出现了一些著名类型，如三菱小型PLC系列，德国西门子系列等。
由于PLC自身的一些固有特点以及科学技术的发展，PLC的发展前景是十分可观的，相信随着现代工业的快速发展，PLC所起的作用将会越来越大。
在这里感谢周广宏老师对我的指导和帮助，同时感谢在PLC领域的各位前辈，正是他们的辛勤劳动成果使我能够有所参考，完成本次文档设计。
参考文献
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10．汪晓光等编. 可编程控制器原理及应用.北京：机械工业出版社.1995
致 谢
非常感谢老师们在大学三年里对我的教育和培养。从各位老师身上我不仅学到了知识，更明白了做人的道理。尤其是在文档前的范文设计中，我体会到了扎实的专业知识是做好设计的前提。通过这两个月的设计，我相信在今后的工作中，不论遇到怎样的困难和挫折，我都会一一克服。
衷心感谢指导老师周广宏在这次设计中给我的巨大帮助。老师在我的范文制作中悉心指导，从范文选题到写作过程都给我中肯的建议和耐心的指导。他严谨的作风给我以深深的影响，使我的范文精益求精。
衷心祝愿各位老师身体健康，工作顺利！