本书立足于应用型人才的培养,以三菱FX系列PLC中目前流行的FX3U为目标机型,结合变频器和伺服控制,全面地介绍了PLC控制系统的组成、工作原理和编程设计方法。
本书将教程和实训结合,教程部分采用大量实例,图文并茂,并和实训内容一一对应,通过理论、仿真和实训,一步步地深入,*后通过课程设计加强工程能力的训练和培养。本书编程软件使用GX Works2,其自带的GX Simulator2方便模拟仿真运行,教程篇和实训篇的内容、操作都配有微课视频,方便学生自学和课后练习。
本书可在高等院校智能制造、自动化、电气、能源机械和计算机等相关专业的教学中使用,也可作为工程技术人员的应用参考书。
PLC控制技术”课程是南京师范大学国家级一流本科专业建设点“电气工程及其自动化”的专业课程。多年来,南京师范大学“PLC控制技术”课程组在课程建设中积累了丰富的教学资源,建成了微视频库、案例程序库、习题库以及在线开放课程等。2008年,该专业出版的《电气控制与可编程控制器技术》和《电气控制与可编程控制器技术实训教程》两部教材,因其先进的设计理念和优良的实践成效,深受该专业师生欢迎,先后在100多所高校中推广使用。两部教材于2019年发行第4版,并连续五次印刷,两次获得中国石油和化学工业出版物奖(教材奖)一等奖。
近年来,南京师范大学电气与自动化工程学院深入贯彻新工科教育理念,注重与行业龙头企业深度合作,坚持以产学研之路推动创新人才培养,与南瑞集团合作共建南瑞电气与自动化学院,与三菱公司共建PLC控制技术等实验室。学院重视理论与实践教学相结合,将课程、项目、比赛、设计有机联系,通过课程教学、创新项目、指导学生比赛,以及课程设计、毕业设计等环节的深度融合,推动“学做创”一体化,有效提升了人才培养质量。学生在发表科研论文、申请专利和软件著作权以及各类竞赛中均取得优异成绩。学院产教融合、协同育人的丰富经验,为教材编写打下了坚实的基础。
本次编写的《三菱FX系列PLC原理及应用(含仿真与实训)》教材,反映了专业领域的最新进展和未来发展方向,体现了理论联系实际的教学原则,符合专业人才培养的现实需要。教材内容分为教程篇和实训篇两大部分,通过先理论、再仿真、后实训的教学过程,循序渐进地指导学生掌握PLC的综合应用,引导学生发现并解决学习和工作中的实际问题。教材资源丰富、体例新颖,建有大量的案例程序、微视频讲解和资源索引,适合翻转课堂、项目化教学等多种教学方式。相信这部凝聚专业多年教学成果的教材,一定会对学生创新实践能力的培养起到重要的推动作用。
高等学校电气类专业教学指导委员会主任2021年7月于南京随着智能制造业的飞速发展,可编程控制器(PLC)作为集自动化技术、电气技术、计算机控制和通信技术于一体的通用工业控制装置,得到了广泛的应用。
三菱小型PLC中的FX系列具有操作简单、功能强大和配套齐全等优点,由于FX2N系列PLC的基本单元已经停产,为顺应技术的发展,本书以三菱FX系列PLC中目前流行的机型FX3U为主要介绍内容,编程软件使用的是GX Works2,该软件自带GX Simulator2仿真。在实训篇中还介绍了绘图软件SEE Electrical和三菱学习软件,方便初学者练习。
本书立足于应用型人才培养,满足社会各领域自动化人才的需求。内容分为教程篇和实训篇两大部分。教程篇共8章:第1章为PLC基础知识;第2章为PLC的结构组成及软元件;第3章为基本指令编程;第4章为应用指令编程;第5章为步进指令及状态编程法;第6章为A/D转换、D/A转换及变频器的应用;第7章为伺服控制及应用;第8章为PLC控制系统设计及应用实例。实训篇共6章:第9章为GX Works2软件编程及仿真;第10章为基本指令的编程实训;第11章为触摸屏及应用指令的编程及仿真;第12章为状态编程法的编程及仿真;第13章为A/D转换、D/A转换、变频器和伺服控制的实训;第14章为课程设计。
针对本科高校与高职院校“PLC控制技术”课程的教学,本书有以下特点:
1)教程篇注重理论基础性和系统性,实训篇注重实用性,理论与实践结合紧密,并在系统设计和实训操作部分加入了职业素养和工匠精神的元素。
2)遵循学生的学习规律,通过先理论、再仿真、最后实训的过程,一步步地深入,最后通过课程设计使学生学会PLC的综合应用。
3)实例丰富实用、图文并茂,对PLC指令的介绍都配有应用实例,并通过实训加强操作技能的培养。
4)配套完善,教程篇和实训篇都有配套微课视频资源,也有案例程序索引、微视频索引以及应用指令、内部软元件(包括部分特殊软元件)的汇总表格等,方便查找。
5)适用于翻转课堂教学、案例式教学、过程性考核等多种教学方式。
本书按54学时安排,使用本书的院校可根据不同的教学任务选取内容。
本书由南京师范大学电气与自动化工程学院的曹弋主编,姜宁秋、史国生、闵富红参编,并由南京工程学院郁汉琪主审。
由于编者水平有限,书中不足之处在所难免,敬请广大读者批评指正。
编者
序言
前言
教程篇
第1章PLC基础知识2
1.1PLC的发展史2
1.1.1PLC的产生和定义2
1.1.2PLC的发展过程3
1.1.3PLC的应用范围和发展趋势4
1.2电磁式继电器和PLC软继电器5
1.2.1电磁式继电器的工作原理5
1.2.2PLC软继电器7
1.3电气控制电路与PLC梯形图8
1.3.1几种典型电气控制电路8
1.3.2PLC梯形图的实现11
1.4PLC循环扫描和分时工作方式11
1.4.1PLC 分时处理和扫描工作方式11
1.4.2输入/输出滞后时间13
1.5PLC系统与继电接触器系统工作原理的
差别14
习题14
第2章PLC的结构组成及软元件15
2.1三菱PLC的不同型号15
2.1.1FX系列15
2.1.2iQF系列16
2.1.3L系列16
2.1.4Q系列16
2.1.5iQR系列16
2.1.6QS/WS系列17
2.2PLC的类型17
2.2.1按硬件结构分类17
2.2.2按其他分类18
2.3PLC基本单元结构18
2.3.1中央处理器18
2.3.2存储器19
2.3.3I/O接口及性能指标20
2.3.4模拟量I/O模块22
2.3.5电源及性能指标22
2.4FX3U系列PLC的型号体系和系统
构成22
2.4.1FX3U系列PLC的型号体系23
2.4.2FX3U系列PLC的系统构成24
2.5FX3U系列PLC的软元件及功能24
2.5.1位元件25
2.5.2定时器27
2.5.3普通计数器和高速计数器29
2.5.4数据寄存器33
2.5.5指针36
2.5.6常数37
2.5.7软元件总结37
2.6编程语言39
2.6.1梯形图(Ladder Diagram)39
2.6.2顺序功能图(Sequential Function
Chart)39
2.6.3结构化梯形图(Structured Ladder/
FBD)40
2.6.4结构文本(Structured Text)
语言40
2.6.5功能块图(Function Block
Diagram)41
2.7FX3U系列PLC与FX5U系列、FX2N
系列PLC的区别42
习题44
第3章基本指令编程46
3.1基本指令46
3.1.1逻辑取和线圈输出指令46
3.1.2触点的串联和并联指令47
3.1.3串联回路块和并联回路块指令49
3.1.4栈操作指令51
3.1.5边沿检测指令和脉冲输出指令52
3.1.6主控指令和主控复位指令55
3.1.7置位和复位指令57
3.1.8其他指令59
3.2编程规则60
3.2.1梯形图的编程规则60
3.2.2梯形图和指令表之间的转换61
3.2.3双线圈输出问题61
3.3典型基本环节63
3.3.1起动与停止控制63
3.3.2互锁和联锁环节64
3.3.3延时起动和延时停止电路64
3.3.4脉冲序列和方波信号产生65
3.3.5计数器的应用67
3.3.6二分频电路67
3.4基本指令实例68
3.4.1编程设计方法68
3.4.2小车往复运动控制程序69
3.4.3抢答器控制程序70
3.4.4三台带式输送机的顺序控制
程序72
3.4.5十字路口交通信号灯控制程序73
习题75
第4章应用指令编程79
4.1应用指令概述79
4.2数据比较类指令80
4.2.1整数比较类指令81
4.2.2触点比较类指令83
4.2.3浮点数比较类指令84
4.2.4数据比较类指令的综合应用85
4.3数据传送与转换类指令86
4.3.1数据传送类指令86
4.3.2数据转换类指令90
4.4循环与移位类指令93
4.4.1循环移位类指令93
4.4.2线性移位类指令96
4.4.3先进先出读写类指令99
4.4.4循环与移位类指令综合应用100
4.5数据处理类其他指令100
4.5.1解码和编码指令100
4.5.2数据统计运算指令103
4.5.3数据表处理类指令107
4.6算术与逻辑运算类指令107
4.6.1二进制整数算术与逻辑运算类
指令107
4.6.2浮点数转换和运算类指令110
4.6.3字符串运算类指令113
4.7程序流程控制类指令115
4.7.1条件跳转指令116
4.7.2子程序调用及返回指令117
4.7.3中断指令119
4.7.4循环指令123
4.8其他应用指令124
4.8.1高速处理类指令124
4.8.2方便类指令126
4.8.3时钟数据处理指令131
4.9外部设备I/O类指令136
习题138
第5章步进指令及状态编程法141
5.1状态编程法概述141
5.1.1状态软元件和步进指令141
5.1.2状态142
5.1.3SFC图和STL图143
5.2单流程结构144
5.2.1创建SFC图的步骤144
5.2.2一个简单的实例144
5.3多流程结构147
5.3.1选择分支结构147
5.3.2循环结构149
5.3.3并行分支结构150
5.4状态编程的注意事项153
5.4.1软元件和编程指令的注意事项153
5.4.2多流程状态编程的规则155
5.4.3状态监控157
5.4.4状态报警器159
5.4.5初始化状态指令IST160
5.4.6状态编程的编程技巧163
5.5状态编程法设计的典型实例164
5.5.1电动机顺序起动逆序停止控制164
5.5.2大小球传送(选择分支结构)166
5.5.3洗衣机洗涤控制(循环结构)168
5.5.4剪板机控制(并行分支)169
习题171
第6章A/D转换、D/A转换及变频器的
应用174
6.1模拟量输入(A/D转换)174
6.2模拟量输出(D/A转换)179
6.3变频器的结构及原理182
6.3.1变频器的基本构成183
6.3.2变频器的调速原理184
6.4变频器的接口185
6.5变频器的控制模式188
6.5.1操作面板188
6.5.2PU控制模式189
6.5.3外部控制模式190
6.5.4网络控制模式192
习题197
第7章伺服控制及应用199
7.1伺服系统的组成199
7.2定位控制指令和脉冲指令200
7.2.1定位控制指令200
7.2.2脉冲指令204
7.3伺服系统的控制方式207
7.3.1伺服系统的控制回路207
7.3.2MRJ4系列伺服放大器的结构208
7.3.3主电路接线208
7.3.4伺服放大器的控制信号208
7.3.5MR Configurator2软件参数设置210
7.4原点回归213
7.4.1带DOG搜索的原点回归213
7.4.2不带DOG搜索的原点回归216
7.5位置控制方式217
7.5.1相对定位运动217
7.5.2绝对定位运动218
7.6速度控制方式220
7.6.1分段速度控制220
7.6.2模拟量速度控制221
7.7转矩控制方式222
习题222
第8章PLC控制系统设计及应用
实例223
8.1PLC控制系统设计的基本内容223
8.1.1设计步骤223
8.1.2PLC选型225
8.1.3程序设计的方法226
8.1.4程序设计的原则227
8.2全自动洗衣机程序设计228
8.2.1采用多个子程序模块法设计228
8.2.2采用逻辑代数法设计230
8.2.3采用主控嵌套结构设计232
8.3水箱水位控制程序设计234
8.3.1PID控制234
8.3.2水箱的水位控制系统237实训篇
第9章GX Works2软件编程及仿真242
9.1GX Works2的编程环境介绍242
9.2编写起保停电路梯形图243
9.3仿真运行247
9.4使用GX Works2帮助249
9.5使用SEE Electrical设计电气原理图250
9.6练习251
第10章基本指令的编程实训253
10.1PLC硬件连接和GX Works2在线
调试253
10.2程序设计——天塔之光257
10.3程序设计——自动门258
10.4程序补充完整——三台电动机控制259
10.5MELSOFT FX TRAINER软件练习——
按钮切换交通信号灯259
第11章触摸屏及应用指令的编程及
仿真262
11.1触摸屏GT Designer3软件的使用262
11.2触摸屏的运行267
11.3设计触摸屏动画界面269
11.4使用学习软件FX TRNDATA272
11.5使用应用指令实现步进控制273
11.6拓展练习274
第12章状态编程法的编程及仿真276
12.1创建SFC图276
12.2程序设计——带式输送机控制280
12.3状态监控程序设计——喷泉控制282
12.4并行分支——十字路口交通信号灯
控制283
12.5拓展练习284
第13章A/D转换、D/A转换、变频器和
伺服控制的实训286
13.1A/D转换、D/A转换286
13.2变频器的应用289
13.3MR Configurator2软件的应用294
13.4伺服控制实训298
13.4.1搬运机械手位置控制298
13.4.2伺服控制七段速调速302
13.5拓展练习305
第14章课程设计306
14.1课程设计目标及要求306
14.2课程设计选题306
14.2.1五相十拍步进电动机306
14.2.2医院病床呼叫系统307
14.2.3三层电梯控制308
14.2.4运料车控制308
14.2.5立体车库309
14.2.6车辆出入库管理309
14.2.7自动打饭机310
14.2.8使用变频器对4台水泵进行恒压
供水控制310
14.2.9自动售货机310
14.2.10使用D/A转换模块设置不同输出
电压波形311
附录312
附录AFX3U系列PLC应用指令312
附录BFX系列PLC特殊软元件M、D的编号、
名称及功能315
附录CFX系列PLC的内部软元件328
例题索引330
微视频索引332
参考文献334