ch可編程控制器概述

《電氣控制與

可編程控制器技術(shù)》

南京師范大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院史國生制作（第二篇）第三版第二篇可編程控制器技術(shù)第五章可編程控制器概述主要內(nèi)容第六章三菱FX2NPLC及其基本指令應(yīng)用第七章三菱FX2NPLC的步進(jìn)指令及狀態(tài)編程法第八章三菱FX2NPLC應(yīng)用指令及編程方法第九章可編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第十章三菱FX2NPLC的特殊功能模塊及通信*第一節(jié)可編程控制器的基本概念

可編程序的邏輯控制器其英文是ProgrammablelogicController（簡稱為PLC），也常簡稱為可編程序控制器。

PLC定義如下：

PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。

PLC是最重要、最普及、應(yīng)用場合最多的工業(yè)控制器。與機(jī)器人、CAD/CAM并稱為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的三大支柱。第五章可編程控制器概述定義中有以下幾點(diǎn)應(yīng)值得注意的是：

（1）可編程控制器是“數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置”，能夠進(jìn)行“邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算”工作。（2）可編程控制器是為”工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用”而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。（3）可編程控制器能控制”各種類型“的工業(yè)設(shè)備及生產(chǎn)過程。它實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)。不經(jīng)過二次開發(fā)，它就不能在任何具體的工業(yè)設(shè)備上使用。1968年美國通用汽車公司提出的替代繼電器控制系統(tǒng)的新型控制器的十項(xiàng)指標(biāo)(著名的GM十條)：1）編程簡單、現(xiàn)場可修改程序；2）維護(hù)方便、采用插件式結(jié)構(gòu)；3）可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；4）體積小于繼電器控制系統(tǒng)；5）數(shù)據(jù)可以直接送入計(jì)算機(jī)；6）成本可與繼電器系統(tǒng)競爭；7）輸入可為市電；8）輸出可為市電，能直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、交流接觸器等；9）通用性強(qiáng)、易于擴(kuò)展；10）用戶存儲(chǔ)器大于4K。第二節(jié)可編程控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用一、PLC的特點(diǎn)（一）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)（二）配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)（三）易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎（四）系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短,維護(hù)方便,改造容易（五）體積小，重量輕，能耗低

二、可編程控制器的應(yīng)用領(lǐng)域（一）開關(guān)量的邏輯控制（二）模擬量控制（三）運(yùn)動(dòng)（定位）控制（四）過程控制（五）數(shù)據(jù)處理（六）通信及聯(lián)網(wǎng)

MPS生產(chǎn)加工系統(tǒng)智能群控電梯第三節(jié)可編程控制器的發(fā)展世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制的。

20世紀(jì)70年代初微處理器引入可編程控制器。

20世紀(jì)70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入了實(shí)用化發(fā)展階段。

20世紀(jì)80年代初，可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。20世紀(jì)末期：從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型及超小型機(jī)；

從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各種控制場合；

從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元，通訊單元，使應(yīng)用更加容易。我國是20世紀(jì)80年代初引進(jìn)、應(yīng)用、研制和生產(chǎn)的。21世紀(jì):在技術(shù)上，運(yùn)算速度更快、存儲(chǔ)容量更大、智能水平更高的品種出現(xiàn)。在產(chǎn)品規(guī)模上，會(huì)進(jìn)一步向超小型及超大型兩個(gè)方向發(fā)展。在產(chǎn)品的配套性能上，產(chǎn)品的品種會(huì)更豐富、規(guī)格更齊備。從市場上看，會(huì)出現(xiàn)少數(shù)幾個(gè)品牌壟斷國際市場的局面，會(huì)出現(xiàn)國際通用的編程語言。

從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展?fàn)顩r來看，PLC和其他工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組網(wǎng)構(gòu)成大型的控制系統(tǒng)是可編程控制器技術(shù)的發(fā)展方向。世界上PLC產(chǎn)品按地域分構(gòu)成了三大流派：一個(gè)流派是美國產(chǎn)品；一個(gè)流派是歐洲產(chǎn)品；一個(gè)流派是亞洲的日本產(chǎn)品。美國和歐洲的PLC技術(shù)是在相互隔離的情況下研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。而日本的PLC技術(shù)是由美國引進(jìn)的，對美國的PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品以小型PLC著稱。第四節(jié)PLC的組成及其各部分功能硬件結(jié)構(gòu):中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、輸入輸出器件（I／O接口）、電源及編程設(shè)備。PLC編程器

（一）中央處理器（CPU）

中央處理器是可編程控制器的核心，它在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算、協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部各部分工作等任務(wù)。

（二）存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器是存放系統(tǒng)程序、用戶程序及運(yùn)算數(shù)據(jù)的單元。可分為ROM和RAM兩大類。

ROM是用來存放永久保存的系統(tǒng)程序。

RAM用來存放用戶程序及系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)。機(jī)內(nèi)RAM均配備了電池或電容等掉電保持裝置，又分為程序區(qū)及數(shù)據(jù)區(qū)。程序區(qū)是用來存放用戶（指令）程序的區(qū)域，一般有數(shù)千個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)區(qū)是存放用戶數(shù)據(jù)的區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)單元也叫做寄存器或軟繼電器，如輸入繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器等。不同用途的繼電器在存儲(chǔ)區(qū)中占有不同的區(qū)域和不同的地址編號。（三）輸入輸出接口

輸入輸出接口是可編程控制器和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分。輸入接口用來接受生產(chǎn)過程的各種參數(shù)。輸出接口用來送出PLC運(yùn)算后得出的控制信息，并通過機(jī)外的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工業(yè)現(xiàn)場的各類控制。生產(chǎn)現(xiàn)場對可編程控制器接口的要求是：一要有較好的抗干擾能力二是能滿足工業(yè)現(xiàn)場各類信號的匹配要求

1、開關(guān)量輸入接口

把現(xiàn)場的開關(guān)量信號變成可編程控制器內(nèi)部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。輸入部件是開關(guān)、按鈕、傳感器等。開關(guān)量輸入接口按可接收的外信號電源的類型不同，分為直流輸入單元和交流輸入單元。輸入接口中都有濾波電路及耦合隔離電路，具有抗干擾及產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的作用。在一般單元式可編程控制器中輸入口都使用可編程控制器本身的直流電源供電，不再需要外接電源。

圖5-2直流輸入電路采用光電耦合器，防止強(qiáng)電干擾COM光電三極管發(fā)光二極管直流電源輸入端子內(nèi)部電路3.3k1000PF470PLCXn+24V–

2、開關(guān)量輸出接口

把PLC內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的開關(guān)量信號。輸出部件是電磁閥、接觸器、繼電器。各類輸出接口中也都具有光電耦合電路。輸出接口本身不帶電源。在考慮外驅(qū)動(dòng)電源時(shí)，還需考慮PLC輸出器件的類型。輸出接口有繼電器式、晶體管式和可控硅型。繼電器輸出均采用模塊式。PLC輸出以繼電器形式為例：PLC內(nèi)部電路內(nèi)部電路JYCOM+-交流電源或直流電源圖5-5開關(guān)量輸出電路

3、模擬量輸入接口

把現(xiàn)場連續(xù)變化的模擬量標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號轉(zhuǎn)換成適合可編程控制器內(nèi)部處理的二進(jìn)制數(shù)字信號。在送入模擬量接口時(shí)一般都需經(jīng)過變送處理才能使用，4-20mA電流，0-10V電壓。4、模擬量輸出接口

將PLC運(yùn)算處理后的若干位數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量信號輸出，以滿足生產(chǎn)過程現(xiàn)場連續(xù)控制信號的需要。模擬量輸入輸出接口一般安裝在專門的模擬量工作單元上。

5、智能輸入輸出單元（或模塊）

PLC還有一些智能控制單元。如PID工作單元、高速計(jì)數(shù)器工作單元、溫度控制單元等。這類單元大多是獨(dú)立的工作單元。一般帶有單獨(dú)的CPU，有專門的處理能力。

（四）電源

可編程控制器的電源包括為可編程控制器各工作單元供電的開關(guān)電源以及為掉電保護(hù)電路供電的后備電源，后備電源一般為電池。一般市電（220）,直流24V，PLC有24V（DC直流）輸出。（五）外部設(shè)備

1、編程器

編程器除了編程以外，還具有一定的調(diào)試及監(jiān)控功能，能實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話操作?？删幊炭刂破鞯木幊淘O(shè)備一般有二類，一類是專用的編程器，有手持式的，其優(yōu)點(diǎn)是攜蒂方便，也有臺(tái)式的，有的PLC機(jī)自帶編程器。另一類是個(gè)人計(jì)算機(jī)。動(dòng)畫演示2、其他外部設(shè)備（1）盒式磁帶機(jī)，用以記錄程序或信息。（2）打印機(jī)，用以打印程序或制表。（3）EPROM寫入器，用以將程序?qū)懭氲接脩鬍PROM中。（4）高分辨率大屏幕彩色圖形監(jiān)控系統(tǒng)，用以顯示或監(jiān)視有關(guān)部分的運(yùn)行狀態(tài)。第五節(jié)可編程控制器的結(jié)構(gòu)及軟件一、可編程控制器的結(jié)構(gòu)

（一）按硬件的結(jié)構(gòu)類型分類1.單元式結(jié)構(gòu)把CPU、RAM、ROM、I／O接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、輸入輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。稱為基本單元。可選用能擴(kuò)展一些I/O接口而不含CPU，含有電源的PLC裝置，這種裝置叫做擴(kuò)展單元。小型機(jī)：一體機(jī)，有接口可擴(kuò)展。

2.模塊式結(jié)構(gòu)

模塊式結(jié)構(gòu)又叫積木式結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)需要在主板上隨意組合，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、通訊模塊等等。中、大型機(jī)CPUPOWER中、大型機(jī)

3.疊裝式結(jié)構(gòu)

疊裝式結(jié)構(gòu)是單元式和模塊式相結(jié)合的產(chǎn)物。把某個(gè)系列的PLC工作單元的外形都制作成一致的外觀尺寸，用電纜聯(lián)接各個(gè)單元，在控制設(shè)備中安裝時(shí)可以一層層地疊裝，就成了疊裝式PLC。單元式PLC一般用于規(guī)模較小，輸入輸出點(diǎn)數(shù)固定，不需要擴(kuò)展的場合。模塊式PLC一般用于規(guī)模較大，輸入輸出點(diǎn)數(shù)較多，輸入輸出點(diǎn)數(shù)比例靈活的場合。疊裝式PLC具有二者的優(yōu)點(diǎn)，從近年來市場上看，單元式及模塊式有結(jié)合為疊裝式的趨勢。

（二）按應(yīng)用規(guī)模及功能分類

可編程控制器能夠處理的輸入信號數(shù)量是不一樣的。一般將一路信號稱作一個(gè)點(diǎn)，將輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)數(shù)的總和稱為機(jī)器的點(diǎn)。按照點(diǎn)數(shù)的多少，可將PLC分為超小（微）、小、中、大、超大等五種類型。見下表所示：二、可編程控制器的軟件（一）可編程控制器的軟件分類

1、系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包含系統(tǒng)的管理程序，用戶指令的解釋程序，另外還包括一些供系統(tǒng)調(diào)用的專用標(biāo)準(zhǔn)程序塊等。

2、應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件也叫用戶軟件。是用戶為達(dá)到某種控制目的，采用PLC廠家提供的編程語言自主編制的程序。使用導(dǎo)線連接繼電-接觸器來確定控制器件之間邏輯關(guān)系的方式叫做”接線邏輯”。用預(yù)先存儲(chǔ)在PLC機(jī)內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)某種邏輯控制功能，就是人們所指的”存儲(chǔ)邏輯”。圖5-12三地點(diǎn)控制異步電動(dòng)機(jī)啟/停的PLC控制方案及程序動(dòng)畫演示（二）應(yīng)用軟件編程語言的表達(dá)方式

1、梯形圖（Ladderdiagram）梯形圖語言是一種以圖形符號及其在圖中的相互關(guān)系表示控制關(guān)系的編程語言，是從繼電器電路圖演變過來的。是PLC編程語言中使用最廣泛的一種語言。

2、指令表（Instructionlist）

指令表程序也叫做語句表程序,簡稱指令程序，是程序的另一種表示方法。語句表程序中語句指令依一定的順序排列而成。一條指令一般由助記符和操作數(shù)二部分組成，有的指令只有助記符沒有操作數(shù)，稱為無操作數(shù)指令。指令表程序和梯形圖程序有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。

3、順序功能圖（Sequentialfunctionchart）

順序功能圖(SFC)也稱之為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,常用來編制順序控制類程序。它包含步、動(dòng)作、轉(zhuǎn)換條件三個(gè)要素。（四）功能塊圖（Functionblockdiagram）

功能塊圖是一種類似于數(shù)字邏輯電路的編程語言。用類似與門、或門的方框來表示邏輯運(yùn)算關(guān)系，方框的左側(cè)為邏輯運(yùn)算的輸入變量，右側(cè)為輸出變量，信號自左向右流動(dòng)不可逆。如圖5-14。（五）結(jié)構(gòu)文本（StructuredText）

為了增強(qiáng)PLC的數(shù)學(xué)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、報(bào)表打印等功能，許多大中型PLC都配備了PASCAL、BASIC、C語言等高級編程語言。這種編程方式叫作結(jié)構(gòu)文本。以上的五種編程語言表達(dá)方式是由國際電工委員會(huì)（IEC）1994年5月在PLC標(biāo)準(zhǔn)中推薦的。并不是所有的PLC都支持全部的五種編程語言。第六節(jié)可編程控制器的工作原理

PLC系統(tǒng)工作任務(wù)管理及應(yīng)用程序執(zhí)行都是采用循環(huán)掃描的工作方式完成的。一、分時(shí)處理及掃描工作方式

PLC系統(tǒng)正常工作時(shí)要完成如下的任務(wù)：計(jì)算機(jī)內(nèi)部各工作單元的調(diào)度、監(jiān)控;

計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備間的通訊；用戶程序所要完成的工作。

1、輸入處理階段

也稱輸入采樣階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器讀入輸入口的狀態(tài)，并將它們存放在輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)（也稱輸入映象寄存區(qū)）中。在輸入處理階段之后，即使輸入口狀態(tài)有變化，輸入數(shù)據(jù)暫存區(qū)中的內(nèi)容也不變，直到下一個(gè)掃描周期的輸入處理階段，才讀入新的變化。

2、程序執(zhí)行階段

PLC根據(jù)輸入處理階段讀入的輸入數(shù)據(jù)，依用戶程序的順序逐條執(zhí)行用戶程序。執(zhí)行的結(jié)果均存儲(chǔ)在輸出狀態(tài)暫存區(qū)（也稱輸出映象寄存區(qū)）中。輸出狀態(tài)暫存區(qū)數(shù)據(jù)隨著每次執(zhí)行程序的過程也在變化。

3、輸出處理階段

也叫輸出刷新階段。這是程序執(zhí)行周期的最后階段。PLC將本次掃描周期中對用戶程序執(zhí)行的結(jié)果一次性地從輸出狀態(tài)暫存區(qū)送到各個(gè)輸出口的鎖存器中，稱為輸出狀態(tài)刷新。以上三個(gè)階段是在一個(gè)掃描周期內(nèi)分時(shí)完成的。為了連續(xù)地完成PLC所承擔(dān)的工作，系統(tǒng)必須周而復(fù)始地依一定的順序完成這一系列的具體工作。這種工作方式叫做循環(huán)掃描工作方式。PLC一次掃描過程示意圖二、掃描周期及PLC的兩種工作狀態(tài)

PLC有兩種基本的工作狀態(tài)，即運(yùn)行（RUN）狀態(tài)和停止（STOP）狀態(tài)。

PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，是執(zhí)行應(yīng)用程序的狀態(tài)；

PLC處于正常停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，是用戶編制和修改程序的狀態(tài)。

PLC的運(yùn)行與停止，用戶可通過PLC的外部開關(guān)或編程軟件的運(yùn)行/停止指令選擇控制。

PLC在RUN工作狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行一次掃描操作所需的時(shí)間稱為掃描周期。FX2N系列掃描周期為20ms—200ms。圖5-15掃描過程示意圖

運(yùn)行和停止兩種狀態(tài)PLC不同的掃描過程。由圖可知，在這兩個(gè)不同的工作狀態(tài)中，掃描過程所要完成的任務(wù)是不盡相同的。

一般說來，一個(gè)掃描過程中，執(zhí)行程序的時(shí)間占了絕大部分。指令執(zhí)行所需的時(shí)間與用戶程序的長短，指令的種類和CPU執(zhí)行速度都有很大關(guān)系。三、輸入輸出滯后時(shí)間

輸入輸出滯后時(shí)間又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，是指PLC外部輸入信號發(fā)生變化的時(shí)刻起到它控制的有關(guān)外部輸出信號發(fā)生變化的時(shí)刻止的時(shí)間間隔。例如：按SB1到Y(jié)000產(chǎn)生輸出的時(shí)間。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間由輸入電路的濾波時(shí)間、輸出模塊的滯后時(shí)間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間三部分所組成。

1)濾波時(shí)間

PLC的輸入模塊采用的是RC濾波,其典型值為10ms左右,也可根據(jù)要求修改濾波時(shí)間。

2)輸出模塊的滯后時(shí)間與輸出所用的開關(guān)元件的類型有關(guān):

輸出開關(guān)元件若是繼電器，負(fù)載被接通時(shí)的滯后時(shí)間約為1ms，負(fù)載由導(dǎo)通到斷開時(shí)的最大滯后時(shí)間約為10ms；

輸出開關(guān)元件若是晶體管,輸出電路的滯后時(shí)間一般在1ms左右，因此開關(guān)頻率高。

3)掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時(shí)間主要受程序編寫的是否科學(xué)決定。優(yōu)