《電氣控制與PLC應(yīng)用》課件第四章 三菱PLC硬件配置與性能指標

電氣控制與PLC應(yīng)用2017年9月第四章三菱PLC硬件配置與性能指標

4.1引例：三菱PLC在注塑機中的應(yīng)用

4.2知識點鏈接

4.2.1初識PLC

4.2.2PLC工作原理

4.2.3PLC等效電路

4.2.4

PLC與微機及繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的區(qū)別

4.2.5國內(nèi)外主要PLC產(chǎn)品介紹

4.2.6PLC的性能指標

4.3引例解答

4.4知識點擴展

4.1引例：三菱PLC在注塑機中的應(yīng)用

一種注塑機結(jié)構(gòu)簡圖1-調(diào)模裝置2-曲軸連桿3-動模板4-模具5-定模板6-塑化部件

7-料筒8-注射座9-推力座10-合模油缸11-格林柱12-頂出油缸13-座移油缸14-注射油缸

注塑機主要由注塑系統(tǒng)、合模機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。

注塑系統(tǒng)是將塑料均勻塑化，并以一定的壓力和速度將一定量的熔體注入到模具中。

合模機構(gòu)主要作用是保證模具可靠的閉合、開啟及頂出制品。合模機構(gòu)工作時，動模板3以四根格林柱4為導(dǎo)向柱作啟閉運動。

液壓系統(tǒng)的工作質(zhì)量，如工作穩(wěn)定性、重復(fù)精度、節(jié)能性、可靠性、靈敏性及低噪聲性能等，則將直接影響注塑機的成型質(zhì)量、成型周期、尺寸精度，以及生產(chǎn)成本。此外，對注塑機而言，注塑溫度的控制尤其重要。因此，要保證一臺注塑機可以實現(xiàn)安全、可靠、高質(zhì)量的運行，控制系統(tǒng)的重要性不言而喻。為精確控制產(chǎn)品的外觀尺寸和內(nèi)部缺陷，需要利用溫度傳感器采集料筒7的溫度，再將采集到的溫度與要求溫度進行比較，根據(jù)比較后的結(jié)果實現(xiàn)不同的動作。若大于設(shè)定溫度，則將加熱段的電源切斷；若等于設(shè)定溫度，則驅(qū)動推力座9向下壓鑄模型；若小于設(shè)定溫度，則繼續(xù)加熱。

傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)僅能實現(xiàn)“與”、“或”、“非”等邏輯功能，而對溫度、電流、電壓、壓力等模擬量信號無能無力。

可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)可以有效的實現(xiàn)這兩種信號的處理。不僅具有傳統(tǒng)繼電器的“與”、“或”、“非”等邏輯功能，也能實現(xiàn)溫度、電流、電壓、壓力等模擬量的采集，控制功能大大提高，拓寬了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2知識點鏈接4.2.1初識PLC(1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；(2)維護方便；(3)可靠性高于繼電器控制柜；(4)體積小于繼電器控制柜；(5)可將數(shù)據(jù)直接送入管理計算機；(6)成本上可直接與繼電器控制柜競爭;(7)……1.

PLC的產(chǎn)生----通用10條(GM公司)1969年DEC公司研制出第一臺PLC,并在GM公司試用成功。

PLC由此誕生。

可編程序控制器（PLC）是一種數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程程序的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式輸入和輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。2.

PLC的定義PLC（ProgrammableLogicController）——可編程邏輯控制器1985年，國際電工委員會（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）在其標準中對PLC定義如下：3.

PLC的特點(1)可編程(2)高可靠性，抗干擾能力強(3)配套齊全，功能完善，適用性強(4)易學(xué)易用，編程方便(5)系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造(6)體積小、重量輕、能耗低抗干擾能力強、通用化化程度高PLC

被稱為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱之一。（PLC、機器人和CAD/CAM)。4.

PLC的組成PLC的硬件結(jié)構(gòu)示意圖4.

PLC的組成模塊式PLC基本結(jié)構(gòu)圖(1)CPU模塊4.

PLC的組成CPU是PLC的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每臺PLC至少有一個CPU，它按PLC的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中。同時，診斷電源和PLC內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。運行后，從用戶程序存儲器中逐條讀指令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。

與通用計算機一樣，CPU主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成，CPU單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序和數(shù)據(jù)，是PLC不可缺少的組成單元。(2)存儲器

存儲器是PLC存放系統(tǒng)程序、用戶程序和運行數(shù)據(jù)的單元。PLC的存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分

用戶存儲器(1)用戶程序存儲器是為用戶程序提供存儲的區(qū)域，主要用于存放用戶程序、邏輯變量和其它一些信息。(2)用戶程序存儲器容量的大小決定了可存放用戶程序的大小和復(fù)雜程序，從而決定了用戶程序所能完成的功能和任務(wù)的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。(3)用戶存儲器容量一般以字節(jié)為單位。PLC產(chǎn)品資料中所指的存儲器形式和存儲方式及容量，是對用戶程序而言。(3)輸入/輸出單元

輸入/輸出單元通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場輸入設(shè)備（如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、主令開關(guān)等）、輸出設(shè)備（如接觸器、電動機等執(zhí)行機構(gòu)）或其他外部設(shè)備之間的連接部件。I/O接口的主要類型有：（1）數(shù)字量（開關(guān)量）輸入；（2）數(shù)字量（開關(guān)量）輸出；（3）模擬量輸入；（4）模擬量輸出等。(a)開關(guān)量輸入接口單元

按其使用電源的不同分為三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口直流輸入接口(a)開關(guān)量輸入接口單元交流輸入接口交直流輸入接口(b)開關(guān)量輸出接口單元PLC的開關(guān)量輸出接口按輸出開關(guān)器件不同分為三種類型：繼電器型輸出、晶體管型輸出和雙向晶閘管型輸出。

輸出接口單元電路

a)繼電器型b)晶體管型c)可控硅型開關(guān)量輸出接口單元應(yīng)用繼電器型輸出型：適用于低頻大功率（100Hz）、交直流電源輸出。

晶體管型輸出型：高頻小功率、直流負載。雙向晶閘管型輸出型：適用于動作頻率高頻、交流負載。如果直流負載，一旦工作就停不下來。PLC的I/O接口所能接收的輸入信號個數(shù)和驅(qū)動的輸出信號個數(shù)稱為PLC的輸入/輸出（I/O）點數(shù)。I/O點數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。

當系統(tǒng)的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴展單元對系統(tǒng)進行擴展，但I/O最大數(shù)受CPU所能管理的基本配置的能力限制。(4)其它接口單元（a）電源單元

包括系統(tǒng)電源和備用電池。（b）通信接口

用于PLC與PLC之間、PLC與上位機以及其它智能設(shè)備之間的通信交換。（c）編程器4.2.2

PLC的工作原理PLC循環(huán)工作過程1.建立I/O映像區(qū)

對于系統(tǒng)的每一個輸入點總有輸入映像區(qū)的某一位與之相對應(yīng)。對于系統(tǒng)的每一個輸出點都有輸出映像區(qū)的每一位與之相對應(yīng)。PLC工作時，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對應(yīng)的位上，將運算得出的輸出信號的狀態(tài)結(jié)果存放到輸出映像區(qū)對應(yīng)的位上。

PLC在執(zhí)行用戶程序時所需“輸入繼電器”、“輸出繼電器”的數(shù)據(jù)取自I/O映像區(qū)，而不直接與外部設(shè)備發(fā)生聯(lián)系。PLC的循環(huán)掃描工作過程分五個階段：內(nèi)部處理階段、通信處理階段、輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段。

PLC在運行狀態(tài)，采用周期循環(huán)掃描方式執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行用戶程序的一個掃描周期由三個階段構(gòu)成：（1）輸入采樣階段、（2）程序執(zhí)行階段、（3）輸出刷新階段。

PLC經(jīng)過五個階段的工作過程稱為PLC掃描周期。

程序執(zhí)行一次的時間稱為程序掃描周期。一個程序掃描周期包括輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新三個階段。2.循環(huán)掃描工作方式2循環(huán)掃描工作方式PLC工作方式2循環(huán)掃描工作方式PLC采用的這種“集中采樣、集中輸出”的工作方式，在執(zhí)行程序時，利用輸入/輸出映像區(qū)對輸入、輸出進行處理，其優(yōu)點如下：1）使PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設(shè)備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。2）訪問映像寄存器的速度比直接訪問I/O點要快，有利于程序快速運行。3）I/O點是位實體，只能按位或字節(jié)來訪問，而映像寄存器可以按位、字節(jié)、字或雙字的形式來訪問，也就是說，使用映像寄存器更為靈活。PLC在一次掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進行，這種方式稱為“集中采樣”；在程序執(zhí)行過程中如果對輸出繼電器多次賦值，則最后一次有效，即在一次掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映像寄存器中輸出，進而對輸出接口進行刷新，這種方式稱為“集中輸出”。PLC輸入輸出響應(yīng)滯后影響因素：

1）輸入電路濾波時間；

2）輸出電路響應(yīng)滯后時間；

3）PLC循環(huán)掃描工作方式；

4）集中采樣、集中輸出的工作方式；

5）用戶程序的設(shè)計。4.2.3

PLC等效電路4.2.3

PLC等效電路PLC等效電路4.2.4

PLC與繼電器—接觸器控制系統(tǒng)的區(qū)別

如果從功能上比較，PLC的功能已遠遠超出了最初的開關(guān)量控制，遠非繼電器可比。下面僅從邏輯控制方面對兩者作以比較。（1）控制方式（2）控制速度（3）定時控制（4）可靠性（5）維護性PLC有很多優(yōu)點，但是目前繼電器控制技術(shù)仍被廣泛應(yīng)用。

在很多生產(chǎn)領(lǐng)域，PLC與繼電-接觸器控制系統(tǒng)將相輔相成，特別是在一個大型的控制系統(tǒng)中只有PLC控制是不夠的，有繼電器的補充作用將使系統(tǒng)功能更完善。4.2.5國內(nèi)外主要PLC產(chǎn)品介紹國際主要品牌：

日本：三菱Mitsubishi、歐姆龍OMRON

德國：西門子siemens

法國：施耐德schneider

美國：A-B國產(chǎn)：臺灣臺達、永宏、豐煒；大陸的和利時、信捷4.2.6PLC的性能指標1.I/O點數(shù)：

I/O點數(shù)越多，可控制規(guī)模就越大。是衡量PLC性能的重要指標之一，也是PLC選型的主要依據(jù)之一。2.掃描速度：執(zhí)行每一步指令的時間，單位是μs

/步或者執(zhí)行1000步指令所需時間，單位是ms/k步。3.存儲容量：

PLC能存放用戶程序的多少，一般以KB為單位來計算。4.2.6PLC的性能指標4.指令種類和數(shù)量：衡量PLC軟件功能強弱的指標。5.高級功能模塊：功能模塊的多少和強弱是衡量PLC產(chǎn)品水平高低的一個重要的標志。常用功能模塊有A/D模塊、D/A模塊、PID模塊、溫度控制模塊、位置控制模塊、速度控制模塊、高速計數(shù)模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊等?？垢蓴_能力強，可靠性高（控制系統(tǒng)應(yīng)用的最重要的條件）

1)輸入輸出均采用光電隔離，提高了抗干擾的能力；

2）輸入輸出電源相互獨立，減少電源間的干擾；

3）采用循環(huán)掃描，集中采樣集中輸出工作方式，提高抗干擾能力；

4）采用濾波措施，減小脈沖干擾；

5）內(nèi)部采用“監(jiān)視器”電路，以保證CPU可靠工作；

6）采用密封、防塵、抗震的外殼設(shè)計，可適應(yīng)惡劣環(huán)境。采用以上措施，實踐表明一般產(chǎn)品可抗1KV，1微秒以上的脈沖干擾，平均無故障工作時間5～10萬小時。4.3引例解答1.選型流程

工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。2.具體選型1)輸入/輸出模塊的選擇

確定I/O點數(shù)；對輸入模塊，應(yīng)考慮信號電平、信號傳輸距離、供電方式等；

對輸出模塊，應(yīng)特別注意模塊接口類型的選擇。

2)電源的選擇3)存儲器的選擇4)冗余功能的選擇5)經(jīng)濟性的考慮3.引例選型（1）輸入設(shè)備（開關(guān)量）主要有：

①按鈕：啟動控鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、急停按鈕、注塑按鈕、頂出按鈕、冷卻按鈕，共7個；

②選擇開關(guān)：手動/自動模式選擇開關(guān)、手動開模/合模選擇開關(guān)、注射臺前移/后退選擇開關(guān)，共3個；

③行程開關(guān)（用于動作裝置的終端保護）：原點安全限位開關(guān)、開模完成接近開關(guān)、合模完成接近開關(guān)、射臺前進到位接近開關(guān)、射臺后退到位接近開關(guān)、頂針前進到位接近開關(guān)、頂針后退到位接近開關(guān)共7個。3.引例選型

（2）輸出設(shè)備（開關(guān)量）主要有：液壓泵（經(jīng)由接觸器控制）、Y1-Y4電磁換向閥，共5個。

（3）模擬量輸入/輸出：料筒溫度采用熱電偶傳感器檢測，為模擬量輸入信號，采用PID方法實現(xiàn)變功率加熱裝置的控制（模擬量輸出）。

本控制系統(tǒng)既需要進行開關(guān)量控制，也需進行模擬量控制。其中，開關(guān)量輸入信號總數(shù)為：7+3+7=17個，開關(guān)量輸出信號為：5個，再考慮到10%-20%的I/O點數(shù)余量，擬選用的PLC型號為：FX3U-48MR（24個輸入點，24個輸出點）。而熱電偶模擬量的輸入則選用FX2N-4AD-TC（熱電偶）特殊功能模塊，模擬量的輸出則選用FX2N-4DA特殊功能模塊。4.4知識點擴展

三菱FX系列產(chǎn)品中，有FX1S、FX1N/FX1NC、FX2N/FX2NC、FX3U/FX3UC、FX3G系列，與過去的F1、F2等產(chǎn)品相比，性價比上有顯著提高。其中，F(xiàn)X2N系列部分型號已于2013年3月末停止生產(chǎn)，與停產(chǎn)產(chǎn)品軟、硬件兼容的升級換代產(chǎn)品為FX3U對應(yīng)系列。4.4.1FX系列PLC型號命名體系①系列名稱②輸入輸出總點數(shù)③單元區(qū)別：

M—基本單元E—輸入輸出擴展單元EX—輸入擴展單元EY—輸出擴展單元④輸出型式R—繼電器式T—晶體管式S—晶閘管式⑤連接型式⑥電源輸出方式⑦UL規(guī)格4.4.2FX3U系列PLC主機面板結(jié)構(gòu)1-電池蓋板2-上蓋板3-顯示輸入用的LED（紅）4-端子排蓋板5-連接外圍設(shè)備的連接器蓋板6-工作狀態(tài)顯示LED7-顯示輸出用的LED（紅）8-型號顯示9-編程工具連接口

10-RUN/STOP開關(guān)11-通信接口4.4.3FX3U系列PLC技術(shù)特點FX3U系列PLC為三菱第三代微型可編程控制器，比FX2N更系列化,處理速度更快,軟元件數(shù)量大增,功能指令更加豐富。1.FX3U是FX系列PLC中功能最強、運行速度最快的PLC;2.具有最大384點的輸入/輸出點數(shù)；3.FX3UPLC內(nèi)置64K的RAM內(nèi)存；4.FX3U系列PLC功能指令有218種497個，較FX2N系列132種309個功能指令更加豐富;5.FX3U與FX2N特殊功能模塊可兼容；6.FX3U系列內(nèi)置6點100kHZ32位高數(shù)計數(shù)功能的計數(shù)器。晶體管輸出可接獨立3根軸；7.FX3U系列PLC通信功能增強.4.4.4FX3U系統(tǒng)的硬件配置1.基本單元型號輸入點數(shù)輸出點數(shù)繼電器輸出晶閘管輸出晶體管輸出漏型源型FX3U-16MR/ES--FX3U-16MT/ESFX3U-16MT/ESS88FX3U-32MR/ESFX3U-32MS/ESFX3U-32MT/ESFX3U-32MT/ESS1616FX3U-48MR/ES--FX3U-48MT/ESFX3U-48MT/ESS2424FX3U-64MR/ESFX3U-64MS/ESFX3U-64MT/ESFX3U-64MT/ESS3232FX3U-80MR/ES--FX3U-80MT/ESFX3U-80MT/ESS4040FX3U-128MR/ES--FX3U-128MT/ESFX3U-128MT/ESS6464AC電源/DC24V漏型-源型輸入通用型FX3U系列PLC基本單元2.基本單元型號輸入點數(shù)輸出點數(shù)繼電器輸出晶體管輸出漏型源型FX3U-16MR/DSFX3U-16MT/DSFX3U-16MT/DSS88FX3U-32MR/DSF