第一章可编程控制器

PLC(FX系列)实验指导书-1-第一章可编程控制器1.1简介基本概念可编程控制器，英文称ProgrammableController,简称为PC,这是其在国外工业界的正式名称。但这容易和个人计算机(PersonalComputer,简称也为PC)相混淆,在我国仍习惯地沿用PLC作为它的缩写(ProgrammableLogicController)。可编程控制器是基于大规模集成电路技术和微型计算机技术的新一代工业自动控制设备。传统的生产自动控制系统是继电器--接触器控制系统，是用导线把继电器、接触器和开关及其触点按照一定的逻辑关系连接起来构成的控制系统。显然，这种继电控制系统具有布线复杂、功能不易扩展、功耗高和通用性、灵活性差等缺点。当控制对象比较多、要求比较复杂时，该控制系统的器件会较多、体积庞大，同时可靠性下降，而不能满足生产的需要。上世纪六十年代以来，随着半导体技术，特别是微处理器和微型计算机技术的不断成熟，新一代工业自动控制设备～可编程控制器应运而生。第一台可编程控制器是美国数字设备公司（DEC）在1969年生产的，并成功地应用到美国通用汽车公司（GM）的生产线上。1985年国际电工委员会给出了可编程控制器的定义：“可编程控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型工业生产过程。可编程控制器及其外围设备，都应该按照易于与工业控制系统联成一个整体，并且易于扩充功能的原则来设计。”可编程控制器具有以下的显著优点：可靠性高编程简单、使用方便通用性好、具有在线修改能力体积小巧，便于实现机电一体化大幅缩短设计、施工和试运投产周期，维护容易由此可见，可编程控制器是传统继电接触控制技术和现代微机技术相结合的产物。一方面，它克服了继电接触控制系统的缺点；另一方面，它又充分地利用了微处理技术的优点；另外，它照顾到工业生产现场电气操作及维修人员的习惯和知识技能水平，采用了一套继电器梯形图为基础的简单的指令方式，使PLC的程序编制不需要进行专门的计算机编程知识的学习，直观而形象，易于掌握。PLC(FX系列)实验指导书-2-结构框图虽然PLC的类型和种类繁多，其功能和指令系统也不尽相同，但基本的结构和工作原理则大同小异。下图是一般PLC的结构框图：从上图可以看出，PLC硬件系统一般包括以下几个组成部分：1、主机主机部分包括中央处理器（CPU）和存储器。中央处理器是具有运算和控制功能的大规模集成电路，用于控制PLC其它部分的操作，是PLC的核心。具体地说，中央处理器用以读取输入变量、运行用户程序来完成用户指令规定的各项操作、监控输入/输出接口的运行状态来响应外部设备的请求，在此基础上做出逻辑判断和进行数据处理，并将结果送到输出端，控制各个执行元件的操作。存储器中所存储的信息包括两种：系统程序，指系统管理和监控程序以及对用户程序做编译处理的程序。该系统程序已经由生产厂家固化在PLC内部的硬件上，类似于微机上的CMOS程序，用户不能更改；用户程序和数据，指用户自己编制的控制工业过程的应用程序和各种暂存数据及中间结果。2、输入/输出（I/O）接口显然，这部分是PLC与输入/输出设备进行连接的接口，是它们之间的媒介。输入接口接收输入设备（如按钮、传感器、开关以及触点等）的控制信号。输出接口是将经过主机处理后的结果通过功率放大电路去驱动输出设备（如指示灯、电磁阀等）。为减少电磁干扰，提高控制回路的可靠性，输出接口电路一般由微机输出接口和隔离电路组成。PLC的输出元件有三种形式：继电器输出、晶体管输出和双向可控硅输出，用户可以根据执行元件的需要来选择。3、输入/输出（I/O）扩展单元用于扩充外部输入/输出设备时的连接。4、手持编程器手持编程器是PLC的一种主要的外部设备，用于在工业现场的手持编程，用户可以使用它来输入、检查、修改、调试自己的应用程序，也可以用来监视PLC的工作状态。此外，PLC也可以通过适配器和专用电缆和便携式电脑进行连接，利用专用的工具软件进行PLC的编程I/O扩展单元中央处理器输入接口电源输出接口系统程序用户程序数据外部设备接口存储器I/O扩展接口编程器PLC(FX系列)实验指导书-3-输入采样执行程序输出刷新输入端输出端和监控。5、外部设备接口用于主机和编程器、打印机、扫描仪等外部设备的连接。6、电源电源将工业现场的交流电源转换为直流电源，以供给中央处理器、存储器以及输入/输出设备正常工作所需的电源。工作原理可编程控制器依靠执行用户程序来实现对工业生产过程的控制，采用的方式是周期性循环扫描。PLC开始运行时，首先清除输入输出状态寄存器中旧的内容，然后进行自我诊断，对各个组成部件进行自检，确认正常后开始循环扫描。PLC的每一个扫描过程分为三个阶段，见下图：1、输入采样阶段这是PLC循环扫描的第一个阶段。不论PLC各个输入端是否接线，中央处理器顺序读取全部输入端，将读出的输入设备的状态（接通为1，断开为0）写入输入状态表（即输入寄存器）中。2、程序执行阶段中央处理器对用户程序逐步顺序扫描，并逐步读取指令，并根据输入输出状态表中的内容和有关数据执行指令，将执行结果写入输出状态表（即输出寄存器）中。3、输出刷新阶段用户程序中的全部指令执行完毕后，PLC将输出状态表中所有输出设备的通（1）、断（0）状态，经过输出部分送到输出锁存电路，用来驱动输出端各个继电器的线圈，控制执行部件的相应动作。然后，中央处理器又返回去进行下一循环的扫描。PLC的这种顺序扫描工作方式，简单而直观，同时简化了用户程序的设计。由于PLC在程序执行阶段，只是根据输入输出状态表中的内容进行，而与外部电路是隔离的，从而大大提高了其运行的可靠性。程序编制PLC是采用软件编制程序来实现控制要求的。编程是要使用到PLC内部的各种编程元件，它们可以提供非常多的动合和动断触点。如果抛开这些编程元件的内部结构和原理，单从它们实现的外部功能来看，它们可以看成传统的自动控制元件，如继电器、辅助继电器、定时器、计数器和特殊功能寄存器等，和PLC内部的各种寄存器，如通用寄存器、数据寄存器等。PLC(FX系列)实验指导书-4-PLC内部的这些继电器是“软”继电器，是PLC内部存储器的各个存储单元，而不是传统意义上的“硬”继电器，但所能实现的功能与它们则基本一致。当写入该单元的逻辑状态为“1”时，表示相应继电器的线圈得电，其动合触点闭合，而动断触点断开。以本实验装置的所使用的MITSUBISHIFX2N-48MR可编程控制器为例，其编程元件的编号范围和功能说明如下表所示：元件名称代表字母编号范围功能说明输入继电器XX0—X27，共24点接收外部输入设备的信号输出继电器YY0—Y27，共24点输出程序执行结果并驱动外部设备辅助继电器MM0—M1535/M8000-M8255在程序内部使用，不能提供外部输出定时继电器TT0—T255延时定时继电器，触点在程序内部使用计数继电器CC0—C255减法计数继电器，触点在程序内部使用数据寄存器DD0—D7999数据处理用的数制存储元件程序编制就是用户根据控制对象的要求，利用PLC厂家提供的程序编制语言，将一个控制要求描述出来的过程。PLC的程序编制语言有梯形图、逻辑功能图、指令语句表和逻辑代数等四种，主要是由传统的继电控制电气线路变化而来的。其中，梯形图和指令语句表最为常用。1、梯形图梯形图是一种从继电接触控制电气回路演变而来的图形语言。它借助类似于继电器的动合、动断触点、线圈以及串联、并联等符号，根据控制要求连接而成的表示PLC输入和输出之间逻辑关系的图形，特点是信号流向清楚、直观、简单易懂。梯形图中的常用符号有等三种，分别表示动合、动断触点和它们的线圈。除此以外还有其它的图形符号（参见各个演示实验的梯形图）。梯形图中各编程元件的种类用图形符号及字母、数字组合标注加以区别。在进行图形图的设计时要注意以下几点：首先，梯形图按照从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行（梯级）起始于左母线，然后是触点的串联或/和并联，最后是线圈与右母线相连。其次，梯形图中每个梯级流过的不是物理电流，而是概念上的“虚拟电流”，从左母线经过各个回路流向右母线，母线上并没有电源。这个“虚拟电流”只是用来形象地描述用户程序执行过程中应满足线圈接通的条件。最后，输入继电器用于接收外部输入信号，而不能由PLC内部的其它继电器的触点来驱动。因此，梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现其线圈。输出继电器则输出程序执行结果给外部输出设备。当梯形图中的输出继电器线圈得电时，就有信号输出，但不是直接PLC(FX系列)实验指导书-5-SSSTKMKM（1）继电接触控制线路图Y000X000X001Y000（2）梯形图4END步序指令语目标器件号0LDX0001ORY0002ANIX0013OUTY000（3）指令表驱动输出设备，而要通过输出接口的继电器、晶体管或晶闸管才能实现。输出继电器的触点也可供内部编程使用。2、指令语句表指令语句表是一种用指令助记符来编制PLC程序的语言，它类似于计算机汇编语言，但比汇编语言简单。一条指令语句由执行步序、指令语和目标元件三部分组成，箬干条指令语句组成指令语句表，也就是一个控制程序。右图是三相电动机起/停控制的继电接触控制回路、梯形图和指令表表示三种方式的比较。相比之下，逻辑代数式和逻辑功能图在PLC中的使用则要少得多，下面是它们的形式，这里只简要地介绍一下：（X000+X001）*Y000=Y000+（4）逻辑功能图STKM&SSKM（5）逻辑代数式PLC(FX系列)实验指导书-6-1.2基本指令以下对这些基本指令做一些简要说明（上面表格的“梯形图”一列中，椭圆圈起的部分表示相应指令的梯形图表示，旁边的字母[如“XYMSTC”]表示该指令能够驱动的目标元件）：1、LD、LDI、OUTLD，取指令，表示一个与输入母线相连的常开接点指令。LDI，取反指令，表示一个与输入母线相连的常闭接点指令。LD、LDI用于将接点接到母线上，也可以与ANB、ORB指令配合使用，或在分支起点上使用。OUT，线圈驱动指令，用于驱动线圈、定时器和计数器等。在用于驱动后二者时，必须设置常数K，表示设定时间或计数次数。2、AND、ANIAND，与指令，用于单个常开接点的串联。ANI，与非指令，用于单个常闭接点的串联。这两个指令可以重复多次使用。LD取常开接点运算开始LDI取反常闭接点运算开始AND与单个常开接点串联ANI取单个常闭触点串联ANB块与并联电路块的串联OUT输出线圈驱动指令NOP空操作步序做空操作无显示SET置位保持线圈得电RST复位保持线圈失电PLS脉冲上升沿触发脉冲MC主控公共串联接点的连接MCR主控复位MC的复位END结束程序结束符号名称功能说明梯形图ORI或非单个常闭触点并联OR或单个常开接点并联ORB块或串联电路块的并联PLF脉冲下降沿触发脉冲XYMSTCXYMSTCXYMSTCXYMSTCXYMSTCXYMSTCXYMSTCSETYMSRSTYMSCDVZPLSYMPLFYMMCNYMMCNPLC(FX系列)实验指导书-7-3、OR、ORIOR，或指令，用于单个常开接点的并联。ORI，或非指令，用于单个常闭接点的并联。OR、ORI从该指令的当前步开始，对前面的LD、LDI指令并联连接，并联的次数没有限制。4、ORB、ANBORB，串联电路块的并联连接指令。两个或两个以上的接点串联连接的电路叫串联电路块。串联电路块并联连接时，分支开始用LD、LDI指令，分支结束用ORB指令。ANB，并联电路块的串联连接指令。两个或两个以上的接点并联连接的电路叫并联电路块。并联电路块串联连接时，分支开始用LD、LDI指令，分支结束用ANB指令。5、MC、MCRMC，主控指令，用于公共串联接点的连接。MCR，主控复位指令，即MC的复位指令。在编制程序时，经常可以遇到多个线圈同时受到一个或一组接点控制的情况。如果在每