第8章可编程序控制器.讲述

第8章可编程序控制器范国伟安徽工业大学可编程控制器可编程控制器虽然产生不足50年，但发展的势头锐不可挡。由于采用了计算机的CPU核心技术，同微型计算机一起并行得到了巨大的发展。8.1.1可编程序控制器的产生和定义可编程控制器（programmablecontroller）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计的。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程序控制器标准草案中对可编程序控制器做了如下的定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令，并通过数字和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。8.1.2可编程控制器分类和应用PLC的种类很多，使其在实现的功能、内存容量、控制规模、外形等方面都存在较大的差异，因此，PLC的分类没有一个严格、统一的标准，而是按I/O总点数、组成结构、功能进行大致的分类。PLC通常分为小型、中型、大型三类。8.2可编程序控制器的基本组成和工作原理可编程序控制器所以能应用的如今这样广泛，其最主要的原因是硬件结构简单，软件编程容易。要真正用好可编程序控制器，还得大致了解一下可编程序控制器的软硬件结构和工作原理。8.2.1可编程序控制器的硬件结构PLC采用了典型的计算机结构，由硬件和软件两部分组成。硬件配置主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口电路、电源、编程器以及一些扩展模块组成。1.中央处理器（CPU）PLC的中央处理器与一般的计算机控制系统一样，是整个系统的核心，起着类似人体的大脑和神经中枢的作用，它按PLC中系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。2.存储器PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人电脑的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种动作。系统程序由PLC生产厂家设定并固化在ROM内，用户不能直接读取。PLC的用户程序由用户设定，它决定了PLC输入信号之间的具体关系。用户程序存储量一般以字（每个字由16位二进制数组成）为单位。3．输入/输出接口电路输入/输出单元具有良好的电隔离和滤波作用。连接到PLC输入端的输入器件是各种开关、操作开关，传感器等。通过接口电路将这些开关信号转换成为CPU能够识别和处理的信号，并送入输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器中读取输入信息并进行处理，将处理结果存放到输出映像寄存器。输入/输出映像寄存器由相应的输入/输出触发器组成，输出接口将其弱电控制转换为现场所需要的强电信号输出，驱动显示灯、电磁阀、继电器、接触器等各种被控设备的执行器件①输入接口电路为了防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，输入接口电路一般由RC滤波器消除输入端得抖动和外部噪声干扰，由光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路由发光二极管和光电三极管组成。②输出接口电路PLC的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。图8-3给出了PLC的三种输出电路图。每种输出都采用了电气隔离技术，电源由外部供给，输出电流一般为0.5～2A，输出电流的额定值与负载性质有关。4.电源PLC的电源分为外部电源、内部电源和后备电源三类。在现场控制中，干扰侵入PLC的主要途径之一是通过电源，因此，合理地设计电源是PLC可靠运行的必要条件。5.编程器编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可将用户程序输入到PLC存储器，可以利用编程器检查、修改、调试程序还可以用编程器监视程序的运行及PLC的工作状态。小型PLC常用的简易型便携式或手持式编程器。计算机添加适当的硬件接口电缆和编程软件，也可以对PLC进行编程。计算机编程可以直接显示梯形图、读出程序、写入程序、监控程序运行等5.编程器编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可将用户程序输入到PLC存储器，可以利用编程器检查、修改、调试程序还可以用编程器监视程序的运行及PLC的工作状态。小型PLC常用的简易型便携式或手持式编程器。计算机添加适当的硬件接口电缆和编程软件，也可以对PLC进行编程。计算机编程可以直接显示梯形图、读出程序、写入程序、监控程序运行等。8.2.2可编程序控制器的工作原理PLC是一种工业控制计算机，PLC的工作方式是采用周期循环扫描，集中输入与集中输出。PLC投入运行后，都是以重复的方式执行的，执行用户程序不是只执行一遍，而是一遍一遍不停地循环执行，这里每执行一遍我们称为扫描一次，扫描一遍用户程序的时间称为扫描周期。扫描一次，PLC内部要进行一系列操作，大致分为五个阶段：故障诊断、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新。8.2.3可编程序控制器的软件系统PLC的软件又分为系统软件和用户软件。系统软件包括系统的管理程序，用户指令的解释程序。用户软件是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂商提供的编程语言自主编制的应用程序。用户程序的编制需要使用PLC生产制造厂商提供的编程语言。PLC使用的编程语言共有五种，即梯形图、指令表、步进顺控图、逻辑符号图、高级编程语言。1．梯形图梯形图是最直观、最简单的一种编程语言，它类似继电接触器控制电路的形式，逻辑关系明显，在继电接触器控制逻辑基础上使用简化的符号演变而来，具有形象、直观、实用等优点，电气技术人员容易接受，是目前使用较多的一种PLC编程语言。梯形图设计基本规则利用梯形图或基本指令编程，要符合一些编程的规则。①从左至右。梯形图的各类继电器触点要以左母线为起点，各类继电器线圈以右母线为终点（可允许省略右母线）。从左至右分行画出，每一逻辑行构成一个梯级，每行开始的触点组构成输入组合逻辑（逻辑控制条件），最右边的线圈表示输出函数（逻辑控制的结果）。②从上到下。各梯级从上到下依次排列。③水平放置编程元件。触点画在水平线上（主控触点除外），不能画在垂直线上。④线圈右边无触点。线圈不能直接接左母线，线圈右边不能有触点否则将发生逻辑错误。⑤双线圈输出应慎用。如果在同一个程序中，同一个元件的线圈被使用两次或多次，则称为双线圈输出。这时前面的输出无效，只有最后一次有效。双线圈输出在程序方面并不违反输入，但输出动作复杂，因此应谨慎使用。梯形图设计基本规则⑥触点使用次数不限。触点可以串联，也可以并联。所有输出继电器都可以作为辅助继电器使用。⑦合理布置。串联多的电路放在上部，并联多的电路移近左母线，可以简化程序，节省存储空间。⑧PLC是串行运行的，PLC程序的顺序不同，其执行结果有差异，而继电接触控制是并行的，带能源接通，各并联支路同时具有电压，同时动作。2．指令语句表指令语句表是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程语言，简称语句表，它用一系列操作指令组成的语句描述控制过程，并通过编程器传输到PLC中。指令语句表编程语言是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条语句来表示。PLC的语句由指令操作码和操作数两部分组成。操作码由助记符表示，用来说明操作的功能，告诉CPU做什么3．步进顺控图步进顺控图，简称步进图，又叫状态流程图或状态转移图，是使用状态来描述空盒子任务或过程的流程图，是一种专门用于工业顺序控制的程序设计语言。它能完整地描述控制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气控制系统控制程序的重要工具。4．逻辑符号图逻辑符号图与数字电路的逻辑图极为相似，模块有输入端、输出端，使用与、或、非、异或等逻辑描述输出端和输入端的函数关系，模块间的连接方式与电路连接方式基本相同。逻辑符号图编程语言，直观易懂，容易掌握。三菱FX2N没有此功能。5．高级编程语言在大型PLC中，为了完成具有数据处理、PID调节、定位控制、图形操作等较为复杂的控制，往往使用高级计算机编程语言，如C语言，BASIC语言等，使PLC具有更强的功能。8.3三菱PLC的编程元件继电接触器控制系统运用各种具体的电器元件，通过它们的连线来实现逻辑控制功能。而可编程序控制器是通过运行用户程序来实现各种控制功能。相仿继电接触器控制系统，可编程序控制器的程序设计中有许多逻辑器件和运算器件，实质是内存储器各编程单元中的程序组成。从编程的角度出发，我们可以不管它们具体的物理实现，仅仅关心它们的功能，称之为编程元件。按功能不同给每一种元件起个名称，如输入(出)继电器、辅助继电器、计数器和定时器等。同类元件不同部分在内存储器占具体的编号位置，以便区分。下面以FX2N系列可编程序控制器为例，介绍编程元件的名称、用途及使用方法。8.3.1输入继电器(X)与输出继电器(Y)1、输入继电器（X）输入继电器(X)是PLC接收外部输入开关信号的窗口。PLC将外部信号的状态通过对应的输入端子读入并存储在输入映像寄存器内，即输入继电器中，外部输入电路接通时对应的映像寄存器为ON（“1”状态），表示该继电器的常开触点闭合，同时提供无数的常开和常闭软触点用于编程。2、输出继电器（Y）输出继电器的作用是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器用来将可编程序控制器的输出信号传送给输出模块，每一输出继电器具有一个常开硬触点与PLC的一个相连直接驱动负载，同时也提供了无数常开和常闭软触点用于编程。8.3.2辅助继电器（M）PLC内部有很多辅助继电器，辅助继电器和PLC外部无任何直接联系，它的线圈只能由PLC内部程序控制，它的常开和常闭两种触点只能在PLC内部编程时使用，且可以无限次自由使用，但不能直接驱动外部负载。辅助继电器M是用软件来实现的，用于状态暂存、移位辅助运算及赋予特殊功能的一类编程元件。FX2N系列可编程序控制器的辅助继电器有通用辅助继电器、断电保持辅助继电器和特殊辅助继电器。8.3.3状态继电器（S）状态继电器S是用于编制顺序控制程序的一种编程元件，它与步进指令配合使用。当不对状态继电器S使用步进指令时，其作用相当普通辅助继电器M。8.3.4定时器（T）可编程序控制器中的定时器T相当于继电接触器控制系统中的通电延时型时间继电器。定时器T有一个设定值寄存器、一个当前值寄存器和一个用来存储“0/1”状态的元件映像寄存器。这三个存储单元使用同一个元件号。可编程序控制器内部定时器是根据时钟脉冲累计计时的，不同类型的定时器有不同脉宽的时钟脉冲，反应了定时器的定时精度。计时时钟脉冲有0.001s、0.01s、0.1s三种。8.3.5计数器（C）计数器是可编程序控制器内部不可缺少的重要软元件，主要用来记录脉冲的个数。按所计脉冲的来源可将计数器分为内部信号计数器和高速计数器。可编程序控制器在执行扫描操作时，对内部编程器件的通断状态进行计数的计数器称为内部信号计数器。为避免漏计数的发生，被计信号的接通和断开时间应该大于可编程序控制器的扫描时间。4.2.6数据寄存器（D）可编程控制器在模拟量检测与控制以及位置控制等许多场合都需要数据寄存器来存储数据和参数。每个数据寄存器都为16位，最高位为符号位，两个数据寄存器串联起来可存放32位数据，最高位仍为符号位。4.2.7指针（P/T）指针包括分支用指针P和中断用指针I两种。1.分支指令用指针P（共128点）P0~P127用来指示跳转指令CJ的跳转目标和子程序调用指令CALL调用的子程序入口地址。2.中断用指针I（共15点）可编程控制器在执行程序过程中，任何时刻只要复合中断条件，就停止正在进行的程序转而去执行中断程序，执行到中断返回指令IRET时返回到原来的中断点。8.4三菱PLC的基本指令PLC是在工程控制中最简单的计算机，所以能够迅速推广的优点之一就是编程简单。梯形图的编程虽然比较直观，但是指挥PLC运行的机器语言的中间过程便是基本指令。基本逻辑指令是PLC中最基础的编程语言，掌握了基本逻辑指令也就初步掌握了PLC的使用方法。而且在手头只有简易编程器时，必须将梯形图转换成助记符指令表后，才能