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第四章可编程控制器概述 什么是PLC PLC的特点PLC技术在电气自动化控制中的应用PLC的组成PLC的工作过程PLCI O处理示意图PLC的主要性能指标PLC的编程语言PLC的编程组件 什么是PLC 可编程序控制器 ProgrammableLogicController 简称PLC 是以微处理器为基础 综合了计算机技术 自动控制技术和通讯技术而发展起来的一种新型 通用的自动控制装置 PLC的特点 通用性强 使用方便功能强 适应面广可靠性高 抗干扰能力强编程方法简单 容易掌握PLC控制系统的设计 安装 调试和维修工作量少 极为方便 控制程序变化方便 具有很好的柔性 体积小 重量轻 功耗低 PLC的应用 开关量逻辑控制运动控制闭环过程控制数据处理通讯联网 PLC的组成 PLC由四部分组成 中央处理单元 CPU板 输入输出 I O 部件和电源部件 PLC的工作过程 第n个扫描周期 输入采样输出刷新 用户程序执行 PLCI O处理示意图 PLC的主要技术性能指标 PLC的性能指标较多 不同厂家的PLC产品技术性能各不相同 且各有特色 常用的主要性能指标有 1 输入 输出点数输入 输出点数是指PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量 即PLC外部输入 输出端子数 它表示PLC组成控制系统时可能的最大规模 通常 在总点数中 输入点数大于输出点数 且输入与输出点不能相互替代 2 扫描速度一般以执行1000步指令所需的时间来衡量 单位为毫秒 千步 也有以执行一步指令时间计 单位为微秒 步 3 存储器容量PLC的存储器包括系统程序存储器 用户程序存储器和数据存储器三部分 PLC产品中可供用户使用的是用户程序存储器和数据存储器 PLC中程序指令是按 步 存放的 一 步 占用一个地址单元 一个地址单元一般占用两个字节 如存储容量为1000步的PLC 其存储容量为2K字节 4 编程语言PLC采用梯形图 布尔助记符 菜单图 功能模块图和语言描述等编程语言 不同的PLC产品可能拥有其中一种 两种或全部的编程方式 5 指令功能PLC的指令种类越多 则其软件的功能就越强 使用这些指令完成一定的控制目的就越容易 此外 PLC的可扩展性 使用条件 可靠性 易操作性及经济性等性能指标也是用户在选择PLC时须注意的指标 PLC的编程语言 在PLC中有多种程序设计语言 它们是梯形图语言 布尔助记符语言 菜单图语言 功能模块图语言及结构化语句描述语言等 梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言 它们通常由一系列指令组成 用这些指令可以完成大多数简单的控制功能 例如 代替继电器 计数器 计时器完成顺序控制和逻辑控制等 通过扩展或增强指令集 它们也能执行其它的基本操作 菜单图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言 它可根据需要去执行更有效的操作 例如 模拟量的控制 数据的操纵 报表的报印和其它基本程序设计语言无法完成的功能 功能模块图语言采用功能模块图的形式 通过软连接的方式完成所要求的控制功能 它不仅在PLC中得到了广泛的应用 在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用 由于它具有连接方便 操作简单和易于掌握等特点 为广大工程设计和应用人员所喜爱 根据PLC的应用范围 程序设计语言可以组合使用 常用的程序设计语言是 梯形图程序设计语言 布尔助记符程序设计语言 语句表 菜单图程序设计语言 功能模块图程序设计语言 结构化语句描述程序设计语言 梯形图与结构化语句描述程序设计语言 布尔助记符与菜单图程序设计语言 布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言 梯形图语言 梯形图语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言 采用梯形图程序设计语言 程序采用梯形图的形式描述 这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条件和结果 每个梯级是一个因果关系 在梯级中 描述事件发生的条件表示在左面 事件发生的结果表示在右面 梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言 它来源于继电器逻辑控制系统的描述 在工业过程控制领域 电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟悉 因此 由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎 并得到了广泛的应用 梯形图程序设计语言的特点 1 与电气操作原理图相对应 具有直观性和对应性 2 与原有继电器逻辑控制技术相一致 对电气技术人员来说 易于掌握和学习 3 与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是 梯形图中的能流 PowerFlow 不是实际意义的电流 内部的继电器也不是实际存在的继电器 因此 应用时需与原有继电器逻辑控制技术的有关概念区别对待 4 与布尔助记符程序设计语言有 对应关系 便于相互的转换和程序的检查 布尔助记符语言 布尔助记符语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言 布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似 采用布尔助记符来表示操作功能 布尔助记符程序设计语言具有下列特点 1 采用助记符来表示操作功能 具有容易记忆 便于掌握的特点 2 在编程器的键盘上采用助记符表示 具有便于操作的特点 可在无计算机的场合进行编程设计 3 与梯形图有一一对应关系 其特点与梯形图语言基本类同 菜单图语言 菜单图语言是用菜单图来描述程序的一种程序设计语言 它是近年来发展起来的一种程序设计语言 采用菜单图的描述 控制系统被分为若干个子系统 从功能入手 使系统的操作具有明确的含义 便于设计人员和操作人员设计思想的沟通 便于程序的分工设计和检查调试 菜单图程序设计语言的特点是 1 以功能为主线 条理清楚 便于对程序操作的理解和沟通 2 对大型的程序 可分工设计 采用较为灵活的程序结构 可节省程序设计时间和调试时间 3 常用于系统的规模较大 程序关系较复杂的场合 4 只有在活动步的命令和操作被执行后 对活动步后的转换进行扫描 因此 整个程序的扫描时间较其它程序编制的程序扫描时间要大大缩短 菜单图来源于佩特利 Petri 网 由于它具有图形表达方式 能较简单和清楚地描述并发系统和复杂系统的所有现象 并能对系统中存有的像死锁 不安全等反常现象进行分析和建模 在模型的基础上能直接编程 所以 得到了广泛的应用 近几年推出的PLC和小型集散控制系统中也已提供了采用菜单图描述语言进行编程的软件 功能模块图语言 功能模块图语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能 不同的功能模块有不同的功能 它有若干个输入端和输出端 通过软连接的方式 分别连接到所需的其它端子 完成所需的控制运算或控制功能 功能模块可以分为不同的类型 在同一种类型中 也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别 例如 输入端的数量 输入信号的类型等的不同使它的使用范围不同 由于采用软连接的方式进行功能模块之间及功能模块与外部端子的连接 因此控制方案的更改 信号连接的替换等操作可以很方便实现 功能模块图程序设计语言的特点是 1 以功能模块为单位 从控制功能入手 使控制方案的分析和理解变得容易 2 功能模块是用图形化的方法描述功能 它的直观性大大方便了设计人员的编程和组态 有较好的易操作性 3 对控制规模较大 控制关系较复杂的系统 由于控制功能的关系可以较清楚地表达出来 因此 编程和组态时间可以缩短 调试时间也能减少 4 由于每种功能模块需要占用一定的程序内存 对功能模块的执行需要一定的执行时间 因此 这种设计语言在大中型PLC和集散控制系统的编程和组态中才被采用 PLC的编程组件 可编程控制器的编程组件从物理实质上来说是电子电路及存储器 不同使用目的的组件电路是不同的 通常延用继电器电路中的类似名称命名 包括输入继电器 输出继电器 辅助 中间 继电器 定时器和计数器等 鉴于它们的物理属性 称之为 软继电器 就编程角度而言 可以不考虑这些器件的物理实现 只须了解它们的功能即可 需要指出的是 和继电接触器电路中的 继电器 概念不同 在可编程控制器中的 组件 数量巨大 为了不重复选用 通常需给组件编号 类似于计算机中的单元地址 FX2系列PLC共有十种编程组件 其编号方法为 第一个部分字母代表功能 如输入继电器用 X 表示 输出继电器用 Y 表示 第二部分数字代表该类器件的序号 FX2系列PLC中输入继电器和输出继电器的序号为八进制 其余器件的序号为十进制 编程组件的基本特征 PLC中的编程组件和继电接触器的组件类似 有线圈和常开常闭触点 触点的状态随着线圈的状态而改变 当线圈通电 选中 时 常开触点闭合 常闭触点断开 当线圈失电 非选中 时 常开触点断开 常闭触点闭合 在PLC中 组件被选中 只是代表这个组件的存储单元置1 失去选中条件只是代表这个存储单元置0 组件只是存储单元 可无限次地被访问 因此PLC中的编程组件可以有无数多个常开 常闭触点 下面我们以FX2系列PLC为例 简单介绍一下FX2系列PLC的编程组件 1 输入继电器输入继电器是PLC中专门用来接收从外部敏感组件或开关组件发来的信号 它与PLC的输入端子相连 可以提供许多 无限制 常开常闭触点 供编程时使用 实质上是调用该组件的状态 FX2系列PLC输入继电器的编号范围为 X0 X177 八进制 128点 2 输出继电器PLC的输出端子是PLC向外部负载发出控制命令的窗口 输出继电器的外部输出触点接到输出端子 以控制外部负载 输出继电器的输出方式有三种 继电器输出 晶体管输出和晶闸管输出 在每次扫描周期的最后 CPU才以批处理方式将输出映像寄存器 PIQ 的内容传送到输出端子去驱动外部负载 FX2系列PLC输出继电器的编号范围为 Y0 Y177 八进制 128点 3 辅助继电器在逻辑运算中经常需要一些中间继电器 这些继电器并不直接驱动外部负载 只起到中间状态的暂存作用 FX2系列PLC辅助继电器的编号范围 通用型辅助继电器的编号范围为 M0 M499 500点 带掉电保护的通用型辅助继电器的编号范围为 M500 M1023 524点 掉电保护是指在PLC外部电源停电后 由机内电池为某些特殊工作单元供电 以记忆它们在掉电前的状态 特殊辅助继电器的编号范围为 M8000 M8255 256点 特殊辅助继电器是具有特定功能的辅助继电器 根据使用方式可分为两类 只能利用其触点的特殊辅助继电器 其线圈由PLC自行驱动 用户只能利用其触点 这类特殊辅助继电器常用作时基 状态标志或专用控制组件出现在程序中 例如 M8000 运行标志 RUN PLC运行时监接通M8002 初始脉冲 只在PLC开始运行的第一个扫描周期接通M8012 100ms时钟脉冲M8013 1s时钟脉冲可驱动线圈型特殊辅助继电器 用户驱动线圈后 PLC做特定动作 例如 M8030 使BATTLED 锂电池欠压指示灯 熄灭M8033 PLC停止时输出保持M8034 禁止全部输出M8039 定时扫描方式 注意 未定义的特殊辅助继电器不可在程序中使用 4 定时器定时器相当于继电器电路中的时间继电器 可在程序中用作延时控制 FX2系列PLC定时器具有以下四种类型 100ms定时器 T0 T199200点计时范围 0 1 3276 7s10ms定时器 T200 T24546点计时范围 0 01 327 67s1ms积算定时器 T246 T2494点 中断动作 计时范围 0 001 32 767s100ms积算定时器 T250 T2556点计时范围 0 1 3276 7s5 计数器计数器在程序中用作计数控制 FX2系列PLC计数器可分为内部计数器及外部计数器 内部计数器是对机内组件 X Y M S T和C 的信号计数的计数器 机内信号的频率低于扫描频率 因而是低速计数器 高于机器扫描频率的信号计数需用高速计数器 普通计数器的分类 16位增计数器16位增计数器的设定值为1 32767 有两种16位二进制增计数器 通用型 C0 C99 100点 掉电保持型 C100 C199 100点 16位指其设定值及当前值寄存器为二进制16位寄存器 其设定值在K1 K32767范围内有效 32位增 减计数器32位增 减计数器的设定值为 2147483648 2147483647 有两种32位增 减计数器 通用型 C200 C219 20点 掉电保持型 C220 C234 15点 32位指其设定值寄存器为32位 由于是双向计数 32位的首位为符号位 设定值的最大绝