可编程培训课程(正式版)

可编程控制器 PLC 原理及应用讲座 编写 丁晖庆 审核 审定 20092009 年年 1010 月月 五凌电力培训课程 1 目目 录录 第一章 可编程序控制器基础知识 2 第二章 小型 PLC 及其指令系统 18 第三章 PLC 程序的设计 36 第四章 PLC 控制系统的设计 43 第五章 可编程控制器通信与网络技术 64 2 第一章第一章 可编程序控制器基础知识可编程序控制器基础知识 第一节第一节 可编程控制器概述可编程控制器概述 一 一 PLCPLC 的定义的定义 可编程序控制器 Programmble Controller 简称 PC 或 PLC 是一种工 业控制装置 PLC 是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的 并逐 渐发展成为 以微处理器 为核心 将自动化技术 计算机技术 通信技术融为 一体的新型工业控制装置 国际电工委员会 IEC 于 1987 年颁布了可编程控制器标准草案第三稿 在草案中对可编程控制器定义如下 可编程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 它采用可编程序的存储器 用来在其 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 控制器及其有关外围设备 都应按易于与工业系统联成一个整体 易于扩充其 功能的原则设计 近年来 可编程控制器发展很快 几乎每年都推出不少新 系列产品 其功能已远远超出了定义的范围 二 二 PLCPLC 的产生与发展的产生与发展 1 1 PLCPLC 的产生与发展的产生与发展 世界上第一台 PLC1969 年由美国数字设备公司 DEC 根据美国通用汽车公 司 GM 的要求研制成功 7070 年代初期 年代初期 仅有逻辑运算 定时 计数等顺序控制功能 只是用来取代 传统的继电器控制 通常称为可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 7070 年代中期 年代中期 微处理器技术应用到 PLC 中 使 PLC 不仅具有逻辑控制功能 还增加了算术运算 数据传送和数据处理等功能 8080 年代以后 年代以后 随着大规模 超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展 16 位和 32 位微处理器应用于 PLC 中 使 PLC 得到迅速发展 PLC 不仅控制功能 增强 同时可靠性提高 功耗 体积减小 成本降低 编程和故障检测更加灵 活方便 而且具有通信和联网 数据处理和图象显示等功能 近年来 PLC 发展迅速 PLC 集三电 电控 电仪 电传 为一体 性能价 3 格比高 高可靠性的特点 已成为自动化工程的核心设备 PLC 成为具备计算 机功能的一种通用工业控制装置 其使用量高居首位 PLC 成为现代工业自动 化的三大技术支柱 PLC 机器人 CAD CAM 之一 就全世界自动化市场的过 去 现在和可以预见的未来而言 PLC 仍然处于一种核心地位 2 2 PLCPLC 的三大流派的三大流派 自从第一台 PLC 出现以后 日本 德国 法国等也相继开始研制 PLC 并 得到了迅速的发展 各国 PLC 都有自己的特色 欧洲 欧洲 西门子 Siemens 法国的 TE Telemecanique 美国 美国 A B Allen Bradly GE General Electric 日本 日本 三菱电机 Mitsubishi Electric 欧姆龙 OMRON FUJI 日本主要发展中小型 PLC 其小型机性能先进 结构紧凑 价格便宜 目前国内市场还有韩国 台湾等 PLC 产品 3 3 国内 国内 PLCPLC 的发展的发展 在 70 年代末和 80 年代初 我国随国外成套设备 专用设备引进了不少国 外的 PLC 我国不少科研单位和工厂在研制和生产 PLC 如辽宁无线电二厂 无 锡华光电子公司 上海香岛电机制造公司 厦门 A B 公司等 在传统设备改造 和新设备设计中 PLC 的应用逐年增多 取得良好效果 4 4 PLCPLC 在国内的应用在国内的应用 图 1 中国 PLC 市场 2004 年度 4 三 三 PLCPLC 的应用领域的应用领域 目前 PLC 在国内外已广泛应用冶金 石油 化工 建材 机械制造 电 力 汽车 轻工 环保及文化娱乐等各行各业 随着 PLC 性能价格比的不断提 高 其应用领域不断扩大 从 PLC 应用类型看 大致可归纳为以下几个方面 开关量逻辑控制 运动控制 过程控制 PID 闭环控制 数据处理 通信联 网 构成 DCS FCS 系统 PLC 的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制 扩展到以下应用 领域 中小型过程控制系统 远程维护服务系统 节能监视控制系统 以及与 生活相关的机器 与环境相关的机器 而且有急速的上升趋势 值得注意的是 随着 PLC DCS 相互渗透 二者的界线日趋模糊的时候 PLC 从传统的应用于离 散的制造业向应用到连续的流程工业扩展 第二节第二节 PLCPLC 控制系统与常规电器控制系统的比较控制系统与常规电器控制系统的比较 一 常规电器控制系统组成常规电器控制系统组成 KM2 MM 3 M 3 KM1 R K FU K SB1 SB2 KM1 KT KM2 KT KM1 S M 3 图 2 常规电器控制系统组成原理框图 二 二 PLCPLC 控制系统组成控制系统组成 5 COM X00 X07 X06 X05 X04 X03 X02 X01 SB1 SB2 K PLCPLC COM Y30 Y36 Y35 Y34 COM Y33 Y32 Y31 KM1 电源电源 KM2 Y30 M1 T1 K10 Y32 X1 X2 T1 图 3 PLC 控制系统组成原理框图 三 PLCPLC 等效电路等效电路 输入输入 继电器继电器 X1 COM 00 07 06 05 04 03 02 01 X3 X5 COM 30 36 35 35 COM 33 32 31 按钮按钮 限位开关限位开关 动断触点动断触点 X1 Y31 Y31 输出继电器输出继电器 内部触点内部触点 T50 M100 输出继电器外部触点输出继电器外部触点 Y31 输入端输入端 输入端输入端 负载负载 电源电源 输入部分输入部分内部控制电路内部控制电路输出部分输出部分 图 4 PLC 控制系统等效电路图 四 四 PLCPLC 控制系统与常规电器控制系统的区别控制系统与常规电器控制系统的区别 6 常规电器控制系统常规电器控制系统PLCPLC 控制系统控制系统 控制方法控制系统采用导线硬连接控制系统采用程序软连接 工作方式并行工作串行工作 控制速度控制速度慢控制速度快 定时和计数控制控制精度低控制精度高 可靠性和可维护性可靠性低 可维护性差可靠性高 可维护性好 第三节第三节PLCPLC 的组成的组成 一 一 PLCPLC 组成概述组成概述 PLC 的基本组成与一般的微机系统类似 是一种以微处理器为核心的 用 于控制的特殊计算机 PLC 的基本组成包括硬件与软件两部分 其中 PLC 的硬件主要包括中央处 理器 CPU 存储器 输入接口 输出接口 通信接口和电源等部分 PLC 的 软件主要包括系统程序和用户程序 中央 处理器 电 源 部 分 扩 展 接 口 输出接口 继电器或 可控硅 输入接口 光电耦合 通 信 接 口 扩展单元 PLC 计算机 编程器 NGQI ROM RAM 图 5 可编程控制器组成机构框图 二 二 PLCPLC 中各组成部分的作用中各组成部分的作用 1 1 CPUCPU 7 PLC 中通常采用的 CPU 有三类 通用微处理器 如 Z80 8086 80286 等 单片微处理器 如 8031 8096 等 位片式微处理器 如 AMD29W 等 小型 PLC 大多采用 8 位通用微处理器和单片微处理器 中型 PLC 大多采用 16 位通用微处理器或单片微处理器 大型 PLC 大多采用高速位片式微处理器 32 位 小型 PLC 为单 CPU 系统 中 大型 PLC 则大多为双 CPU 或多 CPU 系统 对 于双 CPU 系统 一般一个为字处理器 一般采用 8 位 16 位或 32 位处理器 另一个为位处理器 采用由各厂家设计制造的专用芯片 CPU 的作用是按系统程序赋予的功能 指挥 PLC 有条不紊地进行工作 归 纳起来主要有以下五个方面 接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据 诊断电源 PLC 内部电路故障和编程中的语法错误等 接收并存储从输入单元 接口 得到现场输入状态或数据 逐条读取并执行存储器中的用户程序 并将运算结果存入存储器中 根据运算结果 更新有关标志位和输出内容 通过输出接口实现控制 制 表打印或数据通讯等功能 2 2 存储器 存储器 在 PLC 中 存储器主要用于系统程序 用户程序和工作数据的存储 存储 器的类型可分为可读 写操作的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM PROM EPROM EEPROM 两大类 系统程序系统程序 系统程序是完成系统诊断 命令解释 功能子程序调用 管理 逻辑运算 通信及各种参数设定等功能 系统程序由 PLC 的制造厂家编写的 在 PLC 使用过程中不会变动 它和 PLC 的硬件组成有关 它关系到 PLC 的性能 系统程序由制造厂家直接固化在只读存储器 ROM PROM 或 EPROM 中 用户不能 访问和修改 用户程序用户程序 用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应 用程序 它是由 PLC 控制对象的要求而定的 为了便于读出 检查和修改 用 户程序一般存于 CMOS 静态 RAM 中 用锂电池作为后备电源 以保证掉电时不 会丢失信息 为了防止干扰对 RAM 中程序的破坏 当用户程序经过运行正常 8 不需要改变 可将其固化在 EPROM 中 现在有许多 PLC 直接采用 EEPROM 作为 用户存储器 PLC 的编程语言 IEC61131 3 中的 5 种 PLC 基本语言 主要有以下几种 顺序功能图 顺序功能图 SFCSFC 不仅仅是一种语言 更是一种组织控制程序的图形化 方式 梯形图 梯形图 LDLD 以图形方式表达触点和线圈以及特殊指令块的梯级 指令表 指令表 ILIL 类似汇编程序的基于文本的语言与其相对应的是 LD 结构文本 结构文本 STST 类似 Pascal 的基于文本的语言 功能块图 功能块图 FBDFBD 一种对应于线路图的图形语言 广泛地用于过程工业 工作数据工作数据 工作数据是 PLC 运行过程中经常变化 经常存取的一些数据 它 们存放在 RAM 中 以适应随机存取的要求 在 PLC 的工作数据存储器中 设有 存放输入 输出继电器 辅助继电器 定时器 计数器等逻辑器件的存储区 这 些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的 根据需要 部 分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态 这部分在掉电时可保存数据的 存储区域称为保持数据区 系统程序和工作数据与用户无直接联系 在 PLC 产品样本或使用手册中所 列存储器的形式及容量是指用户程序存储器 当 PLC 提供的用户存储器容量不 够用 许多 PLC 还提供有存储器扩展功能 3 3 输入 输入 输出接口输出接口 输入 输出接口通常也称 I O 单元或 I O 模块 是 PLC 与工业生产现 场之间的连接通道 PLC 输入接口的主要作用是检测被控对象的各种数据 用 这些数据作为 PLC 对被控制对象进行控制的依据 PLC 输出接口的主要作用是 将处理结果送给被控制对象 以实现控制目的 I O 接口的主要作用还有 电平转换功能 由于外部输入设备和输出设 备所需的信号电平是多种多样的 而 PLC 内部 CPU 的处理的信号是标准电平信 号 所以需要进行电平转换 光电隔离和滤波功能 提高 PLC 的抗干扰能力 状态指示功能 将 PLC 的工作状况以直观的形式显示出来 便于系统维护 I O 接口的类型可以分为开关量输入 输出接口和模拟量输入 输出接口 9 两类 常用的开关量输入接口有直流输入接口 交流输入接口和交 直流输入接口 三种类型 常用的开关量输出接口主要包括继电器输出接口 晶体管输出接口 和晶闸管输出接口三种类型 其中继电器输出接口的主要特点是响应速度慢 动作频率低 可驱动交流或直流负载 晶体管输出接口的主要特点是响应速度 快 动作频率高 但只能用于驱动直流负载 晶闸管输出接口的主要特点是响 应速度快 动作频率高 但只能用于驱动交流负载 模拟量输入接口即 A D 接口 其主要参数包括分辨率 8 位 10 位 12 位等 量化误差 偏移误差 满刻度误差 线性度 精度等 许多 PLC 还有 与热电阻或热电偶配套使用的 A D 接口 模拟量输出接口即 D A 接口 其主要 参数包括分辨率 8 位 10 位 12 位等 精度 线性度 稳定时间等 PLC 的 I O 点数是指 PLC 的 I O 接口所能接受的输入信号个数和输出信 号个数的总和 I O 点数是选择 PLC 的重要依据之一 当 I O 点数不够时 可 通过 PLC 的 I O 扩展接口对系统进行扩展 4 4 通信接口 通信接口 PLC 配有各种通信接口与外部设备连接 与打印机连接 可将过程信息 系统参数等输出打印 与监视器连接 可将控制过程图像显示出来 与 P L C 连接 组成多机系统或连成网络 实现更大规模控制 与计算机连接 组成多 级分布式控制系统 控制与管理相结合 与人机界面 触摸屏 连接 直观显 示 PLC 的运行状态 便于系统的维护于操作 与智能接口模块连接 智能接口 模块是一独立的计算机系统 它有自己的 CPU 系统程序 存储器以及与 PLC 系统总线相连的接口 PLC 的智能接口模块种类很多 如 高速计数模块 闭 环控制模块 运动控制模块 中断控制模块等 与编程器连接 进行系统用户 程序的存取和编辑 5 5 扩展接口 扩展接口 扩展接口是用于连接护展单元的接口 当 PLC 基本单元 I O 点数不能满足 要求时 可通过扩展接口连接扩展单元以增加系统的 I O 点数 6 6 电源部分 电源部分 PLC 配有开关式稳压电源 以提供内部电路使用 与普通电源相比 PLC 10 电源的稳定性好 抗干扰能力强 因此 对于电网提供的电源稳定度要求不高 一般允许电源电压在其额定值 15 的范围内波动 许多 PLC 还向外提供直流 24V 稳压电源 用于对外部传感器供电 7 7 编程器 编程器 编程器的作用是编辑 调试 输入用户程序 也可在线监控 PLC 内部状态 和参数 与 PLC 进行人机对话 它是开发 应用 维护 PLC 不可缺少的设备 编程器主要包括专用编程器和通用编程系统两种 其中专用编程器可分为简易 编程器和智能编程器两种 通用编程系统主要是在 PC 上配置 PLC 厂家的专用编 程软件包 例如西门子公司的 STEP7 施耐德公司的 Unity Pro 三菱公司的 GX C 等编程软件 图 6 专用编程器 图 7 通用编程系统 8 8 PLCPLC 写入器写入器 PLC 写入器是用来将用户程序固化到 EPROM 存储器中的一种 PLC 外部设备 为了使调试好用户程序不易丢失 经常用 EPROM 写入器将 PLC 内 RAM 保存到 EPROM 中 第四节第四节 PLCPLC 的工作原理的工作原理 一 扫描工作方式一 扫描工作方式 当 PLC 运行时 需要进行众多的操作 而 PLC 的 CPU 不可能同时去执行多 个操作 每一刻只能执行一个操作 解决的办法就是采用分时操作原理 由于 CPU 的运算处理速度很快 所以从宏观上来看 PLC 外部出现的结果似乎是同时 11 完成的 这种分时操作的方法称为扫描工作方式 以用户程序的执行为例 即用户程序的扫描工作过程 扫描是从第一条程 序开始 在无中断或跳转控制的情况下 按程序存储顺序的先后 逐条执行程 序 直到程序结束 然后再从头开始扫描执行 并周而复始地重复进行 二 二 PLCPLC 的扫描工作过程的扫描工作过程 整个过程包括内部处理 通信服务 输入处理 程序执行 输出处理五个 阶段 整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期 扫描周期与 CPU 运行 速度 PLC 硬件配置及用户程序长短有关 典型值为 1 100ms 图 8 PLC 的扫描工作过程 内部处理 内部处理 检查 CPU 等内部硬件 对监视定时器 WDT 复位以及其它工作 通信服务 通信服务 与其它智能装置 如编程器 计算机等 实现通信 输入处理 输入处理 按顺序对所有输入端的状态进行采样 并存入相应寄存器 程序执行 程序执行 对用户程序扫描执行 并将结果存入相应的寄存器 输出处理 输出处理 将寄存器中与输出有关状态 转到输出锁存器 输出驱动外部 负载 四 四 PLCPLC 扫描工作方式的特点扫描工作方式的特点 PLC 扫描工作方式的主要特点就是集中采样 集中输出 12 集中采样 集中采样 在一个扫描周期中 对输入状态的采样只在输入处理阶段进行 当 PLC 进入程序处理阶段后输入端将被封锁 直到下一个扫描周期的输入处理 阶段才对输入状态进行重新采样 集中输出 集中输出 在用户程序中如果对输出结果多次赋值 则最后一次有效 在 一个扫描周期内 只在输出处理阶段才将输出状态从输出映象寄存器中输出 对输出接口进行刷新 在其它阶段里输出状态一直保存在输出映象寄存器中 集中采样 集中输出方式的优点是提高了系统的抗干扰能力 增强了系统 可靠性 PLC 工作时大多数时间与外部输入 输出设备隔离 从根本上提高了系 统的抗干扰能力 增强了系统的可靠性 其缺点是 PLC 输入 输出响应滞后 降低了系统的响应速度 当 PLC 输入端输入信号发生变化到 PLC 输出端对该输 入变化作出反应 需要一段时间 对一般的工业控制 这种滞后是完全允许的 这种响应滞后不仅是由于 PLC 扫描工作方式造成 更主要是 PLC 输入接口滤波 环节带来的输入延迟和输出接口中驱动器件动作时间带来输出延迟 还与程序 设计有关 第五节第五节 PLCPLC 的分类及特点的分类及特点 一 一 PLCPLC 的分类的分类 PLC 一般可从其 I O 点数 结构形式和功能三方面进行分类 1 1 按 按 I OI O 点数分类点数分类 根据 PLC 的 I O 点数 PLC 分为小型 中型和大型三类 小型小型 PLCPLC I O 点数为 256 点以下的为小型 PLC 其中 I O 点数小于 64 点的 为超小型或微型 PLC 中型中型 PLC PLC I O 点数为 256 点以上 2048 点以下的为中型 PLC 大型大型 PLCPLC I O 点数为 2048 以上的为大型 PLC 其中 I O 点数超过 8192 点 的为超大型 PLC 这个分类界限不是固定不变的 它随 PLC 的发展而变化 2 2 按结构形式分类 按结构形式分类 根据 PLC 的结构形式 可将 PLC 分为整体式和模块式两类 整体式整体式 PLCPLC 将电源 CPU I O 接口等部件都集中装在一个机箱内 具有 13 结构紧凑 体积小 价格低的特点 整体式 PLC 由不同 I O 点数的基本单元 又称主机 和扩展单元组成 基 本单元内有 CPU I O 接口 与 I O 扩展单元相连的扩展口 以及与编程器或 EPROM 写入器相连的接口等 扩展单元内只有 I O 和电源等 没有 CPU 基本单 元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接 整体式 PLC 一般还可配备特殊功能单 元 如模拟量单元 位置控制单元等 使其功能得以扩展 小型 PLC 一般采用 这种整体式结构 模块式模块式 PLCPLC 将 PLC 各组成部分分别作成若干个单独的模块 如 CPU 模块 I O 模块 电源模块 有的含在 CPU 模块中 以及各种功能模块 模块式由框架或基板和各种模块组成 模块装在框架或基板的插座上 这 种模块式 PLC 的特点是配置灵活 可根据需要选配不同模块组成一个系统 而 且装配方便 便于扩展和维修 大 中型 PLC 一般采用模块式结构 叠装式叠装式 PLCPLC 还有一些 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来 叠装式 PLC 其 CPU 电源 I O 接口等也是各自独立的模块 但它们之间是靠电缆进行联接 并且各模块可以一层层地叠装 这样 不但系统可以灵活配置 还可做得体积 小巧 3 3 按功能分类 按功能分类 低档低档 PLCPLC 具有逻辑运算 定时 计数 移位以及自诊断 监控等基本功 能 还可有少量模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 通信等功能 主要用于逻辑控制 顺序控制或少量模拟量控制的单机系统 中档中档 PLCPLC 具有低档 PLC 功能外 具有较强的模拟量输入 输出 算术运算 数据传送和比较 数制转换 远程 I O 子程序 通信联网等功能 有些还增 设中断 PID 控制等功能 高档高档 PLCPLC 具有中档机功能外 增加带符号算术运算 矩阵运算 位逻辑 运算 平方根运算及其它特殊功能函数运算 制表及表格传送等 高档 PLC 机 具有更强的通信联网功能 可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统 实现工厂自动化 二 二 PLCPLC 的特点的特点 PLC 技术之所以高速发展 除了工业自动化的客观需要外 主要是因为它 14 具有许多独特的优点 它较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠 安全 灵 活 方便 经济等问题 1 1 可靠性高 抗干扰能力强可靠性高 抗干扰能力强 可靠性高 抗干扰能力强是 PLC 最重要的特点之一 PLC 的平均无故障时 间可达几十万个小时 硬件方面 硬件方面 I O 接口采用采用光电隔离 有效地抑制了外部干扰源的影响 对供电电源及线路采用多种形式的滤波 从而消除或抑制了高频干扰 对 CPU 等重要部件采用良好的导电 导磁材料进行屏蔽 以减少空间电磁干扰 对有 些模块设置了联锁保护 自诊断电路等 软件方面 软件方面 采用扫描工作方式 减少了外界的干扰 设有故障检测和自诊 断程序 能对系统硬件电路等故障实现检测和判断 当由干扰引起故障时 能 立即将当前重要信息加以封存 禁止任何不稳定的读写操作 一旦正常后 便 可恢复到故障发生前的状态 继续原来的工作 2 2 编程简单 使用方便 编程简单 使用方便 目前 各种 PLC 都采用梯形图语言为第一编程语言 它是一种面向生产 面向用户的编程语言 梯形图与电器控制线路图相似 形象 直观 不需要掌 握计算机知识 很容易让广大工程技术人员掌握 当生产流程需要改变时 可 以现场改变程序 使用方便 灵活 同时 PLC 编程器的操作和使用也很简单 这也是 PLC 获得普及和推广的 主要原因之一 许多 PLC 还针对具体问题 设计了各种专用编程指令及编程方 法 进一步简化了编程 3 3 功能完善 通用性强 功能完善 通用性强 现代 PLC 不仅具有逻辑运算 定时 计数 顺序控制等功能 而且还具有 A D 和 D A 转换 数值运算 数据处理 PID 控制 通信联网以等许多功能 同时 由于 PLC 产品的系列化 模块化 有品种齐全的各种硬件装置供用 户选用 可以组成满足各种要求的控制系统 4 4 设计安装简单 维护方便设计安装简单 维护方便 由于 PLC 用软件代替了传统电气控制系统的硬件 控制柜的设计 安装接 线工作量大为减少 PLC 的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试 缩短了 15 应用设计和调试周期 在维修方面 由于 PLC 的故障率极低 维修工作量很小 而且 PLC 具很强 的自诊断功能 如果出现故障 可根据 PLC 上指示或编程器上提供的故障信息 迅速查明原因 维修极为方便 5 5 体积小 重量轻 能耗低体积小 重量轻 能耗低 PLC 结构紧凑 体积小 能耗低 因而是实现机电一体化的理想控制设备 三 PLCPLC 的主要技术特征的主要技术特征 1 1 输入技术特征 输入技术特征 PLC 的输入特性如下表所示 有交流输入与直流输入两种 由于输入信号 经过光电耦合器隔离 有效的隔离了外输入电路与 PLC 间的电联系 而不至于 引起 PC 故障 具有较强的抗干扰能力 直流直流 24V24V交流交流 110V110V交流交流 220V220V 额定输入电压 DC24V 4V 内部供电 AC100 110V 10 15 50 60Hz AC200 220V 10 15 50 60Hz 断 通最小 4mA DC最小 8mA DC最小 7mA DC工作 电流通 断最大 1 5mA DC最大 3mA DC最大 3mA DC 断 通约 10ms约 10ms约 10ms响应 时间通 断约 5ms约 5ms约 5ms 输入阻抗约 3 3k 50Hz约 9 6k 50Hz约 21 2k 50Hz 隔离光耦合隔离 指示当有输入时发光二极管亮 2 2 输出技术特征 输出技术特征 PLC 的输出特性如下表所示 有三种输出形式 可根据需要选择 继电器输出继电器输出 AC100VAC100V 200V200V DC24VDC24V 可控硅输出可控硅输出 AC100VAC100V 200V200V 晶体管输出晶体管输出 DC24VDC24V 额定输出电流2A 1 点 1A 1 点 4A 8 点合计1A 1 点 4A 8 点合计 最大电感性 80VA100VA AC200V 24W DC24V 16 灯泡 100W100W3W 负载 冲击电流10A 周期 10A 周期 3A DC 电感性 1 6VA AC200V 1 6VA AC200V 最小 负载 灯泡1W AC200 0 5W AC100V 1W AC200 0 5W AC100V 断 通约 5ms 1ms 1ms 响应 时间通 断约 10ms最大 10ms 1ms 隔离继电器隔离光可控硅光耦合 指示 当继电器接通时 发光二极管亮 当光可控硅接通时发光 二极管亮 当光耦合器接通时发光 二极管亮 第六节第六节PLCPLC 的发展趋势的发展趋势 1 1 向高速度 大容量方向发展 向高速度 大容量方向发展 为了提高 PLC 的处理能力 要求 PLC 具有更好的响应速度和更大的存储容 量 目前 有的 PLC 的扫描速度可达 0 1ms k 步左右 PLC 的扫描速度已成为 很重要的一个性能指标 在存储容量方面 有的 PLC 最高可达几十兆字节 为了扩大存储容量 有 的公司已使用了磁泡存储器或硬盘 2 2 向超大型 超小型两个方向发展 向超大型 超小型两个方向发展 当前中小型 PLC 比较多 为了适应市场的多种需要 今后 PLC 要向多品种 方向发展 特别是向超大型和超小型两个方向发展 现已有 I O 点数达 14336 点的超大型 PLC 其使用 32 位微处理器 多 CPU 并行工作和大容量存储器 功能强 小型 PLC 由整体结构向小型模块化结构发展 使配置更加灵活 为了市场 需要已开发了各种简易 经济的超小型微型 PLC 最小配置的 I O 点数为 8 16 点 以适应单机及小型自动控制的需要 如三菱公司 系列 PLC 西门子公司 的 LOGO 系列 PLC 3 3 大力开发智能模块 加强联网与通信能力 大力开发智能模块 加强联网与通信能力 为满足各种控制系统的要求 不断开发出许多功能模块 如高速计数模块 温度控制模块 远程 I O 模块 通信和人机接口模块等 这些带 CPU 和存储器 17 的智能 I O 模块 既扩展了 PLC 功能 又使用灵活方便 扩大了 PLC 应用范围 加强 PLC 联网与通信的能力 是 PLC 技术进步的潮流 PLC 的联网与和通 信有两类 一是 PLC 之间联网通信 各 PLC 生产厂家都有自己的专有联网手段 二是 PLC 与计算机之间的联网通信 一般 PLC 都有专用通信模块与计算机通信 为了加强联网与和通信能力 PLC 生产厂家之间也在协商制订通用的通信 标准 以构成更大的网络系统 4 4 增强外部故障的检测与处理能力 增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明 在 PLC 控制系统的故障中 CPU 占 5 I O 接口占 15 输入设备占 45 输出设备占 30 线路占 5 前二项共 20 故障属于 PLC 的内部故障 它可通过 PLC 本身的软 硬件实现检测 处理 而其余 80 的 故障属于 PLC 的外部故障 PLC 生产厂家都致力于研制 发展用于检测外部故 障的专用智能模块 进一步提高系统的可靠性 5 5 编程语言多样化 编程语言多样化 在 PLC 系统结构不断发展的同时 PLC 的编程语言也越来越丰富 功能也 不断提高 除了大多数 PLC 使用的梯形图语言外 为了适应各种控制要求 出 现了面向顺序控制的步进编程语言 面向过程控制的流程图语言 与计算机兼 容的高级语言 BASIC C 语言等 等 多种编程语言的并存 互补与发展是 PLC 进步的一种趋势 18 第二章第二章小型小型 PLCPLC 及其指令系统 及其指令系统 FXFX 系列 系列 第一节第一节 FXFX 系列系列 PLCPLC 及性能及性能 一 一 FXFX 系列系列 PLCPLC 概述概述 日本三菱公司生产的 FX 系列可编程控制器主要包括 FX0 FX2 FX2C FX0S FX1S FX0N FX1N FX2N FX2NC 等型号的产品 在 产品结构形式上普遍采用叠装式结构 通过扩展接口可进行系统 I O 扩展 基本单元基本单元基本单元基本单元 FX0N 60MR 扩展单元扩展单元扩展单元扩展单元 FX0N 40ER 二 二 FXFX 系列典型系列典型 PLCPLC 特点特点 1 1 FX0SFX0S FX1SFX1S 系列系列 PLCPLC FX0S FX1S 系列 PLC 是用于极小规模系统的超小型 PLC 只有 10 30 个 I O 点 而且不能扩展 它们都有继电器输出和晶体管输出两种输出方式 使 用的电源有交流和直流电源两种 内置 RUN STOP 开关 内置用于调整定时器设 定时间的模拟电位器 其中 FX0S 1 个 FX1S 2 个 FX1S 系列 PLC 还内置有 时钟功能 可以进行时间控制 装上显示模块 FX1N 5DM 可进行时间显示与设 定 FX1S 系列 PLC 还可选用 FX1N 系列的各种功能扩展板 具有与上位计算机 通信功能 2 2 FX2NFX2N FX2NCFX2NC 系列系列 PLCPLC FX2N 是 FX 系列中功能最强 运行速度最快的 PLC 基本指令执行时间高达 0 08 s 超过了许多大 中型 PLC FX2N 的用户存贮器容量可扩展到 16K FX2N 的 I O 点数最大可扩展到 256 点 FX2N 有多种模拟量输入输出模块 高速计数器模块 脉冲输出模块 位置控制模块 RS 232C RS 422 RS 485 串 扩展模块扩展模块扩展模块扩展模块 FX0N 8EYR 19 行通信模块或功能扩展板 模拟定时器扩展板等 使用这些特殊功能模块和功 能扩展板 可以实现模拟量控制 位置控制和联网通信等功能 FX2N 有 3000 多点辅助继电器 1000 点状态 200 多点定时器 200 点 16 位加计数器 35 点 32 位加 减计数器 8000 多点 16 位数据寄存器 128 点跳 步指针 15 点中断指针 FX2N 有 128 种功能指令 具有中断输入处理 修改输入滤波器常数 数学 运算 浮点数运算 数据检索 数据排序 PID 运算 开平方 三角函数运算 脉冲输出 脉宽调制 ASCll 码输出 串行数据传送 校验码 比较触点等功 能指令 FX2N 内装实时钟 有时钟数据的比较 加减 读出 写入指令 可用 于时间控制 FX2N 还有矩阵输入 10 键输入 16 键输入 数字开关 方向开 关 7 段显示器扫描显示等方便指令 FX2NC 的性能指标与 FX2N 基本相同 FX2NC 的基本单元 I O 点为 16 32 64 96 所不同的是 FX2NC 采用插件式输入输出 用扁平电缆连接 体积 更小 第二节第二节FXFX 系列系列 PLCPLC 内部软继电器及编号内部软继电器及编号 一 概述一 概述 FX 系列 PLC 内部软继电器主要包括输入继电器 输出继电器 辅助继电器 状态继电器 定时器 计数器 数据寄存器 变址寄存器和指针常数 FX 系列 PLC 软继电器编号由字母 和 数字 组成 其中输入继电器和输出 继电器用八进制数字编号 其它均采用十进制数字编号 二 输入继电器 二 输入继电器 X X 输入继电器是 PLC 用来接收用户输入设备发来的输入信号 输入继电器线 圈由外部输入信号所驱动 只有当外部信号接通时 对应的输入继电器才得电 不能用指令来驱动 在程序中绝对不可能出现输入继电器的线圈 只能出现输入继电器的触点 每个输入继电器的常开与常闭触点均可无数次使用 三 输出继电器 三 输出继电器 Y Y 输出继电器是用来将 PLC 内部信号输出传送给外部负载 输出继电器线圈 20 是由 PLC 内部程序驱动 其线圈状态传送给输出单元 再由输出单元对应的硬 触点来驱动外部负载 每个输出继电器在输出单元中都对应有一个常开硬触点 但在程序中供编 程的输出继电器 不管是常开还是常闭触点 都可以无数次使用 四 辅助继电器 四 辅助继电器 M M 辅助继电器是 PLC 中数量最多的一种继电器 其作用相当于继电器控制系 统中的中间继电器 和输出继电器一样 其线圈由程序指令驱动 每个辅助继 电器都有无限多对常开常闭触点 供编程使用 但是 其触点不能直接驱动外 部负载 要通过输出继电器才能实现对外部负载的驱动 FX 系列 PLC 的辅助继 电器有 三种 通用辅助继电器 保持辅助继电器和特殊辅助继电器 1 1 通用辅助继电器 通用辅助继电器 通用辅助继电器和输出继电器一样 在 PLC 电源中断后 其状态将变为 OFF 当电源恢复后 除因程序使其变为 ON 外 其它仍保持 OFF 2 2 保持用辅助继电器 保持用辅助继电器 保持用辅助继电器在 PLC 电源中断后 它具有保持断电前的瞬间状态的功 能 并在恢复供电后继续断电前的状态 3 3 特殊辅助继电器 特殊辅助继电器 M8000M8000 M8255M8255 特殊辅助继电器是具有某项特定功能的辅助继电器 通常可分为两类 触 点型和线圈型 触点型 触点型 特殊辅助继电器的线圈由 PLC 自动驱动 用户只可以利用其触点 线圈型 线圈型 特殊辅助继电器的线圈由用户控制 其线圈得电后 PLC 作出特 定动作 1 1 特殊辅助继电器 触点型 特殊辅助继电器 触点型 1 1 M8000M8000 M8001M8001 运行监视用特殊辅助继电器 PLC 运行时 M8000 得电 M8001 断电 PLC 停止时 M8000 失电 M8001 得电 21 2 2 特殊辅助继电器 触点型 特殊辅助继电器 触点型 2 2 M8002M8002 M8003M8003 初始脉冲特殊辅助继电器 M8002 M8003 只在 PLC 开 始运行的第一个扫描周期内得电 断电 其余时间均断电 得电 常用 M8002 的触点作为一些继电器的初始化复位信号 3 3 特殊辅助继电器 触点型 特殊辅助继电器 触点型 3 3 M8011M8011 M8012M8012 M8013M8013 M8014M8014 分别为产生周期为 10ms 100ms 1s 1min 脉冲的特殊辅助继电器 PLC RUN 4 4 特殊辅助继电器 触点型 特殊辅助继电器 触点型 4 4 M8004M8004 出错特殊继电器 当 PLC 出现硬件出错 参数出错 语法出错 电 路出错 操作出错 运算出错等时 M8004 得电 5 5 特殊辅助继电器 触点型 特殊辅助继电器 触点型 5 5 主要包括 M8020 零标志 M8021 错位标志 M8022 进位标志 M8029 指令执行完毕标志 M8046 STL 状态置 1 6 6 特殊辅助继电器 触点型 特殊辅助继电器 触点型 6 6 主要包括 M8246 C246 M8247 C247 M8249 C249 M8251 C251 M8252 C252 M8254 C254 减计数监视 7 7 特殊辅助继电器 线圈型 特殊辅助继电器 线圈型 1 1 主要包括 M8028 10ms 定时器切换标志 当 M8028 线圈被接通时 则 T32 T62 变为 10ms 定时器 M8034 禁止全部输出的特殊辅助继电器 当 M8034 线 圈被接通时 则 PLC 的所有输出自动断开 M8039 恒定扫描周期的特殊辅助继 电器 当 M8039 线圈被接通时 则 PLC 以恒定的扫描方式运行 恒定扫描周期 值由 D8039 决定 8 8 特殊辅助继电器 线圈型 特殊辅助继电器 线圈型 2 2 主要包括 M8031 非保持型继电器 寄存器状态清除 M8032 保持型继电 22 器 寄存器状态清除 M8033 RUN STOP 时 输出保持 RUN 前状态 M8035 强制运行 RUN 监视 M8036 强制运行 RUN M8037 强制停止 STOP 9 9 特殊辅助继电器 线圈型 特殊辅助继电器 线圈型 3 3 主要包括 M8040 禁止状态转移 M8041 从起始状态开始转移 M8042 启动脉冲 M8043 回原点结束 M8044 原点条件 M8045 禁止输出复位 M8047 STL 状态监控有效 1010 特殊辅助继电器 线圈型 特殊辅助继电器 线圈型 4 4 主要包括 M8050 I00 禁止 M8051 I10 禁止 M8052 I20 禁止 M8053 I30 禁止 M8056 捕捉 X0 的脉冲 M8057 捕捉 X1 的脉冲 M8058 捕捉 X2 的脉冲 M8059 捕捉 X3 的脉冲 1111 特殊辅助继电器 线圈型 特殊辅助继电器 线圈型 5 5 主要包括 M8235 设置 C235 为减计数方式 M8236 设置 C236 为减计数方 式 M8237 设置 C237 为减计数方式 M8238 设置 C238 为减计数方式 M8241 设置 C241 为减计数方式 M8242 设置 C242 为减计数方式 M8244 设 置 C244 为减计数方式 四 状态器 四 状态器 S S 状态器对在步进顺控类的控制程序中起着重要的作用 它与后述的步进指 令 STL 组合使用 主要有初始用状态器 返回原点用状态器 FX2N 普通状 态器 保持状态器 报警用状态器 FX2N 等类型 不使用步进指令时 状态 器也可当作辅助继电器使用 五 定时器 五 定时器 T T PLC 的定时器相当于电器系统中的通电延时时间继电器 定时器可提供无 数对的常开 常闭延时触点供编程用 定时器中有一个设定值寄存器 一个当 前值寄存器和一个用来存储其输出触点的映象寄存器 一个二进制位 这三 个量使用同一地址编号 但使用场合不一样 意义也不同 定时器时可分为通 用定时器 积算定时器二种 PLCPLC 定时器工作原理 定时器工作原理 定时器是根据时钟脉冲累积计数而达到定时的目的 时钟脉冲有 1ms 10ms 100ms 当所计数达到设定值时 其触点动作 设定 23 值可用常数 K 或数据寄存器 D 的内容来设置 1 1 通用定时器 通用定时器 通用定时器不具备断电的保持功能 即当输入电路断开或停电时定时器复 位 通用定时器有 100ms 和 10ms 两种 其设定值可以是常数 K 或数据寄存器 D 的内容 设定值的范围为 1 32767 其中 100ms 定时器的定时范围为 0 1 3276 7s 10ms 定时器 除 FX2N 外 M8028 ON 时 的定时范围为 0 01 327 67s 1ms 定时器 FX0N T63 采用中断计数 的定时范围为 0 001 32 767s 2 2 积算定时器 积算定时器 积算定时器具有计数累积的功能 在定时过程中如果断电或定时器线圈 OFF 积算定时器将保持当前的计数值 当前值 通电或定时器线圈 ON 后继 续累积 即其当前值具有保持功能 只有将积算定时器复位 当前值才变为 0 1ms 积算定时器 对 1ms 时钟脉冲进行累积计数的 定时范围为 0 001 32 767s 100ms 积算定时器 对 100ms 时钟脉冲进行累积计数的定时范围为 0 1 3276 7s 24 六 计数器 六 计数器 C C 1 1 内部计数器 内部计数器 内部计数器是在执行扫描操作时对内部信号 如 X Y M S T 等 进行 计数 内部输入信号的接通和断开时间应比 PLC 的扫描周期稍长 内部计数器 包括 16 位增计数器和 32 位可逆计数器 计数器的设定值范围 1 32767 16 位 214783648 214783647 32 位 计数器的设定值可由常数 K 或间接通 过指定的数据寄存器 D 来设定 1616 位增计数器 位增计数器 可分为通用型和保持型两种 3232 位可逆计数器 位可逆计数器 这类计数器与 16 位增计数器除位数不同外 还在于它 能通过控制实现加 减双向计数 限 FX1N 2N 2NC 增 减计数由对应的特 殊辅助继电器设定 对应的特殊辅助继电器被置为 ON 时为减计数 置为 OFF 时 为增计数 2 2 高速计数器 高速计数器 高速计数器采用中断方式进行计数 与 PLC 的扫描周期无关 与内部计数 器相比除允许输入频率高之外 应用也更为灵活 高速计数器均有断电保持功 能 通过参数设定也可变成非断电保持 高数计数器为 32 位增 减计数型 设 定值范围 2147483648 2147483647 高数计数器的三种类型 单相单输 25 入 单相双输入 双相输入 单相单输入高速计数器 单相双输入高速计数器 双相高速计数器 七 数据寄存器 七 数据寄存器 D D PLC 在进行输入输出处理 模拟量控制 位置控制时 需要许多数据寄存 器以存储数据和参数 数据寄存器为 16 位 最高位为符号位 32 位数据可用 两个数据寄存器来存储 如 D1D0 数据寄存器包括 通用数据寄存器 保持 数据寄存器 特殊数据寄存器 文件寄存器 1 1 通用数据寄存器 通用数据寄存器 通用数据寄存器在 PLC 由运行 RUN 变为停止 STOP 时 其数据全部清 零 如果将特殊继电器 M8033 置 1 则 PLC 由运行变为停止时 数据可以保持 2 2 保持数据寄存器 保持数据寄存器 保持数据寄存器只要不改写 原有数据就不会丢失 无论电源接通与否 PLC 运行与否 都不会改变寄存器内容 3 3 特殊数据寄存器 特殊数据寄存器 D8000 D8000 特殊数据寄存器用于 PLC 内各种元件的运行监视 未加定义的特殊数据寄 存器 用户不能使用 4 4 文件寄存器 文件寄存器 文件寄存器是用于存放大量数据的专用数据寄存器 例如 用于存放采集 数据 统计计算数据 多组控制参数等 文件寄存器占用用户程序存储器内的 某一存储区间 可用编程器或编程软件进行写操作 PLC 运行时 可用 BMOV 指令将文件寄存器内容读到通用数据寄存器中 但 不能用指令将数据写入文件寄存器 八 变址寄存器 八 变址寄存器 V ZV Z 变址寄存器 V Z 实际上是一种特殊用途的数据寄存器 变址寄存器 V Z 的 26 作用 相当于微机中的变址