第一章可编程控制器

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Programmable Controller,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(Personal Computer,简称也为PC)相混淆,在我国仍习惯地沿用PLC作为它的缩写(Programmable Logic Controller)。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、

2、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

3、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

4、算机编程知识的学习，直观而形象，易于掌握。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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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MITSUBISHI FX2N-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XX0X27，共24点接收外部输入设备

10、的信号输出继电器YY0Y27，共24点输出程序执行结果并驱动外部设备辅助继电器MM0M1535/ M8000-M8255在程序内部使用，不能提供外部输出定时继电器TT0T255延时定时继电器，触点在程序内部使用计数继电器CC0C255减法计数继电器，触点在程序内部使用数据寄存器DD0D7999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

11、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

12、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

13、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：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

14、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。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

15、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。如果在每个线圈的控制电路中都串入同样的接点，不仅将多占用存储单元，也会使梯形图显得繁杂。使用主控指令就可以解决这一问题。使用主控指令的接点称为主控接点，它在梯形图中与一般的接点垂直。它们是与母线相连接的常开接点

16、，是控制一组电路的总开关。6、 SET、RSTSET，置位指令，使输出的动作保持；RST，复位指令，使操作后的动作复位，可以使用RST指令对定时器、计数器和寄存器的数据进行清零。7、 PLS、PLFPLS，用于在输入信号的上升沿产生脉冲输出的指令；PLF，用于在输入信号的下降沿产生输出的指令。这两条不能使用特殊辅助继电器作为目标元件。8、 NOPNOP，既不产生动作，也没有目标元件的指令，它使该步序执行空操作。NOP对修改已经编制好的程序时很有用处。9、 END程序结束指令。当PC遇到END时，就不再执行循环扫描，而是直接进行输出处理。这条指令可以将程序分成段，从而对程序的调试起到很大的作用。

17、另外，后面演示实验还会经常用到功能指令FNC 35 SFTL和FNC 40 ZRST，这里也对它们进行简单的介绍。FNC 35 SFTL是左移位指令，执行数据向左移位的操作，如下图所示：FNC 40 ZRST是复位指令，用于对一批目标元件的值进行复位，如下图所示：1.3 梯形图编程规则（一般情况）1、 决定控制系统需要的动作及其次序使用可编程控制器的最重要一环就是决定控制系统所需要的输入及输出，这主要取决于系统所需的输入及输出接口分立元件。输入及输出的要求：一是设定控制系统的输入及输出数目，这可以由系统的输入及输出分立元件的数目直接取得。本模拟实验装置的输入输出点数是：FX2N-48MR型，输

18、入/输出为24/24点；FXON-24MT型，输入输出为16/8点。二是决定控制先后次序、各个元件的相互关系以及它们能够做出何种反应。2、 对输入及输出目标元件进行编号每个输入/输出点，包括定时器、计数器、内置继电器等都有一个唯一的对应编号，不能混用。3、 画出梯形图根据控制系统的控制要求画出梯形图，梯形图有其特定的编制和绘制规则：梯形图的每一逻辑行必须从左边母线以接点输入开始，以线圈结束，线圈右边母线可以不画出；接点的使用次数可以不受限制；在一个程序中，一个线圈只能使用一次，不得重复使用；一段完整的梯形图程序必须用END指令(PLC执行程序阶段的结束标志)结束;编码表的设计原则是：根据梯形图

19、，按从上到下，从左到右的顺序进行；梯形图中，触点应该画在水平线上，而不能画在垂直分支上；不包含触点的分支应放在垂直线上，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和对输出线圈的控制路径；不能将触点画在线圈的右边，只能在触点的右边接线圈；在有几个串联回路相并联时，应将触头最多的那个串联回路放在梯形图的最上边。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左边。这种安排，所编制的程序简洁明了，语句较少。 4、 将梯形图转化为可编程控制器可以识别的程序编码（即指令集）5、 用编程器或编程软件输入编制好的程序指令表6、 对程序进行测试、修改7、 保存完成的控制程序8、 在实验台上对所编制的

20、程序进行验证，若与实际操作情况不符，需要做进一步的修改1.4 安装和维护工业生产现场的环境条件一般比较恶劣，电磁干扰源很多，如大功率用电设备的起停、电焊机等产生的电火花，以及各种动力电源线的电磁耦合等，这些都是很常见、同时可能对可编程控制器的正常工作产生很大影响的干扰源。可编程控制器是专门在施工现场使用的控制装置，已经采取了很多的抗干扰措施，从而使它的适应能力较强；当另一方面，为了确保整个控制系统的稳定可靠，应该尽量使可编程控制器在良好的生产环境中工作，同时采取必要的抗干扰措施。安装尽管可编程控制器适用于大多数的工业生产现场，但它对现场的温度、湿度等条件还是有一定的要求的。在适宜的条件下工作可

21、以有效地提高可编程控制器的工作效率和使用寿命。在安装可编程控制器时要避开以下各种因素： 环境温度超过0 - 55范围； 相对湿度超过85%或存在露水凝聚现象 阳光直射 腐蚀性或易燃性气体 铁屑及灰尘 频繁及连续的振动 超过10g重力加速度的冲击小型可编程控制器外壳的四个角上均有安装孔，同时有两种安装方法：一种是直接有螺钉进行固定，不同型号的可编程控制器有不同的安装尺寸；另一种是将可编程控制器固定在DIN（德国工业标准）轨道上。在轨道上先安装好左右夹板，装上可编程控制器，然后拧紧螺钉。通常情况下，要把可编程控制器安装在有保护外壳的控制柜中，以防止灰尘、水滴及油污，从而使其工作稳定可靠。同时，可编

22、程控制器的周围应该有足够的通风空间，以保持它的环境温度和湿度在适宜的条件下。如果环境温度超过55，要安装电风扇进行强制通风。为了避免其它外围设备的电磁干扰，可编程控制器要尽可能地远离高压电源线和高压设备，间距不得小于20毫米。当垂直安装可编程控制器时，要严防导线头、铁屑、灰尘等脏物从通风窗掉入可编程控制器内部，否则它们很有可能损坏内部的PCB（印刷电路板），干扰其正常工作。电源接线FX系列可编程控制器电源为50Hz、220V10%的交流电，同时，它有直流24V输出接线端。如果电源发生故障，中断时间不超过10ms时，可编程控制器的正常工作不受影响；若超过10ms或电压下降超过允许值，则可编程控制

23、器停止工作，所有的输出点同时断开。当电源恢复时，若开关在RUN的位置，则其自动恢复操作。对于电源线引起的干扰，可编程控制器本身具有足够的抗干扰能力。如果电源干扰特别严重，可以安装一个变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰。接地良好的接地时保证可编程控制器稳定可靠工作的重要条件，这样可以避免偶然发生的电压脉冲冲击危害。接地线与设备的接地端相连，基本单元接地。如果要用扩展单元，其接地点应与基本单元的接地点连在一起。为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给可编程控制器接以专用地线，接地点应该与动力设备的接地点分开。若达不到这种要求，则必须做到与其它设备公共接地。禁止与其它设备串联接

24、地，接地点应尽可能靠近可编程控制器。直流24V接线端使用无源触点的输入器件时，可编程控制器内部24V电源通过输入器件向输入端提供每点7mA的电流。此外，直流24V接线端子还可以向外部传感器提供电流。在24V接线端子做传感器电源时，COM端子是直流24V地端（0V端）。如果使用扩展单元，则应将基本单元和扩展单元的24V端连接起来。另外，任何外部电源都不能接到这个端子。如果有过载现象发生，电压将自动跌落，该点输入对可编程控制器将不起作用。每一种型号的可编程控制器的输入点数量是一定的。每一个未投入使用的输入点并不耗电。在这种情况下，24V直流电源端子外供电流的能力可以加强。FX系统可编程控制器的空位

25、端子在任何情况下都不能使用。输入接线可编程控制器一般接收行程开关、限位开关等输入的开关量信号。输入接线端子是可编程控制器与外部传感器负载转换信号的端口，输入接线一般指外部传感器与输入端口的接线。输入器件可以是任何无源的触点或集电极开路的NPN管。输入器件接通时，输入端接通，输入线路闭合，同时输入指示发光二极管发亮。输入端的一次电路与二次电路之间采用光电耦合进行隔离。二次电路带R-C滤波器，以防止由于输入触点抖动或从输入线路串入的电磁噪声引起可编程控制器的误动作。如果在输入触点电路串联二极管，二极管上的电压应小于4V。如果使用带发光二极管的舌簧开关时，串联二极管的数目不能超过两只。输入接线还应该

26、特别注意： 输入接线一般不要超过30米。在工作环境干扰较小、电压降不大时，输入接线可以适当长些。 输入、输出线不能使用同一根电缆，输入、输出线要分开。 可编程控制器所能接收的脉冲信号的宽度应大于扫描周期时间。输出接线 可编程控制器的输出方式有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种； 输出端接线分为独立输出和公共输出两种。当可编程控制器的输出继电器或晶闸管动作时，同一号码的两个输出端接通。在不同组中可以采用不同类型和电压等级的输出电压。但在同一组的输出中，只能使用同一类型和同一电压等级的电源。 由于可编程控制器的输出元件被封装在PCB中，并且连接至端子板。如果 将连接输出元件的负载短路，将会烧毁PCB。因此，应该使用熔断丝来保护 输出元件。 采用继电器输出时承受的感性负载大小会影响到继电器的使用寿命。因此， 采用此种用法的继电器的工作寿命要长。 可编程控制器的输出负载可能产生噪声干扰。因此，