可编程序逻辑控制器

1、第一章 可编程序逻辑控制器概述 1.1 PLC的产生与发展计算机在工业控制中的应用：n 测量自动化：智能化的测量手段单扳机、单片机 n 制造自动化：离散过程自动控制可编程序控制器 PLC-Programmable Logical Controller I/O 开关量为主，模拟量为辅 功能分散、逻辑可靠n 过程自动化：连续过程自动控制分散控制系统 DCS-Distributed Control System I/O 模拟量为主，开关量为辅 信息统一管理、友好的人机对话1.1 PLC的产生与发展 1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一套可编程序逻辑控制器PLC ，应用于GM公司的汽车

2、自动装配线上,取代继电器接触器控制。 1985年国际电工委员会IEC制定了可编程序逻辑控制器的标准，并给其作了如下定义： “可编程序控制器是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，通过数字式、模拟式的输入和输出数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械和生产过程。可编程序控制器及其有关的外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。” 1.1 PLC的产生与发展 硬件组成 编程语言 工作过程世界上代表性的PLC厂家

3、美国的A-B公司（RockwellRockwell ），GE公司（GE FanucGE Fanuc） ，日本的三菱电机公司（MitsubishiMitsubishi），欧姆龙公司（OmronOmron），松下公司（FPI），法国的施奈德(Schneider)公司，德国的西门子公司（SiemensSiemens）等。 我国也有一些PLC制造单位，如南瑞继保等.1.1 PLC的产生与发展PLC最初只具备逻辑控制、定时、计数等功能，主要用于取代继电器接触器控制PLC系统的发展：p 人机接口主要采用触摸屏、编程器以及通过编程电缆或网络连接的PC监控机p 模拟量控制算法的丰富 USB(12M bps)Q

4、nHCPUPLC的发展趋势 体积的小型化 微电子技术发展的必然结果 性能的提高 CPU性能 基本性能 ：运算速度、容量、指令等 逻辑运算 ：逻辑运算、定时器、计数器等 数据处理 ：四则运算、比较、函数运算等 可靠性提高： 冗余CPU、容错系统 控制与管理功能一体化控制与管理功能一体化PLC组成的网络系统MELSECNET/H控制层控制层(25M/10Mbps)设备层设备层(10Mbps)现场总线现场总线CC-LinkMELSECNET/H 远程网变频器远程端子人机界面机械手第三方产品信息层信息层(100M/10Mbps)EthernetMELSECNET/H控制层控制层(25M/10Mbps)

5、设备层设备层(10Mbps)现场总线现场总线CC-LinkMELSECNET/H 远程网变频器远程端子人机界面机械手第三方产品信息层信息层(100M/10Mbps)EthernetPLC的标准化IEC标准(国际电工委员会) 由5部分组成（IEC1131-15) Part1:基本信息 明确PLC的功能与特点 Part2:设备特性 PLC的使用环境、电气机械特性 Part3:编程语言 明确了5种PLC编程语言 Part4:用户准则 用户选型、安装要求等 Part5:服务指南 PLC符号、名词解释，PLC之间的通信协议等1.2 PLC的特点 可靠性高，抗干扰能力强 MTBF(mean time be

6、tween failures)为300000h 硬件 模块化结构：PLC系统采用了模块化设计和扩展模块的使用，简化了控制系统的形成，也有助于故障情况时的快速修复。 屏蔽：PLC系统对电源、内部CPU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界的电磁干扰。 滤波：PLC系统对输入信号采用了多种形式的滤波，以消除或抑制高频干扰。 隔离：PLC系统的处理器和输入/输出电路之间一般采用不同的电隔离措施(如光电隔离等)，有效地减少了故障和动作次数 1.2 PLC的特点 软件 软件组态：PLC系统无一例外地采用软件组态技术(用图形和表格的方式开发软件)，减小了系统故障率，提高了软件可靠性。

7、 信息保护与恢复：在PLC系统中发生某些故障时，系统将内部信息进行保护，免遭破坏，一旦故障消失，信息恢复，正常工作 循环扫描工作方式，对输入信号进行一次性采样，不会死锁 专业编程语言使编程直观、简单，并可以自动检查1.2 PLC的特点 综合措施 时间监视器(WatchDog)：PLC中的时间监视器是一种硬件和软件相结合的可靠性措施，它对周期性的操作进行监视，一旦超时立即报警，这种技术也应用于其它工业控制系统中。 故障检测：PLC系统在启动时，以及正常运行时会定期的测试外界环境和运行设备。如掉电、欠电压、硬件故障等，发现异常立即报警。1.2 PLC的特点 使用简便灵活，开发周期短 PLC系统一般

8、直接连线，接线简单，不需要用户进行电路板的设计。 PLC系统设计容易，开发周期短，程序易于调试和修改。 PLC系统具有标准的图形方式和文本方式的组态软件，编程简单直观。 利用PLC网络和通信技术易于实现复杂的分散控制任务。1.3 PLC分类从结构上分整体式:将CPU、电源、部分输入输出部件都集中制造在一个机箱内，构成基本单元 固定点数，有的如FX2N可扩展点数，小型PLC模块式:将PLC的各部分分为若干单独的模块 由基板通过总线连接各模块，大、中型PLC从规模上分，按PLC的输入输出点数 小型:小于512点 中型:5122048点 大型: 2048点以上 三菱小型PLC FX系列三菱大中型PL

9、C Q系列1.4 PLC系统的应用 开关量逻辑控制 PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制。这是PLC最基本最广泛的应用领域，它取代了传统的继电器-接触器的控制。模拟量控制 PLC中配有A/D和D/A转换模块，A/D模块能将现场连续变化的模拟量(如温度、压力流量、速度等)转变为数字量，再经PLC中的微处理器处理后，经过D/A模块转换为模拟量去控制被控对象，这样实现对模拟量的控制。过程控制 在功能完善的PLC系统中一般配备了PID控制模块和复杂的专用控制算法，可以进行闭环过程控制。当生产过程中的被控制量偏离设定值时，PLC能按照PID算法算出正确的输出值，控制生产过程，保

10、证被控对象的正常运行。有的PLC中配备了一些高级的智能控高级的智能控制功能制功能，能满足某些特殊的控制要求。1.4 PLC系统的应用定时和计数控制 PLC具有强大的定时和计数功能，它可以为用户提供几十、上百甚至上千个定时器和计数器。其计时的时间和计数的值可以由用户在编写应用程序时自行设置，或由操作人员在生产现场人工设定，实现定时和计数控制。如果用户需要对频率较高的信号进行计数时，则可以选择高速计算模块。顺序控制 在工业控制中可利用PLC步进指令编程或用位移寄存器编程来实现顺序控制和程序控制。数据处理 现代的PLC系统不仅能进行算术运算、逻辑运算，还能进行比较复杂的数值运算，包括数据传送、数据链

11、接、排序、查找等操作，而且还能进行比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等较为强大的数据处理能力。第二讲 可编程序控制器编程基础第二章 PLC的结构和工作原理 21 PLC的基本结构 22 PLC的工作原理 23 PLC的编程语言21 PLC的基本结构 PLC主要由CPU模块、输入模块/输出模块(特殊功能模块)、通信模块、电源模块、编程设备等组成。 21 .1 CPU模块内部控制模块 CPU模块主要由微处理器(uP)芯片、存储器、输入/输出接口和通信接口组成。 微处理器通过数据总线、地址总线和控制总线与存储器及各种输入/输出接口相连。微处理器执行程序，进行数据的运算和处理； 存储器用来存储数

12、据和程序； 输入/输出接口与输入/输出模块连接，进行数据交换； 通信接口实现网络通信，组成更为完善的系统。CPU模块上一般带有串行通信接口，可与编程设备交换信息。 可编程控制器的基本组成Programmable Logic Controller 是一种工业控制计算机工业控制计算机，能快速、可靠地构建控制系统，作为工业控制器得到了广泛的应用 基本组成和普通计算机相同，有CPU、存储器、存储器、I/O接口和接口和系统总线系统总线四大部分 PLC的基本结构 PLC是一种智能化的控制系统，其工作原理也与微机相似，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，往往把PLC等效成输入、输出和内部控制电路

13、三部分。 在PLC的CPU模件存储器中，设置了一个区域，用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映象寄存器和输出映象寄存器，也称为软元件。内部控制电路只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等完成计算处理的装置。2.1.2 输入部分输入部分输入部分 作用：作用： 接受被控设备的信息或操作命令等外部输入接受被控设备的信息或操作命令等外部输入信息。信息。 说明：说明： 输入过程是将所有外部输入电路的接通输入过程是将所有外部输入电路的接通/断开断开状态读入输入映象寄存器，称为输入刷新。状态读入输入映象寄存器，称为输入刷新。 2.1.3 输出部分输出部分输出部分 作用：作用： 驱

14、动外部负载。驱动外部负载。 说明：说明： CPU将输出映象寄存器的内容，通过输出模将输出映象寄存器的内容，通过输出模块转换成被控对象所能接受的电流或电压信号，块转换成被控对象所能接受的电流或电压信号，驱动被控设备，称为输出刷新。驱动被控设备，称为输出刷新。 。 21 .4通信模块 通信模块实现PLC站之间或与计算机的网络通信。三菱电机的PLC站提供了以太网通信、MELSECNET/H网通信和CCLINK网(现场总线)通信几种通信方式。21 .5电源模块 电源模块将交流电(220110V)转换为直流电，向CPU模块和其它功能模块供电。21 .6编程设备 PLC的程序是依靠外界的编程工具完成的，然

15、后再下载到CPU模块的存储器中去。常见的编程设备有传统的编程器和计算机。现在的PLC系统，大多用计算机中的组态软件编程，然后通过编程电缆，经过PLC的串口下载。21 .6编程设备22 PLC的工作原理 PLC工作模式 运行(RUN)模式 停止模式(STOP) 暂停模式(PAUSE PLC工作过程，反复周期性地执行程序，来完成控制功能，直至PLC停机(STOP)或暂停(PAUSE)模式。 2.2.1扫描工作方式 PLC采用了周期性地循环执行程序的方法，每次循环要完成5个阶段的工作： 内部处理 通信服务 输入处理 执行程序 输出处理。因此PLC系统CPU的工作过程是串行完成的。 2.2.1扫描工作

16、方式 扫描工作方式 2.2.1扫描工作方式 在内部处理阶段，在内部处理阶段，CPU检查内部硬件(包括主机和I/O模件)的状态，将监控定时器复位，同时完成一些其它的必要的处理工作。 在通信服务阶段，在通信服务阶段，PLC检查与之相连的智能模块的通信需求，完成数据通信，在此阶段也响应编程设备的输入命令，更新存储器内容。 在输入处理阶段，在输入处理阶段，CPU把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映象寄存器，称为输入刷新输入刷新。 2.2.1扫描工作方式 在执行程序阶段在执行程序阶段，CPU执行用户编写的应用程序，从第一条程序指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令从映象寄存器中

17、读取输入点的状态，经运算处理后，将结果送到输出映象寄存器。 在输出处理阶段，在输出处理阶段，CPU将输出映象寄存器的内容，通过输出模块转换成被控对象所能接受的电流或电压信号，驱动被控设备，称为输出刷新输出刷新。2.2.1扫描工作方式 运行模式(RUN)运行时，可以设置成恒定扫描周期或不恒定扫描周期两种 扫描周期 PLC在RUN工作模式时，执行一次扫描过程所需的时间称为扫描周期，典型的扫描周期为10100ms。2.1.2 扫描周期 扫描周期 PLC在RUN工作模式时，执行一次扫描过程所需的时间称为扫描周期，典型的扫描周期为10100ms。 为确保系统的响应时间，PLC中CPU的负荷率一般6070

18、 2.1.3 PLC的I/O响应时间 I/O响应时间 从某一输入信号变化开始，到系统输出端信号的改变所需要的时间。 PLC系统输入/输出滞后现象 2.3 PLC的编程语言 编程语言(IEC1131-3)2.3.1 图形编程语言 功能块图 (FBDFunction Block Diagram) 梯形图 (LDLadder Diagram) 顺序功能图 (SFCSequential Function Chart) 2.3.1 文本编程语言 指令表 (ILInstruction List) 结构化文本 (STStructured Text) 2.3.1 图形编程语言功能图块 用功能块图进行软件开发时

19、，具体动作用一种预先编号的软件模块(功能块)来描述，再用连线将它们连接，以实现一个完整的功能。PLC系统的功能块较多，几乎涵盖了所有的监控需求，它既可以描述开关量动作过程，也可以描述模拟量的处理过程。用功能块图定义的功能类似过程控制中常见的SAMA图，因而被工业控制领域广泛使用，特别在模拟量控制较多的场合。2.3.1 图形编程语言功能图块流量控制系统2.3.1 图形编程语言梯形图 早期的梯形图旨在用梯形逻辑替代继电器的工作过程，主要针对开关量的动作过程。随着PLC的发展，梯形图完成的功能逐渐扩大，现在已经能实现模拟量运算(包括比较复杂的控制算法)、算术运算等功能。目前用梯形图来定义系统完成的功

20、能，已是PLC系统中最常用的描述手段。2.3.1 图形编程语言梯形图左母线右母线电源线电器元件编程元件执行过程：从左到右，从上到下执行过程：从左到右，从上到下 2.3.1 图形编程语言梯形图 梯形图编程规则： 1梯形图编程时系统出现左边的垂直线称为左母线，右边的垂直线为右母线。信息从左流向右，所以左侧放置输入元件，右侧放置输出元件。 2梯形图中每一行是一个动作过程，当执行一个以上动作过程时，可以用多行来表示，执行的次序是从左到右，从上到下。 在梯形图中用 表示输入常开触点，用 表示输入常闭触点，用 表示输出线圈。2.3.1 图形编程语言梯形图梯形图实例梯形图实例 一个三中取二的保护控制逻辑一个

21、三中取二的保护控制逻辑2.3.1 图形编程语言顺序功能图 顺序功能图是用来描述顺序操作的图形化语言，在顺序功能图中可以用别的语言嵌套编程。步、动作和转换是顺序功能图的主要组成部分。步用来说明操作，动作用来描述每步的具体功能，转换则是步与步之间过渡的条件。2.3.1 图形编程语言顺序功能图2.3.2 文本编程语言 文本编程方式 指令表(ILInstruction List)是一种类似汇编语言的描述方法，它的优缺点与汇编语言雷同。其编程相对比较复杂繁琐，不易描述系统的总体结构和编制较大的程序，但指令表具有很大的灵活性和较高的透明度，常常用它来描述一些标准图形编程方式难以表达的特殊算法。常作为辅助的

22、描述方法。2.3.2 文本编程语言 文本编程方式 结构化文本(STStructured Text)是一种特殊的高级语言。总体上看，结构化文本编程原则是一致的，但每种PLC系统都会有各自的不同之处，相对而言它的编程过程简单、透明。 第三章 PLC的基本指令 3.1 三菱Q型PLC简介 3.2 Q型PLC的内部编程元件 3.3 Q型PLC基本指令系统 3.1 三菱Q型PLC简介1. 基本型”CPU，基本型QPLC是面向小规模系统，简单对象而设计的系统。其共有Q00JCPU、Q00CPU和Q01CPU三种。 Q00JCPU是电源模块、主基板一体化的CPU模块，主基板上具有5个插槽。扩展基板最多可以连

23、接2级，最多可以安装16块输入/输出模块、智能模块。主基板和扩展基板上可以控制256个输入输出点。 Q00CPU、Q01CPU是单独的CPU模块，安装在主基板上。扩展基板最多可连接4级，最多可以安装24块输入输出模块、智能模块。主基板和扩展基板上可以控制1024个输入输出点。3.1 三菱Q型PLC简介2.“高性能型”CPU，高性能CPU与基本型CPU相比，具有较高的处理速度和支持大容量的控制系统，单个CPU可以控制4096个输入输出点(本地)。高性能CPU可组合成多CPU系统，可以控制更大的控制系统。高性能CPU有Q02CPU、Q02HCPU、Q06HCPU、Q12HCPU、Q25HCPU模块

24、。 多CPU的PLC系统3.1 三菱Q型PLC简介 3.“过程型”CPU，过程型CPU主要针对自动控制功能而设计，它增加了52条过程控制的指令，具有PID调节器的功能，可实现两个自由度的PID控制。过程型CPU除了有完善的功能，同时性能也得到了提高，支持在线模块的热拔插，可在线进行模块更换。过程型CPU有Q12HCPU、Q25PHCPU模块。 3.1 三菱Q型PLC简介4.“冗余型”CPU，冗余CPU提高了系统的可靠性，实现了CPU的冗余配置，当运行CPU发生故障时，系统自动切换至备用CPU工作，保证系统的正常以运行。冗余CPU还支持电源模块、基板等的冗余配置，使系统性能大大提高。冗余型CPU

25、有Q12PRHCPU、Q25PRHCPU模块。 表31 基本型CPU的主要性能描述 32 Q型PLC的内部编程元件 存储数据的存储单元称为编程元件，也称软元件 Q型PLC的软元件按使用方式可分为用户软元件和系统软元件。用户软元件对用户开放，用户可以在编程中使用。系统软元件专门为PLC系统内部使用，用户可以访问，但不能更改。32 Q型PLC的内部编程元件 软元件根据存储的数据可以分为位元件和字元件。 位元件存储数据以位为单位；字元件存储数据以字节(8个连续的位)、字(16个连续的位)或双字(32个连续的位)为单位。321基本数据结构1位元件 只有两种不同的状态，即ON和OFF，可以分别用二进制数

26、1和0来表示 X：输入继电器，用于直接输入给PLC的物理信号。 Y：输出继电器，用于从PLC直接输出物理信号。 M：内部继电器，PLC内部的运算标志。 S：状态继电器，PLC内部的状态标志。 变量2字元件 在PLC中用16个连续的”位”组成一个组成一个”字”(Word)，32个连续的”位”组成一个”双字”(Double Word)。 Q系列PLC主要的字软元件有：定时器(T)、计数器(C)、数据寄存器(D)、通信寄存器(W)等。 常量3常数 在Q型PLC中，常用的数有十进制数和十六进制数两种。 十进制常数用K来表示，如K16，K1785等。16位十进制常数的范围是32 76832 768，32

27、位十进制常数的范围是2 147 483 648 2 147 483 648。 十六进制常数用H来表示，如H16，H1785等。十六进制包括09和AF这16个数字。16位十六进制常数的范围是0FFFF，32位十六进制常数的范围是0FFFFFFFF。 321基本数据结构 实数(E) 以E.来指定实数，例E1.234 指定范围：(-)2(-126) (-)2126321基本数据结构4字符串 字符串常数是顺控程序中指定字符串的软元件，用“ ”引起的半角字符的形式指定，例如“ABCD1234” 基本型QCPU区分大、小写字母 字符串从指定字符开始到NUL编码（00H ）为止计算字符个数 字符串只可在$M

28、OV指令中使用，$MOV指令可以指定的字符串最大不超过32字符322 内部用户软元件（参见PLC参数设置） 1输入/输出继电器 输入继电器(X)是PLC接受外部输入开关量信号的窗口。PLC将外部信号的状态读入并存储在输入映象继电器内，即输入继电器(软元件)中。当外部输入电路接通时对应的输入映象寄存器为ON(“1”状态)，当外部输入电路断开时对应的输入映象寄存器为OFF(“0”状态)。在PLC中所说的继电器(软元件)实际上不是真正的物理继电器，而是一个命名。在PLC中也常用触点表示输入，用线圈表示输出。输出继电器(Y)是PLC向外部负载发送信号的窗口。PLC将输出映象继电器(输出继电器)内的信号

29、传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。2内部继电器(M) PLC中的内部寄存器和PLC外部没有任何直接的联系，内部继电器的值只能由PLC的程序控制。 内部继电器可以无数次的使用，但不能直接接受外部信号，也不能直接驱动外部负载。 Q型PLC的内部继电器是不可锁存的，即不具有停电保持的功能。 需要锁存时，用锁存继电器L。3锁存继电器(L) 锁存继电器是PLC中具有锁存功能(停电保持)的内部继电器。锁存继电器即使进行以下操作，运算结果也会保持： 电源从切断状态再打开电源； PLC进行复位操作。 锁存是通过CPU模块本体的电池进行的。 5 定时器(T) PLC中的定时器相当于控制系统中的时间继电器。每

30、个定时器有一个设定值寄存器、一个当前值寄存器、一个描述定时器状态的线圈和一个用来存储其输出触点状态的映象寄存器(位寄存器)，这四个存储单元使用同一个元件号。 定时器是加法式的，外界条件满足后，定时器线圈接通，当前值寄存器开始以一个设定的周期计数，当前值寄存器的值等于或超出设定值寄存器的值时，存储输出触点状态的映象寄存器立即接通。 OUT T0指定T0为低速定时器；OUTH T0指定T0为高速定时器。OUT ST0指定T0为低速保持定时器；OUTH ST0指定T0为高速保持定时器 低速定时器的默认计数周期为100ms，计测单位可以在11000ms的范围内以1ms单位变化。 高速定时器的默认计数周

31、期为10ms，其计测单位可以在0.1100ms的范围内以0.1ms单位变化。 定时器举例保持定时器举例当前值的清除和触点的复位可用RST T指令软时钟举例 数据寄存器(D) 数据寄存器在模拟量测控及位置控制等场合用来存储数据和参数。 每个数据寄存器为16位存储单元，最高位为符号位，该位为0时数据为正数，该位为1时数据为负数。 两个相邻数据寄存器可以合并起来存放32位的双字数据。通过32位指令使用数据寄存器时，Dn与Dn+1 为处理对象，其中Dn存放32位数据的低16位，Dn+1存放高16位。 每个数据存储器存储数据的范围是3276832767，每个双字数据存储器存储数据的范围是21474836

32、482147483647。 图3.5 双字数据寄存器示意图 323 内部系统软元件 功能软元件包括FX功能输入元件(位软元件)、FY功能输出元件(位软元件)和FD功能寄存器(字软元件)。功能软元件是指在带变量的子程序中使用的软元件，在程序运行中进行形式参数和实际参数的信息交换。 功能输入用于将ON/OFF的状态数据从主程序传送至子程序；功能输出用于将子程序中的运算结果ON/OFF传送回主程序；功能寄存器将用于主程序和子程序之间字、双字等信息的交换。 特殊继电器(SM)是位软元件，用来表明CPU的状态，可以被用户程序访问使用。特殊继电器的用途如下： SM0 SM99 故障诊断用 SM100 SM129 串行通信用 SM200 SM399 系统信息 SM400 SM499 系统时钟/系统计数器 SM500 SM599 扫描信息 SM600 SM699 存储卡信息 SM700 SM7