ch可编程控制器概述

《电气控制与

可编程控制器技术》

南京师范大学电气与自动化工程学院史国生制作（第二篇）第三版第二篇可编程控制器技术第五章可编程控制器概述主要内容第六章三菱FX2NPLC及其基本指令应用第七章三菱FX2NPLC的步进指令及状态编程法第八章三菱FX2NPLC应用指令及编程方法第九章可编程控制系统设计第十章三菱FX2NPLC的特殊功能模块及通信*第一节可编程控制器的基本概念

可编程序的逻辑控制器其英文是ProgrammablelogicController（简称为PLC），也常简称为可编程序控制器。

PLC定义如下：

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

PLC是最重要、最普及、应用场合最多的工业控制器。与机器人、CAD/CAM并称为工业生产自动化的三大支柱。第五章可编程控制器概述定义中有以下几点应值得注意的是：

（1）可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”，能够进行“逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算”工作。（2）可编程控制器是为”工业环境下应用”而设计的计算机。（3）可编程控制器能控制”各种类型“的工业设备及生产过程。它实质上是经过一次开发的工业控制用计算机。不经过二次开发，它就不能在任何具体的工业设备上使用。1968年美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标(著名的GM十条)：1）编程简单、现场可修改程序；2）维护方便、采用插件式结构；3）可靠性高于继电器控制系统；4）体积小于继电器控制系统；5）数据可以直接送入计算机；6）成本可与继电器系统竞争；7）输入可为市电；8）输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；9）通用性强、易于扩展；10）用户存储器大于4K。第二节可编程控制器的特点及应用一、PLC的特点（一）可靠性高，抗干扰能力强（二）配套齐全，功能完善，适用性强（三）易学易用，深受工程技术人员欢迎（四）系统设计周期短,维护方便,改造容易（五）体积小，重量轻，能耗低

二、可编程控制器的应用领域（一）开关量的逻辑控制（二）模拟量控制（三）运动（定位）控制（四）过程控制（五）数据处理（六）通信及联网

MPS生产加工系统智能群控电梯第三节可编程控制器的发展世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。

20世纪70年代初微处理器引入可编程控制器。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入了实用化发展阶段。

20世纪80年代初，可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。20世纪末期：从控制规模上来说，这个时期发展了大型及超小型机；

从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各种控制场合；

从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元，通讯单元，使应用更加容易。我国是20世纪80年代初引进、应用、研制和生产的。21世纪:在技术上，运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高的品种出现。在产品规模上，会进一步向超小型及超大型两个方向发展。在产品的配套性能上，产品的品种会更丰富、规格更齐备。从市场上看，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言。

从网络的发展状况来看，PLC和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。世界上PLC产品按地域分构成了三大流派：一个流派是美国产品；一个流派是欧洲产品；一个流派是亚洲的日本产品。美国和欧洲的PLC技术是在相互隔离的情况下研究开发的，因此美国和欧洲的PLC产品有明显的差异性。而日本的PLC技术是由美国引进的，对美国的PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品以小型PLC著称。第四节PLC的组成及其各部分功能硬件结构:中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I／O接口）、电源及编程设备。PLC编程器

（一）中央处理器（CPU）

中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。

（二）存储器

存储器是存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。可分为ROM和RAM两大类。

ROM是用来存放永久保存的系统程序。

RAM用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。机内RAM均配备了电池或电容等掉电保持装置，又分为程序区及数据区。程序区是用来存放用户（指令）程序的区域，一般有数千个字节。数据区是存放用户数据的区域。数据区数据单元也叫做寄存器或软继电器，如输入继电器、时间继电器、计数继电器等。不同用途的继电器在存储区中占有不同的区域和不同的地址编号。（三）输入输出接口

输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数。输出接口用来送出PLC运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。生产现场对可编程控制器接口的要求是：一要有较好的抗干扰能力二是能满足工业现场各类信号的匹配要求

1、开关量输入接口

把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。输入部件是开关、按钮、传感器等。开关量输入接口按可接收的外信号电源的类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路，具有抗干扰及产生标准信号的作用。在一般单元式可编程控制器中输入口都使用可编程控制器本身的直流电源供电，不再需要外接电源。

图5-2直流输入电路采用光电耦合器，防止强电干扰COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子内部电路3.3k1000PF470PLCXn+24V–

2、开关量输出接口

把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需要的开关量信号。输出部件是电磁阀、接触器、继电器。各类输出接口中也都具有光电耦合电路。输出接口本身不带电源。在考虑外驱动电源时，还需考虑PLC输出器件的类型。输出接口有继电器式、晶体管式和可控硅型。继电器输出均采用模块式。PLC输出以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路JYCOM+-交流电源或直流电源图5-5开关量输出电路

3、模拟量输入接口

把现场连续变化的模拟量标准电压或电流信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。在送入模拟量接口时一般都需经过变送处理才能使用，4-20mA电流，0-10V电压。4、模拟量输出接口

将PLC运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需要。模拟量输入输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。

5、智能输入输出单元（或模块）

PLC还有一些智能控制单元。如PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。这类单元大多是独立的工作单元。一般带有单独的CPU，有专门的处理能力。

（四）电源

可编程控制器的电源包括为可编程控制器各工作单元供电的开关电源以及为掉电保护电路供电的后备电源，后备电源一般为电池。一般市电（220）,直流24V，PLC有24V（DC直流）输出。（五）外部设备

1、编程器

编程器除了编程以外，还具有一定的调试及监控功能，能实现人机对话操作。可编程控制器的编程设备一般有二类，一类是专用的编程器，有手持式的，其优点是携蒂方便，也有台式的，有的PLC机自带编程器。另一类是个人计算机。动画演示2、其他外部设备（1）盒式磁带机，用以记录程序或信息。（2）打印机，用以打印程序或制表。（3）EPROM写入器，用以将程序写入到用户EPROM中。（4）高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态。第五节可编程控制器的结构及软件一、可编程控制器的结构

（一）按硬件的结构类型分类1.单元式结构把CPU、RAM、ROM、I／O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。称为基本单元。可选用能扩展一些I/O接口而不含CPU，含有电源的PLC装置，这种装置叫做扩展单元。小型机：一体机，有接口可扩展。

2.模块式结构

模块式结构又叫积木式结构。可根据需要在主板上随意组合，如CPU模块、输入模块、输出模块、通讯模块等等。中、大型机CPUPOWER中、大型机

3.叠装式结构

叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。把某个系列的PLC工作单元的外形都制作成一致的外观尺寸，用电缆联接各个单元，在控制设备中安装时可以一层层地叠装，就成了叠装式PLC。单元式PLC一般用于规模较小，输入输出点数固定，不需要扩展的场合。模块式PLC一般用于规模较大，输入输出点数较多，输入输出点数比例灵活的场合。叠装式PLC具有二者的优点，从近年来市场上看，单元式及模块式有结合为叠装式的趋势。

（二）按应用规模及功能分类

可编程控制器能够处理的输入信号数量是不一样的。一般将一路信号称作一个点，将输入点和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小（微）、小、中、大、超大等五种类型。见下表所示：二、可编程控制器的软件（一）可编程控制器的软件分类

1、系统软件

系统软件包含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。

2、应用软件

应用软件也叫用户软件。是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。使用导线连接继电-接触器来确定控制器件之间逻辑关系的方式叫做”接线逻辑”。用预先存储在PLC机内的程序实现某种逻辑控制功能，就是人们所指的”存储逻辑”。图5-12三地点控制异步电动机启/停的PLC控制方案及程序动画演示（二）应用软件编程语言的表达方式

1、梯形图（Ladderdiagram）梯形图语言是一种以图形符号及其在图中的相互关系表示控制关系的编程语言，是从继电器电路图演变过来的。是PLC编程语言中使用最广泛的一种语言。

2、指令表（Instructionlist）

指令表程序也叫做语句表程序,简称指令程序，是程序的另一种表示方法。语句表程序中语句指令依一定的顺序排列而成。一条指令一般由助记符和操作数二部分组成，有的指令只有助记符没有操作数，称为无操作数指令。指令表程序和梯形图程序有严格的对应关系。

3、顺序功能图（Sequentialfunctionchart）

顺序功能图(SFC)也称之为状态转移图,常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换条件三个要素。（四）功能块图（Functionblockdiagram）

功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言。用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动不可逆。如图5-14。（五）结构文本（StructuredText）

为了增强PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C语言等高级编程语言。这种编程方式叫作结构文本。以上的五种编程语言表达方式是由国际电工委员会（IEC）1994年5月在PLC标准中推荐的。并不是所有的PLC都支持全部的五种编程语言。第六节可编程控制器的工作原理

PLC系统工作任务管理及应用程序执行都是采用循环扫描的工作方式完成的。一、分时处理及扫描工作方式

PLC系统正常工作时要完成如下的任务：计算机内部各工作单元的调度、监控;

计算机与外部设备间的通讯；用户程序所要完成的工作。

1、输入处理阶段

也称输入采样阶段。在这个阶段中，可编程序控制器读入输入口的状态，并将它们存放在输入数据暂存区（也称输入映象寄存区）中。在输入处理阶段之后，即使输入口状态有变化，输入数据暂存区中的内容也不变，直到下一个扫描周期的输入处理阶段，才读入新的变化。

2、程序执行阶段

PLC根据输入处理阶段读入的输入数据，依用户程序的顺序逐条执行用户程序。执行的结果均存储在输出状态暂存区（也称输出映象寄存区）中。输出状态暂存区数据随着每次执行程序的过程也在变化。

3、输出处理阶段

也叫输出刷新阶段。这是程序执行周期的最后阶段。PLC将本次扫描周期中对用户程序执行的结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口的锁存器中，称为输出状态刷新。以上三个阶段是在一个扫描周期内分时完成的。为了连续地完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地依一定的顺序完成这一系列的具体工作。这种工作方式叫做循环扫描工作方式。PLC一次扫描过程示意图二、扫描周期及PLC的两种工作状态

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。

PLC处于运行状态时，是执行应用程序的状态；

PLC处于正常停止状态时，是用户编制和修改程序的状态。

PLC的运行与停止，用户可通过PLC的外部开关或编程软件的运行/停止指令选择控制。

PLC在RUN工作状态时，执行一次扫描操作所需的时间称为扫描周期。FX2N系列扫描周期为20ms—200ms。图5-15扫描过程示意图

运行和停止两种状态PLC不同的扫描过程。由图可知，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。

一般说来，一个扫描过程中，执行程序的时间占了绝大部分。指令执行所需的时间与用户程序的长短，指令的种类和CPU执行速度都有很大关系。三、输入输出滞后时间

输入输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起到它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止的时间间隔。例如：按SB1到Y000产生输出的时间。系统响应时间由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。

1)滤波时间

PLC的输入模块采用的是RC滤波,其典型值为10ms左右,也可根据要求修改滤波时间。

2)输出模块的滞后时间与输出所用的开关元件的类型有关:

输出开关元件若是继电器，负载被接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间约为10ms；

输出开关元件若是晶体管,输出电路的滞后时间一般在1ms左右，因此开关频率高。

3)扫描工作方式产生的滞后时间主要受程序编写的是否科学决定。优