8项目-PLC的硬件认识

模块三PLC的认知项目八

PLC及其硬件认知项目九

PLC及其软件认知项目八PLC及其硬件认知8.1

项目导入在PLC出现前，工业电气控制领域中，继电控制系统占主导地位，但是电气控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。为此，在20世纪60年代末期，PLC第一次被提出。1968年，美国通用汽车公司为适应汽车型号的不断更新和生产工艺的不断变化，要求开发一种新型工业控制器，并提出了十项设计指标：①编程方便，现场可修改程序；②维修方便，采用插件式结构；③可靠性高于继电控制盘；④体积小于继电控制盘；⑤数据可直接送入管理计算机；⑥成本可与继电控制盘竞争；⑦输入可为市电；⑧输出可为市电，输出电流在2A以上，可直接驱动电磁阀、接触器等；⑨系统扩展时原系统变更很少；⑩用户程序存储器容量大于4KB。8.1.1.PLC的产生及发展历程1.PLC的产生美国通用汽车公司从用户角度提出上述研制新型控制器的条件后，立即引起了开发热潮。1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台可编程序控制器，称作ProgrammableLogicController，简称PLC，这台PLC机立即被应用于通用汽车公司的汽车自动装配线上，试用获得成功。早期的可编程控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术发展的大门。2.PLC的定义1987年国际电工委员会颁布了PLC的最新定义：PLC是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程序的存储器，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，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。国际电工学会对可编程控制器所作的定义中有几点值得注意：强调了PLC带有“可编制程序的存储器”，可以“执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作”功能。具有计算机的基本特性“专为工业环境下应用而设计”，在控制“机械或生产过程”的同时能“易于与工业控制系统形成一个整体”具备能适应工业环境的特殊构造

能“控制各种类型的机械或生产过程”，并且“易于扩充其功能”。

PLC作为专为工业环境下应用而设计的通用工业控制计算机，用户的应用程序可以根据控制对象的不同要求，方便、灵活地让使用者对已经编制好的程序进行修改或技术革新的改进，以适用于各种工业场合。3.

PLC的发展历程从控制功能来看，可编程控制器的发展大致经历了4个阶段：从第一台可编程控制器问世直到20世纪70年代中期，称为PLC发展的初级阶段。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，初级阶段的主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电路构成。（1）初级阶段第一阶段已经采用了梯形图语言作为编程方式，尽管有些枯燥，但却形成了工厂的编程标准。从20世纪70年代中期到70年代末期，是可编程控制器发展中的扩展阶段。为方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用可编程控制器技术，PLC采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的微处理器技术已经应用到PLC中，使其增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置，使PLC产品的控制功能得到进一步扩大发展，成为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。（2）扩展阶段通信阶段初期是从20世纪70年代末期到80年代中期。，计算机技术的全面引入使PLC功能发生了质的飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了可编程控制器在现代工业中的地位。80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用：从汽车行业迅速扩展到其它行业，作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。这个时期可编程控制器产品与计算机通信形成了分布式通信网络。但是，由于各制造商各自为政，通信系统也是各有各的规范。（3）通信阶段开放阶段初期从20世纪80年代中期开始。由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI，使PLC技术在开放功能上有较大发展。主要表现为通信协议开始标准化，各制造厂商的产品可以通信，通信系统的开放，使用户得益。此外，PLC开始采用标准化软件系统，增加高级语言编程，并完成了编程语言的标准化工作。（4）开放阶段这一阶段的产品主要有德国西门子公司的S7系列，美国AB公司的PLC-5系列，SLC500系列，德维森的V80和PPC11系列，日本三菱公司的FX系列PLC和欧姆龙集团的欧姆龙系列PLC等。目前国际PLC市场的三大流派产品美国ABPLC产品美国GEPLC产品德国西门子

PLC产品日本三菱PLC产品日本欧姆龙PLC产品PLC在工业控制领域的应用越来越宽广，既有单机做为继电器逻辑电路的替代品，又有作为设备控制的核心部件。而且随着自动化程度的提高，PLC既可做为现场控制的部件，又可作为更高一级的管理控制部件。而且随着网络技术的发展，它又衍生出了网络功能。所有这一切，不仅要求PLC具有相应的硬件功能，而且要求它的软件技术也要获得相应的发展。4.PLC的发展趋势0102030405PLC的发展趋势可概括为如下几点：4.PLC的发展趋势向高集成高性能高速度大容量发展向普及化方向发展向模块化智能化发展向软件化发展向通信网络化发展8.1.2

PLC的控制系统及其特点PLC控制系统并不复杂，图中点动按钮接于PLC的输入继电器的线圈X000，接触器的线圈接PLC的输出继电器的线圈Y000。PLC程序实现逻辑控制，并通过输出接口控制接触器的通、断，从而控制电动机的工作状态。PLC控制系统的特点01可靠性高抗干扰能力强02编程简单使用方便03功能完善通用性强04设计安装简单维护方便05体积小重量轻能耗低PLC控制系统是利用PLC内存中的“软继电器”取代传统的物理继电器，以软件取代硬件接线实现逻辑控制的。其系统特点为：8.1.3PLC控制技术的功能PLC是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，它以微处理器为核心、把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体，广泛应用在各种生产机械和生产过程的自动控制中。从应用类型上看，PLC的基本功能可归纳为以下几个方面：1.开关量逻辑控制功能开关量的逻辑控制是PLC最基本的功能。其应用如下：机床印刷机械装配生产线电梯2.运动控制功能PLC控制技术可以用于圆周运动或直线运动的控制。世界上大多数PLC生产厂家的产品几乎都配备拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块，使其广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等的运动控制。旋转运动实例—洗车直线运动实例—机械手3.闭环过程控制功能

作为工业控制计算机的PLC，能够编制各种各样的控制算法程序构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。4.数据处理功能现代PLC都具有数学运算、数据传送、数据转换、排序、查表和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如：数控送料机造纸业冶金业等PLC通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信。5.通信及联网功能PLC在计算机集成制造系统中的应用8.2.1

三菱PLC型号的认识及I/O接线8.2相关知识1.三菱PLC型号的认识表示产品系列序号，目前FX系列PLC常用产品的系列序号中有2C、2N、2NC、3U、3UC、3G等。表示PLC产品的I/O总点数。FX3U系列PLC产品的I/O总点数范围为16～384个。表示产品的单元类型：M表示基本单元；E表示输入/输出混合扩展单元及扩展模块；EX表示输入专用扩展模块；EY表示输出专用扩展模块。产品输出形式：R－继电器输出；T－晶体管输出；S－晶闸管输出。表示特殊品种的区别：D表示直流电源。如果没有标记，说明该产品为交流电源。例如，某产品型号为FX3U-48MRD，根据上面解释可知，该产品为FX3U系列，I/O总点数为48点，继电器输出方式，采用直流24V电源，直流输入的基本单元。再如，某PLC产品型号为FX-4EYSH，根据上面解释可知，该产品为FX系列，I/O总点数为4点，其中输入点数为0，输出点数为4，晶闸管输出方式，大电流输出扩展模块。2.三菱PLC的I/O接线方法电源输入端子L、N、接地输入端子X0～X7、X10～X17、X20～X27……、公共端子COM通信接口输出端子Y0～Y7、Y10～Y17、Y20～Y27……、公共端子COM输入LED显示区输出LED显示区PLC状态指示区PLC型号由图可看出：PLC产品的接线区域有上下两个部分，上半部是输入端子，下半部是输出端子。（1）PLC输入端的接线说明工程实际中，一般输入设备不可能都与PLC主机的直流电源相连，而且PLC的多个输入端共用一个COM端，也不可能在一个端子上连接几根甚至十几根导线，所以，通常要通过端子排连线。（2）PLC输出端的接线说明PLC输出端子接线时，可把各个输出端子Y看作是一个个的输出继电器。例如：当程序驱动Y5线圈得电时，Y5线圈就会驱动外部相连接的设备KM2的线圈得电了。8.2.2

PLC的硬件组成PLC的硬件是指可以看得着的部分：核心元件CPU、存放系统程序及用户程序的存储器ROM和RAM、连接现场输入/输出设备与CPU之间的I/O单元、用于与编程器、上位计算机等外设连接的通信接口、扩展接口、电源等部分组成。

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢，相当于人的大脑。CPU由运算器和控制器组成。其中运算器执行算术运算、逻辑运算浮点运算等；控制器控制整机各部分的协调工作。1.中央处理单元CPUCPU在PLC中起什么作用？CPU按照PLC系统程序赋予的功能接收并储存用户程序和数据，并存入规定的寄存器中。当PLC上电后，CPU用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据；运行时，CPU执行用户程序，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路；同时CPU响应外部设备的中断要求，进行程序规定的逻辑运算和数据处理。CPU确定了PLC进行控制的规模、工作速度、内存容量等。

2.存储器存储器分系统程序存储器、用户程序存储器两大类。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序，内容不可更改，断电不消失，由只读存储器EPROM组成。系统程序质量的好坏，很大程序上决定了PLC的性能。2.存储器PLC的用户程序存储器包含用户程序存储器和工作数据存储器。其中用户程序随PLC的控制对象而定，由用户根据对象生产工艺的控制要求而编写。用户程序存储区一般存于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。当用户程序运行正常，不需要改变时，可将其固化在EPROM中。现有许多PLC直接采用EEPROM用为用户程序存储器。用户存储器还可用来存储工作数据，工作数据区中开辟有元件映象寄存器和数据表，是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据，存放在RAM中，以适应随机存取的要求，部分数据在掉电时用后备锂电池维持其现有状态。2.存储器3.I/O单元I/O单元也叫I/O模块，是PLC与外部设备连接的接口。PLC处理的信号只能是标准电平，因此现场的输入信号、如按钮、开关、行程开关、限位开关以及传感器输出的开关量，需要通过输入单元的转换和处理才可以传送给CPU。PLC处理的输出信号，只有通过输出单元的转换和处理，才能将处理结果送给被控对象，以实现对受控设备电磁阀、接触器、电动机等执行机构驱动的目的。智能I/O接口PLC通过智能I/O接口，可以与高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等相连。当PLC与这些智能接口电路连接后，通过总线与PLC主机相连，并进行数据交换。在PLC主机CPU的协调管理下独立地进行工作，这种专门的处理能力，与CPU主机配合共同完成控制任务，即可减轻主机CPU工作负担，又可提高系统的工作效率。4.电源单元小型整体式可编程控制器内部有一个开关式稳压电源。PLC的电源稳定性好、抗干扰能力强。对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24V200mA稳压电源，用于对外部传感器供电。5.扩展接口当PLC由于控制对象控制需求的点数比较多，主单元I/O点数不够，就需要增加扩展模块，由于扩展模块没有集成到基本单元上面，所以需要通过扩展接口将扩展单元与基本单元相连，以满足系统的控制要求。

6.存储器接口为了存储用户程序以及扩展用户程序存储区、数据参数存储区，PLC上还设有存储器扩展口，以根据使用的需要扩展存储器，其内部也要接到总线上。7.编程器接口PLC基本单元通常不带编程器，为了能对PLC进行现场编程及监控，PLC的基本单元专门设置有编程器接口，通过该接口可连接各种形式的编程装置，还可以利用该接口做一些监控工作。8.编程器PLC的专用编程器既可联机编程，又可脱机编程，能直接输入和编辑梯形图程序，使用更加直观、方便，但价格较高，操作比较复杂。大多数智能编程器带有磁盘驱动器，提供录音机接口和打印机接口。由于专用编程器价格高使用范围有限，目前大多采用以上位计算机为基础的编程装置。用户利用计算机功能强大的程序开发系统，既可以编制、修改PLC的梯形图程序，又可以监视系统运行、打印文件、系统仿真等。配上相应的软件后还可实现数据采集、分析等许多功能。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段，完成这三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度不断重复执行这三个阶段。PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，为可靠运行提供了保障。8.2.4PLC的工作原理当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。1.输入采样阶段PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映象寄存器中，此时输入映象寄存器被刷新。接着进入程序处理和执行阶段，在程序执行阶段，即使输入状态发生变化，输入映象寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。PLC的扫描工作过程分析本阶段，PLC总是按先左后右、先上后下的顺序对梯形图程序进行逻辑运算，根据运算结果刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新输出线圈在I/O映象区对应位的状态；或者确定是否执行该梯形图所规定的特殊功能指令。在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图程序，其执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图程序起作用；相反，排在下面的梯形图程序，被刷新的逻辑线圈状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在它上面的程序起作用。2.用户程序执行阶段当梯形图程序执行完毕，即扫描用户程序结束时，PLC立刻进入输出刷新阶段。输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。在这一阶段，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。3.输出刷新阶段PLC是采用“串行顺序扫描，不断重复循环”的方式进行工作的。在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。归纳

PLC的工作原理PLC的工作特点：可编程控制器的CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。串行扫描，不断循环

电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；但是PLC采用串行扫描工作方式，如果某个软继电器的线圈被接通或断开，它所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。实际工作中，由于PLC的扫描速度快，与电器控制装置的I/O处理结果上通常看不到有什么差别。8.2.4

PLC的运行过程1.上电处理PLC上电后对系统进行一次初始化工作，包括硬件初始化、I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。PLC上电处理完成后进入扫描工作过程。首先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。2.扫描过程PLC每扫描一次，就执行一次自诊断检查，以确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，并在特殊位存储器中存入出错代码，若出现致命错误时，PLC会被强制为STOP模式而停止扫描。3.出错处理8.2.5FX3U系列PLC的特点FX3U系列PLC是三菱公司开发的第3代小型PLC系列产品，是该公司CPU性能最高的小型PLC系列产品。FX3U系列PLC采用了基本单元加扩展单元的形式，可以兼容FX2N系列的全部功能。FX3U系列PLC的主要特点有以下几点：1.运算速度提高：FX3U系列PLC的基本逻辑指令的执行时间由FX2N系列PLC的0.08/μs条提高到了0.065/μs条，应用指令的执行时间由FX2N系列PLC的1.25/μs条提高到了0.642/μs条，运算速度提高了近1倍。2.I/O点数增加：FX3U系列PLC与FX2N系列PLC一样，采用了基本单元加扩展单元的结构形式，基本单元本身具有固定的I/O点，完全兼容了FX2N的全部扩展I/O模块，主机控制的I/O点数为256点，通过远程I/O连接，FX3U系列PLC的I/O点数可达384点。3.存储器容量扩大：FX3U系列PLC的用户程序存储器RAM的容量可达64KB，并可以采用“闪存（FLASHROM）”卡。4.通信功能增强：FX3U系列PLC在FX2N系列PLC的基础上增加了RS-422标准接口与网络连接的通信模块，以适合网络连接的需要。同时，通过转换装置还可以使用USB接口。5.高速读数功能：内置100kHz的6个点数的高速计数器以及