三菱plcfx2n概述、工作原理.ppt

1、第一章 可编程控制器综述,西职院机电工程系,本章主要内容,西职院机电工程系,1969年时被称为可编程逻辑控制器，简称PLC (Programmable Logic Controller)。 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，称其为可编程控制器，简称PC (Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机 (Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。,1.1.1 可编程控制器名称的演变及定义,机电工程系,（1987年 国际电工委员会） 可编程序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

2、计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。,1.1.1 可编程控制器名称的演变及定义,机电工程系,1.1.1 可编程控制器名称的演变及定义,数字运算操作的电子系统也是一种计算机,定 义 中 强 调 了 PLC 是 :,面向用户指令编程方便,逻辑运算、顺序控制、定时计算和算术操作,专为在工业环境下应用而设计,数字量或模拟量输入输出控制,易与控制系统联成一体,易于扩充,机电工程系,1.1.2 可编程控制器的产生,20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、 接触器及其触点

3、按一定的逻辑关系连接起来组成控制 系统，控制各种机械设备，这是传统的继电器控制系 统。 它能完成逻辑“与”、“或”、“非”等运算功能，实现弱电对强电的控制，且由于它结构简单、容易掌握，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面很广，在工业控制领域中一直占有主导地位。,机电工程系,1.1.2 可编程控制器的产生,随着工业的发展，设备和 生产过程越来越复杂。复杂的 系统可能使用成百上千个各式 各样的继电器，并用成千上万 根导线以复杂的方式连接起来， 执行相应的复杂的控制任务。 作为单台装置，继电器本 身是比较可靠的。但是，对于 复杂的控制系统，继电器控制 系统存在几个明显的缺点:,灵活性差，总成本较高

4、,适应性差，接线复杂,体积大，不易维修,机电工程系,1.1968年，美国最大的汽车制造厂家通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即 编程简单，可在现场修改程序 维护方便，最好是插件式 可靠性高于继电器控制柜 体积小于继电器控制柜 可将数据直接送入管理计算机 在成本上可与继电器控制柜竞争 输入可以是交流115V 输出是交流115V，2A以上，可直接驱动电磁阀 在扩展时，原有系统只要很小变更 用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节,1.1.2 可编程控制器的产生,机电工程系,用户迫切需要一种先进的自动控制装置,继电器控制系统,先进自动控制系统,1.1.2 可编程控制器的产生,机电

5、工程系,1.1.2 可编程控制器的产生,对先进自动控制装置提出设想： 把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器 控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结 合起来，制成一种通用控制装置。把计算机的编程方 法和程序输入方式加以简化，采用面向控制过程、面 向对象的语言编程。,工业控制单板机（计算机） 继电器控制系统 先进控制装置,机电工程系,2. 1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台 PLC ，型号为PDP-14。 3. 1969年，美国哥德公司（GOULD）把PLC商品化，型号为084。 4. 1971年，日本研制出第一台PLC，型号为DSC-8。 5. 1973年，德国西门

6、子公司（SIEMENS）研制出第一台PLC，型号为SIMATIC S4。 6. 我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。,1.1.2 可编程控制器的产生,机电工程系,1.早期的PLC (20世纪60年代末至70年代中期） 早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这时的PLC主要是作为继电器控制装置的替代物而出现的，其主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等功能，将继电器的“硬接线”控制方式变为“软接线”方式。 早期的PLC在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还

7、采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。 在软件编程方面，采用了广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式，即梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障指示、能重复使用等。梯形图作为PLC特有的编程语言一直沿用至今。,1.1.3 可编程控制器的发展,机电工程系,2.中期的PLC（20世纪70年代中期至80年代中、后期） 20世纪70年代初期，出现了微处理器，由于其体积小、功能强、价格便宜，很快被用于PLC.美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元(CPU）， 使PLC的功能增强、工作速度加快、体积

8、减小、可靠性提高、成本下降。 在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，中期的PLC增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块；扩大了存储器的容量，增加了各种逻辑线圈的数量；还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC应用范围得以扩大。 在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，中期的PLC还增加了算术运算、数据处理和传送、通信、自诊断等功能，指令系统大为丰富，系统可靠性也得到了提高。,1.1.3 可编程控制器的发展,机电工程系,3.近期的PLC（20世纪80年代中、后期至今） 进入20世纪80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，

9、使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC在软、硬件功能上都发生了巨大变化。 现代PLC不仅能够完全胜任对大量开关量信号的逻辑控制功能，还具有了很强的数学运算、数据处理、运动控制、PID控制等模拟量信号处理能力。同时PLC的联网通讯能力大大增强，可以构成功能完善的分布式控制系统，实现工厂自动化管理。在发达的工业化国家，现代PLC广泛应用在所有的工业部门。,1.1.3 可编程控制器的发展,机电工程系,三菱电机公司： F，FX，A，K等系列。 立石公司： D、E等系列。 东芝公司：EX等系列

10、富士电机公司： HDC和MICREX-F50等系列。,通用电气公司 （GE）： SERIES，GE等系列。 德州仪器公司： TI和PM等系列。 哥德公司： MICRD等系列。,西门子公司 （SIMENS）： SIMATIC S5、S7等系列。 AEG公司： A系列等,1.1.4 常见的可编程控制器,机电工程系,三菱PLC外形图,Q系列PLC,FX2N系列PLC,FX1N系列PLC,FX1S系列PLC,机电工程系,西门子PLC外形图,S7-200系列PLC,S7-300系列PLC,S7-400系列PLC,机电工程系,欧姆龙PLC外形图,C200H系列PLC,CPM1A、CPM2A系列PLC,机电

11、工程系,1.2.1可编程控制器与继电器的联系与区别,下面以一个启、保、停电路为例介绍可编程控制器的特点。,机电工程系,1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别,下面以一个启、保、停电路为例介绍可编程控制器的特点。,机电工程系,外接线改变了。梯形图也发生了变化。,1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别,机电工程系,如果输入信号只能由常开触点提供，梯形图中的触点类型与继电器电路的触点类型完全一致。 如果接入PLC的是输入信号的常闭触点，这时在梯形图中所用的X1的触点的类型与PLC外接SB2的常开触点时刚好相反，与继电器电路图中的习惯也是相反的。建议尽可能采用常开触点作为PLC的输入信号。

12、,1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别,常闭触点输入信号的处理:,机电工程系,从控制系统上比较,1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别,机电工程系,从编程语言上比较 继电器控制线路图中的继电器都是实际存在的物理继电器，PLC梯形图中的继电器是“软”继电器。 继电器控制线路分析时用到动合动断的概念，PLC梯形图中仍然保留了这些概念。 继电器的触点个数是有限的，而PLC的触点可以无限次地使用。 继电器线路中的母线要接电源，而PLC的母线并不接电源。 继电器接触器控制线路的触点状态取决于其线圈中有无电流流过，在继电器控制电路中，若不接接触器线圈，只接其触点，则触点永远不会动作。PLC中

13、输入继电器由外部信号驱动，梯形图中只是用输入继电器的触点，而不出现它的线圈。,1.2.1 可编程控制器与继电器的联系与区别,机电工程系,1.2.2 PLC的特点,抗干扰能力强，可靠性高 灵活性和通用性强 编程语言简单易学，编程方法简单 PLC与外部设备的连接简单、使用方便 体积小、结构紧凑，易于实现机电一体化，安装、维护方便 设计、施工、调试周期短,机电工程系,1.3.1 根据I/O点数分类,大型机,机电工程系,1.3.2 根据结构形式分类,整体式,模块式,叠装式,机电工程系,整体式： 特点：整体式PLC结构紧凑，体积小，重量轻，价 格低，容易装配在工业控制设备的内部， 比较合适于生产机械的单

14、机控制。整体式 PLC的缺点是主机的I/O点数固定，使用不 够灵活，维修也较麻烦。如:C20P、C40P、 C60P和三菱公司的F1系列等。 示例图片,1.3.2 根据结构形式分类,机电工程系,电源输入端子（L、N接地）,输入端子（X0X7、 X10 X17、X20 X27、X30 X37、COM）,输入LED指示灯,PLC状态指示灯,输出LED指示灯,输出端子（ Y0Y7、 Y10 Y17、Y20 Y27、Y30 Y37、COM ）,存储器 串行通信口,1.3.2 根据结构形式分类,整体式：,机电工程系,1.3.2 根据结构形式分类,模块式： 特点：这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设

15、置，如电源模板、CPU模板、输入模板、输 出模板及其它职能模板等。这种结构的PLC 配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩 展，可根据控制要求灵活配置所需模板， 构成功能不同的各种控制系统。缺点是结 构复杂，各种插件多，因而增加了造价。 如：S7-300 S7-400。 示例图片,机电工程系,1.3.2 根据结构形式分类,模块式：,机电工程系,1.3.2 根据结构形式分类,叠装式： 特点：叠装式结构是整体式和模块式相结合的产物。 把某一系列可编程控制器工作单元的外形都做 成尺寸一致的，CPU、I/O及电源也可做成独立 的，不使用模块式可编程控制器中的母板，采 用电缆联接各个单元，在控制设备中安装

16、时可 以一层层地叠装，这就是叠装式可编程控制器。 如三菱公司的FX系列、西门子公司的S7-200型 等，均是叠装式都属于整体式可编程控制器。 示例图片,机电工程系,1.3.2 根据结构形式分类,叠装式：,机电工程系,1.3.3 根据用途分类,用于顺序逻辑控制 用于闭环过程控制 用于多级分布式和集散控制系统 用于机械加工的数字控制和机器人控制,机电工程系,1.3.4 根据功能分类,低档机,中档机,高档机,机电工程系,1.4 可编程控制器的应用和发展趋势,可编程控制器的应用 电力工业：输煤系统控制，锅炉燃烧管理，灰渣和飞灰处理系统，汽轮机和锅炉的启停程序控制，化学补给水、冷凝水和废水的程序控制，锅

17、炉缺水报警控制，水塔水位远程控制等。 机械工业：数控机床，自动装卸机，移送机械，工业用机器人控制，自动仓库控制，铸造控制，热处理，输送带控制，自动电镀生产线程序控制等。 汽车工业：移送机械控制，自动焊接控制，装配生产线控制，铸造控制，喷漆流水线控制等。 钢铁工业：加热炉控制，高炉上料、配料控制，钢板卷取控制，飞剪控制，料场进料、出料自动分配控制，包装和搬运控制，翻砂造型控制等。,机电工程系,可编程控制器的应用 化学工业：化学反应槽批量控制，化学水净化处理，自动配料，化工流程控制，汽囊硫化机控制，煤气燃烧控制，V带单鼓成型机控制等。 食品工业：发酵罐过程控制，配比控制，净洗控制，包装机控制，搅拌

18、控制等。 造纸工业：纸浆搅拌控制，抄纸机控制，卷取机控制等。 轻工业：玻璃瓶厂炉子配料及自动制瓶控制，注塑机程序控制，搪瓷喷花控制，制鞋生产线控制，啤酒瓶贴标机控制等。 纺织工业：手套机程序控制，落纱机控制，高温高压染缸群控，羊毛衫针织横机程控等。,1.4 可编程控制器的应用和发展趋势,机电工程系,可编程控制器的应用 建材工业：水泥生产工艺控制，水泥配料及水泥包装等。 公用事业：大楼电梯控制，大楼防灾机械控制，剧场、舞台灯光控制，隧道排气控制，新闻转播控制等。 交通运输业：电动轮胎起重机控制，交通灯控制，汽车发电机力矩和转速校验，电梯控制等。 木材加工：单板干燥机控制，人造板生产线控制，胶板热

19、压机控制等。,1.4 可编程控制器的应用和发展趋势,机电工程系,可编程控制器的发展趋势 向小型化、微型化和大型化、多功能两个方向发展 过程控制功能不断增强 大力开发智能型I/O模块 与个人计算机日益紧密结合 编程语言趋向标准化 通信与联网能力不断增强,1.4 可编程控制器的应用和发展趋势,机电工程系,1.5 可编程控制器的性能指标,输入/输出点数（I/O点数）。 扫描速度。 内存容量。 指令执行时间。 指令系统。 内部寄存器。 其他(输入/输出方式、软件支持、高功能模块、网络功能、通信功能、远程I/O、工作环境和电源等级等 )。,Thank You !,第二章 可编程控制器系统构成和工作原理,

20、郑州华信学院机电工程系,机电工程系,2.1可编程控制器的硬件组成,1、可编程控制器的硬件系统,机电工程系,2.1可编程控制器的硬件组成,串口通讯,CPU,模拟量输出,开关量输出,模拟量输入,开关量输入,机电工程系,输出部件,中央处理单元（CPU） 控制器的核心,输入部件,（I/O部件）,连接现场设备与CPU之间的接口电路,电源部件 为PLC内部电路提供能源,存储器 存放用户程序和系统程序。,编程器 编写PLC用户程序,输出部件,中央处理单元（CPU） 控制器的核心,输入部件,连接现场设备与CPU之间的接口电路,电源部件 为PLC内部电路提供能源,存储器 存放用户程序和系统程序。,编程器 编写P

21、LC用户程序,1）硬件组成,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系, PLC中常采用的CPU有三类： 通用微处理器 （如Z8086、80186、80286等） 单片微处理器 （MCS-51 MCS-96等） 位片式微处理器 (如AMD2900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。,CPU,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归

22、纳起来主要有以下五个方面：,1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据,2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等,3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据,4）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,5）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,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,存储器的作用： 在PLC中，存储器主要用于存储 系统程序、用户程序、用户数据等 存储器的类型： 可读/写操作的随机存储器RAM 只读存储器ROM、EPROM和EEPROM, 存储器,2.1可编程控制器的硬件组

23、成,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、或EPROM中，用户不能访问和修改。,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,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

24、的破坏，当用户程序经过运行正常，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。,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系, 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。 I / O 接口的作用： 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。 光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力 通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护,I/O接口模块,2.1.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,输入接口模块电路开关量输入接口电路：采用光

25、电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,开关量输出接口电路,继电器输出接口：（有触点输出方式） 响应速度慢、动作频率低，可驱动交流或直流负载 ，在输出量变化不频繁时使用。 晶体管输出接口：（无触点输出方式） 响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载，适用于输出量变化快的场合。 晶闸管输出接口：（无触点输出方式） 响应速度快、动作频率高， 只能用于驱动交流负载，适用于输出量变化快的场合。,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,继电器输出接口电路,2.1.1可编程控制器的硬件组成,机电

26、工程系,晶体管输出接口电路,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,晶闸管输出接口电路,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,模拟量接口电路,（1）模拟量输入接口：把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合PLC内部处理的有若干位二进制数字表示的信号标准的模拟量信号： 电流信号：420mA 电压信号：110V （2）模拟量输出接口：将PLC运算处理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的要求信号 （3）智能输入输出接口：自带CPU，由专门的处理能力，与主CPU配合共同完成控制任务，可减轻主CPU工作负担，又可提高系统的工作效率,2.1.1可编程控制器的硬件

27、组成,机电工程系,PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备（传感器）提供标准电源。,PLC的电源模块,2.1可编程控制器的硬件组成,机电工程系,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。 简易编程器 专用编程器 编程器 智能编程器 通用编程系统：PC上配专用编程软件包,2.1可编程控制器的硬件组成,机电

28、工程系,PLC的编程语言（IEC61131-3中的5种PLC基本语言） 顺序功能图（SFC）：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（LD）：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（IL）：类似汇编程序的基于文本的语言与其相对应的是LD。 逻辑功能图：一种逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，这种编程语言基本上沿用了逻辑电路的逻辑方块图。 高级语言：类似C语言的基于文本的语言,2.1.2 可编程控制器的软件系统,机电工程系,2.2 可编程控制器的工作原理,机电工程系,2.2 可编程控制器的工作原理,一、PLC 控制系统的等效工作电路,SB1,S

29、B2,FR,KM,KM,PLC通过程序的执行来实现以上的起动，自锁，停止电路，我们今后把这种典型电路叫做起保停电路。,机电工程系,2.2 可编程控制器的工作原理,1、输入电路 外部输入电路 输入接线端子 输入继电器 2、内部控制电路 由用户程序形成的用软继电器代替硬继电器的控制逻辑。 3、输出电路 驱动外部负载的电路的电源必须有外部电源提供，电源的种类和规格可根据负载的要求去配备。,机电工程系,2.2 可编程控制器的工作原理,二、可编程控制器的工作特点及工作过程 与计算机显著区别是： 1、周期性循环扫描 2、集中批处理,机电工程系,1.5 可编程控制器的性能指标,机电工程系,1.5 可编程控制

30、器的性能指标,1、 扫描的定义： 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。,机电工程系,1.5 可编程控制器的性能指标,2. PLC的扫描工作过程,检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作,与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信,按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器,对用户程序扫描执行 ，并将结果存入相应的寄存器,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,内部处理,通讯服务,输入刷新,程序执行,输出刷新,机电工程系,1.5 可编程控

31、制器的性能指标,信号传递过程(从输入到输出),输入端,输入电路,输入映像寄存器,输入刷新阶段-CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；,b.程序执行阶段 - CPU从输入映像寄存器和元 件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据 此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映 像寄存器中；,c. 紧接着的输出刷新阶段-将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递输出端子，从而控制外接器件动作。,元件映像寄存器,读,写,输出锁存器,输出电路,输入端,读,写,机电工程系,1.5 可编程控制器的性能指标,PLC的工作过程以循环扫描的方式，其 运行周期可分为3个阶段: 输入采样阶段：PLC逐个扫描每个 输入端口，将所有输入设备的当前状态 保存相应的存储区又称输入映像寄存器， 在一个扫描周期中状态保持不变，直至 下个扫描周期又开始采样。,机电工程系,2.2 可编程控制器的工作原理,程序执行阶段： PLC采样完成后进入程序执行阶段。CPU从用户程序 存储区逐条读取用户指令，经解释后执行，产生的 结果送入输出映像寄存器，并更新。也就是说，