欢迎学习《工厂电气控制与可编程控制器》下篇可编程控制器技术

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选用教材：

主讲：黄晓红 授课班级：电气033 2005.8-2006.1

可编程控制器 5 概述 6 基本逻辑指令 7 步进顺控指令 8 功能指令 9 PLC控制系统的设计与应用 10手持编程器及编程软件的使用

5 可编程序控制器概述 FX2N系列可编程序控制器是日本三菱公司继F1、F2、FX2系列可编程序控制器之后推出的新产品。它采用整体式结构，按功能可分为基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊适配器等四种类型产品。基本单元内有CPU、存储器、输入/输出(I/O)、电源等，是一个完整的PC机，可以单独使用。

可编程控制器的产生与发展 可编程控制器简称PLC，是20世纪70年代以来在继电—接触器控制系统中引入微型计算机控制技术后发展起来的一种新型工业控制设备。

它的引入避免了继电器控制系统的下列缺点： （1）硬接线电路的故障率高。（2）电器触头的使用寿命有限。（3）诊断、排除故障的速度慢。（4）以硬接线实现控制逻辑，当控制逻辑需要修改时难于改动接线。 PLC产品以软件控制取代了常规电气控制系统中的硬件控制，具有功能强，可靠性高，配置灵活，使用方便，体积小，重量轻等优点，目前已在工业生产的各个领域获得广泛使用，成为工业控制的支柱产品。

国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是： 可编程逻辑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、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出来控制各类机械的生产过程。可编程控制器及其有关外围设备都按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

现代可编程控制器产品的技术特点： （1）高可靠性与高抗干扰能力。PLC产品是专为工业控制环境设计的，机内采取了一系列抗干扰措施，其平均无故障时间可高达4～5万小时，远远超过采用硬接线的继电—接触器控制系统，也远远高于一般的计算机控制系统。 PLC产品在软件设计上采取了循环扫描、集中采样、集中输出的工作方式，设置了多种实时监控、自诊断、自保护、自恢复程序；在硬件设计上采用了屏蔽、隔离、滤波、联锁等抗干扰电路结构，并实现了整体结构的模块化。 PLC适应于恶劣的工业环境，这是它优于普通微机控制系统的首要特点。

（2）通用、灵活、 方便。PLC作为专用微机控制系统产品，采用了标准化的通用模块结构，其I/O电路又采用了足够的抗干扰设计，既可以使用模拟量，也可以使用开关量，现场信号可以直接接入，用户不需要进行硬件的二次开发，控制规模又可以根据控制对象的信号数量与所需功能进行灵活方便的模块组合，具有接线简单，使用、维护十分方便的优点。

（3）编程简单，易于掌握。 这是PLC产品优于普通微机控制系统的另一个特点。可编程控制器的程序编写一般不需要高级语言，其通常使用的梯形图语言类似于继电器控制原理图，使未掌握专门计算机知识的现场工程技术人员也可以很快熟悉和使用，这种面向问题和控制过程的编程语言直观、清晰、修改方便且易于掌握。当然，不同机型PLC在编程语言上是多样化的，但同一档次不同机型的控制功能可以十分方便地相互转换。 

（4）开发周期短。 设计一套常规继电器控制系统需顺序进行电路设计、安装接线、逻辑调试三个步骤，只有进行完前一步才能进入下一步，开发周期长，线路修改困难，工程越大这一缺点就越明显。而使用PLC完成一套电气控制系统，只要电气总体设计完成， I/O点分配完毕，软件设计模拟调试与硬件设计施工就可以同时分别进行。在软件调试方面，控制程序可以反复修改；在硬件施工方面，安装接线只涉及输入和输出装置，不涉及复杂的继电器控制线路，硬件投资较少，故障率低。在软、硬件分别完成之后的正式调试中，控制逻辑的修改也仅涉及软件修改，大大缩短了开发周期。

（5）功能强，体积小，重量轻。 由于PLC产品是以微型计算机为核心的，所以具有许多计算机控制系统的优越性。以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可编程控制器为例，该PLC的外型尺寸是87 mm×40 mm×90 mm，重量0.65 kg，内部包含各类继电器3228个，状态寄存器1000个，定时器256个，计数器241个，数据寄存器8122个，耗电量为150 W，其应用指令包括程序控制、传送比较、四则逻辑运算、移位、数据（包括模拟量）处理等多种功能，指令执行时间为每步小于0.1 μs，无论在体积、重量上，还是在执行速度、控制功能上，都是常规继电器控制系统所无法相比的。

PLC产品按I/O点数和存储容量可分为小型、中型和大型PLC三个等级。小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量为2 k步，具有逻辑控制、定时、计数等功能，目前的小型PLC产品也具有算术运算、数据通信和模拟量处理功能。中型PLC的I/O点数在256～2048点之间，存储容量为2～8 k步，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能，用于多种开关量、多通道模拟量或数字量与模拟量混合控制的复杂控制系统。

大型PLC的I/O点数在2048点以上，存储容量达8 k步以上，具有逻辑运算、算术运算、模拟量处理、联网通信、监视记录、打印等功能，有中断、智能控制、远程控制能力，可完成大规模的过程控制，也可构成分布式控制网络，完成整个工厂的网络化自动控制。

基本单元型号表示方法： FX2N－××M× ｜｜　　 1 2 式中，1部分用两位数表示输入/输出(I/O)的总点数，有16、24、32、48、64和80六种；2部分用字符表示输出类型：R表示继电器触点输出，T表示晶体管输出，S表示双向晶闸管输出。例如，FX2N-32MR表示是FX2N系列的基本单元，输入/输出(I/O)总点数为32点，其中16点为直流24 V输入，16点为继电器输出。

PLC的基本组成与功能 PLC实质上是一种为工业控制而设计的专用微机控制系统，因此其硬件结构与微型计算机控制系统相似，但输入、输出电路要求具有更强的抗干扰能力。一套可编程控制器在硬件上由基本单元（主机）、 I/O扩展单元及外围设备组成，通过各自的端口连成一个整体。图5-1为PLC的硬件结构图。

图 5-1 PLC的硬件结构图

1． PLC基本单元 PLC基本单元是以CPU为核心的一台工业控制专用微机系统，主要由CPU、存储器和I/O接口电路组成。 CPU的功能是：（1）接收编程器、 PC机或其他外围设备输入的用户程序、数据等信息。（2）扫描接收现场输入信号，并存入指定内部继电器或寄存器。（3）读取、解释用户程序，执行用户控制程序，获得正确的逻辑运算或算术运算结果。

（4） 更新有关的内部继电器或寄存器，并将运算结果传送至输出电路，以实现对现场设备的准确动作控制。（5）如需输出打印或状态监控，还需将有关信息传送至外围设备。不同档次的PLC产品内部使用的CPU芯片差异较大，三菱公司FX2系列小型PLC使用的微处理器是16位8096单片机，美国AB公司的PLC-3型大型PLC采用的微处理器是ADM-2900高速芯片。

存储器的功能是： （1）系统存储器（ROM区）用于储存PLC产品生产厂编写的各种系统工作程序，用户不能更改或调用。（2）用户存储器（RAM区）用来储存用户编写的控制程序和用户数据，该区域用户可读可写，可随意增加或删减。在PLC中一般采用锂电池对用户程序进行掉电保护（一般能保持5～10年，经常带负载可保存2～5年）。

I/O接口电路的功能是： （1）输入接口电路的作用是将来自现场设备的输入信号通过电平变换、速度匹配、信号隔离和功率放大，转换成可供CPU处理的标准电平信号。图5-2为PLC产品中常见的一种直流24 V传感器输入电路。如输入器件为按钮、开关类无源器件， +24 V端子仍需接24 V电源，但输入按钮或开关则可直接连在输入端子和COM端之间，电路更为简单。只要程序运行， PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。

图5-2 直流24 V输入电路

（2） 输出接口电路的作用是将CPU的程序运行结果经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态。基本单元上的输出信号一般为开关量，输出接口电路分继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种。

图5-3 PLC的输出接口电路 (a) 继电器输出型； (b) 晶体管输出型； (c) 晶闸管输出型

2． PLC的扩展单元 每个系列的PLC产品都有一系列与基本单元相匹配的扩展单元，以便根据所控制对象的控制规模大小来灵活组成电气控制系统。扩展单元内部不配备CPU和存储器，仅扩展输入/输出电路，各扩展单元的输入信息经扩展连接电缆进入主机总线，由主机的CPU统一处理，执行程序后，需要输出的信息也由扩展连接电缆送至各扩展单元的输出电路。 PLC处理模拟量输入/输出信号时，要使用模拟量扩展单元，这时的输入接口电路为A/D转换电路，输出接口电路为D/A转换电路。

3． PLC的外围设备 小型PLC最常用的外围设备是编程器和PC机。编程器的功能是完成用户程序的编制、编辑、输入主机、调试和执行状态监控，是PLC系统故障分析和诊断的重要工具。 PLC的编程器主要由键盘、显示屏、工作方式选择开关和外存储器接口等部件组成，按功能可分为简易型和智能型两大类。以三菱FX2N系列PLC为例，它可以使用手持式简易编程器FX2N-20P-E-SETO编程，也可以使用更高级的智能型图形编程器GP-80FX-E来编程，后者的功能更强，但价格更高。

由于PLC产品一般在程序调试或需要监控时才插上编程器， 当电气控制系统正常运行时不必使用编程器，所以目前对PLC编程在许多场合采用了个人电脑（装载专用编程软件）加PC-PLC专用连接电缆，而不使用专用编程器的编程方法，即用计算机键盘通过屏幕对话完成图形编程、图形显示、通信联网、修改调试、输出打印等任务。目前各PLC公司均开发有相应的编程软件，另外，利用个人电脑还可以运行更多的工业控制软件。

图5-4为三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元示意图。 图中FX2N-32MR为基本单元，带有32个I/O点（16入16出）， M表示主机， R表示该单元为继电器输出型； FX2N-32ER为32点开关量扩展单元， E表示该单元为扩展单元； FX2N-2AD为两路模拟量输入扩展单元； FX2N-2DA为两路模拟量输出扩展单元。 PLC产品的扩展单元种类很多，扩展单元的功能及与主机的配合细节可查阅有关手册。

图 5-4 三菱FX2N小型PLC产品示意图

PLC的性能规格与内部资源 PLC的性能规格 FX2N系列PLC的性能规格如下表所示。

FX2N系列PLC的主要技术性能

续表

FX2N系列输入类型为直流输入，采用直流(DC 24 V)供电。输出类型有继电器、晶体管、双向晶闸管三种输出形式。继电器输出可靠性高，价格低，适用电压范围广，既可控制交流负载又可控制直流负载，因而使用广泛；但因为有触点输出，尤其在感性负载时继电器触点寿命较短，动作响应时间较长(10 ms以下)，因而不适应要求高速通断、快速响应的工作场合。晶体管输出是无触点输出，动作响应时间短(0.5 ms以下)，用于控制直流负载。双向晶闸管输出亦是无触点输出，动作响应时间较短，用于控制交流负载。晶体管和双向晶闸管输出过载、过压能力较差，价格高，因而适应于要求高速通断、快速响应的工作场合。

PLC的内部资源 各种不同型号和档次的PLC具有不同数量和功能的内部资源，但构成PLC基本特征的内部软元件是类似的。现以 FX2N系列小型PLC为例，介绍PLC的内部资源。

PLC是按照电气继电控制线路的设计思想，借助于大规模集成电路和计算机技术开发的一种新型工业控制器。使用者可以不必考虑PC内部元器件的具体组成线路，可以将PC看成是由各种功能元器件组成的工业控制器，利用编程语言对这些元器件线圈、触点进行编程以达到控制要求，为此使用者必须熟悉和掌握这些元器件的功能、编号及其使用方法。每种元器件都用特定的字母来表示，如X表示输入继电器、Y表示输出继电器、M表示辅助继电器、T表示定时器、C表示计数器、S表示状态元件等，并对这些元器件给予规定的编号。PLC是按照电气继电控制线路的设计思想，借助于大规模集成电路和计算机技术开发的一种新型工业控制器。使用者可以不必考虑PC内部元器件的具体组成线路，可以将PC看成是由各种功能元器件组成的工业控制器，利用编程语言对这些元器件线圈、触点进行编程以达到控制要求，为此使用者必须熟悉和掌握这些元器件的功能、编号及其使用方法。每种元器件都用特定的字母来表示，如X表示输入继电器、Y表示输出继电器、M表示辅助继电器、T表示定时器、C表示计数器、S表示状态元件等，并对这些元器件给予规定的编号。

1.FX2N编程元件的分类及编号 FX2N系列PLC具有数十种编程元件，FX2N系列PLC编程元件的编号分为两部分，第一部分是代表功能的字母，如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示；第二部分为数字，为该类器件的序号，FX2N系列PLC中输入继电器及输出继电器的序号为八进制，其余器件的序号为十进制。

2. 输入继电器 FX2N系列可编程控制器输入继电器编号范围为X0～X177(128点)。输入继电器与PLC的输入端相连，是PLC接收外部开关信号的元件，如开关、传感器等输入信号，输入继电器必须由外部信号来驱动，不能用程序驱动。它可提供无数对常开接点、常闭接点，如图5.1所示。这些接点在PLC内可以自由使用。FX2N型PLC输入继电器采用八进制地址编号，最多可达128点(X0～X177)。

3. 输出继电器(Y0～Y177) 输出继电器是PLC用来输送信号到外部负载的元件，输出继电器只能用程序指令驱动，如图5.1所示。每一个输出继电器有一个外部输出的常开触点。而内部的软接点，不管是常开还是常闭，都可以无限次地自由使用，输出继电器的地址是八进制，最多可达128点。

图5-5 输入、输出继电器示意图

4. 辅助继电器(M) PLC内部有很多辅助继电器，辅助继电器与输出继电器一样只能用程序指令驱动，外部信号无法驱动它的常开常闭接点，在PLC内部编程时可以无限次地自由使用。但是这些接点不能直接驱动外部负载，外部负载必须由输出继电器的外部接点来驱动。在逻辑运算中经常需要一些中间继电器作为辅助运算用，这些器件往往用作状态暂存、移位等运算。另外，辅助继电器还具有一些特殊功能。下面是几种常见的辅助继电器。

1) 通用辅助继电器M0～M499(500点) 通用辅助继电器按十进制地址编号(在FX型PLC中除了输入/输出继电器外，其他所有器件都是十进制编号)。 2) 断电保持辅助继电器M500～M1023(524点) PLC在运行时若发生停电，输出继电器和通用辅助继电器全部成为断开状态。上电后，除了PLC运行时被外部输入信号接通的以外，其它仍断开。不少控制系统要求保持断电瞬间状态。断电保持辅助继电器就是用于此场合的，断电保持是由PLC内装锂电池支持的。

3) 特殊辅助继电器M8000～M8255(256点) PLC内有256个特殊辅助继电器，这些特殊辅助继电器各自具有特定的功能。通常分为下面两大类。 (1) 只能利用其接点的特殊辅助继电器。线圈由PLC自动驱动，用户只可以利用其接点。例如： M8000为运行监控用，PLC运行时M8000接通。 M8002为仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器。 M8012为产生100 ms时钟脉冲的特殊辅助继电器。

(2) 可驱动线圈型特殊辅助继电器。用户激励线圈后，PLC作特定动作。例如： M8030为锂电池电压指示灯特殊辅助继电器，当锂电池电压跌落时，M8030动作，指示灯亮，提醒PLC维修人员赶快调换锂电池。 M8033为PLC停止时输出保持辅助继电器。 M8034为禁止全部输出特殊辅助继电器。 M8039为定时扫描特殊辅助继电器。需要说明的是，未定义的特殊辅助继电器可在用户程序中使用。辅助继电器的常开常闭接点在PLC内可无限次地使用。

5. 状态器(S) 状态器(S)是构成状态转移图的重要器件，它与后述的步进顺控指令配合使用。通常，状态器软件有下面五种类型： (1) 初始状态器S0～S9，共10点。 (2) 回零状态器S10～S19，共10点。 (3) 通用状态器S20～S499，共480点。 (4) 保持状态器S500～S899，共400点。 (5) 报警用状态器S900～S999，共100点。这100个状态器器件可用作外部故障诊断输出。

S0～S499没有断电保持功能，但是用程序可以将它们设定为有断点保持功能的状态。状态器的常开常闭接点在PLC内可以使用，且使用次数不限。不用步进顺控指令时，状态器S可以作辅助继电器M在程序中使用。此外，每一个状态继电器还提供一个步进触点，称为STL触点，用符号—[ ]—表示，在步进控制的梯形图中使用。

6. 定时器(T) PC中定时器T相当于继电器控制系统中的延时继电器，它可提供无限对常开延时触点、常闭延时触点供编程使用。定时器元件号按十进制编号，设定时间由编程时设定系数K决定。T0～T199为0.1 s定时器，设定值范围为0.1～3276.7 s，最小单位为0.1 s。T200～T245为0.01 s定时器，设定值范围为0.01～327.67 s。除此之外，还有积算型定时器等。

7. 计数器(C) 计数器元件号按十进制编号，计数器计数次数由编程时设定的系数K决定。它可提供无限对常开触点、常闭触点供编程使用。C0～C99为通用加计数器，计数范围为1～32 767。C100～C199为停电保持加计数器，计数范围为1～32 767。除此之外，还有可逆、加、减计数器等。

PLC的基本指令编程法 PLC是一套专用的微型计算机的控制系统，该系统具有继电器、定时器、计数器或其他内部电子器件的功能，低端用户不需要学习高级的计算机语言，只要采用简单的类似于继电器电路的梯形图语言就可以编制控制程序，指令系统容易掌握。而将编程器或PC机与PLC主机相连，又可方便地把梯形图送入PLC内存并进行运行状态监控，所以操作使用也十分简便。

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