模塊三PLC的認知項目八

PLC及其硬件認知項目九

PLC及其軟件認知項目八PLC及其硬件認知8.1

項目導入在PLC出現前，工業電氣控制領域中，繼電控制系統占主導地位，但是電氣控制系統存在體積大、可靠性低、查找和排除故障困難等缺點，特別是其接線復雜、不易更改，對生產工藝變化的適應性差。為此，在20世紀60年代末期，PLC第一次被提出。1968年，美國通用汽車公司為適應汽車型號的不斷更新和生產工藝的不斷變化，要求開發一種新型工業控制器，并提出了十項設計指標：①編程方便，現場可修改程序；②維修方便，采用插件式結構；③可靠性高于繼電控制盤；④體積小于繼電控制盤；⑤數據可直接送入管理計算機；⑥成本可與繼電控制盤競爭；⑦輸入可為市電；⑧輸出可為市電，輸出電流在2A以上，可直接驅動電磁閥、接觸器等；⑨系統擴展時原系統變更很少；⑩用戶程序存儲器容量大于4KB。8.1.1.PLC的產生及發展歷程1.PLC的產生美國通用汽車公司從用戶角度提出上述研制新型控制器的條件后，立即引起了開發熱潮。1969年，美國數字設備公司研制出了世界上第一臺可編程序控制器，稱作ProgrammableLogicController，簡稱PLC，這臺PLC機立即被應用于通用汽車公司的汽車自動裝配線上，試用獲得成功。早期的可編程控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術發展的大門。2.PLC的定義1987年國際電工委員會頒布了PLC的最新定義：PLC是一種進行數字運算的電子系統，是專為在工業環境下的應用而設計的工業控制器，它采用了可以編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。國際電工學會對可編程控制器所作的定義中有幾點值得注意：強調了PLC帶有“可編制程序的存儲器”，可以“執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作”功能。具有計算機的基本特性“專為工業環境下應用而設計”，在控制“機械或生產過程”的同時能“易于與工業控制系統形成一個整體”具備能適應工業環境的特殊構造

能“控制各種類型的機械或生產過程”，并且“易于擴充其功能”。

PLC作為專為工業環境下應用而設計的通用工業控制計算機，用戶的應用程序可以根據控制對象的不同要求，方便、靈活地讓使用者對已經編制好的程序進行修改或技術革新的改進，以適用于各種工業場合。3.

PLC的發展歷程從控制功能來看，可編程控制器的發展大致經歷了4個階段：從第一臺可編程控制器問世直到20世紀70年代中期，稱為PLC發展的初級階段。由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，初級階段的主要功能是邏輯運算和計時、計數功能。CPU由中小規模數字集成電路構成。（1）初級階段第一階段已經采用了梯形圖語言作為編程方式，盡管有些枯燥，但卻形成了工廠的編程標準。從20世紀70年代中期到70年代末期，是可編程控制器發展中的擴展階段。為方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術人員使用可編程控制器技術，PLC采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的微處理器技術已經應用到PLC中，使其增加了算術運算、數據傳送和數據處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置，使PLC產品的控制功能得到進一步擴大發展，成為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。（2）擴展階段通信階段初期是從20世紀70年代末期到80年代中期。，計算機技術的全面引入使PLC功能發生了質的飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了可編程控制器在現代工業中的地位。80年代初，可編程控制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用：從汽車行業迅速擴展到其它行業，作為繼電器的替代品進入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業。這個時期可編程控制器產品與計算機通信形成了分布式通信網絡。但是，由于各制造商各自為政，通信系統也是各有各的規范。（3）通信階段開放階段初期從20世紀80年代中期開始。由于國際標準化組織提出了開放系統互連的參考模型OSI，使PLC技術在開放功能上有較大發展。主要表現為通信協議開始標準化，各制造廠商的產品可以通信，通信系統的開放，使用戶得益。此外，PLC開始采用標準化軟件系統，增加高級語言編程，并完成了編程語言的標準化工作。（4）開放階段這一階段的產品主要有德國西門子公司的S7系列，美國AB公司的PLC-5系列，SLC500系列，德維森的V80和PPC11系列，日本三菱公司的FX系列PLC和歐姆龍集團的歐姆龍系列PLC等。目前國際PLC市場的三大流派產品美國ABPLC產品美國GEPLC產品德國西門子

PLC產品日本三菱PLC產品日本歐姆龍PLC產品PLC在工業控制領域的應用越來越寬廣，既有單機做為繼電器邏輯電路的替代品，又有作為設備控制的核心部件。而且隨著自動化程度的提高，PLC既可做為現場控制的部件，又可作為更高一級的管理控制部件。而且隨著網絡技術的發展，它又衍生出了網絡功能。所有這一切，不僅要求PLC具有相應的硬件功能，而且要求它的軟件技術也要獲得相應的發展。4.PLC的發展趨勢0102030405PLC的發展趨勢可概括為如下幾點：4.PLC的發展趨勢向高集成高性能高速度大容量發展向普及化方向發展向模塊化智能化發展向軟件化發展向通信網絡化發展8.1.2

PLC的控制系統及其特點PLC控制系統并不復雜，圖中點動按鈕接于PLC的輸入繼電器的線圈X000，接觸器的線圈接PLC的輸出繼電器的線圈Y000。PLC程序實現邏輯控制，并通過輸出接口控制接觸器的通、斷，從而控制電動機的工作狀態。PLC控制系統的特點01可靠性高抗干擾能力強02編程簡單使用方便03功能完善通用性強04設計安裝簡單維護方便05體積小重量輕能耗低PLC控制系統是利用PLC內存中的“軟繼電器”取代傳統的物理繼電器，以軟件取代硬件接線實現邏輯控制的。其系統特點為：8.1.3PLC控制技術的功能PLC是在繼電器控制和計算機控制的基礎上開發出來的，它以微處理器為核心、把自動化技術、計算機技術、通信技術融為一體，廣泛應用在各種生產機械和生產過程的自動控制中。從應用類型上看，PLC的基本功能可歸納為以下幾個方面：1.開關量邏輯控制功能開關量的邏輯控制是PLC最基本的功能。其應用如下：機床印刷機械裝配生產線電梯2.運動控制功能PLC控制技術可以用于圓周運動或直線運動的控制。世界上大多數PLC生產廠家的產品幾乎都配備拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊，使其廣泛用于各種機械設備，如對各種機床、裝配機械、機器人等的運動控制。旋轉運動實例—洗車直線運動實例—機械手3.閉環過程控制功能

作為工業控制計算機的PLC，能夠編制各種各樣的控制算法程序構成閉環控制，用于過程控制。這一功能已廣泛用于鍋爐、反應堆、水處理、釀酒以及閉環位置控制和速度控制等方面。4.數據處理功能現代PLC都具有數學運算、數據傳送、數據轉換、排序、查表和位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理，同時可通過通信接口將這些數據傳送給其它智能裝置，如：數控送料機造紙業冶金業等PLC通信包括PLC與PLC、PLC與上位計算機、PLC與其他智能設備之間的通信。5.通信及聯網功能PLC在計算機集成制造系統中的應用8.2.1

三菱PLC型號的認識及I/O接線8.2相關知識1.三菱PLC型號的認識表示產品系列序號，目前FX系列PLC常用產品的系列序號中有2C、2N、2NC、3U、3UC、3G等。表示PLC產品的I/O總點數。FX3U系列PLC產品的I/O總點數范圍為16～384個。表示產品的單元類型：M表示基本單元；E表示輸入/輸出混合擴展單元及擴展模塊；EX表示輸入專用擴展模塊；EY表示輸出專用擴展模塊。產品輸出形式：R－繼電器輸出；T－晶體管輸出；S－晶閘管輸出。表示特殊品種的區別：D表示直流電源。如果沒有標記，說明該產品為交流電源。例如，某產品型號為FX3U-48MRD，根據上面解釋可知，該產品為FX3U系列，I/O總點數為48點，繼電器輸出方式，采用直流24V電源，直流輸入的基本單元。再如，某PLC產品型號為FX-4EYSH，根據上面解釋可知，該產品為FX系列，I/O總點數為4點，其中輸入點數為0，輸出點數為4，晶閘管輸出方式，大電流輸出擴展模塊。2.三菱PLC的I/O接線方法電源輸入端子L、N、接地輸入端子X0～X7、X10～X17、X20～X27……、公共端子COM通信接口輸出端子Y0～Y7、Y10～Y17、Y20～Y27……、公共端子COM輸入LED顯示區輸出LED顯示區PLC狀態指示區PLC型號由圖可看出：PLC產品的接線區域有上下兩個部分，上半部是輸入端子，下半部是輸出端子。（1）PLC輸入端的接線說明工程實際中，一般輸入設備不可能都與PLC主機的直流電源相連，而且PLC的多個輸入端共用一個COM端，也不可能在一個端子上連接幾根甚至十幾根導線，所以，通常要通過端子排連線。（2）PLC輸出端的接線說明PLC輸出端子接線時，可把各個輸出端子Y看作是一個個的輸出繼電器。例如：當程序驅動Y5線圈得電時，Y5線圈就會驅動外部相連接的設備KM2的線圈得電了。8.2.2

PLC的硬件組成PLC的硬件是指可以看得著的部分：核心元件CPU、存放系統程序及用戶程序的存儲器ROM和RAM、連接現場輸入/輸出設備與CPU之間的I/O單元、用于與編程器、上位計算機等外設連接的通信接口、擴展接口、電源等部分組成。

中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞，相當于人的大腦。CPU由運算器和控制器組成。其中運算器執行算術運算、邏輯運算浮點運算等；控制器控制整機各部分的協調工作。1.中央處理單元CPUCPU在PLC中起什么作用？CPU按照PLC系統程序賦予的功能接收并儲存用戶程序和數據，并存入規定的寄存器中。當PLC上電后，CPU用掃描的方式采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據；運行時，CPU執行用戶程序，從用戶程序存儲器中逐條讀取指令，經分析后再按指令規定的任務產生相應的控制信號，去指揮有關的控制電路；同時CPU響應外部設備的中斷要求，進行程序規定的邏輯運算和數據處理。CPU確定了PLC進行控制的規模、工作速度、內存容量等。

2.存儲器存儲器分系統程序存儲器、用戶程序存儲器兩大類。系統程序存儲器用以存放系統程序，包括管理程序，監控程序以及對用戶程序做編譯處理的解釋編譯程序，內容不可更改，斷電不消失，由只讀存儲器EPROM組成。系統程序質量的好壞，很大程序上決定了PLC的性能。2.存儲器PLC的用戶程序存儲器包含用戶程序存儲器和工作數據存儲器。其中用戶程序隨PLC的控制對象而定，由用戶根據對象生產工藝的控制要求而編寫。用戶程序存儲區一般存于CMOS靜態RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。當用戶程序運行正常，不需要改變時，可將其固化在EPROM中。現有許多PLC直接采用EEPROM用為用戶程序存儲器。用戶存儲器還可用來存儲工作數據，工作數據區中開辟有元件映象寄存器和數據表，是PLC運行過程中經常變化、經常存取的一些數據，存放在RAM中，以適應隨機存取的要求，部分數據在掉電時用后備鋰電池維持其現有狀態。2.存儲器3.I/O單元I/O單元也叫I/O模塊，是PLC與外部設備連接的接口。PLC處理的信號只能是標準電平，因此現場的輸入信號、如按鈕、開關、行程開關、限位開關以及傳感器輸出的開關量，需要通過輸入單元的轉換和處理才可以傳送給CPU。PLC處理的輸出信號，只有通過輸出單元的轉換和處理，才能將處理結果送給被控對象，以實現對受控設備電磁閥、接觸器、電動機等執行機構驅動的目的。智能I/O接口PLC通過智能I/O接口，可以與高速計數模塊、閉環控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等相連。當PLC與這些智能接口電路連接后，通過總線與PLC主機相連，并進行數據交換。在PLC主機CPU的協調管理下獨立地進行工作，這種專門的處理能力，與CPU主機配合共同完成控制任務，即可減輕主機CPU工作負擔，又可提高系統的工作效率。4.電源單元小型整體式可編程控制器內部有一個開關式穩壓電源。PLC的電源穩定性好、抗干擾能力強。對電網提供的電源穩定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內波動。許多PLC還向外提供直流24V200mA穩壓電源，用于對外部傳感器供電。5.擴展接口當PLC由于控制對象控制需求的點數比較多，主單元I/O點數不夠，就需要增加擴展模塊，由于擴展模塊沒有集成到基本單元上面，所以需要通過擴展接口將擴展單元與基本單元相連，以滿足系統的控制要求。

6.存儲器接口為了存儲用戶程序以及擴展用戶程序存儲區、數據參數存儲區，PLC上還設有存儲器擴展口，以根據使用的需要擴展存儲器，其內部也要接到總線上。7.編程器接口PLC基本單元通常不帶編程器，為了能對PLC進行現場編程及監控，PLC的基本單元專門設置有編程器接口，通過該接口可連接各種形式的編程裝置，還可以利用該接口做一些監控工作。8.編程器PLC的專用編程器既可聯機編程，又可脫機編程，能直接輸入和編輯梯形圖程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作比較復雜。大多數智能編程器帶有磁盤驅動器，提供錄音機接口和打印機接口。由于專用編程器價格高使用范圍有限，目前大多采用以上位計算機為基礎的編程裝置。用戶利用計算機功能強大的程序開發系統，既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監視系統運行、打印文件、系統仿真等。配上相應的軟件后還可實現數據采集、分析等許多功能。當PLC投入運行后，其工作過程一般分為輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新三個階段，完成這三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度不斷重復執行這三個階段。PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設計，為可靠運行提供了保障。8.2.4PLC的工作原理當PLC掃描到的指令被執行后，其結果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，而且還可通過監視定時器來監視每次掃描是否超過規定時間，避免由于CPU內部故障使程序執行進入死循環。1.輸入采樣階段PLC以掃描工作方式按順序對所有輸入端的輸入狀態進行采樣，并存入輸入映象寄存器中，此時輸入映象寄存器被刷新。接著進入程序處理和執行階段，在程序執行階段，即使輸入狀態發生變化，輸入映象寄存器的內容也不會改變，輸入狀態的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。PLC的掃描工作過程分析本階段，PLC總是按先左后右、先上后下的順序對梯形圖程序進行邏輯運算，根據運算結果刷新該邏輯線圈在系統RAM存儲區中對應位的狀態；或者刷新輸出線圈在I/O映象區對應位的狀態；或者確定是否執行該梯形圖所規定的特殊功能指令。在用戶程序執行過程中，只有輸入點在I/O映象區內的狀態和數據不會發生變化，其他輸出點和軟設備在I/O映象區或系統RAM存儲區內的狀態和數據都有可能發生變化，而且排在上面的梯形圖程序，其執行結果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數據的梯形圖程序起作用；相反，排在下面的梯形圖程序，被刷新的邏輯線圈狀態或數據只能到下一個掃描周期才能對排在它上面的程序起作用。2.用戶程序執行階段當梯形圖程序執行完畢，即掃描用戶程序結束時，PLC立刻進入輸出刷新階段。輸出狀態寄存器的通斷狀態在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅動相應輸出設備工作。在這一階段，CPU按照I/O映象區內對應的狀態和數據刷新所有的輸出鎖存電路，再經輸出電路驅動相應的外設。這時，才是PLC的真正輸出。3.輸出刷新階段PLC是采用“串行順序掃描，不斷重復循環”的方式進行工作的。在PLC運行時，CPU根據用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環掃描，如無跳轉指令，則從第一條指令開始逐條順序執行用戶程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態的刷新等工作。歸納

PLC的工作原理PLC的工作特點：可編程控制器的CPU不可能同時去執行多個操作，它只能按分時操作（串行工作）方式，每一次執行一個操作，按順序逐個執行。串行掃描，不斷循環

電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作；但是PLC采用串行掃描工作方式，如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，它所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。實際工作中，由于PLC的掃描速度快，與電器控制裝置的I/O處理結果上通常看不到有什么差別。8.2.4

PLC的運行過程1.上電處理PLC上電后對系統進行一次初始化工作，包括硬件初始化、I/O模塊配置運行方式檢查，停電保持范圍設定及其他初始化處理等。PLC上電處理完成后進入掃描工作過程。首先完成輸入處理，其次完成與其他外設的通信處理，再次進行時鐘、特殊寄存器更新。當CPU處于STOP方式時，轉入執行自診斷檢查。2.掃描過程PLC每掃描一次，就執行一次自診斷檢查，以確定PLC自身的動作是否正常，如檢查出異常時，CPU面板上的LED及異常繼電器會接通，并在特殊位存儲器中存入出錯代碼，若出現致命錯誤時，PLC會被強制為STOP模式而停止掃描。3.出錯處理8.2.5FX3U系列PLC的特點FX3U系列PLC是三菱公司開發的第3代小型PLC系列產品，是該公司CPU性能最高的小型PLC系列產品。FX3U系列PLC采用了基本單元加擴展單元的形式，可以兼容FX2N系列的全部功能。FX3U系列PLC的主要特點有以下幾點：1.運算速度提高：FX3U系列PLC的基本邏輯指令的執行時間由FX2N系列PLC的0.08/μs條提高到了0.065/μs條，應用指令的執行時間由FX2N系列PLC的1.25/μs條提高到了0.642/μs條，運算速度提高了近1倍。2.I/O點數增加：FX3U系列PLC與FX2N系列PLC一樣，采用了基本單元加擴展單元的結構形式，基本單元本身具有固定的I/O點，完全兼容了FX2N的全部擴展I/O模塊，主機控制的I/O點數為256點，通過遠程I/O連接，FX3U系列PLC的I/O點數可達384點。3.存儲器容量擴大：FX3U系列PLC的用戶程序存儲器RAM的容量可達64KB，并可以采用“閃存（FLASHROM）”卡。4.通信功能增強：FX3U系列PLC在FX2N系列PLC的基礎上增加了RS-422標準接口與網絡連接的通信模塊，以適合網絡連接的需要。同時，通過轉換裝置還可以使用USB接口。5.高速讀數功能：內置100kHz的6個點數的高速計數器以及