PLC應用技術（三菱機型）可編程控制器認知

PLC應用技術（三菱機型）

可編程控制器認知1.2PLC工作過程21.1

PLC概述311.1PLC概述可編程控制器的產(chǎn)生1PLC的特點及應用領域2PLC的分類3控制系統(tǒng)比較4發(fā)展趨勢51.PLC的產(chǎn)生可編程控制器產(chǎn)生以前，繼電器電氣控制線路，構成復雜的控制系統(tǒng)，占據(jù)大量的空間；當這些繼電器運行時，又產(chǎn)生大量的噪音，消耗大量的電能；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，進行檢查和排除故障非常困難，尤其是在生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，可能需要增加很多的繼電器或繼電器重新接線或改線的工作量極大，甚至可能需要重新設計控制系統(tǒng)。1968年，美國通用汽車公司(GM)提出了他們關于汽車流水線的控制系統(tǒng)的具體控制要求。

第二年，美國數(shù)據(jù)設備公司(DEC)為GM公司研制了世界上公認的第一臺可編程控制器。當時的可編程序控制器只能用于執(zhí)行邏輯判斷、計時、計數(shù)等順序控制功能，所以被稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicalController)，簡稱PLC。。目前世界上可編程控制器廠家已有300多個，部分主要廠家如表1-1所示。在中國PLC市場，西門子、三菱及Omron占絕對的優(yōu)勢，美國的羅克韋爾A-BPLC正大力推廣。國內(nèi)PLC廠家規(guī)模不大，最有影響的算是無錫的華光、北京和利時、無錫信捷、威海恒日等，發(fā)展快，在價格上很有優(yōu)勢，相信會在世界PLC之林占有一定位置。

1.PLC的產(chǎn)生1.PLC的產(chǎn)生三菱PLC在80年代進入中國市場，從2009年起中國大陸成為三菱PLC在全球最大的市場。本書以FX3U為主進行介紹，L、Q系列以最小化系統(tǒng)的形式體現(xiàn)。1.PLC的產(chǎn)生2.PLC的特點高可靠性。繼電接觸器系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在PLC系統(tǒng)中，接線減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10~1/100，大量的開關動作是由無觸點的半導體電路來完成的，加上PLC充分考慮了各種干擾，在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，PLC有極高的可靠性。據(jù)有關資料統(tǒng)計，目前某些品種的PLC平均無故障時間甚至達到了幾十萬小時。

應用靈活。由于PLC產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品種齊全，多數(shù)采用模塊式的硬件結構，組合和擴展方便，用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同及功能繁簡各異的控制要求。PLC

常采用箱體式結構，體積及質量只有通常的接觸器大小，開關柜的體積縮小到原來的1/2~1/10，有利于實現(xiàn)機電一體化。編程方便。PLC的編程采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣技術人員的歡迎。擴展能力強。PLC可以方便地與各種類型的輸入、輸出量連接，實現(xiàn)D/A、A/D轉換及PID運算，實現(xiàn)過程控制、數(shù)字控制等功能。PLC具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可以進行現(xiàn)場控制和遠程監(jiān)控。設計周期短。PLC中相當于繼電接觸器系統(tǒng)中的中間繼電器、

2.PLC的特點

時間繼電器、計數(shù)器等編程元件，雖數(shù)量巨大，卻是用程序(軟接線)代替硬接線，因而設計安裝接線工作量少。

。2.PLC的特點開關量控制。又稱數(shù)字量控制，是以單機控制為主的一切設備自動化領域，比如：包裝機械、印刷機械、紡織機械、注塑機械、自動焊接設備、隧道盾構設備、水處理設備、切割、多軸磨床、冶金行業(yè)的輥壓、連鑄機械等，這些設備的所有動作，加工都需要靠依據(jù)工藝設定在PLC內(nèi)的程序來指導執(zhí)行和完成，是PLC最基本的控制領域。模擬量控制。是以過程控制為主的自動化行業(yè)，比如污水處理、自來水處理、樓宇控制、火電主控、輔控、水電主控、輔控、冶金行業(yè)、太陽能、水泥、石油、石化、鐵路交通等。這些行業(yè)所有設備需連續(xù)生產(chǎn)運行，存在許多的監(jiān)控點和大量的實時參數(shù)，而要監(jiān)視、控制、和采集這些流程參數(shù)和相關的工藝設備，也必須依靠PLC來完成。2.PLC的特點通信和聯(lián)網(wǎng)。PLC的通信包括主機與遠程I/O間的通信、多臺PLC之間的通信、PLC與其他智能設備(計算機、變頻器、數(shù)控裝置、智能儀表)之間的通信。近年來PLC的通信功能不斷加強，PLC已經(jīng)在各類工業(yè)控制網(wǎng)絡中發(fā)揮著巨大的作用。

。2.PLC的特點（1）根據(jù)I/O點數(shù)將PLC分為微型機、小型機、中型機和大型機。微型機。I/0點數(shù)小于64點，內(nèi)存容量在256B~1KB。這一類PLC主要用于單臺設備的監(jiān)控，在紡織機械，數(shù)控機床，塑料加工機械，小型包裝機械上運用廣泛。甚至應用在家庭。小型機。I/0點數(shù)(總數(shù))在64~256點的，稱為小型機，具有算術運算和模擬量處理、數(shù)據(jù)通信等功能。小型機的特點是價格低，體積小，適用于控制自動化單機設備，開發(fā)機電一體化產(chǎn)品。中型機。是I/O點數(shù)在256~1024點之間的。它除了具備邏輯運算功能，還增加了模擬量輸入輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)通信等功能，可完成既有開關量又有模擬量的復雜控制。中型機的特點是功能強，配置靈活，適用于具有諸如溫度、壓力、流量、速度、角度、位置等復雜機械以及連續(xù)生產(chǎn)過程控制場合。3.PLC分類大型機。I/O點數(shù)在1024點以上，功能更加完善，具有數(shù)據(jù)運算、模擬調(diào)節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄、打印等功能。特點是I/O點數(shù)特別多，控制規(guī)模宏大，組網(wǎng)能力強，可用于大規(guī)模的過程控制，構成分布式控制系統(tǒng)或整個工廠的集散控制系統(tǒng)（DCS）。3.PLC分類（2）從結構上看，PLC可分為整體式、模塊式及分散式三種形式。整體式結構。這種結構PLC的電源、CPU、I/O部件都集中配置在一個箱體中，有的甚至全部裝在一塊印刷電路板上。圖1-1所示為三菱公司的FX3U機型。3.PLC分類圖1-1整體式PLC模塊式結構。這種形式的PLC各部分以單獨的模塊分開設置，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊及其它智能模塊等。這種PLC一般設有機架底板(也有的PLC為串行連接，沒有底板)，在底板上有若干插槽，使用時，各種模塊直接插入機架底板即可，如圖1-2為三菱Q系列PLC機型。一般大、中型PLC均采用這種結構。模塊式PLC的缺點是結構較復雜，各種插件多，因而增加了造價。

分散式。所謂分散式的結構就是將可編程控制器的CPU、電源、存儲器集中放置在控制室，而將各I/O模塊分散放置在各個工作站，由通信接口進行通信連接，由CPU集中指揮。3.PLC分類圖1-2模塊式PLC（3）根據(jù)用途，PLC可分為通用型和專用型兩種。通用PLC，即一般的PLC，可根據(jù)不同的控制要求，編寫不同的程序。容易生產(chǎn)，造價低，但針對某一特殊應用時編程困難，而已有的功能卻用不上。專用PLC是完成某一專門任務的PLC，其指令程序是固化或永久存儲在該機器上的，雖然它缺乏通用性，但它執(zhí)行單一任務時很快，效率很高。如電梯、機械加工、樓宇控制、乳業(yè)、塑料、節(jié)能和水處理機械等都有專用PLC，當然其造價也高。

3.PLC分類1.與繼電器控制系統(tǒng)的比較對繼電器控制系統(tǒng)工藝過程改變時，其控制柜必須重新設計，重新配線，工作量相當大，有時甚至相當于重新設計一臺新裝置。而PLC從適應性、可靠性、安裝維護等各方面比較，PLC都有著顯著的優(yōu)勢，因此PLC控制系統(tǒng)取代以繼電器為基礎的控制系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。目前，超過8個輸入輸出點的電氣系統(tǒng)就要考慮使用PLC了。4.控制系統(tǒng)比較2.與集散控制系統(tǒng)的比較PLC與集散控制系統(tǒng)在發(fā)展過程中，始終是互相滲透、互為補充。它們分別由兩個不同的古典控制系統(tǒng)發(fā)展而來。PLC是由繼電器邏輯控制系統(tǒng)發(fā)展而來，所以它在數(shù)字處理、順序控制方面具有一定優(yōu)勢。集散控制系統(tǒng)(DCS)是由單回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來的，所以它在模擬量處理、回路調(diào)節(jié)方面具有一定優(yōu)勢。到目前為止，PLC與集散控制系統(tǒng)的發(fā)展越來越接近，很多工業(yè)生產(chǎn)過程既可以用PLC，也可以用集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)其控制功能。綜合PLC和集散控制系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，把二者有機地結合起來，可形成一種新型的全分布式的計算機控制系統(tǒng)。4.控制系統(tǒng)比較3.與工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的比較工業(yè)控制計算機(簡稱工控機)標準化程度高、兼容性強，而且軟件資源豐富，特別是有實時操作系統(tǒng)的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜、計算工作量大的工業(yè)對象的控制具有優(yōu)勢。但是，使用工業(yè)控制計算機要求開發(fā)人員具有較高的計算機專業(yè)知識和微機軟件編程能力。PLC在工業(yè)抗干擾方面有很大的優(yōu)勢，具有很高的可靠性。而工控機用戶程序則必須考慮抗干擾問題，一般的編程人員很難考慮周全。盡管現(xiàn)代PLC在模擬量信號處理、數(shù)值運算、實時控制等方面有了很大提高，但在模型復雜、計算量大且計算較難、實時性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制計算機則更能發(fā)揮其專長。4.控制系統(tǒng)比較1.網(wǎng)絡化主要是朝DCS方向發(fā)展，使其具有DCS系統(tǒng)的一些功能。網(wǎng)絡化和通信能力強是PLC發(fā)展的一個重要方面，向下將多個PLC、多個I/O框架相連，向上與工業(yè)計算機、以太網(wǎng)等相連構成整個工廠的自動化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線技術(PROFIBUS)在工業(yè)控制中將會得到越來越廣泛的應用。S7-300PLC可以通過多點接口MPI(Multi-PointInterface)直接與多個計算機、編程器、操作員面板及其他廠家的PLC相連。5.發(fā)展趨勢2.多功能為了適應各種特殊功能的需要，各公司陸續(xù)推出了多種智能模塊。智能模塊是以微處理器為基礎的功能部件，它們的CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機CPU的時間很少，有利于提高PLC掃描速度和完成特殊的控制要求。智能模塊主要有模擬量I/O、PID回路控制、通信控制、機械運動控制(如軸定位，步進電動機控制)、高速計數(shù)等。由于智能I/O的應用，使過程控制的功能和實時性大為增強。

5.發(fā)展趨勢3.高可靠性由于控制系統(tǒng)的可靠性日益受到人們的重視，一些公司已將自診斷技術，冗余技術、容錯技術廣泛應用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，推出了高可靠性的冗余系統(tǒng)，并采用熱備用或并行工作。例如，S7-400即使在惡劣的工業(yè)環(huán)境下依然可正常工作，在操作運行過程中模板還可熱插拔。

5.發(fā)展趨勢4.兼容性現(xiàn)代PLC已不再是單個的、獨立的控制裝置，而是整個控制系統(tǒng)中的一部分或一個環(huán)節(jié)，兼容性是PLC深層次應用的重要保證。例如，SIMATICM7-300采用與SIMATICS7-300相同的結構，能用SIMATICS7模塊，其顯著特點是與通用微型計算機兼容，可運行MS-DOS/Windows程序，適合于處理數(shù)據(jù)量大、實時性強的工程任務。5.發(fā)展趨勢5.小型化隨著應用范圍的擴大和用戶投資規(guī)模的不同，小型化、低成本、簡單易用的PLC將廣泛應用于各行各業(yè)。小型PLC由整體結構向小型模塊化發(fā)展，增加了配置的靈活性。5.發(fā)展趨勢第1章

可編程控制器認知1.2PLC工作過程21.1

PLC概述311.2PLC工作過程PLC硬件構成1PLC工作原理2PLC性能指標3圖1-4PLC硬件構成示意圖1.中央處理器（CPU）與一般計算機一樣，CPU是PLC的核心，它按機內(nèi)系統(tǒng)程序賦予的功能指揮PLC有條不紊地工作，其主要任務有：(1)接收并存儲從編程設備輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，接收并存儲通過I/O部件送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。(2)診斷PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤。(3)PLC進入運行狀態(tài)后，從存儲器逐條讀取用戶指令，解釋并按指令規(guī)定的任務進行數(shù)據(jù)傳遞、邏輯或算術運算，并根據(jù)運算結果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映像存儲器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實現(xiàn)輸出控制。CPU芯片的性能關系到PLC處理控制信息的能力與速度，CPU位數(shù)越高，運算速度越快，系統(tǒng)處理的信息量越大，系統(tǒng)的性能越好

2.存儲器存儲器是存放程序及數(shù)據(jù)的地方，PLC運行所需的程序分為系統(tǒng)程序及用戶程序，存儲器也分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器兩部分。(1)系統(tǒng)存儲器。用來存放PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng)程序，并固化在ROM內(nèi)，用戶不能更改。(2)用戶存儲器。包括用戶程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)兩部分。用戶程序存儲區(qū)存放針對具體控制任務，用規(guī)定的PLC編程語言編寫的控制程序。用戶程序存儲器的內(nèi)容可以由用戶任意修改或增刪。用戶數(shù)據(jù)存儲區(qū)用來存放用戶程序中使用的ON/OFF狀態(tài)、數(shù)值、數(shù)據(jù)等，它們被稱為PLC的編程“軟”元件，是PLC應用中用戶涉及最頻繁的存儲區(qū)。PLC中存儲單元的字長目前以8位的較多，也有16位及32位的。

3.輸入、輸出接口圖1-5開關量輸入單元（a）直流輸入單元（b）交流輸入單元(a)(b)輸入、輸出接口是PLC接收和發(fā)送各類信號接點的總稱。含主要用于連接開關量的輸入口、輸出口，以總線形式出現(xiàn)的總線擴展接口及以通信方式連接外部信號的通信口?，F(xiàn)分述如下：開關量輸入口。開關量輸入接口用于連接按鈕、開關、行程開關、繼電器觸點、接近開關、光電開關、數(shù)字撥碼開關及各類傳感器的執(zhí)行接點，是PLC的主要輸入接口。開關量輸入口有交流輸入及直流輸入兩種形式，圖1-4(a)及圖1-4(b)給出了直流及交流兩類輸入口的示意電路。圖中虛線框內(nèi)的部分為PLC內(nèi)部

3.輸入、輸出接口圖1-5開關量輸出單元（a）晶體管輸出方式（b）晶閘管輸出方式（c）繼電器輸出方式.

圖1-5開關量輸出單元（a）晶體管輸出方式（b）晶閘管輸出方式（c）繼電器輸出方式3.輸入、輸出接口電路，框外為用戶接線。開關量輸入口通過光電隔離電路連接存儲單元的輸入繼電器。

開關量輸出口。開關量輸出口用于連接繼電器、接觸器、電磁閥的線圈，是PLC的主要輸出接口。根據(jù)機內(nèi)輸出器件的不同PLC開關量輸出口通常有晶體管輸出、晶閘管輸出和繼電器輸出三種輸出電路。圖1-5(a)、(b)、(c)分別給出了這三種電路的示示意圖。開關量輸出口通過隔離電路連接存儲單元的輸出繼電器?？偩€擴展接口用于連接主機的擴展單元及各類功能模塊。通信口用于連接通信網(wǎng)絡，PLC一般配置1~2個RS485口。4.電源小型整體式可編程控制器內(nèi)部設有一個開關電源，可為機內(nèi)電路及擴展單元供電(5VDC)，另一方面還可為外部輸入元件及擴展模塊提供24V的DC電源。5.編程器

編程器用來生成用戶程序，并用它進行編輯、檢查、修改和監(jiān)視用戶程序的執(zhí)行情況等。筆記本電腦為其開闊了更大的應用空間。給FX編程時，應配備一臺安裝有編程軟件的計算機，和一根連接計算機和PLC的編程電纜。6.PLC工作原理讀取輸入處理通信請求自診斷檢查改寫輸出RUN狀態(tài)STOP狀態(tài)圖1-6掃描過程讀取輸入執(zhí)行用戶程序處理通信請求自診斷檢查改寫輸出PLC是在系統(tǒng)程序的管理下，依據(jù)用戶程序的安排，結合輸入信號的變化，確定輸出口的狀態(tài)，以推以推動輸出口上所連接的現(xiàn)場設備工作。當然，這不是PLC工作的全部內(nèi)容，全部內(nèi)容還要更復雜一些.圖1-6是PLC運行示意圖。從圖中可知，PLC的工作過程除了與應用程序相關的處理外還有許多內(nèi)部管理工作，如通信服務、故障自診斷等，這些也是必不可少的。此外，PLC有兩種運行方式，一種為STOP方式，一種為RUN方式，只有運行方式中，PLC才執(zhí)行用戶程序，并輸出運算結果。STOP及RUN方式的選擇可以通過機器外部的開關或通過程序加以控制。

6.PLC工作原理LC工作原理中相對繼電器電路最重要的區(qū)別是串行工作方式，這里有兩層含義：一是圖1-7中所含各項工作內(nèi)容是分時完成的；二是PLC對輸入輸出信號的響應不是實時的。為了說明的方便，選擇PLC工作過程中與控制任務最直接的三個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新重點說明。圖1-7為這三個階段的工作過程示意圖。

6.PLC工作原理輸入采樣階段。PLC將各輸入狀態(tài)存入內(nèi)存中各對應的輸入映像寄存器中。此時，輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段，輸入映像寄存器與外界隔離，無論輸入信號如何變化，其內(nèi)容保持不變。

程序執(zhí)行階段。PLC根據(jù)最新讀入的輸入信號狀態(tài)，執(zhí)行一次應用程序。結果存入元件映像寄存器中。對元件映像寄存器來說，各個元件的狀態(tài)會隨著程序執(zhí)行過程而變化。該階段通過映像寄存器對輸入輸出的存取，而不是實際的I/O點，這樣有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高編程質量，提高程序的執(zhí)行速度。在通信請求處理階段，CPU處理從通信接口和智能模塊接收到的信息，例如讀取智能模塊的信息并存放在緩沖區(qū)中，在適當?shù)臅r候傳送給通信請求方。自診斷測試包括定期檢查CPU模塊的操作和控制模塊的狀態(tài)是否正常，將監(jiān)控定時器復位，以及完成其它內(nèi)部工作。

6.PLC工作原理輸出刷新階段。在所有指令執(zhí)行完畢后，一次性地將程序執(zhí)行結果送到輸出端子，驅動外部負載。當CPU的工作模式從RUN變?yōu)镾TOP時，數(shù)字量輸出被置為系統(tǒng)塊中的輸出表定義的狀態(tài)，或保持當時的狀態(tài)。默認的設置是將數(shù)字量輸出清零。中斷程序的處理。如果在程序中使用了中斷，中斷事件發(fā)生時，CPU停止正常的掃描工作模式，立即執(zhí)行中斷程序，中斷功能可以提高PLC對某些事件的響應速度。立即I/O處理。在程序執(zhí)行過程中使用立即I/O指令可以直接存取I/O點。用立即I/O指令讀輸入點的值時，相應的輸入過程映像寄存器的值未被更新。用立即I/O指令改寫輸出點的值時，相應的輸出過程映像寄存器的值被更新?？梢院唵蔚貙⒁陨蠋讉€階段工作完成一遍的過程叫做一個掃描周期，其典型值為1~100ms，PLC的工作就是周而復始地執(zhí)行掃描周期。但是如果綜合一下以上幾個工作階段的工作內(nèi)容后不難知道，在本掃描周期的程序執(zhí)行階段發(fā)生的輸入狀態(tài)變化是不會影響本周期的輸出的。無論是輸入采樣，還是程序執(zhí)行，還是程序

6.PLC工作原理執(zhí)行，，還是輸出刷新，每一個動作都需要分時工作，更深入的內(nèi)容是在程序執(zhí)行階段中，指令的執(zhí)行是分時的。對于梯形圖程序，分時執(zhí)行可理解為從左至右，從上而下執(zhí)行梯形圖程序的各個支路。對于指令表程序，可以理解為依指令的順序逐條執(zhí)行指令表程序。指令執(zhí)行所需的時間與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大關系。用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在掃描周期中占相當大的比例。分時是計算機工作的特點，正像人在某個瞬間只能處理一件事情一樣，計算機在某個瞬間只能做一個具體的動作，這就叫串行工作方式。而繼電接觸器控制系統(tǒng)是并行工作方式。由于PLC的工作速度高，整個掃描周期一般只有幾十至幾百毫秒，這對于一般的邏輯控制是完全可以滿足的。對于時間要求非常嚴格的場合，立即輸入與立即輸出的響應就只有靠中斷來完成了。6.PLC工作原理概括而言，PLC的工作方式是一個不斷循環(huán)的順序掃描工作方式。CPU從第一條指令開始，按順序逐條地執(zhí)行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新