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刘军编写
第一章可编程控制器的基本知识
本章学习目标
1.掌握三菱FX系列PLC的结构。
2.了解PLC的基本特点和作用。
理解PLC的工作过程。
3.会使用编程软件。
第一节可编程控制器的定义
任务分析
1.掌握PLC的应用领域。
2.了解PLC的发展趋势。
一、可编程控制器简称PLC(ProgrammableLogicController)。
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编写程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程,PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。
值得注意的几点:
1.可编程控制器是“数字运算操作的电子装置”。
2.可编程控制器是“为在工业环境下应用”而设计的计算机。
3.可编程控制器能控制“各种类型”的工业设备及生产过程。
二、可编程控制器的特点
1.可靠性高,抗干扰能力强。
2.配套齐全,功能完善,适用性强,性价比高。
3.易学易用,深受工程技术人员欢迎。
4.系统的设计、建造工作量小,维护方便,改造容易。
5.体积小,重量轻,能耗低。
三、可编程控制器的应用领域
1.开关量逻辑控制
2.运动控制
3.闭环过程控制
4.数据处理
5.通讯及联网
四、可编程控制器的发展趋势
1.从技术上看计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计及制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、组网能力更强的品种出现。
2.从产品规模上看 会进一步向超小型及超大型方向发展。
3.从产品的配套性上看 产品的品种会更丰富,规格更齐备。
完美的人机界面、完备的通讯设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。
4.从市场上看 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言。
5.从网络的发展情况来看可编程控制器和其他工业控制计算机组网,构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。
第二节可编程控制器的硬件组成与分类
任务分析
1.掌握PLC的组成。
2.掌握输入输出接口的要求。
可编程控制器的硬件组成与微型计算机相似,其主机由中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出器件(I/O接口)、电源及编程设备。
图1—1是PLC的硬件结构示意图。
一、中央处理器
中央处理器是可编程控制器的核心,类似于人的神经中枢的作用,它在系统程序的控制下,完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。
二、存储器
可编程控制器的存储器分为系统程序存储器和用户存储器两种。
1.系统程序存储器 系统程序存储器用来存放制造商为用户提供的监控程序、模块化应用功能子程序、命令解释程序、故障诊断程序及其他各种管理程序。
用户无法改变系统程序的内容。
2.用户存储器 用户存储器是专门提供给用户存放程序和数据的,用户存储器又分为用户程序存储器和数据存储器。
用户程序存储器用来存放用户编写的应用程序;数据存储器用来存放控制过程中需要不断改变的信息,只能用随机存储器RAM来存放。
三、输入输出接口 输入输出接口是可编程控制器和工业控制现场各类信号连接的部分。
输入接口用来接收生产过程的各种参数。
输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息,并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。
对输入输出接口有两个主要的要求:
一是有良好的抗干扰能力,二是能满足工业现场各类信号的匹配要求。
1.开关量输入接口 作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。
开关量输入接口电路的主要参数是输入电流。
2.开关量输出接口 作用是把可编程内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。
可编程控制器的输出有三种形式:
一种是继电器输出,一种是晶体管输出,一种是晶闸管输出。
输出接口电路的主要技术参数:
一是响应时间,二是输出电流,三是开路电流。
输出接口本身都不带电源,而且在考虑外驱动电源时,还需虑及输出器件的类型。
继电器型的输出接口可用于交流及直流两种电源,但接通断开的频率低;晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率,但只适用于直流驱动的场合;晶闸管型的输出接口仅适用于交流驱动场合。
四、电源
一般小型可编程控制器的电源输出分为两部分。
一部分供PLC内部电路工作,另一部分用于向外提供给现场传感器等工作。
目前PLC都采用开关电源,性能稳定、可靠。
对数据存储器常采用锂电池作断电保护后备电源。
五、外部设备
1.编程器 编程器分为专用的编程器和个人计算机。
主要功能是编程和一定的调试及监视功能。
2.其他外部设备
PLC还可以配设盒式磁带机、打印机、EPROM写入器、高分辨率大屏幕彩色图形监控系统等其他一些外部设备。
六、可编程控制器按硬件的结构类型分类
1.单元式结构把CPU、RAM、ROM、输入输出端子及其他I/O接口、电源、指示灯甚至编程器等都装配在一起的整体装置,一个箱体就是一个完整的PLC。
2.模块式结构把PLC的每个工作单元都制成独立的模块,机器上有一块带有插槽的母板。
3.叠装式结构 叠装式结构是单元式和模块式相结合的产物。
把某一系列PLC工作单元的外形都做成外观尺寸一致的,CPU、I/O口及电源也可做成独立的,不使用模块式PLC中的母板,采用电缆连接各个单元,在控制设备中安装时可以一层层地叠装,这就是叠装式PLC。
七、按可应用规模及功能分类
一般将一路信号叫做一个点,将输入点和输出点数的总和称为机器的点数。
按照机器点数的多少,可将PLC分为超小(微)、小、中、大、超大等五种类型。
按功能分为低档机、中档机及高档机。
八、可编程控制器的主要性能指标
1.输入/输出点数
输入输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量,表示PLC组成系统时可能的最大规模。
在总的点数中,输入点与输出点总是按一定的比例设置的,往往是输入点数大于输出点数,且输入与输出点数不能相互替代。
2.应用程序的存储容量
应用程序的存储容量是存放用户程序的存储器的容量。
通常用K字(kW),K字节(kB)或K位来表示,1K=1024。
也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。
3.扫描速度
一般以执行1000条基本指令所需的时间来衡量。
单位为毫秒/千步,也有以执行一步指令时间计的,如微秒/步。
一般逻辑指令与运算指令的平均执行时间有较大的差别,因而大多场合,扫描速度还往往需要标明是执行哪类程序。
4.编程语言及指令功能
不同厂家的PLC编程语言不同且互不兼容。
从编程语言的种类来说,一台机器能同时使用的编程方法多,则容易更多的人使用。
衡量指令功能强弱可看二个方面:
一是指令条数多少,二是指令中有多少综合性指令。
第三节可编程控制器的软件知识
任务分析
1.了解PLC常用的编程语言。
2.了解三菱FX系列编程软件的主要功能及使用方法。
PLC的程序有系统程序和用户程序2种。
用户程序就是通过编程软件来编写的控制程序,编程软件是由可编程控制器生产厂家提供的编程语言。
由于可编程控制器类型较多,各个不同机型对应的编程软件也有一定的差别,特别是不同厂家的可编程控制器之间,它们的编程软件不能通用,但是因为可编程控制器的发展过程是相同的,所以可编程控制器的编程语言基本类似,规律也基本相同。
一、PLC编程语言简介
可编程控制器的编程语言有梯形图、指令语句表、顺序功能图,以及与计算机兼容的BASIC语言、C语言、汇编语言等高级语言,还有一些型号的PLC有专用的高级语言。
对应绝大多数从事电气安装或维修的技术工人来说,最常用到的编程语言是梯形图和指令语句表。
1.梯形图(Ladderdiagram)
梯形图语言是一种以图形符号及图形符号在图中的相互关系表示控制关系的编程语言,是从继电器电路图演变过来的。
绘梯形图的一种设计思想:
将可编程控制器中参与逻辑组合的元件看成和继电器一样,具有常开、常闭触点及线圈,且线圈的得电失电将导致触点的相应动作;再用母线代替电源线,用能量流概念来代替继电器电路中的电流概念;使用绘制继电器电路图类似的思路绘出梯形图。
图1—2梯形图
PLC中的继电器等编程元件不是实际物理元件,而只是计算机存储器中一定的位,它的所谓接通不过是相应存储单元置1而已。
图1—2所示为一段最简单的梯形图。
在所有梯形图中,都有左母线、右母线和逻辑行,逻辑行由各种等效继电器的触点串并联后和线圈组成。
画梯形图时必须遵守:
(1)左母线只能直接接各类继电器的触点,继电器线圈不能直接接左母线。
(2)右母线只能直接接各类继电器的线圈(输入继电器线圈除外),继电器的触点不能直接接右母线。
(3)一般情况下,同一编号的线圈在梯形图中只能出现一次,同一编号的触点可以重复出现。
(4)梯形图中触点可以任意的串联或并联,而线圈可以并联而不可以串联。
(5)梯形图应该按照从左到右、从上到下的顺序画。
(6)程序结束后应有结束指令。
图1—2中,END就是结束指令。
2.指令表(Instructionlist)
指令表也叫做语句表。
它和单片机程序中的汇编语言有点类似,由语句指令依一定的顺序排列而成。
一条指令一般可分为二部分,一为助记符,二为操作数。
PLC的指令有基本指令和功能指令之分,指令表和梯形图之间存在唯一对应关系,利用编程软件可以实现相互转换。
图1—2所示梯形图对应的指令表如下:
LDX000
OUTY000
END
对指令表运用不熟悉的人可先画出梯形图,再转换为语句表。
另一方面,程序编制完毕装入机内运行时,简易编程设备都不具备直接读取图形的功能,梯形图程序只有改写为指令表才有可能送入可编程控制器运行。
3.顺序功能图(Sequentialfunctionchart)
顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。
它包含步、动作、转换三个要素。
顺序功能编程法将一个复杂的顺序控制过程分解为一些小的工作状态,对这些小状态的功能分别处理后再将它们依顺序连接组合成整体的控制程序。
图1—3是顺序功能示意图。
二、SWOPC-FXGP/WIN-C软件的安装及硬件连接
SWOPC-FXGP/WIN-C是三菱PLC基于Windows的应用软件,可在Windows95、Windows98、Windows2000及其以上操作系统下运行,运行SWOPC-FXGP/WIN-C,可通过梯形图符号、指令语句及SFC符号创建及编辑程序,还可以在程序中加入中文、英文注释,它还能够监控PLC运行时各编程元件的状态及数据变化,而且还具有程序和监控结果的打印功能。
1.安装在计算机中安装SWOPC-FXGP/WIN-C时将含有SWOPC-FXGP/WIN-C软件的光盘插入光盘驱动器,在光盘目录里双击setup,即进入安装。
之后则可按照软件提示完成安装工作。
软件安装路径可以使用默认子目录,也可以用“浏览”按钮弹出对话框选择或新建子目录。
在安装结束时,向导会提示安装过程的完成。
2.硬件安装应用软件下载到PLC的过程是装有SWOPC-FXGP/WIN-C的计算机和PLC的通讯过程。
通讯最简单的设备是一根FX-232CAB电缆,电缆的一头接计算机的RS232口,另一头接在PLC的RS422通讯口上。
软件安装完成并连接好硬件后,再依连接正确选择计算机的通讯口即可。
具体操作为打开软件,在菜单栏中选择“PLC”菜单后,在下拉菜单条中选“端口设置”,再选中电缆所实际连接的计算机的232口编号(COM1或COM2)即完成设置。
二、SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件的界面
运行SWOPC-FXGP/WIN-C软件后,将出现初始启动画面,点击初始启动界面菜单栏中“文件”菜单并在下拉菜单条中选取“新文件”菜单条,即出现图1-4所示的PLC类型选择对话框,选择好机型,点击确认后,则出现如图1—5所示的程序编辑主界面。
1.菜单栏
菜单栏是以菜单形式操作的入口,菜单含文件、编辑、工具、查找、视图、PLC、遥控、监控及调试等项。
用鼠标点击某项菜单,可弹出该菜单的细目。
菜单条中的其他项目涉及编程方式的变换、程序的下载传送、程序的调试及监控等操作。
2.工具栏
工具条提供简便的鼠标操作,将最常用的SWOPC-FXGP/WIN-C编程操作以按钮形式设定到工具条。
可以用菜单栏中的“视图”菜单选项来显示或隐藏工具条。
菜单条中涉及的各种功能在工具条中大多都能找到。
3.编辑区
编辑区用来显示编程操作的工作对象。
可用梯形图、语句表等方式进行程序的编辑工作。
也可以使用菜单栏中“视图”菜单及工具栏中梯形图及指令表按钮实现梯形图程序与语句表程序的转换。
4.状态栏、功能键栏及功能图栏
编辑区下部是状态栏,用于标示编程PLC类型、软件的应用状态及所处的程序步数等。
状态栏下为功能键栏,其与编辑区中的功能图栏都含有各种梯形图符号,相当于梯形图绘制的图形符号库。
三、SWOPC-FXGP/WIN-C软件的编程操作
1.程序编辑操作
(1)采用梯形图方式时的编程操作
采用梯形图编程即是在编辑区中绘出梯形图。
打开新建文件时主窗口左边可以见到一根竖直的线。
这就是左母线。
蓝色的方框为光标,梯形图的绘制过程是取用图形符号库中的符号“拼绘”梯形图的过程。
如要输入一个动合触点可点击功能图栏中的动合触点,也可以在“工具”菜单中选“触点”,并在下拉菜单中点击“动合触点”,这时出现如图1-6的对话框,在框中输入触点的地址及其他有关参数后点击确认,要输入的动合触点及其地址就出现在光标所在的位置。
当绘出的梯形图需保存时要先点击菜单栏中“工具”项下拉菜单的“转换”后才能保存,梯形图未经转换点击保存按钮存盘即关闭编辑软件,编绘的梯形图将丢失。
(2)采用指令表方式时的编程操作
采用指令表编程时可以在编辑区光标位置直接输入指令表,一条指令输入完毕后,按回车键光标移至下一条指令的位置,则可输入下一条指令。
指令表编辑方式中指令的修改也十分方便,将光标移到需修改的指令上,重新输入新指令即可。
程序编制完成后可以利用菜单栏中“选项”菜单项下“程序检查”功能对程序做语法及双线圈的检查,如有问题,软件会提示程序存在的错误。
2.程序的下载程序编辑完成后需下载到PLC中运行。
这时需选点击菜单栏中“PLC”菜单,在下拉菜单中再选“传送”及“写出”即可将编辑完成的程序下载到PLC中,传送菜单中的“读入”命令则用于将PLC中的程序读入编程计算机中修改。
PLC中一次只能存入一个程序,下载新程序后,旧有的程序即行删除。
现在市面上容易见到的GXDeveloper编程软件,优于SWOPC-FXGP/WIN-C软件,它的操作和设置和SWOPC-FXGP/WIN-C软件类似,可以到有关网站下载试用,不再赘述。
第四节可编程控制器的工作原理
可编程控制器的工作原理可以简单地表述为在系统程序的管理下,通过运行应用程序完成用户任务。
可编程控制器属于工业计算机,它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础上的,通过执行反映控制要求的用户程序来实现。
执行用户程序是哦,需要各种现场信息,如果这些现场信息(如按钮接通或断开状态)已送到PLC的输入端口,PLC将采集所有输入信号并存放到输入映像寄存器中,执行用户程序时所需输入状态均在输入映像寄存器中取用。
同样,PLC对外部的输出控制也是先把CPU执行用户程序后的输出结果存放在输出映像寄存器中,等执行完用户程序后,将所有输出结果一次性向输出端口或输出模块输出,使输出设备部件动作。
PLC的工作过程是一个不断循环扫描的过程。
CPU从第一条指令开始,按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束,然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。
当PLC处于正常运行时,PLC会不断循环扫描地工作下去。
从输入到输出的整个执行时间称为扫描周期。
一、PLC系统正常工作所要完成的任务。
1.计算机内部各工作单元的调度、监控。
2.计算机与外部设备间的通讯。
3.用户程序所要完成的工作。
图1-7所示是用户程序完成的三个阶段:
(1)输入处理阶段把PLC的全部输入端子的通断状态读入输入映像寄存器,在程序执行中,即使输入状态发生改变,输入映像寄存器的内容也不会改变,直到进行下一扫描周期单位输入采样阶段,才读入这一变化。
(2)程序执行阶段根据用户程序存储器所存的指令,从输入映像寄存器和其他软元件的映像寄存器中将有关软元件的通、断状态读出,从第0步开始顺序运算,每次运算结果都写入有关的映像寄存器,因此各软元件(X除外)的映像寄存器的内容是随着程序的执行在不断变化的。
(3)输出处理阶段全部指令执行完毕,将输出映像寄存器的通、断状态向输出锁存器传送,成为PLC的实际输出。
二、PLC的两种工作状态
PLC有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。
运行状态是执行应用程序的状态。
停止状态一般用于程序的编制与修改。
三、输入/输出滞后时间
输入/输出滞后时间又称为系统响应时间,是指从PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的间隔。
由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分组成。
输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声,消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。
滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短,其典型值为10ms左右。
输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关。
四、可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别
继电器电路图是用低压电器的接线表达逻辑控制关系的,可编程控制器则使用梯形图表达这种关系。
在运行时序上:
对于继电器电路来说,忽略电磁滞后及机械滞后,同一个继电器的所有触点的动作是和它的线圈通电或断电同时发生的。
但在PLC中,由于指令的分时扫描执行。
同一个器件的线圈工作和它的各个触点的动作并不同时发生。
这就是继电接触器系统的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差别
第二章FX2N系列可编程控制器
FX2N系列可编程控制器是三菱公司小型PLC的代表产品之一。
本章介绍FX2N系列PLC的外观、接线、编程元件及基本指令,为学习FX2N系列PLC的工业应用打下基础。
学习可编程控制器的使用首先要掌握两个重要内容:
编程元件及编程指令。
在可编程控制器控制系统中,实质为存储单元的编程元件是输入、主令信号、反馈信号及执行信号的载体。
程序则是编程元件间相互关系的描述。
而程序的编制是借助编程指令完成的,编程的过程就是将控制系统工作条件及工作目的间的关系指令化的过程。
第一节FX2N系列可编程控制器基本特点
一、FX2N系列产品的结构特点
FX2N系列PLC采用一体化箱体结构,其基本单元(BasicUnit)将所有的电路,含CPU、存储器、输入输出接口及电源等都装在一个模块内,是一个完整的控制装置。
FX2N系列PLC还配有扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。
FX2N系列PLC可以根据需要,以基本单元或由多种单元组合使用。
图2-1是基本单元型号各部分含义。
FX2N系列PLC型号名称组成符号的含义如下:
输入输出点数为输入点数与输出点数之和。
FX2N系列PLC的最大输入输出点数为256点。
基本单元、扩展单元的输入点与输出点数相同。
输出形式有如下几种。
R:
继电器输出,交流、直流负载两用;
S:
三端双向晶闸管开关元件输出,交流负载用;
T:
晶体管输出,直流负载用。
其他区分。
AC100/200V电源、DC24V输入(内部供电)。
D:
DC电源,DC输入
UA1/UL:
AC电源,AC输入(UL规格品)
扩展模块型号中输入输出形式包括以下几种。
R:
DC输入4点、继电器输出4点的组合;
X:
输入专用(无输出);
YR:
继电器输出专用(无输入);
YS:
三端双向晶闸管开关元件输出专用(无输入);
YT:
晶体管输出专用(无输入)。
二、常用软元件
PLC提供给用户使用的每个输入/输出继电器、计数器、定时器及每个存储单元都称为元件,由于这些元件都可用程序(即元件)来指定,故又称为软元件。
每个元件各有其功能,有其固定的地址,元件的多少决定了PLC整个系统的规模及数据处理能力。
下表为FX2N系列PLC的软元件编号一览表。
辅助继电器
一般用
M000~M499500点
锁存用
M500~M1023524点,M1024~M30712048点
合计2572点
特殊用
M8000~M8255256点
状态寄存器
初始化用
S0~S910点
一般用
S10~S49990点
锁存用
S500~S899400点
报警用
S900~S999100点
定
时
器
100ms
T0~T199(0.1~3276.7s)200点
10ms
T200~T245(0.01~327.67s)46点
1ms(积算型)
T246~T249(0.001~32.767s)4点
100ms(积算型)
T250~T255(0.1~32.767s)6点
模拟定时器(内附)
1点
计数器
增计数
一般用
C0~C99(0~32,767)(16位)100点
锁存用
C100~C199(0~32,767)(16位)100点
增/减计数用
一般用
C220~C234(32位)20点
锁存用
C220~C234(32位)15点
高速用
C235~C255中有:
1相60kHz2点,10kHz4点或2相30kHz1点,5kHz1点
数据寄存器
通用数据寄存器
一般用
D0~D199(16位)200点
锁存用
D200~D511(16位)312点,D512~D7999(16位)7488点
特殊用
D8000~D8195(16位)106点
变址用
V0~V7,Z0~Z7(16位)16点
文件寄存器
通用寄存器的D1000以后可每500点为单位设定文件寄存器(MAX7000点)
指针
跳转、调用
P0~P127128点
输入中断、计时中断
Ⅰ0□~Ⅰ8□9点
三、FX2N系列可编程控制器的安装及接线
1.PLC基本单元的供电通常的两种情况:
(1)直接使用工频交流电,通过交流输入端子连接,对电压的要求比较宽松,100~250V均可使用。
(2)采用外部直流开关电源供电,一般配有直流24V输入端子。
2.输入口器件的接入
PLC的输入口连接输入信号,器件主要有开关、按钮及各种传感器,这些都是触点类型的器件。
在接入PLC时,每个触点的两个接头分别连接一个输入点及输入公共端。
如图2—2输入器件的接线示意图。
3.输出口器件的接入
PLC的输出口上连接的器件主要是继电器、接触器、电磁阀的线圈。
这些器件均采用PLC机外的专用电源供电,PLC内部不过是提供一组开关接点。
接入时线圈的一端接输出点螺钉,一端经电源接输出公共端。
PLC输出口的电流定额一般为2A,大电流的执行器件须配装中间继电器。
如图2—3输出器件的接线示意图。
第二节PLC编程元件
可编程控制器用于工业控制,其实质是用程序表达控制过程中事物间的逻辑或控制关系。
在可编程控制器内部设置具有各种各样功能的,能方便地代表控
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