可編程控制器由于價(jià)格低廉，功能齊全，工業(yè)環(huán)境適用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，因此已廣泛用于自動(dòng)化生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。國(guó)外的調(diào)查結(jié)果表明：有80%以上的工業(yè)控制均可用可編程控制器來(lái)完成，如在數(shù)控設(shè)備、自動(dòng)生產(chǎn)線及機(jī)器人等控制中?？删幊炭刂破髦苯优c液壓、氣動(dòng)或電機(jī)等設(shè)備相結(jié)合來(lái)進(jìn)行工業(yè)控制，為工業(yè)自動(dòng)化提供了強(qiáng)有力的工具，加速了機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)。有人稱可編程控制器是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的靈魂。本章主要介紹可編程控制器的工作原理、三菱FX2N的編程語(yǔ)言及氣動(dòng)控制可編程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟?？删幊炭刂破魇且晕⑻幚砥鳛榛A(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種新型工業(yè)控制裝置。它結(jié)合了傳統(tǒng)繼電器控制技術(shù)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息處理兩者的優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最廣的控制設(shè)備，并已躍居工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化三大支柱(可編程控制器、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造)的首位。15.1可編程控制器概述15.1.1可編程控制器的一般概念

可編程控制器(ProgrammableController，PC)是在繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及通信技術(shù)于一體的一種專門(mén)用于工業(yè)控制的裝置。在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個(gè)控制任務(wù)，需要由導(dǎo)線將各種輸入設(shè)備(按鈕、控制開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、傳感器等)與若干中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器等組成的具有一定邏輯功能的控制電路相連接，然后，通過(guò)輸出設(shè)備(接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件)去控制被控對(duì)象的動(dòng)作或運(yùn)行。這種控制系統(tǒng)稱作接線控制系統(tǒng)，所實(shí)現(xiàn)的邏輯稱為布線邏輯，即輸入對(duì)輸出的控制作用是通過(guò)“接線程序”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這種控制系統(tǒng)中，控制要求的變更或修改必須通過(guò)改變控制電路的硬接線來(lái)完成。因此，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，在工業(yè)控制領(lǐng)域中被長(zhǎng)期廣泛使用，但由于其設(shè)備體積大，動(dòng)作速度慢，功能單一，接線復(fù)雜，通用性和靈活性差，已愈來(lái)愈不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)中的生產(chǎn)過(guò)程及工藝復(fù)雜、多變的控制要求。

1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(DEC)根據(jù)美國(guó)通用汽車公司(GE)的要求，研制出了世界上第一臺(tái)可編程控制器，并在GE公司的汽車自動(dòng)裝配線上首次應(yīng)用成功。它主要用于取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制。

可編程控制器具有執(zhí)行邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，故最初稱其為可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡(jiǎn)稱為PLC。出于習(xí)慣叫法，本書(shū)中將可編程控制器稱為PLC。15.1.2可編程控制器的特點(diǎn)

可編程控制器之所以能成為當(dāng)今增長(zhǎng)速度最快的工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備，是因?yàn)樗邆淞嗽S多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它較好地解決了工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。

可編程控制器的主要特點(diǎn)如下：

(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，是PLC最突出的特點(diǎn)；

(2)編程簡(jiǎn)單易學(xué)；

(3)設(shè)計(jì)、安裝容易，調(diào)試周期短，維護(hù)簡(jiǎn)單；

(4)模塊品種豐富，通用性好，功能強(qiáng)大；

(5)體積小，能耗低。15.1.3可編程控制器的發(fā)展趨勢(shì)

目前，可編程控制器技術(shù)發(fā)展總的趨勢(shì)是系列化、通用化、高性能化和網(wǎng)絡(luò)化，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)模塊種類豐富多彩。為了適應(yīng)各種特殊功能的需要，各種智能模塊將層出不窮。智能模塊是以微處理器為基礎(chǔ)的功能部件，它們的CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機(jī)的CPU時(shí)間很少，有利于提高PC的掃描速度和完成特殊的控制要求。

(2)高可靠性。一些特定的環(huán)境和條件要求自動(dòng)化系統(tǒng)有很高的可靠性，因而自診斷技術(shù)、冗余技術(shù)、容錯(cuò)技術(shù)在PLC中得到了廣泛的應(yīng)用。

(3)在系統(tǒng)構(gòu)成規(guī)模上向大、小兩個(gè)方向發(fā)展。發(fā)展小型(超小型)化、專用化、模塊化、有靈活組態(tài)特性的低成本PLC，可以真正替代最小的繼電器系統(tǒng)；發(fā)展大容量、高速度、多功能、高性能價(jià)格比的PLC，可以滿足現(xiàn)代化企業(yè)中大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)自動(dòng)化的需要。

(4)產(chǎn)品更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。PLC廠家在使硬件及編程工具換代頻繁、豐富多樣、功能提高的同時(shí)，日益向MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)靠攏，并使PLC基本部件，如輸入/輸出模塊、接線端子、通信協(xié)議、編程語(yǔ)言和工具等方面的技術(shù)規(guī)格規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，使不同產(chǎn)品間能相互兼容，易于組網(wǎng)，以方便用戶真正利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。

(5)大型網(wǎng)絡(luò)化。今后的PLC將具有DCS系統(tǒng)的功能，網(wǎng)絡(luò)化和強(qiáng)化通信能力是PLC的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。PLC構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將由多個(gè)PLC、多個(gè)I/O模塊相連，并可與工業(yè)計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)等相連構(gòu)成整個(gè)工廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(如PROFI-BUS)在工業(yè)控制中將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

(6)編程語(yǔ)言的高級(jí)化。除了梯形圖、語(yǔ)句表、流程圖外，一些PLC還增加了BASIC、C等編程語(yǔ)言。此外也出現(xiàn)了通用的、功能更強(qiáng)的組態(tài)軟件，進(jìn)一步改善了開(kāi)發(fā)環(huán)境，提高了開(kāi)發(fā)效率。15.1.4可編程控制器在氣動(dòng)控制中的應(yīng)用

氣動(dòng)技術(shù)作為動(dòng)力傳動(dòng)與控制的一種手段獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。氣動(dòng)控制方式有從由氣動(dòng)邏輯元件及氣控閥組成的全氣動(dòng)控制到由電氣技術(shù)參與的電－氣動(dòng)控制等多種。

全氣動(dòng)控制雖然發(fā)展了由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的邏輯控制方式、位置控制系統(tǒng)和通用程序控制器(節(jié)拍器)等，但是面對(duì)龐大的、復(fù)雜多變的氣動(dòng)系統(tǒng)，其控制較復(fù)雜。目前，除了一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如防爆、防靜電場(chǎng)合等，已很少采用全氣動(dòng)控制。電－氣動(dòng)控制也由繼電器回路控制發(fā)展成為采用可編程控制器(PLC)控制。氣動(dòng)控制由于PLC的參與，使得龐大的、復(fù)雜多變的系統(tǒng)控制起來(lái)簡(jiǎn)單明了，使程序的編制、修改變得容易。隨著氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，電磁閥的線圈功率越來(lái)越小，而PLC的輸出功率在增大，使電磁閥與PLC之間省去了許多中間環(huán)節(jié)，使控制系統(tǒng)變得更簡(jiǎn)單了。目前，隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，而氣動(dòng)控制乃至自動(dòng)化控制越來(lái)越離不開(kāi)PLC，特別是閥島技術(shù)的發(fā)展，使PLC在氣動(dòng)控制中變得更加得心應(yīng)手了。

15．2．1可編程控制器的組成

從廣義上來(lái)說(shuō)，可編程控制器也是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只不過(guò)它比一般的計(jì)算機(jī)具有更強(qiáng)的與工業(yè)過(guò)程相連接的接口和更直接的適用于控制要求的編程語(yǔ)言。所以，PLC作為一種專門(mén)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成十分相似，也包括軟件和硬件兩大部分。其軟件由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件(或稱用戶程序)組成，系統(tǒng)軟件又分為編程器系統(tǒng)軟件和操作系統(tǒng)軟件。在硬件組織結(jié)構(gòu)方面也與計(jì)算機(jī)基本相同，也具有中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入/輸出(I/O)接口、電源等，如圖15－1所示。15.2可編程控制器的組成及工作原理圖15－1可編程控制器的基本組成

1．中央處理器

中央處理器作為整個(gè)PLC的核心，起著總指揮的作用，主要有如下任務(wù)：

(1)按照PLC中系統(tǒng)程序所賦予的功能控制接收，并存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)，響應(yīng)各種外部設(shè)備(如編程器、打印機(jī)、上位計(jì)算機(jī)、圖形監(jiān)控系統(tǒng)、條碼判讀器等)的工作請(qǐng)求。

(2)診斷PLC電源、內(nèi)部電路的工作狀態(tài)及用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。

(3)用掃描方式采集由現(xiàn)場(chǎng)輸入裝置送來(lái)的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。

(4)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，按用戶程序存儲(chǔ)器中存放的先后順序逐條讀取指令，經(jīng)編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務(wù)完成各種運(yùn)算和操作，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容。

(5)將存于數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)處理結(jié)果和輸出映像寄存器的內(nèi)容送至輸出電路。

2．存儲(chǔ)器

PLC內(nèi)部的存儲(chǔ)器有兩類：一類是系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，用于存放系統(tǒng)程序，包括系統(tǒng)管理程序、監(jiān)控程序、模塊化應(yīng)用功能子程序以及對(duì)用戶程序做編譯處理的編譯解釋程序等。系統(tǒng)程序根據(jù)PLC功能的不同而不同，生產(chǎn)廠家在PLC出廠前已將其固化在只讀存儲(chǔ)器(ROM或PROM)中，用戶不能更改。另一類是用戶存儲(chǔ)器，包括用戶程序存儲(chǔ)區(qū)及工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。其中，用戶程序存儲(chǔ)區(qū)主要存放用戶已編制好或正在調(diào)試的應(yīng)用程序；工作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)包括存儲(chǔ)各輸入端狀態(tài)采樣結(jié)果和各輸出端狀態(tài)運(yùn)算結(jié)果的輸入/輸出(I／O)映像寄存器區(qū)(或稱輸入/輸出狀態(tài)寄存器區(qū))、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的設(shè)定值和經(jīng)過(guò)值存儲(chǔ)區(qū)、各種內(nèi)部編程元件(內(nèi)部輔助繼電器、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等)狀態(tài)及特殊標(biāo)志位存儲(chǔ)區(qū)、存放暫存數(shù)據(jù)和中間運(yùn)算結(jié)果的數(shù)據(jù)寄存器區(qū)等。這類存儲(chǔ)器一般由隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM構(gòu)成，其中，存儲(chǔ)內(nèi)容可通過(guò)編程器讀出并更改。為了防止RAM中的程序和數(shù)據(jù)因電源停電而丟失，常用高效的鋰電池作為后備電源，鋰電池的壽命一般為3～5年。

3．輸入/輸出接口

輸入/輸出(I/O)接口是將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種設(shè)備與CPU連接起來(lái)的部件，有時(shí)也被稱為I/O單元或I/O模塊。它使PLC通過(guò)其輸入端子接受現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備(如限位開(kāi)關(guān)、操作按鈕、傳感器)的控制信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPU所能接收和處理的數(shù)字信號(hào)。輸入有兩種方式：一種是數(shù)字量輸入，也稱開(kāi)關(guān)量輸入或觸點(diǎn)輸入；另一種是模擬量輸入，也稱電平輸入，模擬量輸入要經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換才能進(jìn)入PLC。為了提高PLC的抗干擾能力，輸入信號(hào)與內(nèi)部電路之間并無(wú)電聯(lián)系，輸入信號(hào)主要依靠輸入部件內(nèi)部的光電耦合、濾波等電路將信號(hào)傳送給內(nèi)部電路。通過(guò)這種隔離措施可以防止現(xiàn)場(chǎng)干擾串入PLC。

輸出接口與輸入相反，它將經(jīng)CPU處理過(guò)的輸出數(shù)字信號(hào)(1或0)傳送給輸出端的電路元件，以控制其接通或斷開(kāi)，從而使接觸器、微電機(jī)、電磁閥、指示燈等輸出設(shè)備獲得或失去工作所需的電壓或電流。輸出接口的形式通常有繼電器輸出型、晶體管輸出型和可控硅輸出型等。

4．特殊功能模塊

為了滿足復(fù)雜控制功能的需要，PLC上配有多種智能模塊，如PID調(diào)節(jié)模塊、通信模塊、步進(jìn)模塊以及伺服模塊等。

5．電源

PLC的電源是指將外部輸入的交流電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓等處理后轉(zhuǎn)換成滿足PLC的內(nèi)部電子電路工作需要的直流電的電源電路或電源模塊。輸入/輸出接口電路的電源彼此要相互獨(dú)立，以避免或減小電源間干擾。

現(xiàn)在許多PLC的直流電源采用直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。這種電源穩(wěn)壓性能好，抗干擾能力強(qiáng)，不僅可提供多路獨(dú)立的電壓供內(nèi)部電路使用，而且還可為輸入設(shè)備或輸入端的傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)電源。

6．編程器

編程器是人與PLC聯(lián)系和對(duì)話的工具，是PLC最重要的外圍設(shè)備。用戶可以利用編程器來(lái)輸入、讀出、檢查、修改和調(diào)試用戶程序，也可用它在線監(jiān)控PLC的工作狀態(tài)，進(jìn)行故障查詢或修改系統(tǒng)寄存器的設(shè)置參數(shù)等。一般來(lái)說(shuō)，一臺(tái)手持編程器可以用于同系列的其他PLC，做到了一機(jī)多用。對(duì)PLC除采用手持編程器進(jìn)行編程和監(jiān)控外，還可通過(guò)PLC的RS232外設(shè)通信口(或422口配以適配器)與計(jì)算機(jī)連機(jī)，并利用PLC生產(chǎn)廠家提供的專用工具軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程和監(jiān)控。比較而言，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程和監(jiān)控往往比手持編程工具更加直觀和方便。15．2．2可編程控制器的結(jié)構(gòu)

通?？蓪LC的結(jié)構(gòu)分為單元式(或稱箱體式、整體式)和模塊式兩類。

1．單元式結(jié)構(gòu)

單元式結(jié)構(gòu)把包括CPU、RAM、ROM、I/O接口、與編程器或EPROM寫(xiě)入器相連的接口、與I／O擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)展口、輸入/輸出端子、電源、各種指示燈等的全部電路安裝在一個(gè)箱體內(nèi)，其外觀如圖15－2所示。

圖15－2單元式結(jié)構(gòu)其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常緊湊，體積小，成本低，安裝方便。整體式PLC的主機(jī)可通過(guò)扁平電纜與I/O擴(kuò)展單元、智能單元(如A/D、D／A單元)等相連接。為了達(dá)到輸入/輸出點(diǎn)數(shù)靈活配置和易于擴(kuò)展的目的，某一系列的產(chǎn)品通常都有不同點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)展單元，單元的品種越豐富，其配置就越靈活。例如，日本立石的C系列機(jī)、三菱FX2N系列及西門(mén)子SIMATICS7－200就屬于這種形式，目前點(diǎn)數(shù)較少的系統(tǒng)多采用單元式結(jié)構(gòu)。小型可編程控制器結(jié)構(gòu)的最新發(fā)展也吸收了模塊式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，各種點(diǎn)數(shù)不同的PLC主機(jī)和擴(kuò)展單元都做成了同寬同高但不同長(zhǎng)度的模塊，這樣，幾個(gè)模塊拼裝起來(lái)后就成了一個(gè)整齊的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。三菱的FX2N系列就是采用這種結(jié)構(gòu)，立石C系列的小型機(jī)也采用這種結(jié)構(gòu)。

目前PLC還有許多專用的特殊功能單元，這些單元有模擬量I／O單元、高速計(jì)數(shù)單元、位置控制單元、I／O連接單元等。大多數(shù)單元都是通過(guò)主單元的擴(kuò)展口與PLC主機(jī)相連，有部分特殊功能單元通過(guò)PLC的編程器接口與PLC主機(jī)連接。

2．模塊式結(jié)構(gòu)

模塊式可編程控制器采用搭積木的方式組成系統(tǒng)，在一個(gè)機(jī)架上插上CPU、電源、I/O模塊及特殊功能模塊，即可構(gòu)成一個(gè)總I/O點(diǎn)數(shù)很多的大規(guī)模綜合控制系統(tǒng)。其外觀如圖153所示。模塊式結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是CPU為獨(dú)立的模塊，輸入/輸出、電源等也是獨(dú)立的模塊，因此配置很靈活?？梢愿鶕?jù)不同的系統(tǒng)規(guī)模選用不同檔次的CPU及各種I/O模塊、功能模塊及其他諸如通信、計(jì)數(shù)、定位等特殊功能模塊來(lái)組成一個(gè)系統(tǒng)。由于模塊尺寸統(tǒng)一、安裝整齊，因此對(duì)于I/O點(diǎn)數(shù)很多的系統(tǒng)選型、安裝調(diào)試、擴(kuò)展、維修等都非常方便。這種結(jié)構(gòu)形式的可編程控制器除了要有各種模塊以外，還需要用機(jī)架(主機(jī)架、擴(kuò)展機(jī)架)將各模塊連成一個(gè)整體，若有多個(gè)機(jī)架時(shí)，則還要用電纜將各機(jī)架連在一起。目前大型系統(tǒng)多采用這種形式。

圖15－3模塊式結(jié)構(gòu)

3．疊裝式結(jié)構(gòu)

以上兩種結(jié)構(gòu)各有特色，前者結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，體積小巧，容易與機(jī)床、電控柜相連成一體，但由于其點(diǎn)數(shù)有搭配關(guān)系，加之各單元尺寸大小不一致，因此不易安裝整齊；后者點(diǎn)數(shù)配置靈活，又易于構(gòu)成較多點(diǎn)數(shù)的大系統(tǒng)，但尺寸較大，難以與小型設(shè)備相連。為此，有些公司開(kāi)發(fā)出疊裝式結(jié)構(gòu)的可編程控制器。它的結(jié)構(gòu)也是各種單元、CPU自成獨(dú)立的模塊，但安裝不用機(jī)架，僅用接口進(jìn)行單元間連接，且各單元可以一層層地疊裝，這樣，既達(dá)到了配置靈活的目的，又可使體積做得小巧。15．2．3可編程控制器的工作原理

1．PLC的工作方式

PLC的運(yùn)算處理從運(yùn)算步序碼0開(kāi)始，依次執(zhí)行所有指令的內(nèi)容，然后再返回到運(yùn)算步序碼0。這樣反復(fù)循環(huán)執(zhí)行從步序碼0到尾部序之間的運(yùn)算過(guò)程叫掃描運(yùn)算，或稱為循環(huán)掃描運(yùn)算。

PLC的工作方式是以循環(huán)掃描的方式為基礎(chǔ)的，每一次掃描所用的時(shí)間稱為掃描時(shí)間，也可稱為掃描周期或工作周期。PLC通電之后，由于所有狀態(tài)均保持在斷電前的狀態(tài)，因而在最初的預(yù)掃描中，既不求解邏輯，也不驅(qū)動(dòng)輸出，僅使輸入更新。在下一次掃描中，PLC才按掃描輸入求解用戶邏輯，并根據(jù)所編程序的次序，從左到右，從上到下進(jìn)行掃描，先掃到的先檢查、先執(zhí)行。

PLC的掃描可按固定的順序進(jìn)行，也可按用戶程序所指定的可變順序進(jìn)行。對(duì)用戶程序的循環(huán)掃描過(guò)程一般可分為三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入刷新(輸入收集)階段、程序處理階段和輸出刷新階段，如圖15－4所示。

順序掃描工作方式簡(jiǎn)單直觀，便于程序設(shè)計(jì)和PLC的自檢。具體體現(xiàn)在：PLC掃描到的功能經(jīng)解算后馬上就可被后面將要掃描到的功能所利用；可在PLC內(nèi)設(shè)定一個(gè)監(jiān)視定時(shí)器，用來(lái)監(jiān)視每次掃描的時(shí)間是否超過(guò)規(guī)定值，避免了由于內(nèi)部CPU故障而使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。

圖15－4PLC的程序執(zhí)行過(guò)程

2．PLC對(duì)輸入/輸出的處理規(guī)則

PLC在輸入/輸出處理方面遵循以下規(guī)則：

(1)輸入狀態(tài)映像寄存器中的數(shù)據(jù)取決于與輸入端子板上各輸入端相對(duì)應(yīng)的輸入鎖存器在上一次刷新期間的狀態(tài)。

(2)程序執(zhí)行中所需的輸入/輸出狀態(tài)由輸入狀態(tài)映像寄存器和輸出狀態(tài)映像寄存器讀出。

(3)輸出狀態(tài)映像寄存器的內(nèi)容隨程序執(zhí)行過(guò)程中與輸出變量有關(guān)的指令的執(zhí)行結(jié)果而改變。

(4)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)由上一次輸出刷新階段時(shí)輸出狀態(tài)映像寄存器的內(nèi)容決定。

(5)輸出端子板上各輸出端的通斷狀態(tài)由輸出鎖存器中的內(nèi)容決定。15．2．4可編程控制器的主要技術(shù)指標(biāo)

PLC的技術(shù)指標(biāo)可分為硬件和軟件指標(biāo)兩大類。硬件指標(biāo)包括一般指標(biāo)、輸入特性和輸出特性三個(gè)方面。軟件指標(biāo)可包括運(yùn)行方式、速度、程序容量、指令類型、元件種類和數(shù)量等。實(shí)際應(yīng)用中最關(guān)鍵的幾個(gè)基本技術(shù)指標(biāo)為I／O總點(diǎn)數(shù)、用戶程序存儲(chǔ)器容量、編程語(yǔ)言、編程手段、掃描速度。表15－1至15－4列出了FX2N系列PLC的主要指標(biāo)。

表15－1FX2N系列PLC的一般指標(biāo)

表15－2FX2N系列PLC的性能指標(biāo)表15－2FX2N系列PLC的性能指標(biāo)表15－2FX2N系列PLC的性能指標(biāo)

表15－3FX2N系列PLC的輸入特性

表15－4FX2N系列PLC的輸出特性PLC按I/O點(diǎn)數(shù)和內(nèi)存容量大致可分為微型機(jī)、小型機(jī)、中型機(jī)、大型機(jī)等四類。

(1)微型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)在64以內(nèi)，內(nèi)存容量為25B～1KB。

(2)小型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)為64～256，內(nèi)存容量為1～3.6KB。

(3)中型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)為256～2048，內(nèi)存容量為3.6～13KB。

(4)大型機(jī)：I/O點(diǎn)數(shù)在2048以上，內(nèi)存容量在13KB以上。15.2.5三菱微型可編程控制器FX2N系列的編程語(yǔ)言

可編程控制器由于品牌不同，故指令結(jié)構(gòu)亦略有差異，但其功能均相似。PLC最普遍使用的編程語(yǔ)言是梯形圖(LadderDiagram)和指令表(StatementList)。

梯形圖是直接從傳統(tǒng)的繼電器控制圖脫胎來(lái)的。它是一種采用常開(kāi)觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、線圈和功能塊構(gòu)成的圖形語(yǔ)言，類似于繼電器線路，由許多階梯組成。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作原理直觀，可讀性較高，并且照顧到了電氣自動(dòng)化技術(shù)人員的讀圖習(xí)慣及思維習(xí)慣。

現(xiàn)以三菱FX2N系列PLC的基本邏輯指令為例，說(shuō)明指令的含義、梯形圖的編制方法以及對(duì)應(yīng)的指令表程序。

1．邏輯取和輸出線圈(LD/LDI/OUT)

邏輯取和輸出線圈的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－5所示。

表15－5邏輯取和輸出線圈的邏輯指令

圖15－5梯形圖程序邏輯取和輸出線圈的指令表程序如下：

0 LDX000 ←與母線連接

1 OUT Y000←驅(qū)動(dòng)指令

2 LDI X001←與母線連接

3 OUT M100←驅(qū)動(dòng)指令

4 OUT T0←驅(qū)動(dòng)定時(shí)器指令

SP K19 ←設(shè)定常數(shù)

7 LD T0

8 OUT Y001

注：SP為空格鍵。說(shuō)明：

(1)LD、LDI指令用于將觸點(diǎn)接到母線上。另外，它與后述的ANB指令組合，在分支起點(diǎn)處也可使用。

(2)OUT指令是對(duì)輸出繼電器、輔助繼電器、狀態(tài)繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的線圈的驅(qū)動(dòng)指令，對(duì)于輸入繼電器不能使用。

(3)OUT指令可以多次并聯(lián)使用，并行輸出指令可多次使用(上例中，在OUTM100之后，接OUTT0)。

(4)對(duì)于定時(shí)器的計(jì)時(shí)器線圈或計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器線圈，使用OUT指令以后，必須設(shè)定常數(shù)K。

2．觸點(diǎn)串聯(lián)(AND/ANI)

觸點(diǎn)串聯(lián)的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－6所示。表15－6觸點(diǎn)串聯(lián)的邏輯指令

圖15－6梯形圖程序觸點(diǎn)串聯(lián)的梯形圖程序如圖15－6所示。

觸點(diǎn)串聯(lián)的指令表程序如下：

0 LDX002

1 AND X000 ←串聯(lián)觸點(diǎn)

2 OUT Y003

3 LD Y003

4 ANI X003 ←串聯(lián)觸點(diǎn)

5 OUT M101

6 AND T1 ←串聯(lián)觸點(diǎn)

7 OUT Y004 ←縱接輸出說(shuō)明：

(1)用AND、ANI指令可進(jìn)行觸點(diǎn)的串聯(lián)連接。串聯(lián)觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)沒(méi)有限制，該指令可以多次重復(fù)使用。

(2)OUT指令后，通過(guò)觸點(diǎn)對(duì)其他線圈使用OUT指令稱為縱接輸出，如圖15－6中的Y004。對(duì)于這種縱接輸出，如果順序不錯(cuò)，可以多次重復(fù)。

(3)建議1行不超過(guò)10個(gè)觸點(diǎn)和1個(gè)線圈，總共不要超過(guò)24行。

3．觸點(diǎn)并聯(lián)(OR/ORI)

觸點(diǎn)并聯(lián)的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－7所示。

表15－7觸點(diǎn)并聯(lián)的邏輯指令

圖15－7梯形圖程序觸點(diǎn)并聯(lián)的梯形圖程序如圖15－7所示。

觸點(diǎn)并聯(lián)的指令表程序如下：

0 LD X004

1 OR X006 ←并聯(lián)連接

2 ORI M102 ←并聯(lián)連接

3 OUT Y005

4 LDI Y005

5 AND X007

6 OR M103 ←并聯(lián)連接

7 ANI X010

8 OR M110 ←并聯(lián)連接

9 OUT M103說(shuō)明：

(1)OR、ORI為一個(gè)觸點(diǎn)的并聯(lián)連接指令。連接兩個(gè)以上的觸點(diǎn)串聯(lián)連接的電路塊的并聯(lián)連接時(shí)，要用后述的ORB指令。

(2)OR、ORI指令從該指令的當(dāng)前步開(kāi)始，對(duì)前面的LD、LDI指令并聯(lián)連接。并聯(lián)連接無(wú)次數(shù)限制，但由于編程器和打印機(jī)的功能對(duì)此有限制，因此并聯(lián)連接的次數(shù)實(shí)際上是有限制的(24行以下)。

4．串聯(lián)電路塊的并聯(lián)(ORB)

串聯(lián)電路塊的并聯(lián)的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－8所示。

表15－8串聯(lián)電路塊的并聯(lián)邏輯指令

圖15－8梯形圖程序串聯(lián)電路塊的并聯(lián)的指令表程序如下：

正確的編寫(xiě)程序不佳的編寫(xiě)程序

0 LD X0000 LD X000

1 AND X001 1 AND X001

2 LD X002 2 LD X002

3 AND X003 3 AND X003

4 ORB 4 LDI X004

5 LDI X004 5 AND X005

6 AND X005 6 ORB

7 ORB 7 ORB

8 OUT Y006 8 OUT Y006說(shuō)明：

(1)兩個(gè)以上的觸點(diǎn)串聯(lián)連接的電路稱為串聯(lián)電路塊。串聯(lián)電路塊并聯(lián)連接時(shí)，分支的開(kāi)始用LD、LDI指令，分支的結(jié)束用ORB指令。

(2)ORB指令與后述的ANB指令等均為無(wú)操作元件號(hào)的指令。

注意：

(1)對(duì)每一電路塊使用ORB指令，并聯(lián)電路塊數(shù)無(wú)限制。

(2)ORB指令也可連續(xù)使用(見(jiàn)上述編寫(xiě)不佳的程序)，但重復(fù)使用LD、LDI指令的次數(shù)限制在8次以下。

5．并聯(lián)電路塊的串聯(lián)(ANB)

并聯(lián)電路塊的串聯(lián)的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－9所示。并聯(lián)電路塊的串聯(lián)的梯形圖程序如圖15－9所示。表15－9并聯(lián)電路塊的串聯(lián)邏輯指令

圖15－9梯形圖程序并聯(lián)電路塊的串聯(lián)的指令表程序如下：

0 LD X000

1 OR X001

2 LD X002 ←分支起點(diǎn)

3 AND X003

4 LDI X004 ←分支起點(diǎn)

5 AND X005

6 ORB ←并聯(lián)電路塊結(jié)束

7 OR X006 ←并聯(lián)電路塊結(jié)束

8 ANB ←與前面的電路串聯(lián)

9 OR X003

10 OUT Y007說(shuō)明：

(1)當(dāng)分支電路并聯(lián)電路塊與前面電路串聯(lián)連接時(shí)，使用ANB指令。分支的起始點(diǎn)用LD、LDI指令。并聯(lián)電路塊結(jié)束后，使用ANB指令與前面電路串聯(lián)。

(2)若多個(gè)并聯(lián)電路塊順次用ANB指令與前面電路串聯(lián)連接，則ANB的使用次數(shù)沒(méi)有限制。

(3)雖然可以連續(xù)使用ANB指令，但是與ORB指令一樣，要注意LD、LDI指令的使用次數(shù)限制(8次以下)。

6．多重輸出電路(MPS/MRD/MPP)

多重輸出電路的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－10所示。

表15－10多重輸出電路邏輯指令這組指令可將連接點(diǎn)先存儲(chǔ)，因此可用于連接后面的電路。

在PLC中，有11個(gè)存儲(chǔ)運(yùn)算中間結(jié)果的存儲(chǔ)器，稱之為棧存儲(chǔ)器，其示意圖如圖1510所示。

使用一次MPS指令，運(yùn)算結(jié)果就推入該時(shí)刻棧的第一段。再次使用MPS指令，運(yùn)算結(jié)果推入當(dāng)時(shí)棧的第一段，入棧的數(shù)據(jù)依次向下一段推移。

使用MPP指令，各數(shù)據(jù)依次向上一段壓移。最上一段的數(shù)據(jù)在讀出后就從棧內(nèi)消失。

MRD是讀出最上一段所存的最新數(shù)據(jù)的專用指令，棧存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)不發(fā)生移動(dòng)。

圖15－10所示的指令都是沒(méi)有操作元件號(hào)的指令。圖15－10棧存儲(chǔ)器示意圖多重輸出電路指令的梯形圖程序如圖15－11所示。

多重輸出電路的指令表程序如下：

18 LD X004

19 MPS

20 AND X005

21 OUT Y002

22 MRD

23 AND X006

24 OUT Y003

25 MRD

26 OUT Y004

27 MPP

28 AND X007

29 OUT Y005

30 END

圖15－11梯形圖程序說(shuō)明：

(1)這項(xiàng)指令是進(jìn)行如圖15－11所示的分支多重輸出電路編程用的方便指令。在對(duì)利用MPS指令得出的運(yùn)算中間結(jié)果存儲(chǔ)之后，驅(qū)動(dòng)Y002，用MRD指令將該存儲(chǔ)讀出，再驅(qū)動(dòng)輸出Y003。

(2)MRD可多次編程，但是由于打印機(jī)和圖形編程器顯示方面有限制，因此并聯(lián)電路一般用在24行以下。

(3)最終輸出電路以MPP指令取代MRD指令，從而可讀出上述存儲(chǔ)，同時(shí)復(fù)位。

(4)MPS指令可以重復(fù)使用，MPS指令與MPP指令的數(shù)量差額應(yīng)少于11，最終兩者指令數(shù)要一樣。

7.主控指令(MC/MCR)

主控指令的符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－11所示。

表15－11主控指令

圖15－12梯形圖程序主控指令的指令表程序如下：

0 LD X000

1 MC N0

SP M000

4 LD X001

5 OUT Y000

6 LD X002

7 OUT Y001

8 MCR N0 ←2步指令←母線返回(N0為嵌套級(jí))。N：嵌套層數(shù)(0～7)；SP：空格鍵。特殊輔助繼電器不能用作MC的操作元件。

←在沒(méi)有嵌套結(jié)構(gòu)時(shí)，通用N0編程。N0的使用次數(shù)沒(méi)有限制。有嵌套結(jié)構(gòu)時(shí)，嵌套級(jí)N的地址號(hào)增大，即

N0→N1…N6→N7。說(shuō)明：

(1)輸入X000接通時(shí)，執(zhí)行MC與MCR之間的指令；輸入X000斷開(kāi)時(shí)，元件狀態(tài)如下：

保持當(dāng)前狀態(tài)的元件：積算定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和用SET／RST指令驅(qū)動(dòng)的軟元件。

斷開(kāi)的元件：非積算定時(shí)器和用OUT指令驅(qū)動(dòng)的元件。

(2)使用MC指令，母線(LD、LDI點(diǎn))移至MC觸點(diǎn)之后，返回原來(lái)母線的指令是MCR。

(3)使用不同的Y、M元件號(hào)，可多次使用MC指令，但是，若用同一軟元件號(hào)，則與OUT指令一樣成為雙線圈輸出。

(4)在MC指令內(nèi)再使用MC指令時(shí)，嵌套級(jí)N的編號(hào)就順次增大(隨程序順序由小到大)。返回時(shí)用MCR指令，從大的嵌套級(jí)開(kāi)始解除(按程序順序由大至小)。

注意：使用主控MC指令后必須要用MCR指令返回母線。

8．置位與復(fù)位指令(SET/RST)

置位與復(fù)位指令的符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－12所示。

表15－12置位與復(fù)位指令

圖15－13梯形圖程序置位與復(fù)位指令的指令表程序如下：

0 LD X000

1 SET Y000

2 LD X001

3 RST Y000

4 LD X002

5 SET M0

6 LD X003

7 RST M0

8 LD X004

9 RST S0

11 LD X005

12 RST S0

14 LD X006

15 RST D0

16 LD X000

17 OUT T250

SP K10

20 LD X007

21 RST T250

置位與復(fù)位指令的時(shí)序圖如圖15－14所示。

圖15－14時(shí)序圖說(shuō)明：

(1)在置位指令中，只要X000接通，Y000就保持接通，即使X000再斷開(kāi)，Y000依然保持接通。只要X001接通，Y000就斷開(kāi)，即使X001再斷開(kāi)，Y000也將保持?jǐn)嚅_(kāi)。對(duì)于M、S也同樣成立。

(2)對(duì)同一元件可以多次使用SET、RST指令，且使用順序是任意的，但是只有最后執(zhí)行的一條才有效。

(3)要使數(shù)據(jù)寄存器D，變址寄存器V、Z的內(nèi)容清零，也可使用RST指令(用常數(shù)為K0的傳送指令也可得到同樣的結(jié)果)。

9．脈沖輸出(PLS/PLF)

脈沖輸出的邏輯指令符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－13所示。

脈沖輸出指令的梯形圖程序如圖15－15所示。

表15－13脈沖輸出指令

圖15－15梯形圖程序脈沖輸出的指令表程序如下：

0 LD X000

1 PLS M0 ←2步指令

2 LD M0

3 SET Y000

4 LD X001

5 PLF M1 ←2步指令

6 ORB

7 LD M1

8 RST Y000

脈沖輸出指令的時(shí)序圖如圖15－16所示。

圖15－16時(shí)序圖

10．計(jì)數(shù)器(OUT/RST)

計(jì)數(shù)器指令的符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－14所示。表15－14計(jì)數(shù)器指令

圖15－17梯形圖程序說(shuō)明：

(1)C0對(duì)X011從OFF到ON的次數(shù)進(jìn)行增計(jì)數(shù)，但當(dāng)它達(dá)到設(shè)定值K10時(shí)，輸出觸點(diǎn)C0動(dòng)作，以后即使X011從OFF到ON，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值不變，輸出觸點(diǎn)依然動(dòng)作。為了清除這些當(dāng)前值，計(jì)數(shù)器觸點(diǎn)復(fù)位，此時(shí)，令X010為ON。

(2)有必要在OUT指令后面指定常數(shù)K或間接設(shè)定數(shù)據(jù)寄存器的地址號(hào)。

(3)對(duì)于掉電保持用計(jì)數(shù)器，即使停電，它也能保持當(dāng)前值以及輸出觸點(diǎn)的工作狀態(tài)或復(fù)位狀態(tài)。

11．空操作指令(NOP)

空操作指令的符號(hào)、名稱、功能、電路表示和可用軟元件、程序步如表15－15所示。

表15－15空操作指令空操作指令的梯形圖程序如圖15－18所示。

說(shuō)明：

(1)程序若加入NOP指令，在改動(dòng)或追加程序時(shí)，則可以減少步序號(hào)的改變。另外，用NOP指令替換已寫(xiě)入的指令，也可改變電路。

(2)若將LD、LDI、ANB、OR