項目一PLC的認識

一、PLC的產生與定義二、PLC的特點、應用和分類三、PLC的基本組成及工作原理四、PLC的主要性能指標五、PLC產品簡介六、三菱FX系列PLC簡介七、編程軟件GXDeveloper簡介

可編程序控制器(簡稱PLC)是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、半導體技術、數(shù)字技術和網(wǎng)絡通信技術發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控制裝置。它具有體積小、功能強、程序設計簡單、靈活通用、維護方便等一系列的優(yōu)點，在機械、冶金、能源、化工、石油、交通、電力等領域中得到了越來越廣泛的應用。PLC技術已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制三大技術(PLC技術、機器人、計算機輔助設計與分析)支柱之一。

本項目主要介紹PLC的產生、定義、特點、分類、基本結構、工作原理以及編程軟件的使用等。學習目標

知識目標

(1)了解PLC的產生、發(fā)展、特點和分類；

(2)掌握PLC的結構、原理及應用；

(3)掌握GXDeveloper編程軟件的使用方法。

技能目標

(1)初步具有PLC的選型能力；

(2)能夠認識PLC的硬件結構；

(3)會安裝編程軟件，并利用編程軟件對PLC程序進行錄入、編輯和調試等操作。一、PLC的產生與定義

(一)?PLC的產生

在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領域中是以繼電器控制占主導地位的。我們比較熟悉的繼電器控制電路，能完成各種邏輯控制，實現(xiàn)弱電對強電的控制，因而得到了廣泛的應用。但是繼電器控制系統(tǒng)存在很多缺點，如設備體積大、開關動作慢、功能少、接線復雜、觸點易損壞、改接麻煩、靈活性較差、可靠性低、故障檢修困難且不方便等。此外，繼電器控制系統(tǒng)對生產工藝多變的系統(tǒng)適應性差，一旦生產任務和工藝發(fā)生變化，就必須重新設計，并要改變硬件結構。現(xiàn)代社會制造工業(yè)競爭激烈，產品更新?lián)Q代頻繁，迫切需要一種新的更先進的“柔性”的控制系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。

20世紀60年代，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，先后出現(xiàn)了用晶體管和中小規(guī)模集成電路構成的邏輯控制系統(tǒng)以及用小型計算機取代繼電器控制系統(tǒng)，但由于小型計算機價格高昂，對惡劣的工業(yè)環(huán)境難以適應，其輸入/輸出信號與被控電路不匹配，再加上控制程序的編制困難，不像現(xiàn)在的梯形圖那樣易于被操作人員掌握，這一“瓶頸”阻礙了其進一步發(fā)展和推廣應用。

1968年，美國通用汽車公司(GM公司)為了在每次汽車改型或改變工藝流程時不改動原有繼電器柜內的接線，以便降低成本，縮短開發(fā)周期，提出了研制新型邏輯順序控制裝置，并提出了10項招標技術指標。其主要內容如下：

(1)編程簡單，可在現(xiàn)場修改和調試程序；

(2)價格便宜，性價比高于繼電器控制系統(tǒng)；

(3)可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)；

(4)體積小于繼電器控制柜的體積，且能耗少；

(5)能與計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信；

(6)輸入量是交流115V電壓信號(美國電網(wǎng)電壓是110?V)；

(7)輸出量是交流115V電壓信號、輸出電流在2A以上，能直接驅動電磁閥等；

(8)具有靈活的擴展能力；

(9)硬件維護方便，采用插入式模塊結構；

(10)用戶存儲器容量至少在4KB以上。

新要求的核心思想：用程序代替硬接線，輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯(lián)，且結構易于擴展。這就是PLC的雛形。

在這種思想的指導下，1969年美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出世界上第一臺PLC(PDP-14)，并在GM公司汽車生產線上應用成功，這標志著PLC的誕生。

1969年，美國研制出世界第一臺PLC(PDP-14)；

1971年，日本研制出第一臺PLC(DCS-8)；

1973年，德國研制出第一臺PLC；

1974年，中國研制出第一臺PLC。

(二)?PLC的定義

PLC在早期是一種開關邏輯控制裝置，實際只能進行邏輯控制，所以被稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC。

隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，PLC采用微處理器作為其控制核心，它的功能已不再局限于邏輯控制的范疇。因此，1980年美國電氣制造協(xié)會(NEMA)將其命名為ProgrammableController(PC)，但為了避免與個人計算機(PersonalComputer)的簡稱PC混淆，習慣上仍將其稱為PLC。隨著可編程控制器的不斷發(fā)展，其定義也在不斷變化。國際電工委員會(IEC)曾于1982年11月頒布了可編程控制器標準草案第一稿，1985年1月發(fā)表了第二稿，1987年2月又頒布了第三稿。1987年頒布可編程控制器的定義：“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。

事實上，由于可編程控制技術的迅猛發(fā)展，許多新產品的功能已超出了上述定義。

(三)?PLC的發(fā)展方向

(1)從技術上看，PLC會向運算速度更快、存儲容量更大、功能更廣、性能更穩(wěn)定、性價比更高的方向發(fā)展。

(2)從規(guī)模上看，PLC會進一步向超小型和超大型兩個方向發(fā)展。一是朝著小型化、簡易、廉價化方向發(fā)展，其體積減小，價格降低，可靠性不斷提高；二是朝著大型化、標準化、系列化、智能化、高速化、大容量化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，這將使PLC功能更強，可靠性更高，使用更方便，適用面更廣。大型的PLC一般為多微處理器系統(tǒng)，有較大的存儲能力和功能強勁的輸入/輸出接口。

(3)從配套性上看，PLC產品會向品種更豐富、規(guī)格更齊備的方向發(fā)展。

(4)從標準上看，PLC的通用信息、設備特性、編程語言等向IEC1131標準的方向發(fā)展。

(5)從網(wǎng)絡通信的角度看，PLC將向網(wǎng)絡化和通信的簡便化方向發(fā)展。二、PLC的特點、應用和分類

(一)?PLC的特點

1．可靠性高，抗干擾能力強

可靠性高、抗干擾能力強是PLC的主要特點之一。在PLC內部有許多軟繼電器、軟接點和軟接線，控制功能主要由軟件實現(xiàn)，外部硬件大大減少，同時還設置許多抗干擾措施，如屏蔽、濾波、隔離、故障診斷及自動恢復等，這些措施大大地提高了PLC的可靠性和抗干擾能力。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統(tǒng)與同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到其數(shù)百分之一甚至數(shù)千分之一，這樣故障率也就大大降低。此外，PLC采用的是循環(huán)掃描的工作方式，帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。在一些高檔的PLC中，還采用了雙CPU模板并行工作的方式，即使其中一個CPU出現(xiàn)故障，系統(tǒng)也能正常工作，保證了系統(tǒng)極高的可靠性。例如三菱公司生產的FX系列PLC平均無故障工作時間高達30萬小時，一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。

2．編程簡單，使用方便

目前，PLC都采用梯形圖語言編程。梯形圖語言和繼電接觸器控制電路基本設計原理類似，形象直觀、易學易懂，電氣工程師和具有一定基礎的技術操作人員都可以在短時間內學會，使用起來得心應手，當生產流程需要改變時，可以現(xiàn)場改變程序，使用方便、靈活。

例如，小型三相異步電動機啟?？刂齐娐啡鐖D1-1所示。圖1-1三相異步電機啟?？刂齐娐窂膶嵗锌闯?，繼電接觸器控制的特點有：

(1)一旦控制要求改變，繼電器控制系統(tǒng)必須重新配線安裝。

(2)大型的繼電器控制電路接線更加復雜，而且體積龐大。

(3)機械觸點易損壞，因而系統(tǒng)的可靠性較差，檢修工作相當困難。

若采用可編程控制器對三相電機進行直接啟動和延時啟動，工作將變得輕松愉快，硬件接線則更加簡單清晰。用戶只需要將輸入設備如啟動按鈕SB2、停止按鈕SB1、熱繼電器FR接到PLC的輸入端口，輸出設備如接觸器線圈KM接到PLC的輸出端口，再接上電源，然后輸入程序就可以了。圖1-2所示為PLC控制電動機啟停的硬件接線圖。圖1-2三相異步電動機的PLC控制硬件接線圖可以看出，兩種方式啟停電機的硬件接線圖完全相同。

電動機直接啟動的PLC控制程序圖如圖1-3所示。

電動機延時啟動(5?s)，程序如圖1-4所示。

比較圖1-1和圖1-2，可以看出，它們的控制方式不同。繼電器控制系統(tǒng)屬于硬件連線控制方式，按鈕下達指令后，通過繼電器硬連線邏輯控制決定接觸器是否得電，從而控制電動機的工作狀態(tài)。PLC控制屬于存儲程序控制方式，按鈕下達指令后，通過PLC程序控制邏輯決定接觸器線圈是否得電，從而控制電動機的工作狀態(tài)。PLC利用程序中的軟繼電器取代傳統(tǒng)的物理繼電器，使控制系統(tǒng)的結構大大簡化，可靠性提高，靈活性增強。圖1-3電動機直接啟動的PLC控制程序圖圖1-4電動機延時啟動的PLC控制程序圖

3．適應范圍廣

目前可編程序控制器的產品已形成系列化、模塊化，具有各種數(shù)字量、模擬量的I/O接口，能將生產現(xiàn)場的多種規(guī)格的直流、交流信號直接接入；可編程序控制器輸出接口在多數(shù)情況下也可以直接與各種執(zhí)行器(繼電器、接觸器和電磁閥)等連接，因此能方便地進行系統(tǒng)配置，組成規(guī)模不同、功能不同的控制系統(tǒng)，其適應能力強，利用它可以控制一臺單機自動化系統(tǒng)，也可以控制一條生產線，還可以組成一個復雜的集散控制系統(tǒng)。

4．功能完善，擴展能力強

PLC內部有數(shù)量巨大的繼電器類軟元件，可以實現(xiàn)繼電接觸器控制所不能實現(xiàn)的大規(guī)模的開關量邏輯控制。現(xiàn)在的PLC不僅有邏輯運算、定時、計數(shù)、順序控制、位置控制、過程控制、人機對話、自檢、記錄和顯示等功能，而且還有A/D轉換和D/A轉換、數(shù)值運算、數(shù)據(jù)處理、PID控制、通信聯(lián)網(wǎng)等功能，同時由于PLC模塊化、系列化，具有各種數(shù)字量、模擬量的I/O接口，還能方便地進行系統(tǒng)配置，可以組成滿足各種生產需求的控制系統(tǒng)。

(二)?PLC的應用

由于PLC具有上述優(yōu)點，因此PLC目前在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。應用情況大致可歸納為如下幾類：

1．開關量的邏輯控制

開關量的邏輯控制是PLC最基本、最廣泛的應用領域。PLC取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

2．模擬量控制

在工業(yè)生產過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。PLC廠家生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使PLC可應用于模擬量控制。

3．運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都具有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

4．過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。

5．數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算(含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值作比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們打印制表。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)，也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。

6．通信及聯(lián)網(wǎng)

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡系統(tǒng)。新近生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

(三)?PLC的分類

目前，可編程序控制器的產品種類很多，其分類的方法主要有以下幾種：

1．根據(jù)PLC的I/O點數(shù)和儲存容量分類

根據(jù)PLC的I/O點數(shù)多少和存儲容量可以將PLC分為大型、中型和小型三個等級。

(1)大型PLC：I/O點數(shù)在2048點以上的PLC稱為大型PLC。其中，I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC。

(2)中型PLC：I/O點數(shù)在256～2048之間，用戶程序容量一般為2?K～8?K字的PLC為中型PLC。

(3)小型PLC：I/O點數(shù)在256點以下，用戶程序儲存其容量為2K字以下(1?K=1024，儲存一個1或0的二進制碼稱為1位，1字為16位)的PLC稱為小型PLC。其中，I/O點數(shù)小于64點的PLC稱為超小型或微型PLC。有的PLC用步來衡量，一步占用一個地址，表示PLC可以存放多少用戶程序。

2．按照PLC的結構形狀分類

根據(jù)PLC的結構形狀可以將PLC分為整體式和模塊式兩種。

(1)整體式PLC：將PLC的電源、中央處理器和輸入、輸出部分集中配置在一起，有的甚至全部安裝在一塊印制電路板上，裝在一個箱體內。整體式PLC具有結構緊湊、體積小、重量輕而且價格低的特點，其I/O點數(shù)固定，使用不靈活。小型PLC一般采用整體式結構。

(2)模塊式PLC：將組成PLC的各個部分分成幾個模塊，如電源模塊、CPU模塊、輸入模塊和輸出模塊及各種功能模塊，模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成，把模塊插入框架或基板的插座上。這種結構的PLC具有配置靈活、裝配方便、便于擴展等特點，但是結構復雜、價格高。一般中型和大型PLC采用模塊式結構。

3．按照PLC的功能強弱分類

按PLC的功能強弱可以將PLC大致分為低檔、中檔和高檔等三種。

(1)低檔PLC：除了具有邏輯運算、定時、計數(shù)、自診斷和監(jiān)控等基本功能外，還增設了少量模擬量的處理、算數(shù)運算、通信、數(shù)據(jù)比較和傳送等功能，用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

(2)中檔PLC：除了具有低檔PLC機的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算數(shù)運算、通信、數(shù)據(jù)比較和傳送、聯(lián)網(wǎng)等功能，適用于復雜的控制系統(tǒng)。

(3)高檔PLC：除了具備中檔PLC的功能外，還增設帶符號算數(shù)和運算、矩陣運算、位邏輯運算和其他特殊函數(shù)的運算以及制表和表格傳送功能，高檔PLC還具有模擬調節(jié)、聯(lián)網(wǎng)通信、監(jiān)視記錄和打印等功能，使PLC的功能更多、更強，能進行遠程控制，大規(guī)模過程控制，構成集散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。三、PLC的基本組成及工作原理

(一)?PLC的基本組成

PLC的基本組成包括硬件與軟件兩部分。

1．PLC的硬件組成

PLC的硬件組成包括中央處理器(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入/輸出(I/O)接口、編程設備、通信接口、電源和其他一些電路。PLC的硬件結構框圖如圖1-5所示。圖1-5PLC的硬件基本結構圖

1)中央處理單元

中央處理單元(CPU)是PLC的核心部件，整個PLC的工作過程都是在中央處理器的統(tǒng)一指揮和協(xié)調下進行的。CPU的主要任務是在系統(tǒng)程序的控制下，完成邏輯運算、數(shù)學運算、協(xié)調系統(tǒng)內部各部分工作等，然后根據(jù)用戶所編制的應用程序的要求去處理有關數(shù)據(jù)，最后再向被控對象送出相應的控制(驅動)信號。PLC中所采用的CPU通常有三種：

(1)通用處理器：如8086、80286、80386；

(2)單片機芯片：如8031、8096；

(3)位片式微處理器：如AMD-2900。

小型PLC多采用8位微處理器或單片機作為CPU，中型PLC多采用16位微處理器或單片機作為CPU，大型PLC多采用高速位片式微處理器作為CPU。

2)存儲器

存儲器是PLC用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量及運算數(shù)據(jù)的單元。存儲器的類型有可讀/寫操作的隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，PLC的軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

3)輸入/輸出接口

輸入/輸出(I/O)是PLC和工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部件。PLC通過輸入接口把工業(yè)現(xiàn)場的狀態(tài)信息讀入，輸入部件接收是從開關、按鈕、繼電器觸點和傳感器等輸入的現(xiàn)場控制信號，通過用戶程序的運算與操作，對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉換等，把輸入信號的邏輯值準確、可靠地傳入PLC內部，并將這些信號轉換成中央處理器能接收和處理的數(shù)字信號，把結果通過輸出接口輸出給執(zhí)行機構。

PLC通過輸出接口，接收經(jīng)過中央處理器處理后輸出的數(shù)字信號，并把它轉換成被控制設備或顯示裝置所能接收的電壓或電流信號，從而驅動接觸器、電磁閥和指示器件等。

PLC的等效電路如圖1-6所示。

4)電源模塊

電源部件是把交流電轉換成直流電源的裝置，它向PLC提供所需要的高質量直流電源?？删幊炭刂破麟娫窗ǜ鞴ぷ鲉卧╇姷拈_關穩(wěn)壓電源和掉電保護電源(一般為電池)。

PLC電源與普通電源相比穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。許多PLC還向外提供直流24?V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電，但電流一般都不超過100?mA。圖1-6PLC的等效電路

5)編程器

編程器是PLC必不可少的重要外圍設備。它的主要作用是編輯、輸入、檢查、調試、修改用戶程序，也可用來監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)，或在線監(jiān)控PLC內部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的設備。

6)其他接口

其他接口包括外存儲器接口、BEPPROM寫入器接口、A/D轉換接口、D/A轉換接口、遠程通信接口、與計算機相連的接口、打印機接口、與CRT相連的接口等。通信與擴展接口的連接實例如圖1-7所示。圖1-7通信與擴展接口

2．PLC的軟件組成

1)系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序是PLC賴以工作的基礎，采用匯編語言編寫。系統(tǒng)程序分為系統(tǒng)監(jiān)控程序和解釋程序。系統(tǒng)監(jiān)控程序用于監(jiān)視并控制PLC的工作，如診斷PLC系統(tǒng)工作是否正常，對PLC各模塊的工作進行控制，并與外設交換信息；解釋程序用于把用戶程序解釋成微處理器能執(zhí)行的程序。

(1)系統(tǒng)程序完成系統(tǒng)命令解釋、功能子程序調用、管理、監(jiān)控、邏輯運算、通信、各種參數(shù)設定、診斷等功能。

(2)系統(tǒng)程序是由PLC的制造廠家編寫的，在PLC使用過程中不會變動，它和PLC的硬件組成有關，并且關系到PLC的性能。

(3)系統(tǒng)程序是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。

2)用戶程序

用戶程序又稱為應用程序，是用戶為完成某一特定任務利用PLC的編程語言而編制的程序。用戶程序通過編程器輸入到PLC的用戶存儲器中，通過PLC的運行而完成這一特定的任務。

3)編程語言

1994年5月，國際電工委員會公布了PLC常用的5種編程語言：順序功能圖、梯形圖、指令表、功能塊圖和高級語言。其中，用的最多的是順序功能圖、梯形圖和指令表等3種編程語言。

(1)梯形圖(LadderDiagram)編程語言。梯形圖編程語言是類似于繼電器控制電路的一種編程語言，是在傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器、繼電器等圖形表達符號的基礎上演變而來的，它與電器控制線路圖相似，繼承了傳統(tǒng)繼電器控制邏輯中使用的框架結構、邏輯運算方式和輸入/輸出形式，它面向控制過程，具有形象、直觀、實用的特點。因此，這種編程語言為廣大電氣技術人員所熟知，是應用最廣泛的PLC的編程語言，是PLC的第一編程語言。圖1-8所示為用梯形圖語言編寫的PLC程序。

圖中左、右母線類似于繼電接觸器控制圖中的電源線，輸出線圈類似于負載，輸入觸點類似于按鈕。梯形圖由若干梯級組成，每個梯級是一個因果關系。在梯級中，觸點表示邏輯輸入條件，如外部的開關、按鈕和內部條件等；線圈通常代表邏輯結果，用來控制外部的指示燈、接觸器和內部的輸出標志位等。梯形圖自上而下排列，每個梯級起于左母線，經(jīng)觸點、線圈，止于右母線。右母線也可以不畫。圖1-8繼電器控制與梯形圖對應關系

(2)指令表(SepuentialFunctionChart)編程語言。指令表編程語言是以LD、ANI、OUT等基本指令或功能指令助記符輸入的方法。與圖1-8梯形圖對應的指令表編程語言如圖1-9所示。圖1-9PLC指令表編程語言

(3)?SFC(SepuentialFunctionChart)順序功能圖編程語言。SFC順序功能圖編程語言是應用步進指令和狀態(tài)器進行編程的方法，一般是在順序控制時應用，如圖1-10所示。在應用步進指令編程時，一般是先根據(jù)控制要求畫出SFC流程圖，再根據(jù)流程圖轉化成梯形圖。

(4)功能模塊圖(FunctionBlock)編程語言。功能模塊圖語言是與數(shù)字邏輯電路類似的一種PLC編程語言。如圖1-11所示，采用功能模塊圖的形式來表示模塊所具有的功能，不同的功能模塊有不同的功能。圖1-10順序功能圖編程語言圖1-11功能模塊圖編程語言功能模塊圖程序設計語言的特點：以功能模塊為單位，分析理解控制方案簡單容易；功能模塊是用圖形的形式表達功能，直觀性強，對于具有數(shù)字邏輯電路基礎的設計人員來說，是一種很容易掌握的編程方法；對規(guī)模大、控制邏輯關系復雜的控制系統(tǒng)，由于功能模塊圖能夠清楚表達功能關系，因此使編程調試的時間可以大大縮短。

(5)結構化文本(StructuredText)編程語言。結構化文本語言是用結構化的描述文本來描述程序的一種編程語言。它是類似于高級語言的一種編程語言。在大、中型的PLC系統(tǒng)中，常采用結構化文本來描述控制系統(tǒng)中各個變量的關系。主要用于其他編程語言較難實現(xiàn)的用戶程序編制。結構化文本編程語言采用計算機的描述方式來描述系統(tǒng)中各種變量之間的各種運算關系，完成所需的功能或操作。大多數(shù)PLC制造商采用的結構化文本編程語言與BASIC語言、PASCAL語言或C語言等高級語言相類似，但為了應用方便，在語句的表達方法及語句的種類等方面都進行了簡化。

結構化文本編程語言的特點：采用高級語言進行編程，可以完成較復雜的控制運算；需要有一定的計算機高級語言的知識和編程技巧，對工程設計人員要求較高；直觀性和操作性較差。

(二)?PLC的工作原理

1．PLC的掃描工作方式

PLC采用循環(huán)掃描工作方式，為了連續(xù)地完成PLC所承擔的掃描工作，系統(tǒng)必須重復執(zhí)行依一定的順序完成循環(huán)掃描工作方式，每重復一次的時間稱為一個掃描周期。由于PLC掃描速度很快，輸入掃描和輸出刷新的周期時間通常為3?ms左右，而程序執(zhí)行時間可根據(jù)程序的長度不同而不同。PLC一個掃描周期通常為10?ms～100?ms，對一般工業(yè)被控對象來說，掃描過程幾乎是與輸入同時完成的。PLC循環(huán)掃描過程如圖1-12所示。圖1-12PLC循環(huán)掃描工作過程

2．PLC的工作過程

PLC工作大致分為三個階段：輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新，如圖1-13所示。

1)輸入采樣

在輸入采樣階段，PLC的CPU讀取每個輸入端口的狀態(tài)，采樣結束后，存入輸入映像寄存器中，作為程序執(zhí)行的條件。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，無論輸入信息后如何變化其內容保持不變，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才重新寫入輸入端的新內容。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。圖1-13PLC工作的三個階段

2)程序執(zhí)行

根據(jù)PLC梯形圖程序掃描周期原則，PLC按先左后右、先上后下的順序逐句掃描程序。當指令中涉及輸入、輸出狀態(tài)時，PLC就從輸入映像寄存器“讀入”上一階段采入的對應輸入端子狀態(tài)，從元件映像寄存器“讀入”對應元件(“軟繼電器”)的當前狀態(tài)。然后進行相應的運算，并將運算結果存入輸出映像寄存器中。

3)輸出刷新

當所有指令執(zhí)行完畢且已進入到輸出刷新階段時，PLC才將輸出映像寄存器中所有的輸出繼電器的狀態(tài)(接通/斷開)轉存到輸出鎖存器中，然后通過一定的方式輸出以驅動外部負載。這種輸出方式稱為集中輸出方式。四、PLC的主要性能指標

在對PLC性能進行描述時，經(jīng)常用到位、數(shù)字、字節(jié)及字等術語。這里簡單介紹一下。

位指二進制的一位，僅有0、1兩種取值。一個位對應PLC一個繼電器，某位的狀態(tài)為0或1，分別對應繼電器線圈斷電或通電。

4位二進制數(shù)構成1個數(shù)字，這個數(shù)字可以是0000～1001(十進制)，也可以是0000～1111(十六進制)。2個數(shù)字或8位二進制數(shù)構成1個字節(jié)，2個字節(jié)構成1個字。在PLC術語中，字稱為通道。1個字含16位，或者說1個通道含16個繼電器。

1．存儲容量

存儲容量是指用戶程序存儲器的容量。用戶程序存儲器的容量越大，可以編制出越復雜的程序。小型機的內存為1K到幾K字節(jié)，中型機為幾K至幾百K字節(jié)，大型機為幾百K至2M字節(jié)。

2．輸入/輸出(I/O)總點數(shù)

輸入/輸出(I/O)點數(shù)是PLC可以接受的輸入信號和輸出信號的總和，是衡量PLC性能的重要指標。點數(shù)越多，控制規(guī)模就越大，外部所接的輸入設備和輸出設備也越多。目前輸入/輸出點數(shù)為8～143?36點甚至更多。

3．掃描速度

掃描速度是指PLC執(zhí)行用戶程序的速度，是衡量PLC性能的要重指標。一般以掃描1K字用戶程序所耗用的時間來衡量掃描速度，通常用ms/K字為單位。目前最快的能達到0.75?ms/K字邏輯運算程序。

4．指令的功能和數(shù)量

指令功能的強弱、數(shù)量的多少也是衡量PLC性能的重要指標。編程指令的功能越強、數(shù)量越多，PLC的處理和控制能力就越強，用戶編程也越簡單和方便，也越容易完成復雜的控制任務。

5．PLC內部繼電器的種類

在編制PLC程序時，需要用到大量的內部元件來存放變量、中間結果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設置和各種標志位等信息，如輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器、特殊繼電器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)繼電器等。這些元件的種類和數(shù)量越多，表明PLC的存儲能力和處理各種信息的能力也越強。

6．擴展能力

PLC的擴展能力包括I/O點數(shù)的擴展、存儲容量的擴展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴展、各種功能模塊的擴展等。

7．工作環(huán)境

PLC工作環(huán)境的溫度為0℃～50℃。五、PLC產品簡介

PLC自問世以來，發(fā)展極為迅速。1971年日本從美國引進了這項技術，很快研制出了日本第一臺可編程控制器DSC-8；1973年西歐國家也研制出了它們的第一臺可編程控制器；我國從1974年開始研制，1977年應用于工業(yè)。PLC的生產現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的產業(yè)，主要廠商集中在一些歐美國家及日本。美國與歐洲一些國家的PLC是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，故產品有著比較大的差異；日本則是從美國引進的，因此對美國的PLC產品有一定的繼承性。另外，日本的主推產品定位在小型PLC上，而歐美則是以大、中型PLC為主。我國的PLC技術也有長足的發(fā)展，但世界知名度不高。

1．美國PLC產品

美國是PLC生產大國，有100多家PLC生產廠商，其中著名的有A-B公司、通用電氣(GE)公司、莫迪康(MODICON)公司、德州儀器(TI)公司、西屋公司等。其中，A-B公司是美國最大的PLC制造商，其產品約占美國PLC產品市場的一半。

2．歐洲PLC產品

德國的西門子(SIEMENS)公司、AEG公司和法國的TE公司是歐洲著名的PLC制造商。德國西門子的電子產品以性能精良而久負盛名，在中、大型PLC產品領域與美國的A-B公司齊名。

3．日本PLC產品

日本的小型PLC最具特色，某些需要用歐美的中型機或大型機才能實現(xiàn)的控制，日本的小型機就可以解決。在開發(fā)復雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機，所以十分受用戶歡迎。日本有許多PLC制造商，如三菱、歐姆龍、松下、富士、日立、東芝等，在世界小型PLC市場上，日本產品約占有70%的份額。

4．我國的PLC產品

我國有許多廠家、科研院所從事PLC的研制與開發(fā)，如中國科學院自動化研究所的PLC-0088，北京聯(lián)想計算機集團公司的GK-40，上海機床電器廠的CKY-40，上海起重電器廠的CF-40MR/ER，蘇州電子計算機廠的YZ-PC-001A，原機電部北京機械工業(yè)自動化研究所的MPC-00l/20、KB-20/40，杭州機床電器廠的DKK02，天津中環(huán)自動化儀表公司的DJK-S-84/86/480，上海自立電子設備廠的KKI系列，上海香島機電制造有限公司的ACMY-S80、ACMY-S256，無錫華光電子工業(yè)有限公司(合資)的SR-10、SR-20/21等。六、三菱FX系列PLC簡介

三菱公司是日本生產PLC的主要廠家之一，先后推出的小型、超小型PLC有F1、F2、FX0、FX1、FX2、FX2C、FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列。其中，F(xiàn)X0S、FX1S、FX0N、FX2N、FX2C等系列機因為設計合理、結構緊湊、體積小、重量輕，具有很強的抗干擾能力和負載能力及優(yōu)良的性價比，因此在我國應用較廣泛。其主要性能指標如表1-1所示。表1-1FX系列PLC的基本性能指標

(一)?FX2N系列PLC型號名稱的含義

本書主要介紹日本三菱公司的FX2N系列PLC。?FX2N系列PLC型號名稱的含義如圖1-14所示。

在圖1-12中，各部分的含義如下：

①表示輸入/輸出的總點數(shù)：16～256。

②表示單元類型：M表示基本單元；E為輸入/輸出混合擴展單元與擴展模塊；EX為輸入專用擴展模塊；EY為輸出專用擴展模塊。

③表示輸出形式：R為繼電器輸出；T為晶體管輸出；S為雙向晶閘管輸出。圖1-14FX2N系列PLC型號④表示特殊品種的區(qū)別：D為DC(直流)電源，DC輸出；UA1為AC(交流)電源，AC輸入(AC100?V～120?V)或AC輸出模塊；H為大電流輸出擴展模塊(1A/1點)；V為立式端子排的擴展模塊；C為接插口輸入方式；F為輸入濾波時間常數(shù)為1?ms的擴展模塊；L為TTL輸入擴展模塊；S為獨立端子(無公共端)擴展模塊；若無符號，則為AC電源、DC輸入、橫式端子排、標準輸出(繼電器輸出為2A/1點；晶體管輸出為0.5A/1點；雙向晶閘管輸出為0.3?A/1點)。

(二)?FX2N系列PLC的外觀及其特征

FX2N系列PLC的外觀如圖1-15所示。

1．外部接線端子

外部接線端子包括PLC電源端子(L、N)、直流24V電源端子(24+、COM)、輸入端子(X)、輸出端子(Y)等。其主要完成電源、輸入信號和輸出信號的連接。其中，24+、COM是機器為輸入回路提供的24?V電源，為了減少接線，其正極在機器內已經(jīng)與輸入回路連接。當某輸入點需要加入輸入信號時，只需將COM通過輸入設備接至對應的輸入點即可，一旦COM與對應點接通，該點就為“ON”，此時對應輸入指示燈點亮。圖1-15FX2N系列PLC外形圖

2．指示部分

指示部分包括各I/O點的狀態(tài)指示、PLC電源(POWER)指示、PLC運行(RUN)指示、用戶程序存儲器后備電池(BATT.V)狀態(tài)指示及程序出錯(PROG-E)、CPU出錯(CPU-E)指示燈等。其用于反映I/O點及PLC機器的狀態(tài)。

3．接口部分

接口部分主要包括編程器、擴展單元、擴展模塊、特殊模塊及存儲器卡盒等外部設備的接口，其作用是完成基本單元同上述外部設備的連接。在編程器接口旁邊，設置了一個PLC運行模式轉換開關SW1，它有“RUN”和“STOP”兩種運行模式。RUN模式能使PLC處于運行狀態(tài)(RUN指示燈亮)；STOP模式能使PLC處于停止狀態(tài)(RUN指示燈滅)，此時，PLC可進行用戶程序的錄入、編輯和修改。

(三)輸入/輸出方式

1．輸入方式

PLC的輸入方式按輸入回路電流來分，有直流輸入、交流輸入、交流直流輸入方式三種。直流輸入線路如圖1-16所示，直流電源由PLC內部提供。交流輸入線路如圖1-17所示，交流/直流輸入線路如圖1-18所示。FX系列PLC的輸入技術指標如表1-2所示。圖1-16直流輸入接口電路圖1-17交流輸入接口電路圖1-18交流/直流輸入接口電路表1-2FX系列PLC的輸入技術指標

2．輸出方式

按負載使用的電源分類，有直流、交流和交直流三種輸出方式；按輸出開關器件的種類分類，有繼電器、晶體管和晶閘管三種輸出方式。繼電器輸出線路如圖1-19所示，晶體管輸出線路如圖1-20所示，晶閘管輸出線路如圖1-21所示。FX系列PLC的輸出技術指標如表1-3所示。圖1-19繼電器輸出接口電路圖1-20晶體管輸出接口電路圖1-21晶閘管輸出接口電路表1-3FX系列PLC的輸出技術指標

(四)?PLC的安裝、接線

1．PLC的安裝

PLC的安裝固定常用兩種方式：一是直接利用機箱上的安裝孔，用螺釘將機箱固定在控制柜的背板或面板上；二是利用DIN導軌安裝，這需要先將DIN導軌固定好，再將PLC的基本單元、擴展單元、特殊模塊等安裝在DIN導軌上。安裝時須注意在PLC周圍留足散熱及接線的空間。

2．PLC的接線

1)電源的接線

PLC基本單元的供電通常有兩種情況：一是直接使用工頻交流電，通過交流輸入端子連接，對電壓的要求比較寬松，100?V～250?V均可使用；二是采用外部直流開關電源供電，一般配有直流24?V內部電源，為輸入器件及擴展單元供電。FX系列PLC大多為交流電源，直流輸入形式。

2)輸入接口器件的接線

PLC的輸入接口連接輸入信號，器件主要有開關、按鈕及各種傳感器，如圖1-22(a)所示，這些都是觸點類型器件。在接入PLC時，每個觸點的兩個接頭分別連接一個輸入點(X)及輸入公共端(COM)。PLC的開關量接線點都是螺釘接入方式，每一位信號占用一個螺釘。輸入公共端(COM)在某些PLC中是分組隔離的，F(xiàn)X2N機型是連通的。圖1-22(a)所示中開關、按鈕等器件都是無源器件，PLC內部電源能為每個輸入點提供7?mA工作電流，這限制了線路的長度。PLC與三線傳感器之間的連接如圖1-22(b)所示，三線傳感器既可由PLC的24+?端子供電，也可以由外部電源供電；PLC與兩線傳感器之間的連接如圖1-22(c)所示，兩線傳感器由PLC的內部供電。圖1-22PLC輸入器件接線圖

3)輸出接口器件的接線

PLC的輸出接口上連接的器件主要有繼電器、接觸器、電磁閥的線圈、指示燈、蜂鳴器等，如圖1-22(a)所示。這些器件均采用由PLC機外的專用電源供電，PLC內部只提供一組開關接點。接入時，線圈的一端接輸出點螺釘，一端經(jīng)電源接輸出公共端。圖1-23所示是PLC輸出器件的接線圖。由于輸出端口連接線圈種類多，所需的電源種類及電壓不同，因此輸出端口公共端常為許多組，一般4點為一組，而且組間是隔離的。PLC輸出端口的電流定額一般為2?A，大電流的執(zhí)行器件需配裝中間繼電器。圖1-23PLC輸出器件接線圖

4)通信線的連接

PLC一般設有專用的通信口，通常為RS-485口或RS-422口。與通信口的連接采用專用的接插件進行連接。

(五)?FX2N系列PLC的技術特點

(1)?FX2N系列PLC采用一體化箱體結構，將CPU、存儲器、輸入/輸出接口及電源等都集成在一個模塊內，因此具有結構緊湊、體積小巧、成本低、安裝方便等優(yōu)點。

(2)?FX2N是FX系列中功能最強的PLC，F(xiàn)X2N基本指令執(zhí)行時間可高達0.08?μs，超過了許多大、中型PLC的執(zhí)行時間。

(3)?FX2N系列PLC的用戶存貯器容量可擴展到16K，F(xiàn)X2N的I/O點數(shù)最大可擴展到256點，F(xiàn)X2N內裝實時鐘，有時鐘數(shù)據(jù)的比較、加減、讀出/寫入指令，可用于時間控制。

(4)?FX2N系列PLC有多種特殊功能模塊，如模擬量輸入/輸出模塊、高速計數(shù)器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模塊或功能擴展板、模擬定時器擴展板等。

(5)?FX2N系列PLC有3000多點輔助繼電器、1000點狀態(tài)繼電器、200多點定時器、200點16位加計數(shù)器、35點32位加/減計數(shù)器、8000多點16位數(shù)據(jù)寄存器、128點跳步指針、15點中斷指針。

(6)?FX2N系列PLC具有中斷輸入處理、修改輸入濾波器常數(shù)、數(shù)學運算、浮點數(shù)運算、數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)排序、PID運算、開平方、三角函數(shù)運算、脈沖輸出、脈寬調制、ACL碼輸出、串行數(shù)據(jù)傳送、校驗碼、比較觸點等功能指令。

(7)?FX2N系列PLC還有矩陣輸入、10鍵輸入、16鍵輸入、數(shù)字開關、方向開關、7段顯示器掃描顯示等指令。

FX2NC系列PLC的性能指標與FX2N系列PLC基本相同，F(xiàn)X2NC系列PLC的基本單元I/O點為16/32/64/96，所不同的是FX2NC采用插件式輸入/輸出，用扁平電纜連接，體積更小。

FX2N系列PLC的技術指標如表1-4所示。表1-4FX2N系列PLC的技術指標

七、編程軟件GXDeveloper簡介

(一)概述

GXDeveloper是三菱電機公司開發(fā)的用于三菱全系列可編程控制器的編程軟件，該軟件集成了項目管理、程序鍵入、編譯鏈接、模擬仿真和程序調試等功能。其主要功能如下：

(1)可通過線路符號、助記符、列表語言及SFC符號來創(chuàng)建PLC程序，建立注釋數(shù)據(jù)及設置寄存器數(shù)據(jù)。

(2)創(chuàng)建PLC程序，并可將其存儲為文件，用打印機打印。

(3)可在串行系統(tǒng)中與PLC進行通信、文件傳送、操作監(jiān)控以及各種測試。

(4)可以脫離PLC進行仿真調試。

(二)軟件應用步驟

1．建立工程

程序安裝完成后，使用時，選中“MELSOFT應用程序”→“GXDeveloper”，再點擊鼠標即可運行該程序，如圖1-24所示。在菜單欄中點擊“工程”菜單，選中“創(chuàng)建新工程”，即彈出如圖1-25所示的畫面。圖1-24GXDeveloper應用程序界面圖1-25創(chuàng)建新工程在“PLC系列”中選出所使用的CPU系列(如選用的是FXCPU系列)；“PLC類型”是指機器的型號，如用的是FX2N系列，則選中“FX2N(C)”選項；“程序類型”選擇“梯形圖”；“生成和程序名同名的軟元件內存數(shù)據(jù)”可不選擇；“設置工程名”用做保存新建的數(shù)據(jù)。在生成工程前，設定工程名時請將“設置工程名”復選框選中。另外，工程名也可于生成工程后設定，但是此時需要在“另存工程為……”中設定。單擊“確定”按鈕，出現(xiàn)如圖1-26所示的畫面，在畫面上可以清楚地看到，最左邊是左母線，矩形框(教材中圖未能區(qū)分出藍色，但實際電腦屏幕中會出現(xiàn)藍色。下同)表示現(xiàn)在可寫入?yún)^(qū)域，上方有菜單，只要任意點擊其中的元件，就可得到所需的線圈、觸點等。圖1-26程序編制界面

2．程序編制

利用圖1-27所示的菜單按鈕便可進行程序的編制，符號說明如圖1-28所示。

如要在某處設置X0常開，則只要把光標(藍色)移動到所需要寫的地方，然后在菜單上選中常開觸點(或按“F5”鍵)，將會出現(xiàn)如圖1-29所示的畫面，再輸入“X0”(默認為X000)，即完成寫入X0常開的操作。常閉觸點輸入則選“F6”按鈕或按“F6”鍵。

如要輸出一個定時器，則須先選中F7線圈輸出，再輸入定時器，按空格鍵置入時間常數(shù)即可。圖1-30顯示了其操作過程。如果要輸出Y0，則直接寫入Y0即可。圖1-27梯形圖符號的菜單按鈕圖1-28梯形圖符號說明圖1-29常開觸點的輸入圖1-30定時器線圈的輸出對于計數(shù)器，因為它有時要用到兩個輸入端，所以在操作上既要輸入線圈部分，又要輸入復位部分，其操作過程如圖1-31、圖1-32所示。在這里要注意F8和F7線圈的選取。

如果需要畫梯形圖中的其他一些線(如圖1-27所示的F9、sF9、F10按鈕)、輸入觸點(如sF5、F6、sF6、sF7、aF7、aF8、caF10)、刪除線(cF9、cF10、aF9)、定時器、計數(shù)器、輔助繼電器等，則在菜單上都能方便地找到，之后再輸入元件編號即可。

至于軟件其他的一些功能菜單，只需在圖1-26中光標指向菜單的某處，