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三菱FX3U PLC 概述 可编程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。 一、PLC 定义及特点 PLC 是在继电器控制技术、计算机技术和现代通信技术的基础上逐步发展起来的一项先进的控制技术。它主要以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出(I/O)来控制各种生产过程。 PLC 技术的高速发展，除了得益于工业自动化的客观需求外，主要是由于它具有许多独特的优点。PLC 是传统的继电器技术和现代的计算机技术相结合的产物。而在工业控制方面，PLC 还具有继电器控制或计算机控制所无法比拟的优点。 可靠性高，抗干扰能力强 应用灵活，编程方便 易于安装、调试、维修 功能完善，适用性强 二、PLC 的分类 PLC 产品种类繁多，其规格和性能也各不相同。对 PLC 的分类可以根据结构、功能的差异等进行大致分类。 1、按 I/O 点数分类 微型 PLC：I/O 点数小于 64 点的 PLC 为超小型或微型 PLC。 小型 PLC：I/O 点数为 256 点以下，用户程序存储容量小于 8KB 的为小型 PLC。 中型 PLC：I/O 点数在 512～2048 点之间的为中型 PLC。 大型 PLC：I/O 点数为 2048 点以上的为大型 PLC。 2、按结构分类 PLC 按其结构可分为整体式、模块式及叠装式 3 种。 a) 整体式 PLC 将 CPU、I/O 单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的称为整体式 PLC。 b) 模块式 PLC 模块式 PLC 是将 PLC 的每个工作单元都制成独立的模块，如 CPU 模块、I/O 模块、电源模块(有的含在 CPU 模块中)以及各种功能模块。 c) 叠装式 PLC 将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式 PLC。 3、按结构分类 根据 PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档 3 类。 a）低档 PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。 b）中档 PLC 除具有低档 PLC 的功能外，还具有较强的模拟量 I/O、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程 I/O、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID (比例、积分、微分控制)控制等功能，以适用于复杂控制系统。 c) 高档 PLC 除具有中档 PLC 的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、函数、表格、CRT显示、打印和更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。 一般低档机多为小型 PLC，采用整体式结构；中档机可为大、中、小型 PLC，其中小型 PLC 多采用整体式结构，中型和大型 PLC 采用模块式结构。 三、PLC 的发展趋势 PLC未来的发展方向如下 a）微型化、网络化、开放性 微型化、网络化、开放性是 PLC 未来发展的主要方向。 b）智能模块 智能模块是以微处理器为基础的功能部件，是 PLC 未来发展的另一方向。 c) 编程语言的标准化和高级化 PLC 的编程语言主要有梯形图、状态转移图和指令表语言等。 d) 网络通信功能标准化 网络方面的发展是 PLC 发展的一个重要特征，加强 PLC 的联网能力已成为 PLC 产品的发展趋势之一。 小 结 PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强、编程方便、功能完善和适用性强等特点，可用于各种自动控制领域中的开关量控制、模拟量控制、运动控制、数据处理和通信联网等。PLC的种类较多。 按I/O 点数可分为大型(2048 点以上)、中型(512～2048 点之间)、小型(256 点以下)、微型(64 点以下)；按其结构可分为整体式、模块式及叠装式 3 种；按PLC 所具有的功能不同，可将 PLC 分为低档、中档、高档 3 类。 PLC的组成及各部分的作用 可编程控制器是微型计算机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是一种以微处理器为核心的用于控制的特殊计算机。从广义上讲，可编程控制器是一种计算机系统，只不过它比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的 I/O 接口，具有更适用于控制要求的编程语言和更适应于工业环境的抗干扰性能。因此，可编程控制器是一种用于工业控制的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统类似，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 PLC 的硬件组成 PLC 的硬件系统由主机、I/O 扩展单元及外部设备组成，如图 2.1 所示。PLC 主机由中央处理器(CPU)、存储器(memory)、输入/输出单元(Input/Output Unit)、通信接口、扩展接口、外围设备接口和电源等部分组成。 PLC 主要组成部件及其主要作用如下。 1、中央处理器 CPU 是 PLC 的核心部件，是 PLC 的运算和控制中心， PLC 的工作过程都是在 CPU的统一指挥和协调下进行的。CPU 由微处理器和控制器组成，可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。它的运行是按照系统程序所赋予的任务进行的。 PLC 常用的 CPU 有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器按其处理数据的位数可分为 4 位、8 位、16 位和 32 位等。PLC 大多用 8 位和 16 位微处理器。 控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊地进行工作，其基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。控制器接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件，主要有数据缓冲、单元选择、信号匹配、中断管理等功能。 2、存储器 存储器是 PLC 存放系统程序、用户程序和运行数据的单元。PLC 的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成。系统存储器是 PLC 用于存放系统程序如指令(软件)等内容的部件，这部分存储器用户不能访问。PLC 的存储器主要包括以下几点: 1) 只读存储器(Read Only Memory，ROM) ROM 一般用来存放 PLC 的系统程序，其内容可读，但数据存储后不可再写或修改。 2) 可编程只读存储器(Programmable Read Only Memory，PROM) 存入 PROM 的程序是用户用编程器一次性写入的，不能再改变。PLC 很少使用 PROM作为应用存储器。一般在使用这类存储器时需用 RAM 作永久备份。虽然 PROM 可编程，像 ROM 有非易失性，但它需要专门的编程设备，一旦编程便不易修改或擦除，对程序的任一修改则要求一组新的 PROM 芯片。 3) 可擦除可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM) EPROM 是特制的 PROM，也是非易失性的，兼有 ROM 的非易失性和 RAM 的随机存取的优点。EPROM 可视为半永久性存储器，可永久地存储某一程序直至需要修改。 4) 随机存取存储器(Random Access Memory，RAM) RAM 又称读/写(R/W)存储器，信息可读，可写。在 PLC 中作为用户程序和数据的存储器。用户可以通过编程器读出 RAM 中的内容，也可以将用户程序写入 RAM。RAM 为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，用户在线操作时需修改的参数(如设定值、手动操作值、PID 参数等)也须存入 RAM 中。另外，一些较先进的 PLC 还提供了在线修改用户程序的功能。 3、I/O 接口单元 I/O 接口单元通常也称 I/O 单元或 I/O 模块，是 PLC 与工业过程控制现场之间的连接部件。 4、扩展模块 扩展模块用来扩展 PLC 的 I/O 点数或者实现其他功能的智能模块（最多可以扩展8个模块）、例如：模拟量模块、通讯模块、定位控制模块。 5、电源 PLC 的电源是指把外部供应的交流电源经过整流、滤波、稳压处理后转换成满足 PLC内部的 CPU、存储器和 I/O 接口等电路工作所需要的直流电源电路或电源模块。不同型号的 PLC 有不同的供电方式，所以 PLC 的电源输入电压既有 12V 和 24V 直流，又有 110V和 220V 交流。 6、通信接口 PLC 配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC 通过这些通信接口可与监视器、打印机、其他 PLC、计算机等设备实现通信。 (1)PLC 的开关量输入接口 开关量输入接口的作用是把现场的开关量信号转变成 PLC 内部可处理的标准信号。常用的开关量输入接口按其使用电源不同可以分成 3 种类型，即直流输入接口、交流输入接口和交-直流输入接口。下图是 FX3U 基本单元直流输入电路的示意图，COM 是各输入信号的公共点。可以用外接的触点或 NPN 集电极开路 晶体管提供输入信号。 (2)PLC 的开关量输出接口 开关量输出接口的作用是将PLC 内部的标准信号转换为外部现场执行机构所需要的电开关量输出信号。PLC 的开关量输出接口按 PLC 内部所使用的功率放大元器件不同可分为晶体管型、继电器型及晶闸管型。晶体管型输出模块用于驱动直流负载，晶闸管型用于驱动交流负载，继电器型既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载。 (3)晶体管型输出接口 体管输出单元的驱动电路一般采用晶体管进行驱动放大，其输出方式一般为集电极输出，外加直流负载电源。带负载能力为每个输出点一般 lA 左右，每个模块 3A 左右。晶体管开关量输出模块为无触点输出模块，使用寿命较长，线框内是图 2.3 是 FX3U的晶体管集电极输出电路，PLC 内部的输出电路，框外左侧为外部用户连接线。各组的公共点接外接直流电流电源的负极。输出信号送给内部电路中的输出锁存器，再经光耦合器送给输出晶体管，后者的饱和导通状态和截止状态相当于触点的接通和断开。图中的稳压管用来抑制关断过电压和外部的浪涌电压，以保护晶体管，晶体管输出电路的延迟时间小于 1ms。场效应晶体管输出电路的结构与晶体管输出电路基本上相同。 (4)继电器型输出接口 图 2.4 是继电器型输出电路。内部电路使继电器的线圈通电，常开触点闭合，使外部负载得电工作。断电器同时起隔离和功率放大作用，每一路只给用户提供一对常开触点。与触点并联的 RC 电路和压敏电阻用来消除触点断开时产生的电弧，以减轻对 CPU 的干扰。继电器型输出电路的滞后时间一般在 10ms 左右。 除了上述两种输出电路外，还有如图 2.5 所示的晶闸管型输出电路。它采用的开关器件是光控双向晶闸管，驱动电路采用光控双向晶闸管进行驱动放大。该模块外加交流负载电源，带负载能力一般为每个输出点 lA 左右，每个模块 4A 左右。双向晶闸管为无触点开关，输出的负载电源可以根据负载的需要选用直流或交流电源。双向晶闸管多用于交流负载，负载驱动能力比继电器型的大，可直接驱动小功率接触器。其响应时间介于晶体管型与继电器型之间。 NPN和PNP的接线方式 PLC和传感器接线分为源型和漏型，也就是PNP接法和NPN接法。 NPN：漏型为NPN接法，比如说传感器采用NPN接法为例，电流是从端子流出去的，就是高电平有效，公共端为0V， PLC公共端为24V PNP:源型为PNP接法，PNP接法与NPN相反，输出低电平，电流是流进去的，低电平有效，传感器的公共端为24V,PLC的公共端为0V NPN和PNP的电流流向 PLC 的工作原理 PLC 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，对控制要求进行处理判断，并通过执行用户程序来实现控制任务。但是，在时间上，PLC 执行的任务是按串行方式进行的，其具体的运行方式与继电器-接触器控制系统及计算机控制系统都有着一定的差异与不同。 1、循环扫描的工作原理 PLC 的一个工作过程主要分三个阶段进行，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。当 PLC 开始运行时，首先清除 I/O 映像区的内容，然后进行自诊断，确认正常后开始扫描。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，因此，PLC 的工作方式是一种串行循环工作方式。如图 2.6 所示。 2、输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC 首先扫描所有的输入端子，按顺序将所有输入端的输入信号状态(0 或 1 表现在接线端上是否在承受外加电压)读入输入映像寄存区。这个过程称为对输入信号的采样，或称输入刷新阶段。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入下一步工作过程，即程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，而这些变化必须等到下一个工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 3、程序执行阶段 程序执行阶段又称程序处理阶段，是 PLC 对程序按顺序进行执行的过程。在程序执行阶段，PLC 根据用户输入的控制程序，从第一条指令开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。并且只有输入映像寄存区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种数据在输出映像寄存器区或系统 RAM 存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行随时发生改变。 4、输出刷新阶段 当程序中所有指令执行完毕后，PLC 将输出状态寄存器中所有输出继电器的状态，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部负载，这就形成 PLC 的实际输出。 输入采样、程序执行和输出刷新 3 个阶段构成 PLC 一个工作周期。由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。 PLC 的工作状态 PLC 有两种工作状态，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。图 2.7 给出了运行和停止两种状态下 PLC 不同的扫描过程。由图可知，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。 1）、梯形图 梯形图是使用得最多的图形编程语言，其基本结构形式如图 2.8 所示。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称作电路或程序，梯形图的设计称为编程。梯形图由触点、线圈和应用指令等组成。线圈通常代表逻辑输出结果和输出标志位。触点代表逻辑输入条件。在进行梯形图编程过程中涉及到以下几个基本概念。 能流图 2.8 梯形图基本结构形式在梯形图中为了分析各个元器件间的输入与输出关系，就会假想一个概念电流，也称作能流(power flow)。认为电流是按照从左到右的方向流动，这一方向与执行用户顺序时的逻辑运算关系是一致的。在图 2.8 中，当 X0 与 X1 的触点接通，或 M0 与 X1 的触点接通时，就会有一个假想的能流流过 Y0 的线圈，使线圈通电。利用能流这一概念，可以帮助我们更好地理解和分析梯形图，能流只能从左向右流动。 母线梯形图两侧的垂直公共线称为母线(bus bar)。母线之间有能流从左向右流动。通常梯形图中的母线有左右两条，左侧的母线必须画出，但右侧母线可以省略不画，如图 2.8 所示。 软触点PLC 梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元(称之为软继电器)，每个软继电器的触点与 PLC 存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应，所以把这些触点称为软触点。这些软触点的“1”或“0”状态代表着相应继电器触点或线圈的接通或断开。而且对于 PLC 内部的软触点，该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈通电，其常开触点接通，常闭触点断开。 在继电器控制系统的接线中，触点的数目是有限的，而 PLC 内部的软触点的数目和使用次数是没有限制的，用户可以根据控制现场的具体要求在梯形图程序中多次使用同一软触点。 2）、功能图块 这是一种类似于数字逻辑门电路的编程语言，有数字电路基础的人很容易掌握。该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系。方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量。I/O 端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。功能图块程序如图 2.9 所示。 3)、状态转移图 状态转移图如图 2.10 所示。它是一种介于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制程序。它提供了一种组织程序的图形方法，在状态转移图中可以用别的语言嵌套编程。步、转换和动作是顺序功能图中的 3 种主要元素。状态转移图主要用来描述开关量顺序控制系统，根据它可以很容易地画出顺序控制梯形图程序。 4）、指令语言 PLC 的指令是一种与微机的汇编语言中的指令相似的助记符表达式。助记符表达式与梯形图有一一对应关系，由指令组成的程序叫做指令(表)程序。在用户程序存储器中，指令按步序号顺序排列。将图 2.9 所示梯形图程序用指令语言编写如下： 序号 | 操作码 | 操作数 | 1 | LD | X0 | 2 | OR | M0 | 3 | ANDI | X1 | 4 | OUT | Y0 |
5)、结构文本 结构文本是为 IEC 61131-3 标准创建的一种专用的高级编程语言。它采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。与梯形图相比它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。在大中型的可编程控制器系统中，常采用结构文本设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。它也被用于集散控制系统的编程和组态。在进行 PLC 程序设计过程中，除了允许几种编程语言供用户使用外，标准还规定编程者可在同一程序中使用多种编程语言，这使编程者能选择不同的语言来适应特殊的工作。 以上内容为原创整理，如需转载请标明出处
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