1、模块1 PLC基础知识,可编程控制器原理与应用教程,任务1.1 可编程控制器的认知任务1.2 PLC的组成与工作原理任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线,模块1 PLC基础知识,模块1 PLC基础知识,任务1.1 可编程控制器的认知知识目标： 了解可编程控制器的产生过程。 了解可编程控制器的含义。 掌握可编程控制器的特点及应用。 了解可编程控制器的分类。 能力目标： 能结合实际说明可编程控制器的部分应用。 能大致说明可编程控制器的外部组成及作用。,一、相关知识 二、知识拓展,任务1.1 可编程控制器的认知,任务1.1 可编程控制器的认知 相关知识,一、可编程控制器(PLC)的产生
2、1969年，美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司(GM)要求，研制出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功，实现了生产的自动化控制。此后日本、德国等相继引入可编程控制器，使之迅速发展起来。这一时期，它主要用于顺序控制，虽然也采用了计算机的设计思想，但当时只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)。 我国从1974年开始研制PLC，1977年应用于工业。如今，PLC已经大量应用在引进设备和国产设备中。了解PLC的工作原理，具备设计、调试和维护PLC控制系统的能力，已经成为现代工业对电气技术人
3、员和工科学生的基本要求。,任务1.1 可编程控制器的认知 相关知识,二、PLC的定义PLC的历史只有40多年，但发展却极为迅速。为了确定它的性质，国际电工委员会IEC(International Electrical Committee)曾在1982年11月颁布了PLC标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。对PLC的定义如下：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，它采用可以编制程序的存储器，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。P
4、LC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。PLC的历史只有40多年，但发展却极为迅速。为了确定它的性质，国际电工委员会IEC(International Electrical Committee)曾在1982年11月颁布了PLC标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月又颁布了第三稿。,任务1.1 可编程控制器的认知 相关知识,二、PLC的定义对PLC的定义如下：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，它采用可以编制程序的存储器，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
5、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。目前国际PLC的生产厂家主要有德国西门子(Siemens)公司、美国AB(Allen-Bradley)公司、美国GE-Fanuc公司、日本欧姆龙(Omron)公司和日本三菱电机株式会社(Mitsubishi)。本书以日本三菱公司小型FX2N系列PLC为例介绍PLC编程和系统设计。,任务1.1 可编程控制器的认知 相关知识,二、PLC的定义 本书以日本三菱公司小型FX2N系列PLC为例介绍PLC编程和系统设计。日本三菱公司小型FX2N系列PL
6、C的外形如图所示。,图1.1 FX2N系列PLC的外形,任务1.1 可编程控制器的认知 相关知识,三、PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强编程简单，操作方便 功能完善、通用性强 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便 体积小、重量轻、能耗低,任务1.1 可编程控制器的认知 相关知识,四、PLC的应用开关量逻辑控制 模拟量过程控制 运动控制 数据处理 通信联网,任务1.1 可编程控制器的认知 知识拓展,PLC的分类结构形式 ： 整体式、模块式、叠装式 I/O点数和存储容量： 小型PLC 、中型PLC、大型PLC生产厂家: 美国PLC产品 、欧洲PLC产品 、日本PLC产品 、我国PLC产品,模块
7、1 PLC基础知识,任务1.2 PLC的组成与工作原理知识目标：了解PLC的组成及各部分的作用。掌握PLC的工作原理。能力目标：能通过简单的实例分析PLC循环扫描的工作过程。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,一、PLC的组成 (一) PLC硬件系统,图1.2 PLC硬件系统的基本结构,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC硬件系统1. 中央处理器(CPU) CPU是PLC的核心，主要功能是采集输入信号、执行用户程序、刷新系统的输出；CPU由控制电路、运算器和寄存器等组成，通过三总线与存储器模块、输入输出模块相连接。PLC常用CPU芯片如下： 通用微处理器：如
8、Intel公司的8086、80186到Pentium系列芯片。 单片微处理器(单片机)：如Intel公司的MCS51/96系列单片机。 位片式微处理器：如AMD2900系列位片式微处理器。 其中，小型PLC的CPU多采用单片机或专用CPU，大型PLC的CPU多采用位片式结构，具有高速数据处理能力。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC硬件系统2. 存储器(Memory) 存储器主要用来存放系统程序、用户程序和数据。PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序是用来控制和完成PLC各种功能的程序，存储器ROM中固化着系统程序，用户不能直接存取、修改。用户程序
9、是指用户根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序，存储器RAM中存放用户程序和工作数据，使用者可通过编程器或计算机对用户程序修改。为保证掉电时不丢失RAM存储信息，一般用锂电池作为备用电源供电。3. 输入输出(I/O)接口 输入输出模块是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。对输入输出模块的主要要求，一是要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。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC硬件系统3. 输入输出(I/O)接口 输入模块用来接收生产过程中的各种信号，输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力
10、继电器等传来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。 输入电路一般由光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为了防止现场的强电干扰进入PLC。由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小。微电脑输入接口电路一般由数据输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电
11、路构成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC硬件系统3. 输入输出(I/O)接口 输出模块用来输出PLC运算后得出的控制信息，控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，PLC的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。 输出电路一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集合而成。CPU通过数据总线，将要输出的信号存储到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的
12、信号加以放大。PLC一般采用继电器、晶闸管或晶体管输出。 根据输入、输出电路的结构形式不同，I/O接口又可分为开关量I/O和模拟量I/O两大类，其中模拟量I/O要经过A/D、D/A转换电路的处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号。在整体结构的PLC中，I/O接口电路的结构形式隐含在PLC的型号中，在模块式结构的PLC中，有开关量的交、直流I/O模块、模拟量I/O模块及各种智能I/O模块可供选择。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC硬件系统4. 编程器 编程器是PLC重要的外部设备，一般PLC都配有专用的编程器。通过编程器，可以输入程序，并可以对用户程序进行检查、修改
13、、调试和监视，还可以通过键盘调入及显示PLC的状态、内部器件及系统的参数，经过接口与中央处理器联系，完成人机对话操作。 编程器一般有两类。一类是专用的编程器，有手持的，也有台式的，还有PLC机身上自带的，其中手持式的编程器携带方便，适合工业控制现场使用。另一类是个人计算机，在个人计算机上运行PLC相关的编程软件，即可完成编程任务。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC硬件系统5. 电源 PLC使用220V交流电源或24V直流电源，内部配有一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源(5V直流)。6. 外设接口 外设接口是在主机外壳上与外
14、部设备配接的插座，通过电缆线可配接编程器、计算机、打印机、EPROM写入器、触摸屏等。7. I/O扩展口 I/O扩展口是用户扩展输入、输出点数的。当用户输入、输出点数超过主机的范围时，可通过I/O扩展口与I/O扩展单元相接。A/D和D/A单元以及链接单元一般也通过该接口与主机连接。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,一、PLC的组成(二) PLC软件系统 PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，包括系统程序(或称系统软件)和用户程序(或称应用软件)。系统程序含系统的管理和监控程序、用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统程序在出厂前已被固化在E
15、PROM中，用户不能改变。用户程序是用户根据生产过程和工艺要求，采用PLC厂家提供的编程语言编制的程序，通过编程器或计算机输入到PLC的RAM中，并可对其进行修改或删除。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,二、PLC的工作原理 (一) PLC的工作原理 PLC有两种基本的工作模式，即运行(RUN)模式与停止(STOP)模式，如图1.3所示。其中运行模式是执行应用程序的状态，停止模式一般用于程序的编制与修改。,图1.3 PLC工作模式,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,二、PLC的工作原理 (一) PLC的工作原理 在运行模式下，PLC对用户程序的循环扫描过程分为三个阶段
16、，即输入处理阶段、程序执行阶段和输出处理阶段，如图1.4所示。,图1.4 PLC扫描工作过程,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC的工作原理1. 输入处理阶段 输入处理阶段又称输入采样阶段。在PLC的存储器中，有一个专门存放输入输出信号状态的区域，称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，PLC梯形图中其他的编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有外部输入电路的状态(接通/断开)，并将其状态存入输入映像寄存器，接下来进入程序执行阶段。值得注意的是，只有在输入采样时刻，输入映像寄存器的内容才与输入信号一致，程序执行阶段
17、输入信号的变化不会影响输入映像寄存器中的内容，输入信号变化后的状态只能在下一扫描周期的输入处理阶段被读入。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC的工作原理2. 程序执行阶段 在程序执行阶段，PLC对用户程序顺序地进行扫描。指令在存储器中按步序号顺序排列，在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束之处。每扫描一条指令，所需的输入状态或其他元件的状态分别由输入映像寄存器或元件映像寄存器中读出，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运
18、算的结果写入对应的元件映像寄存器中，因此，各编程元件映像寄存器(输入映像寄存器除外)的内容随着程序的执行而变化。3. 输出处理阶段 输出处理阶段又称输出刷新阶段。在此阶段，CPU将输出映像寄存器的所有输出继电器状态(接通或断开)传送到输出锁存器，再驱动被控对象(负载)，即PLC的实际输出。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(一) PLC的工作原理PLC重复执行上述3个阶段，这3个阶段也是分时完成的。为了连续完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地按一定顺序完成这一系列工作，这种工作方式称为循环扫描工作方式。PLC执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。
19、在停止模式下，PLC只进行内部处理和通信服务工作。内部处理阶段PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，进行监控定时器(Watch Dog Timer，WDT)复位工作等。而通信服务阶段，PLC则与其他带CPU的智能装置通信。,任务1.2 PLC的组成与工作原理 相关知识,(二) I/O滞后时间I/O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之间的间隔。它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所组成。(1) 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
20、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。 (2) 输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：继电器型约为10ms左右；双向晶闸管型在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型一般在1ms左右。 (3) 由扫描工作方式产生的最大滞后时间可能超过两个扫描周期。 I/O滞后时间对于一般工业设备是允许的，但对某些需要输出对输入做出快速响应的工业现场，可以采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施，尽量减小响应时间。,模块1 PLC基础知识,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 知识目标： 掌握PLC型
21、号的含义。 掌握PLC的基本构成。 掌握PLC的性能指标。 掌握PLC的安装、接线。能力目标： 能够完成PLC的安装。 能够完成PLC的电源线、输入线、输出线及通信线的简单接线 。,一、相关知识 二、知识拓展 三、研讨训练,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,一、FX系列PLC型号说明 FX系列PLC的型号含义如图1.5所示。,图1.5 FX系列PLC的型号含义,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,一、FX系列PLC型号说明 系列名称：0、2、0S、1S、0N、1N、2N、2NC等。 单元类
22、型：M基本单元；E输入输出混合扩展单元；EX输入扩展模块； EY输出扩展模块。 输出方式：R继电器输出。 T晶体管输出。 S晶闸管输出。 特殊品种：DDC(直流)电源，DC输出。A1AC(交流)电源，AC(AC100120V)输入或AC输出模块。H大电流输出扩展模块。V立式端子排的扩展模块。C接插口输入输出方式。F输入滤波时间常数为1ms的扩展模块。LTTL输入扩展模块。S独立端子(无公共端)扩展模块。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,二、FX2N系列PLC的基本构成 FX2N系列PLC是FX家族中比较先进的PLC系列。它由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单
23、元构成，基本单元结构参见前面图1.1。扩展单元用于增加PLC的I/O点数，内部设有电源。扩展模块用于增加PLC的I/O点数，内部无电源，所用电源由基本单元或扩展单元提供。扩展单元、扩展模块均无CPU，必须与基本单元一起使用。特殊功能单元是一些专门用途的装置，FX2N系列PLC有6种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、4种位置控制模块、多种RS-232C / RS-422 / RS-485串行通信模块等特殊功能单元。FX2N系列的基本单元有16/32/48/64/80/128点，6种基本FX2N单元都可通过I/O扩展单元扩充到256个I/O点，FX2N系列PLC的基本单元、扩展单
24、元、扩展模块的型号及规格如表1.11.3所示。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线 PLC应安装在环境温度为055、相对湿度大于35%而小于89%、无粉尘和油烟、无腐蚀性及可燃性气体的场合。PLC有两种安装方式：一是直接利用机箱上的安装孔，用螺钉将机箱固定在控制柜的背板或面板上；二是利用DIN导轨安装，需要先将DIN导轨固定好，再将PLC的基本单元、扩展单元、特殊模块等安装在DIN导轨上。安装时还要注意在PLC周围留足散热
25、及接线的空间。PLC在工作前必须正确地接入系统。PLC接线主要包括电源接线、输入/输出器件接线、通信线和接地线等。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线 (一) 电源接线 PLC基本单元的供电通常有两种情况：一是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，100250V均可使用；二是采用外部直流开关电源供电，一般配有直流24V输入端子。采用交流供电的PLC，机内自带直流24V内部电源，为输入器件及扩展单元供电。FX系列PLC大多为AC电源、DC输入形式。图1.6为FX2N-48M的接线端子排列情况，上部端子排中标有L及N的接线
26、位为交流电源相线及中线的接入点。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线,图1.6 FX2N外形及接线端子排列,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线 (二) 输入端器件的接线 PLC的输入端连接输入信号，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，每个触点器件的两个接头分别连接一个输入点(X)及输入公共端(COM)。PLC的开关量输入接线点都是螺钉接入方式，每一位信号占用一个螺钉。图1.6中，上部为输入端子，COM端为公共端，输入公共端在某些PLC中是分组隔离的，在FX2
27、N机型中是连通的。开关、按钮等器件都是无源器件，PLC内部电源能为每个输入点提供大约7mA的工作电流，这也就限制了线路长短。有源传感器在接入时需注意与机内电源的机型配合。模拟量信号的输入需采用专业的模拟量工作单元。图1.7为PLC输入器件的接线示意图。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线,图1.7 PLC输入器件的接线示意图,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线 (三) 输出端器件的接线 PLC的输出端连接的器件有继电器、接触器、电磁阀线圈、指示灯、蜂鸣器等。这些器件均采用PLC外部的专业电源供电
28、，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。如图1.8所示是PLC输出器件的接线示意图。由于输出端连接线圈的种类多，所需的电源种类及电压不同，输出端口的公共端常分为多组，一般4点为一组，而且组间是隔离的。PLC输出端口的电流定额一般为2A，大电流的执行器件需配装中间继电器。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线,图1.8 PLC输出器件的接线示意图,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 相关知识,三、PLC的安装、接线 (四) 通信线的连接 PLC一般设有专用的通信口，通常为RS-48
29、5口或RS-422口，FX2N型PLC为RS-422口。与通信口的接线常采用专用的接插件连接。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 知识拓展,FX2N系列PLC的性能指标PLC的种类很多，用户可以根据控制系统的具体要求选择不同技术性能指标的PLC。PLC的技术性能指标主要包括输入/输出点数、存储容量、扫描速度、指令系统、可扩展性、通信功能等。,(1)简述PLC的定义。 (2)简述PLC的特点。 (3)PLC主要应用在哪些场合？ (4)PLC硬件主要由哪几部分组成？各有什么作用？ (5)PLC输出接口按照输出开关器件的种类不同，有几种形式？它们分别可以驱动什么样的负载？ (6)简述PLC的基本工作原理。 (7)简述FX2N-48MR型号的含义。 (8)根据所学知识，分析PLC控制系统与传统继电器接触器控制系统的异同。,任务1.3 FX2N系列PLC硬件配置、安装、接线 研讨训练,
