第8章可编程序控制器.讲述

第8章可编程序限制器范国伟安徽工业高校可编程限制器可编程限制器虽然产生不足50年，但发展的势头锐不行挡。由于接受了计算机的CPU核心技术，同微型计算机一起并行得到了巨大的发展。8.1.1可编程序限制器的产生和定义可编程限制器（programmablecontroller）是计算机家族中的一员，是为工业限制应用而设计的。国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程序限制器标准草案中对可编程序限制器做了如下的定义：可编程序限制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它接受了可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、依次限制、定时、计数和算术运算等面对用户的指令，并通过数字和模拟式的输入和输出，限制各种类型的机械或生产过程。可编程序限制器及其有关外围设备，都按易于与工业限制系统联成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。8.1.2可编程限制器分类和应用PLC的种类很多，使其在实现的功能、内存容量、限制规模、外形等方面都存在较大的差异，因此，PLC的分类没有一个严格、统一的标准，而是按I/O总点数、组成结构、功能进行大致的分类。PLC通常分为小型、中型、大型三类。8.2可编程序限制器的基本组成和工作原理可编程序限制器所以能应用的如今这样广泛，其最主要的缘由是硬件结构简洁，软件编程简洁。要真正用好可编程序限制器，还得大致了解一下可编程序限制器的软硬件结构和工作原理。8.2.1可编程序限制器的硬件结构PLC接受了典型的计算机结构，由硬件和软件两部分组成。硬件配置主要由中心处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口电路、电源、编程器以及一些扩展模块组成。1.中心处理器（CPU）PLC的中心处理器与一般的计算机限制系统一样，是整个系统的核心，起着类似人体的大脑和神经中枢的作用，它按PLC中系统程序赐予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。2.存储器PLC的存储器分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序相当于个人电脑的操作系统，它使PLC具有基本的智能，能够完成PLC设计者规定的各种动作。系统程序由PLC生产厂家设定并固化在ROM内，用户不能干脆读取。PLC的用户程序由用户设定，它确定了PLC输入信号之间的具体关系。用户程序存储量一般以字（每个字由16位二进制数组成）为单位。3．输入/输出接口电路输入/输出单元具有良好的电隔离和滤波作用。连接到PLC输入端的输入器件是各种开关、操作开关，传感器等。通过接口电路将这些开关信号转换成为CPU能够识别和处理的信号，并送入输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器中读取输入信息并进行处理，将处理结果存放到输出映像寄存器。输入/输出映像寄存器由相应的输入/输出触发器组成，输出接口将其弱电限制转换为现场所须要的强电信号输出，驱动显示灯、电磁阀、继电器、接触器等各种被控设备的执行器件①输入接口电路为了防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，输入接口电路一般由RC滤波器消退输入端得抖动和外部噪声干扰，由光电耦合电路进行隔离。光电耦合电路由发光二极管和光电三极管组成。②输出接口电路PLC的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。图8-3给出了PLC的三种输出电路图。每种输出都接受了电气隔离技术，电源由外部供应，输出电流一般为0.5～2A，输出电流的额定值与负载性质有关。4.电源PLC的电源分为外部电源、内部电源和后备电源三类。在现场限制中，干扰侵入PLC的主要途径之一是通过电源，因此，合理地设计电源是PLC牢靠运行的必要条件。5.编程器编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可将用户程序输入到PLC存储器，可以利用编程器检查、修改、调试程序还可以用编程器监视程序的运行及PLC的工作状态。小型PLC常用的简易型便携式或手持式编程器。计算机添加适当的硬件接口电缆和编程软件，也可以对PLC进行编程。计算机编程可以干脆显示梯形图、读出程序、写入程序、监控程序运行等5.编程器编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可将用户程序输入到PLC存储器，可以利用编程器检查、修改、调试程序还可以用编程器监视程序的运行及PLC的工作状态。小型PLC常用的简易型便携式或手持式编程器。计算机添加适当的硬件接口电缆和编程软件，也可以对PLC进行编程。计算机编程可以干脆显示梯形图、读出程序、写入程序、监控程序运行等。8.2.2可编程序限制器的工作原理PLC是一种工业限制计算机，PLC的工作方式是接受周期循环扫描，集中输入与集中输出。PLC投入运行后，都是以重复的方式执行的，执行用户程序不是只执行一遍，而是一遍一遍不停地循环执行，这里每执行一遍我们称为扫描一次，扫描一遍用户程序的时间称为扫描周期。扫描一次，PLC内部要进行一系列操作，大致分为五个阶段：故障诊断、通信处理、输入采样、程序执行、输出刷新。8.2.3可编程序限制器的软件系统PLC的软件又分为系统软件和用户软件。系统软件包括系统的管理程序，用户指令的说明程序。用户软件是用户为达到某种限制目的，接受PLC厂商供应的编程语言自主编制的应用程序。用户程序的编制须要运用PLC生产制造厂商供应的编程语言。PLC运用的编程语言共有五种，即梯形图、指令表、步进顺控图、逻辑符号图、高级编程语言。1．梯形图梯形图是最直观、最简洁的一种编程语言，它类似继电接触器限制电路的形式，逻辑关系明显，在继电接触器限制逻辑基础上运用简化的符号演化而来，具有形象、直观、好用等优点，电气技术人员简洁接受，是目前运用较多的一种PLC编程语言。梯形图设计基本规则利用梯形图或基本指令编程，要符合一些编程的规则。①从左至右。梯形图的各类继电器触点要以左母线为起点，各类继电器线圈以右母线为终点（可允许省略右母线）。从左至右分行画出，每一逻辑行构成一个梯级，每行起先的触点组构成输入组合逻辑（逻辑限制条件），最右边的线圈表示输出函数（逻辑限制的结果）。②从上到下。各梯级从上到下依次排列。③水平放置编程元件。触点画在水平线上（主控触点除外），不能画在垂直线上。④线圈右边无触点。线圈不能干脆接左母线，线圈右边不能有触点否则将发生逻辑错误。⑤双线圈输出应慎用。假如在同一个程序中，同一个元件的线圈被运用两次或多次，则称为双线圈输出。这时前面的输出无效，只有最终一次有效。双线圈输出在程序方面并不违反输入，但输出动作困难，因此应谨慎运用。梯形图设计基本规则⑥触点运用次数不限。触点可以串联，也可以并联。全部输出继电器都可以作为协助继电器运用。⑦合理布置。串联多的电路放在上部，并联多的电路移近左母线，可以简化程序，节约存储空间。⑧PLC是串行运行的，PLC程序的依次不同，其执行结果有差异，而继电接触限制是并行的，带能源接通，各并联支路同时具有电压，同时动作。2．指令语句表指令语句表是一种与计算机汇编语言相类似的助记符编程语言，简称语句表，它用一系列操作指令组成的语句描述限制过程，并通过编程器传输到PLC中。指令语句表编程语言是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条语句来表示。PLC的语句由指令操作码和操作数两部分组成。操作码由助记符表示，用来说明操作的功能，告知CPU做什么3．步进顺控图步进顺控图，简称步进图，又叫状态流程图或状态转移图，是运用状态来描述空盒子任务或过程的流程图，是一种特地用于工业依次限制的程序设计语言。它能完整地描述限制系统的工作过程、功能和特性，是分析、设计电气限制系统限制程序的重要工具。4．逻辑符号图逻辑符号图与数字电路的逻辑图极为相像，模块有输入端、输出端，运用与、或、非、异或等逻辑描述输出端和输入端的函数关系，模块间的连接方式与电路连接方式基本相同。逻辑符号图编程语言，直观易懂，简洁驾驭。三菱FX2N没有此功能。5．高级编程语言在大型PLC中，为了完成具有数据处理、PID调整、定位限制、图形操作等较为困难的限制，往往运用高级计算机编程语言，如C语言，BASIC语言等，使PLC具有更强的功能。8.3三菱PLC的编程元件继电接触器限制系统运用各种具体的电器元件，通过它们的连线来实现逻辑限制功能。而可编程序限制器是通过运行用户程序来实现各种限制功能。相仿继电接触器限制系统，可编程序限制器的程序设计中有很多逻辑器件和运算器件，实质是内存储器各编程单元中的程序组成。从编程的角度动身，我们可以不管它们具体的物理实现，仅仅关切它们的功能，称之为编程元件。按功能不同给每一种元件起个名称，如输入(出)继电器、协助继电器、计数器和定时器等。同类元件不同部分在内存储器占具体的编号位置，以便区分。下面以FX2N系列可编程序限制器为例，介绍编程元件的名称、用途及运用方法。8.3.1输入继电器(X)与输出继电器(Y)1、输入继电器（X）输入继电器(X)是PLC接收外部输入开关信号的窗口。PLC将外部信号的状态通过对应的输入端子读入并存储在输入映像寄存器内，即输入继电器中，外部输入电路接通时对应的映像寄存器为ON（“1”状态），表示该继电器的常开触点闭合，同时供应多数的常开和常闭软触点用于编程。2、输出继电器（Y）输出继电器的作用是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器用来将可编程序限制器的输出信号传送给输出模块，每一输出继电器具有一个常开硬触点与PLC的一个相连干脆驱动负载，同时也供应了多数常开和常闭软触点用于编程。8.3.2协助继电器（M）PLC内部有很多协助继电器，协助继电器和PLC外部无任何干脆联系，它的线圈只能由PLC内部程序限制，它的常开和常闭两种触点只能在PLC内部编程时运用，且可以无限次自由运用，但不能干脆驱动外部负载。协助继电器M是用软件来实现的，用于状态暂存、移位协助运算及赐予特殊功能的一类编程元件。FX2N系列可编程序限制器的协助继电器有通用协助继电器、断电保持协助继电器和特殊协助继电器。8.3.3状态继电器（S）状态继电器S是用于编制依次限制程序的一种编程元件，它与步进指令协作运用。当不对状态继电器S运用步进指令时，其作用相当一般协助继电器M。8.3.4定时器（T）可编程序限制器中的定时器T相当于继电接触器限制系统中的通电延时型时间继电器。定时器T有一个设定值寄存器、一个当前值寄存器和一个用来存储“0/1”状态的元件映像寄存器。这三个存储单元运用同一个元件号。可编程序限制器内部定时器是依据时钟脉冲累计计时的，不同类型的定时器有不同脉宽的时钟脉冲，反应了定时器的定时精度。计时时钟脉冲有0.001s、0.01s、0.1s三种。8.3.5计数器（C）计数器是可编程序限制器内部不行缺少的重要软元件，主要用来记录脉冲的个数。按所计脉冲的来源可将计数器分为内部信号计数器和高速计数器。可编程序限制器在执行扫描操作时，对内部编程器件的通断状态进行计数的计数器称为内部信号计数器。为避开漏计数的发生，被计信号的接通和断开时间应当大于可编程序限制器的扫描时间。4.2.6数据寄存器（D）可编程限制器在模拟量检测与限制以及位置限制等很多场合都须要数据寄存器来存储数据和参数。每个数据寄存器都为16位，最高位为符号位，两个数据寄存器串联起来可存放32位数据，最高位仍为符号位。4.2.7指针（P/T）指针包括分支用指针P和中断用指针I两种。1.分支指令用指针P（共128点）P0~P127用来指示跳转指令CJ的跳转目标和子程序调用指令CALL调用的子程序入口地址。2.中断用指针I（共15点）可编程限制器在执行程序过程中，任何时刻只要复合中断条件，就停止正在进行的程序转而去执行中断程序，执行到中断返回指令IRET时返回到原来的中断点。8.4三菱PLC的基本指令PLC是在工程限制中最简洁的计算机，所以能够快速推广的优点之一就是编程简洁。梯形图的编程虽然比较直观，但是指挥PLC运行的机器语言的中间过程便是基本指令。基本逻辑指令是PLC中最基础的编程语言，驾驭了基本逻辑指令也就初步驾驭了PLC的运用方法。而且在手头只有简易编程器时，必需将梯形图转换成助记符指令表后，才能写入可编程序限制器。8.4.1输入/输出指令和结束指令LD/LDI/OUT/END(1)LD（LDI）取指令（取反指令）常开触点或常闭触点与左母线连接指令，也可在分支起先处运用，与后述的块操作指令ANB或ORB协作运用。其操作的目标元件(操作数)为X、Y、M、T、C、S。(2)OUT（Out）输出指令线圈驱动指令，用逻辑运算的结果去驱动一个指定的线圈，线圈必需与右母线相连（程序中右母线可以省略不画）。本指令可驱动输出继电器、协助继电器、定时器、计数器、状态继电器和功能指令。(3)END（End）结束指令程序结束并返回程序起先处。END不针对任何元件；END指令设置所在步序之前的程序PLC运行，后面的程序不执行，因此，END指令还可以用来调试PLC程序。8.4.2触点串联指令和触点并联指令AND/ANI/OR/ORI(4)AND(ANI)与(与反)指令使继电器的常开(闭)触点与