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1、第1章 PLC基础知识,1.1 PLC概述1.2 PLC的组成与工作原理1.3 FX2N系列PLC的型号、安装与接线1.4本章技能检验,1.1 PLC概述,1.1.1 PLC的定义PLC即可编程控制器（Programmable Logic Controller），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：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
2、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。PLC及其有关的外围设备都应该按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。,1.1.2 PLC控制与继电器控制的比较,1.控制方式 继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制；PLC采用存储逻辑，其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，称为软接线。2.控制速度 继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象；PLC是由程序指令控制半导体电路来实
3、现控制，速度快，微秒级，严格同步，无抖动。3.延时控制 继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难；PLC用半导体集成电路作定时器，时钟脉冲由晶体振荡器产生，精度高，调整时间方便，不受环境影响。,1.1.3 PLC的应用领域,PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：1.开关量的逻辑控制 这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控
4、及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。,1.1.3 PLC的应用领域,2.模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。3.运动控制 PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单
5、轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4.过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。,1.1.3 PLC的应用领域,5.数据处理：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表
6、、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6.通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。,1.2 PLC的组成与工作原理,1.2.1 PLC的组成PLC基本组成包括中央
7、处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，见图1-1。,图1-1 PLC的组成,1.2.1 PLC的组成,1.中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。CPU按照PLC内系统程序赋予的功能指挥PLC控制系统完成各项工作任务。2.存储器PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。3.接口输入输出接口是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有
8、直流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。4.编程器编程器作用是将用户编写的程序下载至PLC的用户程序存储器，并利用编程器检查、修改和调试用户程序，监视用户程序的执行过程，显示PLC状态、内部器件及系统的参数等。5.电源PLC的电源将外部供给的交流电转换成供CPU、存储器等所需的直流电，是整个PLC的能源供给中心。PLC大都采用高质量的工作稳定性好、抗干扰能力强的开关稳压电源，许多PLC电源还可向外部提
9、供直流24V稳压电源，用于向输入接口上的接入电气元件供电，从而简化外围配置。,1.2.2 PLC的等效电路,在介绍PLC等效电路之前，通过一个实例来认识一下PLC的控制原理。图1-3是一个简单继电器控制电路。KT是时间继电器；KM1、KM2是两个接触器，分别控制电机M1、M2的运转；SB1为起动按钮，SB2为停止按钮。控制功能如下：按下SB1，电机M1开始运转，过10后，电机M2开始运转；按停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止。,图1-3 继电器控制电路,1.2.2 PLC的等效电路,图1-3的继电器控制原理如下：在控制线路中，当按下SB1时，KM1、KT的线圈同时通电，KM1的一个常开触点
10、闭合并自锁，M1开始运转；KT线圈通电后开始延时，10s后KT的延时常开触点闭合，KM2线圈通电，M2开始运转。当按下SB2时，KM1、KT1线圈同时断电，KM2线圈也断电，M1、M2随之停转。现在用PLC实现上述控制功能，图1-4为PLC控制的接线图。PLC控制系统的主电路和继电器控制系统完全相同。在小型PLC的面板上，有一排输入和输出端子，输入端子和输出端子各有自己的公共接线端子COM，输入端子的编号为00000，00001，输出端至编号为01000，01001，。将启动按钮SB1、停止按钮SB2接到输入端子上，输入公共端子COM上接DC24V的输入电源；接触器KM1、KM2的线圈接到输出
11、端子上，输出公共端子COM上接AC220V的负载驱动电源。,图1-4PLC控制接线图,PLC是如何工作的呢？看一下图1-5 PLC控制的等效电路。PLC控制的等效电路由三部分组成：（1）输入控制部分。该部分接收操作指令（如：启动按钮、停止按钮等）和被控对象的各种状态信息（如：行程开关、接近开关等）。PLC的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开；当输入点与输入COM断开时，输入继电器线圈断电，它的常开触点断开、常闭触点闭合。（2）控制部分。这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图表示，如图1-5所示。控制程序放在P
12、LC的用户程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取用户存储器中的程序语句，对它的内容进行解释并执行，又将输出的结果送到PLC的输出端子，以控制外部负载的工作。（3）输出部分。该部分根据程序执行的结果直接驱动负载。在PLC内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制外部负载的动作。例如，图1-5的输出触点01000，01001，分别连结接触器KM1、KM2的线圈，控制两个线圈通电或断电。,图1-5PLC控制的等效电路图,梯形图是从继电器控制电路原理图演变而来的。PLC内部的继电器并不是实际的硬继电器，每个内部继电器都是PL
13、C内部存储单元。,PLC为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位继电器、定时器/计数器等。其中，输入、输出继电器一般与外部输入输出继电器相连接，而其他继电器与外部设备没有直接联系。现在看一下图1-5的控制原理：当按下SB1时，输入继电器00000的线圈通电，00000常开触点闭合，使输出继电器01000线圈得电，01000对应的硬输出触点闭合，KM1得电，M1开始运转。同时，01000的一个常开触点闭合并自锁，时间继电器TIM 000的线圈通电开始延时，10s后TIM 000的常开触点闭合，输出继电器01001的线圈得电，01001对应的硬输出触电闭合
14、，KM2得电，M2开始运转。当按下SB2时，输入继电器00001的线圈通电，00001的常闭触电断开，01000、TIM 000的线圈均断电，01001的线圈也断电，01000，01001的两个硬输出点随之断开，KM1、KM1断电，M1、M2停转。,1.2.3 PLC的工作原理,1.循环扫描工作方式PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。除了执行用户程序外，每次循环过
15、程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5 个阶段，如右图1-6所示。PLC的这种周而复始的对用户程序逐条顺序执行的循环工作方式称为扫描工作方式。,（1）在运行状态下，PLC对用户程序的循环扫描过程分三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段、输出刷新阶段，如图1-7,1）输入采样阶段。PLC 首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中。此时，输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，此时输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的新内容。2）程序执行阶段。根据 PLC 梯形图
16、程序“先左后右，先上后下”扫描原则进行逐句扫描。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC 就从输入映像寄存器“读入”上一阶段采入的对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件(“软继电器”)的当前状态。然后，进行相应的运算，运算结果再存入元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件(“软继电器”)的状态会随着程序执行过程而变化。3）输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通/断开）在输出刷新阶段转存到输出锁存器中，通过一定方式输出，驱动外部负载。,在工作状态下，执行一次上图所示的扫描操作
17、所需的时间称为扫描周期。其典型值为1100ms。（2）停止状态在停止状态下，PLC只进行自诊断和通信服务工作。在自诊断阶段，PLC检查CPU模块内部的硬件是否正常，进行监控定时器复位等工作，在通信服务阶段，PLC与编程器及其他带CPU的智能装置通信。2.输入输出滞后时间输入输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外部输入信号发生变化的时间到它的控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路的滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式的滞后时间三部分组成。滞后时间与模块的类型有关。继电器输出电路的滞后时间一般在10ms左右，双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间为1ms
18、，负载断开时的最大滞后时间为10ms，晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达2个扫描周期。,1.3 FX2N系列PLC的型号、安装与接线,1.3.1 FX2N系列PLC的型号1FX系列PLC型号的说明即 FX系列PLC型号的含义如下：,其中系列名称：如0、2、0S、1S、ON、1N、2N、2NC等单元类型：M基本单元E输入输出混合扩展单元 Ex扩展输入模块 EY扩展输出模块输出方式：R继电器输出S晶闸管输出T晶体管输出特殊品种：DDC电源，DC输入A1AC电源，AC输入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1
19、ms的扩展模块如果特殊品种一项无符号，为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出。例如FX2N32MTD表示FX2N系列，32个I/O点基本单元，晶体管输出，使用直流电源，24V直流输入型。,2.FX系列PLC硬件配置,FX0S系列的基本单元FX0S系列的功能简单，价格便宜，适用于小型开关量控制系统，它只有基本单元，没有扩展单元。其基本单元如表1-1所示。,表1-1 FX0S系列的基本单元,2）FX0N系列的基本单元FX0N的基本单元共有12种，最大的I/O点数为60，它可带3种扩展单元，7种扩展模块，可组成24128个I/O点的系统。其基本单元如表1-2所示。表1-2 FX0N系列的基本单元
20、,（3）FX2N系列的基本单元,FX2N系列是FX家族中最先进的PLC系列。FX2N基本单位有16/32/48/65/80/128点，六个基本FX2N单元中的每一个单元都可以通过I/O扩展单元扩充为256I/O点，其基本单元如表1-3所示。,表1-3 FX2N系列的基本单元,3.FX系列的I/O扩展单元和扩展模块,表1-4 FX0N系列的扩展单元,表1-5 FX0N系列的扩展模块,表1-6 FX2N子系列扩展单元,表1-7 FX2N子系列的扩展模块,1.3.2 FX系列的特殊功能模块,1模拟量输入输出模块2.PID过程控制模块3.定位控制模块4数据通信模块5高速计数模块,1.3.3 FX2N系
21、列PLC的安装与接线,1.可编程控制器的安装和接线（1）安装的注意事项 1)安装环境 为保证可编程控制器工作的可靠性，尽可能地延长其使用寿命，在安装时一定要注意周围的环境，其安装场合应该满足以下几点：环境温度在 0 55 范围内。环境相对湿度应在 35 85 范围内。周围无易燃和腐蚀性气体。周围无过量的灰尘和金属微粒。避免过度的震动和冲击。不能受太阳光的直接照射或水的溅射。2)注意事项 除满足以上环境条件外，安装时还应注意以下几点：可编程控制器的所有单元必须在断电时安装和拆卸。为防止静电对可编程控制器组件的影响，在接触可编程控制器前，先用手接触某一接地的金属物体，以释放人体所带静电。注意可编程
22、控制器机体周围的通风和散热条件，切勿将导线头、铁屑等杂物通过通风窗落入机体内。（2）安装与接线 1)PLC系统的安装 FX 系列可编程控制器的安装方法有底板安装和 DIN 导轨安装两种方法。底板安装。利用可编程控制器机体外壳四个角上的安装孔，用规格为M4的螺钉将控制单元、扩展单元、A/D 转换单元、D/A 转换单元及 I/O 链接单元固定在底板上。DIN 导轨安装。如图1-9控制电柜，利用可编程控制器底板上的 DIN 导轨安装杆将控制单元、扩展单元、A/D 转换单元、D/A 转换单元及 I/O 链接单元安装在 DIN 导轨上。安装时安装单元与安装导轨槽对齐向下推压即可。将该单元从 DIN 导轨
23、上拆下时，需用一字形的螺丝刀向下轻拉安装杆。,图 1-9 PLC接线电柜,(2)PLC系统的接线 PLC 系统的接线主要包括电源接线、接地、I/O接线及对扩展单元接线等。1)电源接线 FX系列PLC使用直流24V、交流100V120V或200V240V的工业电源。FX系列PLC的外接电源端位于输出端子板左上角的两个接线端。使用直径为0.2cm 的双绞线作为电源线。过强的噪声及电源电压波动过大都可能使 FX 系列可编程控制器的CPU工作异常，以致引起整个控制系统瘫痪。为避免由此引起的事故发生，在电源接线时，需采取隔离变压器等有效措施，且用于 FX 系列可编程控制器，I/O设备及电动设备的电源接线
24、应分开连接。另外，在进行电源接线时还要注意以下几点：FX 系列PLC必须在所有外部设备通电后才能开始工作。为保证这一点，可采取下面的措施：所有外部设备都上电后再将方式选择开关由“STOP”方式设置为“RUN”方式。将FX系列PLC编程设置为在外部设备未上电前不进行输入、输出操作。当控制单元与其他单元相接时，各单元的电源线连接应能同时接通和断开。当电源瞬间掉电时间小于 10ms 时，不影响 PLC的正常工作。为避免因失常而引起的系统瘫痪或发生无法补救的重大事故，应增加紧急停车电路。当需要控制两个相反的动作时，应在 PLC 和控制设备之间加互锁电路。2)接地 良好的接地是保证PLC正常工作的必要条
25、件。在接地时要注意以下几点：PLC 的接地线应为专用接地线，其直径应在2mm以上。接地电阻应小于100。PLC的接地线不能和其他设备共用，更不能将其接到一个建筑物的大型金属结构上。PLC 的各单元的接地线相连。,3)控制单元输入端子接线。FX系列的控制单元输入端子板为两头带螺钉的可拆卸板，外部开关设备与PLC之间的输入信号均通过输入端子进行连接。在进行输入端子接线时，应注意以下几点：输入线尽可能远离输出线、高压线及电机等干扰源。不能将输入设备连接到带“.”端子上。交流型PLC的内藏式直流电源输出可用于输入；直流型PLC的直流电源输出功率不够时，可使用外接电源。切勿将外接电源加到交流型 PLC
26、的内藏式直流电源的输出端子上。切勿将用于输入的电源并联在一起，更不可将这些电源并联到其他电源上。4)控制单元输出端子接线。FX 系列控制单元输出端子板为两头带螺钉的可拆卸板，PLC与输出设备之间的输出信号均通过输出端子进行连接。在进行输出端子接线时，应注意以下几点：输出线尽可能远离高压线和动力线等干扰源。不能将输出设备连接到带“.”端子上。各“COM”端均为独立的，故各输出端既可独立输出，又可采用公共并接输出。当各负载使用不同电压时，采用独立输出方式；而各个负载使用相同电压时，可采用公共输出方式。当多个负载连到同一电源上时，应使用型号为 AFP1803 的短路片将它们的“COM”端短接起来。若
27、输出端接感性负载时，需根据负载的不同情况接入相应的保护电路。在交流感性负载两端并接RC串联电路；在直流感性负载两端并接二极管保护电路；在带低电流负载的输出端并接一个泄放电阻以避免漏电流的干扰。以上保护器件应安装在距离负载50cm 以内。在PLC内部输出电路中没有保险丝，为防止因负载短路而造成输出短路，应在外部输出电路中安装熔断器或设计紧急停车电路。(5)扩展单元接线。若一台PLC的输入输出点数不够时，还可将FX列的基本单元与其他扩展单元连接起来使用。具体配置视不同的机型而定，当要进行扩展配置时，参阅有关的用户手册。,1.4本章技能检验,1.什么是可编程控制器？它的特点是什么？2PLC由哪几部分
28、组成？各有什么作用？3PLC控制系统与传统的继电器控制系统有何区别？4PLC开关量输出接口按输出开关器件的种类不同，又几种形式？5简述PLC的扫描工作过程。6.可编程控制器有哪几种编程语言？各有什么特点？7.说明FX0N-40MR型号中40、M、R的意义，并说出它的输入输出点数。8.可编程控制器的技术性能指标有哪些？,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,
