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1、可編程控制器（PLC）和PLC控制系統 摘要 該畢業(yè)設計介紹了可編程控制器（PLC）和PLC控制系統的基本知識，包括PLC的定義、特點、分類、技術指標、基本結構、工作原理、硬件知識及PLC控制系統等相關知識。并且，根據全自動洗衣機的工作原理，采用三菱公司的FXON系列的PLC實現控制，設計了一個簡單的全自動洗衣機控制系統。全自動洗衣機通過了可編程控制器來實現洗滌過程，省時省力，充分體現了現代家電用品的個性。 關鍵詞：全自動洗衣機 PLC FXON系列

2、 前言 可編程控制器是以計算機為核心的通用自動控制裝置，它的功能性強、可靠性極強、編程簡單、使用方便、體積小?，F已廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域，它以微處理器為核心，用編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數和算術運算等，并通過數字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備或生產過程。 該設計采用三菱公司的FXON系列可編程控制器。三菱公司的各系列有被已在國內廣泛使用的FX系列代替的趨勢。我們在這里有必要詳細介紹三菱的FX系列可編程控制器的性能指標，硬件組成和指令。 PLC的學習比一般編程學習困難在于，要完成一個控制系統不僅需要掌握一定的編程技術，更為重

3、要的是要知道如何針對實際應用的需要選擇合適的PLC型號，然后進行資源配置，設計控制系統。 該設計為全自動洗衣機的PLC控制，主要介紹了全自動洗衣機的工作原理，控制系統的PLC的選型和資源的配置，控制系統程序設計與調試，控制系統PLC程序。 最后，對于在設計過程中給予極大鼓勵和幫助的老師、同學，再次表示衷心的感謝。由于在設計過程中存在許多不足，希望老師和同學指正。 目錄 摘要…………………………………………………………1 前言…………………………………………………………2 第一

4、章 緒論………………………………………………5 1.1 概論…………………………………………………5 1.1.1 PLC的定義……………………………………5 1.2 PLC的特點…………………………………………5 1.2.1 可靠性高………………………………………6 1.2.2 易操作性………………………………………7 1.2.3 靈活性…………………………………………8 1.2.4 機電一體化……………………………………9 1.3 PLC 的分類………………………………………9 1.3.1按結構分類…………………………………9 1.3.2按輸入/輸出點數分類…………………

5、……10 1.3.3按功能分類…………………………………11 1.3.4按編程語言分類……………………………11 1.4 PLC的主要技術指標……………………………11 1.4.1編程語言……………………………………11 1.4.2儲蓄容量……………………………………12 1.4.3輸入/輸出點數………………………………13 1.4.4掃描速度……………………………………13 1.4.5指令種類和數量……………………………14 1.4.6內

6、部寄存的種類和數量……………………14 1.4.7智能模塊的種類和數量……………………14 1.4.8環(huán)境條件……………………………………14 1.4.9可擴展性……………………………………14 1.4.10 可靠性……………………………………15 1.4.11易操作性…………………………………16 1.4.12經濟性……………………………………16第二章 PLC的結構………………………………………17 2.1PLC的基本結構……………………………………17

7、 2.2整體式的結構PLC…………………………………17 2.3模塊式結構的PLC…………………………………17 2.4PLC各組成部分介紹………………………………18 2.5基本指令……………………………………………19 第三章 PLC的工作原理……………………………………21 3.1循環(huán)掃描技術………………………………………21 3.2PLC的輸入/輸出的響應時間………………………22 第四章 PLC的控制系統設計原則和設計步驟……………25 4.1設計原理……………………………………………25 4.2設計步驟…………………

8、…………………………25 第五章 PLC的硬件知識……………………………………25 5.1PLC模塊介紹………………………………………25 5.2FX2N PLC的硬件系統構成………………………34 第六章 課程設計PLC全自動洗衣機控制系統設計……36 6.1全自動洗衣機控制系統的設計要求……………36 6.2全自動洗衣機控制系統的PLC選型和資源配置…36 6.3全自洗衣機控制系統程序設計和調試……………39 6.4全自動洗衣機控制PLC程序………………………41 6.5設計小結……………………………………………48 第七章 結束語…………………………………………49

9、 第一章 緒論 首先介紹一下可編程控制器（PLC）和PLC控制系統的基本知識，包括PLC的產生和發(fā)展、特點、技術指標、基本結構、工作原理及PLC控制系統等相關知識。 1.1概述 可編程控制器是在計算機技術、通訊技術和繼電器控制技術的發(fā)展基礎上開發(fā)起來的，現在已經廣泛應用于控制的各個領域。它以微處理器為核心，用編寫的程序進行邏輯控制、定時、計數和算術運算等，并通過數字量和模擬量的輸入/輸出來控制機械設備或生產過程。 1.1.1 PLC的定義 PLC自問世以來，盡管時間不長，但發(fā)展迅速。為了使其生產和

10、發(fā)展標準化，國際電工委員會(IEC)先后頒布了PLC標準的草案第一、二、三稿，并在1987年作了如下的定義：“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采用一類可編程控制器，用于其內部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程?？删幊炭刂破骷盎嘘P外部設備，都應按易于與工業(yè)控制系統聯成一個整體，易于擴充基其功能的原則設計的?！笨傊?，可編程控制器是一臺專為工業(yè)環(huán)境而設計的計算機，它是將傳統的計算機技術、繼電器技術和通信技術相融合而發(fā)展起來的一種新型的控制裝置。在具體國內工業(yè)應用中，

11、由于它不是針對某一具體的工業(yè)應用，因此它的硬件應根據實際需要來進行配置，其軟件則根據控制要求進行編寫。 1.2 PLC的特點 PLC是傳統的繼電器技術和計算機技術相結合的產物，所以在工業(yè)控制方面，它具有繼電器或通用計算機所無法比擬的特點。 1.2.1可靠性高 對可以維修的產品，可靠性包括產品的有效性和可維修性?？删幊炭刂破鞯目煽啃愿?，表現在下列方面。 ⑴ 與繼電器邏輯控制系統比較，可編程控制器可靠性提高的主要原因如下： ① 可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件，它接線大大減少，與此同時，系統的維修簡單，維修時間短，因此，可靠性得到提高。 ② 可編程控制器采用一系列可靠性設計

12、的方法進行設計，如冗余設計、掉電保護、故障診斷、信息保護及恢復等，提高了MTBF（可達1000000h），比繼電器邏輯控制系統提高了一個數量級。降低了MTTR，是可靠性得到提高。 ③ 可編程控制器有較強的易操作性，它具有編程簡單、操作方便、維修容易等特點，因此，降低了對操作和維修人員的技能要求，操作和維修人員容易學習和掌握，不容易發(fā)生操作的失誤，可靠性因此提高。 ⑵ 與通用計算機控制系統比較，可編程控制器可靠性提高的主要原因如下： ① 可編程控制器是為工業(yè)生產過程控制而專門設計的控制裝置，它具有比通用計算機控制系統更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的標準編程語言，編程的出錯率大

13、大降低，而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境而設計的硬件使可靠性大大提高，因此，可編程控制器可靠性較通用計算機控制系統的可靠性有較大提高。 ② 可編程控制器的硬件設計采用一系列提高可靠性的措施。例如，采用可靠性高的元器件，采用先進的工藝制造流水線，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等，采用電源的掉電保護、存儲器內容的保護，采用看門狗、其他自診斷措施、便于維修的設計等。 在硬件方面，由于采用性能優(yōu)良的開關電源，并且對選用的器件進行嚴格的篩選，加上合理的系統結構，最后加固、簡化安裝，因此PLC具有很強硬的抗振動沖擊性能；無觸點的半導體電路來完成大量的開關動作，就不會出現繼電器系統中的器件老化、脫焊、觸電電弧等問題

14、；所有的輸入/輸出接口都采用光電隔離措施，使外部電路和PLC內部電路能有效的進行隔離；PLC模塊式的結構，可以再其中一個模塊出現故障時迅速地判斷出故障的模塊并進行更換，這樣就能盡量的縮短系統的維修時間。 ③ 可編程控制器的軟件設計采用一系列提高系統可靠性的措施。例如，采用軟件濾波、軟件自診斷、簡化編程語言、信息保護和恢復、報警和運行信息的顯示等。 在軟件方面，PLC的監(jiān)控定時器可用于監(jiān)視執(zhí)行用戶程序的專用運行處理器的延遲，保證在程序出現錯誤和程序調試時，避免因程序錯誤而出現死循環(huán)；當CPU、電池、I/O口、通信等出現異常時，PLC的自診斷功能可以檢測到這些錯誤，并采取相應的措施

15、，以防止故障擴大；停電時，后電池盒正常工作時一樣，進行對用戶程序及動態(tài)數據的保護，確保信息不丟失。 一份用戶選用可編程控制器原因的調查報告指出，在各種選用可編程控制器的原因中，有93%的用戶是因為可編程控制器的可靠性高而選用的，因此可靠性高是首要原因；其次，才是性能和維修方面的原因。可見，可靠性高時可編程控制器的主要特點。 1.2.2易操作性 可編程控制器的易操作性表現在下列三個方面。 ⑴操作方便。可編程控制器的操作包括程序輸入的操作和程序更改的操作。大多數的可編程控制器采用編程器進行程序輸入和更改操作。編程器至少提供了輸入信息的顯示，多數可編程控制器的編程器采用個人計算機，提

16、供了屏幕顯示功能，因此，程序的輸入能直接顯示。更改程序的操作也可根據所需地址編號、變量或接點號等直接進行搜索或順序尋找，然后可在線或立現更改，更改的信息可在液晶或CRT屏幕顯示。所以，可編程控制器具有操作方便的特點。 ⑵編程簡單。可編程控制器有多種標準編程語言可供使用。對電氣技術人員來說，由于梯形圖編程語言與電氣原理圖相似，因此，更容易掌握和理解。采用語句表編程語言編程時，由于編程語言是功能的所學，便于記憶，并且與梯形圖一一對應，所以，有利于編程人員編程操作。順序功能表圖編程語言以過程流程進展為主線，非常適合設計人員與工藝專業(yè)人員進行設計思想的溝通。功能塊圖編程語言和結構化文本編程語言的編程

17、方法的應用正在普及，由于他們具有功能清晰、易于理解等優(yōu)點，正為廣大技術人員所接納和采用。 ⑶維修方便?？删幊炭刂破魉哂械淖栽\斷功能對維修人員技能的要求降低，當系統發(fā)生故障時，通過硬件和軟件的自診斷，維修人員可根據有關故障代碼的顯示和故障信號燈的提示燈信息，或通過編程器和CRT屏幕的顯示，直接找到故障所在的部位，為迅速排除故障和修復節(jié)省了時間，降低了MTTR. 為了便于維修工作的開展，有些可編程控制器制造廠商提供維修用的專用儀表或設備，提供故障樹等維修用資料，有些廠商還提供維修用智能卡件或插件板，使維修工作變得十分方便。采用標準化元件和標準化工藝生產流水線作業(yè)，使維修用備品、備件簡化等，也

18、使維修工作變得方便。 可編程控制器的面板和結構設計業(yè)考慮了維修的方便性。例如，將需要維修的部件設置在便于維修的位置，將信號燈設置在易于觀察的部位，接線端子采用便于接線和更換的類型等，這些設計使維修工作能方便地進行，大大縮短了維修時間。 1.2.3靈活性 可編程控制器的靈活性表現在下列三方面。 ⑴編程的靈活性。可編程控制器采用的標準編程語言有梯形圖、語句表、功能表圖、功能模塊圖和結構化文本編輯語言等。使用者只要掌握其中一種編程語言就可進行編程。編程方法的多樣性使編程方便，應用面拓展。 采用軟連接方法，生產工藝流程更改或者生產設備更換后，可不必改變可編程控制器的硬設備，通過程序的編制與更

19、改就能適應生產的需要。種種改變成的靈活性是繼電器順序控制系統所不能比擬的。正是由于編程的柔性特點，使可編程控制器能大量地替代繼電器書按需控制系統，成為當今工業(yè)控制領域的重要控制設備。在柔性制造控制（FMC）、柔性制造系統（FMS）、計算機集成制造系統（CIMS）和計算機集成流程工業(yè)系統（CIPS）中，可編程控制器正成為主要的控制設備，并得到了廣泛應用。 ⑵擴展的靈活性?？删幊炭刂破鞯臄U展靈活性是它的一個重要特點。它可根據應用的規(guī)模不斷擴展，即進行容量的擴展、功能的擴展、應用和控制范圍的擴展。它不僅可以通過增加輸入/輸出卡件增加點數，通過擴展單元擴大容量和功能，也可以通過多臺可編程控制器的通信

20、來擴大容量和功能，甚至可通過與集散控制系統（DCS）或其他上位機的通信來擴展其功能，并與外部設備進行數據的交換等。這種擴展的靈活性大大方便了用戶。 ⑶操作的靈活性。操作靈活性指設計工作量、編程工作量和安裝施工工作量的減少。操作變得十分方便和靈活，監(jiān)視和控制變得容易。在繼電器順序控制中所需要一些操作得到簡化，不通生產過程可采用相同的控制臺或控制屏等。 1.2.4機電一體化 為使工業(yè)生產過程的控制更平穩(wěn)、更可靠，實現優(yōu)質、高產、低耗，對過程控制設備和裝置提出了機電一體化───儀表、電子、計算機綜合的要求?？删幊炭刂破髡沁@已要求的產物，它是專為工業(yè)過程控制而設計的控制設備，具有體積小、功能強

21、，抗擾性好等優(yōu)點，它將機械與電氣部件有機的結合，把儀表、電子和計算機的功能綜合和集成一起，因此，它已成為當今數控技術、工業(yè)機器人、過程流程控制等領域的主要控制設備。 1.3 PLC的分類 可編程控制器產品的種類很多，一般可從它的結構形式、輸入/輸出點數以及功能范圍進行分類。 1.3.1 按結構分類 可編程控制器是專門為工業(yè)環(huán)境而設計，為了便于現場安裝和接線，其結構形式與一般計算機有很大區(qū)別。主要有整體式和模塊式兩種結構形式。 ⑴整體式結構。整體式結構型可編程控制器把中央處理單元、存儲器、輸入/輸出單元、輸入/輸出擴展接口單元、外部設備接口單元和電源單元等集中在一個機箱內，輸入

22、/輸出端及電源進出接線端分別設置在機箱的上下兩側。機箱的面板上有相應的發(fā)光二極管LED顯示輸入/輸出、電源及系統的運行狀態(tài)，面板上還留有輸入/輸出擴展接口的插座、外部設備接口的插座和EPROM存儲器的插座等。整體結構的可編程控制器具有輸入/輸出點數少、體積小等優(yōu)點，適用于單體設備的開關量控制和機電一體化產品的開發(fā)應用等場合。 ⑵模塊式結構。模塊結構型可編程控制器把中央處理單元和存儲器做成獨立的組件模塊，把輸入/輸出等單元做成各自相對獨立的模塊，然后組裝在一個帶有電源單位的機架或背板上。在機架或背板上有若干個模塊插槽或插座和連接這些插槽或插座的內部系統總線。一些產品的機架或背板上還安裝了與輸入

23、/輸出擴展機連接的接口插座等。各種模塊的一側安裝與內部系統總線連接用的插頭，用于與機架或背板連接；另一側有與輸入/輸出擴展機、外部設備相連的接口插座或現場控制信號相連的輸入/輸出接線端，模塊上的各種狀態(tài)指示燈也設置在這一側。模塊式結構的可編程控制器具有輸入/輸出點數可自由配置，模塊組合靈活等特點，適用于復雜過程控制系統的應用場合。 1.3.2按輸入/輸出點數分類 為了適應不同生產過程的應用要求，可編程控制器能處理的輸入/輸出點數是不同的。按其處理的輸入/輸出點數的多少，可分為超小型、小型、中型、大型、超大型五種類型。表1-1列出了各種類型可編程控制器的類型和特點。 表1-1： 類型

24、輸入/輸出總點數 信號類型 用戶程序容量 結構形式 超小型 ≦64 開關量 ≦1KB 整體型 小型 ≦512 開關量 ≦8KB 整體型 中型 ≦1024 開關量、模擬量 ≦16KB 模塊型 大型 ≦4096 有特殊I/0單元 ≦32KB 模塊型 超大型 ≧4096 功能強，與DCS相當 ≧32KB 模塊型 但是有的書籍又有下列說法： ⑴小型PLC 連接開關量I/O模塊、模擬量I/O模塊以及其它各種特殊功能模塊，能執(zhí)行包括邏輯運算、計時、計數、算術運算、輸入/輸出

25、點數在128點一下的PLC稱為小型PLC。其特點是體積小、結構緊湊，它可以據處理和傳送、通信聯網以及各種應用指令。 ⑵中型PLC 輸入/輸出點數在128─512點之間的PLC稱為中型PLC。它除了具有小型機所能實現的功能外，還具有強大的網絡通信功能、更豐富的指令系統、更大的內存容量和更快的掃描速度。 ⑶大型PLC 輸入/輸出點數大于512的PLC稱為大型PLC。它具有強大的軟件硬件功能、自診斷功能、通信聯網功能，它可以構成三級通信網，實現工廠生產管理自動化。另外大型PLC還可以采用三CPU構成表決式系統，使機器具有更高的可靠性。 1.3.3按功能分類 根據工業(yè)生產過程中控制系統復雜

26、程度的要求不同，可編程控制器的功能各不相同，大致分為抵擋、中檔、高檔三個檔次。表1─2列出了它們的主要功能。 表1─2： 類型 功能 抵擋 開關運算、邏輯運算、計時和計數 中檔 開關量和模擬量控制、數字運算、中斷控制、通信 高檔 開關量和模擬量控制、矩陣運算、數據管理、通信聯網 1.3.4按編程語言分類 根據可使用的編程語言，可編程控制器可分為傳統可編程控制器、標準編程語言可編程控制器和基于PC的軟邏輯可編程控制器等。 此外，也可根據其發(fā)展和應用，分為可編程控制器、可編程自動化控制器、可編程安全控制器等。 1.4 PLC的主要技術指標 1.4．1編程語言 編程語言

27、是可編程控制器標準化和操作性的重要指標。標準可編程控制器編程語言有梯形圖、指令表、順序功能表圖、功能模塊圖和結構化文本等。不同可編程控制器產品可能擁有其中一種、兩種或多種編程語言。 早起可編程控制器產品的編程語言并不統一，各制造商根據各自產品開發(fā)專用編程語言，使程序的移植很困難。為此，IEC 61131─3制定了標準編程語言，為便于制造商產品與標準的一致，PLCopen制定了三個一致性等級。即基本級、可重復使用級、和全兼容級?？删幊炭刂破鞯漠a品符合基本級表示該產品能解決小系統的可移植性，符合可重復使用級和全兼容級的產品能夠解決功能塊程序的可移植性。 梯形圖編程語言是在原電氣控制系統中常用的

28、接觸器、繼電器線路基礎上演變而來，它與電氣操作原理圖相對應，為廣大電氣工程師所熟知，是可編程控制器主要的編程語言。 指令表編程語言是一種用與匯編語言類似的助記符號進行編程的編程語言，它用一系列可編程控制器操作指令組成的助記符號來描述控制邏輯關系。 功能塊圖編程語言是近年來用于DCS等控制系統組態(tài)的編程語言。由于它采用圖形化方式表示功能塊之間的連接關系，具有直觀清晰、易于操作和更改等特點，受到過程控制工程界的重視，并成為可編程控制器一種重要的編程語言。 結構化文本編程語言采用高級語言編制應用程序，特別適用于復雜控制系統的描述，但對編程人員的技能要求較高。 順序功能表圖編程語言是近30年來

29、才開發(fā)的編程語言，它采用步描述控制系統的各個操作狀態(tài)，對應于每個活動步，相連接的命令或動作被執(zhí)行。這種編程語言對于復雜控制系統有情緒的描述，程序執(zhí)行時間段，受到用戶的歡迎。 1.4.2存儲器容量 存儲器用來存儲程序和系統參數等。其容量是由用戶程序存儲器和數據存儲器組成的。程序存儲器容量大小決定了用戶所能編寫程序的長度。一般中小型PLC的存儲器容量在16GB以下，大型的PLC可達到2MB左右。 可編程控制器的存儲器由系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器組成。系統程序是制造廠商根據生產的可編程控制器所需達到的功能而編寫，并被固化在作為系統程序存儲器的PROM或EPROM中，因此，系統程

30、序存儲器的容量大小是確定的。 用戶程序是用戶根據實際生產過程控制的應用要求而編寫的，因此，用戶程序存儲器的容量和數據存儲器的容量與實際過程控制的要求有關，其容量是不固定的。 可編程控制器制造廠商根據其產品的功能、處理的輸入/輸出點數等性能配置用戶程序存儲器的容量和數據存儲器的容量。為此，用戶必須根據實際應用應用情況選擇有相應用戶程序存儲器容量和數據存儲器容量的可編程控制器產品。在選擇可編程控制器時，可編程控制器的存儲容量通常指用戶程序存儲器容量和數據存儲器容量之和。 1.4.3輸入/輸出點數 輸入/輸出點數是根據工業(yè)系統控制要求所得到的對應于PLC的輸入/輸出端的個數。I/O點數越多，

31、說明需要控制的器件和設備就越多。 可編程控制器輸入/輸出單元的種類和點數多少決定其應用規(guī)模的大小。不同種類可編程控制器適用范圍不同。用戶應根據實際生產過程中輸入/輸出信號點數和信號類型等選擇不同種類的可編程控制器或相應的輸入/輸出模塊。通常，開關量輸入/輸出單元采用最大的輸入/輸出點數表示，模擬量輸入/輸出單元采用最大輸入/輸出通道數表示。 對特殊的應用，如需要高速計數功能、軸定位控制功能等時，需要有特殊的輸入模塊或輸出模塊。 1.4.4掃描速度 掃描速度與產品選用的CPU性能、系統程序的質量、用戶程序的長短和所用指令等有關。在系統程序支持下，可編程控制器主要任務是循環(huán)掃描六大任務，保

32、證系統正常運行的公共操作、系統與外界的信息交換和用戶程序執(zhí)行等任務。每次循環(huán)所用的掃描時間（掃描時間是指CPU內部根據用戶程序，按邏輯順序，從開始到結束掃描一次所需的時間。PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行指令所用的時間）主要有掃描這些任務所需時間決定。第一部分、第二部分任務所需時間基本固定，不同產品類型決定其運行時間的長短。第三部分任務是用戶程序執(zhí)行，它執(zhí)行的時間隨用戶編程應用程序的不同而變化。 有兩種表示可編程控制器掃描速度的方法：一種方法是可編程控制器掃描1KB用戶程序所需的時間，其單位是ms/KB或s/KB；另一種方法是執(zhí)行常用邏輯類指令的平均時間，其單位是ms或s。根據可編程控制器產品的掃

33、描時間和用戶程序，可大致估算程序的掃描周期，其值應小于系統WDP的設定值。 1.4.5指令種類和數量 指令的種類和數量決定了用戶編制程序的方式和PLC的處理能力和控制能力。 1.4.6內部寄存的種類和數量 內部寄存器主要包括定時器、計數器、中間繼電器、數據寄存器和特殊寄存器等。它們主要用來完成計時、技術、中間數據存儲、數據存儲還有其他一些功能。種類和數量越多，PLC的功能就越強大。 1.4.7智能模塊的種類和數量 智能模塊是指完成模擬量控制、遠程控制以及通信等功能模塊。智能模塊種類和數量越多，說明PLC的功能就越強大。 1.4.8環(huán)境條件 可編程控制器是根據工業(yè)現場的惡劣環(huán)境設

34、計，但在選用可編程控制器時還應考察下列三個方面的使用指標。 ⑴工作環(huán)境。包括工作環(huán)境的溫度、濕度、環(huán)境中塵埃的要求等。 ⑵電源要求。包括電源電壓、頻率、電壓紋波系數、電壓瞬間跌落、容量等。 ⑶抗干擾性能。包括耐壓強度、抗電磁干擾強度、抗震動強度等。 1.4.9可擴展性 可編程控制器產品本身的發(fā)展建立在可擴展性基礎上。用戶選擇可編程控制器時要考慮的可擴展性包括下列內容。 ⑴輸入/輸出點數的擴展。輸入/輸出點數的可擴展性指是否還可連接輸入/輸出擴展機架或母版，是否可在原有機架或母版上再安裝輸入/輸出模板等?？删幊炭刂破鞯目刂迫萘看笮≈饕憩F在它能處理多少輸入/輸出點數，而影響輸入/輸出

35、點數增加的因素是機器的結構和程序的掃描速度等，用戶在選擇機型是應充分考慮輸入/輸出點數的可擴展性。 ⑵存儲器容量的擴展?？删幊炭刂破鞔鎯ζ魅萘康拇笮∨c用戶應用程序的復雜程度和用戶編程技巧有關。當輸入/輸出點數擴展后，如果用戶程序容量不能擴展，則可能會因用戶程序容量不足而受到影響。因此，用戶選擇機型時要考慮存儲器容量的可擴展性。 ⑶控制區(qū)域的擴展?？删幊炭刂破鞯目刂茀^(qū)域擴展主要表現為通信聯網功能，當可編程控制器的控制區(qū)域擴展時，可通過通信網絡組成分別式控制系統，因此，用戶在選型時應考慮可編程控制器產品是否有通信功能，通信功能的強弱等。 ⑷控制功能的擴展?？删幊炭刂破鞯墓δ茉谟嗀洉r已經確定，

36、但一些制造廠商也可通過提供不同的軟件使用戶得到不同的軟功能?？刂乒δ艿臄U展也包括是否能提供相關智能控制功能模塊等，選型時應根據實際應用要求合理選用。 ⑸冗余功能的擴展。在重要應用場合，可編程控制器應考慮冗余配置。包括電源冗余、CPU冗余、輸入/輸出冗余和通信系統冗余等。一些可編程控制器可以進行各種冗余配置，一些產品則沒有冗余功能的擴展，選型時應根據實際應用要求合理選用。 ⑹安全功能擴展。隨著對安全要求的不斷提升，對可編程控制器的安全性和可編程控制器系統的安全性能提出越來越高的要求，可編程控制器的安全功能擴展包括對安全可編程控制器的選用和擴展。 1.4.10可靠性 可靠性是可編程控制器能

37、夠長盛不衰的主要原因。由于它的可靠性而選用的比例最高，而且是第一位的原因。這是由于可編程控制器是為工業(yè)環(huán)境的應用而設計的產品，因而產品的可靠性必然是放在首位考慮的因素。 可靠性指標用可靠度、平均壽命、平均無故障時間、有效率等來評估。對于可維修的系統或設備，除了可靠性指標外，還有可維護性指標，通常用平均維修時間等指標來 可維修性。 可編程控制器在提高可靠性和可維修性方面采取了很多措施。例如，采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路芯片，減少焊點；采用低功耗CMOS元件器，降低功耗和發(fā)熱；采用表面安裝技術，增大元件和電路板的接觸面積；優(yōu)化電路設計；采用高可靠性元器件和自動化流水線作業(yè)；接線端座采用插拔式結

38、構，便于減少維修時間；采用模塊式結構，減小故障影響范圍；采用自診斷、冗余技術、容錯技術和標準化設計等。正是由于采用了可靠性設計，使可編程控制器的可靠性和可維修性大大提高。 1．4.11易操作性 可編程控制器的易操作性表現為易操作、易編程和易維修。易操作使操作人員能及時得到生產過程的信息，及時對生產過程進行操作和控制；易編程使設計人員能方便地把設計思想編程用戶應用程序，程序的輸入和更改十分簡單，并能在不影響生產過程運行的條件下進行在線更改，以適應生產過程控制的要求；易維修使維修人員能從可編程控制器提供的信息中及時找到故障原因和部位，能方便地更換故障的部件和模塊。易操作性還表現在編制的程序能為

39、自控設計人員、工藝技術人員、安裝人員和操作人員所理解，以便及時得到溝通，縮短設計、安裝和調試時間。 可編程控制器在易操作性方面采取了不少措施。例如，提供多種編程語言，供用戶使用；編程語言與計算機匯編語言比較，更易學習、掌握和理解；不少制造廠商提供的產品可以進行在線編程，便于程序更改；為了對運行過程進行監(jiān)視和進行模擬操作，還提供各種指令和監(jiān)視顯示；為了使操作人員能及時了解故障部位，各個模塊設置相應的故障信號燈；此外，標準化機架、方便地通信功能等也使可編程控制器的易操作性得到提高。 1.4.12經濟性 任何一個產品都與經濟性有關。一個好的可編程控制器產品，應該是它的性能滿足工業(yè)生產過程控制應

40、用要求的條件下有較高的性能價格比。即在選擇可編程控制器產品時，首先應使產品滿足生產過程控制的應用要求，在此前提下，應選擇價格較低的產品。當然，經濟性還與初期投資和今后的維修費用有關。有時，產品的初期投資不高，但因可靠性較差或產品質量較差，使投產后的維修費用居高不下。在選擇可編程控制器產品時應進行充分比較，合理選用。在考慮經濟性時，可用投資回收率來對產品進行評估。 第二章 PLC的結構和工作原理 2.1 PLC的基本結構 PLC實質是用于工業(yè)控制的計算

41、機，其硬件結構基本上與微型計算機相同。根據結構形式的不同，PLC的基本結構分為整體式和模塊式結構兩類。 2.2 整體式結構的PLC 整體式結構的PLC由中央處理器(CPU)、存儲器、I/O單元、電源電路和通信端口等組成，并將這些組裝在一起。基本結構框圖如圖2─1所示。 圖2─1整體式結構 2.3模塊式結構的PLC 模塊式結構的PLC是將中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出單元、電源電路和通信端口等分別做成相應的模塊，應用時將這些模塊根據要求插在機架上，各模塊間通過機架上的總線想到聯系?；窘Y構框圖如2─2所示。

42、 圖2─2 模塊式結構 2.3 PLC各組成部分介紹 ⑴中央處理器 中央處理器（CPU）是PLC的核心部分，相當于PLC的“大腦”。它通過系統總線與用戶存儲器、輸入/輸出（I/O）、通信端口等單元相連。通過制造廠家預制在系統存儲器內部的系統程序完成各項任務。其主要功能是由編程器寫入控制程序和數據到存儲器、檢驗用戶程序、從存儲器上讀取和執(zhí)行程序，還可以進行PLC內部故障的診斷等。 ⑵存儲器 根據存儲器存儲內容的不同，我們把存儲器分為系統程序存儲器、用戶程序存儲器和數據存儲器。 系統城西存儲器：用來存入軟件的存儲器。系統程序相當于計算機操作

43、系統，是PLC廠家根據選用的CPU的指令系統編寫的，并固化到ROM里，用戶不能修改其內容。 用戶程序存儲器：用以存放PLC運行中的各種數據的存儲器。因為運行中數據不斷變化，所以這種存儲器必須可讀寫。 ⑶輸入/輸出單元 輸入/輸出單元是PLC與外部設備連接的紐帶。輸入單元接收現場設備向PLC提供的開關量信號，經過處理后，變成CPU能夠識別的信號。輸出單元將CPU的信號經處理后來控制外部設備的。 ⑷電源部分 不同型號的PLC有同的供電方式，所以PLC電源的輸入電壓即有12V和24V直流，又有110V和220V交流。 ⑸編程器 幾乎每個PLC廠家都有自己的編程器，用戶通過編程器來編寫控

44、制程序，并通過編程器接口將自己的控制程序輸入到PLC。它還可以在線監(jiān)測程序的運行情況。在出現故障時，通過編程器可能很方便地找出錯誤。 ⑹特殊功能單元 主要包括模擬量輸入/輸出單元、遠程I/O模塊、通信模塊、高速計數模塊、中斷輸入模塊和PID調解模塊等。隨著PLC的進一步發(fā)展，特殊功能單元的應用也越來越多。 2.5基本指令 2.5.1 LD/LDI指令：LD和LDI指令是連接在母線接線的觸點，表示操作開始。LD是常開觸點，LDI是常閉觸點。 2.5.2 AND/ANI指令：AND和ANI指令時串聯連接的觸點，AND是常開觸點，ANI是常閉觸點。 2.5.3 OR/ORI指令：OR和O

45、RI指令是并聯連接的觸點，執(zhí)行邏輯“或”的功能。OR是常開觸點，ORI是常閉觸點。 2.5.4 OUT指令：OUT指令執(zhí)行邏輯輸出功能，條件成立時為ON，條件不成立時是OFF。 2.5.5 ANB/ORB指令：ANB完成支路間的串聯的功能，用于執(zhí)行支路之間“于”操作；ORB完成支路間的并聯的功能，用于執(zhí)行支路之間“或”操作。 2.5.6 比較指令：CMP（Compare）的功能指令編號為FNC10，16位運算占7個程序步，32位運算占13個程序步。 2.5.7傳送指令：MOV的功能號為FNC12，它是將源操作數的內容傳送目標操作數。 2.5.8四則邏輯運算指令 ⑴二進制加法指令AD

46、D ADD的功能號為FNC20，它是將源操作數S1和S2中的16位二進制數相加，然后運算結果傳送到指定的目標操作數中。 ⑵二進制減指令SUB SUB的功能號為FNC21。它是將源操作數S1和S2中的16位二進制數相減，然后運算結果傳送到指定的目標操作數中。 ⑶二進制乘法指令MUL MUL的功能號為FNC22，它是將源操作數S1和S2中的16位二進制數相乘，然后運算結果傳送到指定的目標操作為地址的軟元件中。 ⑷二進制除法指令DIV DIV的功能號為FNC22.它是將源操作數S1和S2中的16位二進制數相除，然后運算結果傳送到指定的目標操作數D中，余數傳送到D+1中。 第三章 P

47、LC的工作原理 可編程控制器是專門的工業(yè)控制計算機。其工作原理建在計算機控制系統工作原理基礎上，但根據其工業(yè)環(huán)境的應用條件，為便于現場電氣技術人員的使用和維護，它配置了大量接口組件，采用特定監(jiān)控軟件，專用變成器件等。因此，從外形看，可編程控制器不同于計算機，它的操作方法、編程語言、工作過程也與計算機控制系統有區(qū)別。 PLC的工作原理與繼電器構成的控制裝置一樣，但是工作方式不太一樣。繼電器控制是并行運行方式，即如果輸出線圈通電或斷電，該線圈的觸點立即動作。而PLC則不同，它采用循環(huán)掃描技術，只有該線圈通電或斷電，并且必須當程序掃描到該線圈時，該線圈觸點才會動作。也可以說繼電器控制裝置是根據輸

48、入和邏輯控制結構就可以直接得到輸出，而PLC控制則需要輸入傳送、執(zhí)行程序指令、輸出3個階段才能完成控制過程。 3.1循環(huán)掃描技術 PLC采用循環(huán)掃描技術可以分為3個階段，輸入階段（將外部輸入信號的狀態(tài)傳送到PLC）、執(zhí)行程序階段和輸出階段（將輸出信號傳送到外部設備）。掃描過程如圖3─1所示。 輸出階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 程序執(zhí)行階段 一個掃描周期 圖3─1 掃描過程 3.1.1輸入階段 在這個階段中，PLC讀取輸入信號的狀態(tài)和數據，并把它們存入相應的輸

49、入存儲單元。 3.1.2執(zhí)行程序階段 在這個階段中，PLC按照由上到下的次序逐步執(zhí)行程序指令。從相應的輸入存儲單元讀入信號的狀態(tài)和數據，然后根據程序內部繼電器、定時器、計數器數據存儲器的狀態(tài)和數據進行邏輯運算，得到運算結果，并將這些結果存入相應的輸出存儲器單元。這一階段執(zhí)行完后，進入輸出階段。在這個程序執(zhí)行中，輸入信號的狀態(tài)和數據保持不變。 3.1.3輸出階段 在這個階段中，PLC將相應的輸出存儲單元的運算結果傳送到輸出模塊上，并通過輸出模塊向外部設備傳送輸出信號，開始控制外部設備。 3.2 PLC的輸入/輸出響應時間 I/O響應時間是指某一輸入信號從變化開始到系統相關輸出端信號的

50、改變所需要的時間因為PLC的循環(huán)掃描工作方式，所以受到輸入信號的時刻不同，響應時間的長短也不同。下面就給出了最短和最長響應時間。 最短響應時間：一個掃描周期剛結束就受到輸入信號，即受到這個輸入信號與開始下一個掃描周期同時，這樣的響應時間最短?？紤]到輸入電路和輸出電路的延時，所以最短響應時間應大于一個掃描周期。最短響應時間如圖3─2所示。 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 輸出 輸入 一個掃描周期 |← 最 長 響 應 時 間 →| 圖3─2最長響應時間 最長響應時間：在一個掃描更完成輸入讀取后才接到輸入信號，

51、這樣這個輸入信號在該掃描周期將不會發(fā)生改變，要等到下個掃描周期才能得到響應。這時響應時間最長如圖3─3所示。 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入程序 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 輸出階段 輸入階段 程序執(zhí)行階段 一個掃描周期 輸入 輸出 |← 最 長 響 應 時 間→| 圖3─3最長響應時間

52、 第四章PLC控制系統設計原理和設計步驟 4.1設計原理 PLC控制系統是為工藝流程服務的，所以它首先要能很好的實現工藝提出的控制要求。PLC控制系統的設計應遵循以下原則： ⑴ 根據工藝流程進行設計，力求設計出來的控制系統能最大限度滿足控制要求。 ⑵ 在滿足控制要求的前提下，盡量減少PLC系統硬件費用。 ⑶ 考慮到以后控制

53、要求的變化，所以控制系統設計時應考慮到PLC系統硬件費用。 ⑶ 在考慮到以后控制要求的變化，所以控制系統設計時應考慮到PLC的可擴展性。 ⑷ 控制系統使用和維護方便、安全可靠。 4.2設計步驟 一般PLC控制系統的設計步驟如圖4─1所示，具體操作如下： ⑴控制要求分析 在設計PLC控制系統之前，必須對工藝流程進行細致的分析，詳細了解控制對象和控制要求，這樣才能真正明白自己要完成的任務，設計出令人滿意的控制系統。 ⑵確定I/O設備 根據控制要求選擇合理的輸入設備（控制按鈕、開關、傳感器等）和輸出設備（接觸器、繼電器等）并根據選用的輸入/輸出設備的類型和數量，確定PLC的I/O點數

54、。 ⑶選擇合適的PLC 確定PLC的點數后，就根據I/O點數、控制要求等來進行PLC的選擇。選擇包括機型。存儲器容量、輸入/輸出模塊、電源模塊和智能模塊等。 ⑷PLC程序設計 本階段就是根據控制對象和控制要求對PLC進行編程。首先把工藝流程分為若干階段，確定每一階段的輸入信號和輸出要控制的設備，還有不同階段之間的關系，然后畫出程序流程圖，最后再進行程序編制。 ⑸I/O點數分配 點數分配就是PLC的I/O端子和輸入/輸出設備的對應關系，畫出I/O接線原理圖。 ⑹模擬調試 程序編制好后，可以用按鈕和開關模擬數字量，電壓源和電流源代替模擬量，進行模擬調試，使控制程序基本滿足控制要求。

55、 ⑺現場聯機調試 現場聯機調試就是將PLC與現場設備進行調試。在這一步中可以發(fā)現程序存在的實際問題，然后經過修正后使其滿足控制要求。 ⑻整理技術文件 這一步主要包括整理與設計有關文檔，包括設計說明書、I/O接線原理圖、程序清單和使用說明書等。 開始設計 控制要求分析 確定I/O設備 選擇合適的PLC I/O點數分配 PLC程序設計 模擬調試 現場聯機調試 整理技術文件 設計結束 圖4─1設計步驟示意圖 第五章 PLC的硬件知識 本章主要介紹PLC的各種硬件模塊，以及PLC硬件系統配置的相關知識。通過本章的介紹，可以了解PLC的硬件知識，并知道如何在實際中應用這些模塊。由于本次畢業(yè)設計應用的是三菱系統，因此，只介紹三菱FX2N的相關知識。