项目一PLC的基础知识 项目一PLC的基础知识 工作任务工作任务1 1PLCPLC的产生、发展与特点的产生、发展与特点工作任务工作任务2 2PLCPLC的组成与工作原理的组成与工作原理工作任务工作任务3 3欧姆龙欧姆龙CP1ECP1E型型PLCPLC的规格的规格工作任务工作任务4 4PLCPLC编程软件的使用编程软件的使用工作任务工作任务5 5PLCPLC控制系统的设计控制系统的设计 项目一PLC的基础知识 工作任务工作任务1PLC的产生、发展与特点的产生、发展与特点一、一、PLC的产生的产生在可编程控制器产生以前，以各种继电器为主要元件的电气控制线路，承担着生产过程自动控制的艰巨任务。可能由成百上千只各种继电器构成的复杂控制系统，需要使用成千上万根导线连接起来，安装这些继电器需要大量的继电器控制柜，且占据庞大的空间。当这些继电器运行时，又会产生很大的噪声，消耗大量的电能。为保证控制系统的正常运行，需安排大量的电气技术人员进行维护，有时某个继电器的损坏，甚至某个继电器的触点接触不良，都将会影响整个系统的正常运行。如果系统出现故障，要进行检查和排除故项目一PLC的基础知识 障是非常困难的，全靠现场电气技术人员长期积累的经验。尤其是当生产工艺发生变化时，可能需要增加很多的继电器或继电器控制柜，重新接线或改线的工作量极大，甚至可能需要重新设计控制系统。尽管如此，这种控制系统的功能也仅仅局限在能实现具有粗略定时、计数功能的顺序逻辑控制。因此，人们迫切需要一种新的工业控制装置来取代传统的继电器控制系统，使电气控制系统工作更可靠、更容易维修、更能适应经常变化的生产工作要求。项目一PLC的基础知识 1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司(GM)为满足市场需求，适应汽车生产工艺不断更新的需要，将汽车的生产方式由大批量、少品种转变为小批量、多品种。为此要解决因汽车不断改型而重新设计汽车装配线上各种继电器的控制线路问题，要寻求一种比继电器更可靠、响应速度更快、功能更强大的通用工业控制器，GM公司提出了著名的十条技术指标在社会上招标，要求控制设备制造商为其装配线提供一种新型的通用工业控制器。GM公司提出的十条技术指标如下：(1) 编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序。(2) 价格便宜，其性价比要高于继电器控制系统。(3) 体积要明显小于继电器控制柜。项目一PLC的基础知识 (4) 可靠性要明显高于继电器控制系统。(5) 具有数据通信功能。(6) 输入可以是115 V AC(美国电压标准)。(7) 输出量为115 V AC、2 A以上，可以直接驱动电磁阀、接触器等。(8) 硬件维护方便，最好采用插件式结构。(9) 当需要扩展时，原有系统只需做很小的改动即可。(10) 用户程序存储器容量至少可以扩展到4 KB。于是可编程控制器应运而生。1969年，美国数字设备公司(DEC)根据上述要求研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。当时人们把它称为可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)。项目一PLC的基础知识 可编程控制器这一新技术的出现，受到工程技术界的极大关注，各大厂商纷纷投入力量进行研制。第一个把PLC商品化的是美国哥德公司(GOULD)，日本和德国相继从美国引进了这项新技术，研制出了各自的可编程控制器。我国从1974年开始研制，1977年开始工业应用。早期的PLC主要由分立式电子元件和小规模集成电路组成，它采用了计算机的相关技术，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能，但它简化了计算机的内部结构，使之能够很好地适应恶劣的工业现场环境。随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期以来，大规模集成电路(LSI)和微处理器在PLC中得到了应用，使PLC的功能不断增强，使其不项目一PLC的基础知识 仅能执行逻辑控制、顺序控制、计时及计数控制，还增加了算术运算、数据处理、通信等功能，具有处理分支、中断、自诊断的能力，使PLC更多地具有了计算机的功能。目前世界上著名的电气设备制造厂商几乎都生产PLC系列产品。可编程控制器从产生到现在，尽管只有四十几年的时间，但由于其具有编程简单、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，因而得到了迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等领域得到了广泛的应用。项目一PLC的基础知识 二、二、PLC的定义的定义1980年，美国电气制造商协会(National Electronic Manufacture Association, NEMA)JP将可编程控制器正式命名为Programmable Controller，简称为PLC或PC。1980年，NEMA将可编程控制器定义为：“可编程控制器是一个带有指令存储器，数字的或模拟的输入/输出接口，以位运算为主，能实现逻辑、顺序、定时、计数和算术运算等功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。”项目一PLC的基础知识 1985年1月，国际电工委员会(International Electro-technical Commission, IEC)在颁布可编程控制器标准草案第二稿时，又对PLC作了明确定义：“可编程控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。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入和输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。可编程控制器及其有关设备的设计原则是它应按易于与工业控制系统连成一个整体和具有扩充功能。”该定义强调了可编程控制器是“数字运算操作的电子系统”，它是“专为工业环境下应用而设计”的工业控制计算机。项目一PLC的基础知识 虽然可编程控制器简称为PC，但它与近年来人们熟知的个人计算机(Personal Computer, PC)是完全不同的概念。为了加以区别，国内外很多杂志，以及在工业现场的工程技术人员，仍然把可编程控制器称为PLC。为了照顾到这种习惯，在本书中，我们仍称可编程控制器为PLC。项目一PLC的基础知识 三、三、PLC的发展的发展1. PLC的发展过程的发展过程PLC从诞生至今，大体经历了四次更新换代，其发展过程大致如下：19691972年是第一代PLC发展和应用时期。此时期PLC的特点是CPU多采用1位微处理器，采用磁芯存储器存储，机种单一，没有形成系列，功能简单，仅具有逻辑控制、定时、计数功能。19731975年是第二代PLC发展时期。此时期PLC的特点是使用了8位微处理器及半导体存储器，产品逐步系列化，功能也有所增加，增加了数字运算、传送、比较等功能，并能完成模拟量的控制。项目一PLC的基础知识 19761983年是第三代PLC发展时期。此时期PLC的特点是采用了高性能微处理器及位片式CPU，工作速度大幅度提高，同时向多功能和联网方向发展，并具有较强的自诊断功能。1984年至今是第四代PLC发展时期。此时期PLC的特点是CPU不仅全面使用了16位、32位微处理器，内存容量也有了较大的增加，可直接用于一些规模较大的复杂控制系统，编程语言除了使用传统的梯形图、流程图外，还可以使用高级语言，而且外设也更加多样化。项目一PLC的基础知识 2. PLC的发展趋势的发展趋势PLC技术的发展与微电子技术和计算机技术密切相关，随着PLC技术越来越广泛的应用，PLC技术应用领域的不断扩大以及工业生产对自动控制系统需求的多样性，它本身也在不断发展。目前，PLC主要朝着三个方向发展。一是朝着小型化的方向发展。小型的PLC结构紧凑，外形体积较小，CPU和I/O部件组装在一个箱体内，价格低廉，经济可靠，而且功能也大有提高。过去一些大型PLC才有的功能，如模拟量的处理、通信、PID调节运算等，均可以被移植到这种小型机上，从而使它真正成为继电器控制系统的替代产品，可以应用于单机控制和小型生产线的控制等。项目一PLC的基础知识 二是朝着大型化的方向发展。这种类型的PLC采用了高性能的微处理器，存储容量大，处理速度快，响应时间短，功能强大，各种功能模块种类齐全，使各种规模的自动化系统功能更强、更可靠，组成和维护更加灵活、方便，使PLC的应用范围更广。三是PLC产品更加规范化、标准化。PLC厂家在使硬件及编程工具换代频繁、丰富多样、功能提高的同时，日益向MAP(制造自动化协议)靠拢，并使PLC基本部件，如输入/输出模块、接线端子、通信协议、编程语言和工具等方面的技术规格规范化、标准化，使不同产品间能相互兼容、易于组网，以方便用户真正利用PLC实现工厂生产的自动化。项目一PLC的基础知识 四、四、PLC的分类的分类可编程控制器具有多种分类方式，了解这些分类方式有助于PLC的选型及应用。1. 根据控制规模分类根据控制规模分类PLC的控制规模是以所配置的输入/输出点数来衡量的。PLC的输入/输出点数表明了PLC可从外部接收多少个输入信号和向外部发出多少个输出信号，实际上也就是PLC的输入、输出端子数。根据I/O点数的多少可将PLC分为小型机、中型机和大型机。一般来说，点数多的PLC功能也相应较强。项目一PLC的基础知识 1) 小型机I/O点数(总数)在256点以下的PLC称为小型机。小型PLC一般只具有逻辑运算、定时、计数和移位等功能，适用于小规模开关量的控制，可用它实现条件控制、顺序控制等功能。有些小型PLC(例如立石的C系列，三菱的F1系列，西门子的S5-100US7-200系列等)也增加了一些算术运算和模拟量处理等功能，可以适应更广泛的需要。目前的小型PLC一般也具有数据通信等功能。小型机的特点是价格低、体积小，适用于控制自动化单机设备，开发机电一体化产品。项目一PLC的基础知识 2) 中型机I/O点数在2561024点之间的PLC称为中型机。中型PLC除了具备逻辑运算功能外，还增加了模拟量输入/输出、算术运算、数据传送、数据通信等功能，可完成既有开关量又有模拟量的复杂控制。中型机的软件比小型机丰富，在已固化的程序内，一般还具有PID(比例、积分、微分)调节、整数/浮点运算等功能模板。中型机的特点是功能强、配置灵活，适用于具有诸如温度、压力、流量、速度、角度、位置等模拟量控制和大量开关量控制的复杂机械，以及连续生产过程控制的场合。项目一PLC的基础知识 3) 大型机I/O点数在1024点以上的PLC称为大型机。大型PLC的功能更加完善，具有数据运算、模拟调节、联网通信、监视记录、打印等功能。大型机的内存容量超过640 KB，监控系统采用CRT显示，能显示表示生产过程的工艺流程、各种记录曲线、PID调节参数选择图等。大型PLC能进行中断控制、智能控制、远程控制等。大型机的特点是I/O点数特别多，控制规模宏大，组网能力强，可用于大规模的过程控制，构成分布式控制系统，或者整个工厂的集散控制系统。项目一PLC的基础知识 2. 根据结构形式分类根据结构形式分类从结构上看，PLC可分为整体式、模板式及分散式3种形式。1) 整体式一般小型机多为整体式结构。这种结构PLC的电源、CPU、I/O部件都集中配置在一个箱体中，有的甚至全部装在一块印刷电路板上。项目一PLC的基础知识 2) 模板式这种形式的PLC各部分以单独的模板分开设置，如电源模板PS、CPU模板、输入/输出模板SM、功能模板FM及通信模板CP等。模板式PLC一般设有机架底板(也有的PLC为串行联结，没有底板)，在底板上有若干插座，使用时，将各种模板直接插入机架底板即可。这种结构的PLC配置灵活，装备方便，维修简单，易于扩展，可根据控制要求灵活配置所需模板，构成功能不同的各种控制系统。一般大、中型PLC均采用这种结构形式。模板式PLC的缺点是结构较复杂，各种插件多，因而增加了造价成本。项目一PLC的基础知识 3) 分散式所谓分散式的结构，就是将PLC的CPU、电源、存储器集中放置在控制室，而各I/O模板分散放置在各个工作站，由通信接口进行通信连接，由CPU集中指挥。项目一PLC的基础知识 3. 根据用途分类根据用途分类1) 用于顺序逻辑控制早期的PLC主要用于取代继电器控制电路，完成如顺序、联锁、计时和计数等开关量的控制，因此顺序逻辑控制是PLC最基本的控制功能，也是PLC应用最多的场合。比较典型的应用如自动电梯的控制、自动化仓库的自动存取、各种管道上电磁阀的自动开启和关闭、皮带运输机的顺序启动，或者自动化生产线的多机控制等，这些都是顺序逻辑控制。要完成这类控制，不要求PLC有太多的功能，只要有足够数量的I/O回路即可，因此可选用低档的PLC。项目一PLC的基础知识 2) 用于闭环过程控制对于闭环控制系统，除了要用开关量I/O点实现顺序逻辑控制外，还要有模拟量的I/O回路，以供采样输入和调节输出，实现过程控制中的PID调节，形成闭环过程控制系统。而中期的PLC由于具有数值运算和处理模拟量信号的功能，可以设计出各种PID控制器。现在随着PLC控制规模的增大,可控制的回路数已从几个增加到几十个甚至几百个，因此可实现比较复杂的闭环控制系统，可以实现对温度、压力、流量、位置、速度等物理量的连续调节。比较典型的应用如连轧机的速度和位置控制、锅炉的自动给水、加热炉的温度控制等。项目一PLC的基础知识 3) 用于多级分布式和集散控制系统在多级分布式和集散控制系统中，除了要求所选用的PLC具有上述功能外，还要求其具有较强的通信功能，以实现各工作站之间的通信、上位机与下位机的通信，最终实现全厂自动化，形成通信网络。由于近期的PLC产品都具有很强的通信和联网功能，建立一个自动化工厂已成为可能。能胜任这种工作的可编程控制器称为高档PLC。项目一PLC的基础知识 4) 用于机械加工的数字控制和机器人控制机械加工行业也是PLC广泛应用的领域，PLC与CNC (Computer Number Control，计算机数值控制)技术有机地结合起来，可以进行数值控制。由于PLC的处理速度不断提高和存储器容量的不断扩大，使CNC的软件不断丰富，用户对机械加工的程序编制越来越方便。随着人工视觉等高科技技术的不断完善，各种性能的机器人相继问世，很多机器人制造公司也选用PLC作为机器人的控制器，因此PLC在这个领域的应用也将越来越多。在这类应用中，除了要有足够的开关量I/O、模拟量I/O外，还要有一些特殊功能的模板，如速度控制、运动控制、位置控制、步进电机控制、伺服电机控制、单轴控制、多轴控制等特殊功能模板，以适应特殊工作的需要。项目一PLC的基础知识 五、五、PLC的特点及主要功能的特点及主要功能1. PLC的一般特点的一般特点PLC的种类虽然千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，它们都有许多共同的特点。1) 抗干扰能力强，可靠性高工业生产对电气控制设备的可靠性要求是非常高的，要求具有很强的抗干扰能力，能在很恶劣的环境下(如温度高,湿度大，金属粉尘多，距离高压设备近，有较强的高频电磁干扰等)长期连续可靠地工作，平均无故障时间(MTBF)长，故障修复时间短。PLC是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够项目一PLC的基础知识 达到PLC的可靠性。在PLC的设计和制造过程中，采取了精选元件及多层次抗干扰等措施，使PLC的平均无故障时间(MTBF)通常在10万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上，如三菱公司的F1、F2系列的MTBF可达到30万小时，有些高档机的MTBF还要高得多，这是其他电气设备根本做不到的。绝大多数用户都将可靠性作为选取控制装置的首要条件，因此PLC在硬件和软件方面均采取了一系列抗干扰措施。项目一PLC的基础知识 在硬件方面，首先是选用优质器件，采用合理的系统结构，加固简化安装，使它能抗振动冲击。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对于工业生产过程中最常见的瞬间强干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光电耦合器传递信号，做到电浮空，使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地抑制了外部干扰对PLC的影响。在PLC的电源电路和I/O接口中，还设置了多种滤波电路，除了采用常规的模拟滤波器(LC滤波和型滤波)外，还加上数字滤波电路，以消除和抑制高频干扰信号，同时也削弱了各种模板之间的相互干扰。用集成电压调整器对微处理器的+5 V电源进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在项目一PLC的基础知识 PLC内部还采用了电磁屏蔽措施，对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。在软件方面，PLC也采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟(Watching Dog Timer，WDT)，系统运行时对WDT定时刷新，一旦程序出现死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。还设置了故障检测及诊断程序，用以检测系统硬件是否正常，用户程序是否正确，便于自动地做出相应的处理，如报警、封锁输出、保护数据等。当PLC检测到故障时，可立即将现场信息存入存储器，由系统软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，以防存储信息被破坏。这样，一旦检测到外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。项目一PLC的基础知识 另外，PLC特有的循环扫描工作方式，有效地屏蔽了绝大多数的干扰信号。2) 编程简单，容易掌握PLC的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。这种梯形图语言继承了传统继电器控制线路和微机应用方式，对于企业中熟悉继电器控制线路图的电气工程技术人员是非常亲切的，它形象、直观，简单、易学，尤其是对于小型PLC而言，几乎不需要专门的计算机知识，只要进行短暂几天甚至几小时的培训，就能基本掌握编程方法。因此，无论是在生产线的设计中，还是在传统设备的改选中，电气工程技术人员都特别愿意使用PLC。项目一PLC的基础知识 3) 通用性强，控制程序可变，使用方便虽然PLC种类繁多，但是由于其产品逐渐系列化和模板化，且配有品种齐全的各种软件，所以用户可根据需求灵活组合各种规模和要求不同的控制系统。在硬件设计方面，只需确定PLC的硬件配置和I/O通道的外部接线。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号即可，不需要诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。在生产工艺流程改变，或生产线设备更新、或系统控制要求改变，需要变更控制系统的功能时，一般不必改变或很少改变I/O通道的外部接线，只要改变存储器中的控制程序即可，这在使用传统的继电器控制时是很难想像的。PLC的输入、输出端子可直接与220 V AC、24 V DC等强电相连，并有较强的带负载能力。项目一PLC的基础知识 在PLC运行过程中，在PLC的面板上(或显示器上)可以显示生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中有数，即使在出现故障甚至发生事故时，也能及时处理。4) 安装简单，维护方便PLC的控制程序可通过编程器输入到PLC的用户程序存储器中。编程器不仅能对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，还能对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显示给操作人员，如I/O通道的状态、RAM的后备电池的状态、数据通信的异常、PLC内部电路的异常等信息。正是通过PLC这种完善的诊断和显示能力，项目一PLC的基础知识 当PLC主机或外部的输入装置及执行机构发生故障时，使操作人员能迅速检查、判断故障原因，确定故障位置，以便采取迅速有效的措施。如果是PLC本身的故障，在维修时只需要更换插入式模板或其他易损件即可完成，既方便又提高了效率。有人曾预言，将来自动化工厂的电气工人，将一手拿着螺丝刀，一手拿着编程器。这也是PLC得以迅速发展和广泛应用的重要因素之一。项目一PLC的基础知识 5) 设计、施工、调试周期短使用PLC完成一项控制工程时，由于其硬件、软件齐全，设计和施工可同时进行。又由于PLC用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，从而缩短了施工周期。而且用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。项目一PLC的基础知识 6) 易于实现机电一体化因为PLC的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振、防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。随着集成电路制造水平的不断提高，PLC体积进一步缩小，而功能却进一步增强，与机械设备能有机地结合起来，在CNC和机器人的应用中必将更加普遍，以PLC作为控制器的CNC设备和机器人装置将成为典型的机电一体化产品。项目一PLC的基础知识 2. PLC的主要功能的主要功能PLC是采用微电子技术来完成各种控制功能的自动化设备，可以在现场的输入信号作用下，按照预先输入的程序，控制现场的执行机构，按照一定规律进行动作。其主要功能如下。1) 顺序逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，用来取代继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。它既可用于单机控制或多机控制，又可用于自动化生产线的控制。PLC根据操作按钮、限位开关及其他现场给出的指令信号和传感器信号，来控制机械运动部件进行相应的操作。项目一PLC的基础知识 2) 运动控制在机械加工行业，PLC与计算机控制(CNC)集成在一起，用以完成机床的运动控制。很多PLC机制造厂家已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴的位置控制模板。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据传送给模板，模板移动一轴或数轴到目标位置。当每个轴移动时，位置控制模板保持适当的速度和加速度，以确保运动平滑。目前，PLC已用于控制无心磨削、冲压、复杂零件分段冲裁、滚削、磨削等机械加工工序中。项目一PLC的基础知识 3) 定时控制PLC为用户提供了一定数量的定时器，并设置了定时器指令，如OMRON公司的CPM1A PLC，每个定时器可实现0.1999.9 s或0.0199.99 s的定时控制，SIEMENS公司的S7-200系列PLC可提供时基单位为0.1 s，0.01 s及0.001 s的定时器，实现从0.001 s到3276.7 s的定时控制，也可按一定方式进行定时时间的扩展。采用PLC实现定时控制，定时精度高，定时设定方便、灵活，而且PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。项目一PLC的基础知识 4) 计数控制PLC为用户提供了计数器，计数器可分为普通计数器、可逆计数器(增减计数器)、高速计数器等，用来完成不同用途的计数控制。当计数器的当前计数值等于计数器的设定值，或在某一数值范围时，将会发出控制命令。计数器的计数值可以在运行中被读出，也可以在运行中进行修改。5) 步进控制PLC为用户提供了一定数量的移位寄存器，用移位寄存器可方便地完成步进控制功能，即在一道工序完成之后，自动进行下一道工序，一个工作周期结束后，自动进入下一个工作周期。有些PLC还专门设有步进控制指令，使得步进控制更为方便。项目一PLC的基础知识 6) 数据处理大部分PLC都具有不同程度的数据处理功能，如日本三菱FXF2系列、欧姆龙C系列、西门子S7系列PLC等，能完成数据运算(如加、减、乘、除、乘方、开方等)、逻辑运算(如字与、字或、字异或、求反等)、移位、数据比较和传送及数值的转换等操作。项目一PLC的基础知识 7) 模/数和数/模转换在过程控制或闭环控制系统中，存在温度、压力、流量、速度、位移、电流、电压等连续变化的物理量(或称模拟量)。过去，由于PLC用于逻辑运算控制，对于这些模拟量的控制主要靠仪表来控制(如果回路数较少)或分布式控制系统DCS(如果回路数较多)，目前，不但大、中型PLC都具有模拟量处理功能，甚至很多小型PLC也具有模拟量处理功能，而且编程和使用都很方便。项目一PLC的基础知识 8) 通信及联网目前绝大多数PLC都具备了通信能力，能够实现PLC与计算机，PLC与PLC之间的通信。通过这些通信技术，使PLC更容易构成工厂自动化(FA)系统。此外，PLC还可与打印机、监视器等外部设备相连，记录和监视有关数据。项目一PLC的基础知识 六、六、PLC的性能指标的性能指标性能指标是用户评价和选购机型的依据。目前，市场上销售的PLC和我国工业企业中所使用的PLC，绝大多数是国外生产的产品(这些产品有的是随引进设备进口，有的是设计选用)。各种机型种类繁多，各个厂家在说明其性能指标时，主要技术项目也不完全相同，如何评价一台PLC的档次高低，规模大小，适用场所，至今还没有一个统一的衡量标准。但是当用户在进行PLC的选型时，可以参照生产厂家提供的技术指标，从以下几个方面来综合考虑。项目一PLC的基础知识 1. 处理器技术指标处理器技术指标处理器技术指标是PLC各项性能指标中最重要的一项，在该技术指标中，应反映出CPU的类型、用户程序存储器容量、可连接的I/O总点数(开关量多少点，模拟量多少路)、指令长度、指令条数、扫描速度(ms/千字)。有的PLC还给出了其内部的各个通道配置，如内部的辅助继电器、特殊辅助继电器、暂存器、保持继电器、数据存储区、定时器/计数器及高速计数器的配置情况，以及存储器的后备电池寿命、自诊断功能等。项目一PLC的基础知识 2. I/O模板技术指标模板技术指标对于开关量输入模板，要能反映出其输入点数、电源类型、工作电压等级，以及COM端、输入电路等情况。有的PLC还给出了其他有关参数，如输入模板供应的电源情况、输入电阻以及动作延时情况等。对于开关量输出模板，要反映出输出点数/块、电源类型、工作电压等级，以及COM端、输出电路等情况。一般PLC的输出形式有继电器输出、晶体管输出和双向晶阐管输出3种，要根据不同的负载性质选择PLC输出电路的形式。有的PLC还给出了如工作电流、带负载能力、动作延迟时间等其他有关参数。项目一PLC的基础知识 对于模拟量I/O模板，要反映出它的输入/输出路数、信号范围、分辨率、精度、转换时间、外部输入或输出阻抗、输出码、通道数、端子连接、绝缘方式、内部电源等情况。3. 编程器及编程软件编程器及编程软件反映这部分性能指标有编程器形式(简易编程器、图形编程器或通用计算机)、运行环境(DOS或Windows)、编程软件及是否支持高级语言等。项目一PLC的基础知识 4. 通信功能通信功能随着PLC控制功能的不断增强和控制规模的不断增大，通信和联网的能力成为衡量现代PLC的重要指标。反映这部分指标的主要有通信接口、通信模块、通信协议及通信指令等。PLC的通信可分为两类：一类是通过专用的通信设备和通信协议，在同一生产厂家的各个PLC之间进行的通信； 另一类是通过通用的通信口和通信协议，在PLC与上位计算机或其他智能设备之间进行的通信。项目一PLC的基础知识 5. 扩展性扩展性PLC的可扩展性是指PLC的主机配置扩展模板的能力，它体现在两个方面：一个是I/O(数字量I/O或模拟量I/O)的扩展能力，用于扩展系统的输入/输出点数；另一个是CPU模板的扩展能力，用于扩展各种智能模板，如温度控制模板、高速计数器模板、闭环控制模板等，实现多个CPU的协调控制和信息交换。如果只是一般性地了解PLC的性能，可简单地用以下5个指标来评价：CPU芯片、编程语言、用户程序存储量、I/O总数、扫描速度。显然，若CPU档次高，编程语言完善，用户程序存储量大，I/O点数多，扫描速度快，则表明这台PLC的性能好，功能强，当然价格也会较高。项目一PLC的基础知识 工作任务工作任务2PLC的组成与工作原理的组成与工作原理一、一、PLC的组成的组成PLC由中央处理器单元(CPU)、存储器、输入/输出(I/O)单元、电源、其他接口及外设等组成，如图1-1所示。图1-1PLC系统结构组成项目一PLC的基础知识 下面结合图1-1来说明PLC各个组成部分的功能。1. 中央处理器单元中央处理器单元(CPU)CPU是计算机的核心，因此它也是PLC的核心，起“心脏”作用。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中后，CPU将会根据系统所赋予的功能(系统程序存储器的解释、编译程序)，把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器或输入映像寄存器中，然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起，再把结果存入输出映像寄存器或工项目一PLC的基础知识 作数据存储器中，最后输出到输出接口、控制外部驱动器。CPU按照系统程序赋予的功能完成的主要任务有：(1) 接收与存储用户由编程器键入的用户程序和数据。(2) 检查编程过程的语法错误，诊断电源及PLC内部的工作故障。(3) 用扫描方式工作，接收来自现场的输入信号，并输入到输入映像寄存器和数据存储器中。(4) 在进入运行方式后，从存储器中逐条读取并执行用户程序，完成用户程序所规定的逻辑运算、算术运算及数据处理等操作。(5) 根据运算结果，更新有关标志位的状态，刷新输出映像寄存器的内容，再经输出部件实现输出控制、打印制表或数据通信等功能。项目一PLC的基础知识 在模板式PLC中，CPU是一个专用模板。一般PLC的CPU模板上还有存放系统程序的ROM或EPROM、存放用户程序或少量数据的RAM，以及译码电路、通信接口和编程器接口等。在整体式PLC中，CPU是一块集成电路芯片，通常是通用的8位或16位的微处理器，如Z80、Z80A、8085、6800等。采用通用和微处理器(Z80A)作CPU，其好处是这些微处理器及其配套的芯片普及、通用、价廉，有独立的I/O指令，且指令格式短，有利于译码及缩短扫描周期。项目一PLC的基础知识 随着大规模集成电路的发展，PLC采用单片机作CPU的越来越多，在小型PLC中，尤其以Intel公司的MCS-51、MCS-96系列作CPU的居多，它以高集成度、高可靠性、高功能、高速度及低价格的优势，正在占领小型PLC的市场。目前，小型PLC均为单CPU系统，而大、中型PLC通常是双CPU或多CPU系统。所谓双CPU系统，是在CPU模板上装有两个CPU芯片，一个作为字处理器，另一个作为位处理器。字处理器是主处理器，它执行所有的编程器接口的功能，监视内部定时器(WDT)及扫描时间，完成字节指令的处理，并对系统总线和微处理器进行控制。位处理器是从处理器，它主要完成对位指令的处理，可减轻字处理器负担，提高位指令的处理速度，并将面向控制过程的编程语言(如梯形图、流程图)转换成机器语言。项目一PLC的基础知识 在高档的PLC中，常采用位片式微处理器(如AM2900、AM2901、AM2903)作CPU。由于位片式微处理器采用双极型工艺，所以比一般的MOS型微处理器在速度上快一个数量级。位片的宽度有2位、4位、8位等，用几个位片进行“级联”，可以组成任意字长的微机。另外，在位片式微处理器中，都采用微程序设计，只要改变微程序存储器中的内容，就可以改变机器的指令系统，因此，其灵活性很强。位片式微处理器易于实现“流水线”操作，即重叠操作，能更有效地发挥其快速的特点。项目一PLC的基础知识 2. 存储器存储器1) 存储器的种类PLC存储器中配有两种存储系统，即用于存放系统程序的系统程序存储器和存放用户程序的用户程序存储器。(1) 系统程序存储器。系统程序存储器主要用来存储PLC内部的各种信息。在大型PLC中，系统程序存储器可分为寄存器、内部存储器和高速缓存存储器；在中、小型PLC中，常把这3种功能的存储器混合在一起，统称为功能存储器，简称为存储器。项目一PLC的基础知识 一般系统程序是由PLC生产厂家编写的系统监控程序，不能由用户直接存取。系统监控程序主要由有关系统管理、解释指令、标准程序及系统调用等程序组成。系统程序存储器一般由PROM(只读存储器)或EPROM(可擦除只读存储器)构成。(2) 用户程序存储器。由用户编写的程序称为用户程序，用户程序存放在用户程序存储器中，用户程序存储器的容量不大，主要存储PLC内部的输入、输出信息，以及内部继电器、移位寄存器、累加寄存器、数据寄存器、定时器和计数器的动作状态。小型PLC的存储容量较小，一般不超过8 KB，中型PLC的存储能力为264 KB，大型PLC的存储能项目一PLC的基础知识 力可达到几百KB以上。我们一般讲PLC的内存大小，是指用户程序存储器的容量，用户程序存储器常用RAM(可读可写存储器)构成。为防止电源掉电时RAM中的信息丢失，常采用锂电池作后备保护。若用户程序已完全调试好，且一段时期内不需要改变功能，也可将其固化到EPROM中。注意：用户程序存储器中必须有部分RAM，用以存放一些必要的动态数据。用户程序存储器一般分为程序存储区和数据存储区两个区。程序存储区用来存储由用户编写的、通过编程器输入的程序。数据存储区用来存储通过输入端子读取的输入信号的状态、准备通过输出端子输出的输出信号的状态、PLC中各个内部器件的状态，以及特殊功能要求的有关数据。项目一PLC的基础知识 当用户程序很长或需存储的数据较多时，PLC基本组成中的存储器容量可能不够用，这时可考虑选用较大容量的存储器或进行存储器扩展。很多PLC都提供了存储器扩展功能，用户可将新增加的存储器扩展模板直接插入CPU模板中，有的PLC机将存储器扩展模板插在中央基板上。在存储器扩展模板上通常装有可充电的锂电池(或超级电容)，如果在系统运行过程中突然停电，RAM立即改由锂电池(或超级电容)供电，使RAM中的信息不因停电而丢失，从而保证复电后系统可从掉电状态开始恢复工作。项目一PLC的基础知识 2) 常用的存储器目前，常用的存储器有CMOS-SRAM、EPROM和EEPROM。(1) CMOS-SRAM(可读写存储器)。CMOS-SRAM是以CMOS技术制造的静态可读写存储器，用以存放数据。读写时间小于200 ns，几乎不消耗电流。用锂电池作后备电源，停电后可保存数据35年不变。静态存储器的可靠性比动态存储器DRAM高，因为SRAM不必周而复始地刷新，只有在片选信号(脉冲)有效、写操作有效时，从数据总线进入的干扰信号才能破坏其存储的内容，而这种概率是非常小的。项目一PLC的基础知识 (2) EPROM(只读存储器)。EPROM是一种可用紫外光擦除、在电压为25 V的供电状态下写入的只读存储器。使用时，写入脚悬空或接+5 V电源(窗口盖上不透光的薄箔)，其内容可长期保存。这类存储器可根据不同需要与各种微处理器兼容，并且可以和MCS-51JP系列单片机直接兼容。EPROM一个突出的优点是把输出元件控制(OE)和片选控制(CE)分开，保证了良好的接口特性。由于EPROM具有采用单一+5 V电源、可在静态维持方式下工作以及快速编程等特点，因而它在存储系统设计中，具有快速、方便和经济等一系列优点。项目一PLC的基础知识 使用EPROM芯片时，要注意器件的擦除特性，当把芯片放在波长约为4000 A的光线下，且暴露在照明日光灯下，约需3年才能擦除，而在直射日光下，约1周就可擦除，这些特性在使用中要特别注意。为延长EPROM芯片的使用寿命,必须用不透明薄箔，贴在其窗口上，防止无意识擦除。当真正需要对EPROM芯片进行擦除操作时，必须将芯片放在波长为2537 A的短波紫外线下曝光，擦除的总光量(紫外光光强曝光时间)必须大于15 Ws/cm2。用12 000 W/cm2紫外线灯，擦除的时间约为1520 min。在擦除操作时，需把芯片靠近灯管约1英寸处。有些灯在管内放有滤色片，擦除前需把滤色片取出，才能进行擦除。项目一PLC的基础知识 EPROM用来固化完善的程序，写入速度为毫秒级。固化是通过与PLC配套的专用写入器进行的，不适宜多次反复的撰写。(3) EEPROM(电可擦除可编程的只读存储器)。EEPROM是近年来被广泛重视的一种只读存储器，它的主要优点是能在PLC工作时“在线改写”，既可以按字节进行擦除和全新编程，也可进行整片擦除，且不需要专门的写入设备，写入速度比EPRPM快，写入的内容能在断电情况下保持不变，而不需要保护电源。它不仅具有与RAM相似的高度适应性，又保留了ROM不易丢失的特点。项目一PLC的基础知识 3. 输入输入/输出接口单元输出接口单元1) 数字量输入接口来自现场的主令元件、检测元件的信号经输入接口进入到PLC。主令元件的信号是指由用户在控制键盘(或控制台、操作台)上发出的控制信号(如开机、关机、转换、调整、急停等信号)。检测元件的信号是指用检测元件(如各种传感器、继电器的触点，随位开关、行程开关等元件的触点)对生产过程中的参数(如压力、流量、温度、速度、位置、行程、电流、电压等)进行检测时产生的信号。这些信号有的是开关量(或数字量)，有的是模拟量，有的是直流信号，有的是交流信号，要根据输入信号的类型选择合适的输入接口。项目一PLC的基础知识 (1) 直流输入单元。直流输入电路如图1-2所示。为提高系统的抗干扰能力，各种输入接口均采取了抗干扰措施，如在输入接口内带有光电耦合电路，使PLC与外部输入信号进行隔离。为消除信号噪声，在输入接口内设置了多种滤波电路；为便于PLC的信号处理，输入接口内有电平转换及信号锁存电路；为便于与现场信号的连接，在输入接口的外部设有接线端子排。项目一PLC的基础知识 图1-2直流输入电路项目一PLC的基础知识 图1-2所示的输入接口内带有光电耦合器电路，光电耦合器由两个发光二极管和光电三极管组成。发光二极管：在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。光电三极管：在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。输入接口电路工作过程：当开关闭合时，二极管发光，三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号；当开关断开时，二极管不发光，三极管不导通，向内部电路输入信号，也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接收的数字信号。项目一PLC的基础知识 (2) 交流输入单元。交流输入单元外接交流电源，电路如图1-3所示。其中，电容C为隔直电容，R1和R2构成分压电路，光电耦合器中有两个反向并联的发光二极管。该电路可以接收外部的交流输入电压，其工作原理与直流输入电路基本相同。项目一PLC的基础知识 图1-3交流输入电路项目一PLC的基础知识 2) 数字量输出接口由PLC产生的各种输出控制信号经输出接口去控制和驱动负载(如指示灯的亮或灭，电动机的启动、停止或正、反转，设备的转动、平移、升降，阀门的开闭等)。因为PLC的直接输出带负载能力有限，所以PLC输出接口所带的负载通常是接触器的线圈、电磁阀的线圈、信号指示灯等。同输入接口一样，输出接口的负载有的是直流量，有的是交流量，要根据负载性质选择合适的输出接口。项目一PLC的基础知识 (1) 数字量输出模板的接线方式。数字量输出模板与外部用户输出设备的接线方式可分为汇点式输出接线和隔离式输出接线两种形式。汇点式输出接线即所有输入点共用一个公共端COM时，COM端内带有24 V DC电源。隔离式输出接线即采用光电耦合器，使输出信号与电源隔开，以减少信号干扰。项目一PLC的基础知识 (2) 数字量输出接口的输出方式。数字量输出接口的输出方式分为晶体管输出型、双向晶阐管(可控硅)输出型及继电器输出型三种。晶体管输出型适用直流负载或TTL电路，双向晶阐管(可控硅)输出型适用于交流负载，而继电器输出型既可用于直流负载，又可用于交流负载。使用时，只要外接一个与负载要求相符的电源即可，因而采用继电器输出型对用户显得更方便和灵活，但由于它是有触点输出，所以它的工作频率不能很高，工作寿命不如无触点的半导体元件长。同样，为保证工作的可靠性和提高其抗干扰能力，在输出接口内要采用相应的隔离措施，如光隔离和电磁隔离或隔离放大器等措施。项目一PLC的基础知识 晶体管输出单元。晶体管输出电路如图1-4所示。输出电路采用三极管作为开关器件。图1-4晶体管输出电路项目一PLC的基础知识 双向晶闸管输出单元。双向晶闸管输出电路如图1-5所示。输出电路采用光控双向晶闸管作为开关器件。图1-5双向晶闸管输出电路项目一PLC的基础知识 继电器输出单元。继电器输出电路如图1-6所示。其工作过程：当内部电路输出数字信号1时，表明有电流流过,继电器线圈有电流，常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压；当内部电路输出数字信号0时，表明没有电流流过，继电器线圈没有电流，常开触点断开，断开负载的电流或电压。也就是通过输出接口电路把内部的数字电路转化成一种信号使负载动作或不动作。项目一PLC的基础知识 图1-6继电器输出电路项目一PLC的基础知识 三种输出方式的比较：晶体管输出：无触点、寿命长、直流负载。双向晶闸管输出：无触点、寿命长、交流负载。继电器输出：有触点、寿命短、频率低、交直流负载。3) 模拟量输入/输出接口小型PLC一般没有模拟量输入/输出接口模板，或者只有通道数有限的8位A/DD/A模板；大、中型PLC可以配置成百上千的模拟量通道，它们的A/D、D/A转换器一般是10位或12位的。模拟量I/O接口模板的模拟输入信号或模拟输出信号可以是电压，也可以是电流；可以是单极性的，如05 V、010 V、15 V、420 mA，也可以是双极性的，如50 mV、5 V、10 V、20 mA。项目一PLC的基础知识 一个模拟量I/O接口模板的通道数可能有2、4、8、16个，有的模板既有输入通道，也有输出通道。(1) 模拟量输入接口模板。模拟量输入接口模板的任务是将现场中被测的模拟量信号转变成PLC可以处理的数字量信号。通常生产现场可能有多路模拟量信号需要采集，各模拟量的类型和参数都可能不同，这就需要在进入模板前，对模拟量信号进行转换和预处理，把它们变换成输入模板能统一处理的电信号，经多路转换开关进行多中选一，再将已选中的那路信号进行A/D转换，转换结束进行必要处理后，送入数据总线供CPU存取，或存入中间寄存器备用。项目一PLC的基础知识 (2) 模拟量输出接口模板。模拟量输出模板的任务是将CPU模板送来的数字量信号转换成模拟量信号，用以驱动执行机构实现对生产过程或装置的闭环控制。CPU对某一控制回路经采样、计算得出一个输出信号。在模拟量输出模板控制单元的指挥下，该输出信号以数字量形式由数据总线经缓冲器存入中间寄存器，这个数字量信号再经光电耦合器传送给D/A转换器。D/A转换器是模拟量输出模板的核心器件，它决定着该模板的工作耦合精度和速度。经D/A转换后，控制信号已变为模拟量。通常，一个模拟量输出模板可以控制多个回路，即模板具有多个输出通道，经D/A转换后的信号要送到哪个通道，由CPU控制多路开关来实现这一选择功能。项目一PLC的基础知识 4. 扩展接口扩展接口PLC的扩展接口有两个含义：一个是单纯的I/O(数字量或模拟量I/O)扩展接口，它是为弥补原系统中I/O口有限而设置的，用于扩展输入、输出点数，当用户的PLC控制系统所需的输入、输出点数超过主机的输入、输出点数时，就要通过I/O扩展接口将主机与I/O扩展单元连接起来；另一个含义是CPU模板的扩充，它是在原系统中只有一块CPU模板而无法满足系统工作要求时使用的，该功能实现扩充CPU模板与原系统CPU模板，以及扩充CPU模板之间(多个CPU模板扩充)的相互控制和信息交换。项目一PLC的基础知识 5. 通信接口通信接口通信接口是专用于数据通信的一种智能模板，它主要用于“人-机”对话或“机-机”对话。PLC通过通信接口可以与打印机、监视器相连，也可与其他的PLC或上位计算机相连，构成多机局部网络系统或多级分布式控制系统，或实现管理与控制相结合的综合系统。通信接口有串行接口和并行接口两种，它们都在专用系统软件的控制下，遵循国际上多种规范的通信协议来工作。用户应根据不同的设备要求选择相应的通信方式，并配置相应的通信接口。项目一PLC的基础知识 6. 编程器编程器编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部继电器状态和系统参数。它经过编程器接口与CPU联系，完成人机对话。可编程控制器的编程器一般由PLC生产厂家提供，它们只能用于某一生产厂家的某些PLC产品。编程器一般分为两种，一种是手持编程器，使用方便；另一种是计算机编程，通过PLC的RS232接口与计算机相连，然后敲击键盘，通过编程软件向PLC内部输入程序。项目一PLC的基础知识 1) 手持编程器手持编程器有一个大型的点阵式液晶显示屏，它可以显示梯形图或语句表程序。手持编程器一般由微处理器、键盘、显示器及总线接口组成，它可以直接生成和编辑梯形图程序。编程器既可联机在线编程，也可用助记符编程，并将用户程序存储在编程器自己的存储器中。它既可以用梯形图编程，也可用助记符编程(有的也可以用高级语言编程)，还可通过屏幕进行人机对话。程序可以很方便地与PLC的CPU模板互传，也可以将程序写入EPROM，并提供磁带录音机接口和磁盘驱动器接口，有的编程器本身就带有磁盘驱动器。它还有打印机接口，能快速、清楚地打印梯形图，也可以打印出语句表程序清单和编程元件表等。项目一PLC的基础知识 2) 计算机编程器由PLC生产厂家生产的专用编程器使用范围有限，价格一般也比较高。在个人计算机不断更新换代的今天，出现了使用以个人计算机为基础的编程系统。PLC的生产厂家可能会把工业标准的个人计算机作为程序开发系统的硬件提供给用户(大多数厂家只向用户提供编程软件，而个人计算机则由用户自己选择)。由PLC生产厂家提供的个人计算机是做了改装的，以适应工业现场较恶劣的环境，如对键盘和机箱加以密封，并采用密封型的磁盘驱动器，以防止外部脏物进入计算机，而使敏感的电子元件失效。项目一PLC的基础知识 用PC作编程器的主要优点是使用了价格较便宜的、功能很强的通用的个人计算机，有的用户还可以使用现有的个人计算机。对于不同厂家和型号的PLC，只需要更换编程软件即可。另一个优点是可以使用一台PC给所有的工业智能控制设备编程，还可以作为CNC、机器人、工业电视系统和各种智能分析仪器的软件开发工具。PC的PLC程序开发系统的软件一般包括以下几个部分。(1) 编程软件，这是最基本的软件，它允许用户生成、编辑、存储和打印梯形图程序及其他形式的程序。(2) 文件编制软件，它与程序生成软件一起，可以对梯形图中的每一个触点和线圈加上文字注释(英文或中文)，指出它们在程序中的作用，并能在梯形图中提供附加的注释，解释某一段程序的功能，使程序容易阅读和理解。项目一PLC的基础知识 (3) 数据采集和分析软件，在工业控制计算机中，该部分软件功能已相当普遍。PC可以从PLC控制系统中采集数据，并可用各种方法分析这些数据，然后将结果用条形统计图或扇形统计图的形式显示在CRT上，这种分析处理过程是非常快的，几乎是实时的。(4) 实时操作员接口软件，这一类软件对PC提供实时操作的人-机接口装置，使PC被用来作为系统的监控装置，通过CRT告诉操作人员系统的状况和可能发生的各种报警信息。操作员可以通过操作员接口键盘(有时也可能直接用个人计算机的键盘)输入各种控制指令，处理系统中出现的各种问题。项目一PLC的基础知识 (5) 仿真软件，它允许工业控制计算机对工厂过程做系统仿真，过去这一功能只有大型计算机系统才有。它可以对现有的系统进行有效的检测、分析和调试，也允许系统的设计者在实际系统建立之前，反复地对系统仿真。用这个方法可以及时发现系统中存在的问题，并加以修改，还可以缩短系统设计、安装和调试的总工期，以避免不必要的浪费和因设计不当而造成的损失。项目一PLC的基础知识 7. 电源电源PLC的外部工作电源一般为单相85260 V AC 50/60 Hz电源，也有采用2426 V直流电源的。使用单相交流电源的PLC，往往还能同时提供24 V直流电源，供直流输入使用。PLC对其外部工作电源的稳定要求不高，一般可允许误差为15%左右。PLC的内部电源系统一般有三类：第一类是供PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源(+5 V和15 V DC电源)；第二类电源是供输出接口使用的高压电流的功率电源；第三类电源是锂电池及其充电电源。考虑到系统的可靠性及光电隔离器的使用，不同类电源应具有不同的地线。此外，根据PLC的规模及允许扩展的接口模板数，各种PLC的电源种类和容量往往是不同的。项目一PLC的基础知识 8. 总线总线总线是沟通PLC中各个功能模板的信息通道，它的含义并不单是各个模板插脚之间的连线，还包括驱动总线的驱动器及其保证总线正常工作的控制逻辑电路。对于一种型号的PLC而言，总线上各个插脚都有其特定的功能和含义，但对于不同型号的PLC而言，总线上各个插脚的含义不完全相同(到目前为止，国际上尚没有统一的标准)。总线上的数据都是以并行方式传送的，传送的速度和驱动能力与CPU模板上的驱动器有关。项目一PLC的基础知识 9. PLC的外部设备的外部设备PLC控制系统的设计者可根据需要配置一些外部设备，如人-机接口装置(HMI)、外存储器、打印机和EPROM写入器等。二、二、PLC的基本工作原理的基本工作原理PLC是一种专用的工业控制计算机，因此其工作原理是建立在计算机控制系统工作原理的基础上的。但为了可靠地应用在工业环境下，便于现场电气技术人员的使用和维护，它有着大量的接口器件、特定的监控软件和专用的编程器件，所以，不但PLC外观不像计算机，它的操作使用方法、编程语言及工作过程与计算机控制系统也是有区别的。项目一PLC的基础知识 PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式，如图1-7所示。图1-7PLC的工作方式项目一PLC的基础知识 1. PLC控制系统的等效工作电路控制系统的等效工作电路PLC控制系统的等效工作电路可分为输入部分、内部控制电路和输出部分3部分。输入部分用于采集输入信号，输出部分是系统的执行部件。这两部分与继电器控制电路相同。内部控制电路通过编程方法实现逻辑控制，用软件编程代替继电器的电路功能。1) 输入部分输入部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子去驱动输入继电器的线圈，每个输入端子与其相同编号的输入继电器有着唯一确定的对应关系。当外部的输入元件处于接通状态时，项目一PLC的基础知识 对应的输入继电器线圈“得电”。注意：这个输入继电器是PLC内部的“软继电器”，即前面介绍过的存储器中的某一位，它可以提供任意多个动合触点或动断触点，以供PLC内部控制电路编程使用。为使输入继电器的线圈得电，即让外部输入元件的接通状态写入与其对应的基本单元中，输入回路要有电源。输入回路所使用的电源可以用PLC内部提供的24 V直流电源(其带负载能力有限)供电，也可由PLC外部独立的交流或直流电源供电。项目一PLC的基础知识 需要强调的是，输入继电器的线圈只能由来自现场的输入元件(如控制按钮、行程开关的触点、晶体管的基极-发射极电压、各种检测及保护器件的触点或动作信号等)来驱动，而不能用编程的方式来控制。因此，在梯形图程序中，只能使用输入继电器的触点，而不能使用输入继电器的线圈。2) 内部控制电路所谓内部控制电路是由用户程序形成的，用“软继电器”来代替继电器控制逻辑。其作用是按照用户程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行检测、判断、运算和处理，然后得到相应的输出。项目一PLC的基础知识 一般用户程序是用梯形图语言编制的，它看起来很像继电器控制线路图。在继电器控制线路中，继电器的触点可瞬时动作，也可延时动作，而PLC梯形图中的触点是瞬时动作的。如果需要延时，可由PLC提供的定时器来完成，延时时间可根据需要在编程时设定，其定时精度及范围远远高于时间继电器。在PLC中还提供了计数器、辅助继电器(相当于继电器控制线路中的中间继电器)及某些特殊功能的继电器。PLC的这些器件所提供的逻辑控制功能，可在编程时根据需要来选用，且只能在PLC的内部控制电路中使用。项目一PLC的基础知识 3) 输出部分(以继电器输出型PLC为例)输出部分是由在PLC内部且与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部驱动电路组成的，用来驱动外部负载。PLC的内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程用的任意多个动合、动断触点外，还为外部输出电路提供了一个实际的动合触点与输出接线端子相连。驱动外部负载电路的电源必须由外部电源来提供，电源种类及规格可根据负载要求去配备，只要在PLC允许的电压范围内工作即可。项目一PLC的基础知识 综上所述，我们可对PLC的等效电路做进一步简化而深刻的理解，即将输入部分等效为一个继电器的线圈，将输出部分等效为继电器的一个动合触点。2. PLC的工作过程的工作过程虽然PLC的基本组成及工作原理与一般微型计算机相同，但它的工作过程与微型计算机却有很大差异，这主要是由操作系统和系统软件的差异造成的。小型PLC的工作过程有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描，一个是集中批处理。周期性顺序扫描是PLC特有的工作方式，PLC在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。项目一PLC的基础知识 PLC的I/O点数较多，采用集中批处理的方法可以简化操作过程，便于控制，提高系统可靠性。因此PLC的另一个主要特点就是对输入采样、执行用户程序、输出刷新实施集中批处理。这同样是为了提高系统的可靠性。当PLC启动后，先进行初始化操作，包括对工作内存进行初始化，复位所有的定时器，将输入/输出继电器清零，检查I/O单元接口是否完好，如有异常则发出报警信号。初始化完成之后，PLC就进入周期性扫描过程。小型PLC的工作扫描过程如图1-8所示。项目一PLC的基础知识 图1-8小型PLC的工作扫描过程项目一PLC的基础知识 根据图1-8，可将PLC的工作过程分为以下三个阶段。1) 输入采样阶段输入采样阶段是第一个集中批处理过程。在这个阶段中，PLC按顺序逐个采集所有输入端子上的信号，不论输入端子上是否接线，CPU顺序读取全部输入端，将所有采集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中。在当前的扫描周期内，用户程序依据的输入信号的状态(ON或OFF)，均从输入映像寄存器中去读取。而不管此时外部输入信号的状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在下一个扫描周期的输入采样扫描阶段去读取。对于这种采集输入信号的批处理，虽然严格上说每个信号被采集的时间有先有后，但由于PLC的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略，所以可认为这些采集到的输入信息是同时的。项目一PLC的基础知识 2) 执行用户程序阶段执行用户程序阶段是第二个集中批处理过程。在该阶段，CPU对用户程序按顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、从左至右的顺序进行扫描。每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中去读取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其他信息，则是从PLC的元件映像寄存器中读取。在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像寄存器中，这样该元素的状态即刻会被后面将要扫描到的指令所利用。对输出继电器的扫描结果，也不是立即去驱动外部负载，而是将其结果写入元件映像寄存器中的输出映像寄存器中，待输出刷新阶段集中进行批处理。项目一PLC的基础知识 在该阶段，除了输入映像寄存器外，各个元件映像寄存器的内容都是随着程序的执行而不断变化的。3) 输出处理阶段输出处理阶段是第三个集中批处理过程。当CPU对全部用户程序扫描结束后，会将元件映像寄存器中各输出继电器的状态同时传送到输出锁存器中，再由输出锁存器经输出端子去驱动各输出继电器所带的负载。在输出刷新阶段结束后，CPU将进入下一个扫描周期。项目一PLC的基础知识 3. PLC的扫描周期及滞后响应的扫描周期及滞后响应1) PLC的扫描周期PLC的扫描周期与PLC的时钟频率、用户程序的长短及系统配置有关。一般PLC的扫描时间仅为几十毫秒，在输入采样和输出刷新阶段只需12 ms，做公共处理也是在瞬间完成的，所以扫描时间的长短主要由用户程序来决定。项目一PLC的基础知识 2) PLC的响应时间从PLC的输入端有一个输入信号发生变化到PLC的输出端对该输入变化做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间或滞后时间。这种输出对输入在时间上的滞后现象，严格地说，影响了控制的实时性，但对于一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。如果需要快速响应，可选用快速响应模板、高速计数模板及采用中断处理功能来缩短滞后时间。项目一PLC的基础知识 (1) 响应时间的快慢与以下因素有关： 输入滤波器的时间常数(输入延迟)。因为PLC的输入滤波器是一个积分环节，因此，输入滤波器的输出电压(即CPU模板的输入信号)相对现场实际输入元件的变化信号有一个时间延迟，这就导致了实际输入信号在进入输入映像寄存器前有一个滞后时间。另外，如果输入导线很长，由于分布参数的影响，也会产生一个“隐形”滤波器的效果。 输出继电器的机械滞后(输出延迟)。PLC的数字量输出经常采用继电器触点的形式输出,而继电器固有的动作时间会导致继电器的实际动作相对线圈的输入电压的滞后效应。如果采用双向可控硅(双向晶阐管)或晶体管的输出方式，则可减少滞后时间。 PLC的循环项目一PLC的基础知识 扫描工作方式。PLC的循环扫描工作方式是由PLC的工作方式决定的，要想减少程序扫描时间，必须优化程序结构，在可能的情况下，应采用跳转指令。 PLC对输入采样、输出刷新的集中批处理方式。这也是由PLC的工作方式决定的。为加快响应，目前有的PLC的工作方式采取直接控制方式，这种工作方式的特点是遇到输入便立即读取进行处理，遇到输出则把结果予以输出；有的PLC采取混合工作方式，这种工作方式的特点是它只是在输入采样阶段进行集中读取(批处理)，在执行程序时，遇到输出时便直接输出。后一种方式由于对输入采用的是集中读取，所以在一个扫描周期内，同一个输入即使在程序中有多处出现，也不会像直接控制方项目一PLC的基础知识 式那样，可能出现不同的值；又由于这种方式的程序执行与输出采用的是直接控制方式，所以又具有直接控制方式输出响应快的优点。(2) 最短响应时间和最长响应时间。由于PLC采用循环扫描工作方式，因此响应时间与收到输入信号的时刻有关。这里针对采用三个批处理工作方式的PLC，分析一下最短响应时间和最长响应时间。 最短响应时间：在一个扫描周期刚结束时就收到了有关输入信号的变化状态，则下一扫描周期一开始这个变化信号就可以被采样到，使输入更新，这时响应时间最短，即 最短响应时间=输入延迟时间+1个扫描周期+输出延迟时间项目一PLC的基础知识 最长响应时间：如果在1个扫描周期刚开始收到一个输入信号的变化状态，则由于存在输入延迟，在当前扫描周期内这个输入信号对输出不会起作用，要到下一个扫描周期快结束时的输出刷新阶段，输出才会做出反应，这个响应时间最长，即最长响应时间=输入延迟时间+2个扫描周期+输出延迟时间如果用户程序中的指令语句安排得不合理，则响应时间还要增大。项目一PLC的基础知识 4. PLC与继电器控制系统、单片机的区别与继电器控制系统、单片机的区别1) PLC与继电器控制系统的区别PLC的工作方式是串行，用“软件”；继电器控制系统的工作方式是并行，用“硬件”。2) PLC与单片机的区别PLC的工作方式是循环扫描；单片机的工作方式是待命或中断。PLC与其他控制装置的比较如表1-1所示。项目一PLC的基础知识 表表1-1PLC与其他控制装置的比较与其他控制装置的比较 项目一PLC的基础知识 三、三、PLC的编程语言的编程语言PLC是专为工业控制开发的通用控制设备，主要使用者是广大工厂电气技术人员及操作维护人员。为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。这些编程语言有梯形图LAD(Ladder Diagram)、语句表STL(Statement List)、逻辑功能图LFD (Logical Function Diagram)等。此外，为了满足熟悉计算机知识和高级编程语言人们的需求，有些大型的PLC也采用高级语言(如BASIC语言、C语言等)编程。项目一PLC的基础知识 1. 梯形图梯形图(LAD)梯形图语言是PLC最常用的一种编程语言，是从原电气控制系统中常用的继电器、接触器控制电路梯形图演变而来的，沿用了电气工程师比较熟悉的电气控制原理图的形式，如继电器的触点、线圈以及串并联术语等，形象、直观且编程容易。图1-9为两种梯形图的比较。图1-9两种梯形图的比较 项目一PLC的基础知识 由图1-9可以看出，PLC的梯形图在形式上类似于继电器控制电路的梯形图，只不过它用图形符号、等连接而成。这些符号对应的编程元件依次为常开触点、常闭触点、继电器线圈。梯形图按照自上而下、从左到右的顺序排列，一般每个继电器线圈对应一个逻辑行。梯形图的最左边是起始母线，每一个逻辑行必须从起始母线画起，然后是触点的各种连接，最后终止于继电器线圈。梯形图的最右边是终止母线，有时可以省去不画。项目一PLC的基础知识 2. 语句表语句表(STL)语句表编程语言是一种与汇编语言类似的助记符编程语言，它使用容易记忆的英语缩写单词表示PLC的各种指令，使用编程器对PLC程序进行读写、修改和编辑等操作。不同厂家生产的PLC的语句表助记符有所不同，以欧姆龙的PLC为例，对应图1-9的语句表为：LD0.01OR100.00AND NOT0.00OUT100.00项目一PLC的基础知识 语句表是用户程序的基础，每个控制功能由一条或多条语句组成的用户程序完成。每条语句都是规定CPU应如何动作的指令，它的作用和一般的计算机指令相同。PLC的指令由操作码和操作数组成，其格式为操作码操作数操作码用来指定要执行的功能，告诉CPU该进行什么操作；操作数是指定执行该操作必需的数据，告诉CPU用什么数据或什么地方的数据来执行该操作。项目一PLC的基础知识 3. 逻辑功能图逻辑功能图(LFD)逻辑功能图是用“与”、“或”、“非”等逻辑功能符号表达控制功能的图形语言，与数字电路中的逻辑图一样，极易表现条件与结果之间的逻辑功能。这种编程语言根据信息流将各种功能块加以组合，是一种逐步发展起来的新式编程语言，比较适合有数字电路知识基础的人使用。目前逻辑功能图日益受到各PLC生产厂家的重视。项目一PLC的基础知识 4. 高级语言高级语言对于大型PLC来说，点数多，控制对象复杂，所以可以使用像微型计算机一样的结构化编程语言，例如BASIC语言、C语言、PASCAL等高级语言。这种编程方式不仅能完成逻辑控制功能、数值计算、数据处理、PID调节，还能很方便地与计算机通信联网，从而形成由计算机控制的可编程序控制器系统。项目一PLC的基础知识 工作任务工作任务3欧姆龙欧姆龙CP1E型型PLC的规格的规格一、欧姆龙一、欧姆龙CP1E型型PLC概述概述1. 欧姆龙欧姆龙CP1E型型PLC的型号的型号欧姆龙CP1E型PLC是一种由欧姆龙公司生产制造的用于简单应用的一体式PLC。CP1E型PLC包含了运用基本、移动、算术和比较等指令实现标准控制操作的E型CPU单元(基本型号)，以及支持连接到可编程终端、变频器和伺服驱动的N型CPU单元(应用型号)。CP1E型PLC的型号如表1-2所示。项目一PLC的基础知识 表表1-2CP1E型型PLC的型号的型号 项目一PLC的基础知识 项目一PLC的基础知识 对于欧姆龙CP1E型PLC的CPU单元，电源中断后以下的I/O存储器区将变得不稳定：DM区(D)(使用DM功能备份到EEPROM的字除外)，保持区(H)，计数器当前值和完成标志(C)，与时钟功能有关的辅助区(A)。如要电源中断后保持以上区中的数据，可将CP1W-BAT01电池(另售)安装到N型CPU单元。注意：电池不能安装到E型CPU单元。2. 欧姆龙欧姆龙CP1E型型PLC的运行模式的运行模式CPU单元有以下三种运行模式：(1) PROGRAM模式：PROGRAM模式不执行程序。此模式可用于PLC设置中的初始设定、传送梯形图程序、检查梯形图程序以及为执行梯形图程序做准备，如强制置位/复位。项目一PLC的基础知识 (2) MONITOR模式：此模式可执行在线编辑、强制置位/复位，以及在执行梯形图程序时变更 I/O 存储器的当前值。此模式可用于试运行和调整。(3) RUN模式：此模式可执行梯形图程序。在此模式中部分操作为无效。当CPU单元置“ON”时，此模式为初始值的启动模式。3. 运行模式的变更运行模式的变更欧姆龙CP1E型PLC启动后，运行模式可通过CX-Programmer进行变更。CPU单元置“ON”时的缺省运行模式为RUN模式，若要将启动模式变更为PROGRAM模式或MONITOR模式，需通过CX-Programmer在PLC的启动设置中设定所需的模式，如图1-10所示。项目一PLC的基础知识 PLC启动后运行模式的变更可选用以下步骤之一：(1) 在运行模式菜单中选择PROGRAM、MONITOR或RUN模式。(2) 在工程树形图中右键点击PLC，然后在运行模式菜单中选择PROGRAMMONITOR或RUN模式。图1-10启动后运行模式的变更项目一PLC的基础知识 二、二、CP1E型型PLC数据存储区及元件功能数据存储区及元件功能在CP1E型PLC的CPU单元中的存储器区，可从梯形图程序读取或写入存储器。存储器区是由通过外部设备进行输入/输出区、用户区及系统区构成的，如图1-11所示。 项目一PLC的基础知识 图1-11CPU单元中的存储器区项目一PLC的基础知识 CP1E型PLC的数据存储器区及元件功能分配如下：1) CIO区(CIO0 CIO289)在CIO区中，输入位地址范围为 CIO0CIO99，输出位地址范围为 CIO100CIO199，串行PLC链接地址范围为CIO200CIO289。CIO区中的位和地址为分配给CP1E的CPU单元的内置I/O端子及扩展单元、扩展I/O单元。未分配的输入字和输出位可在程序中作为工作位使用。2) 工作区(W)工作区为CPU单元内部存储器的一部分，可在编程中使用。与CIO区中的输入位和输出位不同，在此区中不可对外部设备的输入/输出进行刷新。项目一PLC的基础知识 在使用CIO区中其他字前，先将此区用于工作字和位。CP1E型PLC CPU单元的更新版本中也不会对此区分配新的功能，因此在编程时请先使用此区域中的字。3) 数据存储器区(D)此数据区用于一般数据存储和处理，且仅可由字(16位)进行存取。当PLC置ON或运行模式切换(PROGRAM、RUN、MONITOR模式间切换)时，此区中字将保持其内容。通过辅助区位可在内置EEPROM备份存储器中保持指定字。项目一PLC的基础知识 4) 定时器区(T)定时器区域分成定时器完成标志和定时器当前值(PV)两个部分。最多可使用256个定时器，定时器编号范围为T0T255。(1) 定时器完成标志。通过定时器编号，每个定时器完成标志对应一位。当经过设定的定时器时间时，完成标志置ON。(2) 定时器当前值(PV)。通过定时器编号，每个定时器当前值(PV)对应由一个字(16位)进行存取。根据定时器操作，当前值(PV)增加或减少。项目一PLC的基础知识 5) 计数器区(C)计数器区域分成计数器完成标志和计数器当前值(PV)两个部分。最多可使用256个计数器，计数器编号范围为C0C255。当PLC置ON或运行模式切换(PROGRAM、RUN、MONITOR 模式间切换)时，此区中字将保持其内容。(1) 计数器完成标志。通过计数器编号，每个计数器完成标志对应一位。当达到设定的计数器值时，完成标志置ON。(2) 计数器当前值(PV)。通过计数器编号，每个计数器当前值(PV)为对应由一个字 (16位)进行存取。根据计数器操作，当前值 (PV)增加或减少计数。项目一PLC的基础知识 6) 辅助区(A)此区中的字和位为已预先分配了功能。7) 条件标志条件标志中包括表示指令执行结果的标志，以及常ON及常OFF标志。条件标志由全局符号(变量)指定，而非通过地址指定。例如，P_on。8) 时钟脉冲通过CPU单元的内置定时器，可将时钟脉冲置ON或OFF。时钟脉冲置为由全局符号(变量)指定，而非通过地址指定。例如，P_0_02。项目一PLC的基础知识 三、三、I/O分配分配欧姆龙PLC将存储器中的输入/ 输出位分配称为“I/O分配”。扩展I/O单元上的输入/ 输出(I/O)为在CPU单元上内置I/O分配字的后一字中分配I/O位。电源置“ON”时，CPU单元将自动分配I/O位到已连接的扩展I/O单元/扩展单元。输入位从CIO 0开始进行分配，输出位从CIO 100开始分配，不可进行变更。1. 主机主机CPU单元单元I/O分配分配CP1E型PLC CPU单元的输入/输出起始字是预先决定的。CIO 0或CIO 0和CIO 1中输入位及CIO 100或CIO 100和CIO 101中输出位，为自动分配到CPU单元的内置I/O。通过系统分配的位的起始字及可连接的扩展单元/扩展I/O单元数，如表1-3所示。项目一PLC的基础知识 表表1-3CPU单元单元I/O分配分配 项目一PLC的基础知识 例如：40点I/O型CPU单元I/O分配如图1-12所示。图1-1240点I/O分配项目一PLC的基础知识 40点I/O型CPU单元输入端子台最多可分配24点输入位。分配的位的范围为：输入位CIO 0.00CIO 0.11(即CIO 0中位0011)、输入位CIO 1.00CIO 1.11(即CIO 1中位0011)。此外，输出端子台为最多可分配16点输出位。分配的位的范围为：输出位CIO 100.00CIO 100.07(即CIO 0中位0007)、输出位CIO 101.00CIO 101.07(即CIO 1中位0007)。项目一PLC的基础知识 2. 扩展单元扩展扩展单元扩展I/O单元的分配单元的分配连接到CPU单元的扩展单元/扩展I/O单元将被自动分配输入位和输出位，分配字的起始地址从分配给CPU单元的字的下一字开始。例如，如果使用40点I/O型CPU单元，则CIO 0和CIO 1为分配给输入，CIO 100和CIO 101为分配给输出，则从CIO 2开始的输入字以及从CIO 102开始的输出字将根据单元的连接顺序自动分配到扩展单元或扩展I/O单元。通过扩展I/O单元，可以扩展输入、扩展输出或扩展输入及输出。I/O位从分配到前一扩展单元/扩展I/O单元或自动分配的CPU单元的下一字中位00开始分配输入/输出，以“CIO m”表示输入字，以“CIO n”表示输出字。扩展单元I/O分配如表1-4所示。项目一PLC的基础知识 表表1-4扩展单元扩展单元I/O分配分配 项目一PLC的基础知识 例如：30点CPU单元扩展输入单元和扩展输出单元I/O分配如图1-13所示。如果连接扩展的输入单元或扩展的输出单元，则未被使用的那个扩展I/O单元地址将分配给下一个输入/输出单元。图1-1330点CPU单元扩展单元I/O分配项目一PLC的基础知识 工作任务工作任务4PLC编程软件的使用编程软件的使用一、欧姆龙一、欧姆龙PLC编程软件编程软件CX-Programmer的使用步骤的使用步骤在使用CX-Programmer编程软件编制PLC程序前，首先要进行硬件上的设置及对该软件的内部设置。具体使用该软件的步骤如下。1. 设置设置1) 硬件设置硬件设置是建立PLC与计算机之间的通信连接，对于CP1E型PLC，应先设置CPU部件上的DIP开关，然后再建立PLC与上位机的RS232串行通信连接，最后接通电源。项目一PLC的基础知识 2) 软件设置(1) 进入CX-Programmer软件界面。在“开始”菜单“程序”选项中找到“OMRON”，在弹出下一级子菜单中单击“CX-Programmer”图标，进入CX-P软件界面。或者直接双击桌面上“CX-Programmer”的快捷图标 ，即可进入CX-Programmer软件界面。(2) 点击“文件”菜单中的“新建”命令，弹出“变更PLC”对话框，如图1-14所示，设定PLC的型号和CPU的型号，如图1-15所示。也可以通过点击“工具”菜单中的“选项”命令，在弹出的对话框中选择“PLC”选项卡来设定PLC型号及CPU型号。项目一PLC的基础知识 图1-14变更PLC对话框 项目一PLC的基础知识 图1-15CPU类型设置对话框项目一PLC的基础知识 选择完毕，点击“确定”按钮，进入CX-Programmer的用户主界面，如图1-16所示。图1-16CX-Programmer的用户主界面项目一PLC的基础知识 3) 工程工作区在工程工作区中，通过显示一个与工程相关的PLC和程序细节的分层树状结构来表示工程，如图1-17所示。从工具栏上面选择“切换工程工作区”按钮可以激活此视图，也可以再次选择 “切换工程工作区”按钮关闭工程工作区视图。现将工程工作区视图中的符号说明如下：(1) 符号：PLC使用的所有全局和本地符号。(2) 设置：所有有关PLC的设置。(3) 内存：内存的数据值。(4) 扩展指令：扩展指令的赋值。项目一PLC的基础知识 图1-17工程工作区视图 项目一PLC的基础知识 2. 编程编程(1) 简单指令。在菜单栏选择梯形图图标即可。(2) 查找指令。对于不太熟悉的指令可通过点击“插入”菜单中“指令”命令来进行指令的查找操作。(3) 在线编辑。对于建立了通信连接的PLC，可以对其程序进行在线操作编辑。具体方法为：点击“程序”菜单“在线编辑”中的“开始”命令对程序进行编辑，然后再以同样的方法选择“发送修改”，完成操作。3. 编译编译对编制好的程序要进行编译操作，具体步骤为：选择“程序”菜单中的“编译”命令，即可完成编译操作，并可显示程序编译结果。项目一PLC的基础知识 4. 下载与运行下载与运行将程序及有关数据下载到PLC并转入监视或运行模式，具体操作步骤如下：(1) 选择“PLC”菜单，在弹出的菜单中点击“在线工作”命令。(2) 选择“PLC”菜单中的“传送”命令，在弹出的下一级菜单中选择“到PLC”命令，即可将程序下载到PLC中。(3) 选择PLC的操作模式。可通过点击“PLC”菜单中“操作模式”命令，在弹出的下一级菜单中选择“监视”或“运行”等工作模式。5. 存盘结束存盘结束选择“文件”菜单中“另存为”命令，然后指定文件的保存路径，单击“保存”按钮，文件即被保存。项目一PLC的基础知识 二、二、CX-Programmer软件编程举例软件编程举例1. 建立一个新工程建立一个新工程一旦制定出工程要求，下一步要做的事情就是生成一个工程，并且为该工程定义设备条目。建立一个新工程的步骤如下：(1) 选择工具栏中的“新建”按钮；(2) 定义工程的设备条目，对于本例，可将PLC的类型设置为CP1E；(3) 保存工程，从工具栏中选择“保存”按钮，即显示CX-Programmer保存文件对 话框；(4) 在“文件名称”栏中键入一个有效的文件名称，然后单击“保存”按钮来保存此工程，或选择“取消”按钮放弃这一操作。项目一PLC的基础知识 当一个新的PLC被添加到工程中时，将会创建空表及数据对象：本地符号表、全局符号表、I/O表、PLC内存数据、PLC设置数据。工程工作区将显示新生成工程的内容，梯形图工作区显示在图形工作区，随时可以编制程序。在梯形图工作区中，当前光标的位置将以一个高亮的矩形块来表示，称为光标。使用鼠标和方向键能将光标定位于图表中的任何位置。可以从选择菜单或者使用相关的快捷键在当前光标位置添加一个元素，一个元素可以定位于任意一个空的网格位置上，或者可以覆盖任意的PLC类型。项目一PLC的基础知识 2. 编写梯形图程序编写梯形图程序编写梯形图程序包括生成符号和地址，创建一个梯形图程序，编译程序，把程序传送到PLC，以及从PLC上传程序等。编写程序定义一个彩灯控制。彩灯的控制规律如下：(1) 按下启动按钮，红灯点亮；(2) 经过5 s后红灯熄灭，同时绿灯点亮；(3) 再经过5 s后绿灯熄灭，同时红灯再次被点亮。如此循环，直至按下“停止”按钮为止。生成一个梯形图程序的重要一步就是对程序要访问的那些PLC数据区进行定义。为了便于访问，可以分配符号名称，而不是每一次都访问特定地址。项目一PLC的基础知识 一般按照以下步骤来生成符号：(1) 单击图表窗口，在工具栏中选择“查看本地符号”按钮；(2) 从工具栏中选择“插入符号”按钮，符号插入对话框将被显示；(3) 在名称栏中键入“红灯”；(4) 在地址栏中键入“100.00”；(5) 将数据类型栏设置为“BOOL”,表示一位(二进制数)值；(6) 在注释栏中输入“彩灯1”；(7) 选择“确定”按钮以继续进行。项目一PLC的基础知识 表表1-5彩灯控制符号一览表彩灯控制符号一览表 项目一PLC的基础知识 3. 建立一个梯形图程序建立一个梯形图程序一个PLC程序既可以使用梯形图，也可以使用助记符编程语言生成。梯形图程序是在图表窗口的图表视图中生成的。生成一个梯形图程序的步骤如下：(1) 确定在图表工作区中显示的梯形图工作区；(2) 在梯形图的开始放置一个常开触点，选择工具栏中的“新接点”按钮，然后在名称或值列栏中选择“启动按钮”，之后点击“确定”按钮。(3) 在“启动按钮”的右侧添加一个常闭触点，把它分配给符号“停止按钮”。(4) 在“停止按钮”的右侧，放置一个常闭触点，把它分配给“红灯定时完成”。项目一PLC的基础知识 (5) 在“红灯定时完成”接触点的右边，放置一个线圈，把其分配给符号“红灯”。(6) 在“启动按钮”的下方，放置一个新的常开触点(在同一梯级里)，把它分配给符号“绿灯定时完成”。(7) 在“绿灯定时完成”触点下方再放置一个新的常开触点(在同一梯级)，把它分配给符号“红灯”。(8) 在下一级的始端放置一个新的常开触点(如同上述)，将显示新触点对话框，把它分配给符号“红灯”。(9) 在工具栏选择“新的PLC指令”按钮，并点击接触点的旁边，这样就添加一个新的指令，将显示新指令对话框。项目一PLC的基础知识 (10) 输入指令“TIM”，在操作数栏中输入“红灯定时器1”和“定时器设定值”两个操作数。(11) 重新开始一个梯级，在梯级的始端放置一个常开触点，把它分配给“红灯定时完成”。(12) 在“红灯定时完成”触点右边添加一个常闭触点，把它分配给符号“停止按钮”。(13) 在“停止按钮”的右边放置一个常闭触点，把它分配给符号“绿灯定时完成”。(14) 在“绿灯定时完成”触点的右边，放置一个线圈，把它分配给符号“绿灯”。(15) 在“红灯定时完成”触点的下方放置一个新的常开触点(同一梯级)，把它分配给符号“绿灯”。项目一PLC的基础知识 (16) 重新开始一个梯级，在梯级的开头放置一个新的常开触点，把它分配给符号“绿灯”。(17) 点击“新的PLC指令”按钮，输入指令“TIM”，在操作栏里输入“绿灯定时器2”和“定时器设定值”两个操作数，并选择“确定”按钮接受刚才在新指令对话框中的设置。(18) 通过“新的PLC指令”按钮，在下一个梯级里添加“END”。 通过上述操作所建立的梯形图程序如图1-18所示。项目一PLC的基础知识 图1-18彩灯控制梯形图程序项目一PLC的基础知识 4. 检查梯形图程序检查梯形图程序检查梯形图程序的步骤如下：(1) 确认是在图标显示区中显示梯形图程序。(2) 在工具栏选择“查看本地符号”按钮，切换到符号表，从工具栏选择“显示地址引用工具”按钮，激活地址引用工具。(3) 通过选择每一个符号，在图表中移动光标检查其在程序中的用法，也可以在助记符视图或梯形图视图中检查。项目一PLC的基础知识 5. 编译程序编译程序无论是在线程序还是离线程序，在生成和编辑过程中都不断被检查。在梯形图中，程序错误以红线出现，即如果在梯级中出现一个错误，在梯形图梯级的左边将会出现一道红线。例如，在图表窗口已放置一个元素，但是并没有分配符号和地址，这种情形下就会出现红线。按照以下方法来编译程序：在工具栏中选择“编译程序”按钮 ，输出将显示在输出窗口的编译标签下面，此时程序中所有的错误将被显示出来。项目一PLC的基础知识 6. 下载程序到下载程序到PLC在开始下载程序之前，必须要检查工程中将要装在程序的PLC类型和通信类型等信息，以确保这些信息是正确的，并且要和实际中使用的PLC类型相匹配，同时还要为相连接的PLC选择适当的通信类型。下载程序到PLC的步骤如下： (1) 选择工具栏中的“保存工程”按钮 ，保存当前的工程。如果在此以前还未保存工程，那么就会显示“保存CX-Programmer文件”对话框。在文件名栏输入文件名称，然后选择“保存”按钮，完成保存操作。项目一PLC的基础知识 (2) 选择工具栏中的“在线工作”按钮 ，与PLC进行连接，将出现一个对话框，如图1-19所示，选择“是”按钮。由于在线时一般不允许编辑，所以程序变成灰色。图1-19PLC连接对话框 项目一PLC的基础知识 (3) 选择工程工作区里的程序对象。(4) 选择工具栏中的“编辑模式”按钮 ，把PLC的操作模式设为“编程”。如果未做这一步，那么CX-Programmer软件将自动把PLC设置成此模式。(5) 选择工具栏上面的“传送到PLC”按钮 ，将显示“下载选项”对话框，如图1-20所示。项目一PLC的基础知识 图1-20下载选项对话框 项目一PLC的基础知识 (6) 设置程序栏，并单击“确定”按钮，将显示下载PLC连接状态选项对话框，如图1-21所示。单击“是”按钮，将显示“下载成功”对话框，如图1-22所示。单击“确定”按扭，程序下载完成。图1-21PLC连接状态 项目一PLC的基础知识 图1-22下载成功对话框 项目一PLC的基础知识 7. 从从PLC上载程序上载程序从PLC上载程序的步骤如下：(1) 选择工程工作区中的PLC对象。(2) 选择工具栏中的“从PLC传送”按钮 ，工程树中的第一个程序将被编译。如果PLC是离线状态，那么将显示确认对话框，选择“确认”按钮与PLC连接，此时显示“上载选项”对话框，如图1-23所示。项目一PLC的基础知识 图1-23上载选项对话框项目一PLC的基础知识 (3) 设置程序栏，然后单击“确认”按钮，将会显示“上载PLC连接状态选项”对话框，如图1-24所示。图1-24连接状态选项对话框 项目一PLC的基础知识 (4) 单击“确定”按钮，将弹出“上载成功”对话框，如图1-25所示。单击“确定”按扭，程序上载完成。图1-25上载成功对话框 项目一PLC的基础知识 工作任务工作任务5PLC控制系统的设计控制系统的设计一、明确控制要求，了解被控对象的生产工艺过程一、明确控制要求，了解被控对象的生产工艺过程熟悉控制对象设计工艺布置图这一步是系统设计的基础。首先应详细了解被控对象的工艺过程和它对控制系统的要求，各种机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系，系统工作方式(如自动、半自动、手动等)，PLC与系统中其他智能装置之间的关系，人机界面的种类，通信联网的方式，报警的种类与范围，电源停电及紧急情况的处理等。在此阶段，还要选择用户输入设备(按钮、操作开关、限位开关、传感器等)、输出设备(继电器、接触器、信号指示灯等执行元件)，以及由输出设备驱动的控制对象(电动机、电磁项目一PLC的基础知识 阀等)，同时，还应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动，并分类统计出各输入量和输出量的性质及数量，是数字量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小等级等，为PLC的选型和硬件配置提供依据。最后，要将控制对象和控制功能进行分类，可按信号用途或按控制区域进行划分，确定检测设备和控制设备的物理位置，分析每一个检测信号和控制信号的形式、功能、规模、互相之间的关系。信号点确定后，即可设计出工艺布置图或信号图。 项目一PLC的基础知识 二、二、PLC控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计1. PLC机型的选择机型的选择选择PLC机型时应在满足控制要求的前提下，保证PLC的可靠性高、维护使用方便，并有最佳的性价比。具体应考虑以下几方面：(1) 性能与任务相适应。对于小型单台、仅需要数字量控制的设备，一般的小型PLC(如西门子公司的S7-200系列、OMRON公司的CPM1/CPM2系列、三菱公司的FX系列等)都可以满足要求。对于以数字量控制为主，带少量模拟量控制的应用系统，如在工业生产中常遇到的温度、压力、流量等连续量的控制，应选用带有A/D转换的模拟量输入模块和带项目一PLC的基础知识 D/A转换的模拟量输出模块，配接相应的传感器、变送器(对温度控制系统，可选用温度传感器直接输入的温度模块)和驱动装置，并选择运算、数据处理功能较强的小型PLC (如西门子公司的S7-200或S7-300系列、OMRON公司的CQM1/CQM1H系列等)。 对于控制要求较复杂，控制功能要求较高的工程项目，例如要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能时，可视控制规模及复杂程度选用中档或高档机(如西门子公司的S7-300或S7-400系列、OMRON公司的C200H或CV/CVM1系列、AB公司的Control Logix系列等)。项目一PLC的基础知识 (2) 结构应合理，安装要方便，机型应统一。按照物理结构，PLC可分为整体式和模块式。整体式PLC每一I/O点的平均价格比模块式PLC的便宜，所以人们一般倾向于在小型控制系统中采用整体式PLC。但是模块式PLC的功能扩展方便灵活，I/O点数的多少、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类和块数、特殊I/O模块的使用等方面的选择余地都比整体式PLC大得多，而且在维修时更换模块、判断故障范围也很方便，因此，对于较复杂的和要求较高的系统一般应选用模块式PLC。根据I/O设备距PLC之间的距离和分布范围来确定PLC的安装方式为集中式、远程I/O式还是多台PLC联网的分布式。对于一个企业，在控制系统设计中应尽量做项目一PLC的基础知识 到机型统一。因为同一机型的PLC，其模块可互为备用，且便于备品备件的采购与管理；其功能及编程方法统一，有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；其外部设备通用，资源可共享。使用同一机型PLC的另一个好处是，在使用上位计算机对PLC进行管理和控制时，通信程序的编写比较方便，容易把控制各独立的多台PLC联成一个多级分布式系统，相互通信，集中管理，充分发挥网络通信的优势。 项目一PLC的基础知识 (3) 是否满足响应时间的要求。由于现代PLC有足够高的速度去处理大量的I/O数据和解算梯形图逻辑，因此对于大多数应用场合来说，PLC的响应时间并不是主要问题。为了减少PLC的I/O响应延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，使用高速I/O处理这一类功能指令，或选用快速响应模块和中断输入模块。(4) 对联网通信功能的要求。近年来，随着工厂自动化的迅速发展，在企业内小到一块温度控制仪表的RS-485串行通信，大到一套制造系统的以太网管理层的通信，应该说一般的电气控制产品都有通信功能。PLC作为工厂自动化的主要控制器件，大多数产品都具有通信联网能力。选择PLC时应根据需要选择通信方式。项目一PLC的基础知识 (5) 其他特殊要求。考虑被控对象对于模拟量的闭环控制、高速计数、运动控制和人机界面(HMI)等方面的特殊要求，可以选用有相应特殊I/O模块的PLC。对可靠性要求极高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。2. PLC容量的估算容量的估算PLC的容量是指I/O点数和用户存储器的存储容量两方面的含义。在选择PLC型号时不应盲目追求过高的性能指标，但是在I/O点数和存储器容量方面除了要满足控制系统要求外，还应留有余量，以做备用或系统扩展时使用。项目一PLC的基础知识 1) I/O点数的确定PLC的I/O点数的确定是以系统实际的输入/输出点数为基础来确定的。在I/O点数确定时，应留有适当的余量。通常，I/O点数可按实际需要的10%15%来考虑余量。当I/O模块较多时，一般按上述比例留出备用模块。2) 存储器容量的确定用户程序占用多少存储容量与许多因素有关，如I/O点数、控制要求、运算处理量、程序结构等。因此在程序编写前只能粗略地估算。项目一PLC的基础知识 3. I/O模块的选择模块的选择在PLC控制系统中，为了实现对生产过程的控制，要将对象的各种测量参数按要求的方式送入PLC。PLC经过运算、处理后，再将结果以数字量的形式输出，此时要把该输出变换为适合于对生产过程进行控制的量。所以，在PLC和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换装置。这个装置就是输入/输出(I/O)模块。不同的信号形式需要不同类型的I/O模块。对PLC来讲，信号形式可分为以下四类。项目一PLC的基础知识 1) 数字量输入信号生产设备或控制系统的许多状态信息，如开关、按钮、继电器的触点等，只有通或断两种状态，对这类信号的拾取需要通过数字量输入模块来实现。输入模块最常见的为24 V直流输入，还有直流5 V、12 V、48 V，交流115 V/220 V等。按公共端接入正、负电位不同可分为漏型和源型。有的PLC既可以采用源型接线，也可以采用漏型接线，比如西门子S7-200 PLC。当公共端接入负电位时，就是源型接线；接入正电位时，就是漏型接线。有的PLC只能接成其中的一种。项目一PLC的基础知识 2) 数字量输出信号还有许多控制对象，如指示灯的亮和灭、电机的启动和停止、晶闸管的通和断、阀门的打开和关闭等，对它们的控制只需通过二值逻辑“1”和“0”来实现。这种信号可通过数字量输出模块去驱动。数字量输出模块按输出方式的不同可分为继电器输出型、晶体管输出型、晶闸管输出型等。此外，输出电压值和输出电流值也各有不同。3) 模拟量输入信号生产过程的许多参数，如温度、压力、液位、流量都可以通过不同的检测装置转换为相应的模拟量信号，然后再将其转换为数字信号输入PLC。完成这一任务的就是模拟量输入模块。项目一PLC的基础知识 4) 模拟量输出信号生产设备或生产过程的许多执行机构，往往要求用模拟信号来控制，而PLC输出的控制信号是数字量，这就要求有相应的模块将其转换为模拟量。这种模块就是模拟量输出模块。典型模拟量输出模块的量程为10+10 V、0+10 V、420 mA等，可根据实际需要来选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号(如热电阻RTD、热电偶等信号)。此外，有些传感器如旋转编码器输出的是一连串的脉冲，并且输出的频率较高(20 kHz以上)。尽管这项目一PLC的基础知识 些脉冲信号也可算作数字量，但普通数字量输入模块不能正确地检测之，应选择高速计数模块。不同的I/O模块，其电路和性能不同，它直接影响着PLC的应用范围和价格，应根据实际情况合理选择。项目一PLC的基础知识 4. 分配输入分配输入/输出点输出点PLC机型及输入/输出(I/O)模块选择完毕后，首先可以设计出PLC系统总体配置图，然后依据工艺布置图，参照具体的PLC相关说明书或手册将输入信号与输入点、输出控制信号与输出点一一对应画出I/O接线图，即PLC输入/输出电气原理图。PLC机型选择完毕后，输入/输出点数的多少是决定控制系统价格及设计合理性的重要因素，因此在完成同样控制功能的情况下可通过合理设计以简化输入/输出点数。项目一PLC的基础知识 5. 安全回路的设计安全回路的设计安全回路是保护负载或控制对象以及防止操作错误或控制失败而进行联锁控制的回路。在直接控制负载的同时，安全保护回路还可以给PLC输入信号，以便于PLC进行保护处理。安全回路的设计一般应考虑以下几个方面的因素。1) 短路保护应该在PLC外部输出回路中装上熔断器，进行短路保护。最好在每个负载的回路中都装上熔断器。2) 互锁与联锁除在程序中保证电路的互锁关系外，在PLC外部接线中还应该采取硬件的互锁措施，以确保系统安全可靠地运行。项目一PLC的基础知识 3) 失压保护与紧急停车PLC外部负载的供电线路应具有失压保护措施，当临时停电再恢复供电时，不按下“启动”按钮，PLC的外部负载就不能自行启动。这种接线方法的另一个作用是当特殊情况需要紧急停机时，按下“急停”按钮即可切断负载电源，同时将“急停”信号输入PLC。4) 极限保护在有些如提升机类超过限位就有可能产生危险的情况下，可设置极限保护措施，当极限保护动作时会直接切断负载电源，同时将此信号输入PLC。项目一PLC的基础知识 三、三、PLC控制系统的软件设计控制系统的软件设计软件设计是PLC控制系统设计的核心。要设计好PLC的应用软件，就必须充分了解被控对象的生产工艺、技术特性、控制要求等内容，通过PLC的应用软件完成系统的各项控制功能。PLC控制系统软件设计的一般步骤如下：1. 确定确定PLC应用软件设计的内容应用软件设计的内容PLC的应用软件设计是指根据控制系统的硬件结构和工艺要求，使用相应的编程语言，对用户控制程序的编制和相应文件的形成过程。主要内容包括：确定程序结构；定义输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区等参数表；编制程序；编写程序说明书。PLC应用软件设计还包括文本显示器或触摸屏等人机界面(HMI)设备及其他特殊功能模块的组态。项目一PLC的基础知识 2. 熟悉被控制对象，制定设备运行方案熟悉被控制对象，制定设备运行方案在系统硬件设计基础上，根据生产工艺的要求，分析各输入/输出与各种操作之间的逻辑关系，确定检测量和控制方法，并设计出系统中各设备的操作内容和操作顺序。对于较复杂的系统，可按物理位置或控制功能将系统分区控制，一般还需画出系统控制流程图，用以清楚表明动作的顺序和条件，简单系统一般不用。项目一PLC的基础知识 3. 熟悉编程语言和编程软件熟悉编程语言和编程软件熟悉编程语言和编程软件是进行程序设计的前提。这一步骤的主要任务是根据有关手册详细了解所使用的编程软件及其操作系统，选择一种或几种合适的编程语言形式，并熟悉其指令系统和参数分类，尤其注意那些在编程中可能要用到的指令和功能。熟悉编程语言最好的办法就是上机操作，并编制一些试验程序，在模拟平台上进行试运行，以便详尽地了解指令的功能和用途，为后面的程序设计打下良好的基础，避免走弯路。项目一PLC的基础知识 4. 定义参数表定义参数表参数表的定义包括对输入/输出、中间标志、定时器、计数器和数据区的定义。参数表的定义格式和内容根据系统和个人爱好的情况有所不同，但所包含的内容基本是相同的。总的设计原则是便于使用，尽可能详细。程序编制前必须首先定义输入/输出信号表，其主要依据是PLC输入/输出电气原理图。每一种PLC的输入点编号和输出点编号都有自己明确的规定，在确定了PLC型号和配置后，要对输入/输出信号分配PLC的输入/输出编号(地址)，并编制成表，即I/O表。一般情况下，输入/输出信号表要明显地标出模板的位置、输入/输出地址号、信号名称和信号类型等，并且注释、注项目一PLC的基础知识 解内容应尽可能详细。地址尽量按由小到大的顺序排列，没有定义或备用的点也不能漏掉，这样便于在编程、调试和修改程序时查找使用。而中间标志、定时器、计数器和数据区在编程以前可能不太好定义，一般是在编程过程中随使用随定义，在程序编制过程中间或编制完成后连同输入/输出信号表统一整理。项目一PLC的基础知识 5. 编写程序编写程序如果有操作系统支持，尽量使用编程语言的高级形式，如梯形图语言。在编写程序过程中，根据实际需要，对中间标志信号表和存储单元表要进行逐个定义，注意留出足够的公共暂存区，以节省内存的使用，这是因为许多小型PLC使用的是简易编程器，只能输入指令代码。梯形图设计好后，还需要将梯形图按指令语句编出代码程序，列出程序清单。在熟悉所选的PLC指令系统后，可以很容易地根据梯形图写出语句表程序。在编写程序过程中，要及时对编出的程序进行注释，以免忘记其间的相互关系。注释应包括程序段功能、逻辑关系、设计思想、信号的来源和去向等的说明。注释是为了便于程序的阅读和调试。项目一PLC的基础知识 6. 程序的测试程序的测试程序的测试是整个程序设计工作中的一项重要内容，它可以初步检查程序的实际运行效果。程序测试和程序编写是分不开的，程序的许多功能是在测试过程中修改和完善的。测试时先从各功能单元入手，设定输入信号，观察输入信号的变化对系统产生的作用，必要时可以借助仪器仪表各功能单元测试完成后，再连通全部程序，测试各部分的接口情况，直到满意为止。程序测试可以在实验室进行，也可以在现场进行。如果是在现场进行程序测试，那么就要将PLC与现场信号隔离，以免引起事故。项目一PLC的基础知识 7. 编写程序说明书编写程序说明书程序说明书是整个程序内容的综合性说明文档，是整个程序设计工作的总结。编写程序说明书的主要目的是让程序的使用者了解程序的基本结构和某些问题的处理方法，以及程序的阅读方法和使用中应注意的事项。程序说明书一般包括程序设计的依据，程序的基本结构，各功能单元分析、使用的公式和原理，各参数的来源和运算过程，程序的测试情况等内容。以上各个步骤都是应用程序设计中不可缺少的环节，要设计一个好的应用程序，必须做好每一个环节的工作。但是，应用程序设计中的核心是程序的编写，其他步骤都是为其服务的。项目一PLC的基础知识 四、四、PLC控制系统的抗干扰性设计控制系统的抗干扰性设计1. 抗电源干扰抗电源干扰实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多。PLC系统的正常供电电源均由电网供电，电网覆盖范围广，它将受到所有空间的电磁干扰而在线路上产生感应电压和感应电流。尤其是电网内部的变化，开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源。为了减少因电源干扰造成的PLC控制系统故障，可采取以下措施。项目一PLC的基础知识 (1) 采用性能优良的电源，可以抑制电网引起的干扰。在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要是通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。对于通过PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于通过变送器供电的电源和与PLC系统有直接电气连接的仪表的供电电源，并没有受到足够的重视，虽然有些采取了一定的隔离措施，但还不普遍，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，会经电源耦合而串入共模干扰和差模干扰。所以，对于变送器供电和共用信项目一PLC的基础知识 号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少对PLC系统的干扰。此外，为了保证电网馈电不中断，可采用不间断供电电源(UPS)来供电，以提高供电的安全可靠性。UPS具有较强的干扰隔离性能，是PLC控制系统的理想电源。(2) 硬件滤波措施。在干扰较强而可靠性要求较高的场合，可使用带屏蔽层的隔离变压器对PLC系统供电，还可以在隔离变压器一次侧串接滤波器来减少电源干扰。(3) 正确选择接地点，完善接地系统。项目一PLC的基础知识 2. 控制系统的接地设计控制系统的接地设计良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一是为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。接地系统的接地方式一般有串联式单点接地、并联式单点接地、多分支单独接地3种方式。PLC控制系统一般采用第3种接地方式，即单独接地。项目一PLC的基础知识 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，从而影响系统正常工作。例如，电缆屏蔽层必须一点接地，如果两端都接地，就会存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将会更大。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内又会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合干扰信号回路。若系统地与其他接地混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容项目一PLC的基础知识 限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存储，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。3. 防防I/O干扰干扰由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时会引起元器件损伤。对于隔离性能较差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动作或死机。一般可采取以下措施来减小I/O干扰对PLC系统的影响。(1) 从抗干扰角度选择I/O模块。项目一PLC的基础知识 (2) 安装与布线时应注意： 动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。将PLC的I/O线和大功率线分开走线，如必须在同一线槽内，可加隔板，分槽走线最好，这样不仅能使其有尽可能大的空间距离，还能将干扰降到最低限度。 PLC应远离强干扰源，如电焊机、大功率硅整流装置和大型动力设备，不能与高压电器安装在同一个开关柜内。在柜内，PLC应远离动力线(二者之间距离应大于200 mm)；与PLC装在同一个柜子内的电感性负载，如功率较大的继电器、接触器的线圈等，应并联RC电路。项目一PLC的基础知识 PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。 交流输出线和直流输出线不要使用同一根电缆；输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行。(3) 考虑I/O端的接线：输入接线一般不要太长，但如果环境干扰较小，电压降不大，输入接线可适当长些；输入线和输出线要分开；尽可能采用常开触点形式连接到输入端，使编制的梯形图与继电器原理图一致，以便于阅读，但急停、限位保护等情况例外；输出端接线分为独立输出和公共输出，在不同组中，可采用不同类型和电压等级的输出电压，项目一PLC的基础知识 但在同一组中的输出只能使用同一类型、同一电压等级的电源。由于PLC的输出元件被封装在印制电路板上，并且连接至端子板，若将连接输出元件的负载短路，将会烧毁印制电路板。当采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小会影响到继电器的使用寿命，因此在使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。(4) 正确选择接地点，完善接地系统。(5) 对变频器干扰的抑制。项目一PLC的基础知识 五、编制梯形图的注意事项五、编制梯形图的注意事项编制梯形图程序时应注意如下问题：(1) 梯形图中的线圈应放在最右边，线圈后不应再有任何触点。(2) 除极少数指令(如ILC、JME等)不允许有执行条件外，几乎所有的指令都需要执行条件。如果指令在PLC上电后需要无条件一直执行，不能直接连到母线上，可以将SR区的常ON标志(25313)或OFF标志(25314)取“反”后作为执行条件。如果一条指令在PLC上电后只需执行一次，可以将SR区的标志位25315作为执行条件。25315在PC运行的第一个扫描周期处于ON状态，然后处于OFF状态。这种用法常出现在对PLC进行初始化设置的程序段上。项目一PLC的基础知识 (3) 触点不能画在垂直路径上。(4) 编程时，对于逻辑关系较复杂的程序段，应按照先复杂后简单的原则编程。有几个串联电路相并联时，应将触点最多的串联电路放在梯形图最上面；有几个并联电路串联时，应将触点最多的并联电路放在梯形图的最左边。这样安排可以使所编制的程序简洁明了，有时还可节省语句。(5) 尽量避免双线圈输出。如果在同一个程序中，同一个元件的线圈出现了两次或多次，则可称为双线圈输出，这时前面的输出无效，最后一次输出才是有效的。一般在程序中不应出现双线圈现象，因为容易引起逻辑上的混乱。项目一PLC的基础知识 六、六、PLC控制系统的调试控制系统的调试系统调试是系统在正式投入使用之前的必经步骤。PLC控制系统既有硬件部分的调试也有软件部分的调试，与继电器控制系统相比，PLC控制系统的硬件调试要相对简单，主要是PLC程序的编制和调试。一般可按以下几个步骤进行：应用程序的编制和离线调试、控制系统硬件检查、应用程序在线调试、现场调试、总结整理相关资料、系统正式投入使用。项目一PLC的基础知识 七、七、PLC程序的设计方法程序的设计方法1. 逻辑设计法逻辑设计法当主要对开关量进行控制时，使用逻辑设计法比较好。逻辑设计法的基础是逻辑代数。在程序设计时，对控制任务进行逻辑综合分析，将控制电路中元件的通、断电状态视为以触点通、断状态为逻辑变量的逻辑函数，对经过化简的逻辑函数利用PLC的逻辑指令可以顺利地设计出满足要求的、较为简练的控制程序。这种方法设计思路清晰，所编写的程序易于优化，是一种较为实用、可靠的程序设计方法。项目一PLC的基础知识 2. 时序图设计法时序图设计法若PLC各输出信号的状态变化有时间顺序，可选择时序图设计法来设计程序。因为可以根据时序图容易理顺各状态转换的时刻和转换的条件，从而可以建立清晰的设计思路。下面把时序图设计法归纳如下：(1) 详细分析控制要求，明确各输入、输出信号的个数和类型，合理选择机型。(2) 明确各输入、输出信号之间的时序关系，并画出输入、输出信号的工作时序图。(3) 把时序图划分若干个时序区间，确定各区间的时间长短。找出各区间的分界点，弄清分界点处各输出信号状态的转换关系和转换条件。项目一PLC的基础知识 (4) 确定所需定时器的数量和定时器的设定值，根据每个时间区间各输出信号的状态列出状态转换明细表。(5) 对PLC进行I/O分配。(6) 根据定时器的功能明细表、时序图和I/O分配表编写梯形图程序。(7) 做模拟实验，检查程序是否符合控制要求，进一步修改、完善程序。一般来说，对于复杂的控制系统，若某些环节属于这种控制，就可以应用时序图的方法来进行处理。项目一PLC的基础知识 3. 顺序控制功能图设计法顺序控制功能图设计法对那些按动作的先后顺序进行控制的系统，非常适宜使用顺序控制功能图设计法编程。功能图能清楚地表现出系统各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及转换条件。顺序控制功能图设计法虽然编出的程序偏长，但程序结构清晰，可读性好。项目一PLC的基础知识 4. 经验设计法经验设计法所谓经验设计法，是依据典型的控制程序和常用的程序设计方法来设计程序，以满足控制系统的要求。这种方法没有普遍的规律可以遵循，而是具有很大的试探性和随意性，最后结果不是唯一的，设计所用的时间、设计的质量与设计者的经验有很大的关系，它可以用于比较简单的梯形图的设计。在熟悉继电器控制电路设计方法的基础上，如果能透彻地理解PLC各种指令的功能，则凭着经验能比较准确地选择使用PLC的各种指令而设计出相应的程序。这种方法没有固定的模式可循，设计出的程序质量与个人的经验有很大关系。项目一PLC的基础知识 5. 继电器控制电路图转换设计法继电器控制电路图转换设计法用PLC控制的系统或设备功能完善，可靠性好，所以用PLC控制取代继电器控制已是大势所趋。有些继电器控制的系统或设备经过多年的运行实践证明设计是成功的，若欲改用PLC控制，则可以在原继电器控制电路的基础上，经过合理转换，或者说经过适当“翻译”，从而设计出具有相同功能的PLC控制程序。把继电器控制转换成PLC控制时，要注意转换方法，以确保转换后系统的功能不变。项目一PLC的基础知识 本项目工作任务的评分标准如表1-6所示。表表1-6评评 分分 标标 准准