可编程控制器（PLC）和PLC控制系统

可编程控制器（PLC）和PLC控制系统摘要该毕业设计介绍了可编程控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的定义、特点、分类、技术指标、基本结构、工作原理、硬件知识及PLC控制系统等相关知识。并且，根据全自动洗衣机的工作原理，采用三菱公司的FXON系列的PLC实现控制，设计了一个简单的全自动洗衣机控制系统。全自动洗衣机通过了可编程控制器来实现洗涤过程，省时省力，充分体现了现代家电用品的个性。 关键词：全自动洗衣机 PLC FXON系列前言 可编程控制器是以计算机为核心的通用自动控制装置，它的功能性强、可靠性极强、编程简单、使用方便、体积小。现已广泛应用于工业控制的各个领域，它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。该设计采用三菱公司的FXON系列可编程控制器。三菱公司的各系列有被已在国内广泛使用的FX系列代替的趋势。我们在这里有必要详细介绍三菱的FX系列可编程控制器的性能指标，硬件组成和指令。PLC的学习比一般编程学习困难在于，要完成一个控制系统不仅需要掌握一定的编程技术，更为重要的是要知道如何针对实际应用的需要选择合适的PLC型号，然后进行资源配置，设计控制系统。该设计为全自动洗衣机的PLC控制，主要介绍了全自动洗衣机的工作原理，控制系统的PLC的选型和资源的配置，控制系统程序设计与调试，控制系统PLC程序。最后，对于在设计过程中给予极大鼓励和帮助的老师、同学，再次表示衷心的感谢。由于在设计过程中存在许多不足，希望老师和同学指正。目录摘要1前言2第一章 绪论51.1 概论51.1.1 PLC的定义51.2 PLC的特点51.2.1 可靠性高61.2.2 易操作性71.2.3 灵活性81.2.4 机电一体化91.3 PLC 的分类91.3.1按结构分类91.3.2按输入/输出点数分类101.3.3按功能分类11 1.3.4按编程语言分类11 1.4 PLC的主要技术指标11 1.4.1编程语言11 1.4.2储蓄容量12 1.4.3输入/输出点数13 1.4.4扫描速度13 1.4.5指令种类和数量14 1.4.6内部寄存的种类和数量14 1.4.7智能模块的种类和数量14 1.4.8环境条件14 1.4.9可扩展性14 1.4.10 可靠性15 1.4.11易操作性16 1.4.12经济性16第二章 PLC的结构17 2.1PLC的基本结构17 2.2整体式的结构PLC17 2.3模块式结构的PLC17 2.4PLC各组成部分介绍18 2.5基本指令19第三章 PLC的工作原理21 3.1循环扫描技术213.2PLC的输入/输出的响应时间22 第四章 PLC的控制系统设计原则和设计步骤254.1设计原理254.2设计步骤25第五章 PLC的硬件知识255.1PLC模块介绍255.2FX2N PLC的硬件系统构成34第六章 课程设计PLC全自动洗衣机控制系统设计366.1全自动洗衣机控制系统的设计要求366.2全自动洗衣机控制系统的PLC选型和资源配置366.3全自洗衣机控制系统程序设计和调试396.4全自动洗衣机控制PLC程序416.5设计小结48第七章 结束语49第一章 绪论 首先介绍一下可编程控制器（PLC）和PLC控制系统的基本知识，包括PLC的产生和发展、特点、技术指标、基本结构、工作原理及PLC控制系统等相关知识。 1.1概述可编程控制器是在计算机技术、通讯技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现在已经广泛应用于控制的各个领域。它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。1.1.1 PLC的定义PLC自问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会(IEC)先后颁布了PLC标准的草案第一、二、三稿，并在1987年作了如下的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程控制器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及基有关外部设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充基其功能的原则设计的。”总之，可编程控制器是一台专为工业环境而设计的计算机，它是将传统的计算机技术、继电器技术和通信技术相融合而发展起来的一种新型的控制装置。在具体国内工业应用中，由于它不是针对某一具体的工业应用，因此它的硬件应根据实际需要来进行配置，其软件则根据控制要求进行编写。1.2 PLC的特点PLC是传统的继电器技术和计算机技术相结合的产物，所以在工业控制方面，它具有继电器或通用计算机所无法比拟的特点。1.2.1可靠性高对可以维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高，表现在下列方面。 与继电器逻辑控制系统比较，可编程控制器可靠性提高的主要原因如下： 可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件，它接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短，因此，可靠性得到提高。 可编程控制器采用一系列可靠性设计的方法进行设计，如冗余设计、掉电保护、故障诊断、信息保护及恢复等，提高了MTBF（可达1000000h），比继电器逻辑控制系统提高了一个数量级。降低了MTTR，是可靠性得到提高。 可编程控制器有较强的易操作性，它具有编程简单、操作方便、维修容易等特点，因此，降低了对操作和维修人员的技能要求，操作和维修人员容易学习和掌握，不容易发生操作的失误，可靠性因此提高。 与通用计算机控制系统比较，可编程控制器可靠性提高的主要原因如下： 可编程控制器是为工业生产过程控制而专门设计的控制装置，它具有比通用计算机控制系统更简单的编程语言和更可靠的硬件。采用了精简化的标准编程语言，编程的出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境而设计的硬件使可靠性大大提高，因此，可编程控制器可靠性较通用计算机控制系统的可靠性有较大提高。 可编程控制器的硬件设计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，采用先进的工艺制造流水线，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等，采用电源的掉电保护、存储器内容的保护，采用看门狗、其他自诊断措施、便于维修的设计等。在硬件方面，由于采用性能优良的开关电源，并且对选用的器件进行严格的筛选，加上合理的系统结构，最后加固、简化安装，因此PLC具有很强硬的抗振动冲击性能；无触点的半导体电路来完成大量的开关动作，就不会出现继电器系统中的器件老化、脱焊、触电电弧等问题；所有的输入/输出接口都采用光电隔离措施，使外部电路和PLC内部电路能有效的进行隔离；PLC模块式的结构，可以再其中一个模块出现故障时迅速地判断出故障的模块并进行更换，这样就能尽量的缩短系统的维修时间。 可编程控制器的软件设计采用一系列提高系统可靠性的措施。例如，采用软件滤波、软件自诊断、简化编程语言、信息保护和恢复、报警和运行信息的显示等。在软件方面，PLC的监控定时器可用于监视执行用户程序的专用运行处理器的延迟，保证在程序出现错误和程序调试时，避免因程序错误而出现死循环；当CPU、电池、I/O口、通信等出现异常时，PLC的自诊断功能可以检测到这些错误，并采取相应的措施，以防止故障扩大；停电时，后电池盒正常工作时一样，进行对用户程序及动态数据的保护，确保信息不丢失。一份用户选用可编程控制器原因的调查报告指出，在各种选用可编程控制器的原因中，有93%的用户是因为可编程控制器的可靠性高而选用的，因此可靠性高是首要原因；其次，才是性能和维修方面的原因。可见，可靠性高时可编程控制器的主要特点。 1.2.2易操作性 可编程控制器的易操作性表现在下列三个方面。操作方便。可编程控制器的操作包括程序输入的操作和程序更改的操作。大多数的可编程控制器采用编程器进行程序输入和更改操作。编程器至少提供了输入信息的显示，多数可编程控制器的编程器采用个人计算机，提供了屏幕显示功能，因此，程序的输入能直接显示。更改程序的操作也可根据所需地址编号、变量或接点号等直接进行搜索或顺序寻找，然后可在线或立现更改，更改的信息可在液晶或CRT屏幕显示。所以，可编程控制器具有操作方便的特点。编程简单。可编程控制器有多种标准编程语言可供使用。对电气技术人员来说，由于梯形图编程语言与电气原理图相似，因此，更容易掌握和理解。采用语句表编程语言编程时，由于编程语言是功能的所学，便于记忆，并且与梯形图一一对应，所以，有利于编程人员编程操作。顺序功能表图编程语言以过程流程进展为主线，非常适合设计人员与工艺专业人员进行设计思想的沟通。功能块图编程语言和结构化文本编程语言的编程方法的应用正在普及，由于他们具有功能清晰、易于理解等优点，正为广大技术人员所接纳和采用。维修方便。可编程控制器所具有的自诊断功能对维修人员技能的要求降低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示灯信息，或通过编程器和CRT屏幕的显示，直接找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间，降低了MTTR.为了便于维修工作的开展，有些可编程控制器制造厂商提供维修用的专用仪表或设备，提供故障树等维修用资料，有些厂商还提供维修用智能卡件或插件板，使维修工作变得十分方便。采用标准化元件和标准化工艺生产流水线作业，使维修用备品、备件简化等，也使维修工作变得方便。可编程控制器的面板和结构设计业考虑了维修的方便性。例如，将需要维修的部件设置在便于维修的位置，将信号灯设置在易于观察的部位，接线端子采用便于接线和更换的类型等，这些设计使维修工作能方便地进行，大大缩短了维修时间。1.2.3灵活性可编程控制器的灵活性表现在下列三方面。编程的灵活性。可编程控制器采用的标准编程语言有梯形图、语句表、功能表图、功能模块图和结构化文本编辑语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程。编程方法的多样性使编程方便，应用面拓展。采用软连接方法，生产工艺流程更改或者生产设备更换后，可不必改变可编程控制器的硬设备，通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。种种改变成的灵活性是继电器顺序控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点，使可编程控制器能大量地替代继电器书按需控制系统，成为当今工业控制领域的重要控制设备。在柔性制造控制（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）和计算机集成流程工业系统（CIPS）中，可编程控制器正成为主要的控制设备，并得到了广泛应用。扩展的灵活性。可编程控制器的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入/输出卡件增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台可编程控制器的通信来扩大容量和功能，甚至可通过与集散控制系统（DCS）或其他上位机的通信来扩展其功能，并与外部设备进行数据的交换等。这种扩展的灵活性大大方便了用户。操作的灵活性。操作灵活性指设计工作量、编程工作量和安装施工工作量的减少。操作变得十分方便和灵活，监视和控制变得容易。在继电器顺序控制中所需要一些操作得到简化，不通生产过程可采用相同的控制台或控制屏等。1.2.4机电一体化为使工业生产过程的控制更平稳、更可靠，实现优质、高产、低耗，对过程控制设备和装置提出了机电一体化仪表、电子、计算机综合的要求。可编程控制器正是这已要求的产物，它是专为工业过程控制而设计的控制设备，具有体积小、功能强，抗扰性好等优点，它将机械与电气部件有机的结合，把仪表、电子和计算机的功能综合和集成一起，因此，它已成为当今数控技术、工业机器人、过程流程控制等领域的主要控制设备。1.3 PLC的分类可编程控制器产品的种类很多，一般可从它的结构形式、输入/输出点数以及功能范围进行分类。1.3.1 按结构分类 可编程控制器是专门为工业环境而设计，为了便于现场安装和接线，其结构形式与一般计算机有很大区别。主要有整体式和模块式两种结构形式。整体式结构。整体式结构型可编程控制器把中央处理单元、存储器、输入/输出单元、输入/输出扩展接口单元、外部设备接口单元和电源单元等集中在一个机箱内，输入/输出端及电源进出接线端分别设置在机箱的上下两侧。机箱的面板上有相应的发光二极管LED显示输入/输出、电源及系统的运行状态，面板上还留有输入/输出扩展接口的插座、外部设备接口的插座和EPROM存储器的插座等。整体结构的可编程控制器具有输入/输出点数少、体积小等优点，适用于单体设备的开关量控制和机电一体化产品的开发应用等场合。模块式结构。模块结构型可编程控制器把中央处理单元和存储器做成独立的组件模块，把输入/输出等单元做成各自相对独立的模块，然后组装在一个带有电源单位的机架或背板上。在机架或背板上有若干个模块插槽或插座和连接这些插槽或插座的内部系统总线。一些产品的机架或背板上还安装了与输入/输出扩展机连接的接口插座等。各种模块的一侧安装与内部系统总线连接用的插头，用于与机架或背板连接；另一侧有与输入/输出扩展机、外部设备相连的接口插座或现场控制信号相连的输入/输出接线端，模块上的各种状态指示灯也设置在这一侧。模块式结构的可编程控制器具有输入/输出点数可自由配置，模块组合灵活等特点，适用于复杂过程控制系统的应用场合。1.3.2按输入/输出点数分类为了适应不同生产过程的应用要求，可编程控制器能处理的输入/输出点数是不同的。按其处理的输入/输出点数的多少，可分为超小型、小型、中型、大型、超大型五种类型。表1-1列出了各种类型可编程控制器的类型和特点。表1-1：类型输入/输出总点数信号类型用户程序容量结构形式超小型64开关量1KB整体型小型512开关量8KB整体型中型1024开关量、模拟量16KB模块型大型4096有特殊I/0单元32KB模块型超大型4096功能强，与DCS相当32KB模块型但是有的书籍又有下列说法：小型PLC连接开关量I/O模块、模拟量I/O模块以及其它各种特殊功能模块，能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、输入/输出点数在128点一下的PLC称为小型PLC。其特点是体积小、结构紧凑，它可以据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。中型PLC输入/输出点数在128512点之间的PLC称为中型PLC。它除了具有小型机所能实现的功能外，还具有强大的网络通信功能、更丰富的指令系统、更大的内存容量和更快的扫描速度。大型PLC输入/输出点数大于512的PLC称为大型PLC。它具有强大的软件硬件功能、自诊断功能、通信联网功能，它可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。另外大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器具有更高的可靠性。1.3.3按功能分类根据工业生产过程中控制系统复杂程度的要求不同，可编程控制器的功能各不相同，大致分为抵挡、中档、高档三个档次。表12列出了它们的主要功能。表12：类型功能抵挡开关运算、逻辑运算、计时和计数中档开关量和模拟量控制、数字运算、中断控制、通信高档开关量和模拟量控制、矩阵运算、数据管理、通信联网1.3.4按编程语言分类根据可使用的编程语言，可编程控制器可分为传统可编程控制器、标准编程语言可编程控制器和基于PC的软逻辑可编程控制器等。此外，也可根据其发展和应用，分为可编程控制器、可编程自动化控制器、可编程安全控制器等。1.4 PLC的主要技术指标1.41编程语言编程语言是可编程控制器标准化和操作性的重要指标。标准可编程控制器编程语言有梯形图、指令表、顺序功能表图、功能模块图和结构化文本等。不同可编程控制器产品可能拥有其中一种、两种或多种编程语言。早起可编程控制器产品的编程语言并不统一，各制造商根据各自产品开发专用编程语言，使程序的移植很困难。为此，IEC 611313制定了标准编程语言，为便于制造商产品与标准的一致，PLCopen制定了三个一致性等级。即基本级、可重复使用级、和全兼容级。可编程控制器的产品符合基本级表示该产品能解决小系统的可移植性，符合可重复使用级和全兼容级的产品能够解决功能块程序的可移植性。梯形图编程语言是在原电气控制系统中常用的接触器、继电器线路基础上演变而来，它与电气操作原理图相对应，为广大电气工程师所熟知，是可编程控制器主要的编程语言。指令表编程语言是一种用与汇编语言类似的助记符号进行编程的编程语言，它用一系列可编程控制器操作指令组成的助记符号来描述控制逻辑关系。功能块图编程语言是近年来用于DCS等控制系统组态的编程语言。由于它采用图形化方式表示功能块之间的连接关系，具有直观清晰、易于操作和更改等特点，受到过程控制工程界的重视，并成为可编程控制器一种重要的编程语言。结构化文本编程语言采用高级语言编制应用程序，特别适用于复杂控制系统的描述，但对编程人员的技能要求较高。顺序功能表图编程语言是近30年来才开发的编程语言，它采用步描述控制系统的各个操作状态，对应于每个活动步，相连接的命令或动作被执行。这种编程语言对于复杂控制系统有情绪的描述，程序执行时间段，受到用户的欢迎。1.4.2存储器容量存储器用来存储程序和系统参数等。其容量是由用户程序存储器和数据存储器组成的。程序存储器容量大小决定了用户所能编写程序的长度。一般中小型PLC的存储器容量在16GB以下，大型的PLC可达到2MB左右。可编程控制器的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器组成。系统程序是制造厂商根据生产的可编程控制器所需达到的功能而编写，并被固化在作为系统程序存储器的PROM或EPROM中，因此，系统程序存储器的容量大小是确定的。用户程序是用户根据实际生产过程控制的应用要求而编写的，因此，用户程序存储器的容量和数据存储器的容量与实际过程控制的要求有关，其容量是不固定的。可编程控制器制造厂商根据其产品的功能、处理的输入/输出点数等性能配置用户程序存储器的容量和数据存储器的容量。为此，用户必须根据实际应用应用情况选择有相应用户程序存储器容量和数据存储器容量的可编程控制器产品。在选择可编程控制器时，可编程控制器的存储容量通常指用户程序存储器容量和数据存储器容量之和。1.4.3输入/输出点数输入/输出点数是根据工业系统控制要求所得到的对应于PLC的输入/输出端的个数。I/O点数越多，说明需要控制的器件和设备就越多。可编程控制器输入/输出单元的种类和点数多少决定其应用规模的大小。不同种类可编程控制器适用范围不同。用户应根据实际生产过程中输入/输出信号点数和信号类型等选择不同种类的可编程控制器或相应的输入/输出模块。通常，开关量输入/输出单元采用最大的输入/输出点数表示，模拟量输入/输出单元采用最大输入/输出通道数表示。对特殊的应用，如需要高速计数功能、轴定位控制功能等时，需要有特殊的输入模块或输出模块。1.4.4扫描速度扫描速度与产品选用的CPU性能、系统程序的质量、用户程序的长短和所用指令等有关。在系统程序支持下，可编程控制器主要任务是循环扫描六大任务，保证系统正常运行的公共操作、系统与外界的信息交换和用户程序执行等任务。每次循环所用的扫描时间（扫描时间是指CPU内部根据用户程序，按逻辑顺序，从开始到结束扫描一次所需的时间。PLC用户手册一般给出执行指令所用的时间）主要有扫描这些任务所需时间决定。第一部分、第二部分任务所需时间基本固定，不同产品类型决定其运行时间的长短。第三部分任务是用户程序执行，它执行的时间随用户编程应用程序的不同而变化。有两种表示可编程控制器扫描速度的方法：一种方法是可编程控制器扫描1KB用户程序所需的时间，其单位是ms/KB或s/KB；另一种方法是执行常用逻辑类指令的平均时间，其单位是ms或s。根据可编程控制器产品的扫描时间和用户程序，可大致估算程序的扫描周期，其值应小于系统WDP的设定值。1.4.5指令种类和数量指令的种类和数量决定了用户编制程序的方式和PLC的处理能力和控制能力。1.4.6内部寄存的种类和数量内部寄存器主要包括定时器、计数器、中间继电器、数据寄存器和特殊寄存器等。它们主要用来完成计时、技术、中间数据存储、数据存储还有其他一些功能。种类和数量越多，PLC的功能就越强大。1.4.7智能模块的种类和数量智能模块是指完成模拟量控制、远程控制以及通信等功能模块。智能模块种类和数量越多，说明PLC的功能就越强大。1.4.8环境条件可编程控制器是根据工业现场的恶劣环境设计，但在选用可编程控制器时还应考察下列三个方面的使用指标。工作环境。包括工作环境的温度、湿度、环境中尘埃的要求等。电源要求。包括电源电压、频率、电压纹波系数、电压瞬间跌落、容量等。抗干扰性能。包括耐压强度、抗电磁干扰强度、抗震动强度等。1.4.9可扩展性可编程控制器产品本身的发展建立在可扩展性基础上。用户选择可编程控制器时要考虑的可扩展性包括下列内容。输入/输出点数的扩展。输入/输出点数的可扩展性指是否还可连接输入/输出扩展机架或母版，是否可在原有机架或母版上再安装输入/输出模板等。可编程控制器的控制容量大小主要表现在它能处理多少输入/输出点数，而影响输入/输出点数增加的因素是机器的结构和程序的扫描速度等，用户在选择机型是应充分考虑输入/输出点数的可扩展性。存储器容量的扩展。可编程控制器存储器容量的大小与用户应用程序的复杂程度和用户编程技巧有关。当输入/输出点数扩展后，如果用户程序容量不能扩展，则可能会因用户程序容量不足而受到影响。因此，用户选择机型时要考虑存储器容量的可扩展性。控制区域的扩展。可编程控制器的控制区域扩展主要表现为通信联网功能，当可编程控制器的控制区域扩展时，可通过通信网络组成分别式控制系统，因此，用户在选型时应考虑可编程控制器产品是否有通信功能，通信功能的强弱等。控制功能的扩展。可编程控制器的功能在订货时已经确定，但一些制造厂商也可通过提供不同的软件使用户得到不同的软功能。控制功能的扩展也包括是否能提供相关智能控制功能模块等，选型时应根据实际应用要求合理选用。冗余功能的扩展。在重要应用场合，可编程控制器应考虑冗余配置。包括电源冗余、CPU冗余、输入/输出冗余和通信系统冗余等。一些可编程控制器可以进行各种冗余配置，一些产品则没有冗余功能的扩展，选型时应根据实际应用要求合理选用。安全功能扩展。随着对安全要求的不断提升，对可编程控制器的安全性和可编程控制器系统的安全性能提出越来越高的要求，可编程控制器的安全功能扩展包括对安全可编程控制器的选用和扩展。1.4.10可靠性可靠性是可编程控制器能够长盛不衰的主要原因。由于它的可靠性而选用的比例最高，而且是第一位的原因。这是由于可编程控制器是为工业环境的应用而设计的产品，因而产品的可靠性必然是放在首位考虑的因素。可靠性指标用可靠度、平均寿命、平均无故障时间、有效率等来评估。对于可维修的系统或设备，除了可靠性指标外，还有可维护性指标，通常用平均维修时间等指标来 可维修性。可编程控制器在提高可靠性和可维修性方面采取了很多措施。例如，采用大规模或超大规模集成电路芯片，减少焊点；采用低功耗CMOS元件器，降低功耗和发热；采用表面安装技术，增大元件和电路板的接触面积；优化电路设计；采用高可靠性元器件和自动化流水线作业；接线端座采用插拔式结构，便于减少维修时间；采用模块式结构，减小故障影响范围；采用自诊断、冗余技术、容错技术和标准化设计等。正是由于采用了可靠性设计，使可编程控制器的可靠性和可维修性大大提高。14.11易操作性可编程控制器的易操作性表现为易操作、易编程和易维修。易操作使操作人员能及时得到生产过程的信息，及时对生产过程进行操作和控制；易编程使设计人员能方便地把设计思想编程用户应用程序，程序的输入和更改十分简单，并能在不影响生产过程运行的条件下进行在线更改，以适应生产过程控制的要求；易维修使维修人员能从可编程控制器提供的信息中及时找到故障原因和部位，能方便地更换故障的部件和模块。易操作性还表现在编制的程序能为自控设计人员、工艺技术人员、安装人员和操作人员所理解，以便及时得到沟通，缩短设计、安装和调试时间。可编程控制器在易操作性方面采取了不少措施。例如，提供多种编程语言，供用户使用；编程语言与计算机汇编语言比较，更易学习、掌握和理解；不少制造厂商提供的产品可以进行在线编程，便于程序更改；为了对运行过程进行监视和进行模拟操作，还提供各种指令和监视显示；为了使操作人员能及时了解故障部位，各个模块设置相应的故障信号灯；此外，标准化机架、方便地通信功能等也使可编程控制器的易操作性得到提高。1.4.12经济性任何一个产品都与经济性有关。一个好的可编程控制器产品，应该是它的性能满足工业生产过程控制应用要求的条件下有较高的性能价格比。即在选择可编程控制器产品时，首先应使产品满足生产过程控制的应用要求，在此前提下，应选择价格较低的产品。当然，经济性还与初期投资和今后的维修费用有关。有时，产品的初期投资不高，但因可靠性较差或产品质量较差，使投产后的维修费用居高不下。在选择可编程控制器产品时应进行充分比较，合理选用。在考虑经济性时，可用投资回收率来对产品进行评估。第二章 PLC的结构和工作原理2.1 PLC的基本结构PLC实质是用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。根据结构形式的不同，PLC的基本结构分为整体式和模块式结构两类。2.2 整体式结构的PLC整体式结构的PLC由中央处理器(CPU)、存储器、I/O单元、电源电路和通信端口等组成，并将这些组装在一起。基本结构框图如图21所示。 图21整体式结构2.3模块式结构的PLC模块式结构的PLC是将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出单元、电源电路和通信端口等分别做成相应的模块，应用时将这些模块根据要求插在机架上，各模块间通过机架上的总线想到联系。基本结构框图如22所示。 图22 模块式结构2.3 PLC各组成部分介绍中央处理器 中央处理器（CPU）是PLC的核心部分，相当于PLC的“大脑”。它通过系统总线与用户存储器、输入/输出（I/O）、通信端口等单元相连。通过制造厂家预制在系统存储器内部的系统程序完成各项任务。其主要功能是由编程器写入控制程序和数据到存储器、检验用户程序、从存储器上读取和执行程序，还可以进行PLC内部故障的诊断等。存储器根据存储器存储内容的不同，我们把存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。系统城西存储器：用来存入软件的存储器。系统程序相当于计算机操作系统，是PLC厂家根据选用的CPU的指令系统编写的，并固化到ROM里，用户不能修改其内容。用户程序存储器：用以存放PLC运行中的各种数据的存储器。因为运行中数据不断变化，所以这种存储器必须可读写。输入/输出单元输入/输出单元是PLC与外部设备连接的纽带。输入单元接收现场设备向PLC提供的开关量信号，经过处理后，变成CPU能够识别的信号。输出单元将CPU的信号经处理后来控制外部设备的。电源部分不同型号的PLC有同的供电方式，所以PLC电源的输入电压即有12V和24V直流，又有110V和220V交流。编程器几乎每个PLC厂家都有自己的编程器，用户通过编程器来编写控制程序，并通过编程器接口将自己的控制程序输入到PLC。它还可以在线监测程序的运行情况。在出现故障时，通过编程器可能很方便地找出错误。特殊功能单元主要包括模拟量输入/输出单元、远程I/O模块、通信模块、高速计数模块、中断输入模块和PID调解模块等。随着PLC的进一步发展，特殊功能单元的应用也越来越多。2.5基本指令2.5.1 LD/LDI指令：LD和LDI指令是连接在母线接线的触点，表示操作开始。LD是常开触点，LDI是常闭触点。2.5.2 AND/ANI指令：AND和ANI指令时串联连接的触点，AND是常开触点，ANI是常闭触点。2.5.3 OR/ORI指令：OR和ORI指令是并联连接的触点，执行逻辑“或”的功能。OR是常开触点，ORI是常闭触点。2.5.4 OUT指令：OUT指令执行逻辑输出功能，条件成立时为ON，条件不成立时是OFF。2.5.5 ANB/ORB指令：ANB完成支路间的串联的功能，用于执行支路之间“于”操作；ORB完成支路间的并联的功能，用于执行支路之间“或”操作。2.5.6 比较指令：CMP（Compare）的功能指令编号为FNC10，16位运算占7个程序步，32位运算占13个程序步。2.5.7传送指令：MOV的功能号为FNC12，它是将源操作数的内容传送目标操作数。2.5.8四则逻辑运算指令二进制加法指令ADDADD的功能号为FNC20，它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相加，然后运算结果传送到指定的目标操作数中。二进制减指令SUBSUB的功能号为FNC21。它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相减，然后运算结果传送到指定的目标操作数中。二进制乘法指令MULMUL的功能号为FNC22，它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相乘，然后运算结果传送到指定的目标操作为地址的软元件中。二进制除法指令DIVDIV的功能号为FNC22.它是将源操作数S1和S2中的16位二进制数相除，然后运算结果传送到指定的目标操作数D中，余数传送到D+1中。第三章 PLC的工作原理可编程控制器是专门的工业控制计算机。其工作原理建在计算机控制系统工作原理基础上，但根据其工业环境的应用条件，为便于现场电气技术人员的使用和维护，它配置了大量接口组件，采用特定监控软件，专用变成器件等。因此，从外形看，可编程控制器不同于计算机，它的操作方法、编程语言、工作过程也与计算机控制系统有区别。PLC的工作原理与继电器构成的控制装置一样，但是工作方式不太一样。继电器控制是并行运行方式，即如果输出线圈通电或断电，该线圈的触点立即动作。而PLC则不同，它采用循环扫描技术，只有该线圈通电或断电，并且必须当程序扫描到该线圈时，该线圈触点才会动作。也可以说继电器控制装置是根据输入和逻辑控制结构就可以直接得到输出，而PLC控制则需要输入传送、执行程序指令、输出3个阶段才能完成控制过程。3.1循环扫描技术PLC采用循环扫描技术可以分为3个阶段，输入阶段（将外部输入信号的状态传送到PLC）、执行程序阶段和输出阶段（将输出信号传送到外部设备）。扫描过程如图31所示。输出阶段输入阶段程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段程序执行阶段 一个扫描周期 图31 扫描过程3.1.1输入阶段在这个阶段中，PLC读取输入信号的状态和数据，并把它们存入相应的输入存储单元。3.1.2执行程序阶段在这个阶段中，PLC按照由上到下的次序逐步执行程序指令。从相应的输入存储单元读入信号的状态和数据，然后根据程序内部继电器、定时器、计数器数据存储器的状态和数据进行逻辑运算，得到运算结果，并将这些结果存入相应的输出存储器单元。这一阶段执行完后，进入输出阶段。在这个程序执行中，输入信号的状态和数据保持不变。3.1.3输出阶段在这个阶段中，PLC将相应的输出存储单元的运算结果传送到输出模块上，并通过输出模块向外部设备传送输出信号，开始控制外部设备。3.2 PLC的输入/输出响应时间I/O响应时间是指某一输入信号从变化开始到系统相关输出端信号的改变所需要的时间因为PLC的循环扫描工作方式，所以受到输入信号的时刻不同，响应时间的长短也不同。下面就给出了最短和最长响应时间。最短响应时间：一个扫描周期刚结束就受到输入信号，即受到这个输入信号与开始下一个扫描周期同时，这样的响应时间最短。考虑到输入电路和输出电路的延时，所以最短响应时间应大于一个扫描周期。最短响应时间如图32所示。程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段输出输入一个扫描周期| 最 长 响 应 时 间 |图32最长响应时间 最长响应时间：在一个扫描更完成输入读取后才接到输入信号，这样这个输入信号在该扫描周期将不会发生改变，要等到下个扫描周期才能得到响应。这时响应时间最长如图33所示。程序执行阶段输出阶段输入程序程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段输出阶段输入阶段程序执行阶段一个扫描周期输入输出| 最 长 响 应 时 间|图33最长响应时间 第四章PLC控制系统设计原理和设计步骤 4.1设计原理PLC控制系统是为工艺流程服务的，所以它首先要能很好的实现工艺提出的控制要求。PLC控制系统的设计应遵循以下原则： 根据工艺流程进行设计，力求设计出来的控制系统能最大限度满足控制要求。 在满足控制要求的前提下，尽量减少PLC系统硬件费用。 考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑到PLC系统硬件费用。 在考虑到以后控制要求的变化，所以控制系统设计时应考虑到PLC的可扩展性。 控制系统使用和维护方便、安全可靠。4.2设计步骤一般PLC控制系统的设计步骤如图41所示，具体操作如下：控制要求分析在设计PLC控制系统之前，必须对工艺流程进行细致的分析，详细了解控制对象和控制要求，这样才能真正明白自己要完成的任务，设计出令人满意的控制系统。确定I/O设备根据控制要求选择合理的输入设备（控制按钮、开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器等）并根据选用的输入/输出设备的类型和数量，确定PLC的I/O点数。选择合适的PLC确定PLC的点数后，就根据I/O点数、控制要求等来进行PLC的选择。选择包括机型。存储器容量、输入/输出模块、电源模块和智能模块等。PLC程序设计本阶段就是根据控制对象和控制要求对PLC进行编程。首先把工艺流程分为若干阶段，确定每一阶段的输入信号和输出要控制的设备，还有不同阶段之间的关系，然后画出程序流程图，最后再进行程序编制。I/O点数分配点数分配就是PLC的I/O端子和输入/输出设备的对应关系，画出I/O接线原理图。模拟调试程序编制好后，可以用按钮和开关模拟数字量，电压源和电流源代替模拟量，进行模拟调试，使控制程序基本满足控制要求。现场联机调试现场联机调试就是将PLC与现场设备进行调试。在这一步中可以发现程序存在的实际问题，然后经过修正后使其满足控制要求。整理技术文件这一步主要包括整理与设计有关文档，包括设计说明书、I/O接线原理图、程序清单和使用说明书等。开始设计控制要求分析确定I/O设备选择合适的PLCI/O点数分配PLC程序设计模拟调试现场联机调试整理技术文件设计结束 图41设计步骤示意图第五章 PLC的硬件知识本章主要介绍PLC的各种硬件模块，以及PLC硬件系统配置的相关知识。通过本章的介绍，可以了解PLC的硬件知识，并知道如何在实际中应用这些模块。由于本次毕业设计应用的是三菱系统，因此，只介绍三菱FX2N的相关知识。