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可编程控制器的概述

可编程序控制器，英文称Programmable Logical Controller，简称PLC。它是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的复杂接线、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也都很方便。用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
一、可编程控制器的基本结构
可编程控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（如下图所示）。

1、CPU模块
CPU模块又叫中央处理单元或控制器，它主要由微处理器（CPU）和存储器组成。它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、作出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如编程器、电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
2、I/O模块
I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟输入信号。
可编程序控制器通过输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器， 可编程序控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。
3、电源
可编程序控制器一般使用220V交流电源。可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供直流电压。
4、编程器
编程器是PLC的外部编程设备，用户可通过编程器输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。也可以通过专用的编程电缆线将PLC与电脑联接起来，并利用编程软件进行电脑编程和监控。
5、输入/输出扩展单元
I/O扩展接口用于将扩充外部输入/输出端子数的扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。
6、外部设备接口
此接口可将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。
二、可编程控制器的工作原理
可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，可编程序控制器通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使可编程序控制器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，直至可编程序控制器停机或切换到STOP工作状态。
除了执行用户程序之外，在每次循环过程中，可编程序控制器还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图所示）
在内部处理阶段，可编程序控制器检查CPU，模块内部
的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内
部工作。
在通信服务阶段，可编程序控制器与别的带微处理器的智
能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。
在输入处理阶段，可编程序控制器把所有外部输入电路的接
通/断开（ON/OFF）状态读入输入映像寄存器。
在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入映像寄存器的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。
在输出处理阶段，CPU将输出映像寄存器的通/断状态传送到输出锁存器。

三、可编程控制器的内存区域的分布及I/O配置

FX1S-20MR
FX2N-48MR
输入继电器X
X000-X013
X000-X027
输出继电器Y
Y000-Y007
Y000-Y027
辅助继电器M
M0-M383
M0-M499
状态S
S0-S127
S0-S499
定时器T
T0-T31（0.1S）
T32-T62（0.01S）
T63（1MS）
内置电位器型2点
VR1：D8030
VR2：D8031
T0-T199（0.1S）
T200-T245（0.01S）
T246-T249（执行中断的保持用）
T250-T255（保持用）

计数器
16位增量计数
C0-C15
C16-C31
32位高速可逆计数器最大6点
C235-C245（1相1输入）
C246-C250（1相2输入）
C251-C252（2相输入）
16位顺计数器0-32767
C0-C99
C100-C199
32位顺/倒计数器
C200-C219
C220-C234
数据寄存器D、V、Z
D0-D127（一般）
D128-D255（保持用）
D1000-D2499（文件用）
D8000-D8255（特殊用）
V7-V0（变址用）
Z7-Z0（变址用）
D0-D199（一般用）
D200-D511（停电保持用）
D512-D7999（停电保持用）
根据参考设定，可以将D1000以下作为文件寄存器
D8000-D8255（特殊用）
V0-V7（指定用）
Z0-Z7（指定用）
常数
K
16位-32768-32767
16位-32768-32767
H
16位0-FFFFH
16位0-FFFFH
四、可编程控制器的编程语言概述
现代的可编程控制器一般备有多种编程语言，供用户使用。IEC1131-3—可编程序控制器编程语言的国际标准详细的说明了下述可编程控制器编程语言：
1） 顺序功能图
2） 梯形图
3） 功能块图
4） 指令表
5） 结构文本
其中梯形图是使用得最多的可编程控制器图形编程语言。梯形图与继电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制，主要特点如下：
1）可编程控制器梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器（即硬件继电器），而是在软件中使用的编程元件。每一编程元件与可编程序控制器存储器中元件映像寄存器的一个存储单元相对应。
2）梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（BUS bar）。在分析梯形图的逻辑关系时，为了借用继电器电路的分析方法，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压，当图中的触点接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流（Power flow）从左到右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。

3）根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。逻辑解算是按梯形图中从上到下、从左到右的顺序进行的。
4）梯形图中的线圈和其他输出指令应放在最右边。
5）梯形图中各编程元件的常开触点和常闭触点均可以无限多次地使用。
五、可编程控制器的编程步骤
（1）确定被控系统必须完成的动作及完成这些动作的顺序。
（2）分配输入输出设备，即确定哪些外围设备是送信号到PLC，哪些是外围设备是接收来自PLC信号的。并将PLC的输入、输出口与之对应进行分配。
（3）设计PLC程序画出梯形图。梯形图体现了按照正确的顺序所要求的全部功能及其相互关系。
（4）实现用计算机对PLC的梯形图直接编程。
（5）对程序进行调试（模拟和现场）。
（6）保存已完成的程序。
显然，在建立一个PLC控制系统时，必须首先把系统的需要的输入、输出数量确定下来，然后按需要确定各种控制动作的顺序和各个控制装置彼此之间的相互关系。确定控制上的相互关系之后，就可进行编程的第二步──分配输入输出设备，在分配了PLC的输入输出点、内部辅助继电器、定时器、计数器之后，就可以设计PLC程序画出梯形图。在画梯形图时要注意每个从左边母线开始的逻辑行必须终止于一个继电器线圈或定时器、计数器，与实际的电路图不一样。梯形图画好后，使用编程软件直接把梯形图输入计算机并下载到PLC进行模拟调试，修改→下载直至符合控制要求。这便是程序设计的整个过程。
第二章 可编程控制器基本指令简介

基本指令如表所示：
名 称
助记符
目 标 元 件
说 明
取指令
LD
X、Y、M、S、T、C
常开接点逻辑运算起始
取反指令
LDI
X、Y、M、S、T、C
常闭接点逻辑运算起始
线圈驱动指令
OUT
Y、M、S、T、C
驱动线圈的输出
与指令
AND
X、Y、M、S、T、C
单个常开接点的串联
与非指令
ANI
X、Y、M、S、T、C

单个常闭接点的串联
或指令
OR
X、Y、M、S、T、C
单个常开接点的并联
或非指令
ORI
X、Y、M、S、T、C
单个常闭接点的并联
或块指令
ORB
无
串联电路块的并联连接
与块指令
ANB
无
并联电路块的串联连接
主控指令
MC
Y、M
公共串联接点的连接
主控复位指令
MCR
Y、M
MC的复位
置位指令
SET
Y、M、S
使动作保持
复位指令
RST
Y、M、S、D、V、Z、T、C
使操作保持复位
上升沿产生脉冲指令
PLS
Y、M
输入信号上升沿产生脉冲输出
下降沿产生脉冲指令
PLF
Y、M
输入信号下降沿产生脉冲输出
空操作指令
NOP
无
使步序作空操作
程序结束指令
END
无
程序结束

第三章 GX Developer软件的使用及编程规则
一、GX Developer软件的使用方法
GX Developer编程软件为用户开发，编辑和控制自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发你的应用程序，GX Developer软件提供了三种程序编辑器，GX Developer软件还提供了在线帮助系统，以便获取所需要的信息。
本实验装置使用的编程软件是GX Developer7.0版本，在做实验前，首先将该软件根据软件安装的提示安装到计算机上，然后用编程线将计算机和实验装置连接到一起。
（一）系统需求
GX Developer既可以在PC机上运行，也可以在MITSUBISHI公司的编程器上运行。PC机或编程器的最小配置如下：Windows95、Windows98、Windows2000、Windows Me或者Windows NT4.0以上。
（二）软件的使用
GX Developer的安装：
1、未安装过本软件的系统中安装时请先安装F:\GX7.0-C\SW7D5C-GPPW-CL\SW7D5C
-GPPW-C\QSS_Support\EnvMEL/SETUP.EXE。
双击SETUP按照页面提示单击“下一步”安装即可。
2、安装完成后再双击F:\GX7.0-C\SW7D5C-GPPW-CL\SW7D5C-GPPW-C\QSS_Support/
SETUP.EXE按照页面提示完成安装，重新启动计算机即可使用。
3、GX Developer的使用：
GX Developer的基本使用方法与一般基于Windows操作系统的软件类似，在这里只介绍一些用户常用的几点对PLC操作的用法：
（1）工程菜单

在软件菜单里的工程菜单下选择改变PLC类型即根据要求改变PLC类型。
1）在读取其他格式的文件选项下可以将FXGP_WIN-C编写的程序转话成GX工程。
2）在写入其他格式的文件选项下可以将用本软件在编写的程序工程转化为FX工程。
（2）在线菜单

1）在传输设置中可以改变计算机与PLC通信的参数。

2）选择PLC读取、PLC写入、PLC效验可以对PLC进行程序上传、下载、比较操作。

3）选择不同的数据可对不同的文件进行操作。
4）选择监视选项可以去对PLC状态实行实时监视。
5） 选择调试选项可以完成对PLC的软元件测试，强制输入输出和程序执行模式变化等操作。
二、编程规则
1）外部输入/输出继电器、内部继电器、定时器、计数器等器件的接点可多次重复使用，无需用复杂的程序结构来减少接点的使用次数。
2）梯形图每一行都是从左母线开始，线圈接在右边。接点不能放在线圈的右边，在继电器控制的原理图中，热继电器的接点可以加在线圈的右边，而PLC的梯形图是不允许的。
3）线圈不能直接与左母线相连。如果需要，可以通过一个没有使用的内部继电器的常闭接点或者特殊内部继电器的常开接点来连接。
4）同一编号的线圈在一个程序中使用两次称为双线圈输出。双线圈输出容易引起误操作，应尽量避免线圈重复使用。
5）梯形图程序必须符合顺序执行的原则，即从左到右，从上到下地执行，如不符合顺序执行的电路就不能直接编程。
6）在梯形图中串联接点使用的次数是没有限制，可无限次地使用。
7）两个或两个以上的线圈可以并联输出。

第四章 实验内容
实验一 可编程控制器的基本指令编程练习
与或非逻辑功能实验

在基本指令的编程练习实验区完成本实验。
一、实验目的
1.熟悉PLC装置，FX系列可编程控制器的外部接线方法
2.了解编程软件GX Developer的编程环境，软件的使用方法。
3.掌握与、或、非逻辑功能的编程方法
二、实验说明
首先应根据参考程序判断Y01、Y02，Y03的输出状态，在拨动输入开关X00、X01，观察输出指示灯Y01、Y02，Y03与X00、X01、X02、X03，之间是否符合与、或、非逻辑的逻辑关系。
三、实验面板图

图中的接线孔通过防转座插锁紧线与PLC的主机相输入输出插孔相接。X为输入点，Y为输出点。
上图中下面两排X00～X15为输入按键和开关，模拟开关量的输入。上边一排Y00～Y11是LED指示灯，接PLC主机输出端，用以模拟输出负载的通与断。
四、实验步骤
1、输入/输出接线列表

输入
接线
X00
X01
X02
X03
输出接线
Y00
Y01
Y02
X00
X01
X02
X03
Y00
Y01
Y02

五、梯形图参考程序

实验二 可编程控制器的基本指令编程练习

定时器/计数器功能实验

在基本指令的编程练习实验区完成本实验。
一、实验目的
掌握定时器、计数器的正确编程方法，并学会定时器和计数器扩展方法,用编程软件对可编程控制器的运行进行监控
二、实验说明
三菱FX系列的可编程控制器的定时器分为通用定时器(T0～T249)和计算定时器(T246～T255)。
三菱FX系列的内部计数器分为16位二进制加法计数器和32位增计数／减计数器两种。其中的16位二进制加法计数器，其设定值在K1～K32767范围内有效。
三、梯形图参考程序
1）通用定时器参考程序

2）计算定时器参考程序

3）16位加计数器

4）32加减计数器

5）定时范围的扩展

《可编程控制器》

实验指导书

适用专业：电子信息工程

长春工业大学人文信息学院
电子信息系