作者：李建伟
出版社：河北科学技术出版社
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可编程控制器试读：
前言
可编程控制器是综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术的一门新兴技术，是实现工业生产、科学研究以及其他各个领域自动化的重要手段之一，应用十分广泛。
本书从实用角度出发介绍了PLC。从PLC初步认识到内部结构，从常用指令到功能指令，从简单编程到实例讲解，从编程软件了解到熟练运用等几个方面对其进行了详细地讲解。
本书作者是长期从事PLC教学的教师，在授课和实际摸索中从实用角度出发，以通俗易懂的语言对PLC进行了详细的介绍。全书共分八个任务：任务一是用PLC实现小灯亮灭控制，任务二是电动机单方向运行控制，任务三是轧钢机传送带正反向运行控制，任务四是传送带顺次运行控制，任务五是音乐喷泉控制，任务六是十字路口交通灯控制，任务七是舞台灯光控制，任务八是液体混合控制。本书主要是针对实训编写的，在实训内容之前加入了该实训所需的知识。使本书的结构和理论基础系统化，并更具有科学性和先进性。
本书注重精选内容，结合实际、突出应用。在编排上循序渐进、由浅入深；在内容上，力求简明扼要，图文并茂，通俗易懂，便于教学和自学。
本书可供有关从事PLC方面工作的工程技术人员和长期从事电气控制专业的电工及技术人员阅读，同时也适合于中等职业学校电子类的学生和老师做教材使用。
由于编者水平有限，书中如有错误和不足之处，敬请读者批评指正。编者2015年3月任务一 用PLC实现小灯亮灭控制教学目标
1.知识目标（1）了解PLC结构、组成、工作原理。（2）了解PLC程序指令结构。（3）GX-Developer编程软件基础及通信设置。
2.能力目标（1）会识读PLC的型号名称。（2）会安装PLC。（3）能进行I/O分配。（4）能完成硬件接线。（5）能完成简单控制电路的PLC程序输入。任务引入
日常生活中，我们经常遇到日光灯的亮灭、手电筒的亮灭、交通信号灯的亮灭等控制。现将开关对某信号灯的亮灭控制通过PLC来实现，即要求PLC运行时，开关闭合，信号灯点亮；开关断开，信号灯熄灭；如果PLC停止运行，无论开关如何动作，信号灯一直熄灭。
知识链接
一、PLC简介
PLC英文全称Programmable Logic Controller，中文全称为可编程逻辑控制器，定义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。它采用一类可编程的存储器，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。
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器。随着计算机技术的发展，它的功能已非常强大。目前PLC早已不局限于处理开关量的逻辑控制，它同样能进行模拟量采集、运算及处理，同时通过模块的扩展，它还能处理定位、称重、通信等功能，它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。所以它的准确功能应定义为可编程控制器，Programmable Controller（PC）。但为了和个人电脑PC（personal computer）区别还一直沿用PLC的简称。
二、PLC特点及分类
1.PLC主要特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。（5）体积小，重量轻，能耗低。以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
2.PLC的分类（1）按硬件的结构类型分类。
整体式结构：整体式结构又称为基本单元。整体式PLC将CPU模块、I/O接口模块、电源模块等封装在一个箱型机壳内，它体积小、价格低、功能固定。整体式PLC配备有许多特殊功能的模块，完成功能扩展。
模块式结构：大、中型PLC多采用模块式结构，由机架与模块组成。可以根据功能要求灵活选择配置所需的模块。（2）按应用规模及功能分类。为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为小型、中型、大型等类型。（3）按生产厂家分类。目前生产PLC的厂家较多，较有影响的，在中国市场占有较大份额的公司有：德国西门子公司、日本三菱公司、日本OMRON公司、美国AB（Alien-Bradley）公司、美国莫迪康公司（施奈德）等。
三、FX PLC的硬件
1.PLC硬件
PLC的类型繁多，但结构则大同小异，通常由主机、输入/输出接口、电源、编程器扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成，如图1-1所示。（1）中央处理单元（CPU）。中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。图1-1 PLC主要硬件
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。（2）ROM/RAM。ROM：系统存储器，内部固化了厂家的系统管理程序与用户指令解释程序，不能删改。RAM：用户存取器，用于存储用户编写的程序，可由用户控制需要进行删改。（3）输入输出接口电路。现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。用于连接各类开关、按钮和传感器等，接收外来元件如开关、按钮、传感器输入的接通或断开的开关量信号，或电位器、传感器等数值连续变化输入的模拟量信号。
现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。如连接指示灯、接触器线圈、电磁阀线圈等执行元件，输出PLC的程序指令并驱动执行元件。（4）电源。为PLC内部提供工作电源。同时也为外部元件提供一个容量不大的DC 24V的电源。（5）其他。PLC设置有通信接口与外部设备（如计算机、触摸屏等）进行通信连接。PLC还装有扩展接口，在有需要时可以接上各种功能扩展卡，增加PLC的功能。
2.FX PLC型号名称
FX系列PLC将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中，从而形成了一个功能强大的微型PLC，具体见图1-2。图1-2 FX PLC外形
FX PLC型号名称体系及其种类如图1-3所示。图1-3 FX PLC型号含义
3.FX PLC工作原理
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但工作原理则大同小异。其示意图如图1-4所示。图1-4 工作原理示意图
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC的扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，执行的结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出寄存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
四、FX PLC的编程软件
1.软件安装
解压缩GX Developer压缩包。（1）进入解压缩后文件的文件夹，安装EnvMEL子文件夹下的Setup，会弹出提示信息，默认即可。安装过程如图1-5所示。图1-5 EnvMEL环境安装（2）安装结束后，然后返回，按圈中按钮，即可返回上一级目录，如图1-6所示。图1-6 返回上层文件夹（3）进入Developer文件夹，安装里面的setup，如图1-7所示。图1-7 安装Develper（4）在弹出的对话框中按“确定”→“下一个”，操作过程如图1-8所示。图1-8 安装确认（5）接着会弹出用户信息填写对话框，如图1-9所示。图1-9 用户信息填写对话框（6）接着要输入产品序列号。如图1-10所示。打开SN文件，复制里面的数字到上面的框里面，点“下一个”即可。图1-10 输入序列号（7）接着会依次弹出以下部件选择对话框，如图1-11所示。图1-11 结构化文本部件选择对话框（8）监视专用部件选择对话框如图1-12所示，此时绝对不能勾选，否则只能用来监视，而不能进行程序的编制。图1-12 监视专用部件选择对话框（9）其他部件选择及安装路径选择对话框如图1-13所示。在路径选择对话框中，可以通过点击“浏览”更改安装路径。图1-13 安装选择对话框
步骤7到步骤9可以选择默认。（10）弹出文件安装进程对话框如图1-14所示。图1-14 文件安装进程（11）安装完成无误后，会弹出图1-15安装完毕提示框。图1-15 安装成功提示框注意安装FX的编程软件，首先要安装通用环境。三菱大部分软件都要先安装“环境”，否则不能继续安装。进入GX Developer Ver8/EnvMEL文件夹，点击“SETUP.EXE”安装通用环境。此外要考虑编程软件不同的版本所支持的计算机操作系统。
2.通信设置
用通信电缆连接计算机的COM口和PLC的编程接口。用GX Developer打开一个项目，执行“在线”菜单中的“传输设置”命令，双击出现的“传输设置”对话框中的“串行”图标，用弹出的“PC I/F串口详细设置”对话框设置通信端口（COM端口）和波特率，如图1-16所示。设定完成后按“确认”退出。图1-16 通信口参数设置注意COM端口设置务必与计算机COM口一致。计算机中COM口属性的查看（以WINDOW XP系统）通过右键桌面上“我的电脑”，在弹出的对话框中选择“设备管理器”弹出如下对话框。点击端口（COM和LPT）查看通信端口号，如图1-17所示。图1-17 计算机串口查看
五、FX系列PLC的软元件简介1N（1）输入继电器X。它与PLC的输入端子相连，是PLC接收外部开关信号的窗口，PLC通过输入端子将外部信号的状态读入并存在输入映像寄存器。
图1-18所示为一个PLC控制系统的示意图，X000端子外接的输入电路接通时，它对应的输入映像寄存器为1状态，断开时为0状态。图1-18 PLC控制系统示意图（2）输出继电器Y。它与PLC的输出端子相连，是PLC向外部负载发送信号的窗口。（3）辅助继电器M。辅助继电器M是用软件实现的，它们不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，相当于继电—接触器控制系统中的中间继电器。（4）状态继电器S。状态继电器是构成状态转移图的重要编程元件，它与后述的步进顺控指令配合使用。（5）定时器T。定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，定时器累计PLC内的1、10、100毫秒等的时钟脉冲，当达到所定的设定值时输出触点动作。（6）计数器C。计数器元件号按十进制编号，计数器的计数次数由编程时设定的系数K决定。（7）数据寄存器D。数据寄存器用于存放各种数据。
六、GX Developer简介
1.新建工程
在计算机上安装好GX编程软件后，运行GX软件，其界面如图1-19所示。图1-19 运行GX后的界面
可以看到该窗口编辑区域是不可用的，工具栏中除了新建和打开按钮可见以外，其余按钮均不可见，单击图1-19中的按钮，或执行“工程”菜单中的“创建新工程”命令，可创建一个新工程，出现如图1-20所示画面。图1-20 建立新工程画面
按图1-20所示选择PLC所属系列和型号，此外，设置项还包括程序的类型，即梯形图或SFC（顺控程序），设置文件的保存路径和工程名等。注意PLC系列和PLC型号两项是必须设置项，且须与所连接的PLC一致，否则程序将可能无法写入PLC。设置好上述各项后出现图1-21所示窗口，即可进行程序的编制。图1-21 程序的编辑窗口
2.梯形图程序的编制
在用计算机编制梯形图之前，首先单击图1-21程序编制画面中的位置（1）按钮或按F2键，使其为写入模式（查看状态栏），然后单击图5中的位置（2）按钮，选择梯形图显示，即程序在编写区中以梯形图的形式显示。下一步是选择当前编辑的区域如图1-21中的（3），当前编辑区为蓝色方框。梯形图程序编制完成后，在写入PLC之前，必须进行变换，单击图1-21中“变换”菜单下的“变换”命令，或直接按F4键完成变换，此时编写区不再是灰色状态，可以存盘或传送。
3.编辑操作（1）删除、插入。删除、插入操作可以是一个图形符号，也可以是一行，还可以是一列（END指令不能被删除），其操作有：①将当前编辑区定位到要删除、插入的图形处，右击鼠标，再在快捷菜单中选择需要的操作。②将当前编辑区定位到要删除、插入的图形处，在“编辑”菜单中执行相应的命令。③将当前编辑区定位到要删除的图形处，然后按键盘上的“Del”键，即可。④若要删除某一段程序时，可拖动鼠标中该段程序，然后按键盘上的“Del”键，或执行“编辑”菜单中的“删除行”，或“删除列”命令。⑤按键盘上的“Ins”键，使屏幕右下角显示“插入”，然后将光标移到要插入的图形处，输入要插入的图形处，输入要插入的指令即可。（2）修改。若发现梯形图有错误，可进行修改操作，如将X1常闭改为常开。首先按键盘的“Ins”键，使屏幕右下角显示“写入”，然后将当前编辑区定位到要修改的图形处，输入正确的指令即可。（3）删除、绘制连线。若将某点右边的竖线去掉，在某触点右边加一竖线，其操作：①将当前编辑区置于要删除的竖线右上侧，即选择删除连线。然后单击按钮，再按Enter键即删除竖线。②将当前编辑区定位到触点右侧，然后单击按钮，再按Enter键即可在X1右侧添加一条竖线。③将当前编辑区定位到某触点的右侧，然后单击按钮，再按Enter键即添加一条横线。（4）复制、粘贴。首先拖动鼠标选中需要复制的区域，右击鼠标执行复制命令（或“编辑”菜单中复制命令），再将当前编辑区定位到要粘贴的区域，执行复制命令即可。（5）打印。如果要将编制好的程序打印出来，可按以下几步进行：①单击“工程”菜单中的“打印机设置”，根据对话框设置打印机。②执行“工程”菜单中的“打印”命令。③在选项卡中选择梯形图或指令列表。④设置要打印的内容，如主程序、注释、申明。⑤设置好后，可以进行打印预览，如符合打印要求，则执行“打印”。（6）保存、打开工程。当程序编制完毕后，必须先进行变换（即单击“变换”菜单中的“变换”），然后单击按钮或执行“工程”菜单中的“保存”或“另存为”命令。系统会提示（如果新建时未设置）保存的路径和工程名称，设置好路径和键入工程名称再单击“保存”即可。但需要打开保存在计算机中的程序时，单击按钮，在弹出的窗口中选择保存的驱动器和工程名称再单击“打开”即可。（7）其他功能。如要执行单步执行功能，即单击“在线”→“调试”→“单步执行”，即可使PLC一步一步依程序向前执行，从而判断程序是否正确。又如在线修改功能，即单击“工具”→“选项”→“运行时写入”，然后根据对话框进行操作，可在线修改程序的任何部分。还有，如改变PLC的型号、梯形图逻辑测试等功能。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]