作者：张东
出版社：电子工业出版社
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可编程控制器技术(三菱机型)试读：
前言
可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型、通用的自动控制产品，具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程及适应工业环境下应用等一系列优点。近年来随着人力成本的上涨和我们国家的产业升级，PLC得到越来越广泛的应用。为适应当前社会生产技术需求，上海科学技术职业学院于2002年在通信与电子信息系、机电工程系的相关专业及上海开放大学机电专业都开设了PLC课程，并配套有相应的实验室，经过多年的建设，该课程于2005年被评为校级精品课程，2009年又被评为上海市精品课程。
可编程控制器的应用能力是高职院校相关专业学生及企业工程技术人员的必备技能之一，本课程以培养职业能力为宗旨，以训练实际应用能力为前提，融入了维修电工职业技能考证的相关内容，从而满足目前“双证融通”应用型人才培养的要求。
编程语言类的教学，训练编程思路是首要的。本书在结构编排和内容组织上，力求打破传统教学模式，摒弃技术说明书似的叙述方式，以渐进方式展开PLC的资源和使用方法，以方法思路为模块，以实战应用为目的，以提高教学效能为目标，全书内容丰富翔实，综合了PLC相关联的必备知识和拓展知识，每个章节后均配有丰富的习题和实训，全面提高学生的PLC实战应用能力。
由于本课程涉及的知识点较多，传统教材大多采用先介绍PLC的概述、基本组成和工作原理，再介绍PLC的硬件及软元件，接着讲解其基本指令和功能指令，最后才给出设计实例的方式，这种传统的“填鸭式”的教学方法势必让学生产生厌烦情绪，大大降低教学的实效性。本书以实践技能应用为目标，比如拿出一个PLC，告诉同学这是什么，怎么从输入到输出，如何实现，简单编写一个程序看看。如何更有效地让学生掌握本课程的基础理论知识和基本操作技能，我校改革创新了一套切实可行的教学实施方法，即采用课堂教学“三步走”和实践教学“三步走”，将理论与实习实训相结合进行教学，让学生独立体会和分析PLC指令的应用。这种教学方法，符合学生学习过程中的心理特点及活动规律，大大提高了学生的学习兴趣，充分发挥了学生学习的主动性，更重要的一点是，可以培养学生解决实际问题的思路，让学生实实在在地掌握PLC的专业技术与技能。
从近些年“自动化设备安装与调试”国赛的涵盖技术来看，主要有4个方面，分别是PLC对变频器的控制（含A/D和D/A技术）、PLC控制伺服系统、PLC的通信联网及PLC与人机界面控制技术，这4个方面是PLC实战的综合技术。本书在实训方面兼顾这4个方面的内容，为PLC的综合应用作技术铺垫。
本书共分10章，第1章和第2章由张俊萍编写，第3章由鲍慧玲编写，第10章及部分实训由周益明编写，其余章节及全书配套的例题、习题及实训由张东编写。此外，还要感谢杨云老师、王鹏老师、王永强老师为本书的编写提供了大量案例，还要特别感谢王安栋同学、柯永星同学、索岩松同学、张亚晴同学，为本书绘制了大量的矢量配图。
本书主要以三菱公司的FX-32MT机型PLC为实验对象，同时也2N介绍了FX系列机型与FX系列机型的改进之处，做到与时俱进。3U2N
由于笔者水平有限，书中难免存在错误和疏漏之处，敬请广大读者批评指正，我们将不断地充实和改进，以使本书更趋完美，也更加符合教学需求。
编者
2015年6月
第1章 可编程控制器概述
可编程控制器作为通用工业控制计算机，存在于工业控制的各个领域，它的应用范围几乎覆盖了所有工业企业，可以说凡是需要进行自动控制的场合，都可以用它来实现，如钢铁、化工、纺织、汽车、交通、建筑、食品、石油、娱乐等各行业。在人们的日常生活中，每天乘坐的电梯以及商场楼宇供电照明控制等都是由可编程控制器来实现的。可编程控制器、机器人、CAD/CAM技术被称为现代工业自动化的三大支柱。特别是网络时代，可编程控制器和网络相结合，使它拥有了更加广阔的应用前景。
本章主要任务：了解可编程控制器的产生、现状、特点及应用，熟悉其工作原理。掌握可编程控制器是什么?如何工作的。
本章重点：PLC的基本概念。
本章难点：可编程控制器循环扫描、串行工作的方式。
1.1 可编程控制器的产生
可编程控制器（Programmable Controller）简称PC，个人计算机（Personal Computer）也简称PC，为了避免混淆，故人们仍习惯用PLC（Programmable Logic Controller）作为可编程控制器的缩写。
在工业生产过程中，要大量使用开关量来进行顺序控制，它按照一定的逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，以及采集大量离散数据。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。以往的顺序控制器主要是由继电器组成的，由此构成的系统只能按设定好的顺序工作，如果要改变控制顺序，就必须改变硬件设置，使得在实际生产应用中非常不方便。
于是在1968年，美国通用汽车公司（GM）对外公开招标，要求用新的电气控制取代继电器控制系统，以适应快速改变生产程序的要求，具体要求如下：（1）编程方便，可在现场进行程序的编改。（2）维修方便，采用插件式结构。（3）可靠性能要高于继电器装置。（4）体积要比继电器小。（5）可以与管理计算机进行数据交换。（6）成本要低，可与继电器竞争。（7）可采用市电输入供电。（8）输出可为市电，能直接驱动接触器。（9）进行扩展时，要最小的改变原系统结构。（10）用户存储器大于4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）根据上述要求，研制出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控制器。这台可编程控制器（PDP-14）在通用汽车公司的生产线上得到成功应用，并获得了满意的效果。
这一新型工业控制器装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。1971年日本从美国引进了这项新技术，并研制出了日本第一台PLC。1973年，西欧国家也研制出第一台PLC。我国从1974年开始研制PLC，于1977年应用于工业。
可编程控制器的历史虽然不长，但发展极为迅速，为了确定它的性质，国际电工委员会（IEC）对PLC定义如下：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、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、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程，如图1-1所示。图1-1 PLC外部控制示意图
可编程控制器接收输入信号，依据内部程序进行运算，再控制输出，也可以把PLC看成是一个黑匣子，从输入到输出在黑匣子里运算。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
1.2 可编程控制器的特点及主要性能指标
1.2.1 可编程控制器的特点1.可靠性高，抗干扰能力强
可靠性是指可编程控制器平均无故障工作时间。可靠性既反映了用户的要求，又是可编程控制器生产厂家竭力追求的技术指标。目前各生产厂家的PLC平均无故障安全运行时间都远大于国际电工委员会（IEC）规定的10万小时的标准。例如，三菱生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障时间则更长。可编程控制器从硬件和软件两方面采取一系列的抗干扰措施。在硬件方面，隔离是抗干扰的主要手段之一。在CPU和I/O之间采用光电隔离措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，同时还可以防止外部高电压进入CPU。滤波也是抗干扰的又一主要措施。此外对有些模块还设置了联锁保护、自诊断电路等。在软件方面，应用者可编写并输入外围器件的故障自诊断程序，使PLC在每一次循环扫描过程的内部处理期间，监测系统硬件是否正常，同时具有状态信息保护功能，当出现故障时，立即把重要的当前状态信息存入指定存储器，用软硬件配合封闭存储器，禁止对存储器进行任何不稳定的读写操作，以防存储信息被冲掉。实验测试表明，一般PLC产品可抗1kV、1μs的脉冲干扰。
2.编程简单，操作方便
PLC作为通用工业控制计算机，提供了多种面向用户的语言，如常用的梯形图LAD（ladder Diagram）、指令语句表STL（Statement List）和控制系统流程图CSF（Control System Flow chart）等。考虑到企业中一般电气技术人员和技术工人的读图习惯和应用微电机的实际水平，目前大多数的PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式。这是一种面向生产、面向用户的生产方式，它以计算机软件技术构成人们惯用的继电器模式，直观易懂。
PLC编程器大都采用个人计算机，早期还有手持式编程器的形式。手持式编程器有键盘、显示功能，通过电缆线与PLC相连，具有体积小、重量轻、便于携带等优点，但功能不如计算机。通过计算机对PLC编程，可进行系统仿真调试，监控运行。目前在国内，各厂家都开发了适用于计算机的编程软件，同时编程软件的汉化界面更有利于对PLC的学习和推广应用。
3.系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便
PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。同时PLC的用户程序大部分可以在实验室进行模拟调试，用模拟实验开关代替输入信号，其输入状态可通过PLC上的发光二极管指示出来。模拟调试好后再将PLC控制系统安装到生产现场，进行联机调试；这样既安全，又快捷方便。
PLC的故障率低，并且有完善的自诊断和显示功能。当故障发生时，可以根据可编程控制器的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查找故障的原因，用更换模块的方法可迅速地排出故障。
4.体积小，能耗低
可编程控制器体积小、重量轻，以三菱公司的FX-14超小型可编程控制器为例，其底部尺寸为90mm×60mm。由于体积小，很容易装在机械设备内部，是实现机电一体化的理想设备。对于复杂的控制系统，使用可编程控制器以后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，而可编程控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10，由于减少了线圈用电，从而也使能耗降低。
可编程控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜的体积缩小，可以节省大量的费用。1.2.2 可编程控制器的主要性能指标
1.存储容量
存储容量是指用户程序存储器的容量。用户程序存储器的容量大，可以编制出复杂的程序。一般来说，小型PLC的用户存储器容量为几千字，而大型机的用户存储器容量为几万字。
2.I/O点数
输入/输出点数是PLC可以接收的输入信号和输出信号的总和，点数越多，外部可控制的输入设备和输出设备就越多，控制规模就越大。
3.扫描速度
扫描速度是指PLC执行用户程序的速度，一般以扫描1K字用户程序所需的时间来衡量扫描速度，通常以ms/K字为单位。
4.指令系统
指令系统是指可编程控制器所有指令的总和。可编程控制器的编程指令越多，软件功能就越强，但应用起来也就相对复杂。用户可根据实际控制要求选择合适指令功能的可编程控制器。
5.特殊功能单元
特殊功能单元种类的多少与功能的强弱是衡量PLC产品的一个重要指标。近年来，PLC厂商非常重视特殊功能模块的开发，特殊功能单元种类日益增多，功能日益增强。
6.可扩展性
PLC的可扩展能力包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展以及各种功能模块的扩展。小型可编程控制器的基本单元多为I/O接口，各厂家在可编程控制器基本单元的基础上大力发展模拟量处理、高速处理、温度控制、通信等智能扩展模块。
1.3 可编程控制器的结构组成
PLC就是一台工业用的专用计算机，其结构就是专用计算机的结构。它是由基本单元和扩展单元组成的。其中基本单元为中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、电源等。硬件系统结构图如图1-2所示。图1-2 PLC内部硬件系统结构图
1.CPU
CPU是PLC的核心，负责进行数据处理和运算。每台PLC至少有一个CPU。先用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中。同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入到运行状态后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经译码后再按指令功能产生相应的控制信号，进行数据传输、逻辑和算术运算、存储相关结果。根据结果产生控制信号来控制相关设备。
与通用计算机一样，中央处理器主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及相关电路。它确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量等。其中运算器负责逻辑和算术运算；控制器负责指令读取、指令译码、时序控制等；内存主要用于存储程序和数据。
不同厂商、不同型号的PLC的CPU芯片都是不同的，有的采用通用性的CPU芯片，有的采用自行研制的特殊专用芯片。随着集成电路的迅速发展，PLC的数据处理能力与速度也在迅猛提高，从以前的8位发展到现在的32位甚至64位。
CPU模块的外部表现就是它的工作状态的显示、接口及设定或控制开关。一般来讲，CPU模块均有状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等。还有用于接I/O模块或底板的总线接口；用于安装内存的内存接口；用于接外部设备的外设口；还有用于通信的通信口。
2.I/O模块
PLC通过各种I/O接口模块与外界联系，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置能力的限制，即受最大的底板或机槽数目的限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号的状态，输出点反映输出锁存器的状态。输入接口用来接收和采集不同的输入信号。一类是由按钮、选择开关、继电器触点、行程开关、光电开关、拔码开关等送来的开关输入信号；另一类是由变送器、传感器、电位器等送来的模拟信号。输出接口用来连接被控对象的执行元件，如接触器、指示灯、电磁阀等。
3.电源模块
有些PLC中的电源，是与CPU模块合二为一的，有些是分开的。其主要用途是为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源按其输入类型可分为交流电源（交流220V或110V）、直流电源（直流24V）。
4.底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：在电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，如图1-3所示；在机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体，如图1-4所示。图1-3 三菱Q系列PLC底板图1-4 三菱Q系列PLC
5.PLC的外部设备
外部设备是PLC系统不可分割的一部分，它有4大类。（1）编程设备：它提供给用户对程序进行编程、编译、调试和监视等功能。有简易型编程器和智能型编程器两种，其中简易型编程器只能提供联机编程的功能，而智能型编程器可用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况。编程器是PLC开发应用、监测运行、检测维护不可缺少的器件，但它不参与现场控制运行。（2）监控设备：有数据监视器和图形监视器，可直接监视数据或通过画面监视数据。（3）存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读器，用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失，如EPROM、EEPROM写入器等。（4）输入/输出设备：用于接收信号，一般有条码读入器、输入模拟量的电位器和打印机等。
了解了PLC的基本结构，在购买PLC时就有了一个基本的配置概念，做到既经济又合理，以尽可能发挥PLC所提供的最佳功能。
1.4 可编程控制器的内部资源及其工作原理
在机电控制电路中，用一个按钮控制一盏灯，如图1-5所示，当按钮按下时灯亮，当按钮松开时灯灭。图1-5 简单的灯控制电路
假设用PLC控制，也实现相同的控制效果，则需要将“输入信号”接在PLC的输入端X0，24V电源和24V指示灯接在PLC的输出端Y0，程序要写入梯形图，如图1-6所示。PLC读输入信号，程序计算、输出更新，这就是PLC的工作原理，详见后述。图1-6 输入/输出继电器（X/Y）电路1.4.1 可编程控制器的输入/输出编程元件
1.输入继电器X
输入继电器与PLC的输入端相连，是PLC接收外部开关信号的窗口。与输入端子连接的输入继电器是光电隔离的电子继电器，其常开触点和常闭触点的使用次数不限。这些触点在 PLC 内可以自由使用。FX系列的输入继电器采用八进制地址编号，分别为X0～X7、2NX10～X17、…、X260～X267，最多可达184点。
图1-6所示为输入/输出继电器的电路。编程时应注意，输入继电器只能由外部信号驱动，而不能在程序内部用指令驱动，其触点也不能直接输出带动负载。
2.输出继电器 Y
输出继电器的输出端是PLC向外部传送信号的接口。外部信号无法直接驱动输出继电器，它只能在程序内部由指令驱动。输出触点（继电器触点、双向可控硅 SSR、晶体管等输出元件）接到PLC的输出端子，输出触点的通和断取决于输出线圈的通和断状态。其常开触点和常闭触点的使用次数不限。FX系列的输出继电器采用八进制2N地址编号，分别为Y0～Y7、Y10～Y17、…、Y260～Y267，最多可达184点。1.4.2 可编程控制器的工作原理
可编程控制器的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，但个人计算机与PLC的工作方式有所不同，计算机一般用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式。当键盘有键按下或I/O口有信号输入时则中断转入相应的子程序。而PLC有确定的工作任务，装入了专用程序并成为一种专用机，它采用循环扫描方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是循环扫描方式完成的。
1.扫描周期及PLC的两种工作状态
PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序的状态，停止状态一般用于程序的编制与修改。在运行状态，可编程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，直至可编程控制器停机或切换到停止工作状态。
PLC在RUN工作状态时，执行一次如图1-7所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。在每次循环过程中，可编程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。图1-7 PLC扫描过程
2.分时处理及扫描工作方式
PLC系统工作所要完成的任务如下：（1）计算机各工作单元的信号内部处理。（2）计算机与外部设备间的通信。（3）用户程序所要完成的工作。
这些工作都是分时完成的，每项工作又都包含着许多具体的工作。以用户程序的完成来说可分为以下三个阶段。（1）输入处理阶段。输入处理也称为输入采样，在这个阶段，可编程控制器读入输入口的状态，并将它们存放在输入状态暂存区中。（2）程序执行阶段。在这个阶段中，可编程控制器根据本次读入的输入的数据，依用户程序的顺序逐条执行用户程序，执行的结果存储在输出状态暂存区中。（3）输出处理阶段。输出处理也称为输出刷新。这是一个程序执行周期的最后阶段。可编程序控制器将本次执行用户程序的结果一次性地从输出状态暂存区送到各个输出口，对输出状态进行刷新。
这三个阶段也是分时完成的。为了连续地完成PLC所承担的工作，系统必须周而复始地依一定的顺序完成这一系列的工作，故把这种工作方式称为循环扫描工作方式。PLC用户程序执行阶段扫描工作过程如图1-8所示。图1-8 程序执行扫描工作过程
3.输入/输出滞后时间
输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外输出信号发生变化的时刻停止之间的间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。
输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。
输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：继电器型输出电路的滞后时间一般最大值在10ms左右；双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载被接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般为1ms左右。
下面分析由扫描工作方式引起的滞后时间。在图1-9梯形图中的X000、X001是输入继电器，用来接收外部输入信号；Y000、Y001、Y002、Y003是输出继电器，用来将输出信号传送给外部负载。图中X000、X001和Y000、Y001、Y002、Y003 的波形表示对应的输入/输出映像寄存器的状态，高电平表示“1”状态，低电平表示“0”状态。图1-9 PLC的输入/输出延时电路分析
图1-9中输入信号X000在第一个扫描周期的输入处理阶段出现，所以在第一个扫描周期的输出阶段Y0为“1”状态。信号X001在第一个扫描周期的程序执行阶段出现，所以在第一个扫描周期的输出阶段Y1为“0”状态。
在第二个扫描周期的输入处理阶段，输入继电器X000的映像寄存器变为“1”。在程序执行阶段，由梯形图可知，Y001、Y002依次接通，它们的映像寄存器都变为“1”状态。
在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Y002接通，使Y003接通。Y003的输出映像寄存器变为“1”状态。在输出处理阶段，Y003对应的外部负载被接通。可见从外部输入触点接通到Y003驱动的负载接通，响应延迟最长可达两个多扫描周期。
将梯形图中第一行放到最后一行的位置，Y003的延迟时间将减少一个扫描周期，可见这种延迟时间可以使用程序优化的方法减少。PLC总的响应延迟时间一般只有数十毫秒，对于一般的控制系统是无关紧要的。但也有少数系统对响应时间有特别的要求，这时就需选择扫描时间快的PLC，或采取使输出与扫描周期脱离的控制方式来解决。
4.可编程控制器系统与继电接触器系统工作原理的差别
继电器电路图是用低压电器的接线表达逻辑控制关系的，可编程控制器则使用梯形图表达这种关系。在简单逻辑控制场合，继电器电路图与梯形图的结构可以非常相似。但是继电器电路和可编程控制器在运行时序上，却有着根本的不同。对于继电器电路来说，忽略电磁滞后及机械后，同一个继电器的所有触点的动作是和它的线圈通电或断电同时发生的。但是PLC中，由于指令的分时扫描执行，同一个器件的线圈工作和它的各个触点的动作并不同时发生。这就是继电接触器系统的并行工作方式和PLC的串行工作方式的差别。
1.5 可编程控制器的系统配置
1.5.1 FX系列型号名称的含义目前生产PLC的厂家较多，其中市场占有率较高的公司有日本三菱公司、欧姆龙公司、德国西门子公司等。三菱公司FX系列PLC是1s一种集成型小型单元式PLC，I/O点数在30点以内，具有完备的性能和通信功能。三菱公司FX系列PLC是三菱公司推出的普及型PLC，1nI/O点数在128点以内，具有扩展I/O、模拟量控制、通信和链接扩展等功能，三菱公司FX系列是一款广泛应用于一般顺序控制的PLC。1N三菱公司FX系列是FX家族中性价比最高的系列，模块最全，I/O点2N数在256点以内，具有高速处理及可以扩展大量满足特殊需要的特殊功能模块等特点，并具有很大的灵活性和控制能力。三菱PLC FX3UC系列是三菱公司最新、最先进的系列，三菱PLC FX系列是针对市3UC场需求产品小型化、大容量存储、高性价比的背景下开发出来的第三代微型可编程控制器。它在诸多方面进行了增强，其CPU处理速度达到了0.065μs/基本指令；内置了高达64K步的大容量RAM存储器；大幅度增加了内部软元件的数量。此外，FX系列PLC还集成了业界3UC最高水平的多种功能，如高性能的显示模块、3轴独立最高100kHz的定位功能和增加的新定位指令、6点同时100kHz的高速计数功能、CC-Link/LT 主站功能等。
FX系列PLC还专门强化了通信的功能，其内置的编程口可以3UC达到115.2kbps的高速通信，而且最多可以同时使用3个通信口（包括编程口在内）；新增了模拟量适配器，包括模拟量输入适配器、模拟量输出适配器和温度输入适配器，这些适配器不占用系统点数，使用方便。
本书主要介绍的是日本三菱公司的FX系列PLC，兼顾FX的2N3UC不同点及其先进之处。
FX系列可编程控制器的型号格式如下：2N
其中：
① 表示输入/输出的总点数：范围从16到128。
② 表示单元类型：M为基本单元，E为输入/输出混合扩展单元与扩展模块，EX为输入扩展模块，EY为输出扩展模块。
③ 表示输出形式：R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向可控硅输出。
④ 表示特殊品种的区别：D为DC（直流）电源，DC输出；A1为AC（交流）电源，AC输入（AC100～120V）或AC输出模块；H为大电流输出扩展模板（1A/1点）；V为立式端子排的扩展模块；C为接插口输入输出方式；F为输入滤波时间常数为1ms的扩展模块；L为TTL输入扩展模块；S为独立端子（无公共端）扩展模块；若无符号，则为AC电源、DC输入、横式端子排、标准输出（继电器输出为0.5A/I点；双向可控硅输出为0.3A/I点）。
例如，型号为FX-40MR-D的PLC属于FX系列，是有40个I/O2N2N点的基本单元，继电器输出型，使用DC24V电源。
型号为FX-4EYSH的PLC属于FX系列，输入点数为0点，输出点数为4点，晶闸管输出，大电流输出扩展模块。1.5.2 FX系列PLC的主要指标
FX系列PLC的一般技术指标包括基本性能指标、一般技术指标2N以及输出技术指标，各种性能指标如表1-1～表1-3所示。表1-1 FX系列PLC的基本性能指标2N续表表1-2 FX系列PLC的一般指标2N表1-3 FX系列PLC三种输出方式的技术规格2N
1.6 可编程控制器的分类及发展趋势
1.6.1 PLC分类目前，PLC的种类很多，规格性能不一。对PLC的分类，通常可根据它的结构形式、容量或功能进行。
1.按结构形式分类
按照硬件的结构形式，PLC可分为以下三种。（1）整体式PLC：这种结构的 PLC 将电源、CPU、输入/输出部件等集成在一起，装在一个箱体内，通常称为主机，如图1-10所示。整体式结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格较低等特点，但主机的I/O点数固定，使用不太灵活。小型的PLC通常使用这种结构，适用于简单的控制场合。（2）模块式PLC：也称为积木式结构，即把PLC的各组成部分以模块的形式分开，如电源模块、CPU、输入模块、输出模块等，把这些模块插在底板上，组装在一个机架内，如图1-11所示。这种结构的 PLC 组装灵活、装配方便、便于扩展，但结构较复杂，价格较高。大型的PLC通常采用这种结构，适用于比较复杂的控制场合。图1-10 整体式PLC OMRON CP1H图1-11 模块式PLC 西门子 S7-300（3）叠装式PLC：这是一种新的结构形式，它吸收了整体式和模块式PLC的优点，如三菱公司的FX系列，它的基本单元、扩展单元2N和扩展模块等高等宽，但是长度不同。它们不用基板，仅用扁平电缆，紧密拼装后组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置也相当灵活，如图1-12所示。图1-12 叠装式PLC FX及其模块3U
2.按容量分类
PLC的容量主要指其输入/输出点数。按容量大小，可将PLC分为以下三种。（1）小型PLC：I/O点数一般在256点以下。（2）中型PLC：I/O点数一般在256～1024点之间。（3）大型PLC：I/O点数在1024点以上。
3.按功能分类
按 PLC 功能上的强弱，可分为以下三种。（1）低档机：具有逻辑运算、计时、计数等功能，有的具备一定的算术运算、数据处理和传送等功能，可实现逻辑、顺序、计时计数等控制功能。（2）中档机：除具有低档机的功能外，还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送等功能，可完成既有开关量又有模拟量的控制任务。（3）高档机：除具有中档机的功能外，还具有带符号运算、矩阵运算等功能，使得运算能力更强，还具有模拟量调节、联网通信等功能，能进行智能控制、远程控制、大规模控制，可构成分布式控制系统，实现工厂自动化管理。1.6.2 可编程控制器的发展趋势
随着科技的发展和工业现代化生产的需要，目前可编程控制器主要有以下几个发展趋势。
1.向微型化、专业化的方向发展
随着元器件体积的减小、质量的提高，可编程控制器结构更加紧凑，设计制造水平在不断进步。微型可编程控制器一般是指I/O点数小于等于256点的可编程控制器，大多采用整体式结构，因其性价比高，故适合于单机自动化或组成分布式控制系统。有些微型可编程控制器的体积非常小，如三菱公司的FX、FX、FX 系列PLC均为0N0S2N超小型可编程控制器，与该公司的F1系列相比，其体积只有前者的1/3左右。
微型可编程控制器的体积虽小，功能却很强，如FX的基本指2N令执行速度高达0.08μs/步，有功能很强的128种计298条功能指令，可以作16位或32位二进制运算，具有数据传送、比较、四则运算、转移、循环、子程序调用、多层嵌套主控功能。FX为用户提供了2N大量的编程元件，如3000多点辅助继电器、1000点状态、256点定时器、200多点计数器、8点内附高速计数器、800多点数据寄存器、128点跳步指针和15点中断指针。配上特殊扩展模块可实现模拟量控制、定位控制、温度控制、可编程凸轮控制和模拟量设定。FX系列可编程控制器可以通过串联通信接口与计算机和三菱公司的A系列可编程控制器联网，FX系列可编程控制器也可以组成RS-485通信网络。同时，随着可编程控制器价格的不断下降，PLC将真正的成为继电器控制的替代产品。
2.向大型化、高速度、高性能方面发展
大型化指的是大中型可编程控制器向着大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动化控制。
在模拟量控制方面，除了专用于模拟量闭环控制的PID指令和智能PID模块外，某些可编程控制器还具有模拟量模糊控制、自适应、参数自整定功能，使调试时间减少，控制精度提高。
同时，用于监控、管理和编程的人机接口和图形工作站的功能日益增加。如西门子公司的TISTAR和PCS工作站使用的APT（应用开发工具）软件，是面向对象的组态设计、系统开发和管理工具软件，它使用工业标准符号进行基于图形的配置设计。自上而下的模块化和面向对象的设计方法，大大提高了配置效率，降低了工程费用，系统的设计开发自始至终体现了高度结构化的特点。APT的程序检测和模拟功能减少了安装和开发需要的时间，APT根据用户确定的控制策略自动生成配置程序。可以认为这是控制设计领域的重大革新，是过程控制的CAD。TISTAR的命令均为配置方式，不需要任何编程工作，大大简化了控制系统的建立和调试工作。
3.编程语言日趋标准
与个人计算机相比，可编程控制器的硬件、软件系统结构都是封闭的，而不是开放的。在硬件方面，各厂家的CPU模块和I/O模块互不通用，各公司的总线、通信网络和通信协议一般也是专用的。可编程语言虽然多采用梯形图，但具体的指令系统和表达方式并不一致，因此各公司的可编程控制器互不兼容。为了解决这一问题，国际电工委员会IEC于1994年5月公布了可编程控制器的编程语言标准。标准中共有五种语言，其中的顺序功能图（SFC）是一种结构块控制程序流程图，梯形图和功能块图是两种图形语言，此外还有两种文字语言（指令表和结构文本）。除了提供集中编程语言供用户选择外，标准还允许编程者在同一程序中使用多种编程语言，这使得编程者能够选择不同的语言来适应特殊的工作。几乎所有的可编程控制器厂家都表示在将来完全支持IEC的标准，但是不同厂家的产品之间的程序转换仍有一个过程。
4.与其他工业控制产品更加融合
可编程控制器与个人计算机、分布式控制系统（DCS，又称集散控制系统）和计算机数控（CNC）在功能和应用方面相互渗透，互相融合，使得控制系统的性价比不断提高。在这种关系中，目前的趋势是采用开放式的应用平台，即网络、操作系统、监控及显示均采用国际标准和工业标准，如操作系统采用UNIX、MS-DOS、Windows、OS2等，这样可以把不同厂家的可编程控制器连接到一个网络中运行。
① PLC与PC的融合。个人计算机的价格便宜，有很强的数据运算、处理和分析能力。目前个人计算机主要用作可编程控制器的编程器、操作站或人/机接口终端。
将可编程控制器与工业控制计算机有机地结合在一起，形成了一种称之为IPLC（Integrated PLC，即集成可编程控制器）的新型控制装置，其典型代表是1988年10月A-B公司和DEC公司联合开发的金字塔集成器（Pyramid Integrator），它是可编程控制器工业成熟的一个里程碑。
② PLC和CNC的融合。计算机数控（CNC）已受到来自可编程控制器的挑战，目前可编程控制器已经用于控制各种金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯和其他需要位置控制和速度控制的场合。过去控制几个轴的内插补是可编程控制器的薄弱环节，而现在已经有一些公司的可编程控制器能实现这种功能。例如三菱公司的A系列和AnS系列大中型可编程控制器均有单轴/双轴/三轴位置控制模块，集成了CNC功能的IPCL620控制器可以完成8轴的插补运算。
5.与现场总线相结合
现场总线（FieldBus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0～10mA或4～20mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表，它接线简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。
可编程控制器与现场总线相结合，可以组成价格便宜、功能强大的分布式控制系统。使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点。
6.通信联网能力增强
可编程控制器的通信联网功能使PLC与PLC之间、PLC与个人计算机之间以及与其他智能控制设备之间能交换数字信息，形成一个统一的整体，实现分散控制和集中管理。可编程控制器网络大多是各厂家专用的，但是它们可以通过主机，与遵循标准通信协议的大网络联网。现在几乎所有的PLC新产品都有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232接口，通过双绞线、同轴电缆或光纤联网，可以在几千米甚至几十千米的范围内交换信息。
1.7 PLC电路的实训
1.7.1 PLC电源和负载接线三菱FX机型主要有两种供电形式，一种是交流AC供电，电压2N为100～240V，其接线图如图1-13所示；另一种是直流DC 供电，电压为24V，其接线图如图1-14所示。图1-13 PLC交流电源接线图图1-14 PLC直流电源接线图
在PLC输出的COM口，须加装一个5～10A的保险丝，以防负载短路烧坏电路。另外，在直流电感性负载上，应并联连接续流二极管。如果没有续流二极管，会显著降低触点的寿命。可选择耐反向电压为负载电压的 5～10 倍以上、正向电流超过负载电流的续流二极管。PLC直流电感性负载保护接线如图1-15所示。
在交流电感性负载上，须设计与负载并联的浪涌吸收器，浪涌吸收器器件参数选择为电容0.1μF加电阻 100～120Ω。PLC交流电感性负载保护接线如图1-16所示。图1-15 PLC直流电感性负载保护接线图图1-16 PLC交流电感性负载保护接线图1.7.2 实训内容
对于三菱PLC输入信号的接线，分AC型、DC型两种，这和电源的AC型、DC型是两回事。只要输入是DC型的，即可从COM口通过输入接点接至PLC的输入口（X0、X1、X2…）。
对于三菱PLC输出信号的接线，主要是看负载是AC型还是DC型，图1-17是PLC直流输入、直流输出的接线图，其中，L0～L4为24V指示灯，KM1、KM2为24V继电器。
对于输出接交流220V负载的情况，其接线如图1-18所示。图1-17 PLC直流输入、输出接线图图1-18 PLC直流输入、交流输出接线图
练习建立程序，按如图1-19所示的梯形图输入程序，并下载到PLC中，调试并观察输入与输出之间的关系，体会PLC的工作原理。图1-19 梯形图输入练习【思考题】（1）若SB1、SB2、SB3均为ON，则L1（或D1）为ON，那么硬件接线要改吗?程序如何实现?（2）若SB1、SB2、SB3中有一个为ON，则L2（或D2）为ON，那么硬件接线要改吗?程序如何实现?（3）使用同编号的常闭触点和常开触点有什么规律?
本章小结
本章重点介绍了可编程控制器PLC的产生、特点、基本组成、工作原理以及系统配置等。掌握PLC的组成和工作原理，将对后续PLC指令以及编程方法的学习起到很大的帮助。
PLC是专为工业环境设计的电子控制装置，具有抗干扰能力强、可靠性高、功能强、体积小、编程简单、使用维护方便等特点，应用于各行各业。国际电工委员会（IEC）对PLC定义如下：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、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、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC主要由CPU、存储器、I/O模块、电源模块和编程器等部分组成。它采用集中采样、集中输出，按顺序循环扫描用户程序的串行工作方式，不同于传统继电器控制的并行工作方式。PLC在工作运行时，每个扫描周期分为输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC的分类，通常可根据它的结构形式、容量或功能进行。按结构形式可分为整体式PLC、模块式PLC及叠装式PLC；按容量可分为小型PLC（I/O点数一般在256点以下）、中型PLC（I/O点数一般为256～1024点）及大型PLC（I/O点数在1024点以上）；按功能可分为低档机、中档机及高档机。
习题1
一、选择题
1.可编程控制器英文简称（）。
A.Programmable Controller B.Programmable Logic Controller
C.Personal Computer D.Personal Logic Controller
2.PLC是在（）基础上发展起来的。
A.继电控制系统 B.单片机 C.工业计算机 D.机器人
3.一般公认的PLC发明时间为（）年。
A.1945 B.1968 C.1969 D.1970
二、填空题
1.PLC的基本组成由____、____、____、____、电源、____及I/O扩展端口构成。
2.PLC控制电路工作方式为____，继电控制电路为____工作方式。
3.PLC中的直流控制电压一般是采用____伏。
4.可编程控制器是一种专门为在____环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
5.PLC按结构形式可分为____式PLC、____式PLC及____式PLC；按容量可分为____型PLC（I/O点数一般在256点以下）、____型PLC（I/O点数一般为256～1024点）及____型PLC（I/O点数在1024点以上）；按功能可分为低档机、中档机及高档机。
6.PLC直流电感性负载保护是在负载两端加____。
7.PLC交流电感性负载保护是在负载两端加____。
三、简答题
1.PLC控制系统有哪些特点?
2.可编程控制系统与继电器控制系统相比，有哪些优点?
3.PLC按结构分有哪些种类?
4.可编程控制器的硬件由哪几个部分组成，各有何用途?
5.简述什么是PLC的扫描周期。
四、分析题
1.接线如图1-9所示，输入下列程序，分析Y2需如何会ON?
2.接线如图1-9所示，输入下列程序，分析Y3需如何会OFF?
第2章 基本指令及逻辑编程
本章主要讲述PLC的编程语言以及基本的编程指令，PLC常用的两种编程语言即梯形图和助记符语句表。采用梯形图编程，比较直观，但需要一台个人计算机及相应的编程软件；采用助记符形式便于实验，它只需要一台简易编程器，而不必用图形编程器或计算机来编程。这两种编程语言相互互补，各有其优势。
在PLC控制应用中，从最简单的电动机启停控制到复杂的流水线控制，在外围硬件选定的前提下，都是由程序来实现不同的功能，由此可见编程的重要性。而编程的基础则是基于PLC基本指令的梯形图、语句表、状态转移图等。为了更好地学习PLC的编程方法，我们先从最基本的基本指令讲起。
在方法上用真值表和卡诺图来做逻辑电路的程序设计。本章通过实例详细阐述逻辑电路的程序设计技巧和方法。
本章任务：掌握基本指令，掌握语句表的编写，掌握逻辑电路设计的方法，进一步熟悉PLC的使用。
本章重点：基本的编程指令。
本章难点：逻辑电路设计的方法。
2.1 PLC的编程语言
根据系统配置和控制要求编制用户程序，是PLC应用于工业控制的一个重要环节。为使广大电气工程技术人员很快掌握PLC的编程方法，通常PLC不采用微型计算机的编程语言，PLC的系统软件为用户创立了一套易学易懂、应用简便的编程语言，它是PLC能够迅速推广应用的一个重要因素。常用的PLC编程语言有以下几种。
1.梯形图编程语言（Ladder Diagram）
这是目前PLC使用最广、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言。因为梯形图不但与传统继电器控制电路图相似，设计思路也与继电器控制图基本一致，还很容易由电气控制线路转化而来。由于梯形图是PLC用户程序的一种图形表达式，因此梯形图设计又称为PLC程序设计或编程，如图2-1所示。有关梯形图设计方法与规则在后续内容进一步介绍。
2.指令表编程语言（Instruction List）
它是一种类似汇编语言，但更简单的编程语言。它采用助记符指令（又称语句），并以程序执行顺序逐句编写成指令表。指令表可直接输入简易编程器，其功能与梯形图完全相同。由于简易编程器既没有大屏幕显示梯形图，也没有梯形图编程功能，所以小型PLC采用指令表编程语言更为方便、实用。图2-2是图2-1梯形图程序的指令表。可见指令表与梯形图有着严格的一一对应关系。
由于不同型号PLC的助记符、指令格式和参数表示方法各不相同，因此它们的指令表也不相同。图2-1 梯形图语言图2-2 指令表语言
3.顺序功能图编程语言（Sequential Function Chart）
简称SFC编程语言，又称为功能表图或状态转移图。它将一个完整的控制过程分为若干个阶段（状态），各阶段具有不同动作，阶段间有一定的转换条件，条件满足就实现状态转移，上一状态动作结束，下一状态动作开始，用这种方式表达一个完整控制过程。步、转换和动作是顺序功能图中的3种主要元件，如图2-3所示。
4.逻辑图编程语言（Logic Chart）
它也是一种图形编程语言，采用逻辑电路规定的“与”、“或”、“非”等逻辑图符号，依控制顺序组合而成，图2-4所示就是用此语言编制的一段PLC程序。图2-3 顺序功能图语言
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]