可編程序控制器PLC相關知識

一、PLC的概念

1、可編程序控制器簡稱PLC，是一種數字運算的電子系統，專為工業環境下應用而設計。它采用可編制程序的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、定時、計數、算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器系統也稱為“軟接線”程序控制系統，由硬件、軟件組成。

2、各種型號的PLC功能雖不盡相同，但一般都具有條件控制、計時控制、計數控制、步進控制、數據處理、通信和聯網以及對控制系統的監控功能。

3、PLC克服了繼電器控制系統接線復雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差等缺點。它集三電(電控、電儀、電傳)于一體，性價比高，可靠性高。

二、PLC的組成

1、PLC的硬件組成與微型計算機相似，其主機由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入/輸出接口、電源、通信接口等幾大部分組成。PLC的核心元件是中央處理器，小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器。

2、PLC的輸入模塊一般使用光電耦合器來隔離內部電路和外部電路，以減少外部干擾。

3、一般而言，PLC的AC輸入電源電壓范圍為220~380V。

4、PLC的輸出方式有繼電器輸出、晶體管輸出和晶閘管輸出三種。輸出方式為繼電器輸出時，適用于交流和直流負載。

三、PLC的結構特點

1、PLC一般能為外部傳感器提供24V直流電源。

2、PLC輸出點中，繼電器一個點的最大輸出電流是2A。

3、PLC的系統程序包括管理程序、供系統調用的標準程序模塊和用戶指令解釋程序。

4、三菱PLC機的輸入繼電器、輸出繼電器編程元件號均采用八進制數，定時器、計數器、特殊輔助繼電器、通用輔助繼電器編程元件號均采用十進制數。

5、PLC中的軟元件均由電子電路和存儲器構成。現在許多PLC直接采用EEPROM或閃速(Flash)ROM 作為用戶存儲器。

四、PLC的工作方式

1、PLC有兩種基本工作狀態，即運行(RUN)狀態和停止(STOP)狀態。PLC在STOP 狀態下一般進行程序的編制、修改和下載；PLC在RUN行狀態下執行程序。

2、PLC是采用“順序掃描，不斷循環”的方式進行工作的，即在PLC運行時，CPU根據用戶按控制要求編制好并存放于用戶程序存儲器中的程序，按指令步序號(或地址號)做周期性循環掃描，在無中斷或跳轉的情況下，按存儲地址號遞增的方向順序逐條執行用程序，直至程序結束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態的刷新等工作。PLC 的工作原理概括起來是：集中輸入，集中輸出，采用周期性循環掃描的工作方式。

3、PLC的一個掃描周期可分為內部處理階段、通信服務階段、輸入采樣階段、程序執行階段和輸出刷新階段。

1）輸入采樣階段

PLC在開始執行程序之前，首先以掃描方式將所有輸入端的通斷狀態轉換成電平的高低狀態(1或0)并存入輸入鎖存器，然后將其寫入各自對應的輸入映像寄存器，即刷新輸入。隨即關閉輸入端口，進入程序執行階段。

需要注意的是只有采樣時輸入映像寄存器中的內容才與輸入信號一致，而其他時間范圍內輸入信號的變化是不會影響輸入映像寄存器中的內容的，輸入信號的變化狀態只能在下一個掃描周期的輸入處理階段被讀入。

2）程序執行階段

PLC按順序從首地址開始的程序進行逐條掃描執行，并分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中獲得所需的數據進行運算處理，再將程序執行的結果寫入輸出映像寄存器，但這個結果在全部程序未被執行完畢之前不會送到輸出端口。

3）輸出刷新階段

輸出刷新階段又稱為輸出處理階段。在此階段，當程序執行到 END指令，即在執行完用戶所有程序后，PLC將輸出映像寄存器中的內容送到輸出鎖存器，并通過一定的驅動裝置(繼電器、晶體管或晶閘管)驅動相應的輸出設備工作。

五、FX系列PLC的輸入、輸出接口單元

1、I/O接口電路

I/O接口電路通常也稱為I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業生產現場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數據，將這些數據作為PLC對被控對象進行控制的依據。同時PLC通過輸出接口將處理結果送給被控對象，以達到控制的目的。

由于外圍輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內部CPU處理的信息只能是標準電平,所以I/O接口應能實現這種轉換。I/O接口一般都具有光隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態指示，能夠將工作狀況直觀地顯示出來，以便于維護。PLC提供了多種操作電平和驅動能力的I/O接口以供用戶選用。I/O接口(模塊)的主要類型有：開關量(數字量)輸入、開關量輸出和模擬量輸入、模擬量輸出等。其中模擬量I/0模塊屬于三菱公司生產的 PLC 的特殊功能模塊。如不特別說明，I/O接口是指開關量I/O接口。

2、開關量輸入、輸出接口

常用的開關量輸入接口按其使用的電源不同分為三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交、直流輸入接口。開關量輸出接口按其輸出功率開關器件分為三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出電路可驅動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低。晶體管輸出電路可驅動直流負載，響應速度快，動作頻率高。晶閘管輸出電路只能用于驅動交流負載，響應速度快。

開關量輸入接口電路的主要技術參數是輸入電流；輸出接口電路的主要技術參數有響應時間、輸出電流、開路漏電流。

六、FX系列PLC的系統配置

1、FX系列PLC的硬件部分包括單片機、電源、通信接口、編程器、輸入輸出接口電路；軟件部分由系統程序和用戶程序構成。PLC中的單片機包含了中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器、串行接口、時鐘等，是PLC 的指揮系統。

2、PLC提供給用戶使用的每個輸入繼電器、輸出繼電器、計數器、定時器及每個存儲單元都稱為元件,由于這些元件都可用程序(即軟件)來指定，故又稱軟元件。軟元件包括：輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、狀態繼電器、定時器、計數器、數據寄存器、嵌套指針和常數。

1）輔助繼電器分為通用繼電器、失電保持輔助繼電器和特殊輔助繼電器。特殊輔助繼電器有只能利用觸點的特殊輔助繼電器和只能利用線圈的特殊輔助繼電器。

2）定時器相當于繼電器控制系統中的時間繼電器，FX系列PLC定時器的分辨率有1 ms、10 ms、100 ms 等幾種。

七、PLC的工作原理

1、PLC是一種工業控制計算機，但由于它在硬件上有一些接口器件，在軟件上有專用的監控軟件，所以其外形又不像計算機，操作使用方法、編程語言甚至工作原理都與計算機有所不同。另一方面，PLC作為繼電控制盤的替代物，它的核心是單片機，與繼電器控制邏輯的工作原理又有很大區別。PLC通過循環掃描輸入端口的狀態，執行用戶程序，實現控制任務。PLC的系統程序永久保存在PLC中，用戶不能改變。影響PLC掃描周期長短的因素是用戶程序長短、CPU執行指令的速度。當PLC的I/O點數不夠時，可通過 PLC的I/O擴展接口對系統進行擴展。

2、由于PLC電源的好壞直接影響PLC的功能和可靠性，因此，PLC對電源的基本要求如下：

1）能有效控制、消除電網電源帶來的各種噪聲；

2）不會因電源發生故障而導致其他部分產生故障；

3）能在較寬的電壓波動范圍內保持輸出電壓穩定；

4）電源本身的功耗應盡可能低,以降整機的溫升；

5）內部電源及PLC向外提供的電源與外部電源間應完全隔離；

6）有較強的自動護功能。

3、大部分 PLC 采用開關式穩壓電源供電。對數據存儲器，常采用鋰電池作斷電保護后備電源，鋰電池的工作壽命約為5年。

八、PLC的編程語言

1、PIC的編程語言有梯形圖、指令表、邏輯功能圖、結構文本、BASIC語言等。常用的有梯形圖、指令表和結構文本。生產廠家都把梯形圖作為第一用戶編程語言。

2、梯形圖是一種圖形化的編程語言，沿用電氣控制中的觸點、線圈等術語，具有形象、直觀、易學、實用的特點，不過較復雜的控制系統用梯形圖設計時存在如下問題：設計方法難掌握且設計周期長；裝置投入運行后維護、修改困難。使用順序功能圖可以有效地解決上述問題。

3、PIC的指令是一種與微型計算機的匯編語言指令類似的助記符表達式。基本指令語句的基本格式包括地址、助記符、操作元件。助記符常由2~4個英文字母組成，表示操作功能。指令表是用若干個容易記憶的符號來代表PLC的某種操作功能。

九、PLC的編程方法

1、在梯形圖中，應適當安排軟元件的順序，以減少程序所占的步數，串聯觸點數多的支路應安排在上面，并聯觸點數多的支路應安排在左邊。

2、PLC輸入繼電器的線圈是由對應輸入點的輸入信號驅動的。

3、在編寫程序時通常利用特殊輔助繼電器，如利用時鐘脈沖特殊輔助繼電器產生的時鐘脈沖輸出；利用觸點利用型特殊輔助繼電器在PLC運行開始瞬間接通一個掃描周期。

4、PLC中軟元件的觸點數量不受限制。

十、PLC的基本指令

1、ANB.ORB指令

在梯形圖中，可能會出現電路塊與電路塊串聯或者電路塊與電路塊并聯的情況，這時就要使用ANB指令或ORB指令。ANB指令稱為“電路塊與指令”，其功能是使電路塊與電路塊串聯。ORB指令稱為“電路塊或指令”，其功能是使電路塊與電路塊并聯。ANB指令和ORB指令是獨立指令，沒有操作元件。

將每個電路塊看成一個分支電路，每個分支電路的第一個觸點就是分支起點，這時規定要使用LD指令或LDI指令。也就是寫每個電路塊的指令語句表時，如果第一個觸點是常開觸點，要用LD指令，不管這個觸點是否接左母線；如果第一個觸點是常閉觸點，要用 LDI指令。

2、OUT指令

OUT指令可于驅動輸出繼電器、通用輔助繼電器、計數器。

3、MPS、MRD、MPP 指令

在FX系列PLC中均設置有存儲運算中間結果的存儲器，稱為堆棧存儲器。這個堆棧存儲器將觸點之間的邏輯運算結果存儲后，可以用指令將這個結果讀出，再參與其他觸點之間的邏輯運算。與堆棧存儲器對應的指令有MPS、MRD、MPP指令。

1）MPS進棧指令

其功能為將該時刻的運算結果壓入堆棧存儲器的最上層，堆棧存儲器原來存儲的數據依次向下自動移一層。

2）MRD讀棧指令

其功能為將堆棧存儲器中最上層的數據讀出。執行MRD指令后,堆棧存儲器中的數據不發生任何變化。

3）MPP出棧指令

其功能為將堆棧存儲器中最上層的數據取出，堆棧存儲器原來存儲的數據依次向上自動移一層。

4）編程時，進棧MPS指令與出棧MPP指令必須成對出現使用，且連續使用次數不能超過11次。MRD指令可根據實際情況決定是否使用。MPS、MRD、MPP指令只對堆棧存儲器的數據進行操作，因此默認操作元件為堆棧存儲器，在使用時無須指定操作元件。 在MPS、MRD、MPP指令之后若有單個常開(或常閉)觸點串聯，應使用AND(或ANI)指令；在MPS、MRD、MPP指令之后若無觸點串聯，直接驅動線圈，則應使用 OUT指令。

十一、PLC接線注意事項

1、PLC在工作前必須正確地接入系統，與PLC連接的主要有 PLC的電源線、輸入/輸出器件的接線、通信線和接地線。

2、PLC交流電源線應單獨從機頂進入控制柜,不能與模擬信號線、直流信號線推在一起走線，以減少對其他控制電路的干擾。

3、PLC的電源接在輸入端口中的L端子和N端子之間，接線時為防止發生短路故障，應選用250V、1A的熔斷器。為防止因負載短路而造成輸出短路，應在PLC外部輸出電路安裝熔斷器。在PLC電源配線施工中，輸出模塊的電源配線必須采用分組式接線。

4、PLC有三種輸出方式，若PLC采用晶體管輸出,不能接單相電動機、三相電動機、交流負載。

5、若PLC輸出端接感性負載,需根據負載的不同情況接入相應的保護電路。在交流感性負載兩端應并接RC串聯電路。

6、FX系列PLC輸入接口一般采用匯點式接線，輸出接口一般采用分組式接線。輸入端可以接主令電器、熱繼電器的觸點等，輸出端可以接交流接觸器線圈、電磁閥等。

7、PLC的I/O連接與控制線應分開布線并保持一定距離。如果不得不在同一槽中布線，應使用屏蔽線。交流線與直流線、輸入線與輸出線最好分開走線，傳送開關量與模量信號的線路最好分開敷設，傳送模擬量的信號可采用屏蔽線，其屏蔽層應在模擬量模塊一端接地。

8、PLC輸入/輸出回路接線

1）根據負載性質并結合輸出點的要求，確定負載電源的種類及電壓等級，能用交流的不選直流。

2）正確確定負載電源容量。應考慮接觸器、電磁閥等負載同時工作等因素，不宜簡單地采取總容量乘以系數的辦法估算。尤其是在大型系統中，若容量不滿足要求，容易引起電壓損失過大，影響負載正常工作。

3）負載電源即便是交流220V，也不宜直接取自電網，應采取屏蔽隔離措施。而且同一系統的基本單元、擴展單元的電源與其輸出電源應取自同一相。

4）PLC多采用正邏輯輸入，要求接近開關動作時輸出24V高電平。另外，凡是作為 PLC輸入元件的開關、傳感器，無論其容量是否允許，不允許再接其他負載，必須保證每個輸入通道是獨立的，以防止干擾或損壞PLC的內部輸入電路。

十二、PLC使用注意事項

1、PLC不要安裝在高溫、結露、雨淋的場所，也不宜安裝在多灰塵、油煙、電磁干擾、腐蝕性氣體和可燃性氣體的場所，更不要安裝在易發生振動或沖擊強烈的地方。如果環境惡劣，應采取相應的通風、防塵、防振措施，必要時可將其安裝在控制室。PLC的工作環境溫度范圍為0~55℃，相對濕度應在85%以下(無結霜)。

2、PLC不能與高壓電器、大功率晶閘管裝置、高頻電焊機安裝在一起，控制柜應遠離強干擾源和動力線。

3、當PLC后備電池異常時,必須在一周內更換電池，更換時間不要超過5min，另外還要做好程序的備份。

4、良好的接地是保證PLC安全可靠運行的重要措施。PLC系統接地的基本原則是單點接地。

5、PLC控制系統中應設置緊急停止線路，提供最高的安全保障，緊急停止應不受PLC控制。