任务2 三相异步电动机点动运行的PLC控制

2.1 任务目标

● 会描述三相异步电动机点动运行的PLC控制工作过程。

● 能记住三菱PLC的输入、输出端口及表示方法。

● 能记住三菱PLC取指令、线圈输出指令和结束指令。

● 会利用实训设备完成三相异步电动机点动运行PLC控制电路的安装、编程、调试和运行等，会判断并排除电路故障。

● 具有爱国意识和积极学习的热情；具有遵循国家标准的意识，遵守规章制度、操作规范和生产安全的意识；具有利用手册及网络资源等，阅读和查找相关资料的自学能力以及团队协作精神。

2.2 任务描述

三相异步电动机点动运行的要求：当按下起动按钮时，电动机起动运转；松开按钮后，电动机立即停止运转。使用PLC控制电路编写程序实现控制。

2.3 任务实施

利用实训设备完成三相异步电动机点动运行PLC控制电路的安装、编程、调试、运行及故障排除。

1. 三相异步电动机点动运行的PLC控制效果

2. I/O分配

1）I/O分配表。根据三相异步电动机点动运行的控制要求，需要输入设备1个，即按钮；输出设备1个，即用来控制电动机运行的交流接触器。其I/O分配见表2-1。

2）硬件接线图。三相异步电动机点动运行PLC控制的硬件接线图如图2-1所示。

3. 软件编程

三相异步电动机点动运行PLC控制的程序如图2-2所示。

4. 工程调试

在断电状态下连接好电缆，将PLC运行模式选择开关拨到“STOP”位置，使用编程软件编程并下载到PLC中。启动电源，并将PLC运行模式选择开关拨到“RUN”位置进行观察。如果出现故障，学生应独立检修，直到排除故障。调试完成后整理器材。

2.4 任务知识点

2.4.1 三相异步电动机点动运行的PLC控制过程

三相异步电动机点动运行PLC控制的硬件接线图和程序分别如图2-1和图2-2所示。PLC控制方式与继电器-接触器控制方式相比较，其主电路相同，不同的是控制电路部分。PLC方式，控制电路部分只需要将输入、输出元器件分别接到可编程序控制器的输入、输出端口即可，如图2-1b所示；其他元器件不需要连接，而是通过编写程序来实现控制，如图2-2所示。

三相异步电动机点动运行的PLC控制过程是：当合上电源开关QF时，主电路中的电动机M不会起动运转，因为此时交流接触器KM的主触头处在断开状态，电动机M的定子绕组上没有电压。当按下按钮SB时，PLC的输入端子X000得电，执行PLC内部程序，即梯形图中的软元件输入继电器X000的动合触头闭合，使其后的软元件输出继电器Y000的线圈吸合，从而使PLC的输出端子Y000得电，驱动中间继电器KA的线圈得电吸合，其动合触头闭合，使交流接触器KM的线圈得电吸合，主电路中KM的主触头闭合，电动机起动运转。当松开按钮SB时，PLC的输入端子X000失电，梯形图中的输入继电器X000的动合触头断开，使其后的输出继电器Y000的线圈释放，从而使PLC的输出端子Y000失电，与之相连的中间继电器KA的线圈失电释放，其动合触头恢复断开状态，其后的KM的线圈失电释放，使KM的主触头断开，分断电动机的电源，电动机随即停转。

2.4.2 PLC产生和定义

早期的PLC用来替代继电器-接触器控制，主要用于顺序控制，实现逻辑运算，因此，被称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。随着电子技术、计算机技术的迅速发展，PLC已不限于当初的逻辑运算，其功能不断增强，被称为可编程序控制器（Programmable Controller，PC）。为区别于Personal Computer（PC，个人计算机），故沿用PLC这个名称。

1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司（GM公司）为了适应生产工艺不断更新的需要，提出要用一种新型的工业控制器取代继电器-接触器控制装置，并要求将计算机控制的优点（功能完备，灵活性、通用性好）和继电器-接触器控制的优点（简单易懂、使用方便和价格便宜）结合起来，设想将继电器-接触器控制的硬接线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程，且要求编程简单，使得不熟悉计算机的人员也能很快掌握其使用技术。1969年，美国数字设备公司（DEC公司）研制出了第一台可编程序控制器，并在美国通用汽车公司的自动装配线上试用成功，取得令人满意的效果，可编程序控制器自此诞生。此后，1971年日本开始生产可编程序控制器，1973年欧洲开始生产，我国从1974年开始研制。目前用得比较多的PLC是美国的GE系列、日本的三菱MITSUBISHI系列和欧姆龙OMRON系列、德国的西门子SIEMENS系列、法国的施耐德SCHNEIDER系列等。可编程序控制器（PLC）部分实物图如图2-3所示。

PLC的定义有许多种，国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。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，并通过数字的或模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

可见，可编程序控制器是一种用程序来改变控制功能，易于与工业控制系统连成一体的工业计算机。当今PLC吸取了微电子技术和计算机技术的新成果，从单机自动化到整条生产线的自动化乃至整个工厂的生产自动化，从柔性制造系统、工业机器人到大型分散控制系统，PLC均承担着重要角色，居现代工业自动化的三大支柱之首。

2.4.3 PLC系统

PLC的系统组成如图2-4所示。

1. PLC的硬件结构

（1）PLC的外部硬件结构

P LC系统的硬件通常由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能模块组成，如图2-5所示。基本单元（即主单元）是PLC控制的核心；扩展单元是扩展I/O点数的装置，内部有电源；扩展模块用于增加I/O点数和改变I/O点数的比例，内部无电源，由基本单元或扩展单元供电，扩展单元和扩展模块均无CPU，必须与基本单元一起使用；特殊功能模块是一些具有特殊用途的装置。

FX系列PLC的外部特征基本相似，通常都有外部端子部分、指示部分及接口部分，其各部分的组成及功能如图2-6所示。

1）外部端子部分。外部端子包括PLC电源端子（L、N和接地）、供外部传感器用的DC 24V电源端子（24V、0V）、输入端子（X）和输出端子（Y）等，如图2-7所示。外部端子主要完成输入/输出（即I/O）信号的连接，是PLC与外部输入、输出设备连接的桥梁。

输入端子与输入信号相连，PLC的输入电路通过其输入端子可随时检测PLC的输入信息，即通过输入元件（如按钮、转换开关、行程开关、继电器的触头和传感器等）连接到对应的输入端子上，通过输入电路将信息送到PLC内部进行处理，一旦某个输入元件的状态发生变化，则对应输入点的状态也随之变化，其连接示意图如图2-8a所示。输出电路就是PLC的负载驱动回路，通过输出点，将负载和负载电源连接成一个回路。这样，负载就由PLC的输出点来进行控制，其连接示意图如图2-8b所示。负载电源的规格应根据负载的需要和输出点的技术规格来选择。

2）指示部分。指示部分包括各I/O点的状态指示、PLC电源（POWER）指示、PLC运行（RUN）指示、用户程序存储器后备电池（BATT.V）状态指示、程序语法出错（PROG.E）指示、CPU出错（CPU.E）指示等，用于反映I/O点及PLC的状态。

3）接口部分。接口部分主要包括编程器、扩展单元、扩展模块、特殊模块及存储卡盒等外部设备的接口，其作用是完成基本单元同上述外围设备的连接。在编程器接口旁边，还设置了一个PLC运行模式转换开关，它有RUN和STOP两个运行模式，RUN模式表示PLC处于运行状态（RUN指示灯亮）；STOP模式表示PLC处于停止即编程状态（RUN指示灯灭），此时，PLC可进行用户程序写入、编辑和修改。

4）FX_3U系列PLC型号。PLC的种类和型号众多，本书以三菱公司的FX_3U系列为主要讲授对象，介绍PLC的相关知识。

FX系列PLC型号名称可按如下格式定义：

① 子系列名称：如1S、1N、2C、2N、3U和3G等。

② 输入/输出（I/O）的总点数：10～256。

③ 单元类型：M为基本单元，E为输入/输出混合扩展单元或扩展模块，EX为输入专用扩展模块，EY为输出专用扩展模块。

④ 输出形式：R为继电器输出，T为晶体管输出，S为双向晶闸管输出。

⑤ 电源的形式：D表示DC电源、24V直流输入；UA1/UL表示AC电源、220V交流输入；001表示专为中国推出的产品；ES表示DC 24V输入，继电器或晶体管（漏型）输出；ESS表示DC 24V输入，晶体管（源型）输出。如果此项无符号，则表示为AC电源、24V直流输入以及横式排子端。

（2）PLC的基本单元

1）内部硬件。PLC基本单元内部主要有3块电路板，电源板、输入/输出接口板及CPU板，如图2-9所示。电源板主要为PLC各部件提供高质量的开关电源；输入/输出接口板主要完成输入、输出信号的处理；CPU板主要完成PLC的运算和存储功能。

2）内部结构。PLC基本单元主要由中央处理单元（CPU）、存储器及其接口、输入单元、输出单元、电源单元、扩展接口和编程器接口组成，其结构框图如图2-10所示。

① 中央处理单元。CPU由控制器、运算器和寄存器组成，是整个PLC的运算和控制中心，在系统程序的控制下，通过运行用户程序完成各种控制、处理、通信及其他功能，控制整个系统并协调系统内部各部分的工作。其主要功能是：接收并存储用户程序和数据；诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误；接收输入信号，送入数据寄存器并保存；运行时顺序读取、解释和执行用户程序，完成用户程序的各种操作；将用户程序的执行结果送至输出端。PLC中所采用的CPU通常有通用处理器（8086、80286、80386）、单片机芯片（8031、8096）及位片式微处理器（AMD-2900）。

② 存储器及其接口。PLC的存储器用于存放程序和数据，配有系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器。

系统程序存储器用来存放由可编程序控制器生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能直接更改，其内容主要包括3部分：第一部分为系统管理程序，它主要控制PLC的运行，使其按部就班地工作；第二部分为用户指令解释程序，通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令；第三部分为标准程序模块与系统调用程序，它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序，PLC的具体工作都是由这部分程序来完成的，这部分程序的多少决定了PLC性能的强弱。

用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务，用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。目前较先进的PLC采用可随时读写的快闪存储器作为用户程序存储器。快闪存储器不需要后备电池，掉电时数据也不会丢失。

工作数据存储器用来存储工作数据，即用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等。在工作数据区中开辟有元件映像寄存器和数据表，其中元件映像寄存器用来存储开关量、输出状态以及定时器、计数器、辅助继电器等内部器件的ON/OFF状态；数据表用来存放各种数据，它存储用户程序执行时的某些可变参数值及A-D转换得到的数字量和数学运算的结果等。

为了存储用户程序以及扩展用户程序存储区和数据参数存储区，PLC还设有存储器扩展口，可以根据需要扩展存储器，其内部也是接到总线上的。

③ I/O单元。I/O单元是PLC与外部设备连接的接口。CPU所能处理的信号只能是标准电平，因此现场的输入信号，如按钮、行程开关、限位开关以及传感器输出的开关信号，需要通过输入单元的转换和处理才可以传送给CPU。CPU的输出信号，也只有通过输出单元的转换和处理，才能够驱动电磁阀、接触器和继电器等执行机构。

输入接口电路（输入单元）——PLC的输入接口电路基本相同，通常分为3种类型：直流输入方式、交流输入方式和交直流输入方式。外部输入元器件可以是无源触头（如按钮、行程开关等），也可以是有源器件（如传感器、接近开关、光电开关等）。图2-11所示为直流24V输入方式的电路图，输入信号通过输入端子经光电隔离和RC滤波进入内部电路，并通过安装在PLC面板上的发光二极管（LED）来显示某一输入点是否有信号输入。其中，光电隔离可对两电路之间的直流电平起隔离作用；RC滤波器可用于消除输入触头抖动和外部噪声等其他干扰。其中LED为相应输入端在面板上的指示灯，用于表示外部输入信号的ON/OFF状态（LED亮表示ON）。图中输入信号接于输入端子（如X000、X001）和0V之间，当有输入信号（即传感器接通或开关闭合）时，则输入信号通过光电隔离电路耦合到PLC内部电路，并使发光二极管（LED）亮，指示有输入信号。

输出接口电路（输出单元）——PLC的输出电路有3种形式：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出，如图2-12所示。继电器输出型最常用，适用于交、直流负载，CPU控制继电器线圈的得电或失电，其触头相应闭合或断开，再利用触头去控制外部负载电路的接通或分断。显然，继电器输出型PLC利用继电器线圈和触头之间的电气隔离将内部电路与外部电路进行隔离，其特点是带负载能力强，但动作频率与响应速度慢，且触头寿命短。晶体管输出型适用于直流负载，通过使晶体管截止或导通来控制外部负载电路。晶体管输出型在PLC的内部电路与输出晶体管之间用光电耦合器进行隔离，其特点是动作频率高，响应速度快，寿命长，可靠性高，但带负载能力小。晶闸管输出型适用于交流负载，通过使晶闸管导通或关断来控制外部电路。晶闸管输出型在PLC的内部电路与输出元件（三端双向晶闸管开关器件）之间用光敏晶闸管进行隔离，其特点是响应速度快，寿命长，可靠性高，但带负载能力不大。

④ 电源单元。PLC的供电电源一般是市电，有的也用DC 24V电源供电。PLC对电源稳定性要求不高，一般允许电源电压在-15%～+10%波动。PLC内部含有一个稳压电源，用于对CPU和I/O单元供电。有时PLC还有DC 24V输出，用于对外部传感器供电，但输出电流往往只是毫安级。

⑤ 扩展接口。扩展接口实际上为总线形式，可以连接输入/输出扩展单元或模块（使PLC的点数规模配置更为灵活），也可连接模拟量处理模块、位置控制模块以及通信模块等。

⑥ 编程器及其接口。目前，FX系列PLC常用的编程工具有3种：便携式（即手持式）编程器、图形编程器和安装了编程软件的计算机。它们的作用都是通过编程语言，把用户程序送到PLC的用户程序存储器中，即写入程序。除此之外，还能对程序进行读出、插入、删除、修改和检查等，也能对PLC的运行状况进行监控。

PLC基本单元通常不带编程器，为了能对PLC进行现场编程及监控，专门设置有编程器接口，通过这个接口可以接各种类型的编程装置，还可以做一些监控工作。

2. PLC的软件结构

（1）PLC的软件系统

PLC的硬件和软件相辅相成，缺一不可。PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，可分为系统监控程序和用户程序两大部分。

1）系统监控程序。系统监控程序是每一个PLC必须包括的部分，由生产厂家提供，固化在EPROM中，用于控制PLC本身的运行，其质量好坏很大程度上影响着PLC的性能。

系统监控程序可分为系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块及系统调用程序3部分。系统管理程序是系统程序中最重要的部分，PLC整个系统的运行都由它控制；用户指令解释程序用来把梯形图、指令表等编程语言翻译成PLC能够识别的机器语言；标准程序模块及系统调用程序是由许多独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种单独的功能，如输入、输出及特殊运算等，PLC根据不同的控制要求，选用这些模块完成相应的工作。

2）用户程序。又称为应用程序，是由用户根据控制要求，用PLC的编程软件、编程软元件和编程语言编制的程序，用户通过编程器或PC写入到PLC指定的RAM存储区内，其最大容量受系统监控程序限制。当PLC断电时可以由锂电池保持这些程序，在没有被其他程序覆盖之前，可以通过读取程序的方式对其进行修改或更新。

（2）PLC的编程语言

PLC是专为工业自动化控制而开发、研制的自动控制装置，它直接面向用户，面对生产一线的电气技术人员及操作维修人员，因此简单易懂、易于掌握。PLC的编程语言标准（IEC 61131-3）中有5种编程语言，分别是梯形图、指令表（助记符）、顺序功能图、功能块图和结构文本语言。

1）梯形图语言。又称为梯形图（LD），是一种以图形符号及其在图中的相互关系来表示控制关系的编程语言，是在继电器-接触器控制原理图的基础上产生的一种直观、形象的图形逻辑编程语言，极易被接受，因此在PLC编程语言中应用最多。

继电器-接触器控制电路图与相应的梯形图的比较实例如图2-13所示，梯形图沿用了继电器的触头、线圈和串并联等术语。图2-13b中的动合触头X000、动断触头X001和动合触头Y000代表逻辑输入条件，分别相当于图2-13a中的起动按钮SB1、停止按钮SB2和自锁触头KM；图2-13b中的线圈Y000代表逻辑输出结果，相当于图2-13a中的线圈KM，用来控制外部的负载或内部的中间结果。

梯形图与继电器-接触器控制电路所不同的是，继电器-接触器控制电路中各个元件、触头以及电流都是真实存在的，每一个线圈只能带几对触头。而梯形图中所有的触头、线圈等都是软元件，没有实物与之对应，电流也不是实际意义上的电流。因此，理论上梯形图中的线圈可以带无数个动合触头和动断触头。

2）指令表语言。又称为助记符语言（IL），与微型计算机的汇编语言类似，它常用一些助记符来表示PLC的某种操作。梯形图与指令表之间可以相互转换，图2-14所示即为图2-13梯形图对应的指令表语言。

3）顺序功能图语言。又称为流程图（SFC），常用来编制顺序控制类程序，它包含步、动作和转换3个要素。顺序功能图语言可将一个复杂的控制过程分解为一些小的顺序控制要求，再连接组合成整体的控制程序。图2-15所示为某控制系统的顺序功能图语言，可见，其编程语言非常直观，用户可以根据顺序控制步骤的执行条件变化，清楚地看到在程序执行过程中每一步的状态，从而便于程序的设计和调试，同时也避免了梯形图语言和指令表语言在编制复杂顺控程序时步数多的缺点。顺序功能图语言可以通过改变程序类型变换成梯形图语言。

4）功能块图语言。功能块图语言（FBD）实际上是用逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，与数字电路中逻辑图一样，它极易表现条件与结果之间的逻辑功能。图2-16所示为某控制系统的功能块图语言。这种编程方法是根据信息流将各种功能块加以组合，是一种逐步发展起来的新式编程语言，正在受到各种PLC生产厂家的重视。

5）结构文本语言。结构文本语言（ST）是为IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言。随着PLC的飞速发展，一些高级功能如图表显示、报表打印等功能，如果还是用梯形图来表示，会很不方便，于是许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC和C等高级编程语言，这种编程方式叫做结构文本语言。结构文本语言采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算，但需要有一定的计算机高级语言的知识和编程技巧，对工程设计人员要求较高，同时直观性和操作性较差。

（3）PLC编程器和编程软件

程序的输入、调试及监控可以采用便携式简易编程器实现，也可以在编程软件的支持下，在PC的Windows平台上进行，不同生产厂家、不同系列所使用的PLC编程器和编程软件也不尽相同。

三菱FX系列PLC常用的编程器是“FX-20P-E手持式编程器”，其结构如图2-17所示，属于PLC外围设备，主要用于实现人机对话，进行程序的输入、编辑和功能开发，还可以用来监视PLC的工作状态，具有体积小、重量轻、价格低等特点，广泛用于小型PLC的用户程序编制、现场调试和监控。随着技术不断地发展，手持式编程器已经很少用了。

三菱FX系列PLC常用的编程软件有“SWOPC-FXGP/WIN-C”“GX-Developer”和“GX Works2”。SWOPC-FXGP/WIN-C是应用于FX系列PLC的中文编程软件，可在Windows 3.1或Windows 9x及以上版本操作系统运行。GX-Developer和GX Works2又称为GX开发器，可以用于涵盖所有三菱电机公司的PLC设备，可以在Windows 9x及以上版本的操作系统运行，详细操作步骤参见2.7节中的视频介绍。

2.4.4 PLC工作原理及应用领域

1. PLC的工作原理

（1）PLC的工作方式

PLC有运行（RUN）和停止（STOP）两种工作状态，通过拨动开关进行选择。当选择STOP状态时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容，一般用于程序的写入和修改；当选择RUN状态时，PLC除了要进行内部处理、通信服务之外，还要执行反映控制要求的用户程序，即进行输入处理、程序执行和输出处理，如图2-18所示。PLC开始运行时，在无跳转指令或中断的情况下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，当执行到指令END后，又返回第一条指令开始新一轮扫描，直到停机或从RUN状态切换到STOP状态，才停止程序的运行。PLC这种周而复始的工作方式称为循环扫描工作方式，在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。

1）内部处理阶段。PLC通电后，进行内部初始化处理、I/O模块配置检查、自身硬件诊断及其他初始化处理等。

2）通信服务阶段。完成与一些带处理器的智能模块及各外设（如编程器、打印机等）的通信，完成数据的接收和发送任务，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等。

3）输入处理阶段。PLC处于RUN状态下用户程序的扫描过程如图2-19所示。在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号的状态，这片区域被称为输入映像寄存器；PLC的其他软元件也有对应的映像存储区，统称为元件映像寄存器。例如：当某外部输入信号接通时，对应的输入映像寄存器就为“1”状态，梯形图中对应的输入继电器动作（即动合触头闭合、动断触头断开）；当外部输入信号分断时，对应的输入映像寄存器就为“0”状态，梯形图中对应的输入继电器恢复初始状态（即动合触头恢复为断开状态、动断触头恢复为闭合状态）。

输入处理又叫输入采样，此阶段PLC顺序读取所有输入端子的状态，并将读取的信息存入输入映像寄存器中。当采样结束后，输入映像寄存器被刷新，其内容被锁存并与外界隔离，即使此时输入信号发生变化，其映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被重新读取。

4）程序执行阶段。PLC完成输入处理后，根据PLC的工作方式，按先上后下、先左后右的步序，逐条扫描用户梯形图程序，从输入映像寄存器、元件映像寄存器（辅助继电器、定时器、计数器、数据寄存器等）中读取元件的状态或数据，按程序要求进行逻辑运算或算术运算，再将每步运算的结果写入元件映像寄存器。可见，程序执行阶段，元件映像寄存器中数据状态是在不断刷新的。当所有指令都扫描完成后，即进入输出处理阶段。

5）输出处理阶段。输出处理又叫输出刷新，在所有用户程序执行完后，PLC将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态信息转存到输出锁存器中，刷新其内容，再通过隔离电路、功率放大电路等，使输出端子向外界输出控制信号，从而驱动外部负载。

PLC的工作方式与计算机控制系统和继电器-接触器控制系统的工作方式都不同，计算机控制系统一般采用等待命令的工作方式；继电器-接触器控制系统采用硬逻辑“并行”运行的方式，即如果某继电器的线圈得电或失电，该继电器所有的触头都会立即同时动作；PLC的扫描工作方式以“串行”方式工作，即如果某输出线圈或逻辑线圈得电或失电，该线圈的所有触头不会立即动作，必须等扫描到该触头时才会动作，这样可以避免触头（逻辑）竞争和时序失配问题。但这种方式同时也带来控制响应滞后性，可以通过在硬件设计上选用快速响应模块、高速计数模块等新型模块；在软件设计上采用中断技术、改变信息刷新方式、调整输入滤波器等措施。

（2）扫描周期

一个扫描周期等于内部处理、通信服务、输入处理、程序执行和输出处理所有时间的总和。PLC的自诊断时间与型号有关，可从手册中查取；通信时间的长短与连接的外围设备多少有关，如果没有连接外围设备，则通信时间为零；输入采样与输出刷新时间取决于I/O点数；扫描用户程序所用时间则与扫描速度及用户程序的长短有关。对于基本逻辑指令组成的用户程序，扫描速度与步数的乘积即为扫描时间。如果用户程序中包含特殊功能指令，还必须查手册确定执行这些指令的时间。

2. PLC的特点、应用领域及发展趋势

（1）PLC的特点

1）可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器-接触器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于继电器的触头多、动作频繁，经常出现接触不良，因此故障率高。而PLC用软元件代替了大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，因此，因触头接触不良而造成的故障大为减少。另外，PLC还使用了一系列硬件和软件保护措施，如输入/输出接口电路采用光电隔离，设计了良好的自诊断程序等。因此，PLC具有很高的可靠性和很强的抗干扰能力，平均无故障的工作时间可达数万小时，已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

2）功能强大，性价比高。PLC除了具有开关量逻辑处理功能外，大多还具有完善的数据运算能力。近年来，随着PLC功能模块的大量涌现，PLC的应用已渗透到位置控制、温度控制和计算机数控（CNC）等控制领域。随着其通信功能的不断完善，PLC还可以组网通信。与相同功能的继电器-接触器控制系统相比，PLC具有很高的性价比。

3）编程简易，可现场修改。PLC作为通用的工业控制计算机，其编程语言易于为工程技术人员接受。其中的梯形图就是使用最多的编程语言，其图形符号和表现形式与继电器-接触器控制电路图相似，熟悉继电器-接触器控制电路图的工程技术人员可以很容易地掌握梯形图语言，而且可以根据现场情况，在生产现场边调试边修改，以适应生产现场设备的需要。

4）配套齐全，使用方便。PLC发展到今天，其产品已经标准化、系列化和模块化，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。此外，PLC通常通过接线端子与外围设备连接，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器，使用起来极为方便。

5）寿命长，体积小，能耗低。PLC不仅具有数万小时的平均无故障时间，且其使用寿命长达几十年。此外，小型PLC的体积仅相当于两个继电器的大小，能耗仅为数瓦。因此，它是机电一体化设备的理想控制装置。

6）系统的设计、安装、调试及维修工作量少，维护方便。PLC用软件取代了继电器-接触器控制系统中大量的硬件，使控制系统的设计、安装和接线工作量大大减少。此外，PLC具有完善的自诊断和显示功能，当PLC外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息方便地查明故障的原因和部位，从而迅速排除故障。

（2）PLC的应用领域

PLC已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输和环保等各行各业。随着其性价比的不断提高，其应用领域正不断扩大，如开关量逻辑控制、运动控制、过程控制、数据处理和通信联网等。

1）开关量逻辑控制。这是PLC最基本、最广泛的应用领域。PLC具有“与”“或”“非”等逻辑指令，可以实现触头和电路的串并联，代替继电器进行组合逻辑控制、定时控制与顺序控制。开关量逻辑控制可以用于单台设备，也可以用于自动生产线，其应用领域已遍及各行各业。

2）运动控制。PLC使用专用的指令或运动控制模块，对直线运动或圆周运动进行控制，可实现单轴、双轴、三轴和多轴位置控制，使运动控制与顺序控制功能有机地结合在一起。PLC的运动控制功能广泛地用于各种机械，如金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人和电梯等场合。

3）过程控制。过程控制是指对温度、压力和流量等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC通过模拟量处理模块，实现模拟量和数字量之间的A-D与D-A转换，并以模拟量实现闭环PID控制。现代的PLC一般都有PID闭环控制功能，这一功能可以用PID功能指令或专用的PID模块来实现。其PID闭环控制功能已经广泛地应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉和锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力和建材等行业。

4）数据处理。现代的PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与储存在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能传送到别的智能装置，或者将它们打印制表。

5）通信联网。PLC的通信包括主机与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信以及PLC与其他智能控制设备之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“分散控制、集中管理”的分布式控制系统，以满足工厂自动化系统发展的需要。

（3）PLC的发展趋势

1）从技术上看，随着计算机技术的新成果更多地应用到PLC的设计和制造上，PLC会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定和性价比更高的方向发展。

2）从配套性上看，随着PLC功能的不断扩大，PLC产品会向品种更丰富、规格更齐备和配套更完善的方向发展。

3）从标准上看，随着IEC1131标准的诞生，各厂家PLC或同一厂家不同型号的PLC互不兼容的格局将会被打破，这将使PLC的通用信息、设备特性和编程语言等向IEC1131标准的方向发展。

4）从网络通信的角度看，随着PLC和其他工业控制计算机组网构成大型控制系统以及现场总线的发展，PLC将向网络化和通信的简便化方向发展。

2.4.5 PLC软元件之输入/输出继电器（X，Y）

在PLC的编程语言中，使用了许多具有不同功能的元件，但它们不是真实的物理继电器（即硬继电器），而是在软件中使用的编程单元，每一个编程单元与PLC的一个存储单元相对应。为了把它们与真实的硬元件区分开，通常把这些元件称为“软元件”。FX系列PLC软元件的编号由字母和数字组成，常用的软元件有输入继电器（X）、输出继电器（Y）、定时器（T）、计数器（C）、辅助继电器（M）、状态继电器（S）、数据寄存器（D）、变址寄存器（V/Z）等。其中输入继电器和输出继电器用八进制数字编号，其他都采用十进制数字编号，本书将陆续对所有软元件进行介绍。

1. 输入继电器（X）

输入继电器（X）是PLC内部用来专门存储系统输入信号的用光电隔离的电子继电器，又被称为输入映像区，它们的编号与输入端子编号一致。PLC的输入端子外接开关电器，将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中，其内部与输入继电器相连。输入继电器线圈的吸合或释放取决于外部开关的状态，内部可以提供无数个动合触头和动断触头供编程使用，且编程使用次数不限。FX_3U系列PLC的输入继电器采用八进制编号，如X000～X007、X010～X017（习惯写成X0～X7、X10～X17）等，最多可达248点。

图2-20所示是PLC输入/输出继电器等效电路示意图，输入端子X000外接的输入电路接通时，它对应的输入映象寄存器即为“1”状态，其内部虚拟的输入继电器X000的线圈吸合，其内部程序中的动合触头闭合；相反，当外接的输入电路分断时为“0”状态，其动合触头恢复断开状态。输入继电器的状态唯一地取决于外部输入信号的状态，不受用户程序的控制，即只能用输入信号驱动，不能用程序驱动。因此，在PLC程序中绝对不能出现输入继电器的线圈。

2. 输出继电器（Y）

输出继电器（Y）是PLC中专门用来将运算结果经输出接口电路及输出端子来控制外部负载的内部虚拟继电器，它们的编号与输出端子编号一致。PLC的输出端子外接负载，内部通过外部输出主触头与输出继电器线圈相连，是PLC向外部负载发送信号的窗口。输出继电器线圈的吸合或释放由程序控制，内部可以提供无数个动合触头和动断触头供编程使用，且编程使用次数不限。FX_3U系列PLC的输出继电器也采用八进制编号，如Y000～Y007、Y010～Y017等，最多可达248点，但输入、输出继电器的总点数不得超过256点。

图2-20所示的梯形图程序中，当内部虚拟的输出继电器Y000的线圈吸合时，外部输出动合主触头闭合，输出端子得电，驱动外部负载工作，其程序内部Y000的动合触头闭合，使Y000的线圈长期保持吸合状态，从而使负载连续运行；相反，当输出继电器Y000的线圈释放时，外部输出动合主触头恢复断开状态，输出端子失电，外部负载停止工作。输出继电器既可以是线圈，也可以是动合或动断触头。

2.4.6 梯形图语言基本规则和设计技巧

梯形图语言与继电器-接触器控制电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能上类似，但梯形图有它自身的特点、编写的基本规则和设计技巧。

1. 梯形图的特点

1）梯形图两侧的平行竖线称为母线（右母线可以省略），如图2-21所示。两条母线之间是由许多触头和编程线圈或功能指令组成的一条条平行的逻辑行（或称梯级），原则上每个逻辑行必须以触头与左母线连接开始，以线圈或功能指令与右母线连接结束。

2）继电器-接触器控制电路图中的左、右两条线为电源线，中间各支路都加有电压，当支路通电时，有电流流过支路上的触头与线圈。而梯形图的左、右母线并未加电压，梯形图的支路接通时，并没有真正的电流流过，只是为分析方便的一种假想“电流”。

3）梯形图中使用的各种元器件称为软元件，是按照继电器-接触器控制电路图中相应的元器件名称设计的，但并不是真实的物理元器件。梯形图中的每个触头和线圈均与PLC存储区中元件映像寄存器的一个存储单元相对应，若该存储单元为“1”，则表示触头动作（即动合触头闭合、动断触头断开）和线圈吸合（或释放）；若为“0”，则保持原初始状态不变。

4）梯形图中各软元件的触头既有动合触头，又有动断触头，其数量是无限的。

5）输入继电器的状态唯一地取决于对应的外部输入电路的信号状态，因此在梯形图中的该类继电器只有触头没有线圈。辅助继电器相当于继电器-接触器控制系统中的中间继电器，用来保存运算的中间结果，不对外驱动负载。负载只能由输出继电器来驱动。

6）根据梯形图中各触头的状态和逻辑关系，分析程序中各软元件的ON/OFF（1/0）状态，称为梯形图的逻辑运算。梯形图的逻辑运算是按从上而下、自左到右的顺序进行，用户程序的运算结果可以立即为后续程序所利用。根据PLC的循环扫描工作方式可知，逻辑运算是根据存放到元件映像寄存器中的状态，而不是实时取外部输入信号的状态来进行的。

2. 梯形图编写的基本规则

（1）线圈右边无触头

梯形图每一行都是从左母线开始，于右母线结束，触头在左，线圈在右，触头不能放在线圈的右边，线圈也不能直接与左母线连接，如图2-22所示。

（2）触头可串可并无限制

触头可用于串联电路，也可用于并联电路，且使用次数不限。但由于梯形图编程器和打印机的限制，建议串联触头一行不超过10个，并联连接的次数不超过24行。

（3）触头水平不垂直

触头应画在水平线上，不能画在垂直线上，否则会有双向电流经过，形成不能编程的梯形图，应进行重新编排，如图2-23所示，图2-23a可以分别转换为图2-23b或图2-23c。

（4）多个线圈并联输出

梯形图中若有多个线圈输出，这些线圈可并联输出，但不能串联输出，如图2-24所示。

（5）输出线圈不能重复使用

同一程序中，同一编号的输出线圈使用两次及以上，称为双线圈输出，如图2-25所示。双线圈输出时，前面的线圈对外输出无效，只有最后一次的输出线圈有效，也即双线圈输出容易引起误操作，因此禁止使用。

3. 梯形图的设计技巧

设计梯形图时，一方面要掌握梯形图程序设计的基本规则，另一方面为了减少指令的条数，节省内存和提高运行速度，还应该掌握设计的技巧。

1）串联多的电路应尽量放在上部，即“上重下轻”，如图2-26所示。

2）并联多的电路应靠近左母线，即“左重右轻”，如图2-27所示。

3）PLC的运行是按照从左到右、从上而下的顺序执行，因此，在PLC的编程中应注意程序顺序不同，其执行结果也不同，如图2-28所示。

2.4.7 PLC逻辑取指令、驱动线圈指令和程序结束指令（LD/LDI，OUT，END）

1.指令符号

PLC逻辑取及驱动线圈和程序结束指令分别是LD/LDI、OUT和END，见表2-2。

说明：驱动线圈时，指令用“OUT”，梯形图中用“圆括号”与之对应；“END”在梯形图中放入“中括号”。

2.指令用法

逻辑取及驱动线圈和程序结束指令用法示例如图2-29所示。

1）LD与LDI指令对应的触头一般与左母线相连，若与ANB、ORB指令组合使用，则可用于串、并联电路块的起始触头。

2）输出指令（即驱动线圈）可并行多次输出，如图2-29中的“OUT M10”和“OUT T0K50”。

3）输入继电器X不能使用OUT指令。

2.5 知识点拓展

2.5.1 PLC的发展过程

自美国数字设备公司（DEC）在1969年研制出了第一台可编程序控制器PDP-14以来，经过多年的发展，PLC产品性能日臻完善，其发展过程及各阶段特点见表2-3。

在未来的工业生产中，PLC技术、机器人技术、CAD/CAM和数控技术将成为实现工业生产自动化的四大支柱技术。

2.5.2 PLC、继电器-接触器控制系统、计算机控制系统比较

PLC、继电器-接触器控制系统、计算机控制系统三者性能及特点的比较见表2-4。

2.6 任务延展

1. 什么是可编程序控制器？它的组成部分有哪些？

2. PLC的CPU有哪些功能？

3. 简述PLC的发展历程。

4. 简述PLC的应用领域。

5. PLC的常见输入接口电路有哪几种方式？

6. PLC的常见输出接口电路有哪几种形式？

7. PLC采用哪种工作方式？简述PLC的扫描工作过程。

8. PLC的常见编程语言有哪些？

9. PLC控制系统与继电器-接触器控制系统在运行方式上有何不同？

10. FX_3U-48MR/ES型PLC的输入端接入一个按钮和一个限位开关，输出端为一个220V的交流接触器，请画出它的外部接线图。

2.7 实训1 三菱PLC编程软件的基本操作

1.实训目的

1）掌握GX Works2软件的安装。

2）熟悉GX Works2软件界面，掌握梯形图的基本输入操作。

3）掌握GX Works2软件的编辑、调试等基本操作。

4）掌握GX Works2梯形图与指令表的转换操作。

2.实训设备

可编程控制器实训装置1台、通信电缆1根、计算机1台、GX Works2软件、实训导线若干、万用表1只。

3.实训内容

（1）软件的安装

（2）PLC程序的编写

以图2-30所示梯形图为例，用GX Works2编程软件在计算机上编写程序并保存。

（3）PLC程序的模拟仿真

当程序编写完成后，在没有PLC硬件的情况下，可以采用模拟仿真的方式进行程序验证。对图2-30进行模拟仿真。

（4）PLC程序的编辑

PLC程序的编辑包含绘制与删除连线、程序的修改、插入与删除、复制与粘贴等。编辑图2-31和图2-32的程序。

（5）梯形图与指令表的转换

梯形图转换为指令表的方法是在“编辑”菜单下选择“写入至CSV文件”；指令表转换为梯形图的方法是在“编辑”菜单下选择“从CSV文件读取”。将图2-32的梯形图转换为指令表。

（6）整理器材

实训完成后，整理好所用器材、工具，按照要求放置到规定位置。

4.实训思考

1）模拟仿真后如果程序有错误，需要修改，但是无法修改是什么原因？

2）图2-31和图2-32仿真的结果有什么不同？

5.实训报告

撰写实训报告。