《PLC编程与应用技术（三菱系统）》配套教案：项目1 PLC基础知识.docx

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1、项目一 PLC基础知识一、教学目标掌握FX系列PLC型号的意义。知道PLC的外部结构和特点。能根据FX系列PLC的型号，确定PLC的主要参数与类型。根据控制电路的要求，选择相应的PLC。掌握PLC输入、输出端子的接线原理及注意事项。掌握微机环境下安装GX Developer编程软件和仿真软件的方法和步骤。能使用GX Developer编程软件进行简单编程，并用微型计算机对PLC进行调试和监控。二、课时分配本章共3个任务，本章安排9课时。三、教学重点通过本项目的学习，能够了解PLC的硬件组成及工作原理，同时掌握三菱PLC输入、输 出端子的接线原理及注意事项。四、教学难点PLC编程软件的使用。理解

2、GX Developer编程软件和仿真软件的主要功能。能使用GX Developer编程软件进行简单编程，并用微型计算机对PLC进行调试和监控。五、课后作业完成课后习题。六、教学过程和组织任务一认识PLC知识储备一、认识PLC可编程控制器(Programmable Logic Controller),简称 PLC。可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用 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，并通过数字量或模拟量输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可 控制要求必须通过改变控制电路的接线，才能实

3、现功能的转换。如将本线路的控制功能改成 断续（点动）控制，必须将KM辅助常开触点和与其连接的2号线、3号线拆除，才可实现。PLC控制系统与继电一接触器逻辑控制系统有着本质的区别，它是通过软件编程来实现 控制功能的，即它通过输入端子接收外部输入信号，接内部输入继电器；输出继电器的触点 接到PLC的输出端子上，由事先编好的程序（梯形图）驱动，通过输出继电器触点的通断, 实现对负载的功能控制。4 .工作方式不同在继电一接触器逻辑控制系统中，当电源接通时，线路中各继电器处于受制约状态。在 PLC中，各“软继电器”都处于周期性循环扫描接通中，每个“软继电器”受制约接通的时 间是短暂的。1 .电源接入及端

4、子排列PLC基本单元的供电通常有两种情况：一是直接使用工频交流电，通过交流输入端子连 接，对电压的要求比较宽松，100V至250V均可使用。二是采用外部直流开关电源供电，一 般配有直流24V输入端子。采用交流供电的PLC,机内自带直流24V内部电源，为输入器件 及扩展模块供电。FX2N系列PLC大多采用AC电源，DC输入形式。基本单元由内部电源、内部CPU、内部输入输出接口及程序存储器（RAM）组成，其中 指示灯共有5个，分别为power-电源指示灯、RUN-运行指示灯、RATT. V-电池电压下降指示 灯、PROGE-程序出错指示闪烁灯及CPUE-CPU出错指示灯。上部端子排中标有L及N的

5、接线位为交流电源相线及中性线的接入点。2 .输入口器件的接入PLC的输入口连接输入信号器件主要有开关、按钮及各种传感器，这些都是触点类型的 器件。在接入PLC时，每个触电的两个接头分别连接一个输入点及输入公共端。PLC的开关 量输入接线点都是螺钉接入方式，每一位信号占用一个螺钉。图120中上部为输入端子，COM 端为公共端（输入公共端在某些PLC中是分组隔离的，在FX2N中是连通的）。开关、按钮等 器件都是无源器件，PLC内部电源能为每个输入点提供大约7 mA的工作电流。3 .输出口器件的接入PLC输出口连接的器件主要是继电器、接触器、电磁阀等线圈。这些器件均采用PLC机 外的专用电源供电，P

6、LC内部只提供一组开关接点。接入时线圈的一端接输出点螺钉，一端 经电源接输出公共端。图122所示中下部为输出端子，由于输出口连接线圈种类多，所需的 电源种类及电压不同，输出口公共端常为许多组，而且组间是隔离的。图123所示为FX2N48M 的输出端子排及电源和继电器线圈接线原理图。PLC输出口的电源定额一般为2A,大电流的 执行器件必须配装中间继电器。在进行PLC输入、输出器件的安装和使用过程中，时常会遇到如下问题。1 .在进行三线制NPN型传感器的输入端接线安装时，将电源线和输出线接反（1）后果及原因：若将电源线和输出线接反将无法使输入端获取信号，这是因为三线 制NPN型传感器输出的是低电平

7、，如果接反将无法使输入端获取传感器输出的输入信号。（2）预防措施：在进行三线制NPN型传感器的输入端接线安装时，需将传感器输出低 电平的一端接到PLC的输入端，另外两端分别接到PLC的电源上。2 .在进行PLC的多个输出端接线安装时，易将交流负载和直流负载的COM端混淆其用（1）后果及原因：在进行PLC的多个输出端接线安装时，误将交流负载和直流负载的 COM端混淆其用，将导致PLC输出端的内部电路损坏，严重时会损坏PLC。（2）预防措施：在进行PLC的多个输出端接线安装时，应将交流负载和直流负载区分 开来，分别接到不同的COM端上。3 .在进行晶体管输出型PLC的输出端接线安装时，易将交流电源

8、接入或将直流电源的 极性接反（1）后果及原因：若误将交流电源接入，将导致PLC输出端的内部电路损坏，严重时 会损坏PLC。若将直流电源的极性接反，将导致直流负载无法被驱动。（2）预防措施：在进行晶体管输出型PLC的输出端接线安装时，直流电源的极性不能 接反，并且只能驱动直流负载。任务三PLC编程软件的使用知识储备一、GX Developer Ver. 8编程软件的主要功能（1）在GX Developer Ver.8编程软件中，可通过梯形图、指令表及SFC语言来创建PLC 程序，同时建立注释数据及设置寄存器数据。（2）创建PLC程序以及将其存储为文件，用打印机打印。（3）创建的PLC程序具有可在

9、串行系统中与PLC进行通信、文件传送、操作监控以及 各种测试功能。（4）创建的PLC程序可脱离PLC硬件进行离线仿真调试。二、GX Developer Ver. 8编程软件的操作界面下拉菜单快捷工具栏编辑窗口管理窗口L项目标题栏（状态栏）2 .下拉菜单（主菜单栏）3 .快捷工具栏4 .编辑窗口5 .管理窗口6 、STEP1GX Developer Ver. 8中文编程软件的安装1 .使用环境的安装2 .编程软件的安装四、软件的测试1 .系统的启动与退出2 .文件的管理3 编程操作编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的 原则设计。二、PLC的特点1 .可

10、靠性高，抗干扰能力强一般平均无故障时间可达几十万到上千万小时，制成系统也可达45万小时，甚至更 长时间。2 .通用性强，使用方便用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC 的硬设备，只需改编程序就可以满足要求。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化 中也被大量采用。3 .功能强，适应面广现在PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字量和模拟量的输 入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一 条生产线，又可控制一个生产过程。4 .编程简单，容易掌握目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式

11、”，既继承了传统控制线路 的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，非常容易接受 和掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过 阅读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工人很快就能学会用梯形图编制控制 程序。同时还提供了功能图、语句表等编程语言。5 .减少了控制系统的设计及施工的工作量由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器 等器件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟 调试，更减少了现场的调试工作量。6 .体积小、重量轻、功耗低、维护方便PLC是

12、将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功 耗低。由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，所以是实现机电一体化的理想控制设 备。三、认识PLC的外形MITSUBISHI :三菱系列PLC实物图西门子系列PLC实物图松下系列PLC实物图欧姆龙系列PLC实物图四、认识PLC的外部结构作状态 指示灯输出(Y)状态指示灯(端状央An信 开通口态、DC电源 输出端五、了解PLC的型号及意义(1)观察实验台上PLC的型号。(2) FX系列PLC型号的组成(以FX2N48MR为例)六、PLC的分类1 .按结构形式分类根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。(1

13、)整体式PLC。整体式PLC是将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、 体积小、价格低的特点。小型PLC一般采用这种整体式结构。(2)模块式PLC。模块式PLC是将PLC各组成部分，分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、 电源模块(有的含在CPU模块中)以及各种功能模块。大中型PLC 一般采用模块式结构。2 .按功能分类根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。七、PLC的选用1 .输入、输出点的选择2 .输出端口类型的选择任务二PLC硬件安装与接线负载电源类型开关速度高开关速度低交流品闸管继电器、品闸管直流晶体管继电器、品体管知

14、识储备一、PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展 接口、电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/ 输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。PLC系 统组框图如图17所示。.1 .中央处理器(CPU)CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同。小型PLC大多采用8位通 用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型 PLC大多采用高速位片式微处理器。对于双CPU系统，一般一片为字处理器，采用8位或16位处理器；

15、另一片为位处理器， 采用由各厂家设计制造的专用芯片。字处理器为主处理器，用于执行编程器接口功能，监视 内部定时器，监视扫描周期，处理字节指令及对系统总线和位处理器进行控制等。位处理器 为从处理器，主要用于处理位操作指令和实现PLC编程语言向机器语言的转换。位处理器的 采用，提高了 PLC的速度，使PLC更好地满足实时控制要求。总之，在PLC中CPU按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作，归纳起来,主要包括以下几方面：(1)接收从编程器输入的用户程序和数据。(2)诊断电源、PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。(3)通过输入接口接收现场的状态或数据，并存入输入映象寄存器或数据

16、寄存器中。(4)从存储器逐条读取用户程序，经过解释后执行。(5)根据执行的结果，更新有关标志位的状态和输出映象寄存器的内容，通过输出单元 实现输出控制。另外，有些PLC还具有制表打印或数据通信等功能。2 .存储器在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。PLC的存储器主要有 两种：一种是可读/写操作的随机存储器(RAM),另一种是只读存储器(ROM、PROM、EPROM 和 EEPROM)o3 .输入/输出接口单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。 PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象

17、进行控 制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理信 息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功 能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于 维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口，有各种各样功能的I/O接口供用户选 用。I/O接口的主要类型有数字量(开关量)输入、数字量(开关量)输出、模拟量输入、 模拟量输出等。(1)数字量(开关量)输入接口：按其使用电源的不同有三种类型：直流输入接口

18、、 交流输入接口和交/直流输入接口。DC入DC 入DC 入AC 入F。基本单元IT展模埃FXT及单元AC电源电整本元 FX1TIB元“本单元 单元（2）数字量（开关量）输出接口:按输出开关器件不同有三种类型：继电器输出、晶 体管输出和双向晶闸管输出。（3）PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数称为PLC输入/输出（I/O） 点数。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当系统的I/O点数不够时，可通过PLC的I/O 扩展接口对系统进行扩展。4 .通信接口PLC配有各种通信接口，这些通信接口一般都带有通信处理器。PLC通过这些通信接口 可与监视器、打印机、其他PLC、计算机等设备实

19、现通信。PLC与打印机连接，可将过程信 息、系统参数等输出打印；与监视器连接，可将控制过程图像显示出来；与其他PLC连接, 可组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制；与计算机连接，可组成多级分布式控制系 统，实现控制与管理相结合。5 .编程装置编程装置的作用是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与 PLC进行人机对话。它是开发、应用、维护PLC不可缺少的工具。编程装置可以是专用编程 器，也可以是配有专用编程软件包的通用计算机系统。专用编程器是由PLC厂家生产，专供 该厂家生产的某些PLC产品使用，它主要由键盘、显示器和外存储器接插口等部件组成。6 .电源PLC配有开关

20、电源，以供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干 扰能力强。对电网提供的电源稳定性要求不高，一般允许电源电压在其额定值15%的范围 内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于给外部传感器供电。7 .其他外围设备除了以上所述的部件和设备外，PLC还有许多外部设备，如EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。二、PLC的软键组成1 .系统程序系统程序是每一台PLC必须包括的部分，它是由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC 的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序分为系统管理程序、用户指令解释程 序、标准程序模块和系统调用子程序模块。2 .用户程序用户程序是

21、PLC的使用者利用PLC的编程语言，根据控制要求编程的程序。它是用梯形 图或者某种PLC指令的注记符编制而成，可以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等, 其助记符形式随PLC型号的不同而略有不同。以下是几种常见的PLC编程语言。三、PLC的工作原理STOPSTOP内部处理 通讯服务（b）停止模式1 .运行模式在运行模式下PLC对用户程序的循环扫描过程一般分为3个阶段进行，即输入采样阶段、 程序执行阶段和输出刷新阶段。1）输入采样阶2）程序执行阶段3）输出刷新阶段PLC重复地执行上述3个阶段，这3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一系列

22、的具体工作。这种工作方式称为循 环扫描工作方式。PLC执行一次扫描操作所需时间称为扫描周期，其典型值为1100ms。 一般来说，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。2 ,停止模式在停止模式下，PLC只进行内部处理和通信服务工作。在内部处理阶段，PLC检查CPU 模块内部的硬件是否正常，进行监控定时器复位工作。在通信服务阶段PLC与其他带CPU 的智能装置通信。由于PLC采用循环扫描工作方式，即对信息采用串行处理方式，这必然会 带来输入/输出的响应滞后问题。输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从PLC外部 输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻止之间的时间

23、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3 部分所组成。1）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 作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型 值为10 mso2）输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关，继电器为10 ms；晶体管型一般小 于1 ms；双向晶闸管型在负载通电时的滞后时间为1 ms；负载由导通到断开时的最大滞后 时间为10 mso3）由扫描工作方式产生的滞后时间最多可达两个多扫描周期。输入/输出滞后时间对于一般工业设备是完全允许的，但对于某些需要输出对输入做出 快

24、速响应的工业现场，可以采用快速响应模块、高速计数器模块以及中断处理等措施来尽量 减少响应时间。四、PLC控制系统与继电一接触器逻辑控制系统的比较L组成的器件不同继电一接触器逻辑控制系统是由许多硬件继电器和接触器组成的，而PLC则是由许多 “软继电器”组成的。传统的继电一接触器控制系统本来就有很强的抗干扰能力，但其用了 大量的机械触点，因物理性疲劳、尘埃的隔离性及电弧的影响，系统可靠性大大地降低。如 图14所示的继电一接触器逻辑控制系统实现电动机的单方向连续运行，就是通过接触器 KM的一副辅助常开触点实现自保的，一旦接触点变形或受尘埃的隔离性及电弧的影响，造 成接触不良，将会影响电动机的正常工作。而PLC采用无机械触点的逻辑运算微电子技术, 复杂的控制由PLC内部运算器完成，故使用寿命长、可靠性高。2 .触电的数量不同继电器和接触器的触点数比较少，一般只有48对，而PLC的“软继电器”可供编程 的触点有无数对。3 .控制方式不同逻辑控制系统是通过元件之间的硬件接线来实现的，在这种控制系统中，要实现不同的