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1.PLC简介

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该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。

世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。

我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。

1）开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2）模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A／D转换及D／A转换。PLC厂家都生产配套的A／D和D／A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3）运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I／O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4）过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5）数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6）通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

2.PLC改造电气控制线路

当前，电气设备的电气控制类型常用的有传统的继电控制和先进的PLC控制。传统的继电控制电路完全可以用PLC取代，且PLC控制具有很多优点。

与传统继电控制电路相比，用PLC控制电动机的运行状态，外部接线简单，运行稳定，故障率低，维护方便，特别是不需要改变PLC外电路的结构，仅通过修改程序就可实现复杂电路的功能等，其优越性是多方面的。继电控制电路目前仍然应用很广泛，但在有些场合控制要求提高了，在保持原有控制功能的情况下用PLC替代，PLC方法用起来比较简单，人们并不需要详细分析继电控制电路的工作原理及其控制功能。用PLC改造继电控制电路的步骤：第一步，主电路保持不变，分析控制电路的原理；第二步，由继电控制电路写出控制电路的逻辑关系，并化简控制电路的逻辑关系；第三步，由控制电路的逻辑关系写出PLC梯形图程序并写出指令表；第四步，画出PLC外部电路图。

以电动机顺序起动控制为例，说明PLC改造继电控制电路的方法，此方法对于复杂的继电控制电路改造显得轻松、明了。本文的PLC以三菱FX系列为例，如用其他公司的PLC也是同样的道理。

第一步，主电路保持不变，分析控制电路的原理。

图8-2-1所示，两台电动机M1与M2，当按下按钮SB2，KM1线圈得电自锁，M1先起动，同时KT线圈得电，KT延时触点开始延时，经过10s后，KT触点动作，KM2线圈得电自锁，M2起动，KT线圈失电，KT触点复位，按下停止按钮SB1，M1与M2同时停止。

图8-2-1　两台电动机顺序起动控制电路

第二步，由继电接触器控制电路写出控制电路的逻辑关系，并化简控制电路的逻辑关系。

控制电路的逻辑关系。以交流接触器的线圈为控制对象，其余为响应部分，即“结果”，与之串联的元件为激励部分，即“条件”。串联电路为“与”关系，符号为“.”；并联电路为“或”关系，符号为“+”；状态相反为“非”关系，符号为“—”。元件的开关状态：断开为“0”，闭合为“1”；线圈状态：有电为“1”，无电为“0”。常开和常闭的逻辑关系是“非”逻辑。各种复杂的逻辑关系均是基本逻辑“与”、“或”、“非”的组合。

下面主要介绍FX2系列可编程序控制器的使用。

1）型号命名方式

型号命名的基本格式表示如下。

I／O总点数：14～256。

单元类型：M-基本单元；E-扩展单元及扩展模块；EX-扩展输入单元；EY-扩展输出单元。

型号变化：DS-DC24V，世界型；ES-世界型（晶体管型为漏输出）；ESS-世界型（晶体管型为源输出）。

输出形式：R-继电器输出；T-晶体管输出；S-晶闸管输出。

2）FX2系列PLC内部继电器的功能及编号

（1）输入继电器X（X0～X177）

输入继电器是PLC用来接收用户设备发来的输入信号。输入继电器与PLC的输入端相连。

（2）输出继电器Y（Y0～Y177）

输出继电器是PLC用来将输出信号传给负载的元件。输出继电器的外部输出触点接到PLC的输出端子上。

（3）辅助继电器M(www.xing528.com)

辅助继电器可分为：通用型、断电保持型和特殊辅助继电器三种。

①通用辅助继电器M0～M499（500点）。

②断电保持辅助继电器M500～M1023（524点）。

③特殊辅助继电器M8000～M8255（256点）。

（4）状态继电器S

状态继电器S是编制步进控制顺序中使用的重要元件，它与步进指令STL配合使用。状态继电器有下列五种类型。

①初始状态继电器：S0～S9共10点。

②回零状态继电器：S10～S19共10点。

③通用状态继电器：S20～S499共480点。

④保持状态继电器：S500～S899共400点。

⑤报警用状态继电器：S900～S999共100点。

（5）定时器T

定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器，一个当前值寄存器以及无限个触点。

（6）计数器C

（7）数据寄存器D

（8）变址寄存器（V／Z）

设图中KM1、KM2、SB1、SB2、FR1、FR2、KT分别用Y0、Y1、X0、X1、X2、X3、T0表示，控制电路的逻辑关系为：

根据上面的逻辑关系进行化简得到如下等式：

第三步，由控制电路的逻辑关系写出PLC梯形图程序并写出指令表。

梯形图（LAD）是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程。

梯形图有其特定的编制和绘制规则。

①梯形图的每一逻辑行必须从左边母线以节点输入开始，以线圈结束，线圈右边母线可以不画出。

②节点的使用次数可以不受限制。

③在一个程序中，一个线圈只能使用一次，不得重复使用。

④一段完整的梯形图程序必须用END指令（PLC执行程序阶段的结束标志）结束。

⑤编码表的设计原则是：根据梯形图，按从上到下，从左到右的顺序进行。

⑥梯形图中，触点应该画在水平线上，而不能画在垂直分支上；不包含触点的分支应放在垂直线上，不可放在水平位置，以便于识别触点的组合和输出线圈的控制路径；不能将触点画在线圈的右边，只能在触点的右边接线圈；在有几个串联回路相并联时，应将触点最多的那个串联回路放在梯形图的最上边。在有几个并联回路相串联时，应将触点最多的并联回路放在梯形图的最左边。这种安排，所编制的程序简洁明了，语句较少。

图8-2-2所示，就是根据控制电路的逻辑关系写出的PLC梯形图程序。

图8-2-2　顺序控制的PLC梯形图

根据梯形图来编写指令表程序，首先要了解三菱FX2N系列PLC相关基本指令（见表8-2-1）。

表8-2-1　FX2N系列PLC基本指令一览表

续表

图8-2-2所示的指令表程序如下：

第四步，画出PLC外部电路图，如图8-2-3所示。

图8-2-3　顺序控制的PLC外部接线