【正文】 可 編程控制器是“為工作環(huán)境下應用”而設計的計算機。為了能控制“機械或生產過程”，它又要能“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體”這些都是個人計算機不可能做到的。 (3)可編程控制器能控制“各種類型”的工業(yè)設備及生產過程。也就是說，可編程控制器較其以前 的工業(yè)控制計算機，如單片機工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應用在各個場合，是一種通用的工業(yè)控制計算機。它實質上是經過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計算機。 可編程控制器的 發(fā)展歷史 1968 年美國 GM(通用汽車 )公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年美國數(shù)字公司研制出了第一代可編程序控制器，滿足了 GM公司裝配線的要求。 20世紀 80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中獲得了廣泛的應用。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。許多可編程控制器的生產廠家已聞名于全世界。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機及超小型機；從控制能力上來說， 誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各種控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通訊單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設置的配套更加容易。 PLC 經過 40 多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達國家已成為重要的產業(yè)之一。產量產值大幅度上升而價格則不斷下降。美國和歐洲的 PLC 技術是在相互隔離情況下獨立研究開發(fā)的，因此美國和歐洲的 PLC產品有明顯的差異性。美國和歐洲以大中型 PLC而聞名，而日本則以小型 PLC 著稱。 PLC 的發(fā)展方向及前景 目前，國外 PLC 制造商不斷推出新產品。大趨勢是功能越來越多，集成度越來越高，網絡功能越來越強。 (1)產品規(guī)模向大、小兩個方向發(fā)展 大： I/O 點數(shù)達 14336 點、 32 位為微處理器、多 CPU 并行工作、大容量存儲器、 42 掃描速度高速化。 (2)PLC 在閉環(huán)過程控制中應用日益廣泛 (3)不斷加強通訊功 能 (4)新器件和模塊不斷推出 高檔的 PLC 除了主要采用 CPU 以提高處理速度外，還有帶處理器的 EPROM 或 RAM的智能 I/O模塊、高速計數(shù)模塊、遠程 I/O 模塊等專用化模塊。 (6)發(fā)展容錯技術 采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。 預計 21 世紀可編程控制器將會有更大的發(fā)展目前的積散控制系統(tǒng)（ Distributed Control System）中已有大量的可編程控制器應用。 PLC 的應用領域 (1)開關量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應用領域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，又可用于多機群控制及自動化流水線。為了使可編程控制器能處理模 擬量信號， PLC 廠家生產有配套的 A/D 和D/A 轉換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制。從控制機構配制來說，早期直接用開關量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構，現(xiàn)在可使用專用的運動控制模塊。 (4)過程控制 43 過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。 PID 控制是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中常用的控制方法。 PID 處理一般是運行專用的 PID 子程序。這些數(shù)據可以與儲存在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網絡發(fā)展將會加快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC 的通訊功能，紛紛推出各自的網絡系統(tǒng)。 PLC 的主要技術指標 1. 存儲器容量 存儲器用來存儲程序和系統(tǒng)參數(shù)等，其容量是由用戶程序存儲器組成的。 2. 輸入 /輸出（ I/O）點數(shù) 輸入 /輸出點數(shù)是指根據工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對應 PLC 的輸入 /輸出端的個數(shù)。 3. 掃描時間 掃描時間是指 CPU內部根據用戶程序，按邏輯順序，從開始到結束掃描一次 所需的時間。 4. 指令種類和數(shù)量 指令的種類和數(shù)量決定用戶編制程序的方式和 PLC 的處理能力和控制能力。它們主要用來完成計時、技術、中間數(shù)據存儲、數(shù)據存儲還有其他一些功能。 6. 擴展能力 PLC 擴展能力是指 PLC 是否具有 I/O 擴展、聯(lián)網等一些功能。智能模塊種類和數(shù)量越多。 8. 編程工具 可以使用編程器或者使用專用的編程軟件。 PLC 的選型 輸入輸出（ I/O）點數(shù)的估算 I/O 點數(shù)估算時應考慮適當?shù)挠嗔?，通常根據統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加 10%～20%的可擴展。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量在設計階段是未知的，需在程序調試之后才知道。 存儲器內存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O點數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內存的總字數(shù)（ 16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 （ 1）運算功能 簡單 PLC 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通 PLC 的運算功能還包括數(shù)據移位、比較等運算功能；較復雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據傳送等；大型 PLC中還有模擬量的 PID運算和其他高級運算功能。設計選型時應從實際應用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。要顯示數(shù)據時需要譯碼和編碼等運算。 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時也采用專用的智能輸入輸出單元完成所需的控制功能，提高 PLC 的處理速度和節(jié)省存儲器容量。 (3)通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應支持多種現(xiàn)場總線和標準通信協(xié)議（如 TCP/IP），需要時應能與工廠管理網（ TCP/IP）相連接。 PLC 系統(tǒng)的通信接口應包括串行和并行通信接口（ RS2232C/422A/423/485）、 RIO通信口、工業(yè)以太網、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信總線（含接口設備和電纜）應 1： 1 冗余配置，通信總線應符合國際標準，通信距離應滿足裝置實際要求。PLC 系統(tǒng)的通信網絡主要形式有下列幾種形式： ① PC為主站，多臺同 型號 PLC 為從站，組成簡易 PLC 網絡； ② 1臺 PLC 為主站，其他同型號 PLC 為從站，構成主從式 PLC網絡； ③ PLC 網絡通過特定網絡接口連接到大型 DCS 中作為 DCS的子網； ④ 專用 PLC 網絡（各廠商的專用 PLC 通信網絡）。 (4)編程功能 離線編程方式： PLC 和編程器公用一個 CPU，編程器在編程模式時， CPU 只為編程器提供服務，不對現(xiàn)場設備進行控制。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調試不方便。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調試和操作方便，在大中型 PLC中常采用。選用的編程語言 應遵守其標準（ IEC6113123），同時，還應支持多種語言編程形式，如 C， Basic 等，以滿足特殊控制場合的控制要求。硬件診斷通過硬件的邏輯判斷確定硬件的故障位置，軟件診斷分內診斷和外診斷。 PLC 的診斷功能的強弱，直接影響對操作和維護人員技術能力的要求，并影響平均維修時間。從實時性要求來看，處理速度應越快越好，如果信號持續(xù)時間小于掃描時間，則 PLC將掃描不到該信號，造成信號數(shù)據的丟失。目前， PLC 接點的響應快、速度高，每條二進制指令執(zhí)行時間約 ～ ，因此能適應控制要求高、相應要求快的應用需要。 機型的選擇 (1)PLC 的類型 PLC 產品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。 ① 按結構形式分類 根據 PLC 的結構形式，可將 PLC 分為整體式和模塊式兩類。小型 PLC 一般采用這種整體式結構?；締卧獌扔蠧PU、 I/O 接口、與 I/O 擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或 EPROM 寫入器相連的接口等。基本單元和擴展單元之間一般用扁平電纜連接。 Ⅱ 模塊式 PLC 模塊式 PLC 是將 PLC 各組成部分，分別做成若干個單獨的模塊，如 CPU 模塊、 I/O 模塊、電源模塊（有的含在 CPU 模塊中）以及各種功能模塊。模塊裝在框架或基板的插座上。大、中型 PLC 一般采用模塊式結構。疊裝式 47 PLC 其 CPU、電源、 I/O 接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。 ② 按功能分類 根據 PLC 所具有的功能不同，可將 PLC 分為低檔、中檔、高檔三類。主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制 系統(tǒng)。有些還可增設中斷控制、 PID 控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。高檔PLC 機具有更強的通信聯(lián)網功能，可用于大規(guī)模過程控制或構成分布式網絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。 Ⅰ 小型 PLC—— I/O 點數(shù) 256 點；單 CPU、 8 位或 16 位處理器、用戶存儲器容量 4K字以下。 經濟性的考慮 選擇 PLC 時，應考慮性能價格比。 輸入輸出點數(shù)對價格有直接影響。當點數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應的存儲器容量、機架、母板等也要相應增加，因此，點數(shù)的增加對 CPU 選用、存儲器容量、控制功能范圍等選擇都有影 響。 因需要 7個輸入點， 14 個輸出點，考慮到實際應用留有一定的 I/O 端口余量，且電鈴為直流負載，由于三菱 FX2N 系列的 PLC 在小型控制系統(tǒng)中比較占有優(yōu)勢和市場，本次設計也是小型的控制系統(tǒng)，我們學習的也是三菱 FX2N 系列的 PLC，所以我們采用我們熟悉的三菱 FX2N 32MR001 來控制該系統(tǒng) [8]。 控制規(guī)模： 16～ 256 點（基本單元： 16/32/48/64/80/128 點） 特點： （ 1） 集成型高性能。對 6種基本單元，可以以最小 8 點為單元連接輸入輸出擴展設備，最大可以擴展輸入輸出 256 點。 （ 4） 豐富的軟元件范圍 輔助繼電器： 3072 點 定 時器： 256 點 計數(shù) 器 ： 235 點 數(shù)據寄存器 ： 8000 點 （ 5） 除了具有輸入輸出 16～ 256 點的一般速途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制。 定位控制達到 16 軸，脈沖串輸出或為 J 和 K 型熱電偶或 Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。 ② 網絡和數(shù)據通信： 連接到世界上最流行的開放式網絡 CCLink， Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用傳感器層次的網絡解決您的通信需要 。交流輸入見表 ，直流輸入見表 [9]。表 給出了性能技術指標 [10]。 應用指令： μs 指令 編程語言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進梯形圖能生成 SFC類型程序 程式容量 8000步內置 使用附加寄存器盒可擴展到 16000步 指令數(shù)目 基本順序指令： 27 步進梯形指令： 2 應用指令： 128 最大可用 298條應用指令 I/O配置 最大硬體 I/O配置 256，依賴于用戶的選擇（最大軟件可設定地址輸入 25輸出 51 256） 輔助繼電器（ M線圈） 一般 500點 M0到 M499 鎖定 2572點 M384至 M3071 特殊 256點 M8000至 8255 狀態(tài)繼電器 （ S線圈） 一般 490點 S0至 S499 初始 10點（子系統(tǒng)） S0至 S9。 C235至 C240 6點 單相 c/w起始 停止輸入 C241至 C245 5點 52 （ C） 雙相 C246至 C250 5點 A/B相 C251至 C252 5點 數(shù)據寄存器 （ D） 一般 200點 D0至 D199 類型： 32位元件的 16 位數(shù)據存儲寄存器 鎖定 7800點 D200至 D7999 類型： 32位元件的 16 位數(shù)據存儲寄存器 文件寄存器 7000點 D1000至 D7999通過 14塊 500程式步的參數(shù)設置類型： 16位 數(shù)據存儲寄存器 特殊 256點 從 D8000至 D8255 類型： 16位數(shù)據存儲寄存器 變址 16點 V0至 V7和 Z0至 Z7 類型： 16位數(shù)據存儲寄存器 指標（ P） 用于CALL 128點 N0至 P127 嵌套層次 用于 MC和 MRC時 8點 N0至 N7 常 數(shù) 十進位 K 16位： 32768至 32768 32位： 2147483648至 +2147483647 十六進位 H 16位： 32768至 +32768 32位： 214783648至 +2147483647 浮點 32位： 177。 （不能直接輸入） 53 第 4 章 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)組成 該系統(tǒng)采用 FX2N32MR001 PLC 作控制器。有分鐘調節(jié)、小時調節(jié)和星期調節(jié)按鈕各