【正文】 可 編程控制器是“為工作環(huán)境下應(yīng)用”而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。為了能控制“機(jī)械或生產(chǎn)過程”，它又要能“易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體”這些都是個(gè)人計(jì)算機(jī)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(shè)備及生產(chǎn)過程。也就是說，可編程控制器較其以前 的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，如單片機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)，具有更大的靈活性，它可以方便地應(yīng)用在各個(gè)場(chǎng)合，是一種通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它實(shí)質(zhì)上是經(jīng)過一次開發(fā)的工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)。 可編程控制器的 發(fā)展歷史 1968 年美國(guó) 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(guó)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(jì) 80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中獲得了廣泛的應(yīng)用。這標(biāo)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(chǎn)廠家已聞名于全世界。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)及超小型機(jī)；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(zhuǎn)速、位移等各種控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通訊單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)置的配套更加容易。 PLC 經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，在美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已成為重要的產(chǎn)業(yè)之一。產(chǎn)量產(chǎn)值大幅度上升而價(jià)格則不斷下降。美國(guó)和歐洲的 PLC 技術(shù)是在相互隔離情況下獨(dú)立研究開發(fā)的，因此美國(guó)和歐洲的 PLC產(chǎn)品有明顯的差異性。美國(guó)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(guó)外 PLC 制造商不斷推出新產(chǎn)品。大趨勢(shì)是功能越來越多，集成度越來越高，網(wǎng)絡(luò)功能越來越強(qiáng)。 (1)產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個(gè)方向發(fā)展 大： I/O 點(diǎn)數(shù)達(dá) 14336 點(diǎn)、 32 位為微處理器、多 CPU 并行工作、大容量存儲(chǔ)器、 42 掃描速度高速化。 (2)PLC 在閉環(huán)過程控制中應(yīng)用日益廣泛 (3)不斷加強(qiáng)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(jì)數(shù)模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊等專用化模塊。 (6)發(fā)展容錯(cuò)技術(shù) 采用熱備用或并行工作、多數(shù)表決的工作方式。 預(yù)計(jì) 21 世紀(jì)可編程控制器將會(huì)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(yīng)用。 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域 (1)開關(guān)量的邏輯控制 這是 PLC 最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，可用它取代傳統(tǒng)的繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺(tái)設(shè)備的控制，又可用于多機(jī)群控制及自動(dòng)化流水線。為了使可編程控制器能處理模 擬量信號(hào)， PLC 廠家生產(chǎn)有配套的 A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器可用于模擬量控制。從控制機(jī)構(gòu)配制來說，早期直接用開關(guān)量 I/O 模塊連接位置傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在可使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊。 (4)過程控制 43 過程控制是指對(duì)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(yùn)行專用的 PID 子程序。這些數(shù)據(jù)可以與儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中的參考值比較，完成一定的控制操作。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展將會(huì)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 PLC 的主要技術(shù)指標(biāo) 1. 存儲(chǔ)器容量 存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序和系統(tǒng)參數(shù)等，其容量是由用戶程序存儲(chǔ)器組成的。 2. 輸入 /輸出（ I/O）點(diǎn)數(shù) 輸入 /輸出點(diǎn)數(shù)是指根據(jù)工業(yè)系統(tǒng)控制所得到的對(duì)應(yīng) PLC 的輸入 /輸出端的個(gè)數(shù)。 3. 掃描時(shí)間 掃描時(shí)間是指 CPU內(nèi)部根據(jù)用戶程序，按邏輯順序，從開始到結(jié)束掃描一次 所需的時(shí)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(jì)時(shí)、技術(shù)、中間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還有其他一些功能。 6. 擴(kuò)展能力 PLC 擴(kuò)展能力是指 PLC 是否具有 I/O 擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)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(diǎn)數(shù)的估算 I/O 點(diǎn)數(shù)估算時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，通常根?jù)統(tǒng)計(jì)的輸入輸出點(diǎn)數(shù)，再增加 10%～20%的可擴(kuò)展。設(shè)計(jì)階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計(jì)階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。 存儲(chǔ)器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻(xiàn)資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O點(diǎn)數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O點(diǎn)數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字?jǐn)?shù)（ 16 位為一個(gè)字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 （ 1）運(yùn)算功能 簡(jiǎn)單 PLC 的運(yùn)算功能包括邏輯運(yùn)算、計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能；普通 PLC 的運(yùn)算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運(yùn)算功能；較復(fù)雜運(yùn)算功能有代數(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC中還有模擬量的 PID運(yùn)算和其他高級(jí)運(yùn)算功能。設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)從實(shí)際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運(yùn)算功能。要顯示數(shù)據(jù)時(shí)需要譯碼和編碼等運(yùn)算。 PLC 主要用于順序邏輯控制，因此，大多數(shù)場(chǎng)合常采用單回路或多回路控制器解決模擬量的控制，有時(shí)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(chǔ)器容量。 (3)通信功能 大中型 PLC 系統(tǒng)應(yīng)支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議（如 TCP/IP），需要時(shí)應(yīng)能與工廠管理網(wǎng)（ TCP/IP）相連接。 PLC 系統(tǒng)的通信接口應(yīng)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(wǎng)、常用 DCS 接口等；大中型 PLC 通信總線（含接口設(shè)備和電纜）應(yīng) 1： 1 冗余配置，通信總線應(yīng)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信距離應(yīng)滿足裝置實(shí)際要求。PLC 系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)主要形式有下列幾種形式： ① PC為主站，多臺(tái)同 型號(hào) PLC 為從站，組成簡(jiǎn)易 PLC 網(wǎng)絡(luò)； ② 1臺(tái) PLC 為主站，其他同型號(hào) PLC 為從站，構(gòu)成主從式 PLC網(wǎng)絡(luò)； ③ PLC 網(wǎng)絡(luò)通過特定網(wǎng)絡(luò)接口連接到大型 DCS 中作為 DCS的子網(wǎng)； ④ 專用 PLC 網(wǎng)絡(luò)（各廠商的專用 PLC 通信網(wǎng)絡(luò)）。 (4)編程功能 離線編程方式： PLC 和編程器公用一個(gè) CPU，編程器在編程模式時(shí)， CPU 只為編程器提供服務(wù)，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。離線編程方式可降低系統(tǒng)成本，但使用和調(diào)試不方便。這種方式成本較高，但系統(tǒng)調(diào)試和操作方便，在大中型 PLC中常采用。選用的編程語(yǔ)言 應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)（ IEC6113123），同時(shí)，還應(yīng)支持多種語(yǔ)言編程形式，如 C， Basic 等，以滿足特殊控制場(chǎng)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(nèi)診斷和外診斷。 PLC 的診斷功能的強(qiáng)弱，直接影響對(duì)操作和維護(hù)人員技術(shù)能力的要求，并影響平均維修時(shí)間。從實(shí)時(shí)性要求來看，處理速度應(yīng)越快越好，如果信號(hào)持續(xù)時(shí)間小于掃描時(shí)間，則 PLC將掃描不到該信號(hào)，造成信號(hào)數(shù)據(jù)的丟失。目前， PLC 接點(diǎn)的響應(yīng)快、速度高，每條二進(jìn)制指令執(zhí)行時(shí)間約 ～ ，因此能適應(yīng)控制要求高、相應(yīng)要求快的應(yīng)用需要。 機(jī)型的選擇 (1)PLC 的類型 PLC 產(chǎn)品種類繁多，其規(guī)格和性能也各不相同。 ① 按結(jié)構(gòu)形式分類 根據(jù) PLC 的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)?；締卧獌?nèi)有CPU、 I/O 接口、與 I/O 擴(kuò)展單元相連的擴(kuò)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(kuò)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(gè)單獨(dú)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(jié)構(gòu)。疊裝式 47 PLC 其 CPU、電源、 I/O 接口等也是各自獨(dú)立的模塊，但它們之間是靠電纜進(jìn)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(jù) 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(jī)控制 系統(tǒng)。有些還可增設(shè)中斷控制、 PID 控制等功能，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。高檔PLC 機(jī)具有更強(qiáng)的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。 Ⅰ 小型 PLC—— I/O 點(diǎn)數(shù) 256 點(diǎn)；單 CPU、 8 位或 16 位處理器、用戶存儲(chǔ)器容量 4K字以下。 經(jīng)濟(jì)性的考慮 選擇 PLC 時(shí)，應(yīng)考慮性能價(jià)格比。 輸入輸出點(diǎn)數(shù)對(duì)價(jià)格有直接影響。當(dāng)點(diǎn)數(shù)增加到某一數(shù)值后，相應(yīng)的存儲(chǔ)器容量、機(jī)架、母板等也要相應(yīng)增加，因此，點(diǎn)數(shù)的增加對(duì) CPU 選用、存儲(chǔ)器容量、控制功能范圍等選擇都有影 響。 因需要 7個(gè)輸入點(diǎn)， 14 個(gè)輸出點(diǎn)，考慮到實(shí)際應(yīng)用留有一定的 I/O 端口余量，且電鈴為直流負(fù)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(shì)和市場(chǎng)，本次設(shè)計(jì)也是小型的控制系統(tǒng)，我們學(xué)習(xí)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(diǎn)（基本單元： 16/32/48/64/80/128 點(diǎn)） 特點(diǎn)： （ 1） 集成型高性能。對(duì) 6種基本單元，可以以最小 8 點(diǎn)為單元連接輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備，最大可以擴(kuò)展輸入輸出 256 點(diǎn)。 （ 4） 豐富的軟元件范圍 輔助繼電器： 3072 點(diǎn) 定 時(shí)器： 256 點(diǎn) 計(jì)數(shù) 器 ： 235 點(diǎn) 數(shù)據(jù)寄存器 ： 8000 點(diǎn) （ 5） 除了具有輸入輸出 16～ 256 點(diǎn)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(dá)到 16 軸，脈沖串輸出或?yàn)?J 和 K 型熱電偶或 Pt傳感器開發(fā)了溫度模塊。 ② 網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信： 連接到世界上最流行的開放式網(wǎng)絡(luò) CCLink， Profibus Dp 和 DeviceNet 或者采用傳感器層次的網(wǎng)絡(luò)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(shù)指標(biāo) [10]。 應(yīng)用指令： μs 指令 編程語(yǔ)言 邏輯梯形圖和指令清單 使用步進(jìn)梯形圖能生成 SFC類型程序 程式容量 8000步內(nèi)置 使用附加寄存器盒可擴(kuò)展到 16000步 指令數(shù)目 基本順序指令： 27 步進(jìn)梯形指令： 2 應(yīng)用指令： 128 最大可用 298條應(yīng)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(shè)定地址輸入 25輸出 51 256） 輔助繼電器（ M線圈） 一般 500點(diǎn) M0到 M499 鎖定 2572點(diǎn) M384至 M3071 特殊 256點(diǎn) M8000至 8255 狀態(tài)繼電器 （ S線圈） 一般 490點(diǎn) S0至 S499 初始 10點(diǎn)（子系統(tǒng)） S0至 S9。 C235至 C240 6點(diǎn) 單相 c/w起始 停止輸入 C241至 C245 5點(diǎn) 52 （ C） 雙相 C246至 C250 5點(diǎn) A/B相 C251至 C252 5點(diǎn) 數(shù)據(jù)寄存器 （ D） 一般 200點(diǎn) D0至 D199 類型： 32位元件的 16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器 鎖定 7800點(diǎn) D200至 D7999 類型： 32位元件的 16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器 文件寄存器 7000點(diǎn) D1000至 D7999通過 14塊 500程式步的參數(shù)設(shè)置類型： 16位 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器 特殊 256點(diǎn) 從 D8000至 D8255 類型： 16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器 變址 16點(diǎn) V0至 V7和 Z0至 Z7 類型： 16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器 指標(biāo)（ P） 用于CALL 128點(diǎn) N0至 P127 嵌套層次 用于 MC和 MRC時(shí) 8點(diǎn) N0至 N7 常 數(shù) 十進(jìn)位 K 16位： 32768至 32768 32位： 2147483648至 +2147483647 十六進(jìn)位 H 16位： 32768至 +32768 32位： 214783648至 +2147483647 浮點(diǎn) 32位： 177。 （不能直接輸入） 53 第 4 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成 該系統(tǒng)采用 FX2N32MR001 PLC 作控制器。有分鐘調(diào)節(jié)、小時(shí)調(diào)節(jié)和星期調(diào)節(jié)按鈕各