零点起步 三菱FX2N PLC开发入门与典型实例

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零点起步 三菱FX2N PLC开发入门与典型实例
第1章PLC概述 → 价格的方向发展,以进行单机控制;另一个是向大型、高速、多功能和分布式全自动网络化 方向发展,以适应现代化的大型工厂、企业自动化的需要。 1.2PLC的基本特点与工作原理 PLC是综合继电器、接触器控制的优点及计算机灵活、方便的优点而设计制造和发展 的,这就使PLC具有许多其他控制器所无法相比的特点 121PLC的基本特点 1.可靠性高,抗干扰能力强 由PLC的定义我们知道,PLC是专门为工业环境下应用而设计的,因此,人们在设计 門LC时,从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施,提高了其可靠性。可靠性高的PLC的平 均无故障时间一般在40000~5000以上,三菱、西门子、ABB、松下等微小型PLC可达 10万h以上,而且均有完善的自诊断功能,判断故障迅速,便于维护。 (1)硬件措施 ●屏蔽:对PLC的电源变压器、内部¢PU、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的 材料进行屏蔽,以防外界的电磁干扰 滤波:对PLC的输入输出线路采用了多种形式的滤波,以消除或抑制髙频干抚。 隔离:在PLC内部的微处理器和IO电路之间,采用了光隔离措施,有效地隔离了 IO接口与CPU之间电的联系,减少了故障和误动作。 釆用模块式结枃:这种结枃有助于在故障情况下短时修复。因为一旦查岀某一模块 出现故障,就能迅速更换,使系统恢复正常工作 (2)软件措施 故障检测:设计了故障检测软件定期地检测外界环境。如:捭电、欠电压、强干扰 信号等,以便及时进行处理。 信息保护和恢复:当PLC偶发性故障条件岀现时,对PLC内部信息进行保护,使信 息不遭破坏。一旦故障条件消失,就可恢复原来的信息,使之正常工作。 设置了警戒时钟WDI:如果PLC程序毎次循环执行时间超过了WD规定的时间, 预示了程序进入死循环,立即报警。 对程序进行检查和检验:一旦程序有错,立即报警并停止执行。 由于采取了以上的抗干扰措施,一般PLC的平均无故障时间可达几方小时以上。 2.通用性强,使用方便 PLC产品已系列化和模块化,PLC的开发制造商为用户提供了品种齐全的MO模块和配 套部件。用户在进行控制系统的设计时,不需要自己设计和制作硬件装置,只需根据控制要 求进行模块的配置。用户所做的工作只是设计满足控制对象的控制要求的应用程序。对于 个控制系统,当控制要求改变时,只需修改程序,就可变更控制功能。 3.功能强 PIC应用微电子技术和微计算机,简单形式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能。 基本形式再加上模拟O、基本算术运算、通信能力等。复杂形式除了具有基本形式的功能 3 零点起步三菱FX2PLC开发入门与典型实例 外,还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能IO、PID调节、过程监视、网络通信能 力、远程1O、多处理器和高速数据处理能力。 4.采用模块化结构,使系统组合灵活方便 PLC的各个部件,均采用模块化设计,各模块之间可由机架和电缆连接。系统的功能和 规模可根据用户的实际需求进行组合,使系统的性能价格更容易趋于合理 5.编程语言简单、易学,便于掌握 PLC是由继电器接触器控制系统发展而来的一种新型的工业自动化控制装置。其主要 的使用对象是广大的电气技术人员。工业控制的梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图 (srC)编程,不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包,并 可在任何鞭容的个人计算机上编程。采取了与继电器-接触器控制原理相似的梯形图语言, 易学、易懂。 6.系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅仅是根据对象的控制要求配置适当的模块,而不是要去设计 具体的接口电路,这样大大缩短了整个设计所花费的时间,加快了整个工程的进度。 7.对生产工艺改变适应性强 PLC的核心部件是微处理器,它实际上是一种工业控制计算机,其控制功能是通过软件 编程来实现的。当生产工艺发生变化时,不必改变PLC硬件设备,只需改变PLC中的程 序。这对现代化的小批量、多品种产品的生产尤其适合。 8.安装简单、调试方便、维护工作量小 与计算机系统相比,PLC安裝不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接 无误,系统便可工作,各个模块上设有运行和故障指示装置,便于査找故障,大多数模块可 以带电插拔,模块可更换,使用户可以在最短的时间内査出故障,并排除,最大限度地压缩 故障停机时间,使生产迅速恢复。然后再对故障模块进行修复,这对大规模生产场合尤为适 宜。一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成,结构简单,上面带有散热槽, 在高温下,该外壳不像塑料制品那样变形,还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火 等。PLC控制系统的安装接线工作量比继电器-接触器控制系统少得多,只需将现场的各种 设备与PLC相应的1O端相连。PLC软件设计和调试大多可在实验室里进行,用模拟试验开 关代替输入信号,其输出状态可以观察PLC上的相应发光二极管,也可以另接输出模拟试 验板。模拟调试妤后。再将PLC控制系统安装到现场,进行联机调试,这样既省时间又很 方便,提高了维护的工作效率。 122PLC的工作原理 PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同,微型计算机运行程序时,一旦执 行到END指令,程序运行结束。而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开 始,在无中断或跳转的情况下,按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序,直到 END指令结束。然后再从头开始执行,并周而复始地重复,直到停机或从运行(RUN)切 换到停止(STOP)工作状态。我们把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描 完一次程序就构成一个扫描周期。另外,PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。 微型计算机对输入、输出信号实时处理,而PLC对输入、输出信号是集中批处理。下面我 第1章PLC概述 们具体介绍PLC的扫描工作过程。 PLC扫描工作过程主要分为3个阶段:输入采样、程序执行、输出刷新。如图1-1所示。 梯形图 输入信 输 入 输入映像 件防像 输出锁存 输出端子 出 号1子 输入 输出 新 刷新 输人采样阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 图1-1PLC扫描工作过程示意图 (1)输入采样阶段 在输入采样阶段,PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据,并将它们存入IO映 像区中相应的单元内。输入采样结東后,转入用户程序执行和输岀刷新阶段。在这两个阶段 中,即使输入状态和数据发生变化,1O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因 此,如果输入是脉冲信号,则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期,才能保证在任何情 况下,该输入均能被读入。 (2)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段,PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序(梯形图)。在 扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后 石、宄上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果 刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态:或者刷新该输出线圈在Io映像区 中对应位的状态:或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即在用户程序执 行过程中,只有输入点在1O映像区内的状态和数据不会发生变化,而其他输出点和软设 备在IO映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化,而且排在上面的 梯形图,其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用:相 反,排在下面的梯形图,其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对 排在其上面的程序起作用 (3)输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后,PC就进入输出刷新阶段。在此期间,CPU按照IO映像区内 对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。这时,才是 PLC的真正输出。 从微观上来考寮,由于PLC特定的扫描工作方式,程序在执行过程中所用的输入信号 是本周期内采样阶段的输入信号。若在程序执行过程中,输入信号发生变化,其输出不能即 时做出反应,只能等到下一个扫描周期开始时采样该变化了的输入信号。另外,程序执行过 程中产生的输出不是立即去驱动负载,而是将处理的结果存放在输出映像寄存器中,等程序 仝部执行结束,才能将输出映像寄存器的内容通过锁存器输出到端子上。 因此,PLC最显著的不足之处是输入输出有响应滞后现象。但对一般工业设备来说, 其输入为一般的开关量,其输入信号的变化周期(秒级以上)大于程序扫描周期(毫微秒 零点起步—三菱FX2NPLC开发入门与典型宴例 级),因此,从宏观上来考察,输入信号一旦变化,就能立即进入输入映像寄存器。也就是 说,PLC的输入/输出滞后现象对一般工业设备来说是完全允许的。但对某些设备,如需要 输出对输入做快速反应,这时可采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽 量减少滞后时间 从PLC的扫描工作过程,可以总结如下几个结论。 ●以扫描的方式执行程序,其输入/输出信号间的逻辑关系,存在着原理上的滞后。扫 描周期越长,滞后就越严重 ●扫描周期除了包括输入采样、程序执行、输出刷新3个主要工作阶段所占的时间 外,还包括系统管理操作占用的时间。其中,程序执行的时间与程序的长短及指令 操作的复杂程度有关,其他基本不变。扫描周期一般为毫微秒级 第n次扫描执行程序时,所依据的输λ教据是该次扫描周期中采样阶段的扫描值 Ⅹn;所依据的输出数据有上一次扫描的输出值Yωυ,也有本次的输出值Yn,送往輸 出端子的信号,是本次执行全部运算后的最终结果Y ·输入掄输出响应滞后,不仅与扫描方式有关,还与程序设计安排有关 1.3PLC的分类 PLC产品种类繁多,其规格和性能也各不相同。对PLC的分类,通常根据其结构形式 的不同、功能的差异和O点数的多少等进行大致分类。 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)整体式PLC 整体式PLC是将电源、CPU、DO接口等部件都集中装在一个机箱内,如图1-2所示。 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。整体式PLC 由不同O点数的基本单元(又称主机)和扩展单元组成。基本单元内有CPU、LO接口 与IO扩展单元相连的扩展口,以及与编程器或 EPROM写入器相连的接口等。扩展单元内 只有IO和电源等,没有CPU。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC 般还可配备特殊功能单元,如:模拟量单元、位置控制单元等,使其功能得以扩展。 回國网网网网网网网网 2 图1-2整体式PLC 6 第1章 PLC搋述 (2)模块式PLC 模块式PLC是将門C各组成部分,分别做成若干个单独的模块,如:CPU模块、IO 模块、电源模块(有的含在¢PU模垬中)以及各种功能模块,如图1-3所示。模块式PLC 由框架或棊板和各种模块组成。模块装在框架或基板的插座上。这种模块式PC的特点是 配置灵活,可根据需要选配不同规模的系统,而且装配方便,便于扩展和维修。大、中型 PLC一般采用模块式结构 POWER CPU 图1-3模块式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来,构成所谓叠装式PLC。叠装式PLC 其CPU、电源、IO接口等也是各自独立的模块,但它们之间是靠电缆进行连接,并且各模 块可以一层层地叠装。这样,不但系统可以灵活配置,还可做得体积小巧。 2.按PLC所具有的功能不同分类 根据PLC的功能不同可将PLC分为低档、中档、高档3类。 (1)低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能,还可有少量模拟量输 入输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量 模拟量控制的单机控制系统。 (2)中档PLC 除具有低档PLC的功能外,还具有较强的模拟量输入输出、算术运算、数据传送和比 铰、数制转换、远程ⅠO、子程序、通信联网等功能。有些还可增设中断控制、PID控制等 功能,适用于复杂控制系统。 (3)高档PLC 除具有中档机的功能外,还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运 算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。高档PLC机具有更强的通信联网 功能,可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统,实现工厂自动化控制 3.按WO点数分类 根据PLC的1O点数的多少,可将PLC分为小型、中型和大型3类。 (1)小型PLC 小型PLC是指IO点数小于256点,单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量 7 零点起步—三菱FX2PLC开发入门与典型实例 4KB以下。例如,三菱FX0s系列等 (2)中型PLC 中型PLC是指IO点数在256-2048点之间,双CPU,用户存储器容量2~8KB (3)大型PLC 大型PLC是指IO点数大于2048点,多CPU,16位、32位处理器,用户存储器容量 8~16KB。 我国有不少厂家研制和生产过PLC,但是还没有出现有较大影响力和较大市场占有率的 品牌,目前我国使用的PLC基本上是国外产品。 14PLC的编程语言 PLC的编程语言与一般计算机语言相比,具有明显的特点,它既不同于高级语言,也不 同于一般的汇编语言,它既要满足易于编写,又要满足易于调试的要求。目前,还没有一种 对各厂家产品都能兼容的编程语言。如:三菱公司的产品冇它自己的编程语言, OMRON公 司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC,其编程语言都具有以下特点。 (1)图形式指令结构 程序由图形方式表达,指令由不同的图形符号组成,易于理解和记忆。系统的软件开发 者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形,用户根据自已的需要把这些图形 进行组合,并填入适当的参数。在逻辑运算部分,几乎所有的厂家都采用类似于继电器控制 电路的梯形图,很容易被用户接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示,它沿用二 进制逻辑元件图形符号来表达控制关系,很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等, 般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示。 (2)明确的变量常数 图形符相当于操作码,规定了运算功能,操作数由用户填入,如:K400,T120等。 PLC中的变量和常数以及其取值范围冇明确规定,由产品型号决定,可查阅产品目录手册 (3)简化的程序结构 PLC的程序结构通常很简单,为块式结构,不同块完成不同的功能,使程序的调试者对 整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。 (4)简化应用软件生成过程 使用汇编语言和高级语言编写程序,要完成编辑、编译和迮接3个过程;而使用编程语 言,只需要编辑一个过程,其余由系统软件自动完成,整个编辑过程都是在人机对话下进行 的,不要求用户有高深的软件设计能力。 (5)强化调试手段 无论是汇编程序,还是高级语言程序调试,都是令编辑人员头疼的事,而PLC的程序 调试提供了完备的条件,使用编程器,利用PLC和编程器上的按键、显示和内部編辑、调 试、监控等,并在软件支持下,诊断和调试操作都很简单。 总之,PLC的编程语言是面向用户的,不要求使用者具备高深的知识、不需要长时间的 专门训练。 第1章PLC栀述 141梯形图程序设计语言 梯形图( Ladder diagram)程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序 设计语言。采用梯形图程序设计语言,这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发生的条 件和结果,每个梯级是一个因果关系。在梯级中,描述事件发生的条件表示在左面,事件发 生的结果表示在右面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言,它来源于继电器 逻辑控制系统的描述。在工业过程制领域,电气技术人员对继电器逻辑控制技术较为熟 悉。因此,由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到欢迎,并得到广泛的应用。梯形图程 厅设计语言的特点如下: 与电气操作原理图相对应,具有直观性和对应性 与原有继电器逻辑控制技术相一致,易于掌握和学习 与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系,便于相互转换和程序检查 梯形图中的继电器不是“硬”继电器,而是PLC存储器的一个存储单元。当写入该 单元的逻辑状态为“1”时,则表示相应继电器的线圈接通,其动合触点闭合,动断 触点断开;当写入该单元的逻辑状态为“0”时,则表示相应继电器的线圈断开,其 动断触点闭合,动合触点断开 ·梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列。每一逻辑行(或称梯級)起始于左母 线,然后是触点的串、并联连接,最后是线圈与右母线相连 梯形图中毎个梯级流过的不是物理电流,而是“概念电流”,从左流向右,其两端没有 电源。这个“概念电流”只是用来形象地描述用户程序执行中满足线圈接通的条件。 ●输入继电器用于接收外部输入信号,而不能由PLC内部其他继电器的触点来驱动。因 此,梯形图中只出现输入λ继电器的触点,而不岀现其线圈。输岀继电器输岀程序执行 结果给外部输岀设备。当梯形图中的输岀鋐电器线圈接通时,就有信号输岀,但不是 直接驱动输岀设备,而要通过输岀接口的继电器、晶体管或贔闸管才能实现 梯形图编程如图1-4所示。 X01X002 Y00 YOo HEND 图1-4梯形图编程示意图 142布尔助记符程序设计语言 布尔助记符( Boolean mnemonic)程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序 设计语言。布尔助记符程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似,采用布尔助记符来表 示操作功能。布尔助记符程序设计语言具有如下特点。 采用助记符来表示操作功能,具有容易记忆,便于掌握的特点 9 零点起步三蕞FX2NPLC开发入门与典型实例 ●在编程器的键盘上采用助记符表示,具有便于操作的特点,可在无计算机的场合进 行编程设计 ●与梯形图有一一对应关系,其特点与梯 表1-1布尔助记符编程 形图语言基本类同。 LD X001 OUT Y000 如图14所示的梯形图程序,变换成布尔 OR YOo END 助记符编程如表1-1所示。 AND X002 1.4.3功能模块图程序设计语言 功能模块图( Function Block)程序设计语言是采用功能模块来表示模块所具有的功能的 语言,不同的功能模块有不同的功能。它有若干个输入端和输出端,通过软连接的方式,分 别连接到所需的其他端子,完成所需的控制运算或控制功能。功能模块可以分为不同的类 型,在同一种类型中,也可能因功能参数的不同而使功能或应用范围有所差别,例如,输入 端的数量、输入信号的类型等的不同使它的使用范围也不同。由于采用软连接的方式进行功 能模块之间及功能模块与外部端子的连接,因此,控制方案的更改、信号连接的替换等操作 可以很方便实现。功能模块图程序设计语言具有如下特点。 以功能模块为单位,从控制功能入手,使控制方業的分析和理解变得容易 功能模块是用图形化的方法描述功能,它的直观性大大方便了设计人员的编程和组 态,有较好的易操作性。 ·对控制规模较大、控制关系较复杂的系统,由于控制功能的关系可以较清楚地表达 出来,因此,编程和组态时间可以缩短,调试时间也能减少 ·由于毎种功能模块需要占用一定的程序内存,对功能模块的执行需要一定的执行时 间,因此,这种设计语言在大中型PLC和集散控制系统的编程和组态中才被采用 如图1-4所示的梯形图程序,变换成功能模块图编程如图1-5所示 OR AND Y000 X002 图1-5功能模块图编程示意图 144功能表图程序设计语言 功能表图( Sequential Function Chart)程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程 序设计语言。它是近年来发展起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述,控制系统被 分为若干个子系统,从功能入手,使系统的操作具有明确的含义,使于设计人员和操作人员 设计思想的沟通,便于程序的分工设计和检査调试。功能表图程序设计语言具有如下特点。 以功能为主线,条理清楚,便于对程序操作的理解和沟通。 对大型的程序,可分工设计,采用较为灵活的程序结构,可节省程序设计、调试 时间。 常用于系统规模较大、程序关系较复杂的场合, 只有在活动步的命令和操作被执行后,才对活动步后的转换进行扫描,因此,整个 a 10 We

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