任務一 認識PLC

任務目標

1．了解可編程序控制器（PLC）的產生背景、發展過程及其在企業自動控制領域中的應用現狀。

2．理解PLC的定義、分類及特點，掌握PLC的組成及工作原理。

3．學會用PLC基本指令進行簡單編程。

任務描述

閱讀能力訓練環節一

常見的幾種可編程序控制器（PLC）如圖1-1所示。

任務要求：了解本課程的性質、內容、任務及學習方法，了解可編程序控制器（PLC）的產生背景，理解PLC的定義、分類、特點、應用范圍及技術指標，并進一步學習PLC的結構和工作原理。

（1）通過查閱資料了解PLC的產生背景及其發展過程。

（2）搜集市場上起主導地位的PLC的品牌、分類、系列、型號并配有相關圖片。

（3）分析三種以上市場上常用PLC的性價比。

（4）理解并掌握PLC的定義、特點。

（5）了解PLC結構及規模上的分類。

（6）按照上述任務要求，獨立咨詢相關信息，通過搜集、整理、提煉完成表1-1至表1-4的知識填寫訓練，重點研究表1-4的相關內容，填寫結果的參考評分標準如表1-13所示。

（7）職業核心能力訓練目標：提高自主學習、信息處理、數字應用等能力。

（8）工時：90分鐘，每超時5分鐘扣5分。

（9）配分：本任務滿分為100分，比重為30%。

閱讀能力訓練環節二

任務要求：理解并掌握PLC的結構組成及工作原理；了解PLC常用的四種編程語言的特點；熟悉FX系列PLC的編程元件。

（1）理解并掌握PLC的硬件組成及工作原理。

（2）熟悉目前常用的四種編程語言，即梯形圖編程、指令表編程、狀態功能圖編程及邏輯功能圖編程，并比較各種方法的優、缺點。

（3）了解FX2N系列PLC的特點、型號與規格。

（4）了解PLC內部的編程“軟元件”的名稱、代號、元件分配。

（5）比較PLC控制系統與繼電接觸控制系統的區別。

（6）按照上述任務要求，獨立咨詢相關信息，通過搜集、整理、提煉完成表1-6至表1-10的知識填寫訓練，重點研究表1-6的相關內容，填寫結果的參考評分標準如表1-13所示。

（7）職業核心能力訓練目標：提高自主學習、信息處理、數字應用等能力。

（8）工時：120分鐘，每超時5分鐘扣5分。

（9）配分：本任務滿分為100分，比重為50%。

職業核心能力訓練環節

以小組為單位總結以上兩個任務的實施經驗，并回答教師提出的問題。匯報要求如下：

（1）匯報小組成員及其分工，如圖1-2所示。

（2）匯報的格式與內容要求：

①匯報用PPT的第一頁結構如圖1-2所示。

②匯報用PPT的第二頁提綱的結構如圖1-3所示。

③PPT的背景圖案不限，以字體與圖片醒目、主題突出，字體顏色與背景顏色對比適當，視覺舒服為準。

④匯報內容由各小組參照匯報提綱自擬。

（3）匯報要求：聲音洪亮、口齒清楚、語句通順、體態自然、視覺交流、精神飽滿。

（4）職業核心能力訓練目標：通過本任務的訓練提升各小組成員與人交流、與人合作、解決問題等社會能力，以及提高自我學習、信息處理、數字應用等能力。

（5）企業文化素養目標：自查6S執行力。

（6）工時：匯報用時每小組5分鐘；學生點評用時每小組1～2分鐘；教師點評用時15分鐘以上（包含學生學習過程中共性問題的講解時間）。

（7）評價標準：如表1-14至表1-17所示。

（8）配分：本任務滿分為100分，比重為20%。

任務實施

一、訓練器材

圖書館資料、網絡、教師提供資料、PLC實訓室設備、計算機、投影儀、激光筆、翻頁筆、一體化教室。

二、預習內容

1．復習繼電器和接觸器等常用控制電器的電氣結構、動作原理及用途用法。

2．預習【知識鏈接】內容。

三、訓練步驟

“閱讀能力訓練環節一”訓練步驟

1．對“閱讀能力訓練環節一”的要求進行簡要說明后進行分組，并分配組內各成員的角色（各角色應進行輪換，以保證每個成員能在不同的崗位上體驗工作過程），選舉產生的組長按要求給組內各成員分配任務，并分頭行動，按規定的時間及預定目標完成搜集、整理與編輯工作。工作流程如下：

（1）明確“閱讀能力訓練環節一”的要求。

（2）分組、分配角色，并填寫具體分工表1-1。

（3）按照任務分工，各組通過多種途徑和方法搜集、歸納并編輯所需資料，完成表1-2至表1-4的填寫。本任務建議利用課余時間完成。

（4）全組成員集中，將表格填寫過程中存在的問題進行收集、梳理與討論，提出解決方案，確定問題的解決辦法，同時考慮編輯本任務的PPT文件，準備用于學習成果的匯報。注意在匯報中搜集、整理本組學習過程中的創新點與閃光點。

2．指定的任務工時到點后，各小組停止任何學習活動，進入本任務的學習效果評價階段，待指導教師對各小組的“閱讀能力訓練環節一”進行評價后，各小組成員簡要小結本環節的訓練經驗并將其填入表1-5中，進入閱讀能力訓練環節二。

“閱讀能力訓練環節二”訓練步驟

1．根據“閱讀能力訓練環節二”中的要求，繼續采用“閱讀能力訓練環節一”中的方法，對PLC的組成、原理、工作過程、編程語言，以及對FX2N系列PLC特點、型號、內部元件等進行了解和學習，為任務二的開展打下基礎。工作流程如下：

（1）明確“閱讀能力訓練環節二”的要求。

（2）按照前面的分組，重新分配角色，具體分工表參照表1-1。

（3）根據分工，參照“閱讀能力訓練環節一”中方法搜集所需資料，并按要求進行整理，完成表1-6至表1-10的填寫。本任務建議利用課余時間完成。

2．指定的任務工時到點后，各小組停止任何學習活動，進入本任務的學習效果評價階段，待指導教師對各小組的“閱讀能力訓練環節二”進行評價后，各小組成員簡要小結本環節的訓練經驗并將其填入表1-11中，進入職業核心能力訓練環節。

“職業核心能力訓練環節”訓練步驟

1．以小組為單位，集中整理前兩個訓練環節中的學習內容，簡要寫出查找、搜集、整理、學習PLC基礎知識的經驗總結報告，進行經驗交流。（目的是分享經驗、分享成果、發現問題、提高水平、完善自我、增強團隊意識、提高協作能力與寫作水平、提高語言表達能力、提高計算機應用能力、達成有效學習等）

2．經驗交流的匯報內容及要求參見“職業核心能力訓練環節”的任務要求。

3．利用課余時間完成PPT匯報內容的制作，按照教師指定的匯報開始時間進行匯報。各匯報人與點評人要注意表述時間的控制能力鍛煉，做好匯報前的預演練。

4．評價過程的組織，提供以下兩種方案供各校自選。

方案一：小組匯報（5分鐘）其余小組點評（1分鐘）教師評價（15分鐘）；下一小組匯報（5分鐘）其余小組點評（1分鐘）教師評價（15分鐘）? ?直至全部匯報結束。

方案二：全部小組依次匯報（5分鐘×小組數）其余小組點評（1分鐘×小組數）教師評價（15分鐘×小組數）。

5．評價方式：本任務訓練環節的評價采用多元評價方式，即自我評價與互相評價相結合，學生評價與教師評價相結合，定性評價與定量評價相結合。

6．匯報與點評人員的選派代表由各組組長負責落實，要求每位學生輪流進行匯報或點評不同的任務訓練環節。

7．評價標準：如表1-14至表1-17所示。評價完畢由第一小組負責計算與登記各學生在職業核心能力訓練環節的成績。

任務評價

1．閱讀能力訓練環節一、二的評價標準如表1-12所示。

注意：此表的設置側重對學生學習能力的評價，對任務中要求填寫的表格，如表1-2至表1-4及表1-6至表1-10的內容填寫的正確與錯誤的程度不做直接的評述，只作為學生學習能力與學習態度評價的參考因素。主要采取學生自檢與互檢的方式來判斷表格填寫的正確性，由學生在團隊學習過程中相互討論來得出相關知識提煉與總結的正確率。

2．職業核心能力訓練評價標準如表1-13所示。

注：（1）表1-13中職業核心能力分七個評價指標的配分僅供參考，教師可根據實際情況有側重地進行配分。

（2）表1-13在使用過程中建議參照表1-14至表1-17進行。

注：此表分發給各學習小組，由小組推薦一名點評員負責對各小組的匯報結果進行評價。

注：此表由各小組輪流進行統計，由組長負責審核，統計結果交給任課教師。

注：此表由1～2位任課教師填寫，通常一體化實訓教學要求配備2名教師。表格填寫完畢后交給統計分數的小組統計各小組的職業核心能力總分。

注：此表由各小組輪流進行統計，由組長負責審核，統計結果交給任課教師。

個人單項任務總分評定建議：

單項任務總評成績＝閱讀能力訓練環節一（30%）+閱讀能力訓練環節二（50%）+職業核心能力訓練環節（20%）。個人單項任務總分評定表如表1-18所示。

知識鏈接

一、PLC的產生和應用

可編程序控制器（PLC）是在傳統的順序控制的基礎上引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通信技術而形成的一代新型工業控制裝置，現已廣泛用于工業控制的各個領域。

（一）PLC的產生

從20世紀20年代起，人們使用繼電接觸器控制系統，它結構簡單，價格便宜，便于掌握，但也存在明顯的缺點，如設備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，通用性和靈活性差。

20世紀60年代末期，美國的汽車制造業競爭激烈，產品更新周期越來越短，因此對生產流水線的自動控制系統更新也越來越頻繁，原來的繼電器控制需要經常地重新設計和安裝，從而延緩了新款汽車的更新時間。人們希望能有一種通用性和靈活性較強的控制系統來替代原有的繼電器控制系統。

1968年，美國通用汽車公司首先提出將繼電接觸器控制系統簡單易懂、使用方便、價格低廉的優點，與計算機功能完善、靈活性和通用性好的優點結合起來，將繼電接觸器控制的硬連線邏輯轉變為計算機的軟件邏輯編程的設想。1969年，美國數字設備公司根據這些要求研制開發出世界上第一臺可編程序控制器PDP-14，并在通用汽車（GM）公司生產線上首次應用成功。之后，世界各國，特別是日本和聯邦德國也相繼開發了各自的PLC。20世紀70年代中期出現了微處理器并被應用到可編程序控制器后，使PLC的功能日趨完善，特別是它的小型化、高可靠性和低價格，使它在現代工業控制中嶄露頭角。到80年代初，PLC的應用已在工業控制領域中占主導地位，PLC已經被廣泛地應用到各種機械設備和生產過程的自動控制系統中。此后，PLC在民用和家庭自動化設備等領域的應用也得到了迅速的發展。

（二）PLC的定義

國際電工委員會（IEC）在1987年的PLC標準草案第3稿中，對PLC做了如下定義：“可編程序控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計?！?/p>

（三）PLC的應用

PLC的主要應用有以下幾個方面：

1．順序控制

順序控制是PLC應用最廣泛的領域，也是最適合PLC使用的領域，用以取代傳統的繼電器順序控制。PLC可用于單機控制、多機群控、生產自動線控制等，如機床電氣控制、電動機控制、注塑機控制、電鍍流水線控制、電梯控制等。

2．運動控制

PLC制造商目前已提供了拖動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。在多數情況下，PLC把描述目標位置的數據送給模塊，其輸出移動軸或數軸到目標位置。每個軸移動時，位置控制模塊保持適當的速度和加速度，確保運動平滑。

3．過程控制

PLC能控制大量的過程參數，如溫度、壓力、液位和速度等。PID模塊的提供使PLC具有閉環邏輯控制功能，當控制過程中某一變量出現偏差時，PID控制算法會計算出正確的輸出，把變量保持在設定值上。

4．數據處理

在機械加工中，出現了把支持順序控制的PLC和計算機數值控制設備緊密結合的趨向。

5．通信網絡

PLC的通信包括PLC與遠程I/O之間的通信、多臺PLC之間的通信、PLC與其他智能控制設備（如計算機、變頻器、數控裝置）之間的通信。PLC與其他智能控制設備一起，可以組成“集中管理、分散控制”的分布式控制系統。

二、PLC的基本結構

PLC的種類繁多，但其基本結構和工作原理相同。PLC的基本結構由中央處理器（CPU）、存儲器、輸入接口、輸出接口、電源、擴展接口、編程工具、智能I/O接口、智能單元等組成，如圖1-4所示。

（一）中央處理器

中央處理器（CPU）是PLC的核心，它按PLC中系統程序賦予的功能指揮PLC有條不紊地進行工作，主要作用有：

（1）接收并存儲從編程器輸入的用戶程序和數據。

（2）診斷PLC內部電路的工作故障和編程中的語法錯誤。

（3）用掃描的方式通過I/O部件接收現場的狀態或數據，并存入輸入映像存儲器或數據存儲器中。

（4）PLC進入運行狀態后，從存儲器中逐條讀取用戶指令，解釋并按指令規定的任務進行數據傳送、邏輯或算術運算；根據運算結果，更新有關標志位的狀態和輸出映象存儲器的內容，再經輸出部件實現輸出控制、制表打印或數據通信功能。

（二）存儲器

PLC的存儲器用來存放系統程序、用戶程序和運行數據單元，按其作用分為系統存儲器和用戶存儲器兩部分。

1．系統存儲器

系統存儲器用來存放由PLC生產廠家編寫的系統程序，用戶不能直接更改。系統存儲器在類型上屬于只讀存儲器ROM，其內容只能讀出，不能寫入，具有非易失性，因為它的電源斷開后，仍能保存存儲的內容。系統程序由以下三部分組成：

（1）系統管理程序：控制PLC的運行，使整個PLC按部就班地工作。

（2）用戶指令解釋程序：通過用戶指令解釋程序，將PLC的編程語言變為機器語言指令，再由CPU執行該指令。

（3）標準程序模塊與系統調用：包括許多不同功能的子程序及其調用管理程序，如完成輸入、輸出及特殊運算等的子程序。

2．用戶存儲器

用戶存儲器包括用戶程序存儲器（程序區）和功能存儲器（數據區）兩部分。

（1）用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務而用規定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序。

（2）功能存儲器是用來存放用戶程序中使用的ON/OFF狀態、數值數據等，構成PLC的各種內部器件，也稱“軟元件”。

（三）開關量輸入、輸出接口

PLC的輸入接口和輸出接口是PLC與外界的接口。輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號，一種是開關量輸入信號，另一種是模擬量輸入信號。輸出接口用來連接被控對象中各種執行元件。

輸入接口和輸出接口有數字量輸入接口和輸出接口以及模擬量輸入接口和輸出接口兩種形式。數字量輸入接口和輸出接口的作用是將外部控制現場的數字信號與PLC內部信號的電平相互轉換；模擬量輸入接口和輸出接口的作用是將外部控制現場的模擬信號與PLC內部的數字信號相互轉換。輸入接口和輸出接口一般都具有光電隔離和濾波作用，以便與外部電路隔離開，提高PLC的抗干擾能力。

PLC開關量輸入接口有三種不同類型的電源，而其輸入開關可以是無觸點或傳感器的集電極開路的晶體管。PLC開關量輸出接口按輸出開關器件種類不同有三種形式：第一種是繼電器輸出型，CPU輸出時接通或斷開繼電器線圈，用于低速大功率交流、直流負載控制；第二種是晶體管輸出型，通過光耦合使開關晶體管截止和飽和導通以控制外部電路，用于高速小功率直流負載；第三種是雙向晶體管輸出型，采用的是光觸發型雙向晶體管，僅適用于高速大功率交流負載。

（1）開關量輸入接口電路如圖1-5至圖1-7所示。

（2）開關量輸出接口電路如圖1-8至圖1-10所示。

三、PLC的工作原理

（一）可編程序控制器的工作方式與運行框圖

可編程序控制器的工作方式與運行框圖如圖1-11所示。

PLC的工作方式是用一個不斷循環的順序掃描，每一次掃描所用的時間稱為掃描周期。CPU從第一條指令開始，按順序逐條執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新一輪的掃描。PLC就是這樣周而復始地重復上述循環掃描工作的。

概括而言，PLC是按集中輸入、集中輸出、周期性循環掃描的方式進行工作的。CPU從第一條指令執行開始，按順序逐條地執行用戶程序直到用戶程序結束，然后返回第一條指令開始新的一輪掃描。整個過程可分為三個部分（見圖1-12）：

（1）上電處理。對PLC系統進行初始化，包括硬件初始化、I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設定及其他初始化處理等。

（2）掃描過程。先完成輸入處理，再完成與其他外設的通信處理，最后進行時鐘、特殊寄存器更新。

（3）出錯處理。PLC每掃描一次，就執行一次自診斷檢查，確定PLC自身的動作是否正常。

（二）可編程序控制器的工作過程

當PLC處于正常運行時，它將不斷循環掃描。這個過程可分為輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段，如圖1-13所示。

（1）輸入采樣階段。掃描所有輸入端子，并將各輸入狀態存入相對應的輸入映像寄存器中，輸入映像寄存器被刷新。

（2）程序執行階段。根據PLC梯形圖程序掃描原則，一般按從左到右、從上到下的順序執行程序。

（3）輸出刷新階段。在所有指令執行完畢后，元件映像寄存器中所有輸出繼電器的狀態在輸出刷新階段轉存至輸出鎖存電路中，通過一定的方式輸出，最后經過輸出端子驅動外部負載。

四、PLC的編程語言

PLC為用戶提供了完整的編程語言，常用的編程語言如圖1-14所示。

下面簡要介紹幾種常用的PLC編程語言。

（一）梯形圖編程語言

PLC的梯形圖（LAD）在形式上沿襲了傳統的繼電器電氣控制圖，是在原繼電器控制系統的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言。它將PLC內部的各種編程元件（如繼電器的觸點、線圈、定時器、計數器等）和各種具有特定功能的命令用專用圖形符號、標號定義，并按邏輯要求及連接規律組合和排列，從而構成了表示PLC輸入、輸出之間控制關系的圖形（見圖1-15）。它是目前用得最多的PLC編程語言。梯形圖編程語言的特點：與電氣操作原理圖相對應，具有直觀性和對應性；與原有繼電器控制相一致，電氣設計人員易于掌握。梯形圖編程語言與原有的繼電器控制的不同點：梯形圖中的能流不是實際意義的電流，內部的繼電器也不是實際存在的繼電器，應用時，需要與原有繼電器控制的概念區別對待。典型梯形圖如圖1-16所示。

（二）指令表編程語言

指令表編程語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言，它是PLC各種編程語言中應用最早、最基本的編程語言，和匯編語言一樣由操作碼和操作數組成。在無計算機的情況下，適合采用PLC手持編程器對用戶程序進行編制。同時，指令表編程語言與梯形圖編程語言一一對應，在PLC編程軟件下可以相互轉換。指令表編程語言的特點：采用助記符來表示操作功能，具有容易記憶、便于掌握的特點；在手持編程器的鍵盤上采用助記符表示，便于操作，可在無計算機的場合進行編程設計，與梯形圖有一一對應關系，其特點與梯形圖語言基本一致。

指令表編程舉例如圖1-17所示。

（三）順序功能圖編程語言

順序功能圖，又稱為功能表圖、步進圖、狀態流程圖或狀態轉移圖。它是一種新穎的、按照工藝流程圖進行編程、IEC標準推薦的首選編程語言，是為了滿足順序邏輯控制而設計的編程語言。設計者只需要熟悉對象的動作要求與動作條件，即可完成程序的設計，而無須像梯形圖編程那樣去過多地考慮種種“互鎖”要求與條件。編程時將順序流程動作的過程分成步和轉換條件，根據轉移條件對控制系統的功能流程順序進行分配，一步一步地按照順序動作。每一步代表一個控制功能任務，用方框表示，在方框內含有用于完成相應控制功能任務的梯形圖邏輯，如圖1-18所示。這種編程語言使程序結構清晰，易于閱讀及維護，大大減輕了編程的工作量，縮短了編程和調試時間，適用于系統規模較大、程序關系較復雜的場合。順序功能流程圖編程語言的特點：以功能為主線，按照功能流程的順序分配，條理清楚，便于理解用戶程序；避免梯形圖或其他語言不能順序動作的缺陷，同時也避免了用梯形圖語言對順序動作編程時，由于機械互鎖造成用戶程序結構復雜、難以理解的缺陷；用戶程序掃描時間也大大縮短。順序功能圖編程程序設計簡單，對設計人員的要求較低，近年來已經開始普及與推廣。

（四）邏輯功能圖編程語言

邏輯功能圖編程語言是一種沿用了數字電子線路的“與”“或”“非”等邏輯門電路、觸發器、連線等圖形與符號的圖形編程語言。它可以用觸發器、計數器、比較器等數字電子線路的符號表示其他圖形編程語言（如梯形體）無法表示的PLC基本指令與應用指令。其特點是程序直觀、形象、設計方便，程序邏輯關系清晰、簡潔，特別是對于開關量控制系統的邏輯運算控制，使用邏輯功能圖編程比其他編程語言更為方便。但目前可以使用邏輯功能圖編程的PLC種類相對較少。

（五）高級編程語言

隨著軟件技術的發展，為增強PLC的運算功能和數據處理能力并方便用戶使用，許多大中型PLC已采用類似Basic、Pascal、Fortan、C等高級的PLC專用編程語言，實現程序的自動編譯。

目前各種類型的PLC一般都能同時使用兩種以上的語言，且大多數都能同時使用梯形圖和指令表。雖然不同的廠家梯形圖、指令表的使用方式有差異，但基本編程原理和方法是相同的。三菱FX2N產品同時支持梯形圖、指令表和順序功能圖三種編程語言。

五、舉例說明

圖1-19是電動機點動運行電路，SB為啟動按鈕，KM為交流接觸器。按下啟動按鈕SB, KM的線圈通電，主觸點閉合，電動機M開始運行；SB被放開后，KM的線圈斷電，主觸點斷開，電動機M停止運行。用PLC控制電動機的點動運行電路的邏輯變量如表1-19所示。

為了實現電動機的點動運行控制，PLC需要一個輸入觸點和一個輸出觸點。輸入、輸出觸點分配如表1-20所示。

畫出PLC控制電路接線圖如圖1-20（a）所示。針對電動機點動運行電路的控制要求畫出梯形圖，如圖1-20（b）所示。程序也可以寫成指令表的形式，如圖1-20（c）所示。

    LD  X0；接在左母線上的X0常開觸點，邏輯實現的條件
    OUT Y0; Y0的線圈，邏輯條件滿足時的結果
    END；程序結束

六、FX2N系列PLC的型號與規格及內部軟元件

（1）FX2N系列PLC的型號及規格如表1-21所示。

（2）FX系列PLC內部軟元件一覽表，如表1-22所示。