學習活動二 電機連續運行PLC控制設計與實施

任務一 相關基礎理論知識

一、三菱PLC介紹

（一）外觀圖（以FX2N-32MR為例）

如圖1.8所示：

圖1.8三菱 FX2N-32MR PLC外觀圖

（二）輸入、輸出軟繼電器

不同廠家、不同系列的PLC，其內部軟繼電器的功能和編號也不相同，因此用戶在編制程序時，必須熟悉所選用PLC的軟繼電器功能和編號。

FX系列PLC軟繼電器編號由字母和數字組成，其中，輸入繼電器和輸出繼電器用八進制數字編號，其他均采用十進制數字編號，如圖1.9所示。

1．輸入繼電器（X）

（1）輸入繼電器是PLC用來接收用戶輸入設備發來的輸入信號。

（2）在PLC內部，與輸入端子相連的輸入繼電器是光電隔離的電子繼電器，采用八進制編號，有無數個常開和常閉觸點。

（3）輸入繼電器不能用程序驅動。輸入繼電器線圈由外部輸入信號所驅動，只有當外部信號接通時，對應的輸入繼電器才得電，不能用指令來驅動。

圖1.9輸入、輸出軟繼電器圖

注意：1．在程序中絕對不可能出現輸入繼電器的線圈，只能出現輸入繼電器的觸點。

2．每個輸入繼電器的常開與常閉觸點均可無數次使用。

2．輸出繼電器（Y）

（1）輸出繼電器采用八進制編號，有內部觸點和外部輸出觸點（繼電器觸點、雙向可控硅、晶體管等輸出元件）之分，由程序驅動。

（2）在PLC內部，外部輸出觸點與輸出端子相連，向外部負載輸出信號，且一個輸出繼電器只有一個常開型外部輸出觸點。

（3）輸出繼電器有無數個內部常開和常閉觸點，編程時可隨意使用。

（三）型號

FX系列PLC型號名稱可按如下格式定義：

1．子系列名稱

如1S、1N、1NC、2N、2NC等。

2．輸入輸出的總點數

I/O點數為16～256點。

3．單元類型

（1）M——基本單元。

（2）E——擴展單元及擴展模塊。

（3）EX——擴展輸入單元。

（4）EY——擴展輸出單元。

4．輸出形式

（1）R——繼電器輸出。

（2）T——晶體管輸出。

（3）S——晶閘管輸出。

5．其他定義

D表示DC電源，DC輸入；UA1/UL表示AC電源，AC輸入；001表示專為中國推出的產品。如果其他定義這一項無符號，則表示為AC電源、DC輸入。例如：型號為FX2N-48MR-D的PLC表示該PLC屬于FX2N系列，是具有48個I/O點的基本單元，屬于繼電器輸出型，使用DC24 V電源。

二、PLC控制系統與電器控制系統的比較

（一）電器控制系統

圖1.10電器控制框圖

（二）PLC控制系統

圖1.11 PLC控制框圖

例：三相異步電動機單向運行電器控制系統原理圖，如圖1.12所示。

圖1.12三相異步電機電器控制原理圖

圖1.13三相異步電機PLC控制I/O接線圖

可以看出，梯形圖與繼電器控制電路很相似。梯形圖是PLC的編程語言。對于使用者來說，在編制應用程序時，可不考慮PLC內部的復雜構成和使用的計算機語言，而把PLC看成是內部具有許多軟繼電器組成的控制器，用提供給使用者的近似于繼電器控制線路圖的梯形圖進行編程。這些軟繼電器的線圈、動合觸點、動斷觸點分別用符號表示。梯形圖中觸點在左邊，與左側垂直公共母線相連，線圈在最右邊，接右側垂直公共母線，右母線可以省略。

注意：PLC內部的繼電器并不是物理繼電器（硬件繼電器），其實質是存儲器中的某些觸發器。該觸發器為“1”狀態時，相當于繼電器得電；該觸發器為“0”狀態時，相當于繼電器失電。

由上圖可見，梯形圖和繼電器控制回路圖十分相似，它們都表示了輸入和輸出之間的邏輯關系。但是它們之間的最大區別在于，在繼電器控制方案中，輸入、輸出信號的邏輯關系是由實際的布線來實現的；在PLC控制方案中，輸入、輸出信號間的邏輯關系則是由存儲在PLC內的用戶程序（梯形圖）來實現的。具體區別為：

1．組成器件不同

繼電器控制電路中的繼電器是真實的，是由硬件構成的；而PLC中的繼電器則是虛擬的，是由軟件構成的，每個繼電器其實是PLC內部存儲單元中的一位，故稱為軟繼電器。

2．觸點情況不同

繼電器控制電路中動合、動斷觸點由實際的結構決定，而PLC中動合、動斷觸點則由軟件決定，即由存儲器中相應的位的狀態1或0來決定的。因此，繼電器控制電路中每個繼電器的觸點數量是有限的，而PLC中則是無限的。

3．工作電流不同

繼電器控制電路中有實際電流存在，是可以用電流表直接測得的；而PLC梯形圖中的工作電流是一種信息流，其實質是程序的運算過程，可稱之為“軟電流”，或稱為“能流”。

4．接線方式不同

繼電器控制電路圖的所有接線都必須逐根連接，缺一不可，而PLC中的接線，除輸入、輸出端需要實際接線外，內部的所謂接線都是通過程序的編制來完成的，可稱為“軟接線”。由于接線方式的不同，在改變控制順序時，繼電器控制電路必須改變其實際的接線，而PLC則僅需修改程序，通過軟件加以改接，其改變的靈活性及速度是繼電器控制電路無法比擬的。

5．工作方式不同

繼電器控制電路中，當電源接通時，各繼電器都處于受約狀態，該吸合的都吸合，不該吸合的因受某種條件限制而不吸合；PLC則采用掃描循環執行方式，即從第一階梯形圖開始運算，依次執行至最后一階梯形圖，再從第一階梯形圖開始繼續往下執行，周而復始。因此從激勵到響應有一個時間的滯后。

三、PLC基本結構

（一）中央處理單元CPU

CPU是PLC的核心部件，它控制著所有部件的操作。CPU通過地址總線、數據總線和控制總線與存儲單元，輸入、輸出接口電路連接。CPU按掃描方式工作，掃描從0000地址存放的第一條用戶程序開始，經過存儲器中各功能程序，到用戶程序的最后一個地址，不停地周期性掃描，每掃描一次，用戶程序就執行一次。

圖1.14可編程控制器結構示意圖

（二）存儲器

存儲器用來存放系統程序、用戶程序、邏輯變量和一些其他信息。系統程序是指控制和完成PLC各種功能的程序。這些程序由PLC制造商用微機指令編寫并固化在ROM中。用戶程序是指使用者根據工程現場的生產過程和工藝要求編寫的控制程序。用戶程序由使用者輸入到PLC的RAM中，允許修改，由用戶啟動運行。

（三）輸入、輸出接口

I/O模塊是PLC與現場設備或其他外部設備之間的連接部件。PLC通過輸入模塊把工業現場的狀態信息讀入，通過用戶程序的運算與操作，把結果通過輸出模塊輸出給執行機構。

I/O模塊采用光電隔離，實現了PLC的內部電路與外部電路的電氣隔離，減小了電磁干擾。

1．輸入接口作用

用于處理輸入信號，在對輸入信號進行濾波、隔離、電平轉換等處理后，將按鈕、行程開關或傳感器等產生的信號，轉換成數字信號送入主機。輸入模塊包括交流輸入模塊和直流輸入模塊。

2．輸出接口作用

把用戶程序的邏輯運算結果輸出到PLC外部，輸出模塊具有隔離PLC內部電路與外部執行元件的作用，同時兼有功率放大作用。將主機向外輸出的信號轉換成可以驅動外部執行電路的信號，以便控制接觸器線圈等電器通斷電；另外輸出電路也使計算機與外部強電隔離。

PLC基本輸入接口電路，如圖1.15所示。

圖1.15 PLC輸入接口電路

PLC內部輸入電路的作用是將PLC外部信號送至PLC內部電路，輸入接點分為干接點式、直流輸入式和交流輸入式三大類。

PLC的基本輸出電路，如圖1.16所示。

圖1.16 PLC基本輸出電路

（四）電源單元

把外部供應的電源變換成系統內部各單元所需的電源。

有的電源單元還向外提供24 V隔離直流電源，可供開關量輸入單元連接的現場無源開關等使用。

可編程序控制器的電源一般采用開關式電源，其特點是輸入電壓范圍寬，體積小，重量輕，效率高，抗干擾性能好。

一般PLC采用AC220 V電源，也可用直流電源。交流電源經整流和穩壓后向PLC各模塊供電。

（五）各種接口、高功能模塊

小型機：有接口可擴展。

四、PLC工作過程

掃描是從第一條程序開始，在無中斷或跳轉控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執行程序，直到程序結束。然后再從頭開始掃描執行，并周而復始地進行，如圖1.17所示。

圖1.17 PLC工作流程

PLC執行程序的過程如圖1.18所示。

圖1.18可編程序控制器的工作過程

（一）輸入采樣階段

CPU將全部現場輸入信號如按鈕、限位開關、速度繼電器等的狀態經PLC的輸入端子，讀入映像寄存器，這一過程稱為輸入采樣或掃描階段。

進入下一階段即程序執行階段時，輸入信號若發生變化，輸入映像寄存器也不予理睬，只有等到下一掃描周期輸入采樣階段時才被更新。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。

（二）程序執行階段

CPU從0.00地址的第一條指令開始，依次逐條執行各指令，直到執行到最后一條指令。PLC執行指令程序時，要讀入輸入映像寄存器的狀態（ON或OFF，即1或0）和其他編程元件的狀態，除輸入繼電器外，一些編程元件的狀態隨著指令的執行不斷更新。CPU按程序給定的要求進行邏輯運算和算術運算，運算結果存入相應的元件映像寄存器，把將要向外輸出的信號存入輸出映像寄存器，并由輸出鎖存器保存。程序執行階段的特點是依次順序執行指令。

（三）輸出處理階段

CPU將輸出映像寄存器的狀態經輸出鎖存器和PLC的輸出端子，傳送到外部去驅動接觸器、電磁閥和指示燈等負載。這時輸出鎖存器的內容要等到下一個掃描周期的輸出階段到來才會被刷新。這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。

CPU完成一次包括輸入處理階段、程序執行階段和輸出處理階段的掃描循環所占用的時間稱為PLC的一個掃描周期，用T0表示。其中輸入和輸出時間很短，約為1 ms。程序執行時間與指令種類和CPU掃描速度相關。CPU指令執行的平均時間約為10 us/指令。一個掃描周期只有幾毫秒。

任務二 三相異步電動機單向連續運行PLC控制系統設計

一、PLC控制系統設計流程

PLC控制系統設計流程如圖1.19所示。

圖1.19 PLC控制系統設計流程

二、三相異步電動機單向連續運行PLC控制系統設計

（一）熟悉被控對象，明確工作任務

連續運轉控制線路如圖1.20所示，該線路可以控制電動機連續運轉，并且具有短路、過載、欠壓及失壓保護功能。現用PLC代替繼電器控制電路進行控制。

圖1.20連續運轉控制線路

從圖1.20所示的控制線路可見，由開關QS、熔斷器FU1、接觸器主觸點、熱繼電器熱元件及電動機組成主電路部分，而由熱繼電器常閉觸點、停止按鈕SB1、啟動按鈕SB2、接觸器線圈及常開觸點組成控制電路部分。

在控制電路中，熱繼電器常閉觸點、停止按鈕、啟動按鈕屬于控制信號，應作為PLC的輸入量分配接線端子；而接觸器線圈屬于被控對象，應作為PLC的輸出量分配接線端子。對于PLC的輸出端子來說，允許額定電壓為220 V，因此需要將原線路圖中接觸器的線圈電壓由380 V改為220 V，以適應PLC的輸出端子需要。

（二）選擇PLC型號

工程設計選型和估算時，應詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務和范圍確定所需的操作與動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量，確定PLC的功能、外部設備特性等，最后選擇有較高性能價格比的PLC和設計相應的控制系統。

1．輸入輸出（I/O）點數的估算

在自動控制系統設計之初，就應該對控制點數有一個準確的統計，這往往是選擇PLC的首要條件，在滿足控制要求的前提下力爭所選的I/O點最少。考慮到以下幾方面的因素，PLC的I/O點還應留有一定的備用量（10%～15%）。

（1）可以彌補設計過程中遺漏的點。

（2）能夠保證在運行過程中個別點有故障時，可以有替代點。

（3）將來可以升級時擴展I/O點。

2．存儲器容量的估算

存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應用項目使用的存儲單元的大小，因此程序容量小于存儲器容量。設計階段，由于用戶應用程序還未編制，因此，程序容量是未知的，需在程序調試之后才知道。為了設計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。

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，大體上都是按數字量I/O點數的10～15倍，加上模擬I/O點數的100倍，作為內存的總字數（16位為一個字），另外再按此數的25%考慮余量。

選擇FX2N-48MR來實現控制功能。

（三）分配PLC的輸入輸出點，設計I/O接線圖

1．確定I/O分配表

表1.1三相異步電動機單向連續運轉電路PLC控制輸入輸出點分配表

2．設計三相異步電動機單向連續運轉電路PLC控制接線圖

如圖1.21所示：

圖1.21三相異步電動機單向連續運轉電路PLC控制接線圖

（四）設計三相異步電動機單向連續運轉電路PLC控制梯形圖，編寫指令

采用翻譯方法設計梯形圖。

圖1.22翻譯法梯形圖及指令

相關基礎知識

一、三菱PLC基本指令

（一）LD、LDI、OUT指令

1．指令的作用

（1）LD：取指令，常開觸點與母線連接。

（2）LDI：取反指令，常閉觸點與母線連接。

（3）OUT：驅動線圈的輸出指令。

2．指令的說明

（1）LD、LDI用于將觸點接到母線上。

（2）LD、LDI還與塊操作指令ANB、ORB相配合，用于分支電路的起點。

（3）OUT不能用于X，并聯輸出OUT指令可連續使用任意次。

（4）OUT指令用于T和C，其后須跟常數K, K為延時時間或計數次數。

圖1.23 LD、LDI、OUT指令練習圖

（二）AND、ANI指令

1．指令的作用

（1）AND：與指令，用于串聯單個常開觸點。

（2）ANI：與反指令，用于串聯單個常閉觸點。

2．指令的說明

（1）AND和ANI指令用于單個觸點與左邊觸點的串聯，可連續使用。

（2）執行OUT指令后，通過與指令可驅動其他線圈輸出。

（3）若是兩個并聯電路塊（兩個或兩個以上觸點并聯連接的電路）串聯，則需用后面的ANB指令。

圖1.24 AND、ANI指令練習圖

（三）OR、ORI指令

1．指令的作用

（1）OR：或指令，用于并聯單個常開觸點。

（2）ORI：或反指令，用于并聯單個常閉觸點。

2．指令的說明

（1）OR、ORI編程元件：X、Y、M、T、C、S。

（2）OR、ORI指令僅用于單個觸點與前面觸點的并聯。

（3）若是兩個串聯電路塊（兩個或兩個以上觸點串聯連接的電路）相并聯，則用ORB指令。

圖1.25 OR、ORI指令練習圖

（四）NOP、END指令

1．指令的作用

（1）NOP：空操作指令。

（2）END：結束指令。

2．指令的說明

（1）NOP、END指令無編程元件。

（2）PLC執行程序時從0步掃描到END指令為止，后面的程序跳過不執行。

二、編程的基本規則

1．梯形圖中每一行都是從左母線開始，到右母線為止，觸點在左，線圈在右，觸點不能放在線圈右邊。如圖1.26所示。

圖1.26編程規則1梯形圖

2．線圈一般不能直接與左母線相連，如圖1.27所示。

圖1.27編程規則2梯形圖

3．梯形圖中若有多個線圈輸出，這些線圈可并聯輸出，但不能串聯輸出，如圖1.28所示。

圖1.28編程規則3梯形圖

4．同一程序中不能出現“雙線圈輸出”。所謂雙線圈輸出是指同一程序中同一編號的線圈使用兩次。雙線圈輸出容易引起誤操作，禁止使用，如圖1.29所示。

圖1.29編程規則4梯形圖

5．梯形圖中觸點連接不能出現橋式連接，如圖1.30所示。

圖1.30編程規則5梯形圖

任務三 手持編程器的使用

一、FX-20P-E手持編程器面板布置

圖1.31手持式編程器面板布置圖

液晶顯示屏：16字符4行

指令、元件符號、數字鍵

幫助鍵：HELP

步序鍵：STEP

執行鍵（或確認鍵）:［GO］

功能鍵：RD/WR、INS/DEL、MNT/TEST

清除鍵：CLEAR

空格鍵：SP

光標鍵：［↑］［↓］

其他鍵：OTHER

二、編程器的組成

編程器的組成，如圖1.32所示。

圖1.32手持式編程器組成圖

編程器類型：

1. FX-20P-E型手持式編程器。

2. FX-20P-RWM型寫入器。

3. FX-20P-CAB型電纜。

4. FX-20P-ADP型電源適配器。

5. FX-20P-E-FKIT型接口。

三、編程器的使用

（一）編程器的操作準備

（二）在線編程方式

按下［OTHER］鍵，在線編程有7種工作方式可選擇。

1. OFFLINE MODE：編程器進入離線編程方式。

2. PROGRAM CHECK：對用戶程序進行檢查，若沒有錯誤，則屏幕顯示為“NO ERROR”；若發現程序有錯，則顯示出錯的語句步序及相應的出錯代碼。

3. DATA TRANSFER：數據的傳送。

4. PARAMETER：可以對PLC的用戶程序存儲器進行設置。

5. YM.NO.CONV.：可以直接對用戶程序中的X、Y或M的地址進行修改。

6. BUZZERLEVEL：對編程器的蜂鳴器的音量進行調節。

7. LATCHCLEAR：對PLC的各種具有失電保持的軟設備進行復位。

（三）對用戶程序初始化

PLC狀態：STOP

1．全部清除

2．部分清除

（四）編程操作

1．讀出程序

根據步序號讀出：指定步序號，從PLC用戶程序存儲器中讀出指令。

根據指令讀出：指定指令，從PLC用戶程序存儲器中讀出并顯示程序。

2．程序寫入

基本指令的寫入，有以下3種形式：

一是僅有指令助記符，不帶元件號；

二是有指令助記符和一個元件號；

三是有指令助記符和兩個元件號。

3．基本指令的寫入舉例

輸入“OUTT9K100”的操作步驟如下：

功能指令的輸入：寫入功能指令時，先按FNC鍵，再輸入功能指令號。

借助于［HELP］鍵的功能，在顯示的指令表上檢索指令號后再按需要輸入。

（五）程序的修改

1．程序改寫

在指定的步序上改寫指令，如將第10步上的指令改寫成“OUTT0K15”，其操作步驟如下：

要改寫讀出步數中的某些內容，可將光標直接移到需要改寫的地方，重新鍵入新的內容即可。如將第100步的MOV（P）指令的元件K2X1改寫為K1X0，其操作步驟如下：

2．插入程序

先根據步序號讀出指令，然后在指定的位置上插入指令或指針。

3．刪除程序

讀出程序后，逐條刪除用光標指定的指令或指針。

手編器使用簡要步驟歸納如下：

1．連接PLC與手編器時，注意連接電纜線上的箭頭“←”對準PLC、手編器上插孔的缺口位置，以免造成電纜接頭插針彎曲折斷。

2．將PLC上撥動開關旋轉到“STOP”位置。

3．接通PLC電源。

4．等待約2 s后，按下［GO］，選擇在線模式。

5．清除原程序：RD→WR→NOP→A→GO→GO

6．輸入程序：每輸入一條指令，按［GO］確認。

7．程序檢查：利用上翻、下翻鍵逐條檢查語句及其語句標號。

8．程序修改。

9．程序檢查完畢，斷開PLC電源，移去編程器，將PLC撥動開關旋轉到“RUN”。

10．重新接通PLC電源，檢查程序運行情況。

任務四 系統安裝調試

一、提高PLC可靠性的措施

PLC的使用壽命一般在40000～50000 h以上，西門子、ABB、松下等微小型PLC可達10萬h以上，而且均有完善的自診斷功能，判斷故障迅速，便于維護。為提高PLC可靠性，可采取以下措施：

1．各輸入電路均采用RC濾波器，其濾波時間常數一般為10～20 ms。

2. I/O接口電路均采用光電隔離措施，使外電路信號與PLC內部電路之間電氣隔離。

3．各模塊均采用屏蔽措施，以防止電磁干擾。

4．對采用的元器件嚴格篩選。

5．采用性能優良的開關電源。

6．良好的自診斷功能。一旦PLC內部出現什么異常，其立即報警，嚴重者立即停止運行。

7．大型PLC多采用CPU系統，使可靠性進一步增強。

二、PLC布線應注意的問題

1. PLC應遠離變壓電源線和高壓設備，不能與變壓器安裝在同一個控制柜內。

2．動力線、控制線以及PLC的電源線和I/O線應分開布線，并保持一定距離。隔離變壓器與PLC和I/O之間應采用雙絞線連接。

3. PLC的輸入與輸出最好分開走線，開關量與模擬量也要分開敷設。模擬量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。

4. PLC基本單元與擴展單元，以及功能模塊的連接線纜應單獨敷設，以防止外界信號的干擾。

5．交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離高壓線和動力線，避免并行敷設。

三、PLC控制系統調試步驟

（一）斷電檢查

檢查線路接線是否正確。

（二）通電檢查

1．檢查PLC程序

只給PLC自身供電，按下按鈕等，依次檢查控制系統所有功能（例如啟動、停止、過載保護等），觀察PLC輸入、輸出指示燈的變化情況。

2．檢查控制電路

給PLC自身及PLC輸出電路供電，依次檢查控制系統所有功能，觀察交流接觸器等的動作情況。

3．檢查主電路

給PLC自身及PLC輸出電路、主電路供電，重復上面的功能檢查過程。

4．帶負載運行

主電路檢查無誤后，接上電動機等負載運行。

安全生產及現場環境管理培訓

“6S管理”，由日本企業的5S擴展而來，是現代工廠行之有效的現場管理理念和方法，其作用是：提高效率，保證質量，使工作環境整潔有序，預防為主，保證安全。6S的本質是一種執行力的企業文化，強調紀律性的文化，不怕困難，想到做到，做到做好。作為基礎性的6S工作落實，能為其他管理活動提供優質的管理平臺。

“6S管理”，指整理（SEIRI）、整頓（SEITON）、清掃（SEISO）、清潔（SEIKETSU）、素養（SHITSUKE）、安全（SECURITY）6個項目，因均以“S”開頭，簡稱6S。

（一）整理

首先，對工作現場物品進行分類處理，區分為必要物品和非必要物品、常用物品和非常用物品、一般物品和貴重物品等。

（二）整頓

對非必要物品果斷丟棄，對必要物品妥善保存，使工作現場井然有序，并能經常保持良好狀態。這樣才能做到想要什么，即刻便能拿到，有效地消除尋找物品的時間浪費和手忙腳亂。

（三）清掃

對各自崗位周圍、辦公設施進行徹底清掃、清洗，保持無垃圾、無臟污。

（四）清潔

維護清掃后的整潔狀態。

（五）素養

將上述四項內容切實執行、持之以恒，從而養成習慣。

（六）安全

上述一切活動，始終貫徹安全第一宗旨。

思考題

1. FX系列PLC軟繼電器如何編號？

2. PLC控制系統與傳統電器控制系統有什么區別？

3．簡述PLC的基本結構組成。

4．簡述PLC的工作過程。

5．畫出PLC控制系統設計流程圖。

6. PLC梯形圖設計的基本規則有哪些？

7．簡述手持編程器使用步驟。

8．提高PLC可靠性的措施有哪些？

9．簡述安全生產及現場環境管理“6S”。