可编程序控制器PLC相关知识
可编程序控制器PLC相关知识
可编程序控制器（PLC）是一种数字运算的电子系统，专为工业环境应用而设计。它采用可编制程序的存储器，通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。本文将详细介绍PLC的概念、组成、工作原理、编程方法以及使用注意事项等内容。
PLC的概念
可编程序控制器简称PLC，是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数、算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器系统也称为“软接线”程序控制系统，由硬件、软件组成。
各种型号的PLC功能虽不尽相同，但一般都具有条件控制、计时控制、计数控制、步进控制、数据处理、通信和联网以及对控制系统的监控功能。
PLC克服了继电器控制系统接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差等缺点。它集三电(电控、电仪、电传)于一体，性价比高，可靠性高。
PLC的组成
PLC的硬件组成与微型计算机相似，其主机由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口、电源、通信接口等几大部分组成。PLC的核心元件是中央处理器，小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器。
PLC的输入模块一般使用光电耦合器来隔离内部电路和外部电路，以减少外部干扰。
一般而言，PLC的AC输入电源电压范围为220~380V。
PLC的输出方式有继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出三种。输出方式为继电器输出时，适用于交流和直流负载。
PLC的结构特点
PLC一般能为外部传感器提供24V直流电源。
PLC输出点中，继电器一个点的最大输出电流是2A。
PLC的系统程序包括管理程序、供系统调用的标准程序模块和用户指令解释程序。
三菱PLC机的输入继电器、输出继电器编程元件号均采用八进制数，定时器、计数器、特殊辅助继电器、通用辅助继电器编程元件号均采用十进制数。
PLC中的软元件均由电子电路和存储器构成。现在许多PLC直接采用EEPROM或闪速(Flash)ROM 作为用户存储器。
PLC的工作方式
PLC有两种基本工作状态，即运行(RUN)状态和停止(STOP)状态。PLC在STOP 状态下一般进行程序的编制、修改和下载；PLC在RUN行状态下执行程序。
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的，即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存放于用户程序存储器中的程序，按指令步序号(或地址号)做周期性循环扫描，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程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。PLC 的工作原理概括起来是：集中输入，集中输出，采用周期性循环扫描的工作方式。
PLC的一个扫描周期可分为内部处理阶段、通信服务阶段、输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段。
输入采样阶段
PLC在开始执行程序之前，首先以扫描方式将所有输入端的通断状态转换成电平的高低状态(1或0)并存入输入锁存器，然后将其写入各自对应的输入映像寄存器，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
需要注意的是只有采样时输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致，而其他时间范围内输入信号的变化是不会影响输入映像寄存器中的内容的，输入信号的变化状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入。程序执行阶段
PLC按顺序从首地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理，再将程序执行的结果写入输出映像寄存器，但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端口。输出刷新阶段
输出刷新阶段又称为输出处理阶段。在此阶段，当程序执行到 END指令，即在执行完用户所有程序后，PLC将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器，并通过一定的驱动装置(继电器、晶体管或晶闸管)驱动相应的输出设备工作。
FX系列PLC的输入、输出接口单元
I/O接口电路
I/O接口电路通常也称为I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，将这些数据作为PLC对被控对象进行控制的依据。同时PLC通过输出接口将处理结果送给被控对象，以达到控制的目的。
由于外围输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU处理的信息只能是标准电平,所以I/O接口应能实现这种转换。I/O接口一般都具有光隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，能够将工作状况直观地显示出来，以便于维护。PLC提供了多种操作电平和驱动能力的I/O接口以供用户选用。I/O接口(模块)的主要类型有：开关量(数字量)输入、开关量输出和模拟量输入、模拟量输出等。其中模拟量I/0模块属于三菱公司生产的 PLC 的特殊功能模块。如不特别说明，I/O接口是指开关量I/O接口。开关量输入、输出接口
常用的开关量输入接口按其使用的电源不同分为三种类型：直流输入接口、交流输入接口和交、直流输入接口。开关量输出接口按其输出功率开关器件分为三种类型：继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出电路可驱动交流或直流负载，但其响应时间长，动作频率低。晶体管输出电路可驱动直流负载，响应速度快，动作频率高。晶闸管输出电路只能用于驱动交流负载，响应速度快。
开关量输入接口电路的主要技术参数是输入电流；输出接口电路的主要技术参数有响应时间、输出电流、开路漏电流。
FX系列PLC的系统配置
FX系列PLC的硬件部分包括单片机、电源、通信接口、编程器、输入输出接口电路；软件部分由系统程序和用户程序构成。PLC中的单片机包含了中央处理器、随机存储器、只读存储器、串行接口、时钟等，是PLC 的指挥系统。
PLC提供给用户使用的每个输入继电器、输出继电器、计数器、定时器及每个存储单元都称为元件,由于这些元件都可用程序(即软件)来指定，故又称软元件。软元件包括：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、状态继电器、定时器、计数器、数据寄存器、嵌套指针和常数。
辅助继电器分为通用继电器、失电保持辅助继电器和特殊辅助继电器。特殊辅助继电器有只能利用触点的特殊辅助继电器和只能利用线圈的特殊辅助继电器。
定时器相当于继电器控制系统中的时间继电器，FX系列PLC定时器的分辨率有1 ms、10 ms、100 ms 等几种。
PLC的工作原理
PLC是一种工业控制计算机，但由于它在硬件上有一些接口器件，在软件上有专用的监控软件，所以其外形又不像计算机，操作使用方法、编程语言甚至工作原理都与计算机有所不同。另一方面，PLC作为继电控制盘的替代物，它的核心是单片机，与继电器控制逻辑的工作原理又有很大区别。PLC通过循环扫描输入端口的状态，执行用户程序，实现控制任务。PLC的系统程序永久保存在PLC中，用户不能改变。影响PLC扫描周期长短的因素是用户程序长短、CPU执行指令的速度。当PLC的I/O点数不够时，可通过 PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。
由于PLC电源的好坏直接影响PLC的功能和可靠性，因此，PLC对电源的基本要求如下：
- 能有效控制、消除电网电源带来的各种噪声；
- 不会因电源发生故障而导致其他部分产生故障；
- 能在较宽的电压波动范围内保持输出电压稳定；
- 电源本身的功耗应尽可能低,以降整机的温升；
- 内部电源及PLC向外提供的电源与外部电源间应完全隔离；
- 有较强的自动护功能。
- 大部分 PLC 采用开关式稳压电源供电。对数据存储器，常采用锂电池作断电保护后备电源，锂电池的工作寿命约为5年。
PLC的编程语言
PIC的编程语言有梯形图、指令表、逻辑功能图、结构文本、BASIC语言等。常用的有梯形图、指令表和结构文本。生产厂家都把梯形图作为第一用户编程语言。
梯形图是一种图形化的编程语言，沿用电气控制中的触点、线圈等术语，具有形象、直观、易学、实用的特点，不过较复杂的控制系统用梯形图设计时存在如下问题：设计方法难掌握且设计周期长；装置投入运行后维护、修改困难。使用顺序功能图可以有效地解决上述问题。
PIC的指令是一种与微型计算机的汇编语言指令类似的助记符表达式。基本指令语句的基本格式包括地址、助记符、操作元件。助记符常由2~4个英文字母组成，表示操作功能。指令表是用若干个容易记忆的符号来代表PLC的某种操作功能。
PLC的编程方法
在梯形图中，应适当安排软元件的顺序，以减少程序所占的步数，串联触点数多的支路应安排在上面，并联触点数多的支路应安排在左边。
PLC输入继电器的线圈是由对应输入点的输入信号驱动的。
在编写程序时通常利用特殊辅助继电器，如利用时钟脉冲特殊辅助继电器产生的时钟脉冲输出；利用触点利用型特殊辅助继电器在PLC运行开始瞬间接通一个扫描周期。
PLC中软元件的触点数量不受限制。
PLC的基本指令
ANB.ORB指令
在梯形图中，可能会出现电路块与电路块串联或者电路块与电路块并联的情况，这时就要使用ANB指令或ORB指令。ANB指令称为“电路块与指令”，其功能是使电路块与电路块串联。ORB指令称为“电路块或指令”，其功能是使电路块与电路块并联。ANB指令和ORB指令是独立指令，没有操作元件。
将每个电路块看成一个分支电路，每个分支电路的第一个触点就是分支起点，这时规定要使用LD指令或LDI指令。也就是写每个电路块的指令语句表时，如果第一个触点是常开触点，要用LD指令，不管这个触点是否接左母线；如果第一个触点是常闭触点，要用 LDI指令。OUT指令
OUT指令可于驱动输出继电器、通用辅助继电器、计数器。MPS、MRD、MPP 指令
在FX系列PLC中均设置有存储运算中间结果的存储器，称为堆栈存储器。这个堆栈存储器将触点之间的逻辑运算结果存储后，可以用指令将这个结果读出，再参与其他触点之间的逻辑运算。与堆栈存储器对应的指令有MPS、MRD、MPP指令。
- MPS进栈指令
其功能为将该时刻的运算结果压入堆栈存储器的最上层，堆栈存储器原来存储的数据依次向下自动移一层。 - MRD读栈指令
其功能为将堆栈存储器中最上层的数据读出。执行MRD指令后,堆栈存储器中的数据不发生任何变化。 - MPP出栈指令
其功能为将堆栈存储器中最上层的数据取出，堆栈存储器原来存储的数据依次向上自动移一层。 - 编程时，进栈MPS指令与出栈MPP指令必须成对出现使用，且连续使用次数不能超过11次。MRD指令可根据实际情况决定是否使用。MPS、MRD、MPP指令只对堆栈存储器的数据进行操作，因此默认操作元件为堆栈存储器，在使用时无须指定操作元件。 在MPS、MRD、MPP指令之后若有单个常开(或常闭)触点串联，应使用AND(或ANI)指令；在MPS、MRD、MPP指令之后若无触点串联，直接驱动线圈，则应使用 OUT指令。
PLC接线注意事项
PLC在工作前必须正确地接入系统，与PLC连接的主要有 PLC的电源线、输入/输出器件的接线、通信线和接地线。
PLC交流电源线应单独从机顶进入控制柜,不能与模拟信号线、直流信号线推在一起走线，以减少对其他控制电路的干扰。
PLC的电源接在输入端口中的L端子和N端子之间，接线时为防止发生短路故障，应选用250V、1A的熔断器。为防止因负载短路而造成输出短路，应在PLC外部输出电路安装熔断器。在PLC电源配线施工中，输出模块的电源配线必须采用分组式接线。
PLC有三种输出方式，若PLC采用晶体管输出,不能接单相电动机、三相电动机、交流负载。
若PLC输出端接感性负载,需根据负载的不同情况接入相应的保护电路。在交流感性负载两端应并接RC串联电路。
FX系列PLC输入接口一般采用汇点式接线，输出接口一般采用分组式接线。输入端可以接主令电器、热继电器的触点等，输出端可以接交流接触器线圈、电磁阀等。
PLC的I/O连接与控制线应分开布线并保持一定距离。如果不得不在同一槽中布线，应使用屏蔽线。交流线与直流线、输入线与输出线最好分开走线，传送开关量与模量信号的线路最好分开敷设，传送模拟量的信号可采用屏蔽线，其屏蔽层应在模拟量模块一端接地。
PLC输入/输出回路接线
- 根据负载性质并结合输出点的要求，确定负载电源的种类及电压等级，能用交流的不选直流。
- 正确确定负载电源容量。应考虑接触器、电磁阀等负载同时工作等因素，不宜简单地采取总容量乘以系数的办法估算。尤其是在大型系统中，若容量不满足要求，容易引起电压损失过大，影响负载正常工作。
- 负载电源即便是交流220V，也不宜直接取自电网，应采取屏蔽隔离措施。而且同一系统的基本单元、扩展单元的电源与其输出电源应取自同一相。
- PLC多采用正逻辑输入，要求接近开关动作时输出24V高电平。另外，凡是作为 PLC输入元件的开关、传感器，无论其容量是否允许，不允许再接其他负载，必须保证每个输入通道是独立的，以防止干扰或损坏PLC的内部输入电路。
PLC使用注意事项
PLC不要安装在高温、结露、雨淋的场所，也不宜安装在多灰尘、油烟、电磁干扰、腐蚀性气体和可燃性气体的场所，更不要安装在易发生振动或冲击强烈的地方。如果环境恶劣，应采取相应的通风、防尘、防振措施，必要时可将其安装在控制室。PLC的工作环境温度范围为0~55℃，相对湿度应在85%以下(无结霜)。
PLC不能与高压电器、大功率晶闸管装置、高频电焊机安装在一起，控制柜应远离强干扰源和动力线。
当PLC后备电池异常时,必须在一周内更换电池，更换时间不要超过5min，另外还要做好程序的备份。
良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要措施。PLC系统接地的基本原则是单点接地。
PLC控制系统中应设置紧急停止线路，提供最高的安全保障，紧急停止应不受PLC控制。