任务一 PLC基础认知

一、任务内容

如图3-1所示为三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制的继电器接触器控制电路。图3-1a为主电路，图3-1b为控制电路。要求用PLC来实现三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制。

二、任务分析

1.继电器接触器控制分析

如图3-1所示，电动机起动时，合上电源开关QS，接通控制电路电源，按下启动按钮SB2，接触器KM线圈通电吸合，KM常开主触点与常开辅助触点同时闭合，前者使电动机接入三相交流电源起动旋转；后者并接在起动按钮SB2两端，形成自锁，即使松开起动按钮SB2，KM线圈仍通过自身的常开辅助触点闭合而保持通电，使电动机继续运转。

从上述继电器接触器控制的动作顺序，可了解到继电器接触器控制系统使用硬线连接将许多低压电器（继电器、接触器等）按一定方式连接起来完成逻辑动作顺序，实现逻辑功能。继电器接触器控制系统框图如图3-2所示。

图3-1 三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制电路

图3-2 继电器接触器控制系统框图

2.PLC控制分析

如果用PLC来实现三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制，那么只需要考虑将输入设备（按钮、操作开关、限位开关和传感器等）、输出设备（继电器、接触器和信号灯等执行元件）等与PLC相连接，具体的控制功能是靠输入PLC的用户程序来实现的，不需要在输入设备和输出设备之间设计并安排复杂的硬线连接。图3-3为电动机单向运转PLC控制的输入/输出端口电路。

由图3-3可知，将起动按钮SB2、停止按钮SB1、热继电器FR接入PLC的输入端子，将接触器KM线圈接入PLC的输出端子便完成了接线，具体的控制功能是靠PLC的用户程序来实现的。

图3-3 电动机单向运转PLC控制输入/输出端口电路

PLC控制为存储程序控制，其工作程序存放在存储器中，系统是通过存储器中的程序来完成控制任务的。

PLC控制系统框图如图3-4所示。

图3-4 PLC控制系统框图

在继电器接触器控制系统框图和PLC控制系统框图的比较中可以看出，PLC控制系统的输入、输出部分与传统的继电器接触器控制系统基本相同，其差别仅在于控制部分。

继电器接触器控制系统是用硬接线将许多低压电器按一定方式连接起来完成逻辑功能，所以其逻辑功能不能灵活改变，并且接线复杂，故障点多。而PLC控制系统是通过存放在存储器中的用户程序来完成控制功能的，由用户程序代替了继电器控制电路，接线简单，当变动控制功能时不用改动接线，只要改变程序即可，而且不仅能实现逻辑运算，还具有数字运算及过程控制等复杂控制功能，因此可以灵活、方便地通过用户程序的设计来实现控制功能。

3.1 PLC简介

相关知识点

1.PLC的产生与发展

PLC是在继电器接触器控制基础上发展起来的，它是一种以微处理器为核心，集自动控制技术、计算机控制技术和通信技术等为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已成为工业控制领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）的首位。

继电接触器控制系统采用固定接线的硬件实现控制逻辑，具有设备体积大、功能固定、工作频率低、可靠性差、故障检修和功能更改困难、难以实现较复杂的控制等缺点。

1968年，美国通用汽车公司的工程师提出了将继电器接触器控制的硬连线逻辑变为计算机软件逻辑编程的新一代控制器的标准，这个标准也成为现代可编程控制器的蓝本。1969年，美国数字设备公司（Digital Equipment Corporation，DEC）研制出了第一台可编程序控制器PDP-14，并在通用汽车公司汽车生产线上试用成功。20世纪70年代初出现了微处理器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。

20世纪80年代，PLC的生产规模日益扩大，价格不断下降，被迅速普及，产品的规模和品种开始系列化，其应用范围开始向顺序控制的全部领域拓展。如三菱的F系列PLC等。

20世纪90年代，随着计算机技术的发展，PLC的功能发生了飞跃，并向大规模、高速度、高性能、小型化方向发展，开发了各种特殊功能模块。如三菱的FX系列PLC，Q型小、中、大型系列产品等。

进入21世纪，PLC向运算速度更快、存储容量更大、智能水平更高、网络通信能力更强的方向发展。开发了各种适用于工业自动化的过程控制、运动控制等特殊功能模块，和其他工业控制计算机组网构成大型的控制系统，以适应各种工业控制场合的需求。

2.PLC的应用

由于PLC具有可靠性高、体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，因而已被广泛应用于钢铁、石油、化工、机械制造等各个行业。

1）开关量逻辑控制 开关量的逻辑控制是PLC最基本、最广泛的应用领域，可用它取代传统的继电器控制电路，实现逻辑控制和顺序控制。

2）模拟量过程控制 PLC配上A/D、D/A转换模块、PID调节模块等特殊模块后，可对温度、压力、流量、液位和速度等模拟量进行闭环过程控制，常用于冶金、化工等场合。

3）运动控制 PLC可配备运动控制功能专用模块，对步进电动机或伺服电动机的速度和位置进行控制，从而实现对各种机械的运动控制，如各类机床、机器人、电梯等。

4）数据采集与处理 PLC具有数学运算、数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，再利用其通信功能，可以方便地与其他智能装置通信，完成数据的采集、分析及处理控制。一般用于大、中型控制系统，如无人控制的柔性制造系统、造纸、冶金等。

5）通信及联网 PLC通信包含PLC与PLC之间的通信，以及PLC与其他智能设备间的通信。可以实现“分散控制、集中管理”的集散控制，对生产全过程进行控制与监控，满足企业自动化生产的需要。

3.PLC的分类

PLC产品种类繁多，其规格、结构和性能也各不相同，通常按输入输出点数、结构形式等进行大致分类。

（1）按输入/输出（I/O）点数分类

1）小型机。小型PLC I/O总点数一般在256点以下，存储器容量在4KB左右。其特点是体积小、结构紧凑。除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O及其他各种特殊模块。它能执行逻辑运算、计时、计数、数据处理和传送等各种应用指令，具有通信联网等功能。如美国通用电气公司的GE-I型、日本三菱公司的FX系列、德国西门子公司的S7-200系列等。

2）中型机。中型PLC的I/O总点数在256～2048点之间，用户程序存储器容量为4～16KB。这类PLC一般采用模块化结构，I/O处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还有直接处理方式。它能与更多的特殊功能模块连接，通信联网功能强、指令系统更丰富、内存容量更大、扫描速度更快。如美国通用电气公司的GE-Ⅲ型、日本立石公司的C-500、德国西门子公司的S7-300等。

3）大型机。大型PLC的I/O总点数在2048点以上，16位或32位处理器，用户程序存储器容量达到16KB以上。具有极强的自诊断功能，通信联网功能更强，可以构成三级通信网。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。如美国通用电气公司的GE-Ⅳ型、日本立石公司的C-2000、德国西门子公司的S7-400系列等。

（2）按结构形式分类

1）整体式。整体式PLC的结构特点是将PLC的基本部件，如CPU、电源、RAM、ROM、I/O接口等都装配在一个标准机壳内，组成PLC的一个基本单元。如图3-5所示，该类PLC的I/O点数比较固定，无I/O扩展模块接口。其结构紧凑、体积小、成本低、安装方便，适用于I/O控制要求固定、点数较少的机电一体化设备。如日本三菱的FX_1S-10/14/20/30系列等。

2）叠装式。叠装式PLC为整体结构中固定I/O点数的基本单元上有扩展接口，通过扩展电缆和扩展单元相连。如图3-6所示，它有许多专用的特殊模块，如模拟量I/O模块、热电偶模块、通信模块等，可以构成不同的配置。该类PLC具有结构紧凑、体积小、安装方便、易扩展等优点。其I/O点数最大可达到512点，这类产品在机电一体化产品中用量较大，如日本三菱的FX_2N、FX_3U、FX_5U系列等。

图3-5 整体式PLC

图3-6 叠装式PLC（基本单元加模拟量输入/输出等模块）

3）模块式。模块式结构又叫积木式结构，如图3-7为模块式PLC。它把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、通信模块等；另外，用一块带有插槽的母板（实质上就是计算机总线）把这些模块按控制系统需要选取后插到母板上，就构成了一个完整的PLC。模块式PLC使系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，其I/O点一般可以达到1024点，大、中型PLC多采用这种结构，如日本三菱的Q系列等。

图3-7 模块式PLC

4.PLC的编程语言

国际电工委员会（International Electrotechnical Commisosion，IEC）1994年5月公布的IEC61131-3《可编程控制器语言标准》列出了PLC的五种编程语言。它们是梯形图（Ladder Diagram，LD）、指令表（Instruction List，IL）、顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）、功能图块（Function Block Chart，FBD）及结构文本（Structured Text，ST）。其中，梯形图和指令表使用最多。

（1）梯形图（LD） 梯形图语言是PLC编程语言中使用最广泛的一种语言。它继承了传统电气控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式和输入输出形式，如具有常开、常闭触点及线圈；线圈的得电及失电将导致触点的动作；用母线代替电源线；用能量流概念来代替继电器线路中的电流概念等。

图3-8a为图3-1所示三相笼型异步电动机全压起动单向运转控制电路中的电器元件位置适当调整后的电路图，两图的控制功能一致。图3-8b为其PLC控制的梯形图程序。由图可见，梯形图的绘制思路和继电器电路图类似。

图3-8 继电器控制电路与PLC梯形图

a）继电器控制电路 b）PLC梯形图

（2）指令表（IL） 指令表一般由助记符和操作数两部分组成，有的指令只有助记符没有操作数，称为无操作数指令。图3-8b所示的PLC梯形图对应的指令表如下：

0 LD X000

1 OR Y000

2 AND X002

3 ANI X001

4 OUT Y000

5 END

（3）顺序功能图（SFC） 顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换条件三个要素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解成若干个不同的工作状态（步），每个工作状态（步）完成一定的动作，转换条件满足就转移到下一个工作状态，是依一定的顺序控制要求连接组合成整体的控制程序。顺序功能图体现了一种顺序控制的编程思想，在程序的编制中有很重要的意义。图3-9是顺序功能图的示意图。

（4）功能块图（FBD） 功能块图用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，信号自左向右流动。功能块图程序如图3-10所示，该功能块图输出为：

Y000=（X000+X001）·X002·M1

图3-9 顺序功能图

图3-10 功能块图程序

（5）结构文本（ST） 结构文本是为IEC 61131-3标准创建的一种专用的高级编程语言，如PASCAL、BASIC、C语言等。它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。

PLC的编程语言是用户编制软件的工具，IEC标准除了提供几种编程语言供用户选择外，还允许编程者在同一程序中使用多种编程语言。