学习活动二 电机连续运行PLC控制设计与实施
任务一 相关基础理论知识
一、三菱PLC介绍
（一）外观图（以FX2N-32MR为例）
如图1.8所示：
图1.8三菱 FX2N-32MR PLC外观图
（二）输入、输出软继电器
不同厂家、不同系列的PLC，其内部软继电器的功能和编号也不相同，因此用户在编制程序时，必须熟悉所选用PLC的软继电器功能和编号。
FX系列PLC软继电器编号由字母和数字组成，其中，输入继电器和输出继电器用八进制数字编号，其他均采用十进制数字编号，如图1.9所示。
1．输入继电器（X）
（1）输入继电器是PLC用来接收用户输入设备发来的输入信号。
（2）在PLC内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器，采用八进制编号，有无数个常开和常闭触点。
（3）输入继电器不能用程序驱动。输入继电器线圈由外部输入信号所驱动，只有当外部信号接通时，对应的输入继电器才得电，不能用指令来驱动。
图1.9输入、输出软继电器图
注意：1．在程序中绝对不可能出现输入继电器的线圈，只能出现输入继电器的触点。
2．每个输入继电器的常开与常闭触点均可无数次使用。
2．输出继电器（Y）
（1）输出继电器采用八进制编号，有内部触点和外部输出触点（继电器触点、双向可控硅、晶体管等输出元件）之分，由程序驱动。
（2）在PLC内部，外部输出触点与输出端子相连，向外部负载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输出触点。
（3）输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可随意使用。
（三）型号
FX系列PLC型号名称可按如下格式定义：
1．子系列名称
如1S、1N、1NC、2N、2NC等。
2．输入输出的总点数
I/O点数为16～256点。
3．单元类型
（1）M——基本单元。
（2）E——扩展单元及扩展模块。
（3）EX——扩展输入单元。
（4）EY——扩展输出单元。
4．输出形式
（1）R——继电器输出。
（2）T——晶体管输出。
（3）S——晶闸管输出。
5．其他定义
D表示DC电源，DC输入；UA1/UL表示AC电源，AC输入；001表示专为中国推出的产品。如果其他定义这一项无符号，则表示为AC电源、DC输入。例如：型号为FX2N-48MR-D的PLC表示该PLC属于FX2N系列，是具有48个I/O点的基本单元，属于继电器输出型，使用DC24 V电源。
二、PLC控制系统与电器控制系统的比较
（一）电器控制系统
图1.10电器控制框图
（二）PLC控制系统
图1.11 PLC控制框图
例：三相异步电动机单向运行电器控制系统原理图，如图1.12所示。
图1.12三相异步电机电器控制原理图
图1.13三相异步电机PLC控制I/O接线图
可以看出，梯形图与继电器控制电路很相似。梯形图是PLC的编程语言。对于使用者来说，在编制应用程序时，可不考虑PLC内部的复杂构成和使用的计算机语言，而把PLC看成是内部具有许多软继电器组成的控制器，用提供给使用者的近似于继电器控制线路图的梯形图进行编程。这些软继电器的线圈、动合触点、动断触点分别用符号表示。梯形图中触点在左边，与左侧垂直公共母线相连，线圈在最右边，接右侧垂直公共母线，右母线可以省略。
注意：PLC内部的继电器并不是物理继电器（硬件继电器），其实质是存储器中的某些触发器。该触发器为“1”状态时，相当于继电器得电；该触发器为“0”状态时，相当于继电器失电。
由上图可见，梯形图和继电器控制回路图十分相似，它们都表示了输入和输出之间的逻辑关系。但是它们之间的最大区别在于，在继电器控制方案中，输入、输出信号的逻辑关系是由实际的布线来实现的；在PLC控制方案中，输入、输出信号间的逻辑关系则是由存储在PLC内的用户程序（梯形图）来实现的。具体区别为：
1．组成器件不同
继电器控制电路中的继电器是真实的，是由硬件构成的；而PLC中的继电器则是虚拟的，是由软件构成的，每个继电器其实是PLC内部存储单元中的一位，故称为软继电器。
2．触点情况不同
继电器控制电路中动合、动断触点由实际的结构决定，而PLC中动合、动断触点则由软件决定，即由存储器中相应的位的状态1或0来决定的。因此，继电器控制电路中每个继电器的触点数量是有限的，而PLC中则是无限的。
3．工作电流不同
继电器控制电路中有实际电流存在，是可以用电流表直接测得的；而PLC梯形图中的工作电流是一种信息流，其实质是程序的运算过程，可称之为“软电流”，或称为“能流”。
4．接线方式不同
继电器控制电路图的所有接线都必须逐根连接，缺一不可，而PLC中的接线，除输入、输出端需要实际接线外，内部的所谓接线都是通过程序的编制来完成的，可称为“软接线”。由于接线方式的不同，在改变控制顺序时，继电器控制电路必须改变其实际的接线，而PLC则仅需修改程序，通过软件加以改接，其改变的灵活性及速度是继电器控制电路无法比拟的。
5．工作方式不同
继电器控制电路中，当电源接通时，各继电器都处于受约状态，该吸合的都吸合，不该吸合的因受某种条件限制而不吸合；PLC则采用扫描循环执行方式，即从第一阶梯形图开始运算，依次执行至最后一阶梯形图，再从第一阶梯形图开始继续往下执行，周而复始。因此从激励到响应有一个时间的滞后。
三、PLC基本结构
（一）中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心部件，它控制着所有部件的操作。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元，输入、输出接口电路连接。CPU按扫描方式工作，扫描从0000地址存放的第一条用户程序开始，经过存储器中各功能程序，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。
图1.14可编程控制器结构示意图
（二）存储器
存储器用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和一些其他信息。系统程序是指控制和完成PLC各种功能的程序。这些程序由PLC制造商用微机指令编写并固化在ROM中。用户程序是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。用户程序由使用者输入到PLC的RAM中，允许修改，由用户启动运行。
（三）输入、输出接口
I/O模块是PLC与现场设备或其他外部设备之间的连接部件。PLC通过输入模块把工业现场的状态信息读入，通过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行机构。
I/O模块采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰。
1．输入接口作用
用于处理输入信号，在对输入信号进行滤波、隔离、电平转换等处理后，将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机。输入模块包括交流输入模块和直流输入模块。
2．输出接口作用
把用户程序的逻辑运算结果输出到PLC外部，输出模块具有隔离PLC内部电路与外部执行元件的作用，同时兼有功率放大作用。将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。
PLC基本输入接口电路，如图1.15所示。
图1.15 PLC输入接口电路
PLC内部输入电路的作用是将PLC外部信号送至PLC内部电路，输入接点分为干接点式、直流输入式和交流输入式三大类。
PLC的基本输出电路，如图1.16所示。
图1.16 PLC基本输出电路
（四）电源单元
把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。
有的电源单元还向外提供24 V隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。
可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽，体积小，重量轻，效率高，抗干扰性能好。
一般PLC采用AC220 V电源，也可用直流电源。交流电源经整流和稳压后向PLC各模块供电。
（五）各种接口、高功能模块
小型机：有接口可扩展。
四、PLC工作过程
扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，并周而复始地进行，如图1.17所示。
图1.17 PLC工作流程
PLC执行程序的过程如图1.18所示。
图1.18可编程序控制器的工作过程
（一）输入采样阶段
CPU将全部现场输入信号如按钮、限位开关、速度继电器等的状态经PLC的输入端子，读入映像寄存器，这一过程称为输入采样或扫描阶段。
进入下一阶段即程序执行阶段时，输入信号若发生变化，输入映像寄存器也不予理睬，只有等到下一扫描周期输入采样阶段时才被更新。这种输入工作方式称为集中输入方式。
（二）程序执行阶段
CPU从0.00地址的第一条指令开始，依次逐条执行各指令，直到执行到最后一条指令。PLC执行指令程序时，要读入输入映像寄存器的状态（ON或OFF，即1或0）和其他编程元件的状态，除输入继电器外，一些编程元件的状态随着指令的执行不断更新。CPU按程序给定的要求进行逻辑运算和算术运算，运算结果存入相应的元件映像寄存器，把将要向外输出的信号存入输出映像寄存器，并由输出锁存器保存。程序执行阶段的特点是依次顺序执行指令。
（三）输出处理阶段
CPU将输出映像寄存器的状态经输出锁存器和PLC的输出端子，传送到外部去驱动接触器、电磁阀和指示灯等负载。这时输出锁存器的内容要等到下一个扫描周期的输出阶段到来才会被刷新。这种输出工作方式称为集中输出方式。
CPU完成一次包括输入处理阶段、程序执行阶段和输出处理阶段的扫描循环所占用的时间称为PLC的一个扫描周期，用T0表示。其中输入和输出时间很短，约为1 ms。程序执行时间与指令种类和CPU扫描速度相关。CPU指令执行的平均时间约为10 us/指令。一个扫描周期只有几毫秒。
任务二 三相异步电动机单向连续运行PLC控制系统设计
一、PLC控制系统设计流程
PLC控制系统设计流程如图1.19所示。
图1.19 PLC控制系统设计流程
二、三相异步电动机单向连续运行PLC控制系统设计
（一）熟悉被控对象，明确工作任务
连续运转控制线路如图1.20所示，该线路可以控制电动机连续运转，并且具有短路、过载、欠压及失压保护功能。现用PLC代替继电器控制电路进行控制。
图1.20连续运转控制线路
从图1.20所示的控制线路可见，由开关QS、熔断器FU1、接触器主触点、热继电器热元件及电动机组成主电路部分，而由热继电器常闭触点、停止按钮SB1、启动按钮SB2、接触器线圈及常开触点组成控制电路部分。
在控制电路中，热继电器常闭触点、停止按钮、启动按钮属于控制信号，应作为PLC的输入量分配接线端子；而接触器线圈属于被控对象，应作为PLC的输出量分配接线端子。对于PLC的输出端子来说，允许额定电压为220 V，因此需要将原线路图中接触器的线圈电压由380 V改为220 V，以适应PLC的输出端子需要。
（二）选择PLC型号
工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作与动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量，确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
1．输入输出（I/O）点数的估算
在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，在满足控制要求的前提下力争所选的I/O点最少。考虑到以下几方面的因素，PLC的I/O点还应留有一定的备用量（10%～15%）。
（1）可以弥补设计过程中遗漏的点。
（2）能够保证在运行过程中个别点有故障时，可以有替代点。
（3）将来可以升级时扩展I/O点。
2．存储器容量的估算
存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，作为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
选择FX2N-48MR来实现控制功能。
（三）分配PLC的输入输出点，设计I/O接线图
1．确定I/O分配表
表1.1三相异步电动机单向连续运转电路PLC控制输入输出点分配表
2．设计三相异步电动机单向连续运转电路PLC控制接线图
如图1.21所示：
图1.21三相异步电动机单向连续运转电路PLC控制接线图
（四）设计三相异步电动机单向连续运转电路PLC控制梯形图，编写指令
采用翻译方法设计梯形图。
图1.22翻译法梯形图及指令
相关基础知识
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，常开触点与母线连接。
（2）LDI：取反指令，常闭触点与母线连接。
（3）OUT：驱动线圈的输出指令。
2．指令的说明
（1）LD、LDI用于将触点接到母线上。
（2）LD、LDI还与块操作指令ANB、ORB相配合，用于分支电路的起点。
（3）OUT不能用于X，并联输出OUT指令可连续使用任意次。
（4）OUT指令用于T和C，其后须跟常数K, K为延时时间或计数次数。
图1.23 LD、LDI、OUT指令练习图
（二）AND、ANI指令
1．指令的作用
（1）AND：与指令，用于串联单个常开触点。
（2）ANI：与反指令，用于串联单个常闭触点。
2．指令的说明
（1）AND和ANI指令用于单个触点与左边触点的串联，可连续使用。
（2）执行OUT指令后，通过与指令可驱动其他线圈输出。
（3）若是两个并联电路块（两个或两个以上触点并联连接的电路）串联，则需用后面的ANB指令。
图1.24 AND、ANI指令练习图
（三）OR、ORI指令
1．指令的作用
（1）OR：或指令，用于并联单个常开触点。
（2）ORI：或反指令，用于并联单个常闭触点。
2．指令的说明
（1）OR、ORI编程元件：X、Y、M、T、C、S。
（2）OR、ORI指令仅用于单个触点与前面触点的并联。
（3）若是两个串联电路块（两个或两个以上触点串联连接的电路）相并联，则用ORB指令。
图1.25 OR、ORI指令练习图
（四）NOP、END指令
1．指令的作用
（1）NOP：空操作指令。
（2）END：结束指令。
2．指令的说明
（1）NOP、END指令无编程元件。
（2）PLC执行程序时从0步扫描到END指令为止，后面的程序跳过不执行。
二、编程的基本规则
1．梯形图中每一行都是从左母线开始，到右母线为止，触点在左，线圈在右，触点不能放在线圈右边。如图1.26所示。
图1.26编程规则1梯形图
2．线圈一般不能直接与左母线相连，如图1.27所示。
图1.27编程规则2梯形图
3．梯形图中若有多个线圈输出，这些线圈可并联输出，但不能串联输出，如图1.28所示。
图1.28编程规则3梯形图
4．同一程序中不能出现“双线圈输出”。所谓双线圈输出是指同一程序中同一编号的线圈使用两次。双线圈输出容易引起误操作，禁止使用，如图1.29所示。
图1.29编程规则4梯形图
5．梯形图中触点连接不能出现桥式连接，如图1.30所示。
图1.30编程规则5梯形图
任务三 手持编程器的使用
一、FX-20P-E手持编程器面板布置
图1.31手持式编程器面板布置图
液晶显示屏：16字符4行
指令、元件符号、数字键
帮助键：HELP
步序键：STEP
执行键（或确认键）:［GO］
功能键：RD/WR、INS/DEL、MNT/TEST
清除键：CLEAR
空格键：SP
光标键：［↑］［↓］
其他键：OTHER
二、编程器的组成
编程器的组成，如图1.32所示。
图1.32手持式编程器组成图
编程器类型：
1. FX-20P-E型手持式编程器。
2. FX-20P-RWM型写入器。
3. FX-20P-CAB型电缆。
4. FX-20P-ADP型电源适配器。
5. FX-20P-E-FKIT型接口。
三、编程器的使用
（一）编程器的操作准备
（二）在线编程方式
按下［OTHER］键，在线编程有7种工作方式可选择。
1. OFFLINE MODE：编程器进入离线编程方式。
2. PROGRAM CHECK：对用户程序进行检查，若没有错误，则屏幕显示为“NO ERROR”；若发现程序有错，则显示出错的语句步序及相应的出错代码。
3. DATA TRANSFER：数据的传送。
4. PARAMETER：可以对PLC的用户程序存储器进行设置。
5. YM.NO.CONV.：可以直接对用户程序中的X、Y或M的地址进行修改。
6. BUZZERLEVEL：对编程器的蜂鸣器的音量进行调节。
7. LATCHCLEAR：对PLC的各种具有失电保持的软设备进行复位。
（三）对用户程序初始化
PLC状态：STOP
1．全部清除
2．部分清除
（四）编程操作
1．读出程序
根据步序号读出：指定步序号，从PLC用户程序存储器中读出指令。
根据指令读出：指定指令，从PLC用户程序存储器中读出并显示程序。
2．程序写入
基本指令的写入，有以下3种形式：
一是仅有指令助记符，不带元件号；
二是有指令助记符和一个元件号；
三是有指令助记符和两个元件号。
3．基本指令的写入举例
输入“OUTT9K100”的操作步骤如下：
功能指令的输入：写入功能指令时，先按FNC键，再输入功能指令号。
借助于［HELP］键的功能，在显示的指令表上检索指令号后再按需要输入。
（五）程序的修改
1．程序改写
在指定的步序上改写指令，如将第10步上的指令改写成“OUTT0K15”，其操作步骤如下：
要改写读出步数中的某些内容，可将光标直接移到需要改写的地方，重新键入新的内容即可。如将第100步的MOV（P）指令的元件K2X1改写为K1X0，其操作步骤如下：
2．插入程序
先根据步序号读出指令，然后在指定的位置上插入指令或指针。
3．删除程序
读出程序后，逐条删除用光标指定的指令或指针。
手编器使用简要步骤归纳如下：
1．连接PLC与手编器时，注意连接电缆线上的箭头“←”对准PLC、手编器上插孔的缺口位置，以免造成电缆接头插针弯曲折断。
2．将PLC上拨动开关旋转到“STOP”位置。
3．接通PLC电源。
4．等待约2 s后，按下［GO］，选择在线模式。
5．清除原程序：RD→WR→NOP→A→GO→GO
6．输入程序：每输入一条指令，按［GO］确认。
7．程序检查：利用上翻、下翻键逐条检查语句及其语句标号。
8．程序修改。
9．程序检查完毕，断开PLC电源，移去编程器，将PLC拨动开关旋转到“RUN”。
10．重新接通PLC电源，检查程序运行情况。
任务四 系统安装调试
一、提高PLC可靠性的措施
PLC的使用寿命一般在40000～50000 h以上，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。为提高PLC可靠性，可采取以下措施：
1．各输入电路均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20 ms。
2. I/O接口电路均采用光电隔离措施，使外电路信号与PLC内部电路之间电气隔离。
3．各模块均采用屏蔽措施，以防止电磁干扰。
4．对采用的元器件严格筛选。
5．采用性能优良的开关电源。
6．良好的自诊断功能。一旦PLC内部出现什么异常，其立即报警，严重者立即停止运行。
7．大型PLC多采用CPU系统，使可靠性进一步增强。
二、PLC布线应注意的问题
1. PLC应远离变压电源线和高压设备，不能与变压器安装在同一个控制柜内。
2．动力线、控制线以及PLC的电源线和I/O线应分开布线，并保持一定距离。隔离变压器与PLC和I/O之间应采用双绞线连接。
3. PLC的输入与输出最好分开走线，开关量与模拟量也要分开敷设。模拟量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。
4. PLC基本单元与扩展单元，以及功能模块的连接线缆应单独敷设，以防止外界信号的干扰。
5．交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离高压线和动力线，避免并行敷设。
三、PLC控制系统调试步骤
（一）断电检查
检查线路接线是否正确。
（二）通电检查
1．检查PLC程序
只给PLC自身供电，按下按钮等，依次检查控制系统所有功能（例如启动、停止、过载保护等），观察PLC输入、输出指示灯的变化情况。
2．检查控制电路
给PLC自身及PLC输出电路供电，依次检查控制系统所有功能，观察交流接触器等的动作情况。
3．检查主电路
给PLC自身及PLC输出电路、主电路供电，重复上面的功能检查过程。
4．带负载运行
主电路检查无误后，接上电动机等负载运行。
安全生产及现场环境管理培训
“6S管理”，由日本企业的5S扩展而来，是现代工厂行之有效的现场管理理念和方法，其作用是：提高效率，保证质量，使工作环境整洁有序，预防为主，保证安全。6S的本质是一种执行力的企业文化，强调纪律性的文化，不怕困难，想到做到，做到做好。作为基础性的6S工作落实，能为其他管理活动提供优质的管理平台。
“6S管理”，指整理（SEIRI）、整顿（SEITON）、清扫（SEISO）、清洁（SEIKETSU）、素养（SHITSUKE）、安全（SECURITY）6个项目，因均以“S”开头，简称6S。
（一）整理
首先，对工作现场物品进行分类处理，区分为必要物品和非必要物品、常用物品和非常用物品、一般物品和贵重物品等。
（二）整顿
对非必要物品果断丢弃，对必要物品妥善保存，使工作现场井然有序，并能经常保持良好状态。这样才能做到想要什么，即刻便能拿到，有效地消除寻找物品的时间浪费和手忙脚乱。
（三）清扫
对各自岗位周围、办公设施进行彻底清扫、清洗，保持无垃圾、无脏污。
（四）清洁
维护清扫后的整洁状态。
（五）素养
将上述四项内容切实执行、持之以恒，从而养成习惯。
（六）安全
上述一切活动，始终贯彻安全第一宗旨。
思考题
1. FX系列PLC软继电器如何编号？
2. PLC控制系统与传统电器控制系统有什么区别？
3．简述PLC的基本结构组成。
4．简述PLC的工作过程。
5．画出PLC控制系统设计流程图。
6. PLC梯形图设计的基本规则有哪些？
7．简述手持编程器使用步骤。
8．提高PLC可靠性的措施有哪些？
9．简述安全生产及现场环境管理“6S”。