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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 第4章 软硬件的基本原理介绍
4.1 PLC可编程控制器(三菱 FX2N-32MR)
1969年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）以来，经过30多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱[5]。
初期的PLC只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。
4.1.1 可编程控制器的特点
①可靠性高。由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命更长。
②控制功能强。PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。
③编程方便，易于使用。PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。PLC可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。
④使用于恶劣的工业环境，抗干扰能力强。 ⑤具有各种接口，与外部设备连接非常方便。
⑥采用积木式结构或模块式结构，有较大灵活性和可扩展性，扩展灵活方便。 ⑦维修方便。PLC上有I/O指示灯，哪个I/O元件有故障，一目了然。 ⑧可根据生产工艺要求或运行情况，随时对程序进行在线修改，不用更改硬接线，灵活性大，适应性强。
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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 4.1.2 可编程控制器的工作原理
①PLC的等效工作电路
PLC是一种微机控制系统，其工作原理也与微机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图4-1所示：
负载按钮触点限位开关电源外部输入输入部分 内部控制电路输出部分外部负载
图4-1 PLC的等效工作电路
1）输入部分
这部分的作用是接受被控设备的信息或操作0命令等外部输入信息。输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供(如直流24V)，也可由独立的交流电源(如交流110V)供给。每个输入继电器可以有无穷多个内部触点(动合、动断形式均可)，供设计PLC的内部控制电路(即编制PLC控制程序)时使用。
2）内部控制电路
这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。PLC程序一般用梯形图形式表示。而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。
在PLC内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在PLC内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。
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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 3）输出部分
这部分的作用是驱动外部负载。在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器(有继电器、双向硅、晶体管三种形式)，它也有无限个软件实现的动合、动断触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；如图2—3所示。外部负载的驱动电源接在输出公共端(COM)上。
总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点(动合或动断)可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。
②PLC的工作过程
PLC一般采用循环扫描方式工作。当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I／O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段[6]
1）公共处理阶段
这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I／O总线、检查扫描时间等。如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。这部分时间是固定的，对P型机来说，为1.26ms。
2）执行外围设备命令阶段
当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。
3）程序执行阶段
在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据(输入和输出的状态)进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。
4）输入、输出更新阶段
PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的特点。
③PLC的扫描时间
PLC完成一个扫描周期所需要的时间，称为扫描周期时间，简称扫描时间。扫描时间地长短取决于系统的配置、I／O通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等，循环中每个阶段所需的时间加在一起就是扫描时间。各部分时间计算如下：
1）公共处理时间t1。对P型机来说，这部分时间是固定的，即： tl＝1.26ms
(4.1)
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东北石油大学本科生毕业设计（论文） 2）输入，输出更新时间t2。因为PLC的输入通道数一般来说总是大于输出通道数，因此，在计算这部分时间时，可以输入通道数为准，即认为在输入更新时间内，输出一定会更新完毕。这部分时间可按下式计算：
t2＝0.29 + 0.07N(ms) 则N应取输出通道数减1。
3）程序执行时间t3。这部分时间取决于在用户程序中使用的指令的类型和条数。把程序中使用的所有指今的执行时间加在一起，就等于t3。
4）执行外设命令所需时间t4。当有外部设备与PLC相连时，其处理时间可按下述方法确定。首先，把上面算出的三个时间相加，再乘以0.05，即：
t4＝(t1 + t2 + t3)×0.05
(4.3) (4.2)
其中N为输入通道数减1。需要注意的是，若输出通道数大于输入通道数，
当t4＜1时，则t4＝1ms；当t4＞1时，则以0.5ms为单位，进行四舍五入。例如，当t4=1.65ms时，则t4＝1.5ms；若T4＝1.8ms时，则取t4＝2ms。
注意：当没有外设与PLC相连时t4＝0ms。 将上面四部分时间算出后相加，即为扫描时间T，即 T＝t1 + t2 + t3 + t4
(4.4)
在PLC内部，系统定时器（俗称“看门狗”）一般在上电时设为130ms，当扫描时间超过130ms时，CPU将停止工作。但是，既使扫描时间没有超过130ms，也可能对系统操作产生不良影响；扫描时间大于10ms时，高速定时器TIMH会出现故障；当扫描时间超过100ms时，普通定时器及0.1时钟脉冲发生器将会出错，并且报警。
④PLC的I/O响应时间
用PLC设计一个控制系统时．必须知道有了一个输入信号后PLC经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确并精确地解决系统各部件之间的配合问题。从PLC的工作过程可知当PLC工作在程序执行阶段时，既使输入状态发生变化，即输入状态寄存器的内容发生变化，CPU执行的输入信号也不会变化，而要到下—个周期的输入、输出更新阶段，才能有效。同理，暂存在输出状态寄存器中的输出信号，也要等到下—个扫描周期的输入、输出更新阶段，才能集中输出给输出部件。从PLC收到一个输入信号到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间，就是PLC的I／O响应时间。响应时间是可变的，例如，在一个扫描周期的I／O更新阶段开始前瞬间收到一个输入信号，则在本周期内该信号就起作用了，这个响应时间最短，它是输入延迟时间、—个扫描周期时间、输出延迟时间三者之和，如图4-2所示：
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