任务一 认识PLC

任务目标

1．了解可编程序控制器（PLC）的产生背景、发展过程及其在企业自动控制领域中的应用现状。

2．理解PLC的定义、分类及特点，掌握PLC的组成及工作原理。

3．学会用PLC基本指令进行简单编程。

任务描述

阅读能力训练环节一

常见的几种可编程序控制器（PLC）如图1-1所示。

任务要求：了解本课程的性质、内容、任务及学习方法，了解可编程序控制器（PLC）的产生背景，理解PLC的定义、分类、特点、应用范围及技术指标，并进一步学习PLC的结构和工作原理。

（1）通过查阅资料了解PLC的产生背景及其发展过程。

（2）搜集市场上起主导地位的PLC的品牌、分类、系列、型号并配有相关图片。

（3）分析三种以上市场上常用PLC的性价比。

（4）理解并掌握PLC的定义、特点。

（5）了解PLC结构及规模上的分类。

（6）按照上述任务要求，独立咨询相关信息，通过搜集、整理、提炼完成表1-1至表1-4的知识填写训练，重点研究表1-4的相关内容，填写结果的参考评分标准如表1-13所示。

（7）职业核心能力训练目标：提高自主学习、信息处理、数字应用等能力。

（8）工时：90分钟，每超时5分钟扣5分。

（9）配分：本任务满分为100分，比重为30%。

阅读能力训练环节二

任务要求：理解并掌握PLC的结构组成及工作原理；了解PLC常用的四种编程语言的特点；熟悉FX系列PLC的编程元件。

（1）理解并掌握PLC的硬件组成及工作原理。

（2）熟悉目前常用的四种编程语言，即梯形图编程、指令表编程、状态功能图编程及逻辑功能图编程，并比较各种方法的优、缺点。

（3）了解FX2N系列PLC的特点、型号与规格。

（4）了解PLC内部的编程“软元件”的名称、代号、元件分配。

（5）比较PLC控制系统与继电接触控制系统的区别。

（6）按照上述任务要求，独立咨询相关信息，通过搜集、整理、提炼完成表1-6至表1-10的知识填写训练，重点研究表1-6的相关内容，填写结果的参考评分标准如表1-13所示。

（7）职业核心能力训练目标：提高自主学习、信息处理、数字应用等能力。

（8）工时：120分钟，每超时5分钟扣5分。

（9）配分：本任务满分为100分，比重为50%。

职业核心能力训练环节

以小组为单位总结以上两个任务的实施经验，并回答教师提出的问题。汇报要求如下：

（1）汇报小组成员及其分工，如图1-2所示。

（2）汇报的格式与内容要求：

①汇报用PPT的第一页结构如图1-2所示。

②汇报用PPT的第二页提纲的结构如图1-3所示。

③PPT的背景图案不限，以字体与图片醒目、主题突出，字体颜色与背景颜色对比适当，视觉舒服为准。

④汇报内容由各小组参照汇报提纲自拟。

（3）汇报要求：声音洪亮、口齿清楚、语句通顺、体态自然、视觉交流、精神饱满。

（4）职业核心能力训练目标：通过本任务的训练提升各小组成员与人交流、与人合作、解决问题等社会能力，以及提高自我学习、信息处理、数字应用等能力。

（5）企业文化素养目标：自查6S执行力。

（6）工时：汇报用时每小组5分钟；学生点评用时每小组1～2分钟；教师点评用时15分钟以上（包含学生学习过程中共性问题的讲解时间）。

（7）评价标准：如表1-14至表1-17所示。

（8）配分：本任务满分为100分，比重为20%。

任务实施

一、训练器材

图书馆资料、网络、教师提供资料、PLC实训室设备、计算机、投影仪、激光笔、翻页笔、一体化教室。

二、预习内容

1．复习继电器和接触器等常用控制电器的电气结构、动作原理及用途用法。

2．预习【知识链接】内容。

三、训练步骤

“阅读能力训练环节一”训练步骤

1．对“阅读能力训练环节一”的要求进行简要说明后进行分组，并分配组内各成员的角色（各角色应进行轮换，以保证每个成员能在不同的岗位上体验工作过程），选举产生的组长按要求给组内各成员分配任务，并分头行动，按规定的时间及预定目标完成搜集、整理与编辑工作。工作流程如下：

（1）明确“阅读能力训练环节一”的要求。

（2）分组、分配角色，并填写具体分工表1-1。

（3）按照任务分工，各组通过多种途径和方法搜集、归纳并编辑所需资料，完成表1-2至表1-4的填写。本任务建议利用课余时间完成。

（4）全组成员集中，将表格填写过程中存在的问题进行收集、梳理与讨论，提出解决方案，确定问题的解决办法，同时考虑编辑本任务的PPT文件，准备用于学习成果的汇报。注意在汇报中搜集、整理本组学习过程中的创新点与闪光点。

2．指定的任务工时到点后，各小组停止任何学习活动，进入本任务的学习效果评价阶段，待指导教师对各小组的“阅读能力训练环节一”进行评价后，各小组成员简要小结本环节的训练经验并将其填入表1-5中，进入阅读能力训练环节二。

“阅读能力训练环节二”训练步骤

1．根据“阅读能力训练环节二”中的要求，继续采用“阅读能力训练环节一”中的方法，对PLC的组成、原理、工作过程、编程语言，以及对FX2N系列PLC特点、型号、内部元件等进行了解和学习，为任务二的开展打下基础。工作流程如下：

（1）明确“阅读能力训练环节二”的要求。

（2）按照前面的分组，重新分配角色，具体分工表参照表1-1。

（3）根据分工，参照“阅读能力训练环节一”中方法搜集所需资料，并按要求进行整理，完成表1-6至表1-10的填写。本任务建议利用课余时间完成。

2．指定的任务工时到点后，各小组停止任何学习活动，进入本任务的学习效果评价阶段，待指导教师对各小组的“阅读能力训练环节二”进行评价后，各小组成员简要小结本环节的训练经验并将其填入表1-11中，进入职业核心能力训练环节。

“职业核心能力训练环节”训练步骤

1．以小组为单位，集中整理前两个训练环节中的学习内容，简要写出查找、搜集、整理、学习PLC基础知识的经验总结报告，进行经验交流。（目的是分享经验、分享成果、发现问题、提高水平、完善自我、增强团队意识、提高协作能力与写作水平、提高语言表达能力、提高计算机应用能力、达成有效学习等）

2．经验交流的汇报内容及要求参见“职业核心能力训练环节”的任务要求。

3．利用课余时间完成PPT汇报内容的制作，按照教师指定的汇报开始时间进行汇报。各汇报人与点评人要注意表述时间的控制能力锻炼，做好汇报前的预演练。

4．评价过程的组织，提供以下两种方案供各校自选。

方案一：小组汇报（5分钟）其余小组点评（1分钟）教师评价（15分钟）；下一小组汇报（5分钟）其余小组点评（1分钟）教师评价（15分钟）⋯ ⋯直至全部汇报结束。

方案二：全部小组依次汇报（5分钟×小组数）其余小组点评（1分钟×小组数）教师评价（15分钟×小组数）。

5．评价方式：本任务训练环节的评价采用多元评价方式，即自我评价与互相评价相结合，学生评价与教师评价相结合，定性评价与定量评价相结合。

6．汇报与点评人员的选派代表由各组组长负责落实，要求每位学生轮流进行汇报或点评不同的任务训练环节。

7．评价标准：如表1-14至表1-17所示。评价完毕由第一小组负责计算与登记各学生在职业核心能力训练环节的成绩。

任务评价

1．阅读能力训练环节一、二的评价标准如表1-12所示。

注意：此表的设置侧重对学生学习能力的评价，对任务中要求填写的表格，如表1-2至表1-4及表1-6至表1-10的内容填写的正确与错误的程度不做直接的评述，只作为学生学习能力与学习态度评价的参考因素。主要采取学生自检与互检的方式来判断表格填写的正确性，由学生在团队学习过程中相互讨论来得出相关知识提炼与总结的正确率。

2．职业核心能力训练评价标准如表1-13所示。

注：（1）表1-13中职业核心能力分七个评价指标的配分仅供参考，教师可根据实际情况有侧重地进行配分。

（2）表1-13在使用过程中建议参照表1-14至表1-17进行。

注：此表分发给各学习小组，由小组推荐一名点评员负责对各小组的汇报结果进行评价。

注：此表由各小组轮流进行统计，由组长负责审核，统计结果交给任课教师。

注：此表由1～2位任课教师填写，通常一体化实训教学要求配备2名教师。表格填写完毕后交给统计分数的小组统计各小组的职业核心能力总分。

注：此表由各小组轮流进行统计，由组长负责审核，统计结果交给任课教师。

个人单项任务总分评定建议：

单项任务总评成绩＝阅读能力训练环节一（30%）+阅读能力训练环节二（50%）+职业核心能力训练环节（20%）。个人单项任务总分评定表如表1-18所示。

知识链接

一、PLC的产生和应用

可编程序控制器（PLC）是在传统的顺序控制的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，现已广泛用于工业控制的各个领域。

（一）PLC的产生

从20世纪20年代起，人们使用继电接触器控制系统，它结构简单，价格便宜，便于掌握，但也存在明显的缺点，如设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，通用性和灵活性差。

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，产品更新周期越来越短，因此对生产流水线的自动控制系统更新也越来越频繁，原来的继电器控制需要经常地重新设计和安装，从而延缓了新款汽车的更新时间。人们希望能有一种通用性和灵活性较强的控制系统来替代原有的继电器控制系统。

1968年，美国通用汽车公司首先提出将继电接触器控制系统简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机功能完善、灵活性和通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。1969年，美国数字设备公司根据这些要求研制开发出世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在通用汽车（GM）公司生产线上首次应用成功。之后，世界各国，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC。20世纪70年代中期出现了微处理器并被应用到可编程序控制器后，使PLC的功能日趋完善，特别是它的小型化、高可靠性和低价格，使它在现代工业控制中崭露头角。到80年代初，PLC的应用已在工业控制领域中占主导地位，PLC已经被广泛地应用到各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。此后，PLC在民用和家庭自动化设备等领域的应用也得到了迅速的发展。

（二）PLC的定义

国际电工委员会（IEC）在1987年的PLC标准草案第3稿中，对PLC做了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。”

（三）PLC的应用

PLC的主要应用有以下几个方面：

1．顺序控制

顺序控制是PLC应用最广泛的领域，也是最适合PLC使用的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等，如机床电气控制、电动机控制、注塑机控制、电镀流水线控制、电梯控制等。

2．运动控制

PLC制造商目前已提供了拖动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动轴或数轴到目标位置。每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。

3．过程控制

PLC能控制大量的过程参数，如温度、压力、液位和速度等。PID模块的提供使PLC具有闭环逻辑控制功能，当控制过程中某一变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。

4．数据处理

在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制设备紧密结合的趋向。

5．通信网络

PLC的通信包括PLC与远程I/O之间的通信、多台PLC之间的通信、PLC与其他智能控制设备（如计算机、变频器、数控装置）之间的通信。PLC与其他智能控制设备一起，可以组成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统。

二、PLC的基本结构

PLC的种类繁多，但其基本结构和工作原理相同。PLC的基本结构由中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、电源、扩展接口、编程工具、智能I/O接口、智能单元等组成，如图1-4所示。

（一）中央处理器

中央处理器（CPU）是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作，主要作用有：

（1）接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

（2）诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误。

（3）用扫描的方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器中。

（4）PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读取用户指令，解释并按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算术运算；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映象存储器的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信功能。

（二）存储器

PLC的存储器用来存放系统程序、用户程序和运行数据单元，按其作用分为系统存储器和用户存储器两部分。

1．系统存储器

系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，用户不能直接更改。系统存储器在类型上属于只读存储器ROM，其内容只能读出，不能写入，具有非易失性，因为它的电源断开后，仍能保存存储的内容。系统程序由以下三部分组成：

（1）系统管理程序：控制PLC的运行，使整个PLC按部就班地工作。

（2）用户指令解释程序：通过用户指令解释程序，将PLC的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行该指令。

（3）标准程序模块与系统调用：包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。

2．用户存储器

用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和功能存储器（数据区）两部分。

（1）用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务而用规定的PLC编程语言编写的各种用户程序。

（2）功能存储器是用来存放用户程序中使用的ON/OFF状态、数值数据等，构成PLC的各种内部器件，也称“软元件”。

（三）开关量输入、输出接口

PLC的输入接口和输出接口是PLC与外界的接口。输入接口用来接收和采集两种类型的输入信号，一种是开关量输入信号，另一种是模拟量输入信号。输出接口用来连接被控对象中各种执行元件。

输入接口和输出接口有数字量输入接口和输出接口以及模拟量输入接口和输出接口两种形式。数字量输入接口和输出接口的作用是将外部控制现场的数字信号与PLC内部信号的电平相互转换；模拟量输入接口和输出接口的作用是将外部控制现场的模拟信号与PLC内部的数字信号相互转换。输入接口和输出接口一般都具有光电隔离和滤波作用，以便与外部电路隔离开，提高PLC的抗干扰能力。

PLC开关量输入接口有三种不同类型的电源，而其输入开关可以是无触点或传感器的集电极开路的晶体管。PLC开关量输出接口按输出开关器件种类不同有三种形式：第一种是继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器线圈，用于低速大功率交流、直流负载控制；第二种是晶体管输出型，通过光耦合使开关晶体管截止和饱和导通以控制外部电路，用于高速小功率直流负载；第三种是双向晶体管输出型，采用的是光触发型双向晶体管，仅适用于高速大功率交流负载。

（1）开关量输入接口电路如图1-5至图1-7所示。

（2）开关量输出接口电路如图1-8至图1-10所示。

三、PLC的工作原理

（一）可编程序控制器的工作方式与运行框图

可编程序控制器的工作方式与运行框图如图1-11所示。

PLC的工作方式是用一个不断循环的顺序扫描，每一次扫描所用的时间称为扫描周期。CPU从第一条指令开始，按顺序逐条执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新一轮的扫描。PLC就是这样周而复始地重复上述循环扫描工作的。

概括而言，PLC是按集中输入、集中输出、周期性循环扫描的方式进行工作的。CPU从第一条指令执行开始，按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。整个过程可分为三个部分（见图1-12）：

（1）上电处理。对PLC系统进行初始化，包括硬件初始化、I/O模块配置检查、停电保持范围设定及其他初始化处理等。

（2）扫描过程。先完成输入处理，再完成与其他外设的通信处理，最后进行时钟、特殊寄存器更新。

（3）出错处理。PLC每扫描一次，就执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常。

（二）可编程序控制器的工作过程

当PLC处于正常运行时，它将不断循环扫描。这个过程可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，如图1-13所示。

（1）输入采样阶段。扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中，输入映像寄存器被刷新。

（2）程序执行阶段。根据PLC梯形图程序扫描原则，一般按从左到右、从上到下的顺序执行程序。

（3）输出刷新阶段。在所有指令执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态在输出刷新阶段转存至输出锁存电路中，通过一定的方式输出，最后经过输出端子驱动外部负载。

四、PLC的编程语言

PLC为用户提供了完整的编程语言，常用的编程语言如图1-14所示。

下面简要介绍几种常用的PLC编程语言。

（一）梯形图编程语言

PLC的梯形图（LAD）在形式上沿袭了传统的继电器电气控制图，是在原继电器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它将PLC内部的各种编程元件（如继电器的触点、线圈、定时器、计数器等）和各种具有特定功能的命令用专用图形符号、标号定义，并按逻辑要求及连接规律组合和排列，从而构成了表示PLC输入、输出之间控制关系的图形（见图1-15）。它是目前用得最多的PLC编程语言。梯形图编程语言的特点：与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；与原有继电器控制相一致，电气设计人员易于掌握。梯形图编程语言与原有的继电器控制的不同点：梯形图中的能流不是实际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，应用时，需要与原有继电器控制的概念区别对待。典型梯形图如图1-16所示。

（二）指令表编程语言

指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，它是PLC各种编程语言中应用最早、最基本的编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。同时，指令表编程语言与梯形图编程语言一一对应，在PLC编程软件下可以相互转换。指令表编程语言的特点：采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆、便于掌握的特点；在手持编程器的键盘上采用助记符表示，便于操作，可在无计算机的场合进行编程设计，与梯形图有一一对应关系，其特点与梯形图语言基本一致。

指令表编程举例如图1-17所示。

（三）顺序功能图编程语言

顺序功能图，又称为功能表图、步进图、状态流程图或状态转移图。它是一种新颖的、按照工艺流程图进行编程、IEC标准推荐的首选编程语言，是为了满足顺序逻辑控制而设计的编程语言。设计者只需要熟悉对象的动作要求与动作条件，即可完成程序的设计，而无须像梯形图编程那样去过多地考虑种种“互锁”要求与条件。编程时将顺序流程动作的过程分成步和转换条件，根据转移条件对控制系统的功能流程顺序进行分配，一步一步地按照顺序动作。每一步代表一个控制功能任务，用方框表示，在方框内含有用于完成相应控制功能任务的梯形图逻辑，如图1-18所示。这种编程语言使程序结构清晰，易于阅读及维护，大大减轻了编程的工作量，缩短了编程和调试时间，适用于系统规模较大、程序关系较复杂的场合。顺序功能流程图编程语言的特点：以功能为主线，按照功能流程的顺序分配，条理清楚，便于理解用户程序；避免梯形图或其他语言不能顺序动作的缺陷，同时也避免了用梯形图语言对顺序动作编程时，由于机械互锁造成用户程序结构复杂、难以理解的缺陷；用户程序扫描时间也大大缩短。顺序功能图编程程序设计简单，对设计人员的要求较低，近年来已经开始普及与推广。

（四）逻辑功能图编程语言

逻辑功能图编程语言是一种沿用了数字电子线路的“与”“或”“非”等逻辑门电路、触发器、连线等图形与符号的图形编程语言。它可以用触发器、计数器、比较器等数字电子线路的符号表示其他图形编程语言（如梯形体）无法表示的PLC基本指令与应用指令。其特点是程序直观、形象、设计方便，程序逻辑关系清晰、简洁，特别是对于开关量控制系统的逻辑运算控制，使用逻辑功能图编程比其他编程语言更为方便。但目前可以使用逻辑功能图编程的PLC种类相对较少。

（五）高级编程语言

随着软件技术的发展，为增强PLC的运算功能和数据处理能力并方便用户使用，许多大中型PLC已采用类似Basic、Pascal、Fortan、C等高级的PLC专用编程语言，实现程序的自动编译。

目前各种类型的PLC一般都能同时使用两种以上的语言，且大多数都能同时使用梯形图和指令表。虽然不同的厂家梯形图、指令表的使用方式有差异，但基本编程原理和方法是相同的。三菱FX2N产品同时支持梯形图、指令表和顺序功能图三种编程语言。

五、举例说明

图1-19是电动机点动运行电路，SB为启动按钮，KM为交流接触器。按下启动按钮SB, KM的线圈通电，主触点闭合，电动机M开始运行；SB被放开后，KM的线圈断电，主触点断开，电动机M停止运行。用PLC控制电动机的点动运行电路的逻辑变量如表1-19所示。

为了实现电动机的点动运行控制，PLC需要一个输入触点和一个输出触点。输入、输出触点分配如表1-20所示。

画出PLC控制电路接线图如图1-20（a）所示。针对电动机点动运行电路的控制要求画出梯形图，如图1-20（b）所示。程序也可以写成指令表的形式，如图1-20（c）所示。

    LD  X0；接在左母线上的X0常开触点，逻辑实现的条件
    OUT Y0; Y0的线圈，逻辑条件满足时的结果
    END；程序结束

六、FX2N系列PLC的型号与规格及内部软元件

（1）FX2N系列PLC的型号及规格如表1-21所示。

（2）FX系列PLC内部软元件一览表，如表1-22所示。