1.1 三菱PLC概述

1.1.1 PLC定义

国际电工委员会（IEC）为规范相关控制器产品，颁布了PLC的相关规定：PLC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，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程；PLC及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

从定义来看，PLC是为工业环境开发的电子控制设备，也是一台专门用于具有高级功能的顺序控制的计算机，它有CPU模块、I/O模块、存储器、电源模块、底板或机架，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。图1-1所示为PLC的基本结构框图。

从图中可以看出，PLC具有与普通计算机相同的基本结构：一个CPU，用于控制设备并处理数据，执行存储在存储器（存储单元）中的程序，从输入接口部件中接收数据，对其进行处理，然后将其从输出接口部件输出。

图1-2所示为三菱公司两款不同类型的PLC，即FX系列PLC和Q系列PLC，分别应用在小型工程和中大型系统中。

1.1.2 PLC的编程软元件与扫描工作方式

1.编程软元件

PLC为了更好地表达控制逻辑关系，将存储单元划分成几个大类的编程软元件。PLC内部的编程软元件是用户进行编程操作的对象，不同的编程软元件在程序工作过程中完成不同的功能。

为了便于理解，特别是便于熟悉低压电器控制系统的工程人员理解，通俗称之为输入/输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等，但它们与真实电器元件有很大的差别，被称为“软继电器”。所谓“软继电器”，是系统软件用二进制位的“开”和“关”的状态，来模拟继电器的“通”和“断”的状态。因此，这些“软继电器”的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题；触点没有数量限制、机械磨损和电蚀等问题。

因此，编程元件实质上是存储器中的位（或字），因此其数量是很大的，为了区分它们，给它们每类用字母标识，并在其后编号。在三菱PLC中，X代表输入继电器，Y代表输出继电器，M代表辅助继电器，T代表定时器，C代表计数器，S代表状态继电器，D代表数据寄存器等。

（1）输入继电器X

PLC的输入端子是从外部开关接收信号的窗口，PLC内部与输入端子连接的输入继电器X是用光电隔离的继电器，它们的编号与接线端子编号一致（按八进制或十六进制编号）。输入继电器线圈的吸合或释放只取决于与之相连的外部触点的状态，因此其线圈不能由程序来驱动，即在程序中不出现输入继电器的线圈。在程序中使用的是输入继电器常开/常闭两种触点，且使用次数不限。

FX3U小型PLC单元输入继电器线圈都是八进制编号的地址，输入为X0～X7，X10～X17，X20～X27等，又称为“I元件”，即Input（输入）。而Q系列中大型PLC则是十六进制编号，如X00～X0F。

输入端X的OFF或ON信号在PLC映像区被存储为“0”或“1”，其工作示意如图1-3所示。

（2）输出继电器Y

PLC的输出端子是向外部负载输出信号的窗口。输出继电器的线圈由程序控制，输出继电器的外部输出主触点接到PLC的输出端子上供外部负载使用，内部常开/常闭触点供内部程序使用。

输出继电器的常开/常闭触点使用次数不限。输出电路的时间常数是固定的。FX3U小型PLC是八进制输出，输出为Y0～Y7、Y10～Y17、Y20～Y27等，又称为“O元件”，即Output（输出）。而Q系列PLC则是十六进制PLC，如Y00～Y0F。

PLC输出映像区的“0”或“1”信号到输出端的“OFF”或“ON”状态，如图1-4所示。

输入X和输出Y在很多工程应用中，通常被称为“I/O元件”。一个工程项目，I/O元件表必须清晰表达，这样才方便进行PLC系统配置、硬件接线和软件编程。

（3）辅助继电器M

PLC中有多个辅助继电器，软元件符号为“M”。与输入/输出继电器不同，辅助继电器M是既不能读取外部的输入也不能直接驱动外部负载的程序用的继电器。

在FX3U中可以设置M0～M7679个辅助继电器，其中M0～M1023可以被设置为“锁存继电器”，即“停电保持用辅助继电器”。顾名思义，这种继电器的数据在PLC彻底断电后还是会保存至下次开机的（具体保存时间视不同型号的PLC确定），它的用途很广泛，比如设定好的数据可以一直不用更改，避免了每次开机后都要重新手动操作的烦恼。

除了以上软元件外，PLC中还有以下元件：

1）各种常数数值，一般前缀K表示十进制数，H表示十六进制数，E表示实数（浮点数）。这些都用作定时器、计数器等软元件的设定值及当前值，或是其他应用指令的操作数。

2）状态元件S，主要用在步进顺控的编程。

3）数据寄存器D，为16位，用来存放数据或参数，同时可以用两个数据寄存器合并起来存放32位数据。

4）定时器T，即按照指定的周期（如以ms计）来调用或计算。

5）计数器C，主要是对脉冲的个数进行计数，以实现测量、计数和控制的功能。

图1-5所示为某化学处理系统，它由一个大型存储罐、一个启动按钮、一个进水阀、一个排水阀、一个下限水位浮动开关及一个上限水位浮动开关组成。该系统的基本流程：按下启动按钮，向存储罐中注入化学品；化学品反应一段时间之后，已发生反应的化学品从存储罐中排放出来。其相应的软元件变量定义见表1-1。

2.PLC扫描的工作方式

如图1-6所示，PLC扫描的工作方式主要分三个阶段，即输入采样阶段（I/O映像区刷新）、用户程序执行阶段（梯形图）和输出刷新阶段（I/O映像区刷新）。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应单元内。在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序，主要是梯形图形式。当用户程序扫描结束后，PLC就进入输出刷新阶段。

1.1.3 PLC的梯形图编程

梯形图编程方式就是使用顺序符号和软元件编号在图示的画面上画梯形图的方式，由于顺控回路是通过触点符号和线圈符号来表现的，所以程序的内容更加容易理解。在梯形图编程中， 表示常开触点、 表示常闭触点、 表示输出线圈。

在PLC的梯形图编程之前，需要了解三菱PLC的输入/输出定义的情况。在硬件接线中，输入端子为X0，但在梯形图编程中则自动调整为X000（序号为三位数）；输出端子为Y0，但在梯形图编程中则自动调整为Y000（序号为三位数）。本书为了更加符合工程实际，在硬件接线和I/O表中，均采用X0等编号，而在梯形图中则都采用X000等编号。

梯形图中最常见的是按照一定的控制要求进行逻辑组合，可构成基本的逻辑控制：“与”“或”“异或”及其组合。位逻辑指令使用“0”“1”两个布尔操作数，对逻辑信号状态进行逻辑操作，逻辑操作的结果送入存储器状态字的逻辑操作结果位。

图1-7所示为逻辑“与”梯形图，是用串联的触点进行表示的，表1-2所示为对应的逻辑“与”真值表。

图1-8所示为逻辑“或”梯形图，是用并联的触点进行表示的，表1-3所示为对应的逻辑“或”真值表。

图1-9所示为逻辑“非”梯形图，表1-4所示为对应的逻辑“非”真值表。

图1-10所示的梯形图是通过一个输入继电器X000的常开触点的通断来控制输出继电器Y000的得电和失电。梯形图的最左边的竖线称为左母线，最右边的竖线称为右母线，两根母线可看作具有交流220V或直流24V电压。当X000的常开触点闭合时，Y000的线圈两端就被加上电压，线圈得电。

除了直接用输出线圈的方式来对输出继电器进行编程外，用户还可以调用“应用指令”（比如置位SET和复位RST指令等）来操作输出继电器。当SET指令前面的条件成立时（线路被接通），输出继电器被置位，即成为得电状态，这与直接输出线圈的区别在于，即使之后前面的条件不成立（线路被断开），输出继电器仍然保持得电状态。直到RST指令被执行，输出继电器才被复位。因此出现了SET指令必定要有RST指令与之配合，如图1-11所示。

应该观察到，在这个梯形图里X000和X001的常开触点里多了一个向上的箭头。这表示上升沿触点，即该触点在X000得电的上升沿闭合一个扫描周期，下个扫描周期又复位。

如图1-12所示，当边沿状态信号变化时就会产生跳变沿，当从“0”变到“1”时，产生一个上升沿（即正跳沿）；当从“1”变到“0”时，则产生一个下降沿（即负跳沿）。在每个扫描周期中，把信号状态和它在前一个扫描周期的状态进行比较，若不同则表明有一个跳变沿。因此，前一个周期里的信号状态必须被存储，以便能和新的信号状态相比较。如果用普通的触点，哪怕用户仅按下按钮1s，在此期间，由于PLC的扫描周期是低至ns级的，PLC就反复执行了无数次这条指令了。因此，置位和复位指令前面的执行条件，一般采用上升沿或下降沿脉冲。