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1、工业自动化控制技术实训台实验指导书山东栋梁科技设备有限公司前 言本实训台包括三菱可编程序控制器（PLC）FX2N-32MT主机一台、通讯模块FX2N-485BD一块、三菱（A740）变频器一台，人机界面(EX370GP)一台，步进电机和步进电机驱动器；其它附件包括按钮盒、交流接触器、接近开关、电位器、开关电源（24V）、下载通讯电缆等。另外，为了能够实现以太网的通讯功能，后续还应当扩展以太网模块及网络交换机等设备。在整个实验装置中，我们围绕可编程序控制器（PLC）为核心，利用周围元器件来模拟工业设备中大量应用的开关量（I/O）逻辑控制、运动控制、人机界面交互控制、数据处理和通讯联网等功能。使学
2、生更直观的了解和学习现代工业控制的理论基础，达到学以致用的效果，为学生的就业之路更为平坦，使学校的教学质量更上一层楼。目 录第一章 概 述41.1可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段51.2 可编程序控制器的定义71.3 可编程序控制器的分类81.4 可编程序控制器的特点101.5 可编程序控制器的功能和应用13第二章 产品介绍152.1三菱可编程序控制器（PLC）152.2变频器简介162.3 EX370GP人机界面172.4 步进电机简介18第三章I/O逻辑控制实验203.1可编程序控制器（PLC）控制电机启动、停止212.2利用人机界面EX370GP控制电机的启动、停止242.3利用触
3、摸式人机界面GOT1000系列控制电机的启动、停止27第四章 变频器控制364.1变频器面板控制电机启动、停止、正转和反转364.2变频器外部端子控制38第五章 可编程序控制器(PLC)控制步进电机425.1程序控制器（PLC）控制步进电机正反转42第六章 通 讯466.1计算机通过以太网对可编程序控制器(PLC)远程操作466.2两台可编程序控制器之间的485通讯466.3可编程序控制器与变频器通讯48综合实训54第一章 概 述在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对
4、生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。 1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标。其主要内容如下：(1) 在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速方便地对其控制的硬件和设备进行编程，并重新进行程序设计。 (2) 所有系统单元必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。 (3) 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计
5、有状态指示器和插入式模块，以便在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行。 (4) 装置的体积应小于原有继电器控制柜的体积，它的能耗也应比较少。(5) 必须能与中央数据收集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。 (6) 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115 V电压信号。 (7) 输出的驱动信号必须能驱动以交流运行的电动机启动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有115 V、2 A以下容量的电磁阀等负载设备。 (8) 具有灵活的扩展能力。在扩展时必须能以系统最小的变动及最短的更换和停机时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置
6、。(9) 在购买和安装费用上，应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即具有较高的性能价格比。 (10) 用户存储器容量至少在4 KB以上(根据当时的汽车装配过程的要求提出)。从上述10项指标可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能。将它们归纳一下，其核心为以下四点： (1) 用计算机代替继电器控制盘。 (2) 用程序代替硬件接线。 (3) 输入/输出电平可与外部装置直接连接。 (4) 结构易于扩展。1.1可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了
7、可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段： 第一阶段，从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。这一阶段的产品主要用于逻辑运算和定时、计数，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能比较简单。这一阶段的典型产品有MODICON公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQII、DEC的PDP-14、日立公司的SCY-022等。第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段。这一阶段产品的主要控制功能得
8、到了较大的发展。它的发展主要来自两方面，一是从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能；二是从模拟仪表发展而来的控制器，其主要功能是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。这一阶段的产品有MODICON公司的184、284、384，西门子公司的SYMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列等。第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品互相通信是较困难的。在该阶段，由于生产过程控制
9、的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SYMATIC S6系列、富士电机公司的MI-CREX和德州仪器公司的TI530等。第四阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。主要表现为通信系统的开放，使各制造企业的产品可以互相通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便，此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶
10、段的产品有西门子公司的SYMATIC S5和S7系列、AB公司的PLC-5、三菱公司的FX系列等。1.2 可编程序控制器的定义 由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，并给PC作了如下定义： PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体来存储指令，用以执行诸如逻辑、顺序、定时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模件来控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是用来执行PC的功能，亦被视同为PC，但不包括鼓式或类
11、似的机械式顺序控制器。1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC)颁布了PLC标准草案，1985年提交了第2版，并在1987年的第3版中对PLC作了如下的定义：PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。 上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环
12、境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。1.3 可编程序控制器的分类 一 按硬件的结构类型分类 可编程序控制器发展很快，目前，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别。通常从组成结构形式上将这些PLC分为两类：一类是一体化整体式PLC，另一类是结构化模块式PLC。1) 整体式结构 从结构上看，早期的可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入
13、器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。一个箱体就是一个完整的PLC。它的特点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便，缺点是输入/输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。这类产品有OMRON公司的C20P、C40P、C60P，三菱公司的Fl系列，东芝公司的EX20/40系列等。 2) 模块式结构 模块式结构又叫积木式。这种结构形式的特点是把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、电源模块、通信模块等。另外，机器上有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，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC
14、。这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。 二 按应用规模及功能分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小(微)、小、中、大、超大等五种类型。 (1) 超小型PLC：I/O点数小于64点，内存容量为256 B1 KB。 (2) 小型PLC：I/O点数为65128点，内存容量
15、为13.6 KB。 小型及超小型PLC在结构上一般是一体化整体式的，主要用于中等容量的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。(3) 中型PLC：I/O点数范围为129512点，内存容量为3.613 KB。 中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。 (4) 大型PLC：I/O点数范围为513896点，内存容量为13 KB以上。 (5) 超大型PLC：I/O点数为896点以上，内存容量为13 KB以上。 上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的不断发展，划分标准已有过多次的修改。可编程序控制器还可以按功能分为低档机、中档机和高档机。低档机以逻辑运算为主，具有定时、计数、移位等功能。中档机一般有整数及浮点运算、数制转换、PID调节、中断控制及联网功能，可用于复杂的逻辑运算及闭环控制场
