【文章內(nèi)容簡介】 C外部電源所需電源由 PLC 內(nèi)部提供（如 FX2N 系列），但有的 PLC 外部電路需外界提供電源。 (2) 輸出接口電路。為了能夠適合各種各樣的負載要求，每種系列可編程控制器的輸出接口電路按輸出開關(guān)器件來分，有以下三種形式： a. 繼電器輸出方式。由于繼電器 的線圈與觸點在電路上是完全隔離的，所以他們可以分別接在不同性質(zhì)和不同電壓等級的電路中。利用繼電器的這一性質(zhì)，可以使可編程控制器的繼電器輸出電路中內(nèi)部電子電路與可編程控制器驅(qū)動的外部負載在電路上完全分割開。由此可知，繼電器輸出接口電路中不再需要隔離。實際中，繼電器輸出接口電路常采用固態(tài)電子繼電器。由于繼電器是觸點輸出，所以它既可以帶交流負載，也可以帶直流負載。繼電器輸出方式常采用，其優(yōu)點是帶負載能力強，缺點就是動作頻率與響應(yīng)速度慢。 b. 晶體管輸出方式，輸出信號由內(nèi)部電路中的輸出鎖存器給光電耦合器，經(jīng)光電耦 合器送給晶體管。晶體管的飽和導(dǎo)通狀態(tài)和截止狀態(tài)相當(dāng)于觸點的接通和斷開。由于晶體管輸出電流只能一個方向，所以晶體管輸出方式只適用于直流負載。其優(yōu)點是動作頻率高，響應(yīng)速度快（相應(yīng)時間 ），其優(yōu)點是帶載能力少。 c. 晶體管輸出方式，可編程控制器的內(nèi)部電路通過光電隔離后去控制雙向晶閘管的門級。晶閘管在負載電流過小時不能導(dǎo)通，此時可以在負載兩端并聯(lián)一個電阻。由于雙向晶閘管為關(guān)斷不可控器件，電壓過零時自行關(guān)斷，因此晶閘管輸 9 出方式只適用于交流負載。其優(yōu)點是響應(yīng)速度快（關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的延遲時間小于1ms，導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān) 斷的延遲時間小于 10ns），缺點是帶載能力不大。 4. 電源 PLC 根據(jù)型號的不同，有的采用交流供電，有的采用直流供電。交流一般為單相 220V（有的型號采用交流 100V，如 FX2N48ERUA1），直流一般為 24V。PLC 對電源的穩(wěn)定度要求不高，通常允許電源額定電壓在 +10%15%范圍內(nèi)波動，如 FX1N60MR 的電源要求為 AC85264V。許多可編程控制器為輸入電路和外部電子檢測設(shè)備（如光電開關(guān)等）提供 24V 直流電源，而 PLC 所控制的現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的電源，則由用戶根據(jù) PLC 型號、負載情況自行選擇。 5. 編程器 編程器是由鍵盤、顯示器、工作方式選擇開關(guān)及外存插口等部件組成的 PLC的重要外設(shè)，是人機對話的窗口。它的作用是用來編寫、輸入，編輯用戶程序，也可以在線監(jiān)視可編程控制器運行時各種元器件的工作狀態(tài)，查找故障，顯示出錯信息 [9]。 PLC 的工作原理 1. 掃描工作方式 可編程控制器工作時，它的 CPU 每一瞬間只能做一件事情，也就是說一個CPU 每一時刻只能執(zhí)行一個操作而不可能同時執(zhí)行多個操作。 CPU 按分時操作方式來順便處理各項任務(wù)。 PLC 對許多需要處理的任務(wù)依次按規(guī)定順序進行訪問和處理的工 作方式稱為掃描工作方式。用戶程序所用到的 PLC 各種軟繼電器室按各自程序號的大小在時間上串行工作的，但由于 CPU 運算速度極高，宏觀上給人一中似乎是同時完成的感覺。 PLC 執(zhí)行用戶程序時，采用掃描工作方式完成。整個掃描過程 PLC 除了執(zhí)行用戶程序外，還要完成其它工作，如圖 12 所示為 PLC 工作過程 框 圖。 在執(zhí)行用戶程序前， PLC 還要完成內(nèi)部處理，通信服務(wù)與自診檢查。在內(nèi)部 處理階段， PLC 檢查 CPU 模塊內(nèi)部硬件是否正常，監(jiān)視定時器復(fù)位以及完成其他一些內(nèi)部處理。在通訊服務(wù)階段， PLC 完成與一些帶處理器的智能模塊或其 他外設(shè)的通信，玩成數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送任務(wù)、響應(yīng)編程器鍵入命令，更新編程器顯示內(nèi)容、更新時鐘和特殊寄存器內(nèi)容等工作。 PLC 具有很強的自診斷功能，如電源檢測、內(nèi)部部件是否正常、程序語法是否有錯誤等，一旦有錯或異常則 CPU 能 10 根據(jù)錯誤類型和程度發(fā)出提示信號，甚至進行相應(yīng)的出錯處理，使 PLC 停止掃描 圖 12 PLC工作過程框圖 或 強制變成 STOP 狀態(tài)。當(dāng) PLC 處于 STOP 狀態(tài)時，只能完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng) PLC 處于運行狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)的操作外，還要完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理工作。 2. PLC 執(zhí)行程序的過程 PLC 執(zhí)行程序的過程分三個階段，即輸入采樣（輸入處理）階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新（輸出處理階段），如圖 13 所示 圖 13 PLC掃描工作過程示意圖 (1) 輸入處理階段 11 在這階段， PLC 以掃描工作方式按順序?qū)⑺休斎攵说妮斎霠顟B(tài)采樣并存入輸入映象寄存器中。在本工作周期內(nèi)，這個采樣結(jié)果的內(nèi)容不會改變，而且這個采樣結(jié)果將在 PLC 執(zhí)行過程時被使用。 (2) 程序執(zhí)行階段 在這一階段， PLC 按順序進行掃描，即從上到下，從左到右地掃描每條指令，并分別從輸入映象寄存器和輸出映象寄存器 （ 及元件映象寄存器）中獲得所需的數(shù)據(jù)進行運算、處理，再將程序執(zhí)行的結(jié)果寫入寄存執(zhí)行結(jié)果的輸出映象寄存器中保存。但這個結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢前不會送到輸出端口上。 (3) 輸出刷新階段 在所有用戶程序執(zhí)行完成后， PLC 將輸出映象寄存器中的內(nèi)容送入輸出所存其中，通過一定方式輸出，驅(qū)動外部負載。 從上述 PLC 的工作過程可以看出： PLC 工作方式的主要特點是采用周期循環(huán)掃描，集中輸入與集中輸出的方式。這種 “串行 ”工作方式可以避免繼電器控制系統(tǒng)中觸點競爭好時序失配等問題，使 PLC 具有可靠性高，抗干擾能力強的優(yōu)點，但是也 存在輸出對輸入在時間上的響應(yīng)滯后，速度慢的缺點。對一般的工業(yè)設(shè)備，響應(yīng)滯后是允許的，對某些需要 I/O 快速響應(yīng)的設(shè)備則采取相應(yīng)措施，如在硬件設(shè)計上采用快速響應(yīng)模塊、高速計數(shù)模塊等，目的是為了盡可能提高響應(yīng)速度，滿足設(shè)備使用要求 [2]。 可編程序控制器的特點 1. 可靠性高，抗干擾能力強。 2. 配套齊全，功能完善，適用性強。 3. 易學(xué)易用，深受工程技術(shù)人員歡迎。 4. 系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造。 5. 體積小，重量輕，能耗低 [3]。 12 第 2 章 三菱 FX2N 系列可編程控制器 簡介 三菱公司是日本生產(chǎn) PLC 的主要廠家之一。先后推出的小型、超小型 PLC有 F、 F F FX FX FX2C、 FX0、 FX2N、 FX2NC 等系列。其中 F 系列已停產(chǎn)，取而代之的是 FX2 系列機型，屬于高性能疊裝式機種，也是三菱公司的典型產(chǎn)品。另外，三菱公司還生產(chǎn) A 些列 PLC 的中大型模塊式機種，只要系列型號有 AnS/AnA 和 Q4AR 等產(chǎn)品。他們的點數(shù)比較多，最多可達 4096 點，最大用戶程序存儲量達 124K 步，一般用在控制規(guī)模比較大的場合。 A 系列產(chǎn)品具有數(shù)百條功 能指令，類型眾多的功能單元，可以方便地完成位置控制、模擬量控制及幾十個回路的 PID 控制，可以方便地和上位機及各種外設(shè)進行通訊工作，在許多任務(wù)業(yè)自動化場合獲得應(yīng)用。 13 20 世紀 90 年代，三菱公司在 FX 系列 PLC 的基礎(chǔ)上又推出了 FX2N 系列產(chǎn)品，該機型在運算速度、指令數(shù)量及通訊能力方面有了較大的進步，是一種小型化、高速度、高性能、各方面都相當(dāng)于 FX 系列中最高檔次的超小型的 PLC[7]。 FX2N 系列 PLC 的結(jié)構(gòu)特點 FX2N 采用一體化的箱體式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)非常緊湊。它將所有的電路都裝入一個模塊內(nèi)，構(gòu)成了 一個整體，體積小巧、成本低、安裝方便。 為了達到輸入輸出點數(shù)靈活配置及易于擴展的目的， FX2N 系列的產(chǎn)品可由不同點數(shù)的基本單元和擴展單元構(gòu)成，使配置就越靈活。 FX2N 系列可編程序控制器還有許多專用的特殊功能單元，這些單元有模擬量 I/O 單元、高速計數(shù)單元，位置控制單元、凸輪控制單元、數(shù)據(jù)輸入輸出單元等。大多數(shù)單元都是通過主單元的擴展口與可編程序控制器主機相連的（如模擬量單元）。有部分特殊功能單元通過可編程控制的編程器接口連接。還有的通過主機上并聯(lián)的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴展。 FX2N 系列最大輸入輸出點數(shù) 為256 點。 為了構(gòu)成點數(shù)更多的系統(tǒng)，還可采用點對點通信方式，將兩臺機連接起來，構(gòu)成總點數(shù)多一倍的系統(tǒng) [14]。 FX2N 系列 PLC 的基本組成 FX2N 系列 PLC 由基本單元、擴展單元、擴展模塊及特殊功能單元構(gòu)成。僅用基本單元或?qū)⑸鲜龈鞣N產(chǎn)品組合起來使用均可。 基本單元包括 CPU、存儲器、輸入輸出口及電源，是 PLC 的主要部分。擴展單元時用于增加 I/O 點數(shù)及改變 I/O 比列，內(nèi)部無電源，由基本單元或擴展單元供電。因擴展單元及擴展模塊無 CPU，因此必須與基本單元一起使用。特殊功能單元是一些專門用途的裝置， 如位置控制模塊、模擬量控制模塊、計算機通訊模塊等等 [8]。 FX2N 系列可編程控制器內(nèi)部元件及功能 FX 系列產(chǎn)品，它內(nèi)部的編程元件，也就是支持該機型編程語言的軟元件， 14 按通俗叫法分別稱為繼電器、定時器、計數(shù)器等，但它們與真實元件有很大的差別，一般稱它們?yōu)?“ 軟繼電器 ” 。這些編程用的繼電器，它的工作線圈沒有工作電壓等級、功耗大小和電磁慣性等問題；觸點沒有數(shù)量限制、沒有機械磨損和電蝕等問題。它在不同的指令操作下，其工作狀態(tài)可以無記憶，也可以有記憶，還可以作脈沖數(shù)字元件使用。一般情況下， X 代表輸入繼電器， Y 代表輸出繼電器，M 代表輔助繼電器， SPM 代表專用輔助繼電器， T 代表定時器， C 代表計數(shù)器，S 代表狀態(tài)繼電器， D 代表數(shù)據(jù)寄存器， MOV 代表傳輸?shù)取? 1. 輸入繼電器（ X） PLC 的輸入端子是從外部開關(guān)接受信號的窗口， PLC 內(nèi)部與輸入端子連接的輸入繼電器 X 是用光電隔離的電子繼電器，它們的編號與接線端子編號一致（按八進制輸入），線圈的吸合或釋放只取決于 PLC 外部觸點的狀態(tài)。內(nèi)部有常開 /常閉兩種觸點供編程時隨時使用，且使用次數(shù)不限。輸入電路的時間常數(shù)一般小于10ms。各基本單元都是八進制輸入的地址，輸入為 X000 ～ X007， X010 ～ X017，X020 ～ X027 。它們一般位于機器的上端。 2. 輸出繼電器（ Y） PLC 的輸出端子是向外部負載輸出信號的窗口。輸出繼電器的線圈由程序控制，輸出繼電器的外部輸出主觸點接到 PLC 的輸出端子上供外部負載使用，其余常開 /常閉觸點供內(nèi)部程序使用。輸出繼電器的電子常開 /常閉觸點使用次數(shù)不限。輸出電路的時間常數(shù)是固定的。各基本單元都是八進制輸出，輸出為 Y000 ～Y007， Y010～ Y017， Y020～ Y027。它們一般位于機器的下端。 3. 輔助繼電器（ M） PLC 內(nèi)有很多的輔助繼電器，其線圈與輸出繼電器一樣，由 PLC 內(nèi)各軟元件的觸點驅(qū)動。輔助繼電器也稱中間繼電器，它沒有向外的任何聯(lián)系，只供內(nèi)部編程使用。它的電子常開 /常閉觸點使用次數(shù)不受限制。但是，這些觸點不能直接驅(qū)動外部負載，外部負載的驅(qū)動必須通過輸出繼電器來實現(xiàn)。如下圖 21 中的 M300，它只起到一個自鎖的功能。在 FX2N 中普遍途采用 M0～ M499，共 500 點輔助繼電器，其地址號按十進制編號。輔助繼電器中還有一些特殊的輔助繼電器，如掉電繼電器、保持繼電器等，在這里就不一一介紹了。 15 圖 21 斷電保持功能 4. 狀態(tài)器（ S） 狀態(tài)器 S 與步進梯形圖指令 STL 一起使用，用于順序控制的程序編程。當(dāng)不對 S 使用 STL 指令時，其作用相當(dāng)于普通輔助繼電器 M。 無斷電保持功能的通用狀態(tài)器為 S0～ 499，共 500 點。其中， S0～ S9 用于順序功能圖的初始狀態(tài)； S10～ S19 用于自動回原點程序的順序功能圖； S20～ S499為通用狀態(tài)器。有斷電保持功能的通用狀態(tài)器為 S500～ S899，共 400 點。狀態(tài)器S900～ S999 用于外部故障診斷的輸出（又稱為報警器）。 5. 定時器（ T） 在 PLC 內(nèi)的定時器是根據(jù)時鐘脈沖的累積形式，當(dāng)所計時間達 到設(shè)定值時，其輸出觸點動作，時鐘脈沖有 1ms、 10ms、 100ms。定時器可以用用戶程序存儲器內(nèi)的常數(shù) K 作為設(shè)定值，也可以用數(shù)據(jù)寄存器（ D）的內(nèi)容作為設(shè)定值。在后一種情況下，一般使用有掉電保護功能的數(shù)據(jù)寄存器。即使如此，若備用電池電壓降低時，定時器或計數(shù)器往往會發(fā)生誤動作。 定時器通道范圍如下： 100 ms 定時器 T0～ T199， 共 200 點，設(shè)定值： ～ 秒； 10 ms 定時器 T200～ TT245，共 46 點，設(shè)定值： ～ 秒； 1 ms 積算定時器 T245～ T249，共 4 點 ，設(shè)定值： ～ 秒； 100 ms 積算定時器 T250～ T255，共 6 點，設(shè)定值： ～ 秒； 定時器指令符號及應(yīng)用如下圖 22 所示： 圖 22 通用定時器 16 當(dāng)定時器線圈 T200 的驅(qū)動輸入 X000 接通時， T200 的當(dāng)前值計數(shù)器對 10 ms的時鐘脈沖進行累積計數(shù)，當(dāng)前值與設(shè)定值 K123 相等時，定時器的輸出接點動作，即輸出觸點是在驅(qū)動線圈后的