【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(fù)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(diǎn)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(jí)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(dòng)的外部負(fù)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(shí)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(diǎn)輸出，所以它既可以帶交流負(fù)載，也可以帶直流負(fù)載。繼電器輸出方式常采用，其優(yōu)點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)，缺點(diǎn)就是動(dòng)作頻率與響應(yīng)速度慢。 b. 晶體管輸出方式，輸出信號(hào)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?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于觸點(diǎn)的接通和斷開。由于晶體管輸出電流只能一個(gè)方向，所以晶體管輸出方式只適用于直流負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作頻率高，響應(yīng)速度快（相應(yīng)時(shí)間 ），其優(yōu)點(diǎn)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(jí)。晶閘管在負(fù)載電流過小時(shí)不能導(dǎo)通，此時(shí)可以在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)電阻。由于雙向晶閘管為關(guān)斷不可控器件，電壓過零時(shí)自行關(guān)斷，因此晶閘管輸 9 出方式只適用于交流負(fù)載。其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快（關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通的延遲時(shí)間小于1ms，導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān) 斷的延遲時(shí)間小于 10ns），缺點(diǎn)是帶載能力不大。 4. 電源 PLC 根據(jù)型號(hào)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(hào)采用交流 100V，如 FX2N48ERUA1），直流一般為 24V。PLC 對(duì)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(dòng)，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(cè)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(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源，則由用戶根據(jù) PLC 型號(hào)、負(fù)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(jī)對(duì)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(yùn)行時(shí)各種元器件的工作狀態(tài)，查找故障，顯示出錯(cuò)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(shí)，它的 CPU 每一瞬間只能做一件事情，也就是說一個(gè)CPU 每一時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)操作而不可能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作。 CPU 按分時(shí)操作方式來順便處理各項(xiàng)任務(wù)。 PLC 對(duì)許多需要處理的任務(wù)依次按規(guī)定順序進(jìn)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(hào)的大小在時(shí)間上串行工作的，但由于 CPU 運(yùn)算速度極高，宏觀上給人一中似乎是同時(shí)完成的感覺。 PLC 執(zhí)行用戶程序時(shí)，采用掃描工作方式完成。整個(gè)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(shí)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(shí)鐘和特殊寄存器內(nèi)容等工作。 PLC 具有很強(qiáng)的自診斷功能，如電源檢測(cè)、內(nèi)部部件是否正常、程序語(yǔ)法是否有錯(cuò)誤等，一旦有錯(cuò)或異常則 CPU 能 10 根據(jù)錯(cuò)誤類型和程度發(fā)出提示信號(hào)，甚至進(jìn)行相應(yīng)的出錯(cuò)處理，使 PLC 停止掃描 圖 12 PLC工作過程框圖 或 強(qiáng)制變成 STOP 狀態(tài)。當(dāng) PLC 處于 STOP 狀態(tài)時(shí)，只能完成內(nèi)部處理和通信服務(wù)工作。當(dāng) PLC 處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(gè)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(gè)采樣結(jié)果的內(nèi)容不會(huì)改變，而且這個(gè)采樣結(jié)果將在 PLC 執(zhí)行過程時(shí)被使用。 (2) 程序執(zhí)行階段 在這一階段， PLC 按順序進(jìn)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(jìn)行運(yùn)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(gè)結(jié)果在全部程序未執(zhí)行完畢前不會(huì)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(dòng)外部負(fù)載。 從上述 PLC 的工作過程可以看出： PLC 工作方式的主要特點(diǎn)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(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)好時(shí)序失配等問題，使 PLC 具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也 存在輸出對(duì)輸入在時(shí)間上的響應(yīng)滯后，速度慢的缺點(diǎn)。對(duì)一般的工業(yè)設(shè)備，響應(yīng)滯后是允許的，對(duì)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(jì)上采用快速響應(yīng)模塊、高速計(jì)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(diǎn) 1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 2. 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。 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(jì)、建造工作量小，維護(hù)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(jiǎn)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(jī)型，屬于高性能疊裝式機(jī)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(jī)種，只要系列型號(hào)有 AnS/AnA 和 Q4AR 等產(chǎn)品。他們的點(diǎn)數(shù)比較多，最多可達(dá) 4096 點(diǎn)，最大用戶程序存儲(chǔ)量達(dá) 124K 步，一般用在控制規(guī)模比較大的場(chǎng)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(gè)回路的 PID 控制，可以方便地和上位機(jī)及各種外設(shè)進(jìn)行通訊工作，在許多任務(wù)業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合獲得應(yīng)用。 13 20 世紀(jì) 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(jī)型在運(yùn)算速度、指令數(shù)量及通訊能力方面有了較大的進(jìn)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(diǎn) 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(gè)模塊內(nèi)，構(gòu)成了 一個(gè)整體，體積小巧、成本低、安裝方便。 為了達(dá)到輸入輸出點(diǎn)數(shù)靈活配置及易于擴(kuò)展的目的， FX2N 系列的產(chǎn)品可由不同點(diǎn)數(shù)的基本單元和擴(kuò)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(jì)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(kuò)展口與可編程序控制器主機(jī)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(jī)上并聯(lián)的適配器接入，不影響原系統(tǒng)的擴(kuò)展。 FX2N 系列最大輸入輸出點(diǎn)數(shù) 為256 點(diǎn)。 為了構(gòu)成點(diǎn)數(shù)更多的系統(tǒng)，還可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，將兩臺(tái)機(jī)連接起來，構(gòu)成總點(diǎn)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(kuò)展單元、擴(kuò)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(chǔ)器、輸入輸出口及電源，是 PLC 的主要部分。擴(kuò)展單元時(shí)用于增加 I/O 點(diǎn)數(shù)及改變 I/O 比列，內(nèi)部無(wú)電源，由基本單元或擴(kuò)展單元供電。因擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊無(wú) 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(jì)算機(jī)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(jī)型編程語(yǔ)言的軟元件， 14 按通俗叫法分別稱為繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等，但它們與真實(shí)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(jí)、功耗大小和電磁慣性等問題；觸點(diǎn)沒有數(shù)量限制、沒有機(jī)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(wú)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(shí)器， C 代表計(jì)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(hào)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(hào)與接線端子編號(hào)一致（按八進(jìn)制輸入），線圈的吸合或釋放只取決于 PLC 外部觸點(diǎn)的狀態(tài)。內(nèi)部有常開 /常閉兩種觸點(diǎn)供編程時(shí)隨時(shí)使用，且使用次數(shù)不限。輸入電路的時(shí)間常數(shù)一般小于10ms。各基本單元都是八進(jìn)制輸入的地址，輸入為 X000 ～ X007， X010 ～ X017，X020 ～ X027 。它們一般位于機(jī)器的上端。 2. 輸出繼電器（ Y） PLC 的輸出端子是向外部負(fù)載輸出信號(hào)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(diǎn)接到 PLC 的輸出端子上供外部負(fù)載使用，其余常開 /常閉觸點(diǎn)供內(nèi)部程序使用。輸出繼電器的電子常開 /常閉觸點(diǎn)使用次數(shù)不限。輸出電路的時(shí)間常數(shù)是固定的。各基本單元都是八進(jìn)制輸出，輸出為 Y000 ～Y007， Y010～ Y017， Y020～ Y027。它們一般位于機(jī)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(diǎn)驅(qū)動(dòng)。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(diǎn)使用次數(shù)不受限制。但是，這些觸點(diǎn)不能直接驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載，外部負(fù)載的驅(qū)動(dòng)必須通過輸出繼電器來實(shí)現(xiàn)。如下圖 21 中的 M300，它只起到一個(gè)自鎖的功能。在 FX2N 中普遍途采用 M0～ M499，共 500 點(diǎn)輔助繼電器，其地址號(hào)按十進(jìn)制編號(hào)。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(jìn)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(duì) S 使用 STL 指令時(shí)，其作用相當(dāng)于普通輔助繼電器 M。 無(wú)斷電保持功能的通用狀態(tài)器為 S0～ 499，共 500 點(diǎn)。其中， S0～ S9 用于順序功能圖的初始狀態(tài)； S10～ S19 用于自動(dòng)回原點(diǎn)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(diǎn)。狀態(tài)器S900～ S999 用于外部故障診斷的輸出（又稱為報(bào)警器）。 5. 定時(shí)器（ T） 在 PLC 內(nèi)的定時(shí)器是根據(jù)時(shí)鐘脈沖的累積形式，當(dāng)所計(jì)時(shí)間達(dá) 到設(shè)定值時(shí)，其輸出觸點(diǎn)動(dòng)作，時(shí)鐘脈沖有 1ms、 10ms、 100ms。定時(shí)器可以用用戶程序存儲(chǔ)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(hù)功能的數(shù)據(jù)寄存器。即使如此，若備用電池電壓降低時(shí)，定時(shí)器或計(jì)數(shù)器往往會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作。 定時(shí)器通道范圍如下： 100 ms 定時(shí)器 T0～ T199， 共 200 點(diǎn)，設(shè)定值： ～ 秒； 10 ms 定時(shí)器 T200～ TT245，共 46 點(diǎn)，設(shè)定值： ～ 秒； 1 ms 積算定時(shí)器 T245～ T249，共 4 點(diǎn) ，設(shè)定值： ～ 秒； 100 ms 積算定時(shí)器 T250～ T255，共 6 點(diǎn)，設(shè)定值： ～ 秒； 定時(shí)器指令符號(hào)及應(yīng)用如下圖 22 所示： 圖 22 通用定時(shí)器 16 當(dāng)定時(shí)器線圈 T200 的驅(qū)動(dòng)輸入 X000 接通時(shí)， T200 的當(dāng)前值計(jì)數(shù)器對(duì) 10 ms的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，當(dāng)前值與設(shè)定值 K123 相等時(shí)，定時(shí)器的輸出接點(diǎn)動(dòng)作，即輸出觸點(diǎn)是在驅(qū)動(dòng)線圈后的