【正文】 開發(fā)出來的，所以歐洲產(chǎn)品和美國產(chǎn)品在許多方面存在較大差異。從國內(nèi)市場使用情況來看，進(jìn)口大、中型 PLC 以美國和歐洲產(chǎn)品為主，小型 PLC 以日本產(chǎn)品為主?？紤]到絕大多數(shù)電氣工程技術(shù)人員面對的是小型機(jī)使用問題，故采用國內(nèi)市場具有較高性能價(jià)格比的日本三菱（ MITSUBISHI）公司近年推出的 FX2N 系列進(jìn)行介紹。另一方面，小型 PLC 向微型化，多功能，實(shí)用性發(fā)展，有些可編程控制器的體積非常小，被稱為 “ 手掌上的可編程控制器 ” 。由于可編程控制器向微型化發(fā)展，其應(yīng)用已不僅僅局限在工業(yè)領(lǐng)域。 b. 編程語言向標(biāo)準(zhǔn)化靠攏。盡管各種系列主要以梯形圖編程，但具體的指令系統(tǒng)和表達(dá)方式并不一致，即使一個(gè)公司的不同系列也是如此，如三菱的 F1系列和 FX 系列，不同系列的可編程控制器互不兼容。 IEC11313 標(biāo)準(zhǔn)使用戶在使用新的可編程控制器時(shí)，可以減少重新培訓(xùn)的時(shí)間，而對于廠家來說，使用此標(biāo)準(zhǔn)則可以減少產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間，從而減少拿出更多的精力去滿足用戶的特殊要求。 c. 輸入輸出模塊智能化和專用化。例如智能通信模塊、語音處理模塊、智能位置控制模塊等。由于可以 PLC 構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，所以各種個(gè)人計(jì)算機(jī)、圖形工作站等可以作為 PLC 的監(jiān)控主機(jī)和工作站，能夠提供屏幕顯示，數(shù)據(jù)采集，紀(jì)錄保持以及信息打印等功能。在一臺(tái)控制器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制功能和信息處理功能。 可編程序控制器的基本組成和工作原理 由 PLC 得定義可知，它實(shí)質(zhì)上是一種為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)，所以 6 盡量可編程控制器的品種繁多，結(jié)構(gòu)、功能多種多樣，但系統(tǒng)組成和工作原理基本相同。 PLC 的基本組成 可編程控制器的硬件由微處理器、存儲(chǔ)器、 I/O 接口電路、電源、擴(kuò)展接口、外接接口及編程器。 圖 11 編程控制器的硬件簡化框圖 1. 微處理器（ CPU） PLC 中所用 CPU 隨機(jī)型的不同而有所不同，一般有以下幾類芯片： (1) 通用微處理器，常用 8 位機(jī)和 16 位機(jī)，如 Tntel 公司的 8080， 80868088018 8028 8038 Motorola 的 6800、 68000 型等。 (2) 單片機(jī)，常用的有 Intel 公司的 MCS48/51/96 系類芯片。 (3) 位片式微處理器，如美國 1975 年推出的 AMD2900/2901/2903 系列雙極型位片式微處理器廣泛應(yīng)用于大型 PLC 的設(shè)計(jì)。 在小型 PLC 中，大多采用 8 位通用微處理器和單片機(jī)芯片；在中型 PLC 中，大多數(shù)采用 16 位通用微處理器或單片機(jī)芯片；在大型 PLC 中，大多 采用雙極型 7 位片式處理器。 CPU 的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了 PLC 的基本性能。它根據(jù)系統(tǒng)程序賦予的功能完成以下任務(wù)： a. 接受并存儲(chǔ)從個(gè)人計(jì)算機(jī)（ PC）或?qū)Ｓ镁幊唐鬏斎氲挠脩舫绦蚝蛿?shù)據(jù)。 c. 進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，用掃描方式 接收現(xiàn)場的輸入設(shè)備的檢測元件狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并存入對應(yīng)的輸入映象寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。傳送、組合、比較和變換等操作，完成用戶程序中的邏輯或算術(shù)運(yùn)算。 2. 寄存器 可編程控制器的存儲(chǔ)器按用途可分為以下兩種： (1) 系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，用來固化 PLC 生產(chǎn)廠家在研制系統(tǒng)時(shí)編寫的各種系統(tǒng)工作程序?？删幊炭刂破鲝S家常用的只讀存儲(chǔ)器 ROM 或可擦除可編程的只讀存儲(chǔ)器 EPROM 來存放系統(tǒng)程序。用戶存儲(chǔ)器的內(nèi)容由用戶根據(jù)控制需要可讀可寫，可任意修改、增減 ；另一方面在一定的時(shí)期內(nèi)又具有相對穩(wěn)定性，所以適宜使用 EPROM、 EEPROM、 FLASH MEMORY 或帶后備電池的 CMOS RAM 來存儲(chǔ)用戶程序。 3. I/O 接口電路（又稱 I/O 單元、 I/O 模塊） 實(shí)際生產(chǎn)過程中， PLC 控制系統(tǒng)所需要采集的輸入信號(hào)的電平、速率等是多 8 種多樣的，系統(tǒng)所控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的電平、速率等更是千差萬別，而 PLC 的CPU 所能處理的信號(hào)只能是標(biāo)準(zhǔn)電平，所以必須設(shè)計(jì)輸入輸出電路來完成電平 轉(zhuǎn)換，速度匹配，驅(qū)動(dòng)功率放大、電氣隔離、 A/D 或 D/A 變換等任務(wù)。 (1) 輸入接口電路。為保證 PLC 能在惡劣的工業(yè)環(huán)境下可靠地工作，三種電路都采用了光電隔離、濾波等措施。輸入器件大部分是無源器件，如常開按鈕，限位開關(guān)，主令控制器等。有源件本身所需的電源一般采用 PLC 輸入端口內(nèi)部所提供的直流24V 電源（容量允許的情況下，否則需外設(shè)電源）。有的 PLC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。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。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。實(shí)際中，繼電器輸出接口電路常采用固態(tài)電子繼電器。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。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。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。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。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。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。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(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。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]。 CPU 按分時(shí)操作方式來順便處理各項(xiàng)任務(wù)。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。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。 PLC 具有很強(qiáng)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(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。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。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。 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。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(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]。 2. 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng)。 4. 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造。 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。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。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)模比較大的場合。 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]。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。 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。有部分特殊功能單元通過可編程控制的編程器接口連接。 FX2N 系列最大輸入輸出點(diǎn)數(shù) 為256 點(diǎn)。 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。 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。因擴(kuò)展單元及擴(kuò)展模塊無 CPU，因此必須與基本單元一起使用。 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 ” 。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。 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)。輸入電路的時(shí)間常數(shù)一般小于10ms。它們一般位于機(jī)器的上端。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。輸出電路的時(shí)間常數(shù)是固定的。它們一般位于機(jī)器的下端。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。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)。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)。 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。 無斷電保持功能的通用狀態(tài)器為 S0～ 499，共 500 點(diǎn)。有斷電保持功能的通用狀態(tài)器為 S500～ S899，共 400 點(diǎn)。 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。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。 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 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 秒（ 10 123ms = ）時(shí)才動(dòng)作，當(dāng) T200觸點(diǎn)吸合后， Y000 就有輸出。 每個(gè)定時(shí)器只有一個(gè)輸入，它與常規(guī)定時(shí)器一樣，線圈通電時(shí)，開始計(jì)時(shí)；斷電時(shí)，自動(dòng)復(fù)位，不保存中間數(shù)值。 如果是積算定時(shí)器，它的符號(hào)接線如下圖 23 所示： 圖 23 積算定時(shí)器 定時(shí)器線圈 T250 的驅(qū)動(dòng)輸入 X001 接通時(shí)， T250 的當(dāng)前值計(jì)數(shù)器對 100 ms的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行累積計(jì)數(shù)，當(dāng)該值與設(shè)定值 K345 相等時(shí)，定時(shí)器的輸出觸點(diǎn)動(dòng)作。當(dāng)復(fù)位輸入 X002 接通 ，定時(shí)器就復(fù)位，輸出觸點(diǎn)也復(fù)位。每一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖上升沿使原來的數(shù)值 1，當(dāng)現(xiàn)時(shí)值減到零時(shí)停止計(jì)數(shù)，同時(shí)觸點(diǎn)閉合。 其設(shè)定值在 K1～ K32767 范圍內(nèi)有效。 通用計(jì)數(shù)器的通道號(hào)： C0 ～ C99，共 100 點(diǎn)。 通用與掉電保持用的計(jì)數(shù)器點(diǎn)數(shù)分配，可由參數(shù)設(shè)置而隨意更改。當(dāng)?shù)?10 次執(zhí)行線圈指令時(shí)，計(jì)數(shù)器 C0 的輸出觸點(diǎn)即動(dòng)作。 當(dāng)復(fù)位輸入 X010 接通（ ON）時(shí)，執(zhí)行 RST 指令，計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值為 0，輸出接點(diǎn)也復(fù) 位。 7. 數(shù)據(jù)寄存器（ D） 數(shù)據(jù)寄存器是計(jì)算機(jī)必不可少的元件，用于存放各種數(shù)據(jù)。 (1) 通用數(shù)據(jù)寄存器 D 通道分配 D 0～ D199，共 200 點(diǎn)。但是，由 RUN→STOP 時(shí)，全部數(shù)據(jù)均清零。 (2) 停電保持用寄存器 通道分配 D200～ D511，共 312 點(diǎn)，或 D200～D999，共 800 點(diǎn)（由機(jī)器的具體型號(hào)定）。除非改寫，否則原有數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，不論電源接通與否， PLC 運(yùn)行與否，其內(nèi)容也不變化。 (3) 特殊功能寄存器 通道分配 D8000～