《電器控制與PLC技術》課件第4章

第4章可編程控制器的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理4.1可編程控制器的系統(tǒng)構(gòu)成4.2可編程控制器的工作原理4.3可編程控制器的分類4.4可編程控制器的系統(tǒng)配置4.5小結(jié)習題

4.1可編程控制器的系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.1可編程控制器的硬件系統(tǒng)

PLC是計算機技術和控制技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的、用于控制的特殊計算機，因此PLC的基本組成與一般的計算機系統(tǒng)類似。

PLC的硬件主要由中央處理器(CPU)、存儲器、輸入單元、輸出單元、通信接口、擴展接口、電源等部分組成。其中，CPU是PLC的核心；輸入單元與輸出單元是連接現(xiàn)場輸入/輸出設備與CPU之間的接口電路；通信接口用于與編程器、上位計算機等外設連接。對于整體式PLC，所有部件都裝在同一機殼內(nèi)，其組成框圖如圖4-1所示；對于模塊式PLC，各部件獨立封裝成模塊，各模塊通過總線連接，安裝在機架或?qū)к壣?，其組成框圖如圖4-2所示。無論是哪種結(jié)構(gòu)類型的PLC，都可根據(jù)用戶的需要進行配置與組合。圖4-1整體式PLC組成框圖圖4-2模塊式PLC組成框圖盡管整體式PLC與模塊式PLC的結(jié)構(gòu)不太一樣，但各部分的功能作用是相同的。下面對PLC的各主要組成部分進行簡單介紹。

1．中央處理單元(CPU)

同一般的微機一樣，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU隨機型不同而不同，常用的有三類：通用微處理器(如Z80、8086、80286等)、單片微處理器(如8031、8096等)和位片式微處理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；大型PLC大多采用高速位片式微處理器。目前，小型PLC為單CPU系統(tǒng)，而中、大型PLC則大多為雙CPU系統(tǒng)，甚至有些PLC中多達8個CPU。對于雙CPU系統(tǒng)，一般一個為字處理器，采用8位或16位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。字處理器為主處理器，用于執(zhí)行編程器接口功能，監(jiān)視內(nèi)部定時器，監(jiān)視掃描時間，處理字節(jié)指令以及對系統(tǒng)總線和位處理器進行控制等。位處理器為從處理器，主要用于處理位操作指令和實現(xiàn)PLC編程語言向機器語言的轉(zhuǎn)換。位處理器的采用，提高了PLC的速度，使PLC更好地滿足了實時控制要求。在PLC中，CPU按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作。歸納起來主要有以下幾個方面：

(1)接收從編程器輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)。

(2)診斷電源、PLC內(nèi)部電路的工作故障和編程中的語法錯誤等。

(3)通過輸入接口接收現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入輸入映像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。

(4)從存儲器逐條讀取用戶程序，經(jīng)過解釋后執(zhí)行。

(5)根據(jù)執(zhí)行的結(jié)果，更新有關標志位的狀態(tài)和輸出映像寄存器的內(nèi)容，通過輸出單元實現(xiàn)輸出控制。有些PLC還具有制表打印或數(shù)據(jù)通信等功能。

2．存儲器

存儲器主要有兩種：一種是可讀/寫操作的隨機存儲器RAM；另一種是只讀存儲器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存儲器主要用于存放系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)程序是由PLC的制造廠家編寫的，和PLC的硬件組成有關，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能，提供PLC運行的平臺。系統(tǒng)程序關系到PLC的性能，而且在PLC使用過程中不會變動，所以是由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中的，用戶不能訪問和修改。用戶程序是隨PLC的控制對象而定的、由用戶根據(jù)對象生產(chǎn)工藝的控制要求而編制的應用程序。為了便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證斷電時不會丟失信息。為了防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序經(jīng)過運行確認正常，不需要改變時，可將其固化在只讀存儲器EPROM中?，F(xiàn)在也有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。工作數(shù)據(jù)是PLC運行過程中經(jīng)常變化、經(jīng)常存取的一些數(shù)據(jù)。它存放在RAM中，以適應隨機存取的要求。在PLC的工作數(shù)據(jù)存儲器中，設有存放輸入/輸出繼電器、輔助繼電器、定時器、計數(shù)器等邏輯器件的存儲區(qū)，這些器件的狀態(tài)都是由用戶程序的初始設置和運行情況而確定的。根據(jù)需要，部分數(shù)據(jù)在斷電時用后備電源維持其現(xiàn)有的狀態(tài)，這部分在斷電時可保存數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域稱為保持數(shù)據(jù)區(qū)。

由于系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)與用戶無直接聯(lián)系，因此在PLC產(chǎn)品樣本或使用手冊中所列存儲器的形式及容量是指用戶程序存儲器。當PLC提供的用戶存儲器容量不夠用時，許多PLC還提供存儲器擴展功能。

3．輸入/輸出單元

輸入/輸出單元通常也稱為I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接部件。PLC通過輸入接口可以檢測被控對象的各種數(shù)據(jù)，并以這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進行控制的依據(jù)；同時，PLC又通過輸出接口將處理結(jié)果送給被控制對象，以實現(xiàn)控制目的。由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU的處理信息只能是標準電平，因而I/O接口必須要實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。I/O接口一般都具有光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力。另外，I/O接口上通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。

PLC提供了多種操作電平和驅(qū)動能力的I/O接口，有各種功能的I/O接口供用戶選用。I/O接口的主要類型有：數(shù)字量(開關量)輸入、數(shù)字量(開關量)輸出、模擬量輸入、模擬量輸出等。常用的開關量輸入接口按其使用的電源不同有三種類型：直流輸入接口、交流輸入接口和交/直流輸入接口，其基本原理電路如圖4-3所示。

常用的開關量輸出接口按輸出開關器件不同有三種類型：繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出，其基本原理電路如圖4-4所示。繼電器輸出接口可驅(qū)動交流或直流負載，但其響應時間長，動作頻率低；晶體管輸出和雙向晶閘管輸出接口的響應速度快，動作頻率高，但前者只能用于驅(qū)動直流負載，后者只能用于驅(qū)動交流負載。圖4-3開關量輸入接口(a)直流輸入；(b)交流輸入；(c)交/直流輸入圖4-4開關量輸出接口(a)繼電器輸出；(b)晶體管輸出；(c)雙向晶閘管輸出

PLC的I/O接口所能接收的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)稱為PLC輸入/輸出(I/O)點數(shù)。I/O點數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當系統(tǒng)的I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。

4．通信接口

PLC配有各種通信接口，這些通信接口一般都帶有通信處理器。PLC通過這些通信接口可與監(jiān)視器、打印機、其他PLC、計算機等設備實現(xiàn)通信。PLC與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打??；與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來；與其他PLC連接，可組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂?；與計算機連接，可組成多級分布式控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制與管理相結(jié)合。

遠程I/O系統(tǒng)也必須配備相應的通信接口模塊。

5．智能接口模塊

智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口。它作為PLC系統(tǒng)的一個模塊，通過總線與PLC相連，進行數(shù)據(jù)交換，并在PLC的協(xié)調(diào)管理下獨立地進行工作。

PLC的智能接口模塊種類很多，如高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。

6．編程裝置

編程裝置的作用是編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，也可在線監(jiān)控PLC內(nèi)部狀態(tài)和參數(shù)，與PLC進行人機對話。它是開發(fā)、應用、維護PLC不可缺少的工具。編程裝置可以是專用編程器，也可以是配有專用編程軟件包的通用計算機系統(tǒng)。專用編程器由PLC廠家生產(chǎn)，專供該廠家生產(chǎn)的某些PLC產(chǎn)品使用，它主要由鍵盤、顯示器和外存儲器接插口等部件組成。專用編程器有簡易編程器和智能編程器兩類。簡易編程器通常只能聯(lián)機編程，而且不能直接輸入和編輯梯形圖程序，需將梯形圖程序轉(zhuǎn)化為指令表程序才能輸入。簡易編程器體積小、價格便宜，它可以直接插在PLC的編程插座上，或者用專用電纜與PLC相連，以方便編程和調(diào)試。有些簡易編程器帶有存儲盒，可用來儲存用戶程序，如三菱的FX-20P-E簡易編程器。

智能編程器又稱圖形編程器，本質(zhì)上它是一臺專用便攜式計算機，如三菱的GP-80FX-E智能型編程器。它既可聯(lián)機編程，又可脫機編程?？芍苯虞斎牒途庉嬏菪螆D程序，使用更加直觀、方便，但價格較高，操作也比較復雜。大多數(shù)智能編程器帶有磁盤驅(qū)動器，提供錄音機接口和打印機接口。專用編程器只能對指定廠家的幾種PLC進行編程，使用范圍有限，價格較高。同時，由于PLC產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，因而專用編程器的生命周期也十分有限。因此，現(xiàn)在的趨勢是使用以個人計算機為基礎的編程裝置，用戶只要購買PLC廠家提供的編程軟件和相應的硬件接口裝置即可。這樣，用戶只用較少的投資即可得到高性能的PLC程序開發(fā)系統(tǒng)。

基于個人計算機的程序開發(fā)系統(tǒng)功能強大。它既可以編制、修改PLC的梯形圖程序，又可以監(jiān)視系統(tǒng)運行、打印文件、系統(tǒng)仿真等，配上相應的軟件還可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析等許多功能。

7.電源

PLC配有開關電源，以供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。對電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定性要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內(nèi)波動。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。

8.其他外部設備

除了以上所述的部件和設備外，PLC還有許多外部設備，如EPROM存儲器、外存儲器、人機接口裝置等。

EPROM存儲器是用來將用戶程序固化到EPROM存儲器中的一種PLC外部設備。為了使調(diào)試好的用戶程序不易丟失，經(jīng)常用EPROM存儲器將PLC內(nèi)RAM的內(nèi)容保存到EPROM中。

PLC內(nèi)部的半導體存儲器稱為內(nèi)存儲器。有時可用外部的磁帶、磁盤和用半導體存儲器作成的存儲盒等來存儲PLC的用戶程序，這些存儲器件稱為外存儲器。外存儲器一般通過編程器或其他智能模塊提供的接口，實現(xiàn)與內(nèi)存儲器之間相互傳送用戶程序。

人機接口裝置是用來實現(xiàn)操作人員與PLC控制系統(tǒng)的對話的。最簡單、最普遍的人機接口裝置由安裝在控制臺上的按鈕、轉(zhuǎn)換開關、撥碼開關、指示燈、LED顯示器、聲光報警器等器件構(gòu)成。對于PLC系統(tǒng)，還可采用半智能型CRT人機接口裝置和智能型終端人機接口裝置。半智能型CRT人機接口裝置可長期安裝在控制臺上，通過通信接口接收來自PLC的信息并在CRT上顯示出來；而智能型終端人機接口裝置有自己的微處理器和存儲器，能夠與操作人員快速交換信息，并通過通信接口與PLC相連，也可作為獨立的節(jié)點接入PLC網(wǎng)絡。4.1.2可編程控制器的軟件系統(tǒng)

PLC的軟件由系統(tǒng)程序和用戶程序組成。

系統(tǒng)程序由PLC制造廠商設計編寫，并存入PLC的系統(tǒng)存儲器中，用戶不能直接讀寫與更改。系統(tǒng)程序一般包括系統(tǒng)診斷程序、輸入處理程序、編譯程序、信息傳送程序、監(jiān)控程序等。

PLC的用戶程序是用戶利用PLC的編程語言，根據(jù)控制要求編制的程序。在PLC的應用中，最重要的是用PLC的編程語言來編寫用戶程序，以實現(xiàn)控制目的。由于PLC是專門為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是廣大電氣技術人員，因而為了滿足他們的傳統(tǒng)習慣和掌握能力，PLC的主要編程語言采用比計算機語言相對簡單、易懂、形象的專用

語言。

PLC編程語言是多種多樣的，對于不同生產(chǎn)廠家、不同系列的PLC產(chǎn)品，采用的編程語言的表達方式也不相同，但基本上可歸納為兩種類型：一是采用字符表達方式的編程語言，如語句表等；二是采用圖形符號表達方式的編程語言，如梯形圖等。具體可參見5.2節(jié)的內(nèi)容。

4.2可編程控制器的工作原理

4.2.1可編程控制器的工作過程

當PLC運行時，是通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來完成控制任務的，需要執(zhí)行眾多的操作，但CPU不可能同時去執(zhí)行多個操作，它只能按分時操作(串行工作)方式，每一次執(zhí)行一個操作，按順序逐個執(zhí)行。由于CPU的運算處理速度很快，因而從宏觀上來看，PLC外部出現(xiàn)的結(jié)果似乎是同時(并行)完成的。這種串行工作過程稱為PLC的掃描工作方式。用掃描工作方式執(zhí)行用戶程序時，掃描從第一條程序開始，在無中斷或跳轉(zhuǎn)控制的情況下，按程序存儲順序的先后，逐條執(zhí)行用戶程序，直到程序結(jié)束。然后再從頭開始掃描執(zhí)行，周而復始重復運行。

PLC的掃描工作方式與繼電器控制的工作原理明顯不同。繼電器控制裝置采用硬邏輯的并行工作方式，如果某個繼電器的線圈通電或斷電，那么該繼電器的所有常開和常閉觸點不論處在控制線路的哪個位置上，都會立即同時動作。而PLC采用掃描工作方式(串行工作方式)，如果某個軟繼電器的線圈被接通或斷開，其所有的觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才動作。但由于PLC的掃描速度快，通常PLC與電氣控制裝置在I/O的處理結(jié)果上并沒有什么差別。

PLC的掃描工作過程除了執(zhí)行用戶程序外，在每次掃描工作過程中還要完成內(nèi)部處理、通信服務等工作。如圖4-5所示，整個掃描工作過程包括內(nèi)部處理、通信服務、輸入采樣、程序執(zhí)行、輸出刷新五個階段。整個掃描過程執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。掃描周期與CPU運行速度、PLC硬件配置及用戶程序長短有關，典型值為1～100ms。

在內(nèi)部處理階段，進行PLC自檢，檢查內(nèi)部硬件是否正常，對監(jiān)視定時器(WDT)復位以及完成一些其他的內(nèi)部處理工作。圖4-5掃描過程示意圖在通信服務階段，PLC與其他智能裝置實現(xiàn)通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內(nèi)容等。

當PLC處于停止(STOP)狀態(tài)時，只完成內(nèi)部處理和通信服務工作。當PLC處于運行(RUN)狀態(tài)時，除完成內(nèi)部處理和通信服務工作外，還要完成輸入采樣信號、程序執(zhí)行、輸出刷新等工作。

PLC的掃描工作方式簡單直觀，便于程序的設計，并為可靠運行提供了保障。當PLC掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就被后面將要掃描到的指令所利用，而且還可通過CPU內(nèi)部設置的監(jiān)視定時器來監(jiān)視每次掃描是否超過規(guī)定時間，避免由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進入死循環(huán)。4.2.2可編程控制器對輸入/輸出的處理原則

PLC執(zhí)行程序的過程分為三個階段，即輸入采樣階段、程序執(zhí)行階段、輸出刷新階段，如圖4-6所示。圖4-6PLC執(zhí)行程序過程示意圖

1．輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC以掃描工作方式按順序?qū)λ休斎攵说妮斎霠顟B(tài)進行采樣，并存入輸入映像寄存器中，此時輸入映像寄存器被刷新。接著進入程序執(zhí)行階段，在程序執(zhí)行階段或其他階段，即使輸入狀態(tài)發(fā)生變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容也不會改變，輸入狀態(tài)的變化只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被采樣到。

2．程序執(zhí)行階段

在程序執(zhí)行階段，PLC對程序按順序進行掃描執(zhí)行。若程序用梯形圖來表示，則總是按先上后下，先左后右的順序進行。當遇到程序跳轉(zhuǎn)指令時，則根據(jù)跳轉(zhuǎn)條件是否滿足來決定程序是否跳轉(zhuǎn)。當指令中涉及到輸入、輸出狀態(tài)時，PLC從輸入映像寄存器和元件映像寄存器中讀出，根據(jù)用戶程序進行運算，運算的結(jié)果再存入元件映像寄存器中。對于元件映像寄存器來說，其內(nèi)容會隨程序執(zhí)行的過程而變化。

3．輸出刷新階段

當所有程序執(zhí)行完畢后，進入輸出處理階段。在這一階段里，PLC將輸出映像寄存器中與輸出有關的狀態(tài)(輸出繼電器狀態(tài))轉(zhuǎn)存到輸出鎖存器中，并通過一定的方式輸出，驅(qū)動外部負載。

因此，PLC在一個掃描周期內(nèi)，對輸入狀態(tài)的采樣只在輸入采樣階段進行。當PLC進入程序執(zhí)行階段后輸入端將被封鎖，直到下一個掃描周期的輸入采樣階段才對輸入狀態(tài)進行重新采樣。這種方式稱為集中采樣，即在一個掃描周期內(nèi)，集中一段時間對輸入狀態(tài)進行采樣。在用戶程序中，如果對輸出結(jié)果多次賦值，則最后一次有效。在一個掃描周期內(nèi)，只在輸出刷新階段才將輸出狀態(tài)從輸出映像寄存器中輸出，對輸出接口進行刷新；在其他階段里，輸出狀態(tài)一直保存在輸出映像寄存器中。這種方式稱為集中輸出。

對于小型PLC，其I/O點數(shù)較少，用戶程序較短，一般采用集中采樣、集中輸出的工作方式，雖然在一定程度上降低了系統(tǒng)的響應速度，但使PLC工作時大多數(shù)時間與外部輸入/輸出設備隔離，從根本上提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的可靠性。而對于大、中型PLC，其I/O點數(shù)較多，控制功能強，用戶程序較長，為提高系統(tǒng)響應速度，可以采用定期采樣、定期輸出方式，或采用中斷輸入、輸出方式以及智能I/O接口等多種方式。下面以如圖4-7所示的簡單例子引出由于PLC掃描工作方式的不同所帶來的輸入/輸出響應滯后問題。圖4-7PLC掃描工作方式不同時的輸入/輸出響應滯后問題(a)?Y1、Y2在同一個掃描周期內(nèi)；(b)?Y1、Y2在兩個掃描周期內(nèi)4.2.3輸入/輸出滯后分析

由上述兩節(jié)分析可知，從PLC的輸入端輸入信號發(fā)生變化到PLC輸出端對該輸入變化作出反應，需要一段時間，這種現(xiàn)象稱為PLC輸入/輸出響應滯后。對一般的工業(yè)控制，這種滯后是完全允許的。應該注意的是，這種響應滯后不僅是由PLC掃描工作方式造成的，而且更主要是PLC輸入接口的濾波環(huán)節(jié)帶來的輸入延遲，以及輸出接口中驅(qū)動器件的動作時間帶來的輸出延遲，同時還與程序設計有關。滯后時間是設計PLC應用系統(tǒng)時應注意把握的一個參數(shù)。

4.3可編程控制器的分類

4.3.1按硬件的結(jié)構(gòu)類型分類

根據(jù)PLC的結(jié)構(gòu)形式，可將PLC分為整體式和模塊式兩類。

1)整體式PLC

整體式PLC是將電源、CPU、I/O接口等部件都集中裝在一個機箱內(nèi)的形式，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低的特點(見圖4-8)。小型PLC一般采用這種整體式結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點數(shù)的基本單元(又稱主機)和擴展單元組成?；締卧獌?nèi)有CPU、I/O接口、與I/O擴展單元相連的擴展口，以及與編程器或EPROM存儲器相連的接口等。擴展單元內(nèi)只有I/O和電源等，沒有CPU?；締卧蛿U展單元之間一般用扁平電纜連接。整體式PLC一般還可配備特殊功能單元，如模擬量單元、位置控制單元等，使其功能得以擴展。圖4-8整體式PLC

2)模塊式PLC

模塊式PLC是將PLC各組成部分分別做成若干個單獨的模塊，如CPU模塊、I/O模塊、電源模塊(有的含在CPU模塊中)以及各種功能模塊(見圖4-9)的形式。模塊式PLC由框架或基板和各種模塊組成。模塊裝在框架或基板的插座上。這種模塊式PLC的特點是配置靈活，可根據(jù)需要選配不同規(guī)模的系統(tǒng)，而且裝配方便，便于擴展和維修。大、中型PLC一般采用模塊式結(jié)構(gòu)。圖4-9模塊式PLC

3)疊裝式PLC

還有一些PLC將整體式PLC和模塊式PLC的特點結(jié)合起來，構(gòu)成所謂的疊裝式(緊湊式)PLC(見圖4-10)。疊裝式PLC的CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行連接的，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得小巧。圖4-10疊裝式PLC4.3.2按應用規(guī)模及功能分類

根據(jù)PLC的I/O點數(shù)的多少，可將PLC分為小型、中型和大型三類。

(1)小型PLC。I/O點數(shù)為256點以下的為小型PLC。其中，I/O點數(shù)小于64點的為超小型或微型PLC。

(2)中型PLC。I/O點數(shù)為256點以上、2048點以下的為中型PLC。

(3)大型PLC。I/O點數(shù)為2048以上的為大型PLC。其中，I/O點數(shù)超過8192點的為超大型PLC。根據(jù)PLC所具有的功能不同，可將PLC分為低檔、中檔和高檔三類。

(1)低檔PLC。具有邏輯運算、定時、計數(shù)、移位以及自診斷、監(jiān)控等基本功能，還可有少量模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、通信等功能，主要用于邏輯控制、順序控制或少量模擬量控制的單機控制系統(tǒng)。

(2)中檔PLC。除具有低檔PLC的功能外，還具有較強的模擬量輸入/輸出、算術運算、數(shù)據(jù)傳送和比較、數(shù)制轉(zhuǎn)換、遠程I/O、子程序、通信聯(lián)網(wǎng)等功能。有些還可增設中斷控制、PID控制等功能，適用于復雜控制系統(tǒng)。

(3)高檔PLC。除具有中檔PLC的功能外，還增加了帶符號算術運算、矩陣運算、位邏輯運算、平方根運算及其他特殊功能函數(shù)的運算、制表及表格傳送功能等。高檔PLC具有更強的通信聯(lián)網(wǎng)功能，可用于大規(guī)模過程控制或構(gòu)成分布式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠自動化。

在實際中，一般PLC功能的強弱與其I/O點數(shù)的多少是相互關聯(lián)的，即PLC的功能越強，其可配置的I/O點數(shù)越多。因此，通常我們所說的小型、中型、大型PLC，除指其I/O點數(shù)不同外，同時也表示其對應功能為低檔、中檔和高檔。4.3.3按生產(chǎn)廠家分類

自從第一臺PLC出現(xiàn)以后，日本、德國、法國等也相繼開始研制PLC，并得到了迅速的發(fā)展。目前，世界上有200多家PLC廠商，400多品種的PLC產(chǎn)品，按地域可分成美國、歐洲和日本三個流派產(chǎn)品，各流派的PLC產(chǎn)品各具特色，如日本主要發(fā)展中小型PLC，其小型PLC性能先進，結(jié)構(gòu)緊湊，價格便宜，在世界市場上占有重要地位。著名的PLC生產(chǎn)廠家主要有美國的A-B(Allen-Bradly)公司、GE(GeneralElectric)公司，日本的三菱電機(MitsubishiElectric)公司、歐姆龍(OMRON)公司，德國的AEG公司、西門子(Siemens)公司，法國的TE(Telemecanique)公司等。我國的PLC研制、生產(chǎn)和應用也發(fā)展很快，尤其在應用方面更為突出。在20世紀70年代末和80年代初，我國隨國外成套設備、專用設備引進了不少國外的PLC。此后，在傳統(tǒng)設備改造和新設備設計中，PLC的應用逐年增多，并取得顯著的經(jīng)濟效益。現(xiàn)在PLC在我國的應用越來越廣泛，對提高我國工業(yè)自動化水平起到了巨大的作用。目前，我國不少科研單位和工廠在研制和生產(chǎn)PLC，如遼寧無線電二廠、無錫華光電子公司、上海香島電機制造公司、廈門A-B公司等。

4.4可編程控制器的系統(tǒng)配置

4.4.1FX系列型號名稱的含義

FX系列PLC是近年來由三菱公司推出的高性能小型可編程控制器，正在逐步替代三菱公司的原F、F1、F2系列PLC產(chǎn)品。其中，F(xiàn)X2是1991年推出的產(chǎn)品，F(xiàn)X0是在FX2之后推出的超小型PLC，近幾年來又連續(xù)推出了將眾多功能凝集在超小型機殼內(nèi)的FX0S、FX1S、FX0N、FX1N、FX2N、FX2NC等系列PLC，具有較高的性價比，應用廣泛。它們采用整體式和模塊式相結(jié)合的疊裝式結(jié)構(gòu)。

FX系列PLC型號的含義如下：

(1)系列名稱：如0、2、0S、1S、0N、1N、2N、2NC等。

(2)輸入/輸出總點數(shù)：并不具體對應輸入、輸出各自點數(shù)，其各自點數(shù)要具體對應產(chǎn)品說明書。

(3)單元類型：M──基本單元；

E──輸入/輸出混合擴展單元；

Ex──擴展輸入模塊；

EY──擴展輸出模塊。

(4)輸出方式：R──繼電器輸出；

S──晶閘管輸出；

T──晶體管輸出。

(5)特殊品種：D──DC電源，DC輸出；

A1──AC電源，AC(AC100～120V)輸入

或AC輸出模塊；

H──大電流輸出擴展模塊；

V──立式端子排的擴展模塊；

C──接插口輸入/輸出方式；

F──輸入濾波時間常數(shù)為1ms的擴展模塊。如果特殊品種一項無符號，則表示AC電源、DC輸入、橫式端子排、標準輸出。

例如，F(xiàn)X2N-32MT-D表示FX2N系列，32個I/O點基本單位，晶體管輸出，使用直流電源，24V直流輸出型。4.4.2FX系列可編程控制器的基本構(gòu)成

FX系列PLC的硬件包括基本單元、擴展單元、擴展模塊、模擬量輸入/輸出模塊、各種特殊功能模塊及外部設備等。

1．FX系列PLC的基本單元

基本單元是構(gòu)成PLC系統(tǒng)的核心部件，包括CPU、存儲器、I/O模塊、通信接口和擴展接口等。FX系列PLC有眾多的子系列，現(xiàn)以FX0S、FX0N、FX2N三個子系列為例加以介紹。

1)?FX0S系列的基本單元

FX0S系列產(chǎn)品的功能簡單，價格便宜，適用于小型開關量控制系統(tǒng)。它只有基本單元，沒有擴展單元，其基本單元如表4-1所示。表4-1FX0S系列的基本單元

FX0S容量為800步，有20條基本指令，2條步進指令，35種、50條功能指令。FX0S編程元件包括500多點輔助繼電器、64點狀態(tài)寄存器、56點定時器和一個模擬定時器，有16個16位的計數(shù)器及4點1相7kHz或1點2相32位高速加/減計數(shù)器、61點16位數(shù)據(jù)寄存器，還有64點轉(zhuǎn)移用跳步指針及4點中斷指針。

2)?FX0N系列的基本單元

FX0N的基本單元共有12種，最大的I/O點數(shù)為60。它可帶三種擴展單元，七種擴展模塊，可組成24～128個I/O點的系統(tǒng)，其基本單元如表4-2所示。表4-2FX0N系列的基本單元

FX0N的EEPROM用戶存儲器容量為2000步，基本指令有20條，步進指令2條，應用指令36種、51條。FX0N有500多點的輔助繼電器、128點狀態(tài)寄存器、95個定時器和45個計數(shù)器(其中高速計數(shù)器13個)，還有大量的數(shù)據(jù)寄存器，76點指針用于跳轉(zhuǎn)、中斷和嵌套。FX0N有較強的通信功能，可與內(nèi)置RS-232C通信接口的設備通信，如使用FX0N-485APP模塊，可與計算機實現(xiàn)1∶N(最多8臺)的通信。FX0N還備有8位模擬量輸入/輸出模塊(2路輸入，1路輸出)，用以實現(xiàn)模擬量的控制。由于FX0N體積小、功能強、使用靈活，因而特別適用于因安裝尺寸的限制而難以采用其他PLC的機械設備上。

3)?FX2N系列的基本單元

FX2N系列是FX家族中最先進的PLC系列。

FX2N基本單位有16/32/48/65/80/128點，六個基本FX2N單元中的每一個單元都可以通過I/O擴展單元擴充為256個I/O點，其基本單元如表4-3所示。表4-3FX2N系列的基本單元

FX2N具有豐富的元件資源，有3072點輔助繼電器；提供了多種特殊功能模塊，可實現(xiàn)過程控制、位置控制；有多種RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模塊或功能擴展板支持網(wǎng)絡通信。FX2N具有較強的數(shù)學指令集，使用32位處理浮點數(shù)，具有方根和三角幾何指令，滿足數(shù)學功能要求，有很高的數(shù)據(jù)處理速度。

2．FX系列的I/O擴展單元和擴展模塊

FX系列具有較為靈活的I/O擴展功能，可利用擴展單元及擴展模塊實現(xiàn)I/O擴展。

1)?FX0N的I/O擴展

FX0N系列共有三種擴展單元，如表4-4所示。FX0N的擴展模塊如表4-5所示。表4-4FX0N系列的擴展單元表4-5FX0N系列的擴展模塊

2)?FX2N的I/O擴展

FX2N子系列的擴展單元如表4-6所示。FX2N子系列的擴展模塊如表4-7所示。表4-6FX2N子系列擴展單元表4-7FX2N子系列的擴展模塊此外，F(xiàn)X系列還可將一塊功能擴展板安裝在基本單元內(nèi)，無需外部的安裝空間。例如，F(xiàn)X1N-4EX-BD就是可用來擴展4個輸入點的擴展板。

3．FX系列的特殊功能模塊

1)模擬量輸入/輸出模塊

(1)模擬量輸入/輸出模塊FX0N-3A。?該模塊具有2路模擬量輸入(0～10VDC或4～20mADC)通道和1路模擬量輸出通道。其輸入通道數(shù)字分辨率為8位，A/D的轉(zhuǎn)換時間為100μs，在模擬與數(shù)字信號之間采用光電隔離，該模塊占用8個I/O點，適用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。

(2)模擬量輸入模塊FX2N-2AD。該模塊為2路電壓輸入(0～10VDC，0～5VDC)或電流輸入(4～20mADC)，12位高精度分辨率，轉(zhuǎn)換的速度為2.5ms/通道。該模塊占用8個I/O點。適用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。

(3)模擬量輸入模塊FX2N-4AD。該模塊有4個輸入通道，其分辨率為12位?？蛇x擇電流或電壓輸入，選擇通過用戶接線來實現(xiàn)?？蛇x的模擬值范圍為±10VDC(分辨率為5mV)或4～20mA、-20～20mA(分辨率為20μA)。轉(zhuǎn)換的速度最高為6ms/通道。FX2N-4AD占用8個I/O點。

(4)模擬量輸出模塊FX2N-2DA。該模塊用于將12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成兩點模擬輸出。輸出的形式可為電壓，也可為電流，其選擇取決于接線方式。電壓輸出時，兩個模擬輸出通道輸出信號為0～10VDC和0～5VDC；電流輸出時為4～20mADC。分辨率為2.5mV(0～10VDC)和4μA(4～20mA)。數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換特性可進行調(diào)整。轉(zhuǎn)換速度為4ms/通道。本模塊需占用8個I/O點，適用于FX1N、FX2N、FX2N子系列。

(5)模擬量輸出模塊FX2N-4DA。該模塊有4個輸出通道，提供了12位高精度分辨率的數(shù)字輸入，轉(zhuǎn)換速度為2.1ms/通道，使用的通道數(shù)發(fā)生變化時不會改變轉(zhuǎn)換速度。其他的性能與FX2N-2DA相似。

(6)模擬量輸入模塊FX2N-4AD-PT。該模塊與PT100型溫度傳感器匹配，將來自四個箔溫度傳感器(PT100，3線，100Ω)的輸入信號放大，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成12位可讀數(shù)據(jù)，存儲在主機單元中。攝氏度和華氏度數(shù)據(jù)都可讀取。它內(nèi)部有溫度變送器和模擬量輸入電路，可以矯正傳感器的非線性，讀分辨率為0.2～0.3?℃，轉(zhuǎn)換速度為15ms/通道。所有的數(shù)據(jù)傳送和參數(shù)設置都可以通過FX2N-4AD-PT的軟件組態(tài)完成，由FX2N的FROM/TO應用指令來實現(xiàn)。FX2N-4AD-PT占用8個I/O點，可用于FX1N、FX2N、FX2NC子系統(tǒng)，為溫控系統(tǒng)提供了方便。

(7)模擬量輸入模塊FX2N-4AD-TC。該模塊與熱電偶型溫度傳感器匹配，將來自四個熱電耦傳感器的輸入信號放大，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成12位的可讀數(shù)據(jù)，存儲在主單元中。攝氏度和華氏度數(shù)據(jù)均可讀取，讀分辨率在類型為K時為0.2℃，類型為J時為0.3℃，可與K型(-100～1200℃)和J型(-100～600℃)熱電偶配套使用。4個通道分別使用K型或J型，轉(zhuǎn)換速度為240ms/通道。所有的數(shù)據(jù)傳輸和參數(shù)設置都可以通過FX2N-4AD-TC的軟件組態(tài)完成，占用8個I/O點。

2)?PID過程控制模塊

FX2N-2LC溫度調(diào)節(jié)模塊用在溫度控制系統(tǒng)中。該模塊配有2通道的溫度輸入和2通道晶體管輸出，即一塊能組成兩個溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。模塊提供了自調(diào)節(jié)的PID控制和PI控制，控制的運行周期為500ms，占用8個I/O點數(shù)，可用于FX1N、FX2N、FX2NC子系列。

3)定位控制模塊

在機械工作運行過程中，工作的速度與精度往往存在矛盾，為提高機械效率而提高速度時，停車控制上便出現(xiàn)了問題。所以進行定位控制是十分必要的。舉一個簡單的例子，電機帶動的機械由啟動位置返回原位，如以最快的速度返回，則由于高速停車慣性大，在返回原位時偏差必然較大，如圖4-11(a)所示；若采用如圖4-11(b)所示的方式先減速，便可保證定位的準確性。圖4-11定位控制模塊在位置控制系統(tǒng)中，常會采用伺服電機和步進電機作為驅(qū)動裝置，既可采用開環(huán)控制，也可采用閉環(huán)控制。對于步進電機，我們可以采用調(diào)節(jié)發(fā)送脈沖的速度改變機械的工作速度。使用FX系列PLC，通過脈沖輸出形式的定位單元或模塊，即可實現(xiàn)一點或多點的定位。下面介紹FX2N系列的脈沖輸出模塊和定位控制模塊。

(1)脈沖輸出模塊。FX2N-1PG。FX2N-1PG脈沖發(fā)生器單元可以完成一個對獨立軸的定位，這是通過向伺服或步進馬達的驅(qū)動放大器提供指定數(shù)量的脈沖來實現(xiàn)的。FX2N-1PG只用于FX2N子系列，用FROM/TO指令設定各種參數(shù)，讀出定位值和運行速度。該模塊占用8個I/O點。輸出最高為100kHz的脈沖串。

(2)定位控制器FX2N-10GM。FX2N-10GM為脈沖序列輸出單元，它是單軸定位單元，不僅能處理單速定位和中斷定位，而且能處理復雜的控制，如多速操作。FX2N-10GM最多可有8個連接在FX2N系列的PLC上，最大輸出脈沖為200kHz。

(3)定位控制器FX2N-20GM。一個FX2N-20GM可控制兩個軸，可執(zhí)行直線插補、圓弧插補或獨立的兩軸定位控制，最大輸出脈沖串為200kHz(在插補期間，最大為100kHz)。FX2N-10GM、FX2N-20GM均具有流程圖的編程軟件，可使程序的開發(fā)具有可視性。

(4)可編程凸輪開關FX2N-1RM-E-SET。在機械傳動控制中經(jīng)常要對角位置進行檢測，在不同的角度位置時發(fā)出不同的導通、關斷信號。過去采用機械凸輪開關。機械式開關雖精度高但易磨損。FX2N-1RM-SET可編程凸輪開關可用來取代機械凸輪開關，以實現(xiàn)高精度角度位置檢測。配套的轉(zhuǎn)角傳感器電纜長度最長可達100m。應用時與其他可編程凸輪開關主體、無刷分解器等一起可進行高精度的動作角度設定和監(jiān)控，其內(nèi)部有EEPROM，無需電池?？蓛Υ姘朔N不同的程序。FX2N-1RM-SET可接在FX2N上，也可單獨使用。FX2N最多可接三塊。它在程序中占用PLC的8個I/O點。

4)數(shù)據(jù)通信模塊

PLC的通信模塊用來完成與別的PLC、其他智能控制設備或計算機之間的通信。以下簡單介紹FX系列通信用功能擴展板、適配器及通信模塊。

(1)通信擴展板FX2N-232-BD。FX2N-232-BD是以RS-232C傳輸標準連接PLC與其他設備的接口板。諸如個人計算機、條碼閱讀器或打印機等可安裝在FX2N內(nèi)部。其最大傳輸距離為15m，最高波特率為19200bit/s。利用專用軟件可實現(xiàn)對PLC運行狀態(tài)的監(jiān)控，也可方便地由個人計算機向PLC傳送程序。

(2)通信接口模塊FX2N-232IF。FX2N-232IF連接到FX2N系列PLC上，可實現(xiàn)與其他配有RS-232C接口的設備進行全雙工串行通信，例如個人計算機、打印機、條碼閱讀器等。在FX2N系列上最多可連接8塊FX2N-232IF模塊。用FROM/TO指令收發(fā)數(shù)據(jù)。最大傳輸距離為15m，最高波特率為19200bit/s，占用8個I/O點。數(shù)據(jù)長度、串行通信波特率等都可由特殊數(shù)據(jù)寄存器設置。

(3)通信擴展板FX2N-485-BD。FX2N-485-BD用于RS-485通信方式。它可以應用于無協(xié)議的數(shù)據(jù)傳送。FX2N-485-BD在原協(xié)議通信方式時，利用RS指令在個人計算機、條碼閱讀器、打印機之間進行數(shù)據(jù)傳送。傳送的最大傳輸距離為50m，最高波特率也為19200bit/s。每一臺FX2N系列PLC可安裝一塊FX2N-485-BD通信板。除利用此通信板實現(xiàn)與計算機的通信外，還可以用它實現(xiàn)兩臺FX2N系列PLC之間的并聯(lián)。

(4)通信擴展板FX2N-422-BD。FX2N-422-BD應用于RS-422通信，可連接在FX2N系列的PLC上，并作為編程或控制工具的一個端口?？捎么私涌谠赑LC上連接PLC的外部設備、數(shù)據(jù)存儲單元和人機界面。利用FX2N-422-BD可連接兩個數(shù)據(jù)存儲單元(DU)或一個DU系列單元和一個編程工具，但一次只能連接一個編程工具。每一個基本單元只能連接一個FX2N-422-BD，且不能與FX2N-485-BD或FX2N-232-BD一起使用。

(5)接口模塊MSLSECNET/MINI。采用MSLSECNET/

MINI接口模塊，F(xiàn)X系列PLC可用作A系列PLC的就地控制站，構(gòu)成集散控制系統(tǒng)。

以上僅對FX系列通信模塊作了簡單的介紹，具體的應用在以后的章節(jié)中再做詳述。

5)高速計數(shù)模塊

PLC中普通的計數(shù)器由于受到掃描周期的限制，其最高的工作頻率不高，一般僅有幾十千赫茲，而在工業(yè)應用中有時超過這個工作頻率。高速計數(shù)模塊滿足了這一要求，它可達到對幾十千赫茲以上，甚至兆赫茲的脈沖計數(shù)。FX2N內(nèi)部設有高速計數(shù)器，系統(tǒng)還配有FX2N-1HC高速計數(shù)器模塊，可作為兩相50kHz通道的高速計數(shù)。通過PLC的指令或外部輸入可進行計數(shù)器的復位或啟動，其技術指標如表4-8所示。表4-8FX2N-1HC高速計數(shù)器模塊技術指標

4．FX系列PLC的編程器及其他外部設備

1)?FX系列編程器

編程器是PLC的一個重要外圍設備，用它將用戶程序?qū)懭隤LC用戶程序存儲器。它一方面對PLC進行編程，另一方面又對PLC的工作狀態(tài)進行監(jiān)控。隨著PLC技術的發(fā)展，編程語言的多樣化，編程器的功能也不斷增加。

(1)簡易編程器。FX型PLC的簡易編程器較多，最常用的是FX-10P-E和FX-20P-E手持型簡易編程器。它們具有體積小、重量輕、價格便宜、功能強的特點。簡易編程器有在線編程和離線編程兩種方式，采用液晶顯示屏顯示，分別顯示2行和4行字符，配有ROM寫入器接口、存儲器卡盒接口。編程器可用指令表的形式讀出、寫入、插入和刪除指令，進行用戶程序的輸入和編輯；可監(jiān)視位編程元件的ON/OFF狀態(tài)和字編程元件中的數(shù)據(jù)，如計數(shù)器、定時器的當前值及設定值、內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的值以及PLC內(nèi)部的其他信息。有關編程器的使用詳見第8章。

(2)?PC機+編程開發(fā)軟件。FX系列還有一些編程開發(fā)軟件，如GX開發(fā)器。它可以用于生成涵蓋所有三菱PLC設備的軟件包，使用該軟件可以為FX、A等系列PLC生成程序。它在Windows操作平臺上運行，便于操作和維護，可以用梯形圖、語句表等進行編程，程序兼容性強。FX-PCS/WIN-E-C編程軟件包也是一個專門用來開發(fā)FX系列PLC程序的軟件包，可用梯形圖、指令表和順序功能圖來寫入和編輯程序，并能進行各種編程方式的互換。它運用于Ｗindows操作系統(tǒng)，對于調(diào)試操作和維護操作來說，可以提高工作效率，并具有較強的兼容性。

2)其他外部設備

在一個PLC控制系統(tǒng)中，人機界面也非常重要。還有一些輔助設備，如打印機、EPROM存儲器、外存模塊等。

5．FX系列PLC各單元模塊的連接

FX系列PLC吸取了整體式和模塊式PLC的優(yōu)點，各單元間采用疊裝式連接，即PLC的基本單元、擴展單元和擴展模塊的深度及高度均相同，連接時不用基板，僅用扁平電纜連接，構(gòu)成一個整齊的長方體。使用FROM/TO指令的特殊功能模塊，如模擬量輸入和輸出模塊、高速計數(shù)模塊等，可直接連接到FX系列的基本單元，或連到其他擴展單元、擴展模塊的右邊。根據(jù)它們與基本單元的距離，對每個模塊按0～7的順序編號，最多可連接8個特殊