任务二 认识PLC控制系统

一、了解PLC控制技术

可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境中应用而设计。它可以存储程序、执行程序，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，其结构如图1-10所示。可编程控制器以其抗干扰能力强、可靠性高及控制系统结构简单、功能强等优点，广泛地应用在现代化自动化生产线中。

可编程控制器主要是通过执行存储在其内部的程序，实现输入信息到输出信息的转换，在自动化生产线中担负着大脑的作用，是系统的核心。图1-11所示为可编程控制器的工作过程，其工作方式是循环扫描，分三个过程：输入采样、程序执行、输出刷新，输入采样阶段是把输入端子的通断状态信息读入到内存中所对应的输入映像寄存器，输入映像寄存器的每一位（1bit）称为输入继电器（X）。输出刷新是程序执行完毕后，把执行结果送到输出映像寄存器中的输出继电器（Y）。

二、认识三菱FX系列PLC

1．三菱FX3U系列PLC实物图和型号介绍

三菱FX3U系列PLC是三菱公司开发的第三代小型PLC系列产品，它是目前该公司小型PLC中CPU性能最高、可以适用于网络控制的小型PLC系列产品。FX3U系列PLC产品为整体式结构，编程功能增强。FX3U的编程元件数量比FX2N大大增加，内部继电器达到7680点，状态继电器达到4096点，定时器达到512点，同时还增加了部分应用指令。图1-12和图1-13所示分别为FX3U的实物图和型号含义介绍。

（1）系列名称：表示各子系列的名称，如1N、2N、3U等。

（2）输入/输出点数：表示PLC输入和输出的总点数，如16、32、48、64、128等，FX3U的输入/输出继电器采用八进制编排方式，如FX3U-32MR的输入为X000～X007、X010～X017，输出为Y000～Y007、Y010～Y017。但是软元件采用十进制编号，如M0～M999、D0～D199、T0～T199。

（3）单元类别：包括M基本单元、E输入输出混合扩展单元及扩展模块、EX输入专用扩展模块、EY输出专用扩展模块等。

（4）特殊品种：表示电源输入和输出的类型，有以下几种：

① D:DC电源，DC输入；

② A1:AC电源，AC输入（AC100～120V）或AC输入模块；

③ 无记号：AC电源，DC输入，横式端子排。

（5）输出形式：包括R继电器型输出T晶体管型输出和S可控硅型输出。

例如，FX3U-48MR表示PLC为FX3U系列，I/O总点数为48点，基本单元，继电器输出方式。继电器输出型可以用于控制交流和直流负载，供料、加工、装配和分拣四个单元使用的是继电器输出型的PLC。晶体管型只能控制直流负载，可以实现快速通断，一般需要高速脉冲输出时选用晶体管输出型的PLC，例如YL-335的输送单元的步进、伺服电动机驱动。

2．三菱PLC的软元件

PLC可编程控制器是以微处理器为核心，以运行程序的方式完成控制功能。其内部有各种软元件，如输入/输出继电器、定时器、计数器、状态寄存器、数据寄存器等。用户利用这些软元件，通过编程来表达各软元件间的逻辑关系，实现各种逻辑控制功能。在PLC内，每个软元件都分配了一个地址号，也称软元件编号。软元件的表达方式为：“表示元件类型的英文字母+编号（地址）”，如M10、Y1、X14等。PLC的软元件，包括位软元件、字软元件和标号等，三菱FX系列PLC内部软元件如图1-14所示，软元件的动合和动断触点可以无限次使用。

1）输入继电器（X）和输出继电器（Y）

PLC主机上有许多标有X和Y及其地址号的接线端子，分别叫作输入端子和输出端子。输入端子是可编程控制器从外部开关接收信号的窗口，输出端子是可编程控制器向外部负载发送信号的窗口。

输入继电器也称输入映像寄存器，它的每一位对应一个输入接点，用来接收外部的输入信号（一类是由按钮、行程开关、传感器等控制的开关量提供的信号；另一类是由电位器、测速发动机等传来的模拟量信号），通过输入端子把这些信号传送到PLC，输入继电器等效电路如图1-15（a）所示。每一个输入继电器线圈都与相应的PLC输入端相连，并有无数多对供PLC内部编程使用的动合、动断触点。当外部的信号开关闭合时，输入继电器的线圈得电，在程序中其常开触点闭合，常闭触点断开。输入继电器的线圈只能由外部输入信号来驱动，而不能用PLC内部程序来驱动。

输出继电器又称输出映像寄存器，是将PLC运算的结果（输出信号）通过输出端子送给外部负载（如接触器、电磁阀、指示灯等），其等效电路如图1-15（b）所示。输出继电器的线圈只能由内部程序驱动，不能由外部信号直接驱动，它通过与开关量输出模块对应的输出开关来驱动负载。输出继电器有无数多对供编程使用的动合、动断触点。

输入/输出继电器的地址编号是以八进制数表示，如FX3U-32MR可编程控制器提供了16点输入继电器：X0～X7, X10～X17;16点输出继电器：Y0～Y7, Y10～Y17。

2）辅助继电器（M）

辅助继电器也称中间继电器，用于存储中间操作数或其他控制信息，PLC内部拥有许多辅助继电器（M），辅助继电器与输出继电器一样，由PLC内部各软元件的触点驱动，这些继电器在PLC内部只起传递信号的作用，不与PLC外部发生联系，不能用来驱动外部负载，外部负载必须由输出继电器驱动。

辅助继电器（M）的地址编号是按十进制数分配的，其编址范围是默认设定状态：非保持型，该继电器的元件编号为M0～M499共500点，编程时每个通用辅助继电器的线圈仍由OUT指令驱动，而其触点的状态取决于线圈的通、断。停电保持辅助继电器的元件编号为M500～M1023共524点，用于保存停电瞬间的状态，并在来电后继续运行。M0～M1023可通过参数更改保持/非保持的属性。M1024～M7679固定为保持型辅助继电器。M8000～M8511共512个特殊辅助继电器，完成特定功能，常用的特殊辅助继电器及其功能见本书附录一。

3）状态寄存器（S）

状态寄存器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件，与辅助继电器一样，按十进制编号分配，属于位元件，有无数的动合触点和动断触点，在顺控程序内可任意使用。状态寄存器与STL指令组合使用，运用顺序功能图编制高效易懂的程序。当状态寄存器不用于步进控制指令时，可当作辅助继电器（M）使用，功能与辅助继电器（M）一样。

4）定时器（T）

定时器属于字元件，定时器的地址编号用十进制表示。定时器的作用相当于一个时间继电器，有设定值和当前值，有无数的常开/常闭触点供编程使用。定时器可用常数K作为设定值，也可用数据寄存器（D）的内容作为设定值。定时器分为通用定时器和带断电保持的积分定时器。FX系列PLC的定时器特性见本书附录一。

当定时条件为ON时，定时器的线圈被驱动，定时器以加计数的方式对PLC的内部时钟（1ms、10ms、100ms）进行累积，当累积时间到达设定值时，其触点动作。则定时器的常开触点接通，常闭触点断开。当定时条件变为OFF，通用定时器被复位，常开触点断开，常闭触点接通，当前值恢复为零。积分定时器带断电保持功能，PLC停电或定时器的条件断开，当前值数据会被保持，再上电后定时器从当前值开始计时直到设定值。积分定时器的复位采用RST复位指令。积分定时器的使用示例如图1-16所示。当X1为ON时，T256定时器开始计数，到达设定值后Y1输出为ON，直到X2为ON时，复位定时器T250, Y1为OFF。

5）计数器（C）

PLC的计数器按十进制编号分配，属于字元件，计数器可用常数K作为设定值，也可以用数据寄存器（D）的内容作为设定值，计数器按信号频率分为内部计数器和高速计数器，详见本书附录一。计数器的使用示例如图1-17所示。当定时条件为ON时，计数器线圈被驱动，指定的计数器按加1或减1的方式进行计数；当计数值达到设定值时，计数器的触点动作，定时器的常开触点接通，常闭触点断开；当定时条件变为OFF时，定时器保持当前值，若用RST复位指令进行复位，则当前值变为0。

（6）数据寄存器（D）

PLC用于模拟量控制、位置控制、数据I/O时，需要许多数据寄存器存储参数及工作数据。数据寄存器就是PLC中用来存储数据的字软元件，地址按十进制编号，供数据传送、比较和运算等使用。每个数据寄存器的字长为16位，最高位为符号位（1为负，0为正）, 16位数据寄存器存储的数值范围为-32768～+32767。可以用两个数据寄存器合并起来存放32位数据（最高位仍为符号位），通常指定低位，高位自动占有，例如，指定了D0为低16位，则高位16位自动分配为D1。考虑到编程习惯和外部设备的监控功能，建议在构成32位数据时低位用偶数地址编号。数据寄存器的数量随着机型不同而不同，FX3U的数据寄存器分配见本书附录一。

程序运行时，只要不对数据寄存器写入新数据，数据寄存器中的内容就不会变化，通常可通过程序的方式或外部设备对数据寄存器的内容进行读/写。

（7）变址寄存器（V、Z）

变址寄存器是字长为16位的数据寄存器，与通用数据寄存器一样可以进行数据的读写。三菱PLC变址寄存器分为二种即V和Z，它们都是16位字软元件，把V和Z组合使用，可用于处理32位数据，并规定Z为低16位。变址寄存器除了与通用数据寄存器有相同的存储数据功能外，主要用于操作数地址的修改或数据内容的修改。变址的方法是将V或Z放在操作数的后面，充当修改操作数地址或内容的偏移量，修改后其实际地址等于操作数的原地址加上偏移量的代数和。若是修改数据，则修改后实际数据等于原数据加上偏移量的代数和。变址功能可以使地址像数据一样被操作，大大增强了程序的功能。可充当变址操作数的有K、H、KnX、KnY、KnM、KnS、P、T、C、D。变址寄存器应用举例如图1-18所示。

例如：① 修改字软元件地址：V0=K4，执行D10V0时，实际操作的软元件是D14（10+4）。

② 修改位软元件地址：V1=K8，执行X0V1，对象软元件编号被指定为X10，请注意此时不是X8（八进制编号）。

三、三菱PLC的基本指令

FX系列PLC的指令包括基本指令、步进控制指令及应用指令。基本指令用于表达软元件触点与母线之间、触点与触点间及线圈等的连接指令，有LD、LDI、AND等。步进控制指令专用于表达顺序控制的指令，有STL、RET。应用指令（或称功能指令）则用于表达数据的运算、数据的传送、数据的比较、数制的转换等操作的指令，有MOV、SUB、ADD等。各种指令及其用法详见本书附录二。

1．基本指令

FX3U系列PLC的基本指令包括触点指令、结合指令、线圈指令、主控指令和程序结束指令。

1）逻辑操作开始指令

LD、LD/是逻辑操作开始指令，也称逻辑取指令。每一个网络块逻辑运算开始都要使用LD或LD/指令。

LD：取指令，用于网络块逻辑运算开始的动合触点与左母线连接。

LD/：取反指令，用于网络块逻辑运算开始的动断触点与左母线连接。

2）线圈输出指令=（OUT）

=（OUT）是线圈输出指令，输出逻辑运算结果，驱动除输入继电器外的所有继电器线圈（梯形图中不允许出现输入继电器的线圈）。其指令格式如图1-19所示。

在同一个程序中不能使用双线圈输出，即同一个继电器线圈在同一个程序中只能使用一次=（OUT）指令。

3）置位与复位指令SET、RST

SET（Set）：置位指令，使操作保持的指令，操作对象可以是：Y, M, S。

RST（Reset）：复位指令，使操作保持复位的指令，操作对象可以是：Y, M, S, T, C, D, V, Z。

ZRST区间复位指令：ZRST是将[D1]、[D2]指定的元件号范围内的同类元件成批复位。目标操作数可取T、C、D（字元件）或Y、M、S（位元件）。[D1]、[D2]指定的应为同一类元件，[D1]的元件号应小于[D2]的元件号。图1-20所示为将M0～M100的101位辅助继电器全部清0。

4）END程序结束指令

在调试程时可用分段调试，如图1-21所示。

2．步进顺控指令

能够把复杂的控制转化为按顺序逐步（状态）完成。在基本指令的基础上，增加了两条步进顺控指令，即STL（步进开始指令）和RET（步进结束指令），配合使用的是状态元件S。控制过程分为不同的状态，在一个状态下，要完成一个或几个操作，当满足状态转移条件时，就跳转到下一个工作状态，执行下面的不同操作。

运用步进指令编写顺序控制程序时，首先应确定整个控制系统的流程，然后将复杂的任务或过程分解成若干个工序（状态），最后弄清各工序成立的条件、工序转移的条件和转移的方向，这样就可画出顺序功能图。利用M8002特殊辅助继电器，产生初始脉冲，进入初始步S0。STL指令的用法：例如STL S20和STL S21开始S20步和开始S21步，直至出现下一条SET指令或出现RET指令。STL指令使新状态继电器置位，而前一状态继电器自动复位，其触点断开。步进结束指令RET也称为步进返回指令，在一系列STL指令之后必须使用RET指令，以表示步进指令功能结束。步进功能示例如图1-22所示。

STL指令特点：

（1）与STL触点相连的触点应使用LD/LDI指令。

（2）STL触点可以直接驱动或通过别的触点驱动Y、M、S、T等元件的线圈，STL触点也可以使Y、M、S等元件置位或复位。

（3）CPU只执行活动步对应的程序。

（4）使用STL指令时允许双线圈输出。

（5）STL指令只能用于状态寄存器，在没有并行序列时，一个状态寄存器的STL触点在梯形图中只能出现一次。

（6）在STL触点驱动的电路块中不能使用MC和MCR指令，可以使用CJP/EJP指令，当执行CJP指令跳入某一个STL触点的电路块时，不管该STL触点是否接通，均执行对应的EJP指令之后的电路。

（7）可以对状态寄存器使用LD、LDI、AND、ANI、OR、ORI、S、R、OUT等指令。

（8）对状态寄存器置位的指令，如果不在STL触点驱动的电路块内置位时，系统程序不会自动将前级步对应的状态寄存器复位。

四、三菱PLC的通信接口

为了适应PLC网络化要求，扩大联网功能，几乎所有的可编程控制器厂家都为可编程控制器开发了与上位机、变频器、打印机等其他设备的通信接口或专用通信模块。例如RS422、RS232C、RS485，这些通信接口一般都带有通信处理器。可编程控制器与PLC、计算机、变频器等的通信正是通过可编程控制器上通信接口进行的，通过这些接口将计算机中软件编写的程序下载到PLC中，并进行监控，非常方便、简单和快捷。

1．RS-232C通信接口

1）RS-232C串行通信标准

目前，PLC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口标准，采用负逻辑电平，规定了DC-3～-15V为逻辑1, DC+3～+15V为逻辑0，在实际应用中，常采用±12V或±15V。RS-232C以非平衡数据传输方式，全双工传输模式。目前在PC机上的COM1、COM2接口就是RS-232C。

RS-232C总线标准采用DB25连接器，设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数情况下主要使用主通道。串行接口广泛用于工业自动化控制中，常被称为异步通信适配器接口，串行接口插座也可以采用简化的DB9连接器，如图1-23所示。

PLC可以使用RS-232串口与计算机连接，进行程序的下载与调试，还可以与PLC连接，组成PLC网络，计算机与PLC之间一般采用RS-232的9针连接器。

RS-232在通信距离较近、波特率要求不高的场合可以直接采用，既简单又方便。但是，由于该接口采用单端发送、单端接收，所以数据通信速率低、通信距离短、抗共模干扰能力差等。

2）FX-232BD通信接口模块

FX3U-232BD通信接口模块用于RS-232C的通信板，FX3U-232BD可连接到FX3U系列PLC的主单元，并可作为下述应用的端口。

（1）在RS-232C设备之间进行数据传输，如个人计算机、条码阅读机和打印机。

（2）在RS-232C设备之间使用专用协议进行数据传输。

（3）连接带有RS-232编程器、触摸屏等标准外部设备；当RS-232BD用于上述（1）、（2）时，通信格式包括波特率、奇偶性和数据长度，由参数或FX系列PLC的D8120特殊数据寄存器进行设置。

（4）一个基本单元只可连接一个RS-232BD。相应地，RS-232BD不能和FX-485BD或FX-422BD一起使用。如图1-24所示。

2．RS-422通信接口

RS-422与RS-232C不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B，通常情况下，发送驱动器A、B之间正电平在+2～+6V，负电平为-2～-6V，另外还有一个信号地C和“使能”端，“使能”端对RS-422而言可用可不用，而对RS-485是必需的。

在接收器与发送器中，收、发端通过平衡双绞线将AA与BB对应相连，当在接收端AB之间有大于+200mV的电平时，输出正逻辑电平；小于-200mV时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常为200mV～6V，如图1-25所示。

RS-422还支持点对多的双向通信，最大传输距离为1219m，最大传输速率为10Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离，只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100m长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mb/s。

RS-422需要一个终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300m以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。

3．RS-485串行接口标准

RS-485实际上是RS-422A的简化变形，许多电气规定与RS-422相仿，如两者都采用平衡传输方式、都需要在传输线上接终端电阻等。RS-485采用差分信号负逻辑，+2～+6V表示“0”,-6～-2V表示“1”。RS-485有两线制和四线制两种接线，四线制是全双工通信方式，两线制是半双工通信方式。

RS-485接口组成的半双工网络，一般是两线制（以前有四线制接法，只能实现点对点的通信方式，现很少采用），多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS-485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。在很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”“B”端连接起来。RS-485的四线制与两线制连接方式及其引脚号说明分别如图1-27和表1-9所示。

RS-485串行接口用于多站互连，非常方便，可以节省昂贵的信号线，还可以高速进行远距离传送数据，因此将它们连网构成分布式控制系统非常方便。

FX-485BD通信模块如图1-28所示。可连接到FX系列PLC的基本单元，用于下述应用中：

（1）使用无协议，通过RS-485（422）转换器，可在各种带有RS-232C单元的设备之间进行数据通信，如个人计算机、条码阅读器和打印机。

（2）使用专用协议，可在1∶N基础上通过RS-485（422）进行数据传输。

（3）使用并行连接的数据传输。

通过FX PLC，可在1∶1基础上对100个辅助继电器和10个数据寄存器进行数据传输。

（4）使用N∶N网络的数据传输：通过FX PLC，可在N∶N基础上进行数据传输。

4．FX系列PLC与PC之间的通信

三菱FX系列PLC自带的编程口是RS-422接口，而PC机的串行通信口则是RS-232C接口，两者之间需要通过SC-09适配电缆才能通信。不同设备上相同类型的通信接口的引脚定义可能存在差异。PC机与三菱FX系列PLC上的通信接口引脚定义和连接方式分别如图1-29、图1-30所示。

RS-232C和RS-422是两种不同标准的串行数据接口，两者的主要差别在于信号传输方式不同。RS-232C标准利用信号线与公共地线之间的电压差进行信号传输，采用的是单向传输方式；RS-422标准则是利用传输线之间信号的电压差进行传输，采用的是差动传输方式。SC-09电缆实现了这两种不同的信号传输方式之间的转换，转换电路如图1-31所示。

另外，在实际应用中，计算机和工业控制设备往往都配有RS-232接口，有时为了把远距离的两台或多台带有RS-232接口的设备连接起来进行通信或组成分布式控制系统，这时虽不能直接用RS-232C串行接口直接连接，但可以采用RS-232C/422A转换电路进行连接，把RS-232C转换成RS-422A，即在现有的RS-232C串行接口上附加转换电路。