学习目的

了解可编程控制器（PLC）的主要特点、产品构成。

一、PLC 的基本结构

PLC 的基本结构如图4-1 所示。

图4-1　三菱PLC 基本结构示意

1.　CPU 模块

CPU 模块由中央处理器（CPU）、系统程序存储器和用户程序及数据存储器等部分组成，是PLC 的核心部件。CPU 模块的主要任务如下：

（1）接收从编程软件或编程器输入的用户程序和数据，存储在存储器中。

（2）用扫描方式接收现场输入设备的状态和数据，存入相应的数据寄存器或输入映像寄存器。

（3）当PLC 处于运行状态时，执行用户程序，完成用户程序规定的各种算术逻辑运算、数据的传输和存储等。

（4）按照程序运行结果，更新相应的标志位和输出映像寄存器，通过输出部件实现输出控制、制表打印和数据通信等功能。

2. 输入/输出（I/O）模块

输入（I）模块可分为直流输入模块和交流输入模块，如图4-2 所示。

图4-2　输入模块示意

输出（O）模块可分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型，如图4-3 所示。其中继电器输出型适用于连接直流负载和交流负载，晶体管输出型仅适用于连接直流负载，晶闸管输出型仅适用于连接交流负载。

图4-3　输出模块示意

3. 电源模块

外部电源模块有交流380 V、220 V、110 V 和直流100 V、48 V、24 V、12 V、5 V 等。

内部电源模块则一般从4 个方面考虑：内部电源与外部电源隔离，减少供电线路对内部电源的影响；有较强的抗干扰能力；电源本身功耗尽可能低，在供电电压波动范围较大时，能保证正常稳定的输出；具有良好的保护功能。

PLC 通常采用锂电池作为RAM 的备用电源。

4. 编程器

目前，PLC 的编程器一般分为手持式编程器和图形编程器两种。其中，手持式编程器常用于工业现场调试。图形编程器则只需在个人计算机上运行与PLC 配套的编程软件即可进行编程工作，这种编程非常方便，用户可以在计算机上以连机/脱机方式编程，特别是随着笔记本电脑的逐渐普及，利用图形编程器编程和现场调试已成为工控技术人员优选方案。

二、工作原理

PLC 的工作过程如图4-4 所示。

图4-4　“循环扫描”工作过程原理示意

1. 输入采样阶段

输入采样阶段又称为输入处理阶段、输入刷新阶段或输入更新阶段。在此阶段，PLC 首先以扫描方式将所有外部输入设备的接通/断开（ON/OFF）状态转换成电平的高低状态（“1”或“0”）并存入输入锁存器中，然后将其写入各自对应的输入映像寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。

注意：只有采样时刻，输入映像寄存器中的内容才与输入信号一致，而其他时间范围内输入信号的变化不会影响输入映像寄存器的内容，输入信号的变化状态只能在下一个扫描周期的输入处理阶段被读入，这种输入工作方式称为集中输入工作方式。

2. 程序执行阶段

PLC 的用户程序由若干指令组成，指令在存储器中按步序号排列。在没有跳转指令时，则按顺序从0000 号地址的程序开始进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理，再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中。

3. 输出刷新阶段

输出刷新阶段又称为输出处理阶段和输出更新阶段。当程序执行到程序结束（END）指令，即执行完用户所有程序后，PLC 将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中，并通过一定的驱动装置（继电器、接触器或晶闸管）驱动相应输出设备工作。

注意：在输出刷新阶段完成后，输出锁存器的状态保持不变。输出映像寄存器变化了的状态只有等到下一个扫描周期的输出刷新阶段到来时才能通过CPU 送入输出锁存器中，这种输出工作方式称为集中输出工作方式。

三、三菱FX2N 系列PLC

日本三菱公司的PLC 进入中国市场较早。其近年来推出的FX 系列PLC 有FX0、FX2、FX0S、FXON、FX2C、FX1S、FX1N、FX2N、FX2NC 等型号，其中FX2N 是三菱FX 系列PLC 中功能最强、速度最快的小型可编程序控制器。FX2N 系列常见产品有FX2N-32MR、FX2N-48MR、FX2N-64MR 等。

1.　FX2N 系列PLC 控制面板（见图4-5）

图4-5　FX2N 系列PLC 控制面板

2. 输入接线端（见图4-6）

三菱PLC 的输入接线端用文字符号X 表示，采用八进制编号方法，FX2N-32MT 的输入端共有16 个，即X0～X7 和X10～X17。所以没有X8、X9 等。在进行安装、配线作业时，一定要先关闭全部外部电源。否则，容易电震、损伤产品。

图4-6　FX2N 系列PLC 输入接线端

3. 输出接线端（见图4-7）

图4-7　FX2N 系列PLC 输出接线端

三菱PLC 的输出接线端用符号Y 表示，也采用八进制编号方法。输出设备使用不同的电压类型和等级时，FX2N 系列PLC 输出接线端与公共端组合对应如表4-1 所示。当输出设备使用相同的电压类型和等级时，则将COM1、COM2、COM3、COM4 用导线短接即可。

表4-1　FX2N 系列PLC 输出接线端与公共端组合对应情况

4. 状态指示（见图4-8）

POWER：电源指示灯，PLC 接通电源后，该灯点亮，正常时仅有该灯点亮表示PLC 处于编辑状态。

RUN：运行指示灯，当PLC 处于正常运行状态时，该灯点亮。

BATT.V：锂电池电压低指示灯，如果该指示灯点亮，说明PLC 内部锂电池电压不足，应更换。

图4-8　FX2N 系列PLC 状态指示(www.daowen.com)

PROG-E/CPU-E 指示的程序错误：① 程序语法错误；② 锂电池电压不足；③ 定时器或计数器未设置常数；④ 干扰信号使程序出错。

5. 工作模式转换开关与通信接口（见图4-9）

图4-9　工作模式转换开关与通信接口

通信线与PLC 连接时，务必注意通信线接口内的“针”与PLC 上的接口正确对应后才可将通信线接口用力插入PLC 的通信接口，以免损坏接口。FX2N 系列PLC 常用FX-10P-E 型和FX-20P-E 型手持式编程器。

6.　FX2N 系列PLC 的型号（见图4-10）

图4-10　PLC 型号说明

例如：型号为FX2N-32MR-D，其含义为三菱FX2N 系列PLC，有32 个I/O 点的基本单元，继电器输出型，使用DC 24 V 电源。

四、FX2N 系列PLC 的软元件

1. 输入/输出继电器

（1）输入继电器（X）。PLC 的输入接线端是从输入设备接收信号的端口，PLC 内部与输入接线端连接的输入继电器（X）是基于光电隔离的电子继电器，它们的编号与输入接线端编号一致，按八进制进行编号。

（2）输出继电器（Y）。输出继电器（Y）是PLC 用来传递信号到输出设备的元件。输出继电器的工作状态由程序驱动，也按八进制进行编号，其外部输出主触点（常开触点）接到PLC 的输出接线端上供驱动输出设备使用，内部提供常开/常闭触点供程序使用，且使用次数不限。

2. 辅助继电器（M）

（1）通用辅助继电器。FX2N 系列PLC 的通用辅助继电器共500 个，其元件地址号按十进制编号（M0～M499）。

（2）断电保持辅助继电器。某些控制系统要求记忆电源中断瞬间的状态，重新通电后再呈现这个状态，断电保持辅助继电器（M500～M3071，共计2572 个）就用于这种场合。它由PLC 内置锂电池提供电源。

（3）特殊辅助继电器。特殊辅助继电器有两种类型：一类是触点利用型，用户只能利用其触点，如M8000、M8002、M8005、M8011～M8014 等；另一类是线圈驱动型，可由用户程序驱动其线圈，使PLC 执行特定的操作，如M8033、M8034、M8039 等。

M8000：运行监控继电器。当PLC 执行用户程序时为ON；停止执行时为OFF。

M8002：初始化脉冲继电器。仅在PLC 运行开始瞬间接通一个扫描周期。M8002 的常开触点常用于某些元件的复位和清零，也可作为启动条件。

M8005：锂电池电压监控继电器。当锂电池电压降至规定值时变为ON，可以用它的触点驱动输出继电器和外部指示灯，提醒工作人员更换锂电池。

M8011～M8014：时钟脉冲继电器。分别产生10 ms、100 ms、1 s 和1 min 的时钟脉冲输出。

M8033：输出保持特殊辅助继电器。该继电器线圈“通电”时，PLC 由RUN 状态进入STOP状态后，映像寄存器与数据寄存器中的内容保持不变。

M8034：禁止全部输出特殊辅助继电器。该继电器线圈“通电”时，PLC 全部输出被禁止。

3. 状态继电器

状态继电器是构成顺序功能图的重要软元件，通常与步进顺控指令配合使用。三菱FX2N系列PLC 状态继电器用字母“S”表示，共有1000 点，分配如下：

初始状态继电器：S0～S9，共10 点。

回零状态计数器：S10～S19，共10 点，供返回原点用。

通用状态继电器：S20～S499，共480 点。没有断电保持功能，但是程序可以将它们设定为有断电保持功能状态。

断电保持状态继电器：S500～S899，共400 点。

报警用状态继电器：S900～S999，共100 点。

4. 定时器（T）

1）通用定时器。

FX2N 系列PLC 具有246 个通用定时器，地址编号为T0～T245。通用定时器的类型、地址编号和设定值如下：

T0～T199（200 点）：100 ms 定时器（其中T192～T199 为中断服务程序专用），设定值范围为0.1～3276.7s。

T200～T245（46 点）：10 ms 定时器，设定值范围为0.01～327.67 s。

2）积算定时器。

FX2N 系列PLC 具有10 点积算定时器，地址编号为T246～T255。积算定时器的类型、地址编号和设定值如下：

T246～T249（4 点）：1 ms 定时器，设定值范围为0.001～32.767 s。

T250～T255（6 点）：100 ms 定时器，设定值范围为0.1～3276.7 s。

5. 计数器（C）

计数器（C）用于累计其计数输入端接收到的脉冲个数。计数器可提供无数对常闭和常开触点供编程时使用，其设定值由程序赋予。

FX2N 系列PLC 具有200 点16 位计数器，地址编号为C0～C199。其中C0～C99 为通用型，C100～C199 共100 点为断电保持型（即断电后能保持当前值待通电后继续计数）。16 位计数器的设定值范围为1～32767。

6. 指针（P/I）

1）分支用指针（P）。

分支用指针也称跳转指针，共64 点，地址编号为P0～P63，用来指定条件跳转、子程序调用等分支的跳转目标。

（2）中断用指针（I）。

中断用指针I0××～I8××，共15 点。其中I00×～I50×用于外部中断；I6××～I8××用于定时中断；I010～I060 用于计数中断。

7. 数据寄存器（D）

（1）通用数据寄存器：D0～D199，共200 点。

（2）断电保持数据寄存器：D200～D511，共312 点。

（3）文件寄存器：D1000～D7999，共7000 点。

（4）特殊数据寄存器：D8000～D8255，共256 点。

8. 变址寄存器V/Z

变址寄存器通常用来修改元件的地址编号，V 和Z 都是16 位寄存器，可进行数据的读与写。将V 与Z 合并使用，可进行32 位操作，其中V 为低16 位。

FX2N 系列PLC 的变址寄存器共有16 点，地址编号为V0～V7 和Z0～Z7。

9. 常数（K/H）

常数前缀K 表示该常数为十进制常数；常数前缀H 表示该常数为十六进制常数。

注意：不同厂家、不同系列的PLC，其内部软继电器的功能和编号都不相同，因此在编制程序时，必须熟悉所选用PLC 编程元件的功能和编号。

FX2N 系列PLC 软继电器编号由字母和数字组成，其中输入继电器和输出继电器用八进制数字编号，其他软继电器均采用十进制数字编号。