第1章 三菱FX系列PLC简介

可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC，有时也简称为可编程序控制器，如图1-1所示）最初用于机械制造行业的顺序控制器，与集散控制系统是完全不同的两种技术，其高可靠性是公认的。经过几十年的发展，PLC增加了许多功能。例如，通信功能、模拟控制功能、远程数据采集功能。人们很快发现，用PLC构成一个网络是一个不错的选择。现在，在许多场合利用PLC网络构成一个计算机监控系统，或者将其作为集散控制系统的一个下位机子系统，此种方案基本上成为了首选。

1.1 PLC的硬件组成与工作原理

1.1.1 PLC的定义

现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，PLC正是顺应这一要求而出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

PLC的应用面广、功能强大、使用方便，已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，例如民用和家庭自动化的应用也得到了迅速的发展。目前PLC仍然处于不断的发展之中，其功能在不断增强，而且更为开放，它不但是单机自动化中应用最广的控制设备，在大型工业网络控制系统中也具有不可动摇的地位。PLC应用面之广、普及程度之高，是其他计算机控制设备所无法比拟的。

国际电工委员会（IEC）在1985年对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信连网的功能。

本书以三菱公司的FX系列PLC为讲授对象。FX系列PLC具有极高的可靠性、丰富的指令集和内置的集成功能、强大的通信能力和品种丰富的扩展模块。FX系列PLC可以单机运行，用于代替继电器控制系统，也可以用于复杂的自动化控制系统。由于它有极强的通信功能，在网络控制系统中也能充分发挥其作用。

1.1.2 PLC的硬件组成

可编程序控制器是基于微处理器技术的通用工业自动化控制设备。它采用了计算机的设计思想，实际上就是一种特殊的工业控制专用计算机，只不过它的最主要的功能是数字逻辑控制。因此，PLC具有与通用的微型个人计算机相类似的硬件结构。PLC由中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口、智能接口模块和编程器构成，其结构如图1-2所示。

1.中央处理器（CPU）

中央处理器是整个PLC的核心组成部分，是系统的控制中枢。它的主要功能是实现逻辑运算、数学运算，协调控制可编程控制器内部的各部分工作。PLC的CPU内部结构与微型计算机的CPU结构基本相同，PLC的整体性能取决于CPU的性能，因此，常用的CPU主要是通用的微处理器、单片机或工作速度较快的双极型位片式微处理器。

2.存储器

存储器主要用于存放系统程序、用户程序以及工作时产生的数据。系统程序是指控制PLC完成各种功能的系统管理程序、监控程序、用户逻辑解释程序、标准子程序模块和各种系统参数，由PLC生产厂家编写并固化在只读存储器（ROM）中。用户程序指由用户根据工业现场的要求所编写的控制程序，允许用户修改，最终固化并存储于PLC中。

PLC的存储空间根据存储的内容可分为：系统程序存储区、系统RAM存储区和用户程序存储区。

3.输入/输出接口

输入/输出接口是可编程序控制器与现场各种信号相连接的部件，要求它能够处理这些信号并具有抗干扰能力。因此，输入/输出接口通常配有电子变换、光电隔离和滤波电路。输入/输出接口可分为：数字量输入、数字量输出、模拟量输入和模拟量输出。

数字量（开关量）输入信号类型有直流和交流两种，均采用光电隔离器件实现现场电信号与PLC内部在电气上的隔离，同时转换成系统内统一的信号范围。输出接口除了也具有光电隔离外，还具有各种输出方式：有的采用直流输出方式，有的采用交流输出方式，有的采用继电器输出方式，还有的提供功率放大等。

模拟量有各种类型，包括0～10 V、-10～10 V、4～20 mA。它们首先要进行信号处理。将输入模拟量转换成统一的电压信号，然后进行模拟量到数字量的转换，即A/D变换。通过采样、保持和多路开关的切换，多个模拟量的A/D变换可以共用一个A/D转换器来完成。转换为数字量的模拟量就可以通过光电隔离、数据驱动输入到PLC内部。

模拟量的输出是把可编程序控制器内的数字量转换成相应的模拟量输出，它是与输入相反的过程。整个过程可分为光电隔离、数/模转换和模拟信号驱动输出等环节。PLC内的数字量经过光电隔离实现两部分电路上电气隔离，数字量到模拟量的转换由数/模转换器（即D/A转换器）完成。转换后的模拟量再经过运算放大器等模拟器件进行相应的驱动，形成现场所需的控制信号。

4.智能接口模块

为了进一步提高PLC的性能，各大PLC厂商除了提供以上输入/输出接口外，还提供各种专用的智能接口模块，用以满足各种控制场合的要求。智能接口模块是PLC系统中的一个较为独立的模块，它们具有自己的处理器和存储器，通过PLC内部总线在CPU的协调管理下独立地进行工作。智能接口模块既扩展了PLC可处理的信号范围，又可使CPU能处理更多的控制任务。

智能接口模块包括：高速脉冲计数器、定位控制智能单元、PID调节智能单元、PLC网络接口、PLC与计算机通信接口、传感器输入智能单元等。

5.编程器

编程器是PLC重要的外部设备，可以利用编程器输入程序、调试程序和监控程序运行，它是人机交互的接口。编程器分为三种：简易编程器、图形编程器和与基于个人计算机的编程器。

1.1.3 PLC的工作原理

1.PLC的扫描工作方式

当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。

扫描工作方式在执行用户程序时，是从第一条程序开始的，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束，然后从头开始扫描执行，周而复始重复运行。

PLC控制系统的工作与继电器控制系统的工作原理明显不同。继电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有动合和动断触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作；而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该指令时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与继电器控制装置在I/O的处理效果上并没有多大差别。

2.PLC的扫描工作过程

PLC的扫描工作过程中除了执行用户程序外，在每次扫描工作过程中还要完成内部处理、通信服务工作。如图1-3 所示，整个扫描工作过程包括内部处理、通信服务、输入采样、程序执行、输出刷新五个阶段。整个过程扫描执行一遍所需的时间称为扫描周期，扫描周期与CPU运行速度、PLC硬件配置及用户程序长短有关，典型值为1～100 ms。

在内部处理阶段，PLC进行自检，检查内部硬件是否正常，对监视定时器（WDT）复位并完成其他一些内部处理工作。

在通信服务阶段，PLC与其他智能装置实现通信，响应编程器输入的命令，更新编程器的显示内容等。

当PLC处于停止（STOP）状态时，只完成内部处理和通信服务工作。当PLC处于运行（RUN）状态时，除完成内部处理和通信服务工作外，还要完成输入采样、程序执行、输出刷新工作。

PLC的扫描工作方式简单直观，便于程序的设计，并为可靠运行提供了保障。当PLC扫描到的指令被执行后，其结果马上就被后面将要扫描到的指令所利用，而且还可通过CPU内部设置的监视定时器来监视每次扫描是否超过规定时间，避免由于CPU内部故障使程序执行进入死循环。

3.PLC执行程序的过程

PLC执行程序的过程分为三个阶段，即输入采样阶段、程序执行阶段和输出刷新阶段，如图1-4所示。

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描工作方式按顺序对所有输入端的输入状态进行采样，并存入输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序处理阶段，在程序执行阶段或其他阶段，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会改变，输入状态的变化只有在下一个扫描周期的输入处理阶段才能被采样到。

2）程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下，先左后右的顺序进行的。当遇到程序跳转指令时，则根据跳转条件是否满足来决定程序是否跳转。当指令中涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，根据用户程序进行运算，运算的结果再存入元件映像寄存器中。对于元件映像寄存器来说，其内容会随程序执行的过程而变化。

3）输出刷新阶段

当所有程序执行完毕后，进入输出处理阶段。在这一阶段里，PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态（输出继电器状态）转存到输出锁存器中，并通过一定方式输出，驱动外部负载。

因此，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的采样只在输入采样阶段进行。当PLC进入程序执行阶段后输入端将被封锁，直到下一个扫描周期的输入采样阶段才对输入状态进行重新采样。这方式称为集中采样，即在一个扫描周期内，集中一段时间对输入状态进行采样。

在用户程序中如果对输出结果多次赋值，则最后一次有效。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从输出映像寄存器中输出，对输出接口进行刷新。在其他阶段里输出状态一直保存在输出映像寄存器中。这种方式称为集中输出。

对于小型PLC，其I/O点数较少，用户程序较短，一般采用集中采样、集中输出、循环扫描的工作方式，虽然在一定程度上降低了系统的响应速度，但使PLC工作时大多数时间与外部输入/输出设备隔离，从根本上提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的可靠性。而对于大中型PLC，其I/O点数较多，控制功能强，用户程序较长，为了提高系统响应速度，可以采用定期采样、定期输出方式，或中断输入、输出方式以及采用智能I/O接口等多种方式。

从上述分析可知，从PLC的输入端输入信号发生变化到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这种现象称为PLC输入/输出响应滞后。对一般的工业控制，这种滞后是完全允许的。应该注意的是，这种响应滞后不仅是由于PLC的扫描工作方式造成的，更主要是因为PLC输入接口的滤波环节带来的输入延迟，以及输出接口中驱动器件的动作时间带来的输出延迟，同时还与程序设计有关。滞后时间是设计PLC应用系统时应注意把握的一个参数。

4.PLC对输入/输出的处理原则

· 输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态；

· 程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容；

· 输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果；

· 输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定；

· 输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。

1.1.4 PLC的常用外设

PLC外设是构成PLC系统的外部条件，理论上说，凡是PLC控制系统所需要的、不属于PLC硬件组成的，均属于PLC外部设备的范畴。PLC外设包括如图1-5所示的4大类。

图1-5所示的PLC外部设备中，有的是PLC实现基本控制所必需的条件，如控制用输入/输出设备；有的是部分控制系统为满足特殊的控制要求所需要的，如现场操作/显示设备等；有的是PLC编程、调试所需要的工具，如编程/调试设备、数据输入/输出设备等。

PLC控制用输入/输出设备及最基本的现场操作/显示设备（按钮与指示灯等），只需要通过输入/输出模块与PLC进行连接，并可以直接利用PLC的基本指令进行编程，在本节中不再作为外部设备进行专门介绍。

部分现场显示/操作设备与数据输入/输出设备，如显示器、打印机、存储卡、磁带机、软盘驱动器等，有的因操作、使用方法简单通用，无特殊要求（如显示器、打印机、存储卡等）；有的因目前已经渐渐淘汰（如磁带机、软盘驱动器等），在本节中也不再介绍，需要时可以参考相关书籍。

此外，图1-5中的编程调试、诊断设备是指专门用于PLC编程、调试的设备，如编程器、安装了PLC专用软件的计算机等。这些设备虽然也可以对PLC控制系统进行操作与显示，甚至其功能比文本单元、触摸屏等现场操作/显示设备更强大，但是，它们仅用于系统的编程、调试、维修等，一般不安装在生产现场，在本节中将其归类为“编程/调试设备”的范畴。

因此，本书中所讲述的PLC外部设备，仅指需要通过PLC通信接口进行连接的、安装于生产现场的、当前常用的设备。

1.现场操作/显示设备

PLC操作/显示设备多种多样，根据不同的使用要求，可以分为控制现场使用设备与编程调试、诊断设备两类。

控制现场使用设备是指安装于生产现场，与PLC一起在线工作的、可以通过特定的控制程序对PLC的内部状态进行操作/显示的终端设备，文本单元、触摸屏等均属于典型的现场操作/显示设备。由于现场操作/显示设备是一种进行人机信息交换的终端装置，因此，常称为人机界面（Human Machine Interface，HMI）、可编程终端（Programmable Terminal，PT）或图形终端等。

现场操作/显示设备一般也具有对PLC程序进行编辑、检查等功能，但由于它安装于操作现场，为了保证PLC的可靠性，防止由于误操作等原因引起的故障，设计人员通常要对部分功能通过设置密码进行封锁，一般不作为PLC程序编辑工具使用。

1）文本操作/显示单元

文本操作/显示单元是PLC常用的、最简单的外设，其优点是价格低、连接简单、操作方便。利用文本操作/显示单元，既可以显示PLC内部信息（如内部定时器、计数器的状态），进行I/O诊断等，也可以对PLC的内部参数、程序进行设定、编辑、调整。

文本操作/显示单元通常不需要单独的电源，它与PLC间可以通过RS-232/RS-422等标准接口直接连接。

文本操作/显示单元一般由可以显示若干行信息的液晶显示器与按键两部分组成。在液晶显示器上，可以以字符的形式显示PLC的I/O、定时器、计数器的状态等。通过按键，可以进行显示器内容选择、PLC程序编辑、I/O状态强制、运行/停止控制、参数修改、实时时钟设定等。

文本操作/显示单元的按键除了数字键、光标调整键、输入键（ENT或ENTER）等操作必需的按键以外，一般还有若干个“可编程功能键”。每个“可编程功能键”在PLC中具有特定的内部地址，它一方面可以作为普通按钮使用，以节省输入点，同时，也可以通过PLC程序的编制定义成用于其他特殊功能的操作按键。

2）触摸屏

触摸屏是集显示与按键于一体的PLC常用的外设之一，且可以对显示器进行任意图形的编程，并使显示与按键合为一体。触摸屏不但可以显示多种文字信息，而且可以显示流程示意图、图表、柱形统计图、背景图案、位图等，图形显示形象、直观。“触摸您所看到的，就能得到您所需要的”，这虽是一句广告语，但也比较确切地反映了触摸屏的作用与功能。

触摸屏不但有独立的电源，而且还具有独立的CPU与存储器，其内部存储器容量可以达到1 MB以上。触摸屏为PLC的通用外设，通过RS-232、RS-422、RS-485等标准接口，几乎可以与任何型号的PLC相连接。

触摸屏的功能比文本操作/显示器更强。它除了画面调用、画面叠加、报警显示等功能外，还可以进行梯形图的动态监控、编辑与系统监控等。此外，新型的触摸屏还可以对PLC特殊功能模块、网络、运动控制、伺服驱动器等进行监控；有的触摸屏还可以进行多视窗同时显示（如三菱A985GOT-V）。

触摸屏的规格一般有12 in（如三菱A985GOT）、10 in（如三菱A975GOT）、7 in（如三菱A956WGOT）、5.7 in（如三菱A953GOT）等。显示分辨率有800×600、640×480、480×234、320×240等。触摸开关点数可以是1900（38行×50列）、1200（30行×40列）、450（15行×30列）、300（10行×20列）。显示颜色有256色、16色、8色、单色等。

触摸屏的编程需要专用的编程软件（如三菱FX-PCS-DU/WIN软件等）。触摸屏与PLC间的动作协调可利用PLC的应用指令进行。触摸屏的触摸开关与显示控制，通常使用PLC的内部继电器。

2.编程/调试设备

PLC编程器主要用于PLC用户程序的输入、编辑、调试和监控。PLC编程器有专用编程器与在通用计算机安装PLC程序开发软件两种基本类型，专用编程器又可以分为简易型（便携式）与图形编辑型两种。目前，随着笔记本电脑的普及与应用，安装有程序开发软件的通用计算机正在逐步替代图形编辑型专用编程器，成为PLC的主要编程工具。

1）便携式编程器

便携式编程器（如三菱的FX-10P-E-SET0、FX-20P-E-SET0等）一般由简易键盘、液晶显示器（通常为1～5行显示）等组成。

便携式编程器一般只能使用指令表语言，对PLC的状态诊断与显示只能以“位”、“字节”或“字”的形式进行，而不能进行如梯形图等其他编程语言的输入、编辑、调试和监控，也不可以离线使用。但由于便携式编程器具有价格便宜、体积小、携带方便的优点，在现场使用时，只需要通过编程器连接电缆与PLC直接进行连接即可，使用简单、方便，因此，对于小型PLC的简单顺序控制程序的现场调试与用户服务，有其实际使用价值。

便携式编程器的主要功能如图1-6所示。

2）图形编辑编程器

图形编辑编程器的结构、原理与通用计算机相同，只是安装了PLC专用的软件，并对其密封、接口等部分进行了一定的改进，使之能够更好地适应工业环境的使用。早期的图形编辑编程器使用CRT显示器，编程器的体积大，现场调试与服务时使用、携带均不方便，因此，目前一般均使用彩色液晶显示器，这种编程器的结构与笔记本电脑已经没有太大的区别。

图形编辑编程器的功能比简易型编程器要强得多。在程序的输入、编辑方面，它不仅可以使用所有编程语言进行程序的输入与编辑，而且还可以对PLC程序、I/O信号、内部编程元件等加以文字注释与说明，为程序的阅读、检查提供了方便。在调试、诊断方面，图形编辑编程器可以进行梯形图程序的实时、动态显示，显示的图形形象、直观，可以监控与显示的内容也远比简易型编程器要多得多。在使用操作方面，图形编辑编程器不但可以与PLC联机使用，也能进行离线编程，而且还可以通过仿真软件进行系统仿真。

由于专用图形编辑编程器的使用范围受到一定的局限，价格通常较高，且其功能与安装了程序开发软件后的通用计算机无实质性的区别，目前已逐步被通用笔记本电脑所代替。图形编程器的主要功能如图1-7所示。

3）通用计算机安装编程软件

在通用计算机的基础上，通过安装专用的PLC程序开发软件而具有与PLC图形编辑编程器相同的功能，是目前PLC编程器的发展趋势。

PLC程序开发软件通常由以下几部分组成。

（1）编程软件。编程软件（如三菱的FX-PCS/WIN、GX Developer等）是PLC编程所需要的最基本的软件，它允许用户对PLC程序进行输入、编辑、存储、打印等，并且可以对PLC程序、I/O信号、内部编程元件等加文字注释与说明。当与PLC连接后，它一方面可以对所编制的PLC程序进行编译，转换为PLC可以接收的格式，传送到PLC：另一方面，也可以将PLC的全部内部状态与信息传送到编程计算机，进行所需要的显示、编辑与监控。

（2）仿真软件。仿真软件（如三菱的GX Simulator等）允许计算机对PLC程序、生产过程进行仿真。通过仿真，可以在PLC程序的设计阶段就发现问题，并加以修改，保证程序的正确性，加快系统调试的进度，提高系统工作的可靠性。

除以上编程工具外，在早期的PLC上，由于经常使用EPROM作为PLC用户程序存储器，需要配套EPROM阅读/写入器、EPROM擦除器等必要的编程工具。但在新型的PLC中，PLC的用户程序存储器已经被操作方便的SRAM卡、ATA卡、PC卡等先进、通用、大容量的存储器器件所代替，EPROM阅读/写入器、擦除器等设备已被逐步淘汰。