技能训练八FX2N系列PLC及应用.docx
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技能训练八FX2N系列PLC及应用
技能训练八FX2N系列PLC及应用
本模块简要介绍三菱FX2N系列可编程控制器（简称PLC）的硬件结构、基本指令及应用程序编制技能，并通过典型工程实例，使读者了解和初步掌握PLC应用系统的实现方法。
第一部分教学要求
一、目的要求
①了解PLC的硬件结构及工作原理
②学习FX2N系列PLC的基本指令
③掌握FX2N系列PLC基本指令的一般应用与编程方法
④掌握简单PLC控制系统的开发运用
二、工具器材
器材名称
规格/型号
数量
器材名称
规格/型号
数量
可编程控制器
FX2N-48MR-001
10台
熔断器
FU/RT18/5A/2P
10台
手持式编程器
FX-20P-E
10台
组合按钮
LA19-3H
10台
适配电缆
FX-20P-CAB
10根
白炽灯泡（带座）
100W/AC220V
10只
电源开关
DZ47-C10/2P
10台
其他工具及导线
若干
三、教学节奏与方式
项目
时间安排
教学方式
课前准备
课余
浏览三菱工控网（WWW.30.GK.com），学习PLC相关知识
教师讲授
4课时
教师讲授、操作示范相结合。
重点：
PLC指令系统
学生实作
4课时
分组进行（6人一组或酌情分组）重点：
PLC的输入输出硬件接线
四、成绩评定
技能训练成绩
教师签名
第二部分教学内容
一、
系列PLC的基本结构
1.PLC的一般硬件结构
系列PLC的外部结构如图8-1所示，为长方体结构，外部有两排可拆卸式接线端子台，按功能可以分为：
电源输入接线端、输入接线端、输出接线端、传感器电源输出接线端等。
图8-1
系列可编程控制器的外部结构
①安装孔4个（φ4.5）
②面板盖
③交流220V电源接线端子
④输入信号用的装卸式端子
⑤输入指示灯
⑥扩展单元、扩展模块、特殊单元、特殊模块、接线插座盖板
⑦动作指示灯
POWER：
电源指示
RUN：
运行指示灯
BATT.V：
电池电压下降指示
PROG-E:
出错指示闪烁（程序出错）
CPU-E:
出错指示亮灯（CPU出错）
⑧输出动作指示灯
⑨输出用的装卸式端子
⑩外围设备接线插座、盖板
可编程控制器内部硬件逻辑结构框图如图8-2所示。
由中央处理单元（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、电源等几部分组成。
图8-2PLC内部硬件逻辑结构框图
（1）中央处理单元（CPU）。
中央处理单元CPU是可编程控制器的核心，其主要作用是执行系统控制软件，从输入接口读取各开关状态，根据梯形图程序进行逻辑处理，并将处理结果输出到输出接口。
（2）存储器。
可编程控制器的存储器是用来存储数据或程序的。
存储器中的程序包括系统程序和应用程序，梯形图程序属于应用程序；系统程序用来管理和控制系统的运行，解释执行应用程序。
（3）输入接口电路。
输入接口接受被控设备的开关状态和传感器信号，通过接口电路转换成适合CPU处理的数字信号。
系列可编程控制器采用24V直流输入式,接口形式如图8-3所示。
图中,24V直流电源由PLC内部开关电源产生。
图8-324V直流输入接口电路
（4）输出接口电路。
输出接口电路将内部电路输出的弱电信号转换为现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、指示灯等执行元件。
为保证PLC可靠安全的工作，输出电路采取了电气隔离措施。
输出电路分为继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出3种形式。
如
-48MR-001为继电器输出式，电路结构如图8-4所示。
图中压敏电阻
并接在继电器的触点上，用来防止触点之间电压过高，避免触点断开时电感性负载产生高电压使触点“粘接”。
图8-4继电器输出方式接口电路
（5）编程器编程器是用来输入和编辑程序的专门装置，也可用来监视PLC运行时各编程元件的工作状态。
一般由键盘、显示器、工作方式开关以及与PLC的通信接口等几部分组成。
图8-5a为用于
系列PLC产品的手持式编程器的外形，图8-5b是编程器的附件，用于编程器与PLC的通讯连接。
（a）FX-20P-E手持式编程器
（b）FX-20P-CAB编程器与PLC的通讯电缆
图8-5手持式编程器及附件
二、可编程控制器的工作原理
1.可编程控制器的等效电路
可编程控制器是一个执行逻辑功能的工业控制装置。
为便于理解可编程控制器是怎样完成逻辑控制的，可以用类似于继电器控制的等效电路来描述可编程控制器内部工作情况。
图8-6为可编程控制器的等效电路，需要指出的是，图中“内部逻辑电路”部分，实质上是用户根据不同的控制需要可在现场方便地编辑及修改的程序，而并非无法更动的内部元件排列与接线。
表6-1是可编程控制器等效电路的简要说明。
图8-6可编程控制器的等效电路
表8-1可编程控制器等效电路的简要说明
1
输入接线端子
2
内置输入控制回路直流电源
①使用内置电源时，通过适当的外部连线，经控制按扭向输入继电器“等效线圈”供电。
②交流输入型及直流工作电源型无内置输入控制电源。
③内置输入回路直流电源一般为DC24V。
3
输入等效继电器驱动线圈
实际输入回路常由光电隔离等回路构成。
4
输入等效继电器工作触点
输入信号通过内部输入状态映像寄存器存储后，供程序执行时反复读取，故相当于PLC内部有无数多个输入继电器常开及常闭触点。
5
程序“工作电源”
PLC逐条执行指令时,理解为由程序“工作电源”通过各内部触点向输出继电器、内部辅助继电器等线圈供电。
6
输出继电器驱动线圈
该线圈由程序驱动,电气上,可理解为由“程序电源”供电,并与PLC输入控制回路及输出负载控制回路隔离。
7
输出继电器辅助触点
由输出线圈驱动，存入输出状态映像区。
可供反复读取，故相当于有无数多个输出继电器常开及常闭辅助触点。
8
输出继电器主触点
①同一编号的输出继电器主触点只有一个。
通过PLC输出外部配线与工作电源及负载串联。
②触点型式有晶体管、双向晶闸管、场效应管及继电器多种结构,继电器式最为多见。
9
输出继电器接线端子
10
负载工作电源
①工作电源可有交流、直流多种型式。
②晶体管式输出电路结构只适用于直流工作电源。
③继电器式输出电路结构,可以在一个PLC的不同输出端子,同时采用交流及直流几种工作电源。
2.PLC的扫描工作方式
可编程控制器采用循环扫描方式工作。
从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储的地址号递增的顺序逐条执行程序，即按顺序逐条执行程序，直到程序结束。
然后再从头开始扫描，并周而复始地重复进行。
理解PLC的扫描工作方式，可帮助我们读懂和编制PLC应用程序。
可编程控制器工作时的扫描过程，如图8-7所示。
图8-7可编程控制器的扫描工作过程
三、PLC的两种常用编程语言
不同厂家、不同型号的可编程控制器产品，采用的编程语言不尽相同，最常使用的是梯形图和指令表两种编程语言。
1.指令表
指令表（亦称语句表）类似于计算机汇编语言的形式，它是采用指令的助记符来编程的。
但PLC的指令表却比汇编语言的语句表通俗易懂，因此也是一种比较常用的编程语言。
不同的PLC，指令表使用的助记符不相同，以最简单的PLC“启－保－停”控制程序为例，采用FX2N系列产品，可写出如下语句：
LDX000（表示逻辑操作开始，常开接点与母线连接）
ORY000（表示常开接点并联）
ANIX001（表示常闭接点串联）
OUTY000（表示输出）
END（表示程序结束）
可见，指令表是由若干条指令组成的程序。
指令是程序的最小独立单元。
每个操作功能由一条或几条指令组成。
PLC的指令表达形式与微机的指令表达形式类似，它是由操作码和操作数两部分组成。
其格式为：
操作码操作数
（指令）（数据）
操作码用助记符表示，它表明CPU要完成的操作功能；操作数表明操作码所操作的对象。
操作数一般由标识符和参数组成。
2.梯形图
如果采用梯形图语言对上述“启-保-停”电路编程，则可写出图8-8所示PLC控制程序。
实际编程时，总是先写出梯形图程序，如果需要，再根据梯形图写出指令表程序。
梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。
事实上，在PLC犏程软件中，只要写好了梯形图程序，指令表程序便可自动生成。
图8-8简单“启－保－停”梯形图程序
3.梯形图的几个主要特点
①梯形图按自上而下，从左到右的顺序排列。
每个继电器线圈为一个逻辑行，即一层阶梯。
每一个逻辑行起于左母线，然后是接点的各种连接，最后终于继电器线圈（有时还加上一条右母线）。
整个图形呈阶梯形。
②梯形图中的各种继电器不是实际中的物理继电器，它实质上是存储器中的一个二进制位。
相应位的触发器为“1”的状态时，表示其线圈通电，常开触点闭合，常闭触点断开。
梯形图中的继电器线圈除了输出继电器、辅助继电器线圈外，还包括计时器、计数器、移位寄存器以及各种算术运算的结果等。
③梯形图中，一般情况下（除有跳转指令和步进指令等的程序段以外），某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器接点则可无限次引用，既可以是常开接点，也可以是常闭接点。
④输入继电器供PLC接受外部输入信号，而不能由内部其他继电器的接点驱动。
因此，梯形图中只出现输入继电器的接点，而不出现输入继电器的线圈。
⑤输出继电器供PLC做输出控制用。
它通过开关量输出模块对应的输出开关（晶体管、双向晶闸管或继电器触点）去驱动外部负载。
因此，当梯形图中输出继电器线圈满足接通条件时，就表示在对应的输出点有输出信号。
⑥PLC的内部继电器不做输出控制用，接点只能供PLC内部使用。
⑦程序结束时要有结束标志END。
⑧当PLC处于运行状态时，PLC就开始按照梯形图符号排列的先后顺序（从上到下，从左到右）逐一处理。
四、
系列PLC的编程元件
系列PLC有多种编程元件，为分辨各种编程元件，给它们指定了专有的字母符号。
如果把PLC中的各种软元件用程序连接起来，就构成了PLC控制系统，见图8-9，其中箭头表示信号的流向。
图8-9PLC中的各种软元件
三菱
系列PLC的基本编程元件及编号见表8-2。
表8-2
系列PLC的基本编程元件及编号
1.输入继电器X
输入继电器（触点）用X000～X007，X010～X017…表示，用八进制编号。
它是外部开关的内部映像。
在梯形图中，可以用它的常开触点，也可以用它的常闭触点，但是不能用它的线圈，也就是说它是只读的,其状态只能由外部开关控制。
2.输出继电器Y
输出继电器用Y000～Y007，Y010～Y017…表示，用八进制编号，分别对应着输出的一个常开触点。
它是可读、可写的，在梯形图中，可以用它的常开触点、常闭触点、线圈，其状态由程序驱动，当同一个输出线圈有两个以上的程序驱动时，最后面的一个有效。
习惯上，通常把输入输出继电器写成X005、Y003的形式，但也可写成X5、Y3，两种写法都是允许的。
3.辅助继电器M
在可编程控制器内部的继电器叫辅助继电器，用M0～M499～M8255表示，用十进制编号。
它的状态由程序驱动，但没有输出触点与之对应，不能直接驱动外部负载。
辅助继电器又可分为通用辅助继电器、掉电保持辅助继电器和特殊功能辅助继电器3种。
（1）通用辅助继电器共500点，编号为M0～M499。
在断电后，通用辅助继电器的状态全恢复为失电状态。
（2）掉电保持辅助继电器共524点，编号为M500～M1023。
当电源中断时，由后备锂电池维持供电，再次上电运行时，掉电保持辅助继电器能够保持它们原来的状态。
可用于要求保持断电前状态的场合。
（3）特殊功能辅助继电器特殊功能辅助继电器也称为专用辅助继电器。
共256个，编号为M8000～M8255。
可分为两种类型。
一类为只读型，其线圈状态由PLC自行驱动，编程时只能用它的触点。
如：
M8000：
运行监视（常开触点），运行标志，在PLC执行用户程序时M8000为ON，停止执行用户程序时M8000为OFF。
M8002：
初始脉冲（常开触点），M8002仅在M8000由OFF变为ON的一个扫描周期内为ON。
可以用M8002的常开触点，使有断电保持功能的元件初始化复位，或给某些元件置初始值。
M8004：
出错。
M8011：
10ms时钟，每10ms发出一个脉冲信号。
M8012：
100ms时钟，每100ms发出一个脉冲信号。
M8013：
1s时钟，每1s发出一个脉冲信号。
M8014：
1min时钟，每1min发出一个脉冲信号。
M8020：
零标志，加减结果为0时得电，否则失电。
另一类为可读、可写型，其线圈状态由程序驱动，线圈被驱动后，产生动作。
如
M8034:
禁止所有输出。
M8036:
强制运行。
M8037:
强制停止等。
详细的功能可查阅三菱FX系列PLC操作手册。
4.定时器T
在FX2N系列PLC内部共有256个定时器，定时范围0.001s～3276.7s，用T0～T255表示，用十进制编号，根据不同的特性分为以下两种：
（1）通用定时器：
T0～T199（200点）定时范围：
0.1s～3276.7s（以l00ms为单位）；T200～T245（46点）定时范围：
0．01s～327.67s（以10ms为单位）；
（2）累积定时器：
T246～T249（4点）定时范围：
0．001s～32.767s（以1ms为单位）；T250～T255（6点）定时范围：
0.1s～3276.7s（以100ms为单位）。
定时器的延时时间的设定由K值确定，也可以用数据寄存器D的内容作为设定值。
在满足条件后定时器就开始计时工作，根据设定的最小定时单位，每到一个单位时间K值减1，当K值减到0时，延时时间到，定时器的延时触点动作。
如图8-10所示，当X1闭合后，定时器T10接通开始计时。
K50表示50个l00ms，即5s。
若Xl的闭合时间没有达到5s（如图中3s），T10没有动作。
若X1的闭合时间达到5s时，则延时时间到，T10动作，T10的常开触点接通Y30线圈，Y30闭合，驱动外接负载。
图8-10定时器的应用及时序图
T251是累积定时器，当Xl闭合后，定时器T251接通开始计时。
K50也表示50个100ms，即5s。
若Xl的闭合时间没有达到5s（如图中3s），T251没有动作并保持当前值不变，等Xl再次闭合时继续计时，总时间达到5s时，则延时时间到，T251动作，T251的常开触点接通Y31线圈，Y31闭合。
直到X0闭合时，T251才复位，Y31断电释放。
5.计数器C
计数器用来记录触点接通的次数，共有256个，编号为C0～C255，计数器的设定值由K值决定。
按计数器断电后可否保持计数值，可分为两种类型。
如通用型计数器：
C0～C99（100点）和保持型计数器：
C100～C199（100点）。
二者区别是保持型计数器的计数内容在断电后可以保持，再次通电后，只要复位信号没有对计数器复位过，计数器可在原有计数值基础上继续计数。
共同点是只有在复位指令作用下才能复位。
计数器的实例见图8-11。
当Xl为闭合（ON）时，RST指令将C10复位，复位后，C10值为0。
如果Xl一直为ON，C10无法计数。
当Xl断开（OFF）时，C10开始对X2的上升沿计数。
K100说明计数值为100，计数次数到100次时，计数器常开触点闭合，常闭触点断开。
图8-11计数器的用法
6.状态寄存器S
状态寄存器S可作为步进控制顺序使用的基本元件，它与步进梯形指令STL结合使用。
7.数据寄存器D
数据寄存器是用来存储数据的软元件。
它主要应用于功能指令中。
8.变址寄存器V和Z
变址寄存器V和Z各为8点。
它们类似于通用数据寄存器，是进行数据读写的16位数据寄存器，用于运算操作数地址的修改。
将V和Z组合可以进行32位的运算，此时，V作为高位数据处理。
9.指针
指针有以下两种。
（1）用于子程序调用的“P”标号的指针。
（2）用于中断服务程序入口的“I”标号指针。
10.常数K／H
PLC中用到了K和H两个常数。
任何常数必须以K或H开头。
如K89表示十进制数89，H200表示十六进制数200。
K是十进制数，当K为16位时，范围是：
-32768～+32768：
当K为32位时，范围是：
-2147483648～+2147483647。
H是十六进制数，当H为16位时，范围是：
0000～FFFF；当H为32位时，范围是：
00000000～FFFFFFFF。
五、
系列PLC的基本逻辑指令
系列PLC共有27条基本逻辑指令，二条步进指令和一百多条功能指令。
仅用基本逻辑指令，便可以编制出开关量控制系统的用户程序，满足大多数自动控制系统的控制要求。
以下是
系列PLC的基本指令，有关功能指令及其使用方法请参见本书附录及
系列PLC使用手册。
1.LD、LDI、OUT指令
LD（取）：
将常开触点与左母线连接，是逻辑运算的起始，其逻辑操作元件有X、Y、M、S、T、C。
LDI（取反）：
将常闭触点与左母线连接，也是逻辑运算的起始，其逻辑操作元件有X、Y、M、S、T、C。
OUT（输出）：
它是逻辑运算的结果，用以驱动线圈，操作Y、M、S、T、C元件。
LD、LDI和OUT指令的用法，如图8-12所示。
图8-12LD、LDI和OUT的用法
说明：
OUT指令对输入继电器不能使用。
OUT指令可以多次并行输出（如OUTMl00、OUTTO）．定时器或计数器线圈在OUT指令后要设定常数K，常数K后紧接数字。
2.AND、ANI指令
AND（与）：
串联常开触点，操作元件X、Y、M、S、T、C。
ANI（与非）：
串联常闭触点，操作元件X、Y、M、S、T、C。
AND、ANI指令的用法，如图8-13所示。
0LDX24ANIX3
1ANDX05OUTX3
2OUTY36ANDT1
3LDY37OUTY4
图8-13AND、ANI使用法
说明：
用AND、ANI串联触点，个数没有限制。
指令可重复多次使用。
线圈OUTMl01之后用AND、ANI指令再输出线圈，这种方式称为纵接输出。
如果顺序不乱．可多次重复。
但如果顺序相反，则会出现语法错误，需用到后文提到的MPS指令来解决。
3.OR、ORI指令
OR（或）：
并联常开触点，操作元件X、Y、M、S、T、C；
ORI（或非）；并联常闭触点，操作元件X、Y、M、S、T、C。
OR、ORI指令的用法，如图8-14所示。
图8-14OR、ORI的用法
说明：
OR、ORI是用于单个触点的并联指令。
是指从当前步始，对前面的LD、LDI指令并联（即从当前步把触点与左母线相连）。
此命令允许多次重复使用。
4.PLS／PLF脉冲输出指令
PLS、PLF指令的功能、操作元件等如下。
PLS、PLF为脉冲输出指令，PLS在输入信号上升沿产生脉冲输出，而PLF在输入信号下降沿产生脉冲输出。
PLS、PLF指令的使用，如图8-15所示。
图8-15PLS、PLF指令的使用
说明：
①使用PLS指令，元件Y、M仅在驱动输入接通后的一个扫描周期内动作（置1）；
②用PLF指令，元件Y、M仅在驱动输入断开后的一个扫描周期内动作；
③特殊继电器不能用作PLS或PLF的操作元件；
④在驱动输入接通时，PC由运行一停机一运行，此时PLSM0动作，但PLSM600（断电时由电池后备的辅助继电器）不动作。
这是因为M600是保持继电器，即使在断电停机时其动作也能保持。
5.LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF指令
LDP、ANDP和ORP是用来检测上升沿的触点指令，触点的中间有一个向上的箭头，对应的触点仅在指定位元件波形的上升沿（由OFF变为ON）时接通一个扫描周期。
LDF、ANDF和0RF是用来检测下降沿的触点指令，触点的中间有一个向下的箭头，对应的触点仅在指定位元件波形的下降沿（由ON变为OFF）时接通一个扫描周期。
图8-16LDP、LDF、ANDP、ANDF、ORP、ORF指令示例程序
6.ORB指令
ORB（电路块或）：
并联一个串联电路．无操作元件。
ORB指令的用法，如图8-17所示。
说明：
两个以上触点串联构成串联电路块。
串联电路块作并联连接时．每一分支开始均用LD、LDI指令，分支结束用ORB指令，ORB无操作元件。
图8-17ORB的用法
7.ANB指令
ANB（电路块与）：
串联一个并联电路，无操作元件。
其指令用法，如图8-18所示。
图8-18ANB的用法
说明：
由若干个分支电路构成的电路称为并联电路块。
并联电路块在电路中作串联连接时，可以把它看成一单元。
每一并联分支电路起始点用LD、LDI，结束点用ORB（相当于并联一串联电路块），并联触点只用OR。
并联电路块结束，使用ANB指令，表示与前面电路串联。
8.MPS、MRD、MPP指令
这是一组多重输出电路的指令。
指令及功能如下。
MPS：
进栈，将PLC的程序执行到MPS指令为止时所进行逻辑运算的状态进栈保留。
MRD：
读栈，读出用MPS指令记忆的状态，并不改变栈中的状态。
MPP：
出栈，读出用MPS指令记忆的状态，并清除栈顶层的状态。
使用这组指令，可将输出的连接点先存储起来，因此，可用于多重输出电路。
在
系列可编程序控制器中有11个可存储运算中间结果的存储器，称为栈存储器。
使用一次MPS指令，当前的运算结果推向栈的顶层，先推入的数据依次向栈的下一层推移。
使用MPP指令，各数据向上一层推移，最上层的数据在读出后就从栈内消失。
MRD是读出最上层的最新数据的专用指令。
使用MRD指令，栈内数据不发生上下推移。
这些指令都没有操怍元件。
筒单电路（一层栈）的指令用法，如图8-19所示。
图8-19一层栈MPS、MRD、MPS的用法
说明：
对于简单的多重输出电路，进栈（首次输出）时用MPS指令，出栈（末项输出）用MPP指令，中间项输出用读栈MRD指令。
9.MC、MCR指令
MC（主控）：
主控电路块起点。
操作数N（嵌套层数，0～7层），操作元件Y、M。
MCR（主控复位）：
主控电路块终点。
操作数N（嵌套层数，0～7层）。
主控指令相当于继电接触控制中的主控接点：
指令用法如图8-20所示。
说明：
输入触点X0通时．驱动MC指令母线移到MC触点之后，执行MC与MCR之间指令。
之后，执行MCR指令．母线返回：
MC、MCR必须成对使用。
当输入X0断开时，MC、MCR之间的元件有些保持当前状态，如积算定时器、计数器及用SET／RST指令驱动的元件；有些变成断开状态，如非积算定时器用OUT指令驱动的元件。
图8-20MC、MCR的使用法
MC、MCR指令可以嵌套。
嵌套级N的编号对主控指令MC应按程序顺序由小到大顺
次增大，主控返回指令MCR应由大到小顺次减少，形成嵌套，如图6-20所示。
10.SET／RST自保持与解除指令
SET为置位指令，使操作保持。
RST为复位指令，使操作保持复位。
SET、RST指令的使用如图8-21所示。
X0一旦接通，即使再变成断开，Y0也保持接通。
Xl接通后，即使再变成断开，Y0也将保持断开。
对于M、S也是同样。
图8-21SET、RST指令的使用
对同一元件可以多次使用SET、RST指令，顺序可任意，但在最后执行的一
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