作者：罗志勇,罗萍,周丽芳
出版社：人民邮电出版社
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三菱FX/Q系列PLC工程实例详解试读：
前言
随着工业自动化和通信技术的飞速发展，可编程控制器（PLC）的应用领域大大拓展，在工业自动化、机电一体化及传统产业技术改造等方面得到了广泛的应用。而目前有关PLC的教材和参考资料大多偏向于理论方面，缺乏对于工程应用中的设计方法、流程的介绍，用户在实际操作中经常遇到各种障碍。在相关需求的催化下，本书应运而生。
本书对PLC在工程中的应用进行了有针对性的讲解，按照工程应用流程循序渐进地进行了介绍，内容涉及工艺控制流程分析、PLC系统硬件设计、软件设计和程序编码等环节，并辅以大量的图片和文字说明，内容通俗易懂，有利于读者理解PLC的工程应用，对从事相关工作的人员具有很强的参考价值。
全书共9章，以三菱FX系列、Q系列为对象，从工程应用和实训出发，列举了大量的PLC控制电路和实际应用系统，主要通过分析系统工艺及控制要求，进行系统配置和编程训练，并通过相关知识点和可借鉴资料，帮助读者尽快学习PLC工程应用技术。根据应用案例应用PLC技术侧重点的不同，本书选择了9个具有代表性的典型案例，分章节对其予以详细介绍，章节按照从简单到复杂、由一般到特殊的顺序编排。
第1章为PLC运料小车控制系统，介绍了电动机正反转的控制方法和PLC指令系统，帮助读者了解简单的控制系统设计。
第2章为PLC真空压力浸漆控制系统，主要介绍了将PLC基础知识运用到实际应用中的方法。
第3章为PLC过滤流程控制系统，介绍了如何从系统层面利用PLC设计实际控制系统，并进一步总结、归纳使用PLC实现实际工程项目的思路与方法。
第4章为PLC工作台自动往返控制系统，介绍了利用PLC对行进电动机点动控制和自动控制的方法。
第5章为PLC制冷剂自动充填控制系统，主要介绍了缓冲寄存器（BFM）以及对其写入、读出的指令。
第6章为PLC6轴机械手控制系统，介绍了PLC高速计数器的作用和三菱FX系列PLC的高频脉冲输出方法以及PLC串行通信的相关知识。
第7章为PLC压力控制系统，重点介绍了三菱公司PLC的模拟量特殊功能模块的原理、接线和编程的方法。
第8章为PLC电梯控制系统，重点介绍了PLC与变频器通信的实现方法和相关设备的参数设置。
第9章为PLC啤酒瓶包装控制系统，重点讲述了三菱Q系列的功能，介绍了CC-Link网络的特点以及伺服控制方面的知识。
本书由罗志勇、罗萍、周丽芳主编，参与本书编写的人员还有重庆邮电大学沈亦帆、耿莉、徐阳、王青青、姜静、李艳丽、何金龙、胡亚强、陈刚、张蓉、李华松等同学。
由于编者水平有限，书中难免有错误和不妥之处，敬请读者批评指正。编 者第1章PLC运料小车控制系统本章首先介绍PLC的工程设计方法，包括控制系统设计步骤、PLC硬件系统设计和软件设计；然后以三菱FX系列PLC为例，设计一个含有6个作业点2N的运料小车控制系统，同时介绍电动机正反转控制方法以及电动机制动方法。1.1 工程设计方法
在PLC广泛应用于工业控制领域的今天，掌握PLC控制系统设计显得尤为重要。本节将介绍PLC控制系统的工程设计方法和步骤。1.1.1 控制系统设计步骤
使用PLC设计一个控制系统，一般可以依照下面的步骤进行。
① 分析工艺流程和控制要求。首先按照工艺流程及工作特点，确定被控对象；然后根据被控对象机电之间的配合，确定PLC控制系统的控制要求、基本控制方式、功能目标、必要保护以及故障报警处理等环节。
② 确定输入/输出（I/O）设备。根据第一步确定的控制要求等确定PLC控制系统所需的输入设备（按钮、行程开关、传感器等）和输出设备（接触器、继电器、电磁阀、指示灯等），并在此基础上确定I/O类型及点数。
③ PLC型号的选择。在确定I/O设备的基础上，根据系统的I/O信号的特点，即模拟量或者数字量、I/O电压高低、功率大小、点数、有无远程通信等，选择满足要求的PLC机型和容量。
④ I/O地址分配。根据选定的PLC型号和各个信号的特点，分配合适的I/O端口和内部继电器，制作I/O端口分配表。
⑤ PLC系统设计。PLC系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统设计主要包括PLC及外围线路的设计、硬件的选型、电气线路的设计和抗干扰措施的设计等。所谓PLC软件设计，实质上是运用PLC特殊的编程语言，将对象的控制条件与动作要求转化为PLC可以识别的指令的过程，这些指令被称为“PLC用户程序”，简称PLC程序。PLC程序经PLC的内部运算与处理后，即可获得所需要的执行元件动作。
⑥ 离线模拟调试。程序编写完成后，将程序读入PLC，用按钮和开关模拟数字量，对电压源和电流源模拟量进行调试，观察控制程序是否满足要求。
⑦ 现场调试及整理技术文件。待硬件施工完成后，将程序和现场设备联机调试，发现并解决问题；整理技术说明书、电气原理图、PLC梯形图等技术资料。
PLC控制系统的设计流程如图1-1所示。图1-1 PLC控制系统设计流程图1.1.2 PLC硬件系统设计
PLC型号的选择。在做出系统控制方案的决策之前，要详细了解被控对象的控制要求，从而决定选用何种型号的PLC进行控制。机型的选择可从I/O点数、结构形式、响应时间、系统的可靠性、机型统一等方面来考虑。
I/O点的选择。设计一个系统时，先要弄清楚控制系统的I/O总点数，再按实际所需总点数的15％～20％留出备用量后确定所需PLC的点数。
存储容量的选择。对用户存储容量只能作粗略地估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数×10字/点+输出总点数×5字/点来估算；计数器/定时器按3～5字/个估算，有运算处理时按5～10字/量估算；在有模拟量I/O的系统中，可以按每输入（或输出）一路模拟量需80～100字的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。最后，一般按估算容量的50％～100％留出余量。
I/O响应时间的选择。PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫描工作方式引起的时间延迟（一般在2～3个扫描周期）等。对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制的系统，特别是闭环系统就要考虑这个问题。
根据输出负载的特点选型。不同的负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型的，而不应选用继电器输出型的。
在线和离线编程的选择。离线编程是指主机和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。在线编程是指主机和编程器各有一个CPU，主机的CPU完成对现场的控制，在每一个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按新的程序对现场进行控制。
联网通信选型。若PLC控制的系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。
上述过程中同时确定各种I/O设备、存储设备和其他的特殊设备。根据选定的PLC型号，配置符合要求的存储设备、数字/模拟I/O设备和其他特殊设备。1.1.3 软件设计
① 在软件设计之前，对控制系统的工作流程和各个被控设备的特性要有很深入细致地了解，这样才能编写出符合要求的程序。如果系统较为复杂，可以将该系统划分为若干个小系统，便于程序的编写。
② 绘制逻辑流程图。详细地分析工艺流程和控制要求后，就要根据要求，画出能反映某一过程有什么条件、产生什么动作、导致什么后果的逻辑流程图。
③ 编写具体程序。根据详细的逻辑流程图，就可以开始逐条地编写程序。编写程序要注意程序简单可靠，简洁易懂，便于调试和修改。
④ 模拟调试。程序完成后，可以对程序进行模拟调试。模拟调试时，以每个单元模块为单位进行调试，完成后，再对整个程序进行调试，直到正确为止。
⑤ 现场调试。将经过模拟调试的程序下载到PLC中，联合现场的各种设备，进行现场调试，以确定整个系统的软件设计是正确无误的。
⑥ 整理技术文件。通过现场调试以后，硬件电路和程序都已经确定，这时候就要全面地整理技术文件，对整个程序设计进行总结。对于软件部分来说，技术文件主要包括PLC程序、功能图、使用说明书和帮助文件等。
PLC用户程序设计的关键是要保证它能实现控制目的与要求，且程序简洁、明了，便于检查与阅读，这样的程序就是好程序。因此，不管采用何种设计方法、使用何种编程语言，都需要设计者具备熟悉PLC编程语言、灵活运用编程指令的能力。
PLC的常用编程语言主要有指令表（LIST）、梯形图（LAD）、逻辑功能图（CSF）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、顺序功能图（SFC）等，部分PLC还可以使用Basic、Pascal、C语言等其他编程方法。
梯形图（Ladder Diagram，LAD）是一种沿用了继电器的触点、线圈、连线等图形与符号的图形编程语言，其程序形式与继电器控制系统十分相似，其特点是程序直观、形象，在编程中使用最广，成为了主流的编程语言。
梯形图编程语言是在继电器触点控制电路图基础上发展起来的一种编程语言，两者的结构非常类似，但其程序执行过程存在本质的区别。因此，同样是继电器触点控制系统与梯形图的基本组成三要素——触点、线圈、连线，但两者之间有着本质的不同。（1）触点的性质与特点
梯形图中所使用的输入、输出和内部继电器等编程元件的“常开”、“常闭”触点，其本质是PLC内部某一存储器的数据“位”状态。程序中的“常开”触点是直接使用该位的状态进行逻辑运算处理，“常闭”触点是使用该位的“逻辑非”状态进行处理。它与继电器控制电路的区别如下。
① 梯形图中的触点可以在程序中无限次使用，它不像物理继电器那样受到实际安装触点数量的限制。
② 在任何时刻，梯形图中的“常开”、“常闭”触点的状态都是唯一的，不可能出现两者同时为“1”的情况，“常开”、“常闭”触点存在严格的“非”关系。（2）线圈的性质与特点
梯形图编程所使用的“内部继电器”、“输出线圈”等编程元件，虽然采用了与继电器控制电路同样的图形符号，但它们并非实际存在的物理继电器。程序对以上线圈的输出控制，只是将PLC内部某一存储器的数据“位”的状态进行赋值而已。数据“位”置“1”对应于线圈的“得电”，数据“位”置“0”对应于“断电”。它与继电器控制电路的区别如下。
① 如果需要，梯形图中的“输出线圈”可以在程序中进行多次赋值，即在梯形图中可以使用所谓的“重复线圈”。
② PLC程序的执行，严格按照梯形图“从上至下”、“从左至右”的时序；在同一PLC程序执行循环内，不能改变已经执行完成的指令输出状态（已经执行完成的指令输出状态，只能在下一循环中予以改变）。有效利用PLC的这一程序执行特点，可以设计出许多区别于继电器控制电路的特殊逻辑，如“边沿”处理信号等。（3）连线的性质与特点
梯形图中的“连线”仅代表指令在PLC中的处理顺序关系（“从上至下”、“从左至右”），它不像继电器控制电路那样存在实际电流，因此，在梯形图中的每一“输出线圈”应有各自独立的逻辑控制“电路”（即明确的逻辑控制关系），不同“输出线圈”间不能采用继电器控制电路中经常使用的“电桥型连接”方式，试图通过后面的执行条件改变已经执行完成的指令输出。1.2 控制系统工艺要求
某生产线上用运料小车将生产原料运送到6个作业点上，供设备与生产人员使用，要求小车能响应生产作业点的呼叫并迅速准确地停靠各个生产作业点，使生产过程顺利进行。运料小车系统的简化示意图如图1-2所示。图1-2 运料小车系统示意图
小车的控制机构有启动按钮和停止按钮。小车由一台三相异步电动机驱动，电动机正转，小车右行，反转则左行。生产作业点分别编号为0～5，每个点对应配备呼叫按钮B0～B5和用于监视小车是否准确停靠的行程开关。
运料小车应能满足下面的控制要求。
① 按下启动按钮，系统开始工作；按下停止按钮，小车立即停止动作。
② 呼叫按钮有互锁功能，当一个或多个呼叫按钮被按下后，系统能准确识别出按钮位置，响应最先按下的按钮。
③ 若小车停靠的位置编号小于呼叫按钮B的编码值，单机正转，小车向右运动到作业点停靠；反之，则向左运动到作业点停靠。
④ 若小车停靠的位置编号等于呼叫按钮B的编码值，小车保持不动。
⑤ 若行程开关和电动机正反转继电器出现故障，小车能及时停机，防止事故的发生。1.3 相关知识点
在明确系统控制要求后，需要应用相关技术实现这些要求。下面将简单介绍运料小车控制系统需要用到的电动机正反转和三菱PLC指令等相关知识点。1.3.1 电动机正反转控制方法
在运料小车控制系统中，小车的左右运动由电动机正反转来实现，下面将介绍如何使用PLC来控制电动机的正反转。
一个PLC来控制电动机正反转的简单系统有3个开关量输入信号：停止SB1，正转启动SB2，反转启动SB3；两个开关量输出信号：电动机正转继电器和电动机反转继电器。电动机正反转控制电路及接线图如图1-3所示，其控制梯形图如图1-4所示。图1-3 电动机正反转控制电路及接线图图1-4 三相异步电动机正反转控制梯形图
指令表如下：
在设计这个控制系统时，为了保护电动机不被烧坏和电路不出现短路，必须采取软硬件双重互锁的技术。
软件上的互锁就是在反转控制电路中串接X001的常闭触点，所以SB2不仅是电动机正转的启动按钮，也是电动机反转的停止按钮；同理，SB3是电动机反转启动按钮，也是电动机正转停止按钮。这样的设计称为软件设计上的互锁，保证了任何时候电动机只有正反序电源中的一个接通，保护电动机不会被烧坏。
由于内部PLC的软件互锁只相差一个扫描周期，而外部继电器接触触点的断开时间大于一个扫描周期，外部继电器没有足够的时间响应。例如Y001已经断开，而KM2的触点还没来得及断开，这个时候如果KM2接通就会引起主电路的短路，因此，必须采取外部继电器的常闭触点互锁，也就是硬件上的互锁。本设计中，直接使用了电动机正反转继电器来解决这个问题。2N系列PLC部分指令介绍
按照系统配置和用户要求编制用户程序，是设计PLC控制系统的重要环节。在这之前，必须掌握相关的指令系统和它们的梯形图表示形式。
FX系列PLC的指令系统由助记符和软元件组成，格式为2N
助记符 软元件
软元件的编号范围如表1-1所示。表1-1 软元件的编号范围
1．逻辑取、与、或及输出指令介绍（1）LD/LDI指令
LD指令和LDI指令表示一个与输入母线连接的开始起点。LD表示常开触点逻辑运算开始，LDI表示常闭触点逻辑运算开始。LD/LDI指令的目标元件是X、Y、M、S、T、C，用于将触点连接到母线上。同时，可以和后面的ANB、ORB指令联合使用，也可以在分支点使用。两个指令均是单程序步指令，助记符格式为
LD bit
LDI bit（2）OUT指令
OUT指令是线圈驱动指令，即输出指令。它的目标元件是Y、M、S、T、C，输入线圈X不能作为它的目标元件。目标元件是定时器T和计数器C时，必须设置常数K。OUT指令是一个多程序步指令，且视具体目标元件而定，助记符格式为
OUT bit（3）AND/ANI指令
AND/ANI指令是串联连接触点指令。AND表示常开触点的串联，ANI表示常闭触点的串联，它们串联的触点数目不受限制，可以多次使用。目标元件是X、Y、M、S、T、C。两个指令均是单程序步指令，助记符格式为
AND bit
ANI bit（4）OR/ORI指令
OR/ORI是并联连接触点指令。OR表示常闭触点的并联，ORI表示常开触点的并联。需要多次使用时，要使用ORB指令。目标元件为X、Y、M、S、T、C。两个指令均是单程序步指令，助记符格式为
OR bit
ORI bit（5）INV指令
INV指令执行运算结果取反功能。它是单程序步指令，助记符格式为
INV
2．堆栈指令（1）ANB指令
两个或者两个以上的触点并联的电路成为并联电路块。分支电路并联电路块与前面的电路串联时，使用ANB指令。分支的起点用LD/LDI指令，并联电路块结束后，使用ANB指令与前面的电路串联。该指令是单程序步指令，助记符格式为
ANB
ANB指令的应用实例如图1-5所示。图1-5 ANB指令应用实例
对应的指令表为（2）ORB指令
两个或者两个以上的触点串联的电路称为并联电路块，使用ORB指令。分支的起点用LD/LDI指令，分支结果用ORB指令。该指令和ANB指令一样是无目标元件的单程序步指令，助记符格式为
ORB
ORB指令的应用实例如图1-6所示。图1-6 ORB指令应用实例
对应的指令表为
3．两个应用指令MOV和CML
应用指令由3个要素组成：功能号、助记符、操作数。（1）传送指令MOV
传送指令MOV的功能号为FNC12，它是将源操作数的内容传送到目标操作数，应用实例如图1-7所示。图1-7 MOV指令应用实例
对应的指令表为
这段程序的功能是：在X000为ON时，将源操作数D0中的数据传送到目的操作数D6中，操作完成后，D0中的数据保持不变，D6中的数据为D0中的数据。（2）比较指令CMP
比较指令CMP的功能号是FNC10，它用来实现两个数据S1和S2的大小比较。当输入条件满足时，执行比较指令，比较的结果送到目标操作数为首地址的3个连续软元件中。它的用法如图1-8所示的梯形图。图1-8 CMP指令应用实例
对应的指令表为
本例执行的操作是，当X000为ON时，比较K10和T10中的数据，结果存入到M0、M1和M2。如果K10＞T10，则M0接通，Y000输出；如果K10＝T10，则M1接通，Y001输出；如果K10＜T10，则M2接通，Y002输出。1.4 控制系统硬件设计
明确了运料小车系统的控制要求和相关的控制技术后，本节将具体介绍如何完成PLC、三相电动机和其他硬件设备的选型，并完成本系统的硬件设计部分。1.4.1 控制系统硬件选型
本系统包括6个呼叫按钮B0～B5、6个行程开关P0～P5、启动（START）按钮和停止（STOP）按钮共14个数字量，共有14个数字量输入端口。工作过程中PLC只需要控制一个电动机运转的两种运行状态：正转、反转，其控制量分别为D1和D2，这是2个数字量，需要2个数字量输出端口。图1-9 FX-32MR实物图2N
1．PLC选型
根据系统I/O信号的性质和数量，本设计选用FX-32MR主机。2N该型号的主机由AC220V供电，自带16点数字量输入，16点数字量输出，可以满足系统I/O信号数量的要求，完成对运料小车的控制任务。FX-32MR实物图如图1-9所示，其参数见表1-2。2N表1-2 FX-32MR参数表2N
2．三相异步电动机
使用电压：DC48～600V；输出功率：2～160kW；转速等级：500～6000r/min；连续可调输出转矩：10～600N·m；防护等级：IP54；防爆等级：H级；绝缘位置传感器是霍尔元件。典型应用：有轨车辆、电动汽车、电动摩托车、电瓶车、电动观光车、电动叉车、机场牵引车。三相异步电动机的实物图如图1-10所示。图1-10 三相异步电动机实物图
3．行程开关
行程开关的实物图如图1-11所示。行程开关参数见表1-3。图1-11 行程开关实物图表1-3 行程开关参数表
4．电动机正反转继电器
电动机正反转继电器采用微处理器智能控制，SMT工艺，除了在输入控制端设置硬件、软件正反互锁外，在强电输出端也设置正反互锁。当撤销A路控制信号而A路晶闸管该断开却未及时断开时，B路晶闸管即使有控制信号也不会立即接通，只有待A路完全断开后才接通B路，反之亦然。继电器内置有输入保护电路，在AC380V强电未接入的情况下，即使输入端有控制信号也不会触发晶闸管导通。只有在主电路上电完成后，输入端才正式开始接受控制信号的指令。输出端与输入控制端采用光电隔离，内部每一路晶闸管内置RC吸收回路，无需外接。模块有两只LED显示电动机旋转方向，另有LED电源指示。控制电压DC12～24V宽范围，工作电流25～45mA，其他电压也可定制。输入共阳或共阴极可随意接线，控制电流约3mA。模块有380V上电保护电路，无浪涌冲击，抗干扰能力强。晶闸管采用陶瓷基板（DCB），电流规格为15～90A。电动机正反转继电器的实物图如图1-12所示。图1-12 电动机正反转继电器实物图1.4.2 原理图
1．系统构成示意图
本系统的控制系统构成如图1-13所示。图1-13 控制系统构成图
2．电气原理图
本系统电气原理图（PLC接线图）如图1-14所示。图1-14 PLC接线图
3．电动机正反转继电器接线图
电动机正反转继电器接线图如图1-15所示。图1-15 电动机正反转继电器接线图1.5 控制系统软件设计
控制系统的外部电路很简单，其控制功能主要由软件来实现。本系统的软件设计环境是三菱公司的编程软件GX Developer。下面将介绍该控制系统软件设计的具体过程。1.5.1 控制系统I/O分配
系统共需要16个数字量输入端口，结合系统的电气原理图可以很容易得到PLC的I/O端口输入端口分配表，见表1-4。表1-4 数字量输入地址分配表
PLC控制电动机的运转，需要正反转D1、D2两个数字信号，结合系统电气原理图可以得到1/O端口输出端口分配表，见表1-5。表1-5 数字量输出地址分配表
PLC内部继电器地址分配见表1-6。表1-6 PLC内部继电器地址分配表
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]