第五章 FX系列可编程控制器的编程元件及指令系统.docx
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第五章FX系列可编程控制器的编程元件及指令系统
第五章FX系列可编程控制器的编程元件及指令系统
内容提要：
本章阐述了FX系列可编程控制器型号命名的基本格式及含义、硬件组成、主要性能指标和FX系列PLC的特点，对FX系列可编程控制器的编程元件进行了分类介绍，着重讲解了FX系列可编程控制器的基本逻辑指令。
课程重点：
FX系列可编程控制器的编程元件和基本逻辑指令。
课程难点：
高速计数器、栈存储器与多重输出指令、主控与主控复位指令MC、MCR。
教学目标：
重点掌握FX系列可编程控制器的基本逻辑指令，达到熟练应用程度；了解FX系列可编程控制器的编程元件，并能根据编程需要合理选择相应编程元件。
第一节FX系列可编程控制器概述
FX系列可编程控制器是当前国内外最新、最具特色、最具代表性的微型PLC。
它由日本三菱电机公司研制开发的。
FX系列PLC基于“基本功能、高速处理、便于使用”的研发理念，使其具有数据传送与比较、四则运算与逻辑循环与移动等应用系统。
除此之外，还具有输入输出刷新、中断、高速计数器比较指令、高速脉冲输出等高速处理指令，以及在SFC控制方面，将机械控制的标准动作封装化的状态初始化指令等，使功能大大增强。
一、FX系列PLC型号的含义
FX系列可编程控制器型号命名的基本格式为：
说明：
系列序号：
0，0S，0N，1，2，2C，1S，2N，2NC。
I/O总点数：
14～256。
单元类型：
M-----基本单元；E----输入输出混合扩展模块；
EX----输入专用扩展模块；EY---输出专用扩展模块；
输出形式：
R-----继电器输出；T----晶体管输出；
S-----晶闸管输出
特殊品种区别：
D---DC电源，DC输入；AI--AC电源，AC输入；
H---大电流输出扩展模块；V--立式端子排的扩展模块；
C---接插口输入输出方式；F--输入滤波器1ms的扩展模块；
L---TTL输入型扩展模块；S---独立端子扩展模块。
例如：
FX2N---32MRD含义是：
FX2N系列，输入输出总点数为32点，继电器输出、DC电源，DC输入的基本单元。
例如：
FX-----4EYSH含义是：
FX系列，输入点数0点，输出点数4点，晶闸管输出，大电流输出扩展模块。
二、FX系列PLC的硬件组成
FX系列PLC具有庞大的家族。
基本单元（主机）有FX0、FX0S、FXON、FX1、FX2、FX2C、FX1S、FX2N、FX2NC9个系列。
每个系列又有14、16、32、48、64、80、128点等不同输入输出点数的机型，每个系列还有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种输出形式。
FX系列PLC的硬件包括基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元。
基本单元（BasicUnit）是构成PLC系列的核心部件，内有CPU、存储器、I/O模块及电源、通信接口和扩展接口等，这些在PLC的基本结构中已经介绍。
扩展单元（ExtensionUnit）是用于增加PLCI/O点数的装置，内部设有电源。
扩展模块（ExtensionModule）用于增加PLC的I/O点数及改变PLC的I/O点数比例，内部无电源，所用电源由基本单元或扩展单元供给。
扩展单元及扩展模块无CPU，所以它们必须与基本单元一起使用。
特殊功能单元（SpecialFunctionUnit）是一些专门用途的装置。
三、主要性能指标
（一）硬件指标
硬件指标包括一般指标、输入特性和输出特性。
（二）软件指标
软件指标包括运行方式、速度、程序容量、元件种类和数量、指令类型等。
FX系列PLC的一般技术指标包括基本性能指标、输入技术指标及输出技术指标，如下表5-1～5-3：
表5-1FX系列PLC的基本性能指标
项目
FX1S
FX1N
FX2N和FX2NC
运算控制方式
存储程序，反复运算
I/O控制方式
批处理方式（在执行END指令时），可以使用I/O刷新指令
运算处理速度
基本指令
0.55微秒/指令～0.7微秒/指令
0.08微秒/指令
应用指令
3.7微秒/指令～数百微秒/指令
1.52微秒/指令～数百微秒/指令
程序语言
逻辑梯形图和指令表，可以用步进梯形指令来生成顺序控制指令
程序容量（EEPROM）
内置2KB步
内置8KB步
内置8KB步，用存储盒可达16KB步
指令数量
基本、步进
基本指令27条，步进指令2条
应用指令
85条
89条
128条
I/O设置
最多30点
最多128点
最多256点
表5-2FX系列PLC的输入技术指标
输入电压
DC24V±10%
元件号
X0～X7
其他输入点
输入信号电压
DC24V±10%
输入信号电流
DC24V,7mA
DC24V,5mA
输入开关电流OFF→ON
＞4.5mA
>3.5mA
输入开关电流ON→OFF
<1.5mA
输入响应时间
10ms
可调节输入响应时间
X0～X7为0～60mA（FX2N），其他系列0～15mA
输入信号形式
无电压触点，或NPN集电极开路输出晶体管
输入状态显示
输入ON时LED灯亮
表5-3FX系列PLC的输出技术指标
项目
继电器输出
晶闸管输出（仅FX2N）
晶体管输出
外部电源
最大AC240V或DC30V
AC85V～242V
DC5～30V
最大负载
电阻负载
2A/1点，8A/COM
0.3A/1点，0.8A/COM
0.5A/1点，0.8A/COM
感性负载
80VA，120/240VAC
36VA/AC 240V
12W/24V DC
灯负载
100W
30W
0.9W/DC 240V（FX1S），其他系列1.5W/DC24V
最小负载
电压＜5V DC时2mA，电压＜24V DC时5mA（FX2N）
2.3VA/240VAC
……
响应时间
OFF→ON
10ms
1ms
<0.2ms；<5μs（仅Y0，Y1）
ON→OFF
10ms
10ms
<0.2ms；<5μs（仅Y0，Y1）
开路漏电流
…
2mA/240VAC
0.1mA/30VDC
电路隔离
继电器隔离
光电晶闸管隔离
光耦合器隔离
输出动作显示
线圈通电时LED亮
四、FX系列PLC的特点
（一）体积极小的微型PLC
FX1S、FX1N和FX2N系列PLC的高度为90mm，深度为75mm（FX1S和FX1N系列）和87mm（FX2N和FX2NC系列），它们的体积小，很适合于在机电一体化产品中使用。
内置的DC24V电源既可以作输入回路的电源又可以作传感器的电源。
（二）先进美观的外部结构
三菱公司的FX系列PLC吸收了整体式和模块式PLC的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，宽度不同，它们之间用扁平电缆连接，紧密拼装后可以组成一个整齐的长方体。
（三）提供多个供用户选用的子系列。
FX系列PLC的系列不同，其尺寸、性价比有很大的差异，详见下表5-4所示。
表5-4FX1S、FX1N、FX2N和FX2NC的性能比较
型号
I/O点数
用户程序步数
应用指令
通信功能
基本指令执行时间
FX1S
10～30
2K步EEPROM
85
较强
0.55～0.7μs
FX1N
14～128
8K步EEPROM
89
强
0.55～0.7μs
FX2N和FX2NC
16～256
内置8K步RAM，最大16K步
128
最强
0.08μs
（四）灵活多变的系统配置
FX系列PLC的系统配置灵活，用户除了可以选用不同的子系列外，还可以通过选用多种基本单元、扩展单元和扩展模块来组成不同的I/O点数和不同功能的控制系统。
FX系列PLC还有许多特殊模块，例如模拟量输入输出模块、热电阻/热电偶温度传感器用模拟量输入模块、温度调节模块、高速计数模块、CC-Link系统主站模块、各种通信接口模块等。
（五）功能强且使用方便
FX系列PLC内置高速计数器，因此使用脉冲序列指令可以直接控制步进电机，脉冲宽度调制功能可以用于温度或照明灯的调光控制。
FX1S和FX1N系列PLC使用EEPROM，不需要定期更换锂电池，成为几乎不需要维护的电子控制装置；FX2N系列使用带电池后备的RAM。
第二节FX系列可编程控制器的编程元件
一、FX系列PLC的基本数据结构
FX系列PLC内部的编程元件从物理实质上来说是电子电路及存储器，按通俗叫法分别称为输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等，鉴于它们的物理属性，称之为软继电器或软元件，它们与真实元件之间有很大的差别。
这些编程用的继电器的工作线圈没有工作电压等级、功耗大小和电磁惯性等问题，触点也没有数量限制、机械磨损和电蚀等问题。
在不同的指令操作下，其工作状态可以无记忆，也可以有记忆，还可以作脉冲数字元件使用。
一般情况下，这些编程元件分为位元件和字元件两种。
（一）位元件
FX系列PLC有4种基本编程位元件，为了分辨各种编程位元件，给它们指定了专用的字母符号：
X：
代表输入继电器，用于直接输入给PLC的物理信号。
Y：
代表输出继电器，用于从PLC直接输出物理信号。
M（辅助继电器）和S（状态继电器）：
PLC内部的运算标志。
上述的各种元件称为“位（bit）元件”，它们只有两种不同的状态，即ON和OFF，可以分别用二进制1和0来表示这两种状态。
（二）字元件
8个连续的位组成一个字节（byte），16个连续的位组成一个字（word），32个连续的位组成一个双字（doubleword）。
定时器和计数器的当前值和设定值均为有符号字，最高位（第十五位）为符号位，正数的符号位为0，负数的符号位为1。
二、FX系列可编程控制器的编程元件
（一）输入继电器与输出继电器
FX系列PLC梯形图中的编程元件的名称有字母和数字组成，他们分别表示元件的类型和元件号，如Y10，M129。
输入继电器与输出继电器的元件号用八进制数表示，例如，八进制数X17和X20是两个相邻的整数。
1.输入继电器（X）
输入继电器是PLC接收外部输入的开关量信号的窗口。
PLC通过光耦合器，将外部信号的状态读入并存储在输入映像寄存器中。
输入端可以外接常开触点或常闭触点，也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器（如接近开关）。
在梯形图中，可以多次使用输入继电器的常开触点和常闭触点。
图5-1是一个PLC控制系统的示意图，X0端子外接的输入电路接通时，它对应的输入映像寄存器为1状态，断开时为0状态。
输入继电器的状态惟一地取决于外部输入信号的状态，不可能受用户程序的控制，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器的线圈。
图5-1输入继电器与输出继电器
因为PLC只是在每一扫描周期开始时读取输入信号，输入信号为ON或OFF的持续时间应大于PLC的扫描周期。
如果不满足这一条件，可能会丢失输入信号。
2.输出继电器（Y）
输出继电器是PLC向外部负载发送信号的窗口。
输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。
如果图5.1梯形图中Y4的线圈“通电”,继电器型输出模块中对应的硬件继电器的常开触点闭合，使外部负载工作。
输出模块中的每一个硬件继电器仅有一对常开触点，但是在梯形图中，每一个输出继电器的常开触点和常闭触点都可以多次使用。
（二）辅助继电器（M）
辅助继电器是用软件实现的，它们不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，是一种内部的状态标志，相当于继电器控制系统中的中向继电器。
PLC内部有很多辅助继电器，其动作原理与输出继电器一样，只能由程序驱动。
辅助继电器也称中间继电器，它没有向外的任何联系，只供内部编程使用，且其常开/常闭触点使用次数不受限制。
辅助继电器不能直接驱动外部负载，外部负载的驱动必须通过输出继电器来实现。
辅助继电器主要包含以下3类：
1.通用辅助继电器
在FX系列PLC中，除了输入继电器和输出继电器的元件号采用八进制编码外，其它编程元件的元件号均采用十进制编码。
通用辅助继电器的线圈由用户程序驱动，若PLC在运行过程中突然断电，输出继电器和通用辅助继电器将全部变为OFF。
若电源再次接通，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持为OFF。
FX2N的PLC内部共有通用辅助继电器500点，从M0～M499。
2.锁存（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时的状态，重新通电后再现其状态，锁存辅助继电器就可以用于这种场合。
FX2N的PLC内部共有锁存继电器2572点，从M500～M3071。
在电源中断时，PLC用锂电池保持RAM中寄存器的内容，它们只是在PLC重新上电后的第一个扫描周期保持断电瞬时的状态。
为了利用它们的断电记忆功能，可以采用有记忆功能的电路。
设图5-2中的X0和X1分别是起动按钮和停止按钮，M600通过Y0控制外部的电动机，若电源中断时M600为ON状态，因为电路的记忆作用，重新通电后M600将保持ON状态，从而使Y0继续为ON，电动机重新开始运行。
这时若断开X1，则M600失电，Y0为OFF。
图5-2锁存辅助继电器的保持功能
3.特殊辅助继电器
特殊辅助继电器共256点，它们用来表示PLC的某些状态，提供时钟脉冲和标志（如进位、借位标志），设定PLC的运行方式，或者用于步进顺控、禁止中断、设定计数器是加计数还是减计数等。
特殊辅助继电器分为两类：
1）触点利用型
由PLC的系统程序来驱动触点利用型特殊辅助继电器的线圈，在用户程序中直接使用其
触点，但是不能出现它们的线圈，下面是几个例子：
M8000（运行监视）：
当PLC执行用户程序时，M8000为ON；停止执行时，M8000为OFF（见图5-3）。
M8002（初始化脉冲）：
M8002仅在M8000由OFF变为ON状态的一个扫描周期内为ON（见图5.3），可以用M8002的常开触点来使有断电保持功能的元件初始化复位或给它们置初始值。
M801l～M8014分别是10ms，100ms，ls和1min时钟脉冲。
图5-3脉冲图
M8005（锂电池电压降低）：
电池电压下降至规定值时变为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。
2）线圈驱动型
由用户程序驱动其线圈，使PLC执行特定的操作，用户并不使用它们的触点。
例如：
M8030的线圈“通电”后，“电池电压降低”发光二极管熄灭；
M8033的线圈“通电”时，PLC进入STOP状态后，所有输出继电器的状态保持不变；
M8034的线圈“通电”时，禁止所有的输出；
M8039的线圈“通电”时，PLC以D8039中指定的扫描时间工作。
（三）状态继电器（S）
状态继电器是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志），常与STL指令（步进梯形指令）配合使用，主要用于编程过程中顺控状态的描述和初始化。
它与STL指令组合使用，容易编制出易懂的顺控程序。
当不对状态继电器使用步进梯形指令时，可以把它们当作普通辅助继电器（M）使用，其地址码按十进制编码。
FX2N系列PLC的状态继电器通常分为以下几类：
初始化用：
S0～S9（10点）；
返回原点状态器：
S10～S19（10点）；
通用型：
S20～S499（480点）；
断电保持型：
S500～S899（400点）；
报警型：
S900～S999（100点）。
（四）定时器（T）
定时器在PLC中的作用相当于一个时间继电器，它有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一个字长）以及无限个触头（一个位）。
定时器累计PLC内的1ms，10ms，100ms等的时钟脉冲，当达到所定的设定值时，输出触头动作。
定时器可以使用用户程序存储器内的常数K作为设定值，也可以用后述的数据寄存器D的内容作为设定值。
这里的数据寄存器应有断电保持功能。
定时器的地址编号、设定值是这样规定的：
1.通用定时器T0～T245
100ms定时器T0～T199共200点，每个设定值范围为0.1～3276.7s；
10ms定时器T200～T245共46点，每个设定值范围0.01～327.67s。
通用定时器没有保持功能，在输入电路断开或停电时被复位。
FX系列的定时器只能提供其线圈“通电”后延迟动作的触点，如果需要在输入信号变为OFF之后的延迟动作，可以使用图5-4所示的电路。
图5-4输入电路断开后的延时电路
2.积算定时器T246～T255
1ms积算定时器T246～T249共四点，每点设定值范围0.001s～32.767s；
100ms积算定时器T250～T255共六点，每点设定值范围0.1s～3276.7s。
X1的常开触点接通时（见图5-5），T250的当前值计数器对100ms时钟脉冲进行累加计数。
X1的常开触点断开或停电时停止定时，当前值保持不变。
X1的常开触点再次接通或重新上电时继续定时，累计时间（t1+t2）为1055×100ms=105.5s时，T250的触点动作。
因为积算定时器的线圈断电时不会复位，需要用X2的常开触点使T250强制复位。
图5-5积算定时器
3.使用定时器的注意事项
如果在子程序或中断程序中使用T192～T199和T246～T249，在执行END指令时修改定时器的当前值。
当定时器的当前值等于设定值时，其输出触点在执行定时器线圈指令或END指令时动作。
如果不是使用上述的定时器，在特殊情况下，定时器的工作可能不正常。
如果1ms定时器用于中断程序和子程序，在它的当前值达到设定值后，其触点在执行该定时器的第一条线圈指令时动作。
（五）计数器（C）
1.内部计数器
内部计数器是在执行扫描操作时对内部器件（如X、Y、M、S、T和C）的信号进行计数的计数器，其接通时间和断开时间应比PLC的扫描周期稍长。
1）16位递加计数器
设定值为1～32767。
C0～C99共100点是通用型；
C100～C199共100点是断电保持型。
图5-6给出了加计数器的工作过程，图中X10的常开触点接通后，C0被复位，它对应的位存储单元被置0，它的常开触点断开，常闭触点接通，同时其计数当前值被置为0。
X11用来提供计数输入信号，当计数器的复位输入电路断开，计数输入电路由断开变为接通（即计数脉冲的上升沿）时，计数器的当前值加1。
在5个计数脉冲之后，C0的当前值等于设定值5，它对应的位存储单元的内容被置1，其常开触点接通，常闭触点断开。
再来计数脉冲时当前值不变，直到复位输入电路接通，计数器的当前值被置为0。
计数器也可以通过数据寄存器来指定设定值。
图5-616位加1计数器
具有电池后备/锁存功能的计数器在电源断电时可保持其状态信息，重新送电后能立即按断电时的状态恢复工作。
2）32位双向计数器
设定值为－2147483648～＋2147483647。
C200～C219共20点是通用型，
C220～C234共15点为断电保持型计数器。
32位双向计数器是递加型还是递减型计数由特殊辅助继电器M8200～M8234设定。
特殊辅助继电器接通时（置1）时，为递减计数；特殊辅助继电器断开（置0）时，为递加计数。
32位计数器的设定值除了可由常数K设定外，还可以通过指定数据寄存器来设定，32位设定值存放在元件号相连的两个数据寄存器中。
如果指定的是D0，则设定值存放在D1和D0中。
图5-7中C200的设定值为5，在加计数时，若计数器的当前值由4–5，计数器的输出触点ON，当前值≥5时，输出触点仍为ON。
当前值由5–4时，输出触点OFF，当前值≤4时，输出触点仍为OFF。
计数器的当前值在最大值2147483647时加1，将变为最小值–2147483648，类似地，当前值–2147483648减1时，将变为最大值2147483647，这种计数器称为“环形计数器”。
图5.6中复位输入X13的常开触点接通时，C200被复位，其常开触点断开，常闭触点接通，当前值被置为0。
如果使用电池后备/锁存计数器，在电源中断时，计数器停止计数，并保持计数当前值不变，电源再次接通后在当前值的基础上继续计数，因此电池后备/锁存计数器可累计计数。
图5-732位加减计数器
2．高速计数器
21点高速计数器C235～C255共用PLC的8个高速计数器输入端X0～X7，某一输入端同时只能供一个高速计数器使用。
这21个计数器均为32位加/减计数器）。
不同类型的高速计数器可以同时使用，但是它们的高速计数器输入不能冲突。
高速计数器的运行建立在中断的基础上，这意味着事件的触发与扫描时间无关。
在对外部高速脉冲计数时，梯形图中高速计数器的线圈应一直通电，以表示与它有关的输入点已被使用，其他高速计数器的处理不能与它冲突。
可用运行时一直为ON的M8000的常开触点来驱动高速计数器的线圈。
例如在图5-8中，当X14为ON时，选择了高速计数器C235，C235的计数输入端是X0，但是它并不在程序中出现，计数信号不是X14提供的。
图5-8一相高速计数器
（六）数据寄存器D
1．通用数据寄存器D0～D199共200点
当特殊辅助继电器M8033置1，PLC由运行转向停止时，数据可以保持。
2．断电保持/锁存寄存器D200～D7999共7800点
断电保持/锁存寄存器有断电保持功能，PLC从RUN状态进入STOP状态时，断电保持寄存器的值保持不变。
利用参数设定，可改变断电保持的数据寄存器的范围。
3．特殊数据寄存器D8000～D8255共256点
这些数据寄存器供监视PLC中器件运行方式用。
4．文件数据寄存器D1000～D7999共7000点
（七）变址寄存器
变址寄存器除了和普通的数据寄存器有相同的使用方法外，还常用于修改器件的地址编号。
V、Z都是16位的寄存器，可进行数据的读写。
当进行32位操作时，将V、Z合并使用，指定Z为低位。
（八）指针P/I
分支指令用P0～P62、P64～P127共127点。
指针P0～P62、P64～P127为标号，用来指定条件跳转，子程序调用等分支指令的跳转目标。
P63为结束跳转用。
（九）常数
常数K用来表示十进制常数，16位常数的范围为–32768～+32767，32位常数的范围为–2147483648～+2147483647。
常数H用来表示十六进制常数，十六进制包括0～9和A～F这16个数字，16位常数的范围为0～FFFF，32位常数的范围为0～FFFFFFFF。
PLC内部的编程元件都有确定的地址编号，不同厂家，不同型号的PLC，其编程元件的数量、种类、地址编号都不一样，这对编程者是很重要的，表5-5以FX2N系列PLC为例，列出了其相关的编程元件。
表5-5FX2N系列PLC内部各继电器的编号
元件名称
符号
元件编号
点数
输入继电器
X
X000～X177（八进制）
128点
输出继电器
Y
Y000～Y177（八进制）
128点
辅助继电器
通用辅助继电器
M
M0～M499
500点
锁存辅助继电器
M500～M3071
2572点
特殊辅助继电器
M8000～M8255
256点
状态继电器
初始化状态继电器
S
S0～S9
10点
通用状态继电器
S10～S499
490点
锁存状态继电器
S5
升级会员 