基于FX2N PLC控制系统的A3000实验和测试培训V1M7D7.docx
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基于FX2NPLC控制系统的A3000实验和测试培训V1M7D7
基于FX2N48MR-PLC控制系统
A3000实验和测试培训
（版本1.0）
用户文件编号：
A3000DH029
北京华晟高科教学仪器有限公司编制
前言
《基于FX2NPLC控制系统A3000实验和测试培训》是根据A3000过程控制实验系统的相关内容编写的，包括了如下内容：
1、FX2NPLC控制系统。
2、FX2NPLC控制系统编程。
3、FX2NPLC控制系统和组态软件的连接。
不介绍具体的A3000现场系统和组态软件。
有关这些内容将在独立的培训培训书中介绍。
本培训书缺点和错误在所难免，敬请各位专家、院校师生和广大读者批评指正。
申明：
本培训书内容只适合华晟高科A3000教学实验。
范例和文档内容只用于提供信息，对本书不承担任何保证。
北京华晟高科教学仪器有限公司二零零七年八月
目录
第一章三菱FX2NPLC1
1.1FX2NPLC简介1
1.1.1FX2NPLC系统组成1
1.1.2系统功能特性2
1.1.3LED指示灯2
1.2控制系统设置和初始化4
1.2.1模块介绍和设置4
1.2.2FX2NPLC设置和初始化8
1.3控制器信号连接和操作8
1.3.1面板接线8
1.3.2控制系统运行时接线9
第二章控制器编程软件概述11
2.1软件安装11
2.1.1GXDeveloper-FX的安装11
2.2控制器编程14
2.2.1创建工程14
2.2.2编辑代码14
2.2.3编译项目15
2.2.4下装项目15
2.2.5调试工程16
第三章控制器编程详细范例17
3.1单容液位调节阀PID单回路控制17
3.2范例的控制器编程18
3.2.1创建工程18
3.2.2功能模块说明18
3.3范例的组态软件编程21
3.3.1组态王硬件连接21
3.3.2组态王数据词典定义24
3.4范例的操作过程和调试26
3.5范例测试结果及记录27
第四章范例控制程序28
4.1培训范例说明28
4.2单回路PID程序部分28
4.3比值控制范例程序Prop28
4.4串级控制范例程序Series29
4.5前馈反馈控制范例程序Preced30
第一章三菱FX2NPLC
A3000测试平台基本上适应所有的控制系统。
本书介绍三菱FX2NPLC。
1.1FX2NPLC简介
三菱的FX2N系列PLC具有小型，高速，高性能的优点，是FX系列中最先进的超级微型PLC。
除了具有16-256点的数字量输入输出，还有模拟控制，定位控制等特殊控制。
1．集成型和高性能
三菱的FX2N系列PLC的CPU，电源，数字量输入输出三位一体。
有6种基本，可以以最小8点为单位连接输入输出扩展设备，最大可以扩展输入输出256点。
2．高速运算
基本指令运算时间：
0.08us/指令
应用指令运算时间：
1.52～数100us/指令
3．容量的存储器
内置8000步RAM存储器，通过安装存储盒后，最大可以扩展到16000步。
4．丰富的软元件范围
辅助继电器：
3072点，定时器：
256点，计数器:
235点,数据寄存器：
8000点。
1.1.1FX2NPLC系统组成
⏹FX2N系列中有关模拟量的特殊功能模块有：
⏹FX2N-2AD（2路模拟量输入）
⏹FX2N-4AD（4路模拟量输入）
⏹FX2N-8AD（8路模拟量输入）
⏹FX2N-4AD-PT（4路热电阻直接输入）
⏹FX2N-4AD-TC（4路热电偶直接输入）
⏹FX2N-2DA（2路模拟量输出）
⏹FX2N-4DA（4路模拟量输出）
⏹FX2N-2LC（2路温度PID控制模块）等。
FX2N对A3000的控制系统的一种配置为：
FX2N-48MR，FX2N-4AD，FX2N-4DA。
当然PLC的数字量点没有必要集成那么多，模拟量也可能为2AD，2DA。
满足所有的测试题目需求。
这样的配置本书也完全适用。
图1.1.1FX2N-48MRCPU
1.1.2系统功能特性
FX2NPLC有多种模块部件所组成，各种模块能以不同的方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。
各模块安装在DIN标准导轨上，并用螺丝固定。
这种结构形式既可靠，又能满足电磁兼容要求。
通过将数据连接线插在模块的侧面，使模块总线连成一体。
在一个机架上最多可并排安装8个信号模块、功能模块或通信处理器模块。
一台FX2N主机可安装一个机能扩充板，可将与外部设备通讯。
1.1.3LED指示灯
任何PLC都具有自诊断功能，当PLC异常时应该充分利用其自诊断功能以分析故障原因。
一般当PLC发生异常时，首先请检查电源电压、PLC及I/O端子的螺丝和接插件是否松动，以及有无其他异常。
然后再根据PLC基本单元上设置的各种LED的指示灯状况，以检查PLC自身和外部有无异常。
（1）电源指示（[POWER]LED指示）
当向PLC基本单元供电时，基本单元表面上设置的［POWER］LED指示灯会亮。
如果电源合上但［POWER］LED指示灯不亮，请确认电源接线。
另外，若同一电源有驱动传感器等时，请确认有无负载短路或过电流。
若不是上述原因，则可能是PLC内混入导电性异物或其他异常情况，使基本单元内的保险丝熔断，此时可通过更换保险丝来解决。
（2）出错指示（［EPROR］LED闪烁）
当程序语法错误（如忘记设定定时器或计数器的常数等），或有异常噪音、导电性异物混入等原因而引起程序内存的内容变化时，［EPROR］LED会闪烁，PLC处于STOP状态，同时输出全部变为OFF。
在这种情况下，应检查程序是否有错，检查有无导电性异物混入和高强度噪音源。
发生错误时，8009、8060~8068其中之一的值被写入特殊数据寄存器D8004中，假设这个写入D8004中内容是8064，则通过查看D8064的内容便可知道出错代码。
与出错代码相对应的实际出错内容参见PLC使用手册的错误代码表。
（3）出错指示（［EPROR］LED灯亮）
由于PLC内部混入导电性异物或受外部异常噪音的影响，导致CPU失控或运算周期超过200ms，则WDT出错，［EPROR］LED灯亮，PLC处于STOP，同时输出全部都变为OFF。
此时可进行断电复位，若PLC恢复正常，请检查一下有无异常噪音发生源和导电性异物混入的情况。
另外，请检查PLC的接地是否符合要求。
检查过程如果出现［EPROR］LED灯亮→闪烁的变化，请进行程序检查。
如果EPROR］LED依然一直保持灯亮状态时，请确认一下程序运算周期是否过长（监视D8012可知最大扫描时间）。
如果进行了全部的检查之后，［EPROR］LED的灯亮状态仍不能解除，应考虑PLC内部发生了某种故障，请与厂商联系。
（4）输入指示
不管输入单元的LED灯亮还是灭，请检查输入信号开关是否确实在ON或OFF状态。
如果输入开关的额定电流容量过大或由于油侵入等原因，容易产生接触不良。
当输入开关与LED灯使用电阻并联时，即使输入开关OFF但并联电阻仍使电路导通，仍可对PLC进行输入。
如果使用光传感器等输入设备，由于发光／受光部位粘有污垢等，引起灵敏度变化，有可能不能完全进入“ON”状态。
在比PLC运算周期短的时间内，不能接收到ON和OFF的输入。
如果在输入端子上外加不同的电压时，会损坏输入回路。
（5）输出指示
不管输出单元的LED灯亮还是灭，如果负载不能进行ON或OFF时，主要是由于过载、负载短路或容量性负载的冲击电流等，引起继电器输出接点粘合，或接点接触面不好导致接触不良。
另外，还也可根据PLC的出错代码来诊断故障原因，FX系列PLC出错代码一览表见说明书附录B，在此不再赘述。
（6）RUN指示
CPU处于“RUN”状态，LED点亮为绿色，在“STOP”状态下熄灭。
用LED指示灯进行诊断PLC运行状态。
1.2控制系统设置和初始化
根据计算机与控制器之间通讯方式的不同，控制系统设置操作包括编程电缆通讯设置。
1.2.1模块介绍和设置
三菱的FX2N系列PLC使用方便的背板系统支持广泛的I/O模块，基本上包括所有的FX2N系列模块。
本控制系统一般配置FX2N-4AD，FX2N-4DA模块。
介绍如下。
1、FX2N-4AD模块
FX2N-4AD为4通道12位模数转换模块,支持电压输入和电流输入，输入信号范围DC-10V~+10V或者DC-20mA~+20mA。
数字量输出为带符号的16位二进制数,有效位为11位（-2048~+2047）。
分辨率分别为5mV和20μA，驱动电源DC24V±10%，55mA，转换速度为15ms/通道（常速）和6ms/通道（高速）。
综合精度±10%。
我们用它作为模拟量采集的A/D转换用。
模块如图1.2.1所示。
图1.2.1模块FX2N-4AD
模块指示灯说明：
POWER:
模块+5V电源。
A/D：
A/D变换指示灯
24V：
模块24V供电指示灯。
FX2N-4AD模拟量输入模块缓冲存储器含义如表1.2.1所示。
表1.2.1FX2N-4AD模块缓冲器含义
缓冲存储器：
（BFM）
BFM缓存
目录
0#
通道初始状态设定缺省H0000
1#
通道1
平均值，缺省为2次平均
2#
通道2
3#
通道3
4#
通道4
5#
通道1
各个通道中的平均值
6#
通道2
7#
通道3
8#
通道4
9#
通道1
各个通道的当前A/D值
10#
通道2
11#
通道3
12#
通道4
13#14#
保留
15#
设定A/D转换速率
设定到0，正常速度是15MS/CH（缺省）
设定到1，一个高速转换，6MS/CH
16#-19#
保留
20
初始化机器，缺省为0，设1
设定到1时，所有设定值回到缺省设定值。
21
禁止调整，缺省0，允许1
22
23
最小值缺省为0
24
最大值缺省为5000
25#-28#
保留
29#
错误码
30#
识别代码K2010
K2010为4AD模块的识别代码
31#
不能使用
初始代设定：
BFM#0
0：
-10V到+10V
1：
+4mA到+20mA
2：
-20mA到+20mA
3：
通道关
当设定BFM#20到1时，所有设定值回到缺省设定值。
2、FX2N-4DA模块
FX2N—4DA为4通道12位数模转换模块,支持电压输出和电流输出，输出信号范围DC-10V~+10V或者DC-20mA~+20mA。
数字量输出为带符号的16位二进制数,有效位为11位（-2048~+2047）。
分辨率分别为5mV和20μA，驱动电源DC24V±10%,200mA，转换速度为2.1ms/4通道。
综合精度±10%。
我们用它作为PID调节输出的D/A转换器用。
模块如图1.2.2所示。
图1.2.2模块FX2N-4DA
模块指示灯说明：
POWER:
模块+5V电源。
D/A:
D/A变换指示灯.
24V:
模块24V供电指示灯。
FX2N—4DA模拟量输出模块缓冲存储器含义如表1.2.2所示。
表1.2.2FX2N-4DA模块缓冲器含义
缓冲存储器：
（BFM）
BFM缓存
目录
0#
通道初始状态设定缺省H0000
1#
通道1
输出数据寄存器
2#
通道2
3#
通道3
4#
通道4
5#
输出数据保持，0保持，1解除
初始值为H0000
6#-7#
保留
初始值为H0000
8#
初始值为H0000
9#
各个通道的当前A/D值
10#
通道1
11#
通道1
12#
通道2
13#
通道2
14#
通道3
15#
通道3
16#
通道4
17#
通道4
18#-19#
保留
20
初始化机器，缺省为0，设1
设定到1时，所有设定值回到缺省设定值。
21
禁止调整，缺省0，允许1
22#-28#
保留
29#
错误码
30#
识别代码K3020
K3020为4DA模块的识别代码
31#
不能使用
初始代设定：
BFM#
0：
-10V到+10V
1：
+4mA到+20mA
2：
0mA到+20mA
3：
通道关
当设定BFM#20到1时，所有设定值回到缺省设定值。
1.2.2FX2NPLC设置和初始化
FX2N48MR硬件模块和通讯口如图1.2.3所示。
图1.2.3S7-300PLC
（1）FX2N48MR-PLC编程配线
可以在主机上运行GXDeveloper7.0编制程序并通过COM1/RS-232口下载程序到PLC控制器中。
如果编程电缆连接到电脑的其他串口，GXDeveloper7.0软件会自动搜索串口并连接PLC。
1.3控制器信号连接和操作
控制器的信号直接连接到面板上，通过插孔和锁紧连结线连接到现场系统的IO上。
计算机和FX2N通过专用编程电缆联接。
1.3.1面板接线
FX2NPLC控制系统IO接口图如图1.3.1所示。
图1.3.1FX2N面板图
其中，DOCOM连接了24V，DICOM连接GND，现场的干接点闭上时，输入为0，否则为1。
数字量输出1时，外部负载动作。
1.3.2控制系统运行时接线
以单容液位调节阀控制为例，连接如图所示。
以单容液位调节阀控制为例，连接如图1.3.2所示。
数字系统接线如图1.3.3所示。
第二章控制器编程软件概述
在测试平台的计算机中，配置了如下软件：
1、Windows2000操作系统
2、控制软件：
GXDeveloper-FX中文版7.0
2.1软件安装
2.1.1GXDeveloper-FX的安装
1.开始安装时，系统会提示需要先安装EnvMEL，在光盘的“编程软件v7.0中文”目录下选择EnvMEL文件夹内的安装文件进行安装。
如图2.1.1所示。
图2.1.1开始安装
2.软件安装完毕后，运行软件，如图2.1.2所示。
图2.1.2运行软件
选择工程，打开工程，选中工程所在目录，打开以有工程。
如图2.1.3所示。
图2.1.3打开工程
3.运行PLC
选中“在线”，远程操作，可以对PLC进行运行和停止的操作。
也可以通过PLC前面板上面的运行启停开关进行该操作。
如图2.1.4所示。
图2.1.4远程操作
5.修改程序
如果要对程序做修改，应选中“编辑”菜单的“写入模式”，如图2.1.5所示。
图2.1.5写入模式
修改完毕后，选中变换栏下，变换，进行变换。
变换结束后，重新按照程序下装和运行部分进行操作。
2.2控制器编程
本节提供了对于使用GXDeveloper-FX开发、编辑和运行一个梯形图（LD）示例程序的循序渐进的指导。
工程的开发被分为5个阶段，如下表2.2.1所示。
表2.2.1开发阶段
第1阶段
第2阶段
第3阶段
第4阶段
第5阶段
创建
编辑
编译
下装
调试
我们按照5步进行简单的介绍，以便读者有一个大量的了解。
2.2.1创建工程
在第一个阶段，将创建一个新的空工程。
在这个阶段须必须定义工程的名称和路径、编程语言、以及所使用的PLC类型。
（1）启动GXDeveloper，在工程选项中选择工程>创建新工程。
（2）选择PLC系列为FXCPU系列，PLC类型为FX2N（C）,程序类型为梯形图逻辑，
（3）选中设置工程名，设置你所要存放的路径，设置工程名字。
如图2.2.1所示。
图2.2.1设置工程属性
2.2.2编辑代码
GXDeveloper软件支持顺序功能图（SFC）和梯形图编程。
2.2.3编译项目
本阶段将编译工程文件，选中变换栏，变换，进行变换。
变换结束后，项目就可以下装到PLC内。
如图2.2.2所示。
图2.2.2程序下装
2.2.4下装项目
选中在线栏，选中清除PLC内存。
如图2.2.3所示，建议尽量使用硬件复位。
图2.2.3软件内存清除
内存清除完毕后，选中“在线”菜单，“PLC写入”子菜单。
选择“下载所有”。
如图2.2.4所示。
图2.2.4PLC写入
2.2.5调试工程
运行PLC，选中“在线”菜单的“远程操作”子菜单，可以对PLC进行运行和停止的操作。
也可以通过PLC前面板上的“运行启停”开关进行该操作。
GXDeveloper7.0软件提供了强大的诊断工具，在软件的工具栏，有在线和诊断两种诊断工具。
第三章控制器编程详细范例
本章通过一个范例，详细地介绍编程、组态和调试过程。
3.1单容液位调节阀PID单回路控制
单容下水箱液位PID控制流程图如图3.1.1所示。
图3.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制
测点清单如表3.1.1所示。
表3.1.1单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点清单
序号
位号或代号
设备名称
用途
原始信号类型
工程量
1
FV101
电动调节阀
阀位控制
2～10VDC
AO
0～100％
2
LT103
压力变送器
下水箱液位
4～20mADC
AI
2.5kPa
水介质由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位由LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。
3.2范例的控制器编程
本节介绍非常详细。
按照该例子的过程，希望读者可以参考完成其他控制案例的编程。
3.2.1创建工程
创建一个新的工程。
在这个阶段须必须定义工程的名称和路径、编程语言、以及所使用的PLC类型。
（1）启动GXDeveloper，在工程选项中选择工程>创建新工程。
（2）选择PLC系列为FXCPU系列，PLC类型为FX2N（C）,程序类型为梯形图逻辑，
（3）选中设置工程名，设置你所要存放的路径，设置工程名字。
如图3.2.1所示。
图3.2.1设置工程
3.2.2功能模块说明
1、PID功能块说明
1、FX2NPLC可以使用GXDeveloper-FX软件提供的PID功能块来实现PID控制。
3、在实际应用中，流量、液位、压力、温度等等对象都可以进行控制。
对于流量、液位、压力、温度等等参数可以用传感器或变送器转换为电压/电流信号接入模拟量输入模块FX2N-4AD进行采集；输出的执行机构例如调节阀、变频器等等可由模拟量输出模块FX2N-4DA进行控制。
我们将详细介绍PID功能块。
PID内存参数如图3.2.2所示。
图3.2.2PID内存参数
FX2NPLCPID控制参数设定如表3.2.1所示。
表3.2.1FX2NPLCPID控制参数设定
源操作数
参数
设定范围和说明
备注
[S3]
采样周期Ts
1~32767毫秒
不能少于扫描周期
[S3]+1
动作方向（ACT）
Bit0:
0为正作用，1反作用
Bit1:
0为无输入变化量报警
1为无输入变化量报警
bit2:
0为无输出变化量报警
1为无输出变化量报警
Bit3~bit15不用
[S3]+2
输入滤波常数（L）
0~99%
对反馈量的一阶惯性数字滤波环节
[S3]+3
比例增益（Kp）
1~32767（%）
[S3]+4
积分时间（Ti）
1~32767（%）（x100ms）
0~∝作同样处理
[S3]+5
微分增益（Kd）
1~100（%）
[S3]+6
微分时间（Td）
1~32767（%）
0为无微分
[S3]+7
~[S3]+19
-
-
PID运算占用
[S3]+20
输入变化量（增方）
警报设定值
1~32767
由用户设定ACT（[S3]+1）为K2~K7时有效，即ACT的Bit1和bit2至少有一个为1时才有效；
当ACT的BIT1和BIT2都为0时，[S3]+20~[S3]+24无效
[S3]+21
输入变化量（减方）
警报设定值
1~32767
[S3]+22
输出变化量（增方）
警报设定值
1~32767
[S3]+23
输出变化量（减方）
警报设定值
1~32767
[S3]+24
报警输出
Bit0:
输入变化量（增方）超出
Bit1:
输入变化量（减方）超出
Bit2:
输出变化量（增方）超出
Bit3:
输出变化量（减方）超出
PID指令是用来调用PID运算程序，在PID运算开始之前，应使用MOV指令将参数（见表6-3）设定值预先写入对应的数据寄存器中。
如果使用有断电保持功能的数据寄存器，不需要重复写入。
如果目标操作数[D]有断电保持功能，应使用初始化脉冲M8002的常开触点将其复位。
2、PID参数整定
Ø比例系数Kp越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高；但是对于大多数系统，Kp过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低
Ø积分部分可以消除稳态误差，提高控制精度，但是积分作用的动作缓慢，可能给系统的动态稳定性带来不良影响。
积分时间常数TI增大时，积分作用减弱，系统的动态性能（稳定性）可能有所改善，但是消除稳态误差的速度减慢。
Ø微分部分是根据误差变化的速度，提前给出较大的调节作用。
微分部分反映了系统变化的趋势，它较比例调节更为及时，所以微分部分具有超前和预测的特点。
微分时间常数TD增大时，超调量减小，动态性能得到改善，但是抑制高频干扰的能力下降。
Ø选取采样周期Ts时，应使它远远小于系统阶跃响应的纯滞后时间或上升时间。
为使采样值能及时反映模拟量的变化，Ts越小越好。
但是Ts太小会增加CPU的运算工作量，相邻两次采样的差值几乎没有什么变化，所以也不宜将Ts取得过小。
3、模拟量模块的编程
特殊功能模块的读/写指令，如图3.2.3所示。
图3.2.3特殊功能模块的读写指令
ml为特殊功能模块的编号，ml=0~7；
m2为该特殊功能模块中缓冲寄存器（BFM）的编号，m2=0~32767；
n是待传送数据的字数，n=l～32（16位操作）或l～16（32位操作）
编程举例：
FX2N-4AD模块在0号位置，其通道CH1和CH2作为电压输入，CH3、CH4关闭，平均值采样次数为4，数据存储器D1和D2用于接收CH1、CH2输入的平均值。
如图3.2.4所示。
图3.2.4FX2N-4AD数据读取
变量监视窗口是一个功能强大的工具，允许将不同变量插入到列表中，并观察其运行期行为。
一旦某个变量被添加到监视窗口，则不必打开相应工作单，就可以监视其当前值。
可以专注于想更容易地看到的那些变量。
3.3范例的组态软件编程
3.3.1组态王硬件连接
在组态王6.5中，选择工程浏览器左侧大纲项“设备\COM1”，双击设置COM口通讯参数如图3.3.1所示。
图3.3.1通讯
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