1.2 FX2 N系列PLC的硬件結構

FX系列PLC的系統配置靈活，用戶除了可以選用不同型號的FX系列PLC外，還可以選用各種擴展單元和擴展模塊，組成不同I/O點和不同功能的控制系統。FX2N系列PLC為現在市場上的主流產品，能完成絕大多數工業控制要求。上市多年之后，價格有所下降，性價比較高。

1. 主機面板結構

FX2N系列小型PLC外形如圖1-1所示。

1）電源輸入端子 AC電源型的主機，其電源電壓為AC 100～240 V；DC電源型的主機，其電源電壓為DC 24 V。

2）功能接地端子（僅AC電源型） 在有嚴重噪聲干擾時，功能接地端子必須接地，它和保護接地端子可連在一起接地。

3）保護接地端子 為了防止觸電，保護接地端子必須接地。

4）輸入端子 輸入端子用于連接輸入設備，輸入電壓為DC 24 V。

5）輸入LED 輸入端子觸點ON時，LED燈亮；輸入端子觸點0FF時，LED燈滅。

6）工作狀態顯示LED 主機面板的中部有4個工作狀態顯示LED，其作用如下。

POWER（綠）：電源的接通或斷開指示，電源接通時亮，斷開時滅。

RUN（綠）：工作狀態指示，PLC處于運行或監控狀態時亮，處于編程狀態或運行異常時滅。

BATTV：內部電池電量指示燈。點亮時需更換電池，否則可能會造成程序丟失。

PROG-E/CPU-E（紅）：程序錯誤或CPU錯誤指示，這兩種顯示共用一個LED。PLC出現錯誤時LED常亮，此時PLC停止工作且不執行程序，運行正常時LED滅。

7）輸出LED 輸出端子觸點ON時，LED燈亮；輸出端子觸點OFF時，LED燈滅。

8）輸出端子 輸出端子用于連接輸出電路，電壓可為DC 24 V或AC 220 V，視負載而定。PLC的I/O點數不同，輸入、輸出端子數量也不同。

9）輸出DC 24 V電源端子 DC 24 V電源端子 (僅AC電源型) 對外部提供DC 24 V電源 (電流200 mA)，可作為輸入設備或現場傳感器的電源。

10）外設端口 外設端口用于連接編程工具或RS-232、RS-422通信適配器，根據需要而定。

2. FX2N系列PLC的技術特點、技術指標

FX2N系列PLC有以下技術特點。

FX2N系列PLC采用一體化箱體結構，其基本單元將CPU、存儲器、輸入/輸出接口及電源等都集成在一個模塊內，結構緊湊，體積小巧，成本低，安裝方便。

FX2N是FX系列中功能最強、運行速度最快的PLC。FX2N基本指令執行時間高達0.08μs，超過了許多大中型PLC。

FX2N的用戶存儲器容量可擴展到16KB，其I/O點數最大可擴展到256點。

FX2N有多種特殊功能模塊，如模擬量輸入/輸出模塊、高速計數器模塊、脈沖輸出模塊、位置控制模塊、RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模塊或功能擴展板、模擬定時器擴展板等。

FX2N有3000多點輔助繼電器、1000點狀態繼電器、200多點定時器、200點16位加計數器、35點32位加/減計數器、8000多點16位數據寄存器、128點跳步指針、15點中斷指針。

FX2N有128種功能指令，具有中斷輸入處理、修改輸入濾波器常數、數學運算、浮點數運算、數據檢索、數據排序、PID運算、開平方、三角函數運算、脈沖輸出、脈寬調制、串行數據傳送、校驗碼、比較觸點等功能指令。

FX2N還有矩陣輸入、10鍵輸入、16鍵輸入、數字開關、方向開關、7段顯示器掃描顯示等方便指令。

FX2N的技術指標包括一般技術指標、電源技術指標、輸出技術指標和性能技術指標等。下面以表格的形式介紹，各項性能指標如表1-4～表1-6所示。

3. FX2N系列PLC的結構模塊

目前，可編程序控制器的產品很多，不同廠家生產的PLC以及同一廠家生產的不同型號的PLC，其結構各不相同，但就其基本組成和基本工作原理而言，是大致相同的。它們都是以微處理器為核心的結構，其功能的實現不僅基于硬件的作用，更要靠軟件的支持。實際上可編程序控制器就是一種新型的工業控制計算機。

PLC硬件系統的基本結構框圖如圖1-2所示。

在圖1-2中，PLC的主機由微處理器(CPU)、存儲器(EPROM、RAM)、輸入/輸出單元、外設I/O接口、通信接口及電源組成。對于整體式的PLC，這些部件都在同一個機殼內；而對于模塊式結構的PLC，各部件獨立封裝，稱為模塊，各模塊通過機架和電纜連接在一起。主機內的各個部分均通過電源總線、控制總線、地址總線和數據總線連接。根據實際控制對象的需要配備一定的外部設備，可構成不同的PLC控制系統。常用的外部設備有編程器、打印機、EPROM寫入器等。PLC可以配置通信模塊與上位機及其他的PLC進行通信，構成PLC的分布式控制系統。

下面分別介紹PLC各組成部分及其作用，以便用戶進一步了解PLC的控制原理和工作過程。

1）中央處理單元（CPU） PLC中所采用的CPU隨機型不同而不同，通常有3種：通用微處理器 (如8086、80286、80386等)、單片機、位片式微處理器。小型PLC大多采用8位、16位微處理器或單片機作為CPU，如Z80 A、8031、M6800等，這些芯片具有價格低、通用性好等優點。對于中型的PLC，大多采用16位、32位微處理器或單片機作為CPU，如8086、96系列單片機，具有集成度高、運算速度快、可靠性高等優點。對于大型PLC，大多數采用高速位片芯片式微處理器，具有靈活性強、速度快、效率高等優點。

CPU是PLC的控制中樞，PLC在CPU的控制下有條不紊地協調工作，從而實現對現場各個設備的控制。CPU由微處理器和控制器組成，它可以實現邏輯運算和數學運算，協調控制系統內部各部分的工作。

控制器的作用是控制整個微處理器的各個部件有條不紊地進行工作，它的基本功能就是從內存中讀取指令和執行指令。

CPU的具體作用如下。

采集由現場輸入裝置送來的狀態或數據，通過輸入接口存入輸入映像寄存器或數據寄存器中，用掃描方式接收輸入設備的狀態信號，并存入相應的數據區（輸入映像寄存器）。

按用戶程序存儲器中存放的先后次序逐條讀取指令，完成各種數據的運算、傳遞和存儲等功能，進行編譯解釋后，按指令規定的任務完成各種運算和操作。

把各種運算結果向外界輸出。

監測和診斷電源以及PLC內部電路工作狀態和用戶程序編程過程中出現的語法錯誤。

根據數據處理的結果，刷新有關標志位的狀態和輸出狀態寄存器表的內容，響應各種外部設備（如編程器、打印機、上位計算機、圖形監控系統、條碼判讀器等）的工作請求，以實現輸出控制、制表打印或數據通信等功能。

這里要說明的一點，一些專業生產PLC的品牌廠家均采用自己開發的CPU芯片。

2）存儲器 可編程序控制器配有兩種存儲器，即系統存儲器 (EPROM) 和用戶存儲器(RAM)。系統存儲器用來存放系統管理程序，用戶不能訪問和修改這部分存儲器的內容。用戶存儲器用來存放編制的應用程序和工作數據狀態。存放工作數據狀態的用戶存儲器部分也稱為數據存儲區。它包括輸入、輸出數據映像區，定時器/計數器預置數和當前值的數據區，存放中間結果的緩沖區。

PLC的存儲器主要包括：

只讀存儲器（Read Only Memory，ROM）。

可編程只讀存儲器（Programmable Read Only Memory，PROM）。

可擦除可編程只讀存儲器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）。

電可擦除可編程只讀存儲器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）。

隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）。

3）輸入/輸出模塊 PLC的控制對象是工業生產過程，實際生產過程中的信號電平是多種多樣的，外部執行機構所需的電平也是各不相同的，而可編程序控制器的CPU所處理的信號只能是標準電平，這樣就需要有相應的I/O模塊作為CPU與工業生產現場的橋梁，進行信號電平的轉換。目前，生產廠家已開發出各種型號的輸入、輸出模塊供用戶選擇。且這些模塊在設計時采取了光電隔離、濾波等抗干擾措施，提高了PLC的可靠性，對各種型號的輸入、輸出模塊，可以把它們以不同形式進行歸類。按照信號的種類歸類，有直流信號輸入/輸出、交流信號輸入/輸出；按照信號的輸入、輸出形式分，有數字量輸入/輸出、開關量輸入/輸出及模擬量輸入/輸出。

下面通過開關量輸入/輸出模塊來說明I/O模塊與CPU的連接方式。

(1) 開關量輸入模塊：開關量輸入設備是各種開關、按鈕、傳感器等，通常，PLC的輸入類型可以是直流、交流和交直流。輸入電路的電源可由外部供給，有的也可由PLC內部提供。圖1-3和圖1-4所示分別為PLC的直流和交流輸入接口電路的電路圖，采用的是外接電源。

圖1-3描述了一個輸入點的接口電路。其輸入電路的一次電路與二次電路用光耦合器相連，當行程開關閉合時，輸入電路和一次電路接通，上面的發光管用于對外顯示，同時光耦合器中的發光管使三極管導通，信號進入內部電路，此輸入點對應的位由0變為1，即輸入映像寄存器的對應位由0變為1。

圖1-4所示為交流開關量輸入模塊原理圖，與上述的直流開關量模塊原理基本相同，在此不再贅述。

(2) 開關量輸出模塊：輸出模塊的作用是將CPU執行用戶程序所輸出的TTL電平的控制信號轉化為生產現場所需的、能驅動特定設備的信號，以驅動執行機構動作。

通常開關量輸出模塊有三種形式，即繼電器輸出、晶體管輸出和雙向晶閘管輸出。繼電器輸出可接直流或交流負載，晶體管輸出屬直流輸出，只能接直流負載。當開關量輸出的頻率低于1000 Hz時，一般選用繼電器輸出模塊；當開關量輸出的頻率大于1000 Hz時，一般選用晶體管輸出；而雙向晶閘管輸出屬交流輸出。下面，著重介紹繼電器輸出模塊的工作過程，其原理圖如圖1-5所示。輸出信號經I/O總線由輸出鎖存器輸出，驅動繼電器線圈使繼電器觸點吸合，驅動外部負載工作。

從上面的分析可知，對于繼電器輸出型，CPU輸出時接通或斷開繼電器的線圈，繼電器的觸點閉合或斷開從而控制外電路的通斷。PLC繼電器輸出電路形式允許負載一般是AC 250 V/50 V以下，負載電流可達2A，容量可達80～100VA (電壓 ×電流)，因此，PLC的輸出一般不宜直接驅動大電流負載 (一般通過一個小負載來驅動大負載，如PLC的輸出可以接一個電流比較小的中間繼電器，再由中間繼電器觸點驅動大負載，如接觸器線圈等)。

PLC繼電器輸出電路的形式繼電器觸點的使用壽命也有限制 (一般數十萬次左右，根據負載而定，如連接感性負載時的壽命要小于阻性負載)。此外，繼電器輸出的響應時間也比較慢 (10ms左右)，因此，在要求快速響應的場合不適合使用此種類型的電路輸出形式。

當連接感性負載時，為了延長繼電器觸點的使用壽命，對于外接直流電源時的情況，通常應在負載兩端加過電壓抑制二極管（如圖1-5中并在外接繼電器線圈上的二極管）；對于交流負載，應在負載兩端加RC抑制器。

晶體管輸出原理圖如圖1-6所示，通過光電耦合使開關晶體管截止或飽和導通以控制外部電路。晶體管輸出型電路的外接電源只能是直流電源，這是其應用局限性的一方面。另外，晶體管輸出驅動能力要小于繼電器輸出，允許負載電壓一般為DC 5～30 V，允許負載電流為0.2～0.5A。和繼電器輸出形式電路一樣，在驅動感性負載時也要在負載兩端反向并聯二極管 (二極管的陰極接電源的正極) 防止過電壓，保護PLC的輸出電路。

晶閘管輸出原理圖如圖1-7所示，采用光觸發型雙向晶閘管。雙向晶閘管輸出的驅動能力要比繼電器輸出的小，允許負載電壓一般為AC 85～242 V，單點輸出電流為0.2～0.5A，當多點共用公共端時，每點的輸出電流應減小 (如單點驅動能力為0.3A的雙向晶閘管輸出，在4點共用公共端時，最大允許輸出為0.8A/4點)。

為了保護晶閘管，通常在PLC內部電路晶閘管的兩端并接RC阻容吸收元件（一般為0.015μF/22Ω左右）和壓敏電阻，因此在晶閘管關斷時，PLC的輸出仍然有1～2mA的開路漏電流，這就可能導致一些小型繼電器在PLC輸出OFF時無法關斷的情況。

4）編程器 編程器用于用戶程序的編制、編輯、調試及監控、顯示PLC的一些系統參數和內部狀態，是開發、維護、設計PLC控制系統的必要工具。主機內存中的用戶程序就是由編程器通過通信接口輸入的。對于已設計、安裝好的PLC控制系統，一般都不帶編程器而直接運行。不同系列的PLC的編程器互不通用。

編程器一般具有下列5種功能。

編輯功能：實現用戶程序的修改、插入、刪除等。

編程功能：用戶程序的全部清除、寫入/讀出、檢索等。

監視功能：對I/O點通/斷的監視，對內部線圈、計數器、定時器通/斷狀態的監視，以及跟蹤程序運行過程等。

檢查功能：對語法、輸入步驟、I/O序號進行檢查。

命令功能：向PLC發出運行、暫停等命令。

此外，編程器還具有與EPROM寫入器、打印機、盒式錄音機等外圍設備通信的功能。編程器可分為簡易編程器和圖形編程器，以及通用計算機編程。

(1) 簡易編程器：它可以直接與PLC的專用插座相連，或通過電纜與PLC相連，它與主機共用一個CPU，一般只能用助記符或功能指令代號編程。其優點是攜帶方便，價格便宜，多用于微型、小型PLC；缺點是因編程器與主機共用一個CPU，只能聯機編程，對PLC的控制能力較小。

(2) 圖形編程器：圖形編程器有兩種顯示屏，一種是液晶顯示 (LCD)，另一種是陰極射線管 (CRT) 顯示。顯示屏可以用來顯示編程的情況，還可以顯示I/O、各繼電器的工作狀況、信號狀態和出錯信息等。工作方式既可以是聯機編程又可以是脫機編程；可以是梯形圖編程，也可以用助記符指令編程，同時還可以與打印機、繪圖儀等設備相連，并有較強的監控功能，但價格高，通常用于大中型PLC。

(3) 通用計算機編程：它采用通用計算機，通過硬件接口和專用軟件包，使用戶可以直接在計算機上以聯機或脫機方式編程；可以運用梯形圖編程，也可以用助記符指令編程，并有較強的監控能力。

4. FX2N系列PLC常用單元

1）主機單元 FX2N系列PLC的主機單元如表1-7所示。

2）擴展單元 FX2N系列PLC的擴展單元如表1-8所示。

3）擴展模塊 基本擴展模塊按地域遠近可分為近程擴展方式和遠程擴展方式兩種。

在CPU主機上I/O點數不能滿足需要時，或組合式PLC選用的模塊較多，在主機上安裝不開時，可通過擴展口進行近程擴展。

當有部分現場信號相對集中，而又與其他現場信號相距較遠時，可采用遠程擴展方式。在遠程擴展方式下，遠程I/O模塊作為遠程從站可安裝在主機及其近程擴展機上，遠程擴展機作為遠程從站安裝在現場。

遠程主站用于遠程從站與主機間的信息交換，每個遠程控制系統中可以有多個遠程主站，一個遠程主站可以有多個遠程擴展機從站，每個遠程擴展機又可以帶多個近程擴展機，但遠程部分的擴展機數量有一定的限制。遠程主站和從站 (遠程擴展機) 之間利用雙絞線連接，同一個主站下面的不同從站用雙絞線并聯在一起。遠程擴展機與遠程擴展機的近程擴展機之間的連接，與主機和近程擴展機之間的連接方式相同。

遠程部分的每個擴展機上都有一個編號，遠程擴展機的編號由用戶在遠程擴展機上設定，具體編號按不用型號的規定而設置。

FX2N系列PLC的擴展模塊如表1-9所示，通過擴展，可以增加輸入/輸出點數，以彌補點數不足的問題。

4）特殊功能模塊 特殊I/O功能模塊作為智能模塊，有自己的CPU、存儲器和控制邏輯，與I/O接口電路及總線接口電路組成一個完整的微型計算機系統。一方面，它可以在自己的CPU和控制程序的控制下，通過I/O接口完成相應的輸入/輸出和控制功能；另一方面，它又通過總線接口與CPU進行數據交換，接收主CPU發來的命令和參數，并將執行結果和運行狀態返回主CPU。這樣，即實現了特殊I/O單元的獨立運行，減輕了主CPU的負擔，又實現了主CPU模塊對整個系統的控制與協調，從而大幅度增強了系統的處理能力和運行速度。

下面簡單介紹模擬量I/O模塊、高速計數模塊、位置控制模塊、PID控制模塊、溫度傳感器模塊和通信模塊等特殊的擴展模塊。

(1) 模擬量I/O模塊：模擬量輸入模塊將生產現場中連續變化的模擬量信號 (如溫度、流量、壓力)，通過變送器轉換成DC 1～5V、DC 0～10V、DC 4～20mA、DC 0～10mA的標準電壓或電流信號。

模擬量輸入單元的作用是把此連續變化的電壓、電流信號，轉化成CPU能處理的若干位數字信號。模擬量輸入電路一般由運放變換、模數轉換 (A/D)、光電隔離等部分組成。A/D模塊常有二到八路模擬量輸入通道，輸入信號可以是1～5V或4～20mA，有些產品輸入信號可達0～10V，-20～+20mA。

模擬量輸出模塊的作用是把CPU處理后的若干位數字信號轉換成相應的模擬量信號輸出，以滿足生產控制過程中需要連續信號的要求。

CPU的控制信號由輸出鎖存器經光電隔離/數模轉換 (D/A) 和運放變換，變換成標準模擬量信號輸出。模擬量電壓輸出為DC 1～5V或DC 0～10V；模擬量電流輸出為4～20mA或0～10mA。

A/D、D/A模塊的主要參數有分辨率、精度、轉換速度、輸入阻抗、輸出阻抗、最大允許輸入范圍、模擬通道數、內部電流消耗等。

(2) 高速計數模塊：高速計數模塊用于脈沖或方波計數器、實時時鐘、脈沖發生器、數字碼盤等輸出信號的檢測和處理，用于快速變化過程中的測量或精確定位控制。高速計數單元常設計為智能型模板，在與主令啟動信號連鎖下，與PLC的CPU之間是互相獨立的。它自行配置計數、控制、檢測功能，占有獨立的I/O地址，與CPU之間以I/O掃描方式進行信息交換。有的計數單元還具有脈沖控制信號輸出，用于驅動或控制機械運動，使機械運動到達要求的位置。

高速計數模塊的主要技術參數有計數脈沖頻率、計數范圍、計數方式、輸入信號規格、獨立計數器個數等。

(3) 位置控制模塊：位置控制模塊是用于位置控制的智能I/O模塊，能改變被控點的位移、速度和位置，適用于步進電動機或脈沖輸入的伺服電動機驅動器。

位置控制單元一般自身帶有CPU、存儲器I/O接口和總線接口。它一方面可以獨立地進行脈沖輸出，控制步進電動機或伺服電動機，帶動被控對象運動；另一方面可以接收主機CPU發來的控制命令和控制參數，完成相應的控制要求，并將結果和狀態信息返回給主機CPU。

位置控制模塊提供的功能有：可以每個軸獨立控制，也可以多軸同時控制；原點可分為機械原點和軟原點，并提供了3種原點復位和停止方法；通過設定運動速度，方便地實現變速控制；采用線性插補和圓弧插補的方法，實現平滑控制；可實現試運行、單步、點動和連續等運行方式；采用數字控制方式輸出脈沖，達到精密控制的要求。

位置控制模塊的主要參數有：占用I/O點數、控制軸數、輸出控制脈沖數、脈沖速率、脈沖速率變化、間隙補償、定位點數、位置控制范圍、最大速度、加/減速時間等。

(4) PID控制模塊：PID控制模塊多用于執行閉環控制的系統中，該模塊自帶CPU、存儲器、模擬量I/O點，并有編程器接口。它既可以聯機使用，也可以脫機使用。在不同的硬件結構和軟件程序中，可實現多種控制功能：PID回路獨立控制、兩種操作方式 (數據設定、程序控制)、參數自整定、先行PID控制和開關控制、數字濾波、定標、提供PID參數供用戶選擇等。

PID控制模塊的技術指標有：PID算法和參數、操作方式、PID回路數、控制速度等。

(5) 溫度傳感器模塊：溫度傳感器模塊實際為變送器和模擬量輸入模塊的組合，其輸入為溫度傳感器的輸出信號，通過模塊內的變送器和A/D轉換器，將溫度值轉換為BCD碼傳送給可編程控制器。溫度傳感器模塊配置的傳感器有熱電偶和熱電阻兩種。

溫度傳感器模塊的主要技術參數有輸入點數、溫度檢測元件、測溫范圍、數據轉化范圍及誤差、數據轉化時間、溫度控制模式、顯示精度和控制周期等。

(6) 通信模塊：上位鏈接模塊用于PLC與計算機的互聯和通信。PLC鏈接模塊用于PLC和PLC之間的互聯和通信。

遠程I/O模塊有主站模塊和從站模塊兩類，分別裝在主站PLC機架和從站PLC機架上，以實現主站PLC與從站PLC的遠程互聯和通信。通信模塊的主要技術參數有數據通信的協議格式、通信接口傳輸距離、數據傳輸長度、數據傳輸速率、傳輸數據校驗等。

常用特殊功能模塊的型號及功能如表1-10所示