1.2 可编程控制器的结构

可编程控制器是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其组成与一般的计算机相类似，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接口、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口和电源等组成。

1.2.1 整体式PLC

整体式PLC属于微型PLC，它将电源部分、CPU部分、开关量I/O部分和存储器部分安装在一个工程塑料壳体内。通常，I/O点数不超过128点。

1. 广州WQ系列整体式PLC

广州WQ-36MT-3DA-3AD整体式PLC的外观图如图1-19所示。

该型PLC内置3路DA模拟量输出，内置3路A/D模拟量输入（选配），内置3路最高3000Hz带加减速高速脉冲输出，内置3路最高100kHz带加减速高速脉冲输出（选配），内置2组A、B相正交编码器计数（标配8.5 kHz），内置2组A、B相正交编码器计数（最高100kHz）（选配）高速运算；基本指令每步0.01μs；通信端口为RS232C、RS485、SPI_MS、CAN2.0B（选配）；扩展端口可以方便地连接模拟量输入/输出、I/O等扩展模块，最多可支持512路I/O输入/输出；程序空间为256K（步），不用电池记忆，无须维护；支持高级语言（C、C++）混合，高速表达式运算。

2. 三菱FX2N/FX3UC系列整体式PLC

三菱FX2N系列整体式PLC的外观图如图1-20所示。与WQ系列整体式PLC有所不同的是，FX2N系列整体式PLC本身不包括特殊功能模块，称为“基本单元”。三菱FX3UC系列PLC的外观图如图1-21所示。

1.2.2 模块式PLC

所谓模块，就是按照功能将电路进行分类，通常是每一种功能制成一块电路板，称为模板或板卡，每块模板置于工程塑料外壳内，成为独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、特殊I/O模块、通信模块和供电模块等。

各单元插在带有总线的CPU底板上，构成CPU机架；对于无底板的模块式PLC，则是通过各个单元侧面的连接器，构成CPU机架。如果CPU机架（或称主机架）的I/O点数不够用，或者需要增加新的特殊单元，可以增加扩展I/O机架，扩展I/O机架由供电单元、I/O接口单元（仅无底板型需要）、扩展I/O底板（仅有底板型需要）、I/O单元和特殊I/O单元组成。模块式PLC的特点是组态灵活、扩展方便、维护简单。

模块式PLC通常用于中型、大型控制系统。下面以三菱Q系列PLC为例介绍主要模块的规格和功能。

Q系列PLC的突出特点是多CPU配置，其外观如图1-22所示。

1. 基本型Q CPU

基本型Q CPU（PLC CPU、顺控CPU）不能构成多CPU系统。基本型Q CPU用于顺序控制、逻辑控制、一般的过程控制和运动控制。基本型Q CPU包括Q00JCPU、Q00CPU及Q01 CPU三种CPU。下面介绍基本型Q CPU的规格和功能。

1）支持的I/O点数

Q00J是一个由CPU、电源和主基板（5槽）组成的CPU模块，Q00和Q01是独立的CPU模块。Q00J的输入/输出点数为256点，输入/输出软元件点数为2048点。Q00和Q01的输入/输出点数为1024点，输入输出软元件点数为2048点。

2）程序容量

Q00J和Q00的程序容量为8K（步），Q001的程序容量为14K（步）；Q00J的参数/程序/注释/智能功能模块参数的合计容量为58K（字节），Q00和Q01的合计容量为94K（字节）。

3）基本型版本B

基本型版本B后支持浮点运算，8路PID，标准RAM增加到128K（字节），支持ST（结构化文本，类高级语言）、SFC以及FB编程。

4）基本型Q00/Q01 CPU具有串行通信功能

Q00/Q01 CPU的RS232接口能与使用MC通信协议的外部设备进行通信，使得CPU不再需要串行通信模块，降低了成本。

5）基本型Q CPU含有闪存ROM

基本型Q CPU都含有闪存ROM，能在不使用存储卡的情况下执行ROM操作。

6）基本型Q CPU编程更简单

基本型Q CPU编程更简单，特殊功能模块有专门的设定软件，无须使用FROM/TO指令编程。

7）基本型Q CPU具有自动CC-Link启动功能

基本型Q CPU具有自动CC -Link启动功能，可以在不设定参数的情况下启动CC -Link、刷新数据，减少了人工设定参数的时间。

2. 高性能型Q CPU

高性能型Q CPU用于构成多CPU控制系统，灵活应用各种CPU的特点，可以构成各种行业的高性能和多功能控制系统。

在高性能型Q CPU组成的多CPU系统中，高性能型Q CPU也称为PLC CPU，主要用于顺序控制、逻辑控制和一般的管理工作。下面介绍高性能型Q CPU模块（Q02 CPU，Q02H CPU，Q06 HCPU，Q12HCPU，Q25H CPU）的规格和功能。

1）支持的I/O点数

高性能型CPU模块（Q02 CPU，Q02H CPU，Q06H CPU，Q12HCPU，Q25H CPU）支持的输入/输出点数为4096点。支持的输入/输出软元件点数为8192点。

2）程序容量

Q02CPU和Q02HCPU的容量为28K（步），Q06H CPU的容量为60K（步），Q12H CPU的容量为124K（步），Q25H CPU的容量为252K（步）。

Q02CPU和Q02HCPU的参数/程序/注释/智能功能模块参数合计容量为112K（字节）。

Q06H CPU的合计容量为240K（字节），Q12H CPU的合计容量为496K（字节），Q25H CPU的合计容量为1008K（字节）。

3）支持多CPU

支持多达4个CPU，即高性能型Q CPU、过程控制CPU、运动控制CPU（最大96轴）、PC CPU模块可安装在同一块基板上。

4）指令处理速度

CPU的指令处理速度直接影响CPU的扫描时间，以执行LD指令为例，基本型Q CPU的处理时间为100～200ns，而Q CPU02H、Q06H CPU，Q12H CPU，Q25H CPU的处理时间仅为34ns。

5）支持结构化编程

支持结构化编程，最大程序数量为252个，每个程序可设定为扫描、低速、等待，且可互相切换。

6）高可靠10Mbps/25Mbps MELSEC NET/H光纤双环网

高可靠10Mbps/25Mbps MELSEC NET/H光纤双环网，通信距离达30km，同时支持总线型同轴电缆MELSEC NET/H网络，最远距离2500m。

7）具有USB及RS232C编程接口

具有12MUSB及115K RS232C编程接口（Q02只有RS232C编程口）。

8）支持100Mbps以太网

支持100Mbps以太网，另有Web Server模块，可用浏览器通过Intranet、Internet监控PLC，实现程序监控、读写等远程维护功能。

9）支持开放式现场总线

除支持开放式现场总线CC-Link外，还支持主要的工业网络，如Profibus，DeviceNet，Modbus，ASi等工业网络。

10）支持FB、SFC、FBD

能够将特定的程序块作为功能块（FB）注册使之成为构件，便于在顺序控制程序中应用。

顺序功能图SFC是描述生产工艺控制过程、特性和功能的一种图形，或者说是一种图形化的辅助编程工具，也可称为SFC语言。在SFC中，每道工序中执行装置所起的作用以及整个控制流程一目了然，使得设计者在编制程序时有章可循，加快了编程速度。

使用GX-Developer软件中的SFC功能可以生成控制系统的顺序功能图SFC，并能自动地将SFC转换为步进梯形图。

用IEC61131-3标准编程语言，只要完成FB排列连线即可进行编程。由于可以进行程序的分级化和构件化，容易进行程序的标准化和再使用化。

11）高速运算处理

可以进行实数运算即浮点运算、三角函数等特殊函数运算、字符串处理以及PID控制等高速运算处理。

12）宏指令（用户定义指令）

宏指令功能设计用于把用户经常使用的梯形图形式注册为单个指令来任意次使用。用户可以创建自己独有的指令。

13）在线更换模块

当模块发生故障时，不必停止系统的运行即可更换模块（热拔插）。

3. 过程CPU

在控制系统中，当被控变量为温度、压力、液位、物位、流量、浓度以及成分等变量时，需要应用过程控制的串级、比值、均匀、前馈、选择、分程、非线性、纯滞后补偿、2自由度PID、自整定PID、样本PI、预测以及解耦等理论和技术，过程CPU模块就是针对过程控制的特征开发出来的专用CPU模块。将高性能型Q CPU模块、过程CPU模块和相应的配套模块安装在主基板上，就构成了面向过程控制的高性价比的PLC控制系统，如图1-21所示。下面介绍过程控制CPU的规格和功能。

（1）支持的I/O点数：过程CPU模块（Q12PH CPU，Q25PH CPU）支持的输入/输出点数为4096点；支持的输入/输出软元件点数为8192点。

（2）程序容量。

● Q12PH CPU的容量为124K（步），Q25PH CPU的容量为252K（步）。

● Q02CPU和Q02HCPU的参数/程序/注释/智能功能模块参数合计容量为112K（字节）。

● Q06H CPU的合计容量为240K（字节），Q12H CPU的合计容量为496K（字节），Q25H CPU的合计容量为1008K（字节）。

（3）支持多CPU：支持多达4个CPU，即高性能型Q CPU、过程控制CPU、运动控制CPU（最大96轴）、PC CPU模块可安装在同一块基板上。

（4）指令处理速度：以执行LD指令为例，Q12PH CPU、Q25PH CPU的处理时间均为34ns。

（5）程序语言：继电器符号语言（梯形图），逻辑符号语言（列表），MELSAP -3（SFC），MELSAP-L，过程控制用FBD。全新的编程软件PX-Developer，功能块编程（类似于DCS组态）。

（6）具有高性能Q CPU的全部性能。

（7）丰富的控制算法：有52种控制算法，以适应过程控制的需要，可构成DCS（集散控制系统）。

（8）高速回路控制：高速的回路控制（10ms），回路数量无限制（仅受内存限制，一般可达200个）。

（9）在线更换模块：当模块发生故障时，不必停止系统的运行即可更换模块（热拔插）。

由过程CPU模块构成的PLC系统外观图如图1-23所示。

4. 运动CPU

当被控变量是位置、速度、加速度、力、力矩以及张力等变量，且为多电动机协调控制、同步控制或跟随控制时，可将运动CPU模块、PLC CPU（顺控CPU）模块以及相应的配套模块安装在主基板上，就构成了面向运动控制的高性价比的PLC控制系统，如图1-24所示。系统结构图如图1-25所示。

下面介绍运动CPU的规格和功能。

（1）控制轴数：每个Q173 CPUN型运动CPU最多控制32轴，使用3块运动CPU模块可控制96根轴的伺服电动机。

（2）运行周期：8轴控制、使用SV13时，运行周期仅为0.88ms；32轴控制、使用SV13时，运行周期为3.55ms，提高了同步性能和速度/位置控制的精度。

（3）编程语言：运动SFC，专用指令，支持机器的语言（SV22）。

（4）伺服程序（专用指令）容量：伺服程序（专用指令）容量为14K（步）。

（5）运动SFC程序容量：代码合计（SFC图+运算控制+处理）为287K（字节）；文本合计（运动控制+处理）为287K（字节）。

（6）可控制的模块。

●Q172LX：最多4个/CPU；Q172EX：最多6个/CPU；Q173PX：最多4/CPU（在SV22中使用增量式同步编码器时）。

● QXஐ、QYஐ、QHஐ、QXஐQYஐ、Q64AD/Q68ADV/Q68ADI/Q62DA/Q64DA/Q68DAV/

Q68DAI：总共256点/CPU，Q160：最多：1个/CPU。

（7）外围设备I/F：USB——12Mbps；RS232——115.2Kbps；SSCNET（伺服系统控制器网络）——5.6Mbps。

（8）扩展基板级数：Q系列PLC的主基板如Q312B可安装1个电源模块、1个CPU模块和12个I/O模块。如果需要再增加模块，就需要增加扩展基板，扩展基板为7级。

（9）控制方式：PTP（Point To Point：点对点）、速度控制、速度/位置切换控制、位置跟踪控制，速度切换控制，轨迹控制、高速示波器控制以及同步控制（SV22）等多种控制方式。

（10）插补运算：4轴直线插补、2轴圆弧插补和3轴螺旋插补。

5. PC CPU

Q系列PLC的突出特点是多CPU模式，多CPU系统中的各个CPU是根据用途来选择的，原来由单个CPU执行的程序控制和数据处理，现在分散给多个专用CPU来承担。

Q系列PLC最多可在主基板上安装4个CPU模块，其中，PLC CPU、过程CPU、运动CPU已介绍过了。PC CPU（个人计算机CPU模块）用于处理PC擅长的数据通信、数据采集和大容量数据处理，可用C语言进行输入/输出控制和智能功能模块的控制。

通过PLC CPU、过程CPU、运动CPU和PC CPU的协调运行，就能够实现整个系统的高速化、高灵敏化和高性能化，并且扩大了应用范围。Q系列多CPU系统的功能示意图如图1-26所示。

1）MPU、内存、显存

PPC-CPU686（MS）的MPU为LP400MHz，内存容量为128MB，显存容量为2MB。

2）接口

USB接口：2个（其中一个为扩展连接器）；串口：2个，其中一个为D-SUB，另一个为扩展连接器；并口：1个（扩展连接器）；PS2鼠标/键盘接口：Mini DIN 6芯；LAN接口：100BASE-TX/10BASE-T；显示接口：模拟RGB H-D-SUB，15芯；FDD接口：26芯半连接器；PC卡接口：PCMCIA。

3）模块

硅盘模块：分离模块PCC-SDD（MS）-32/64/128192/320/500/1000，占用1个槽；硬盘模块：分离模块PCC-HDD（MS），占用1个槽。

4）OS

Windows NT4.0，Windows 2000。

1.2.3 WQ系列整体式PLC的结构与性能规格

广州微嵌公司的整体式PLC外观图见图1-19，其结构图如图1-27所示。

整体式PLC将中央处理单元（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可电擦除存储器（EPROM、EEPROM）、输入接口、输出接口、通信接口和电源等部件安装在一个工程塑料壳体内，构成一个整体。有的PLC，如WQ系列PLC还设有本机操作面板，可通过功能按键设定和显示99个功能参数。

1. 中央处理单元（CPU）

CPU是PLC的核心部分，由微处理器和控制接口电路组成，其中的微处理器是CPU的核心部分。WQ系列PLC的处理器是ARM Cortex -M3，其简化结构框图如图1-28所示。

Cortex-M3（简称CM3）是32位处理器，采用ARMv7体系结构。CM3是为了在微控制器、汽车车身系统、工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高系统性能而设计的。

1）高性能

CM3处理器使用了ARMv7-M体系结构。处理器的核心是基于哈佛架构的3级流水线内核，该内核集成了分支预测、单周期乘法、硬件除法等功能强大的特性。

CM3通过work smart途径，使处理器凭借简单的低功耗设计，在低时钟频率的情况下提高运算效率，提高处理器的性能。

2）Thumb-2指令集实现了16位指令与32位指令并存

在CM3之前，ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集，即32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，两种指令集对应了两种处理器执行状态，在程序的执行过程中，需要动态地在两种执行状态中切换。

在Thumb-2中，16位指令和32位指令并存，在Thumb状态下可以实现更复杂的操作，免去了ARM状态和Thumb状态之间的切换，从而大大提高了软件开发和代码维护的效率。

3）先进的中断处理功能

在图1-28所示的内核系统中有一个嵌套向量中断控制器NVIC，它与内核是紧耦合的。NVIC具有可嵌套中断支持、向量中断支持、动态优先级调整支持、中断可屏蔽、低延迟中断处理和高效处理晚到中断等功能。

4）总线接口

CM3内部有若干总线接口，使之能够同时取址和访问内存。I -code是指令总线，D-code是数据总线。因为代码存储区既可以由指令总线访问，也可以被数据总线访问，故需要在中间插入一个总线开关，称为总线矩阵，或者使用一个AHB总线复用器。

5）存储器保护单元（MPU）

MPU可以对特权级访问和用户级访问分别施加访问限制。当检测到犯规时，MPU会产生一个fault异常，可以由fault异常的服务例程来分析该错误，并且在可能时改正它。

2. 存储器

存储器用来储存程序和数据，存储器包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。

1）系统程序存储器

系统程序是由PLC生产厂家设计的监控程序、检查程序、用户指令解释程序、功能程序模块、管理程序和各种系统参数，系统程序固化在只读存储器ROM内，用户不能直接读取。

2）用户程序存储器

用户程序是用户根据工艺要求和技术指标所编写的控制程序。由于用户程序在调试时需要不断修改，在运行过程中也需要根据工况的变化来修改数据，故用户程序的存储器通常采用可随时读写的随机存储器RAM，由于RAM掉电时会丢失数据，需要使用备用电池（锂电池）来保护RAM数据。

如果用户程序经过调试和使用后不再需要改动，可将用户程序写入EPROM或EEPROM存储器。近年来，许多PLC厂家采用快闪存储器FRAM作为用户程序存储器，随时可以读写，掉电时FRAM中的数据也不会丢失，不必使用备用电池。

3）数据存储器

PLC的工作数据如输入/输出（I/O）数据、定时器数据、计数器数据和各种运算数据等都是经常变化、频繁存取的数据，其中不需要长期保存的数据可存于随机存储器RAM中。

3. 输入/输出（I/O）接口

输入/输出是PLC与用户现场设备相互连接的接口。

输入部分接收各种控制信号，如按钮开关、行程开关、位置开关、波段开关、接近开关、光电开关和拨码开关等元件的开关量信号，可使用开关量输入端子接收这些开关量信号；接收来自速度传感器和位置传感器的运动控制信号；接收来自温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、成分传感器和相应变送器的过程控制信号。

上述传感器和相应变送器发出的信号，有的是脉冲信号，如增量式旋转编码器发出的脉冲信号，可使用高速计数器接收脉冲信号；有的是数字量信号，如10位绝对值旋转编码器发出的10位格雷码数字信号，可使用快速响应的开关量输入单元接收二进制格雷码信号；有的是模拟信号，如温度传感器和变送器发出的直流电压信号、称重传感器和变送器发出的直流电压信号，可使用模拟量输入（A/D）单元接收这些模拟信号。有的公司生产的输入单元，可直接连接传感器，如连接Pt100热电阻温度传感器，省去了变送器。输入电路将接收到的各种现场信号转换成CPU能够接收和处理的信号。

输出部分通常有开关量（继电器接点）输出、脉冲输出和模拟量输出三种输出单元。开关量输出用于驱动控制继电器、接触器、电磁阀和指示灯等。脉冲输出用于连接步进电动机驱动器，驱动步进动电机，构成位置开环控制系统；也可以连接具有脉冲输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流永磁同步电动机，构成位置闭环控制系统。

模拟量（D/A）输出可用于连接具有模拟量输入端口的直流驱动器，驱动直流电动机构成直流调速系统或位置控制系统；也可用于连接具有模拟量输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流伺服电动机，构成速度控制系统、位置控制系统或同步控制系统；还可以与气动调节阀和汽缸等构成气动控制系统，或与伺服阀（或比例阀）和液压缸（或液压电动机）等构成液压控制系统。

1）开关量输入接口

以WQ-36MT-3DA-3AD整体式PLC为例，其开关量输入接口电路如图1-29所示，X0～X7（图中标注为X00～X07），X10～X17，共有16个开关量输入端子。PLC内部有用户开关状态检测电源（DC 24V），用户只须接入干接点开关信号即可。若要连接有源晶体管传感器的输出信号，需按集电极开路输出方式进行连接，即漏型输入方式，连接NPN型传感器。

2）开关量输出接口

以WQ-36MT-3DA-3AD整体式PLC为例，其开关量输出接口电路如图1-30所示，Y0～Y7（图中标注为Y00～Y07），Y10～Y17，共有16个开关量输出端子。

该接口电路采用大功率晶体管输出，是针对继电器在驱动各种电感性负载（如电磁阀）时，由于自身没有浪涌吸收装置而经常烧坏触点的现象而开发的。控制电压DC 24V，每路额定电流为6A（长时间）/12A（瞬间），适合控制各种电感性负载，如电磁阀。

由于晶体管是无触点开关，能够频繁开关，不影响使用寿命。晶体管输出级只能用于直流24V负载回路，晶体管输出端口需遵守允许最大电流限制，以保证输出端口的发热限制在允许范围内。若有多个晶体管端口输出电流大于2A，则应均匀分布于输出端口，不宜安排在相邻的输出端口，以便利于散热。建议同时为On（导通）状态的输出点数不要长时间超过总输出点数的60%。

3）模拟量输入接口

以WQ-36MT-3DA-3AD整体式PLC为例，其模拟量输入接线如图1-31所示。图中，3线制传感器的0～5 V输出信号为第一路模拟量输入信号，接到端子X20，第二路也为0～5 V信号，接到端子X21，2线制传感器的4～20mA输出信号为第三路模拟量输入信号，接到端子X22。

D2040～D2042分别为AD1～AD3的数据寄存器，每路的输入值范围是0～4096，对应输入信号为0.000～5.000V。

4）模拟量输出接口

以WQ-36MT-3DA-3AD整体式PLC为例，其模拟量输出接线如图1-32所示。

D2060～D2062分别为DA1～DA3的输出寄存器，每路的输出数值范围是0～10000，对应输出信号为0.000～10.000V。

5）高速编码器输入接口

该接口的功能是对来自传感器、编码器和变送器的脉冲信号进行计数，通过对频率信号的处理，可提供多种运动控制和过程控制方法。

高速编码器输入接线图如图1-33所示。D2300和D2301是编码器1的增量值（32位数据格式）寄存器，D2302和D2303是编码器2的增量值（32位数据格式）寄存器。

6）高速脉冲输出接口

高速脉冲输出功能是通过与市售的电动机驱动器进行组合使用，实现定位控制。利用PLSR指令可进行带加减速的运动定位控制。

WQ-36MT型整体式PLC内建的脉冲输出单机最大可做3轴直线插补的数值伺服或步进电动机控制，加上各轴细致的加/减速功能，可完成多段变化且平顺、精准的直线路径或定位控制，若配合内建的高速计数器可做闭环控制，对诸如组件磨耗、老化、不良等进行检测和相应的补偿，以获得更精准的控制。高速脉冲输出接线图如图1-34所示。

4. 通信与组态

随着计算机网络和网络通信技术的发展，近年来PLC网络通信技术也得到了飞速发展。以广州微嵌公司的WQ-36MT型整体式PLC为例，它提供了3个串行异步通信端口，其特性如表1-1所示，采用该公司的WQT Designer组态运行软件构成的监控网络如图1-35所示。

5. 操作键盘面板

通常，PLC的面板上设有工作状态指示灯。WQ系列PLC的特点是具有操作键盘面板，如图1-36所示。99个功能参数选项可由本机面板来设定，D0000～D0099共100个EEP-ROM数据寄存器保存由PLC面板修改的数据。

6. 扩展接口

各公司生产的整体式PLC均可适量地扩展其规模，WQ系列PLC的扩展接口如图1-37所示。可以方便地连接模拟量I/O、开关量I/O等扩展模块，最多可支持512路I/O。

1.2.4 三菱FX2N/FX3U系列整体式PLC的结构与性能规格

1. 概述

三菱FX2N系列PLC将电源部分、CPU部分、开关量I/O部分和存储器部分安装在一个工程塑料壳体内，构成一个整体称为基本单元，其外观图如图1-38所示。FX3U系列基本单元与定位模块的外观图如图1-39所示。

1）输入/输出点数

基本单元的输入/输出点数为16、32、48、64、80、128点，增加扩展模块后可扩展到256点。

2）功能扩展板

FX2N系列的功能扩展板包括RS232C通信用功能扩展板、RS485通信用功能扩展板、RS422通信用功能扩展板、连接特殊适配器的功能扩展板和8点模拟电位器功能扩展板。

3）I/O扩展模块、扩展单元

I/O扩展模块（单元）包括输入扩展模块、输出扩展模块、输入/输出扩展模块和输入/输出扩展单元。

4）特殊模块

特殊模块包括模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入/输出模块、Pt100型温度传感器模块、热电偶型温度传感器模块、温度调节模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、RS232C通信用模块、CC -Link主站模块、CC -Link接口模块、CC -Link/LT主站模块、MELSEC-I/O Link主站模块和AS-i主站模块。

5）特殊单元

特殊单元包括1轴定位单元、2轴定位单元和转动角度检测单元。

6）特殊适配器

特殊适配器包括RS232C通信用适配器和RS485通信用适配器。

7）运算控制方式

对存储的程序反复扫描方式（专用LSI），中断指令立即执行方式。

8）输入/输出控制方式

批次处理方式（执行END指令时），输入/输出刷新指令，脉冲捕捉功能。

9）编程语言

指令表方式（继电器符号方式）、步进梯形图方式（可以用SFC表示）。

10）程序内存

（1）内置存储器容量。内置8000步RAM（由内置的锂电池支持），电池寿命约5年，有密码保护功能。

（2）存储器盒。

① RAM 16000步（也适用2000/4000/8000步）。

② EPROM 16000步（也适用2000/4000/8000步）。

③ EEPROM4000步（也适用2000步）。

④ EEPROM 8000步（也适用2000/4000步）。

⑤ EEPROM 16000步（也适用2000/4000/8000步），不可以使用带实时时钟功能的卡盒。

⑥ PLC处于监视模式下可修改程序。

11）指令的种类

（1）顺序控制指令27条。

（2）步进梯形图指令2条。

（3）应用指令128条（FX2N使用的应用指令条数）。

12）运算处理速度

基本指令：0.08μs，应用指令：1.52μs至数百μs。

13）辅助继电器

（1）一般用：M0～M499，共500点。

（2）保持用：M500～M1023，共524点，电池保持，通过参数设定，可改为非电池保持。

（3）保持用：M1024～M3071，共2048点，电池保持的固定区域，区域特性不能改变。

（4）特殊用：M8000～M8255，共256点。

14）状态

（1）初始状态：S0～S9，共10点。

（2）一般用：S10～S499，共490点，非电池保持，通过参数设定，可改变为电池保持。

（3）保持用：S500～S899，共400点，电池保持，通过参数设定，可改为非电池保持。

（4）信号报警用：S900～S999，共100点，电池保持，通过参数设定，可改为非电池保持。

15）定时器

（1）100ms：T0～T199，共200点。

（2）10ms：T200～T245，共46点。

（3）1 ms累计型：T246～T249，共4点，电池保持的固定区域，区域特性不能改变。

（4）100ms累计型：T250～T255，共6点，电池保持的固定区域，区域特性不能改变。

16）计数器

（1）16位增计数：C0～C99，共100点，非电池保持，通过参数设定，可改为电池保持。

（2）16位增计数：C100～C199，共100点，电池保持区域，通过参数设定，可改为非电池保持区域。

（3）32位双向：C200～C219，共20点，非电池保持，通过参数设定，可改为电池保持区域。

（4）32位双向：C220～C234，共15点，电池保持，通过参数设定，可改为非电池保持区域。

（5）32位高速双向：C235～C255，共21点，电池保持，通过参数设定，可改为非电池保持区域。

17）数据寄存器

（1）16位一般用：D0～D199，共200点。非电池保持，通过参数设定，可改为电池保持。

（2）16位保持用：D200～D511，共312点。电池保持，通过参数设定，可改为非电池保持。

（3）16位保持用：D512～D7999，共7488点。电池保持的固定区域，区域特性不能改变。

（4）16位特殊用：D8000～D8195，共196点。

（5）16位变址：V0～V7，Z0～Z7，共16点。

18）指针

JUMP、CALL分支用：128点；输入中断：6点；定时中断：3点；计数中断：6点。

19）嵌套

主控用，N0～N7，8点。

2. 基本单元的输入接口

三菱FX2N-48MR基本单元的外观和输入/输出端子图如图1-40所示。

1）AC电源、DC输入型

（1）输入电路。FX2N-48MR基本单元的供电为AC220V，直流输入，以端子X3的输入回路为例，其电路图如图1-41所示。

在图1-41中，3.3kΩ（X010以后为4.3kΩ）电阻为限流电阻。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，它将输入电路与内部电路（控制电路）隔离，提高输入回路的抗干扰能力。输入指示灯在外部输入电路接通时点亮。

对于开关类元件，通常分为无源元件和有源元件两大类，如按钮开关、行程开关、位置开关和干簧管等为无源元件，采用这类输入元件时，输入回路接线见图1-41。

光敏类接近开关和磁敏类接近开关属于有源元件，采用分立元件或集成电路，需要由基本单元提供器件电源，应注意基本单元提供的DC 24V电源是否满足有源器件对电源的要求。

（2）输入规格。

① 输入信号电压。输入信号电压为DC 24 ×（1 +10%）V。

② 输入信号电流。输入信号电流为7mA/DC 24V（X010以下5mA/DC 24V）。

③ 输入ON电流。输入信号为ON状态时的回路电流为4.5 mA以上（X010以下为3.5 mA/DC 24V）。

④ 输入OFF电流。输入信号为OFF状态时的回路电流为1.5 mA以下。

⑤ 输入响应时间。FX2N输入的1次回路和2次回路采用了光电耦合器进行电路隔离，在2次回路中还设置了C-R滤波器，用于防止输入触点的抖动或者输入线上混入的噪声所引起的误动作，这种抗干扰措施延缓了对输入的响应，有约10ms的响应延迟。

FX2N系列的X0～X7可设置为高速计数输入端，其中X0和X1端子内部具有专用的电路，使得计数器C235、C236（单相单计数）和C246（单相双计数）/C251（双相双计数）成为硬件/软件兼用计数器，C235、C236和C246的最高计数频率为60kHz，C251的最高计数频率为30kHz，其余的C237～C245、C247～C250的最高计数频率为10kHz，C252～C255的最高计数频率为5 kHz。

⑥ 输入信号形式。对于无源元件，输入为接点（ON状态或OFF状态），对于有源元件，输入为NPN晶体管的开集电极。

2）DC电源、DC输入型

DC电源、DC输入的电路图如图1-42所示。输入规格同AC电源、DC输入型。

3）AC电源、AC输入型

（1）输入电路。AC电源、AC输入的电路图如图1-43所示。

（2）输入规格。

① 输入信号电压。输入信号电压为AC100～120V（-15%～+10%）。

② 输入信号电流。输入信号电流为6.2mA/AC 110V 60Hz（同时ON时比率70%以下）。

③ 输入ON电流。输入信号为ON状态时的回路电流为3.8mA以上。

④ 输入OFF电流。输入信号为OFF状态时的回路电流为1.7mA以下。

⑤ 输入响应时间。输入响应时间约25～30ms，不可以高速获取。

⑥ 输入信号形式。输入信号形式为接点输入。

4）使用中的注意事项

（1）关于有源开关元件的输出电压。有源开关元件的输出电压应符合规定的电压范围，如光敏类接近开关和磁敏类接近开关，可在现场调整开关元件与移动件的距离来得到符合规定的电压，并由面板上的LED指示灯来确认。在距离已符合要求的情况下，对于三极管开集电极输出方式的有源开关元件，可以通过调整集电极电阻的阻值来达到规定的工作电压。

（2）关于开关元件的动作频率。直流输入的响应延迟取决于滤波时间常数，FX2N系列X0～X17输入滤波的初始值为10ms，可通过指令在0～60ms范围内设定，但是，由于有硬件C-R滤波电路，即使设定为0，也不会低于50μs，当采用增量式旋转编码器检测一个机械轴的转速或转角时，需要核对编码器的输出频率是否在PLC允许的范围内。

通常，交流伺服电动机与编码器是一体式的，编码器的每转脉冲数一般为2500个，设工艺要求电动机转速为1500rpm（转/分），则编码器输出脉冲频率为62.5kHz，这已经高于X0、X1输入信号上限60kHz，需要选用高速计数扩展模块。

（3）关于输入的公共端（COM）。在生产现场，有些开关元件不能有公共端，因此在使用时应注意它的独立COM数。例如，FX2N -48MR的输入端子排有两个COM，但这两个COM端子在内部是相连的。

（4）关于电源的极性。不同类型的有源开关元件对电源的极性有不同的要求，故各公司PLC开关量输入单元的外接电源可任意，但是，在一个回路中必须是同一极性。

（5）关于同时接通的输入点数的限制。在高温下，同时接通的输入点数是受限制的，因为过热会导致内部器件过早损坏。在生产现场，应将常开和常闭开关元件进行搭配，从而延长输入单元的使用寿命。在45℃以下时允许同时接通16点，而在55℃时仅允许同时接通12点。

3. 继电器输出型的输出接口

1）继电器输出型的电路图和端子图

继电器输出型的电路图如图1-44所示。FX2N -48MR型PLC输出端子图如图1-45所示。

2）输出规格

（1）外部电源。外部电源可为交流或直流电源，交流电源为AC 250V以下，直流电源为DC 30V以下。

（2）电路绝缘。采用机械绝缘。

（3）动作显示。继电器通电时面板上的LED点亮。

（4）输出负载。接点输出的负载可以是接触器线圈、牵引电磁铁线圈、比例电磁铁线圈、气动电磁阀线圈、液压电磁阀线圈、信号灯和警报器等。外接电源视负载类型而定，可选用直流或交流电源。

（5）最大负载（电阻负载）。2A/1点，8A/4点COM，8A/8点COM。

（6）最大负载（感性负载）。最大负载（感性负载）为80V·A。

（7）最大指示灯负载。最大指示灯负载为100W。

（8）响应时间。OFF→ON的响应时间约为10ms，ON→OFF的响应时间约为10ms。

3）注意事项

选用继电器输出型时应注意以下几点。

（1）关于负载。当负载为感性负载时，应该在负载上并联合适的浪涌吸收器，防止噪声，减小碳化物和氮化物沉积的产生，延长继电器的寿命。

电阻、电容串联电路是最基本的浪涌吸收器，适用于交流或直流外接电源。如果电源电压为24V，浪涌吸收器并联在负载上；如果电源电压为100V或220V，浪涌吸收器并联在接点上，对于交流电路，应使用无极性电容器。每1 A接点电流，电容器容量为0.5～1 μF；每1V接点电压，电阻器的阻值应为0.5～1Ω，这些数值随负载特性的不同而变化，可通过实验来确定。

压敏电阻也是一种浪涌吸收器，利用压敏电阻的恒压特性来防止接点间产生高压。如果电源电压为24V，压敏电阻并联在负载上；如果电源电压为100V或220V，压敏电阻并联在接点上。

若外接电源仅为直流电源，也可采用二极管作为浪涌吸收器，反向并联在负载上，二极管将感性负载线圈内积聚的电能转变为流入线圈的电流，该电流通过感性负载的电阻被转化为焦耳热。二极管反向耐压值至少为电源电压值的10倍。二极管正向电流应不小于负载电流。雪崩二极管（TRS）利用其雪崩效应来实现过电压钳位，响应速度更快。

（2）关于接点的开关频率。由于继电器输出型的响应速度约为10ms，从而限制了开关元件的动作频率。继电器的电气寿命是在规定的频率和环境温度实验条件下得到的。三菱公司继电器寿命的测试频率是0.5 Hz，即1 s ON/1 s OFF。

负载容量20V·A，0.2A/AC 100V，0.1A/AC 200V，接点寿命300万次；负载容量35V·A，0.35A/AC 100V，0.17A/AC 200V，接点寿命100万次；负载容量80V·A，0.8A/AC 100V，0.4A/AC 200V，接点寿命20万次。

（3）关于继电器输出型的公共端（COM）。在生产现场，有些负载不能有公共端，因此在选用继电器输出型时应注意它的回路数也就是独立的COM数，以FX5-48MR型为例（见图1-45），回路数为5即有5个独立的公共端，这就适用于独立负载的场合，可构成5个独立的回路。

（4）关于电源的极性。不同类型的负载要求不同的电源，故各公司整体式继电器型PLC的外接电源可为交流电源或直流电源，且直流电源可采用任意接法，但是，在一个回路中必须是同一极性。

（5）关于同时接通的接点数的限制。在高温下，同时接通的接点数是受限制的，因为过热会导致内部器件过早损坏。在生产现场，应将经常处于通态和经常处于断态的负载进行搭配，从而延长继电器的使用寿命。

4. 晶闸管输出型的输出接口

1）晶闸管输出型的电路图

晶闸管输出型的电路图如图1-46所示。

2）输出规格

（1）外部电源。外部电源为交流电源AC 85～242V。

（2）电路绝缘（隔离）。采用光电耦合器绝缘。

（3）动作显示。光电耦合器驱动时LED点亮。

（4）最大负载（电阻负载）。0.3A/1点，0.8A/4点COM，0.8A/8点COM。

（5）最大负载（感性负载）。最大负载（感性负载）为15V·A/AC 100V、30V·A/AC 200V。

（6）开路漏电流。开路漏电流为1 mA/AC 100V、2mA/AC 200V。

（7）最大指示灯负载。最大指示灯负载为30W。

（8）响应时间。OFF→ON的响应时间为1 ms以下，ON→OFF的响应时间为10ms以下。

5. 晶体管输出型的输出接口

1）晶体管输出型的电路图

晶体管输出型的电路图如图1-47所示。

2）输出规格

（1）外部电源。外部电源为DC 5～30V。

（2）电路绝缘（隔离）。采用光电耦合器绝缘。

（3）动作显示。光电耦合器驱动时LED点亮。

（4）最大负载（电阻负载）。0.5A/1点，0.8A/4点COM，1.6A/8点COM，Y000、Y001为0.3A/1点。

（5）最大负载（感性负载）。最大负载（感性负载）为12W/DC 24V，Y000、Y001为7.2W/DC 24V。对于感性负载，应采用浪涌吸收器，用于吸收浪涌电压。此外，还应有过电流和过载保护电路。

（6）开路漏电流。开路漏电流为0.1 mA/DC 30V。

（7）最大指示灯负载。最大指示灯负载为1.5W/DC 24V，Y000、Y001为0.9W/DC 24V。

（8）响应时间。OFF→ON的响应时间为0.2ms以下，Y000、Y001为15 μs，ON→OFF的响应时间为0.2ms以下，Y000、Y001为30μs。

3）注意事项

选用晶体管输出型时应注意以下几点。

（1）关于通断能力。晶体管输出型的通断能力即负载能力较小，且点数越多通断能力越小。例如，64输出点的最大通断能力仅为8输出点的最大通断能力的1.6%。

（2）关于开关频率。晶体管作为无触点开关，响应快，一般的响应时间在0.2ms以下。当负载为感性负载时，需要使用浪涌吸收器，这就使得输出响应时间被延长。例如，用二极管并联在感性负载的线圈上，用于吸收浪涌电压，使关断时的反压仅为0.6V，但是，OFF响应时间却增大到65 ms，这就是“电流拖尾”现象，从而降低了开关频率。

（3）关于公共端（COM）。在生产现场，有些负载不能有公共端，应选用多回路数且公共端在内部是隔离的输出模块或输出单元。

（4）关于同时接通的接点数的限制。在高温下，同时接通的接点数是受限制的，因为过热会导致内部器件过早损坏。在生产现场，应将经常处于通态和经常处于断态的负载进行搭配，从而延长晶体管输出单元的使用寿命。

（5）关于输出隔离。有的晶体管输出单元的内部电路（控制电路）与输出电路（功率级）之间没有电隔离，有的晶体管输出单元采用光电耦合器进行隔离，选用时应予以注意。

有关模拟量输入单元、模拟量输出单元、温度控制单元等特殊I/O单元的性能、规格和应用等内容将在后续的章节中介绍。