1.2 FX2 N系列PLC的硬件结构

FX系列PLC的系统配置灵活，用户除了可以选用不同型号的FX系列PLC外，还可以选用各种扩展单元和扩展模块，组成不同I/O点和不同功能的控制系统。FX2N系列PLC为现在市场上的主流产品，能完成绝大多数工业控制要求。上市多年之后，价格有所下降，性价比较高。

1. 主机面板结构

FX2N系列小型PLC外形如图1-1所示。

1）电源输入端子 AC电源型的主机，其电源电压为AC 100～240 V；DC电源型的主机，其电源电压为DC 24 V。

2）功能接地端子（仅AC电源型） 在有严重噪声干扰时，功能接地端子必须接地，它和保护接地端子可连在一起接地。

3）保护接地端子 为了防止触电，保护接地端子必须接地。

4）输入端子 输入端子用于连接输入设备，输入电压为DC 24 V。

5）输入LED 输入端子触点ON时，LED灯亮；输入端子触点0FF时，LED灯灭。

6）工作状态显示LED 主机面板的中部有4个工作状态显示LED，其作用如下。

POWER（绿）：电源的接通或断开指示，电源接通时亮，断开时灭。

RUN（绿）：工作状态指示，PLC处于运行或监控状态时亮，处于编程状态或运行异常时灭。

BATTV：内部电池电量指示灯。点亮时需更换电池，否则可能会造成程序丢失。

PROG-E/CPU-E（红）：程序错误或CPU错误指示，这两种显示共用一个LED。PLC出现错误时LED常亮，此时PLC停止工作且不执行程序，运行正常时LED灭。

7）输出LED 输出端子触点ON时，LED灯亮；输出端子触点OFF时，LED灯灭。

8）输出端子 输出端子用于连接输出电路，电压可为DC 24 V或AC 220 V，视负载而定。PLC的I/O点数不同，输入、输出端子数量也不同。

9）输出DC 24 V电源端子 DC 24 V电源端子 (仅AC电源型) 对外部提供DC 24 V电源 (电流200 mA)，可作为输入设备或现场传感器的电源。

10）外设端口 外设端口用于连接编程工具或RS-232、RS-422通信适配器，根据需要而定。

2. FX2N系列PLC的技术特点、技术指标

FX2N系列PLC有以下技术特点。

FX2N系列PLC采用一体化箱体结构，其基本单元将CPU、存储器、输入/输出接口及电源等都集成在一个模块内，结构紧凑，体积小巧，成本低，安装方便。

FX2N是FX系列中功能最强、运行速度最快的PLC。FX2N基本指令执行时间高达0.08μs，超过了许多大中型PLC。

FX2N的用户存储器容量可扩展到16KB，其I/O点数最大可扩展到256点。

FX2N有多种特殊功能模块，如模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、位置控制模块、RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板、模拟定时器扩展板等。

FX2N有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针。

FX2N有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器常数、数学运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID运算、开平方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、串行数据传送、校验码、比较触点等功能指令。

FX2N还有矩阵输入、10键输入、16键输入、数字开关、方向开关、7段显示器扫描显示等方便指令。

FX2N的技术指标包括一般技术指标、电源技术指标、输出技术指标和性能技术指标等。下面以表格的形式介绍，各项性能指标如表1-4～表1-6所示。

3. FX2N系列PLC的结构模块

目前，可编程序控制器的产品很多，不同厂家生产的PLC以及同一厂家生产的不同型号的PLC，其结构各不相同，但就其基本组成和基本工作原理而言，是大致相同的。它们都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持。实际上可编程序控制器就是一种新型的工业控制计算机。

PLC硬件系统的基本结构框图如图1-2所示。

在图1-2中，PLC的主机由微处理器(CPU)、存储器(EPROM、RAM)、输入/输出单元、外设I/O接口、通信接口及电源组成。对于整体式的PLC，这些部件都在同一个机壳内；而对于模块式结构的PLC，各部件独立封装，称为模块，各模块通过机架和电缆连接在一起。主机内的各个部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM写入器等。PLC可以配置通信模块与上位机及其他的PLC进行通信，构成PLC的分布式控制系统。

下面分别介绍PLC各组成部分及其作用，以便用户进一步了解PLC的控制原理和工作过程。

1）中央处理单元（CPU） PLC中所采用的CPU随机型不同而不同，通常有3种：通用微处理器 (如8086、80286、80386等)、单片机、位片式微处理器。小型PLC大多采用8位、16位微处理器或单片机作为CPU，如Z80 A、8031、M6800等，这些芯片具有价格低、通用性好等优点。对于中型的PLC，大多采用16位、32位微处理器或单片机作为CPU，如8086、96系列单片机，具有集成度高、运算速度快、可靠性高等优点。对于大型PLC，大多数采用高速位片芯片式微处理器，具有灵活性强、速度快、效率高等优点。

CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下有条不紊地协调工作，从而实现对现场各个设备的控制。CPU由微处理器和控制器组成，它可以实现逻辑运算和数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。

控制器的作用是控制整个微处理器的各个部件有条不紊地进行工作，它的基本功能就是从内存中读取指令和执行指令。

CPU的具体作用如下。

采集由现场输入装置送来的状态或数据，通过输入接口存入输入映像寄存器或数据寄存器中，用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）。

按用户程序存储器中存放的先后次序逐条读取指令，完成各种数据的运算、传递和存储等功能，进行编译解释后，按指令规定的任务完成各种运算和操作。

把各种运算结果向外界输出。

监测和诊断电源以及PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中出现的语法错误。

根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，响应各种外部设备（如编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

这里要说明的一点，一些专业生产PLC的品牌厂家均采用自己开发的CPU芯片。

2）存储器 可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器 (EPROM) 和用户存储器(RAM)。系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区。它包括输入、输出数据映像区，定时器/计数器预置数和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区。

PLC的存储器主要包括：

只读存储器（Read Only Memory，ROM）。

可编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM）。

可擦除可编程只读存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM）。

电可擦除可编程只读存储器（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，EEPROM）。

随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）。

3）输入/输出模块 PLC的控制对象是工业生产过程，实际生产过程中的信号电平是多种多样的，外部执行机构所需的电平也是各不相同的，而可编程序控制器的CPU所处理的信号只能是标准电平，这样就需要有相应的I/O模块作为CPU与工业生产现场的桥梁，进行信号电平的转换。目前，生产厂家已开发出各种型号的输入、输出模块供用户选择。且这些模块在设计时采取了光电隔离、滤波等抗干扰措施，提高了PLC的可靠性，对各种型号的输入、输出模块，可以把它们以不同形式进行归类。按照信号的种类归类，有直流信号输入/输出、交流信号输入/输出；按照信号的输入、输出形式分，有数字量输入/输出、开关量输入/输出及模拟量输入/输出。

下面通过开关量输入/输出模块来说明I/O模块与CPU的连接方式。

(1) 开关量输入模块：开关量输入设备是各种开关、按钮、传感器等，通常，PLC的输入类型可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。图1-3和图1-4所示分别为PLC的直流和交流输入接口电路的电路图，采用的是外接电源。

图1-3描述了一个输入点的接口电路。其输入电路的一次电路与二次电路用光耦合器相连，当行程开关闭合时，输入电路和一次电路接通，上面的发光管用于对外显示，同时光耦合器中的发光管使三极管导通，信号进入内部电路，此输入点对应的位由0变为1，即输入映像寄存器的对应位由0变为1。

图1-4所示为交流开关量输入模块原理图，与上述的直流开关量模块原理基本相同，在此不再赘述。

(2) 开关量输出模块：输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的、能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构动作。

通常开关量输出模块有三种形式，即继电器输出、晶体管输出和双向晶闸管输出。继电器输出可接直流或交流负载，晶体管输出属直流输出，只能接直流负载。当开关量输出的频率低于1000 Hz时，一般选用继电器输出模块；当开关量输出的频率大于1000 Hz时，一般选用晶体管输出；而双向晶闸管输出属交流输出。下面，着重介绍继电器输出模块的工作过程，其原理图如图1-5所示。输出信号经I/O总线由输出锁存器输出，驱动继电器线圈使继电器触点吸合，驱动外部负载工作。

从上面的分析可知，对于继电器输出型，CPU输出时接通或断开继电器的线圈，继电器的触点闭合或断开从而控制外电路的通断。PLC继电器输出电路形式允许负载一般是AC 250 V/50 V以下，负载电流可达2A，容量可达80～100VA (电压 ×电流)，因此，PLC的输出一般不宜直接驱动大电流负载 (一般通过一个小负载来驱动大负载，如PLC的输出可以接一个电流比较小的中间继电器，再由中间继电器触点驱动大负载，如接触器线圈等)。

PLC继电器输出电路的形式继电器触点的使用寿命也有限制 (一般数十万次左右，根据负载而定，如连接感性负载时的寿命要小于阻性负载)。此外，继电器输出的响应时间也比较慢 (10ms左右)，因此，在要求快速响应的场合不适合使用此种类型的电路输出形式。

当连接感性负载时，为了延长继电器触点的使用寿命，对于外接直流电源时的情况，通常应在负载两端加过电压抑制二极管（如图1-5中并在外接继电器线圈上的二极管）；对于交流负载，应在负载两端加RC抑制器。

晶体管输出原理图如图1-6所示，通过光电耦合使开关晶体管截止或饱和导通以控制外部电路。晶体管输出型电路的外接电源只能是直流电源，这是其应用局限性的一方面。另外，晶体管输出驱动能力要小于继电器输出，允许负载电压一般为DC 5～30 V，允许负载电流为0.2～0.5A。和继电器输出形式电路一样，在驱动感性负载时也要在负载两端反向并联二极管 (二极管的阴极接电源的正极) 防止过电压，保护PLC的输出电路。

晶闸管输出原理图如图1-7所示，采用光触发型双向晶闸管。双向晶闸管输出的驱动能力要比继电器输出的小，允许负载电压一般为AC 85～242 V，单点输出电流为0.2～0.5A，当多点共用公共端时，每点的输出电流应减小 (如单点驱动能力为0.3A的双向晶闸管输出，在4点共用公共端时，最大允许输出为0.8A/4点)。

为了保护晶闸管，通常在PLC内部电路晶闸管的两端并接RC阻容吸收元件（一般为0.015μF/22Ω左右）和压敏电阻，因此在晶闸管关断时，PLC的输出仍然有1～2mA的开路漏电流，这就可能导致一些小型继电器在PLC输出OFF时无法关断的情况。

4）编程器 编程器用于用户程序的编制、编辑、调试及监控、显示PLC的一些系统参数和内部状态，是开发、维护、设计PLC控制系统的必要工具。主机内存中的用户程序就是由编程器通过通信接口输入的。对于已设计、安装好的PLC控制系统，一般都不带编程器而直接运行。不同系列的PLC的编程器互不通用。

编程器一般具有下列5种功能。

编辑功能：实现用户程序的修改、插入、删除等。

编程功能：用户程序的全部清除、写入/读出、检索等。

监视功能：对I/O点通/断的监视，对内部线圈、计数器、定时器通/断状态的监视，以及跟踪程序运行过程等。

检查功能：对语法、输入步骤、I/O序号进行检查。

命令功能：向PLC发出运行、暂停等命令。

此外，编程器还具有与EPROM写入器、打印机、盒式录音机等外围设备通信的功能。编程器可分为简易编程器和图形编程器，以及通用计算机编程。

(1) 简易编程器：它可以直接与PLC的专用插座相连，或通过电缆与PLC相连，它与主机共用一个CPU，一般只能用助记符或功能指令代号编程。其优点是携带方便，价格便宜，多用于微型、小型PLC；缺点是因编程器与主机共用一个CPU，只能联机编程，对PLC的控制能力较小。

(2) 图形编程器：图形编程器有两种显示屏，一种是液晶显示 (LCD)，另一种是阴极射线管 (CRT) 显示。显示屏可以用来显示编程的情况，还可以显示I/O、各继电器的工作状况、信号状态和出错信息等。工作方式既可以是联机编程又可以是脱机编程；可以是梯形图编程，也可以用助记符指令编程，同时还可以与打印机、绘图仪等设备相连，并有较强的监控功能，但价格高，通常用于大中型PLC。

(3) 通用计算机编程：它采用通用计算机，通过硬件接口和专用软件包，使用户可以直接在计算机上以联机或脱机方式编程；可以运用梯形图编程，也可以用助记符指令编程，并有较强的监控能力。

4. FX2N系列PLC常用单元

1）主机单元 FX2N系列PLC的主机单元如表1-7所示。

2）扩展单元 FX2N系列PLC的扩展单元如表1-8所示。

3）扩展模块 基本扩展模块按地域远近可分为近程扩展方式和远程扩展方式两种。

在CPU主机上I/O点数不能满足需要时，或组合式PLC选用的模块较多，在主机上安装不开时，可通过扩展口进行近程扩展。

当有部分现场信号相对集中，而又与其他现场信号相距较远时，可采用远程扩展方式。在远程扩展方式下，远程I/O模块作为远程从站可安装在主机及其近程扩展机上，远程扩展机作为远程从站安装在现场。

远程主站用于远程从站与主机间的信息交换，每个远程控制系统中可以有多个远程主站，一个远程主站可以有多个远程扩展机从站，每个远程扩展机又可以带多个近程扩展机，但远程部分的扩展机数量有一定的限制。远程主站和从站 (远程扩展机) 之间利用双绞线连接，同一个主站下面的不同从站用双绞线并联在一起。远程扩展机与远程扩展机的近程扩展机之间的连接，与主机和近程扩展机之间的连接方式相同。

远程部分的每个扩展机上都有一个编号，远程扩展机的编号由用户在远程扩展机上设定，具体编号按不用型号的规定而设置。

FX2N系列PLC的扩展模块如表1-9所示，通过扩展，可以增加输入/输出点数，以弥补点数不足的问题。

4）特殊功能模块 特殊I/O功能模块作为智能模块，有自己的CPU、存储器和控制逻辑，与I/O接口电路及总线接口电路组成一个完整的微型计算机系统。一方面，它可以在自己的CPU和控制程序的控制下，通过I/O接口完成相应的输入/输出和控制功能；另一方面，它又通过总线接口与CPU进行数据交换，接收主CPU发来的命令和参数，并将执行结果和运行状态返回主CPU。这样，即实现了特殊I/O单元的独立运行，减轻了主CPU的负担，又实现了主CPU模块对整个系统的控制与协调，从而大幅度增强了系统的处理能力和运行速度。

下面简单介绍模拟量I/O模块、高速计数模块、位置控制模块、PID控制模块、温度传感器模块和通信模块等特殊的扩展模块。

(1) 模拟量I/O模块：模拟量输入模块将生产现场中连续变化的模拟量信号 (如温度、流量、压力)，通过变送器转换成DC 1～5V、DC 0～10V、DC 4～20mA、DC 0～10mA的标准电压或电流信号。

模拟量输入单元的作用是把此连续变化的电压、电流信号，转化成CPU能处理的若干位数字信号。模拟量输入电路一般由运放变换、模数转换 (A/D)、光电隔离等部分组成。A/D模块常有二到八路模拟量输入通道，输入信号可以是1～5V或4～20mA，有些产品输入信号可达0～10V，-20～+20mA。

模拟量输出模块的作用是把CPU处理后的若干位数字信号转换成相应的模拟量信号输出，以满足生产控制过程中需要连续信号的要求。

CPU的控制信号由输出锁存器经光电隔离/数模转换 (D/A) 和运放变换，变换成标准模拟量信号输出。模拟量电压输出为DC 1～5V或DC 0～10V；模拟量电流输出为4～20mA或0～10mA。

A/D、D/A模块的主要参数有分辨率、精度、转换速度、输入阻抗、输出阻抗、最大允许输入范围、模拟通道数、内部电流消耗等。

(2) 高速计数模块：高速计数模块用于脉冲或方波计数器、实时时钟、脉冲发生器、数字码盘等输出信号的检测和处理，用于快速变化过程中的测量或精确定位控制。高速计数单元常设计为智能型模板，在与主令启动信号连锁下，与PLC的CPU之间是互相独立的。它自行配置计数、控制、检测功能，占有独立的I/O地址，与CPU之间以I/O扫描方式进行信息交换。有的计数单元还具有脉冲控制信号输出，用于驱动或控制机械运动，使机械运动到达要求的位置。

高速计数模块的主要技术参数有计数脉冲频率、计数范围、计数方式、输入信号规格、独立计数器个数等。

(3) 位置控制模块：位置控制模块是用于位置控制的智能I/O模块，能改变被控点的位移、速度和位置，适用于步进电动机或脉冲输入的伺服电动机驱动器。

位置控制单元一般自身带有CPU、存储器I/O接口和总线接口。它一方面可以独立地进行脉冲输出，控制步进电动机或伺服电动机，带动被控对象运动；另一方面可以接收主机CPU发来的控制命令和控制参数，完成相应的控制要求，并将结果和状态信息返回给主机CPU。

位置控制模块提供的功能有：可以每个轴独立控制，也可以多轴同时控制；原点可分为机械原点和软原点，并提供了3种原点复位和停止方法；通过设定运动速度，方便地实现变速控制；采用线性插补和圆弧插补的方法，实现平滑控制；可实现试运行、单步、点动和连续等运行方式；采用数字控制方式输出脉冲，达到精密控制的要求。

位置控制模块的主要参数有：占用I/O点数、控制轴数、输出控制脉冲数、脉冲速率、脉冲速率变化、间隙补偿、定位点数、位置控制范围、最大速度、加/减速时间等。

(4) PID控制模块：PID控制模块多用于执行闭环控制的系统中，该模块自带CPU、存储器、模拟量I/O点，并有编程器接口。它既可以联机使用，也可以脱机使用。在不同的硬件结构和软件程序中，可实现多种控制功能：PID回路独立控制、两种操作方式 (数据设定、程序控制)、参数自整定、先行PID控制和开关控制、数字滤波、定标、提供PID参数供用户选择等。

PID控制模块的技术指标有：PID算法和参数、操作方式、PID回路数、控制速度等。

(5) 温度传感器模块：温度传感器模块实际为变送器和模拟量输入模块的组合，其输入为温度传感器的输出信号，通过模块内的变送器和A/D转换器，将温度值转换为BCD码传送给可编程控制器。温度传感器模块配置的传感器有热电偶和热电阻两种。

温度传感器模块的主要技术参数有输入点数、温度检测元件、测温范围、数据转化范围及误差、数据转化时间、温度控制模式、显示精度和控制周期等。

(6) 通信模块：上位链接模块用于PLC与计算机的互联和通信。PLC链接模块用于PLC和PLC之间的互联和通信。

远程I/O模块有主站模块和从站模块两类，分别装在主站PLC机架和从站PLC机架上，以实现主站PLC与从站PLC的远程互联和通信。通信模块的主要技术参数有数据通信的协议格式、通信接口传输距离、数据传输长度、数据传输速率、传输数据校验等。

常用特殊功能模块的型号及功能如表1-10所示