第2章 基于PLC的控制应用

可编程序逻辑控制器（简称PLC）主要是为现场控制而设计的，其人机界面主要是开关、按钮、指示灯等。其良好的适应性和可扩展能力已得到越来越广泛的应用。采用PLC的控制系统或装置具有可靠性高、易于控制、系统设计灵活、能模拟现场调试、编程使用简单、性价比高、有良好的抗干扰能力等特点。但是，PLC也有不易显示各种实时图表/曲线（趋势线）和汉字、无良好的用户界面、不便于监控等缺陷。

20世纪90年代后，许多的PLC都配有计算机通信接口，通过总线将一台或多台PLC相连接。计算机作为上位机可以提供良好的人机界面，进行系统的监控和管理，进行程序编制、参数设定和修改、数据采集等，既能保证系统性能，又能使系统操作简便，便于生产过程的有效监督。而PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制。用一台计算机（上位机）去监控下位机（PLC），这就要求PC与PLC之间稳定、可靠的数据通信。

2.1 系统设计说明

2.1.1 设计任务

分别利用STEP 7 Micro/WIN编程软件、SWOPC-FXGP/WIN-C编程软件编写程序实现三菱FX2N-32MR PLC、西门子S7-200 PLC数据采集与控制；分别利用LabVIEW和LabWindows/CVI编写程序实现PC与PLC自动化控制。任务要求如下。

1.模拟电压输入

PLC检测变化的模拟电压（范围：0～5V）；PC接收PLC发送的电压值，转换成十进制形式，以数字、曲线的方式显示。

2.模拟电压输出

在PC程序界面中输入一个数值（范围：0～10），线路中PLC模拟量输出口输出同样大小的电压值（0～10V）。

3.数字量输入

利用按钮、行程开关、继电器开关改变PLC某个输入端口的状态（打开/关闭），PC程序读取该端口的输入状态（1或0），并在程序中显示。

4.数字量输出

在PC程序界面中指定元件地址，单击置位/复位（或打开/关闭）命令按钮，置指定地址的元件端口（继电器）状态为ON或OFF，使线路中PLC指示灯亮/灭。

PLC与PC通信，在程序设计上涉及两个部分的内容：一是PLC端数据采集、控制和通信程序；二是PC通信和功能程序。

2.1.2 硬件系统

1.线路连接

1）三菱FX2NPLC数据采集与控制线路连接

三菱FX2N-32MR可以通过自身的编程口和PC通信，也可以通过通信口和PC通信。通过编程口，PC只能和一台PLC通信，实现对PLC中软元件的间接访问（每个软元件具有唯一的地址映射）；通过通信口，一台PC可以和多台PLC通信，并实现对PLC中软元件的直接访问，两者使用不同的通信协议。PC通过FX2N的编程口构成的数据采集与控制系统如图2-1所示。图2-1中FX2N-4AD模块的ID号为0。

模拟电压输入：将模拟量输入模块FX2N-4AD与PLC主机相连。在模拟量输入1通道V+与VI-之间接输入电压0～10V。

模拟电压输出：将模拟量输出模块FX2N-4DA与PLC主机相连（同FX2N-4AD模拟量输入模块与主机的连接方法一样，图2-1未画出）。

开关（数字）量输入：按钮、行程开关等的常开触点接PLC开关量输入端点（X0，X1，…，X17与COM端点之间接开关）。

开关（数字）量输出：不需连线，直接使用PLC提供的输出信号指示灯。也可外接指示灯或继电器等装置来显示开关输出状态。

2）西门子S7-200 PLC数据采集与控制线路连接

西门子S7-200PLC系统为用户提供了灵活的通信功能。集成在S7-200中的点对点接口（PPI）可用普通的双绞线做波特率高达9600b/s的数据通信，用RS-485接口实现的高速用户可编程接口，可使用专用位通信协议（如ASCII）做波特率高达38.4kb/s的高速通信并可按步调整。而PC的接口为RS-232，两者之间需要进行电平转换。

利用西门子公司的PC/PPI电缆，可将S7-200 PLC与计算机连接起来组成PC/PPI网络，实现点对点通信，如图2-2所示。

模拟电压输入：将模拟量扩展模块EM235与PLC主机相连。模拟电压从CH1（A+和A-）输入。为避免共模电压，须将主机M端、扩展模块M端和所有信号负端连接，未接输入信号的通道要短接。在DIP开关设置中，将开关SW1和SW6设为ON，其他设为OFF，表示电压单极性输入，范围是0～5V。

模拟电压输出：将模拟量扩展模块EM235与PLC主机相连。模拟电压从M0和V0输出（0～10V）。不需连线，直接用万用表测量输出电压。

开关（数字）量输入：将1M，2M，3M端点连接起来；在L+端点与各个输入端点I0.0、I0.1，…，I1.3之间接开关，打开或闭合开关输入0或1信号。

开关（数字）量输出：不需连线，直接使用PLC提供的输出信号指示灯，也可外接指示灯或继电器等装置来显示开关输出状态。

2.三菱FX2N-4AD四通道A/D转换模块简介

三菱FX2N-4AD可将外部输入的4点（通道）模拟量（模拟电压或电流）转换为PLC内部处理需要的数字量。FX2N-4AD的模拟量输入可以是双极性的，转换结果为12位带符号的数字量。

1）性能规格

三菱FX2N-4AD四通道A/D转换模块的主要性能参数如表2-1所示。

表2-1 三菱FX2N-4AD主要性能表

2）模块连接

三菱FX2N-4AD模块通过扩展电缆与PLC基本单元或扩展单元相连接，通过PLC内部总线传送数字量并且需要外部提供DC24V电源输入。

外部模拟量输入以及DC24V电源与模块间的连接要求如图2-3所示。

3）输出特性

三菱FX2N-4AD模块的输出特性如图2-4所示，4通道的输出特性可以不同。

模块的最大转换位数为12位，首位为符号位，对应的数字量输出范围为-2048～2047。同样，为了计算方便，通常情况下将最大模拟量输入（DC10V或20mA）所对应的数字量输出设定为2000（DC10V）或1000（20mA）。

4）编程与控制

三菱FX2N-4AD模块只需要通过PLC的TO指令（FNC79）写入转换控制指令，利用FROM指令（FNC78）读入转换结果即可。

FX2N-4AD常用的参数如下。

（1）转换结果

转换结果数据在模块缓冲存储器（BFM）中的存储地址如下：

BFM#5：通道1的转换结果数据（采样平均值）。

BFM#6：通道2的转换结果数据（采样平均值）。

BFM#7：通道3的转换结果数据（采样平均值）。

BFM#8：通道4的转换结果数据（采样平均值）。

BFM#9～#12：依次为通道1～4转换结果数据（当前采样值）。

（2）控制信号

A/D转换的控制信号在模块缓冲存储器（BFM）中的定义如下。

BFM#0：通道选择与控制字。有如下4种选择：

“0”：通道模拟量输入为-10～10V直流电压；

“1”：通道模拟量输入为+4～+20mA直流电流；

“2”：通道模拟量输入为-20～+20mA直流电流；

“3”：通道关闭。

BFM#1～#4：分别为通道1～4的采样次数设定。

BFM#15：通道采样速度设定。

“0”：15ms/通道；

“1”：6ms/通道。

BFM#20：通道控制数据初始化。

“0”：正常设定；

“1”：恢复出厂默认数据。

BFM#21：通道调整允许设定。

“01”：允许改变参数调整增益、偏移量的设定；

“10”：禁止调整增益、偏移量。

（3）模块工作状态输出

FX2N-4AD可以通过读出内部参数检查模块的工作状态。A/D工作状态信号在模块缓冲存储器（BFM）中的定义如下。

BFM#29：模块工作状态信息。以二进制位的状态表示，具体如下：

bit0：“1”为模块存在报警，报警原因由BFM#29bitl～bit3显示（BFM#29bitl～bit3任何一位为“1”，本位总是为“1”）；“0”为模块正常工作。

bit1：“1”为模块偏移/增益调整错误；“0”为模块偏移/增益调整正确。

bit2：“1”为模块输入电源错误；“0”为模块电源正常。

bit3：“1”为模块硬件不良；“0”为模块硬件正常。

bit10：“1”为数字量超过允许范围；“0”为数字量输出正常。

bit11；“1”为采样次数超过允许范围；“0”为采样次数设定正常。

bit12：“1”为增益、偏移量的调整被参数禁止；“0”为增益、偏移量的调整允许。

BFM#30：模块ID号。FX2N-4AD模块的ID号为2010。

BFM#23：偏移调整。

BFM#24：增益调整。

5）注意事项

（1）三菱FX2N-4AD通过双绞线屏蔽电缆来连接。电缆应远离电源线或其他可能产生电气干扰的电线。

（2）如果输入有电压波动，或在外部接线中有电气干扰，可以在Vin和COM之间接一个平滑电容器（0.1～0.470F/25V）。

（3）如果使用电流输入，则必须连接V+和I-端子。

（4）如果存在过多的电气干扰，需将电缆屏蔽层与FG端连接，并连接到FX2N-4AD的接地端。

（5）连接FX2N-4AD的接地端与主单元的接地端。可行的话，在主单元使用3级接地。

3.三菱FX2N-4DA四通道D/A转换模块简介

FX2N-4DA的作用是将PLC内部的数字量转换为外部控制作用的模拟量（模拟电压或电流）输出，可以进行转换的通道数为4通道。

1）性能规格

FX2N-4DA模块的主要性能参数如表2-2所示

表2-2 FX2N-4DA主要性能表

2）模块连接

FX2N-4DA模块通过扩展电缆与PLC基本单元或扩展单元相连接，通过PLC内部总线传送数字量，模块需要外加DC 24V电源。

模块模拟量输出、DC 24V电源与外部的连接要求及内部接口原理如图2-5所示。

3）输出特性

FX2N-4DA模块的输出特性如图2-6所示。

模块的最大D/A转换位为16位，但实际有效的位数为12位，且首位（第12位）为符号位，因此，对应的最大数字量仍然为2047。同样，为了计算方便，在电压输出时，通常将最大模拟量输出DC10V时所对应的数字量设定为2000；电流输出时，通常将最大模拟量输出20mA时所对应的数字量设定为1000。

4）编程与控制

FX2N-4DA模块只需要通过PLC的TO指令（FNC79）进行转换的控制，FROM指令（FNC78）进行结果数字量的读入即可。

FX2N-4DA通常使用的参数如下。

（1）转换数据输入

D/A转换的数字量值在模块缓冲存储器（BFM）中的存储地址如下：

BFM#1～#4：通道1～4的转换数据。

（2）控制信号

D/A转换的控制信号在模块缓冲存储器（BFM）中的定义如下：

BFM#0：通道选择与转换启动控制字。

设定H×××4位十六进制代码，低位为通道1，以后依次为通道2、通道3、通道4。“×”中对应的设定如下：

“0”：通道模拟量输出为-10～10V直流电压；

“1”：通道模拟量输出为+4～+20mA直流电流；

“2”：通道模拟量输出为0～+20mA直流电流。

以后依次为通道2、通道3、通道4。

BFM#5：数据保持模式控制设定。

设定H×××4位十六进制代码，低位为通道1，以后依次为通道2、通道3、通道4。“×”中对应的设定如下：

“0”：转换数据在PLC停止运行时，仍然保持不变；

“1”：转换数据复位，成为偏移设置值。

BFM#8～#9：偏移/增益设定指令。

BFM#10～#17：通道偏移/增益设定值。

BFM#20：偏移/增益初始化设定。设定“0”为正常设定，“1”为恢复出厂默认数据。

BFM#21：通道调整允许设定。设定“01”为允许改变参数调整增益、偏移量的设定，“10”为禁止调整增益、偏移量。

（3）模块工作状态输出

FX2N-4DA可以通过读出内部参数，检查模块的工作状态。D/A工作状态信号在模块缓冲存储器（BFM）中的定义如下。

BFM#29：模块工作状态信息。以二进制位的状态表示，具体如下：

bit0：“1”为模块存在报警，报警原因由BFM#29bitl～bit3显示（BFM#29bitl～bit3的任何一位为“1”，本位总是为“1”）；“0”为模块正常工作。

bit1：“1”为模块偏移/增益调整错误；“0”为调整正确。

bit2：“1”为模块输入电源错误；“0”为模块电源正常。

bit3：“1”为模块硬件不良；“0”为模块硬件正常工作。

bit10：“1”为数字量超过允许范围；“0”为数字量输入正常。

bit11：“1”为采样次数超过允许范围；“0”为采样次数设定正常。

bit12：“1”为增益、偏移量的调整被参数禁止；“0”为增益、偏移量的调整允许。

BFM#30：模块ID号。FX2N-4DA模块的ID号为3020。

4.西门子S7-200系列PLC的模拟量扩展模块

在工业控制中，某些输入量（如压力、温度、流量、转速等）是模拟量，某些执行机构（如电动调节阀和变频器等）要求PIC输出模拟量信号，而PLC的CPU只能处理数字量。模拟量首先被传感器和变送器转换为标准量程的电流或电压，如4～20mA，1～5V，0～10V，PLC用A/D转换器将它们转换成数字量。带正负号的电流或电压在A/D转换后用二进制补码表示。

D/A转换器将PLC中的数字量转换为模拟量电压或电流，再去控制执行机构。模拟量I/O模块的主要任务就是实现A/D转换（模拟量输入）和D/A转换（模拟量输出）。

A/D转换器和D/A转换器的二进制位数反映了它们的分辨率，位数越多，分辨率越高。模拟量输入/输出模块的另一个重要指标是转换时间。

模拟量输入模块有多种量程，可以用模块上的DIP开关来设置。开关的设置应用于整个模块，一个模块只能设置为一种测量范围，开关设置只有在重新上电后才能生效。

EM 231模拟量输入模块有5挡量程（DC 0～10V、0～5V、0～20mA、±2.5V和±5V）。模拟量输出模块EM232的量程有±10V和0～20mA两种，对应的数字量分别为-32000～+32000和0～32000。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位。EM 235模块的输入信号有16挡量程。

模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性全量程输入范围对应的数字量输出为0～32000。双极性全量程输入范围对应的数字量输出为-32000～+32000。电压输入时输入阻抗不小于10M1，电流输入时输入电阻为2502。A/D转换时间小于2502s，模拟量输入的阶跃响应时间为1.5ms（达到稳态值的95％时）。

模拟量转换为数字量的12位读数是左对齐的。最高有效位是符号位，0表示正值，1表示负值。在单极性格式中，最低位是3个连续的0，相当于A/D转换值被乘以8；在双极性格式中，最低位是4个连续的0，相当于A/D转换值被乘以16。

模拟量输出数据字是左对齐的，最高有效位是符号位，0表示正值。最低位是4个连续的0。在将数据字装载到DAC寄存器之前，低位的4个0被截断，不会影响输出信号值。

每个模拟量扩展模块的寻址按扩展模块的先后顺序进行排序，其中，模拟量根据输入、输出的不同分别排序。模拟量的数据格式为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始，精度为12位，模拟量值为0～32000的数值。

输入格式: AIW[起始字节地址]；

输出格式: AQW[起始字节地址]。

每个模拟量输入模块，按模块的先后顺序地址是固定的，顺序向后排。例如：AIW0，AIW2，AIW4…。

每个模拟量输出模块占两个通道，即使第一个模块只有一个输出AQW0（EM235只有一个模拟量输出），第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，以此类推。

EM235是最常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。EM235模拟量扩展模块的接线方法，对于电压信号，按正、负极直接接入X＋和X－；对于电流信号，将RX和X＋短接后接入电流输入信号的“＋”端；未连接输入信号的通道要将X＋和X－短接。