三菱FX系列PLC設計與開發原理及實踐應用研究

周兆松

摘 ? 要：PLC可編程控制器在工業生產中應用廣泛，是實現控制過程自動化運行的關鍵技術之一。本文將以三菱FX系列產品為研究對象，探討水箱系統的PLC控制設計方案，深入分析其系統開發原理，并對系統的實踐應用進行研究，以期為相關設計活動提供參考，優化產品功能性能。

關鍵詞：三菱FX系列 ?PLC設計 ?開發原理 ?實踐應用

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0075-02

在PLC控制系統的設計過程中，需要根據不同工況，明確控制參數，并確保控制精度符合要求。三菱FX系列PLC控制器具有較好的可擴展性，而且結構簡單，易于維護，是工業領域常用的PLC控制器產品。對其系統設計、開發原理和實踐應用進行分析，可以促進PLC控制技術的應用推廣，提高產品設計水平。

1 ?三菱FX系列PLC控制設計方案

1.1 PLC控制器選擇

PLC控制技術即采用可編程邏輯控制器，對工業生產過程中的主要參數進行控制，確保其按照一定規律變化，從而保證生產過程的正常進行。以PLC控制技術在水箱系統控制方面的應用為例，主要控制參數包括水箱系統壓力、流量、液位等，在人機操作界面下實現對各項參數的實施控制。由系統自動采集數據，經過A/D轉換后，進行PID處理，在經過D/A轉換，實現對電機轉速的控制，確保整個系統運行的穩定性。本次系統設計采用三菱FX系列核心控制器，利用三菱FX2N實現A/D轉換和D/A轉換。數據轉換模塊具有四個輸入通道和四個輸出通道，CPU能夠處理二進制模擬量值，然后通過轉換模塊將其轉變為數字信號[1]。

1.2 軟件系統設計

本次設計的PLC控制對象為水箱系統，主要采用壓力、流量傳感器等，構建不同的數據采集回路，然后通過軟件編程方式，實現對系統運行參數的自動化控制。在PLC控制系統設計過程中，主要采用GX Works軟件完成FX程序編程，并采用GT Designer3完成人機操作界面編輯。系統中的監控功能模塊可以對壓力和液位等數據變化量進行采集，并分析其變化趨勢。此外還具有PID參數調節和報警記錄等功能。在水箱PLC自動控制系統的應用下，數據采集與自動控制功能能夠根據預先設定的參數值，調節水箱系統運行狀態，比如在液位過低時自動停止加熱，防止因水箱干燒而引發事故。

1.3 PID指令和參數設計

PID控制器主要根據設定參數和實際運行參數的差值，通過進行積分和微分計算，利用不同組合的控制器，實現不同的控制功能。PID控制器本身屬于線性負反饋類型的控制器，其控制指令需要經過A/D轉換，將模擬量的測定值轉變為數字量，從而利用PLC控制系統進行處理。在運行過程中，PID指令設定值和控制參數群需要在指令執行前輸入到存儲器中，該過程由指令初始化程序完成。完成PID運算后，將結果存儲到MV寄存器中。若要進行模擬量輸出，則經過D/A轉換后傳輸到執行器中。在PID調節過程中，I和D的初始設定值為0，對P值進行改變，如果P值較小，控制參數達到設定值需要較長時間，如果P值過大，則會出現震蕩現象。通過合理設計參數值，使系統保持穩定運行狀態[2]。

2 ?三菱FX系列PLC控制系統開發原理

2.1 系統運行原理

從水箱控制系統的運行特點來看，在供水過程中需要采用兩臺水泵工作，單泵能夠承擔設計流量需求，雙泵同時運行滿足用水高峰期的流量需求。主要依靠PLC控制系統控制兩臺水泵的分工配合。具體包括手動運行、自動運行、自動備用、停止運行四種工作狀態，由四位萬能轉換開關控制其狀態切換。在手動運行狀態下，由人工現場控制水泵啟停，主要應用于水泵安裝和運行檢修過程中。在水位信號采集方面，設置有公共水位、高、低水位和過低水位幾種控制信號，水泵在自動運行狀態下，水位應保持在高、低水位之間，處于低水位時自動抽水，達到高水位后關閉。當水泵處于自動備用狀態時，工作狀態則在過低水位到高水位之間，在用水高峰期，如果一臺水泵不能滿足供水需求，則啟動備用水泵運行，備用水泵水位處于過低水位時自動啟動抽水，到達高水位后停止。停止狀態運行則是在緊急情況下或系統檢修期間使用。主電路中的低壓斷路器可作為短路保護和緊急開關。主電路中的交流接觸器串接熱繼電器，為電機提供過載保護。此外還需要設置信號裝置，每個機組設置一組信號燈，顯示水泵運行狀態。

2.2 信號控制原理

在上述系統運行模式下，分別在水箱中設置四個水位電極，對應于公共水位、高、低水位和過低水位。其中公共水位電極與PLC控制系統的COM點連接，其他三個水位電極分別與一個PLC控制信號輸入點連接。完成電極布設和PLC連接后，需要根據水位電極回路通斷和水位變化趨勢，實現控制決策功能。比如實際水位處于高低水位之間時，僅僅依靠水位電極的采集信號無法判斷水泵運行狀態，如果此時水位下降，水泵應處于停機狀態。因此在PLC控制系統設計過程中，要解決水位信號識別問題，確保PLC控制決策的準確性。兩臺水泵的默認工作狀態為一用一備，工作水泵是在低水位時啟動，備用水泵則是在過低水位時啟動，兩者均在達到高水位后停止運行，需要在準確識別三種運行狀態的同時，考慮運行狀態的保持問題。

3 ?三菱FX系列PCL控制系統實踐應用

3.1 主電路設計

在三菱FX系列PLC控制系統的應用過程中，實現要實現主電路設計。根據上述系統控制方案，在主電路設計過程中，以兩臺水泵電機作為控制對象，分別為M1和M2。采用低壓斷路器作為系統總電源開關，同時具有短路保護功能。采用兩個交流接觸器作為自動控制信號執行設備，分別為KM1和KM2，主要對電源通斷進行控制。此外，需要設置兩個熱繼電器，為水泵電機提供過載保護，分別為FR1和FR2。主電路中的三維轉換開關為SA1，通過與信號燈組合，在低壓斷路器前對電源狀態進行監視，具有故障排除和缺項檢查功能。

3.2 I/O接線設計

在該控制系統中，需要使用15個輸入PLC地址，6個輸出PLC地址，共計21個接線點，可采用FX2N-23M型控制器，滿足實際控制需求。在I/O接線設計方面，主要根據控制方案和地址分配需求進行I/O接線設計，其中，PLC控制電源設計為AC220V，由單極低壓斷路器引入。在系統輸入端，除了要接入控制信號和水位信號外，還要接入主電路過載保護熱繼電器，從而在保護動作時終端PLC程序運行。

3.3 控制程序設計

在系統控制運行過程中，首先要設計程序實現對水泵的手動啟動和停止，將手動控制信號轉變為長信號，存儲在內部輔助繼電器中，然后串接高水位輸入點的動斷觸點，實現手動啟動。當豎向水位達到高水位后，即使操作人員未及時停止，PLC控制系統也會自動停止水泵運行，避免出現滿溢事故。其次，通過設計手動控制信號的轉換程序，支持工作水泵與備用水泵之間的控制信號轉換。在水泵自動運行和自動備用運行時，可由萬能轉換開關控制其信號中斷，從而控制水泵運行狀態。

4 ?結語

綜上所述，三菱FX系列PLC控制器在實際工業領域中的應用，可以較為容易地實現系統自動控制功能，支持信號采集和智能控制等操作，同時支持手動控制與自動控制的自由切換。在其應用過程中，通過合理設計控制方案、主電路和控制程序，可以確?？刂乒δ艿耐暾麑崿F。在系統運行過程中，可以確保參數傳遞和參數控制的準確性，從而為系統運行穩定性提供保障。

參考文獻

[1] 張潮，郭京波，陳曉陽.基于三菱FX3U系列PLC的盾構電氣控制系統設計[J].電工電氣，2018（12）：17-20，26.

[2] 程院蓮，周華.基于三菱FX5U系列PLC的工作臺運動控制系統設計[J].機電工程技術，2017，46（4）：18-22.