三菱FX系列PLC设计与开发原理及实践应用研究

周兆松

摘   要：PLC可编程控制器在工业生产中应用广泛，是实现控制过程自动化运行的关键技术之一。本文将以三菱FX系列产品为研究对象，探讨水箱系统的PLC控制设计方案，深入分析其系统开发原理，并对系统的实践应用进行研究，以期为相关设计活动提供参考，优化产品功能性能。

关键词：三菱FX系列  PLC设计  开发原理  实践应用

中图分类号：TP273                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0075-02

在PLC控制系统的设计过程中，需要根据不同工况，明确控制参数，并确保控制精度符合要求。三菱FX系列PLC控制器具有较好的可扩展性，而且结构简单，易于维护，是工业领域常用的PLC控制器产品。对其系统设计、开发原理和实践应用进行分析，可以促进PLC控制技术的应用推广，提高产品设计水平。

1  三菱FX系列PLC控制設计方案

1.1 PLC控制器选择

PLC控制技术即采用可编程逻辑控制器，对工业生产过程中的主要参数进行控制，确保其按照一定规律变化，从而保证生产过程的正常进行。以PLC控制技术在水箱系统控制方面的应用为例，主要控制参数包括水箱系统压力、流量、液位等，在人机操作界面下实现对各项参数的实施控制。由系统自动采集数据，经过A/D转换后，进行PID处理，在经过D/A转换，实现对电机转速的控制，确保整个系统运行的稳定性。本次系统设计采用三菱FX系列核心控制器，利用三菱FX2N实现A/D转换和D/A转换。数据转换模块具有四个输入通道和四个输出通道，CPU能够处理二进制模拟量值，然后通过转换模块将其转变为数字信号[1]。

1.2 软件系统设计

本次设计的PLC控制对象为水箱系统，主要采用压力、流量传感器等，构建不同的数据采集回路，然后通过软件编程方式，实现对系统运行参数的自动化控制。在PLC控制系统设计过程中，主要采用GX Works软件完成FX程序编程，并采用GT Designer3完成人机操作界面编辑。系统中的监控功能模块可以对压力和液位等数据变化量进行采集，并分析其变化趋势。此外还具有PID参数调节和报警记录等功能。在水箱PLC自动控制系统的应用下，数据采集与自动控制功能能够根据预先设定的参数值，调节水箱系统运行状态，比如在液位过低时自动停止加热，防止因水箱干烧而引发事故。

1.3 PID指令和参数设计

PID控制器主要根据设定参数和实际运行参数的差值，通过进行积分和微分计算，利用不同组合的控制器，实现不同的控制功能。PID控制器本身属于线性负反馈类型的控制器，其控制指令需要经过A/D转换，将模拟量的测定值转变为数字量，从而利用PLC控制系统进行处理。在运行过程中，PID指令设定值和控制参数群需要在指令执行前输入到存储器中，该过程由指令初始化程序完成。完成PID运算后，将结果存储到MV寄存器中。若要进行模拟量输出，则经过D/A转换后传输到执行器中。在PID调节过程中，I和D的初始设定值为0，对P值进行改变，如果P值较小，控制参数达到设定值需要较长时间，如果P值过大，则会出现震荡现象。通过合理设计参数值，使系统保持稳定运行状态[2]。

2  三菱FX系列PLC控制系统开发原理

2.1 系统运行原理

从水箱控制系统的运行特点来看，在供水过程中需要采用两台水泵工作，单泵能够承担设计流量需求，双泵同时运行满足用水高峰期的流量需求。主要依靠PLC控制系统控制两台水泵的分工配合。具体包括手动运行、自动运行、自动备用、停止运行四种工作状态，由四位万能转换开关控制其状态切换。在手动运行状态下，由人工现场控制水泵启停，主要应用于水泵安装和运行检修过程中。在水位信号采集方面，设置有公共水位、高、低水位和过低水位几种控制信号，水泵在自动运行状态下，水位应保持在高、低水位之间，处于低水位时自动抽水，达到高水位后关闭。当水泵处于自动备用状态时，工作状态则在过低水位到高水位之间，在用水高峰期，如果一台水泵不能满足供水需求，则启动备用水泵运行，备用水泵水位处于过低水位时自动启动抽水，到达高水位后停止。停止状态运行则是在紧急情况下或系统检修期间使用。主电路中的低压断路器可作为短路保护和紧急开关。主电路中的交流接触器串接热继电器，为电机提供过载保护。此外还需要设置信号装置，每个机组设置一组信号灯，显示水泵运行状态。

2.2 信号控制原理

在上述系统运行模式下，分别在水箱中设置四个水位电极，对应于公共水位、高、低水位和过低水位。其中公共水位电极与PLC控制系统的COM点连接，其他三个水位电极分别与一个PLC控制信号输入点连接。完成电极布设和PLC连接后，需要根据水位电极回路通断和水位变化趋势，实现控制决策功能。比如实际水位处于高低水位之间时，仅仅依靠水位电极的采集信号无法判断水泵运行状态，如果此时水位下降，水泵应处于停机状态。因此在PLC控制系统设计过程中，要解决水位信号识别问题，确保PLC控制决策的准确性。两台水泵的默认工作状态为一用一备，工作水泵是在低水位时启动，备用水泵则是在过低水位时启动，两者均在达到高水位后停止运行，需要在准确识别三种运行状态的同时，考虑运行状态的保持问题。

3  三菱FX系列PCL控制系统实践应用

3.1 主电路设计

在三菱FX系列PLC控制系统的应用过程中，实现要实现主电路设计。根据上述系统控制方案，在主电路设计过程中，以两台水泵电机作为控制对象，分别为M1和M2。采用低压断路器作为系统总电源开关，同时具有短路保护功能。采用两个交流接触器作为自动控制信号执行设备，分别为KM1和KM2，主要对电源通断进行控制。此外，需要设置两个热继电器，为水泵电机提供过载保护，分别为FR1和FR2。主电路中的三维转换开关为SA1，通过与信号灯组合，在低压断路器前对电源状态进行监视，具有故障排除和缺项检查功能。

3.2 I/O接线设计

在该控制系统中，需要使用15个输入PLC地址，6个输出PLC地址，共计21个接线点，可采用FX2N-23M型控制器，满足实际控制需求。在I/O接线设计方面，主要根据控制方案和地址分配需求进行I/O接线设计，其中，PLC控制电源设计为AC220V，由单极低压断路器引入。在系统输入端，除了要接入控制信号和水位信号外，还要接入主电路过载保护热继电器，从而在保护动作时终端PLC程序运行。

3.3 控制程序设计

在系统控制运行过程中，首先要设计程序实现对水泵的手动启动和停止，将手动控制信号转变为长信号，存储在内部辅助继电器中，然后串接高水位输入点的动断触点，实现手动启动。当竖向水位达到高水位后，即使操作人员未及时停止，PLC控制系统也会自动停止水泵运行，避免出现满溢事故。其次，通过设计手动控制信号的转换程序，支持工作水泵与备用水泵之间的控制信号转换。在水泵自动运行和自动备用运行时，可由万能转换开关控制其信号中断，从而控制水泵运行状态。

4  结语

综上所述，三菱FX系列PLC控制器在实际工业领域中的应用，可以较为容易地实现系统自动控制功能，支持信号采集和智能控制等操作，同时支持手动控制与自动控制的自由切换。在其应用过程中，通过合理设计控制方案、主电路和控制程序，可以确保控制功能的完整实现。在系统运行过程中，可以确保参数传递和参数控制的准确性，从而为系统运行稳定性提供保障。

参考文献

[1] 张潮，郭京波，陈晓阳.基于三菱FX3U系列PLC的盾構电气控制系统设计[J].电工电气，2018（12）：17-20，26.

[2] 程院莲，周华.基于三菱FX5U系列PLC的工作台运动控制系统设计[J].机电工程技术，2017，46（4）：18-22.