基于欧姆龙NJ系列PLC系统研究

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(1.欧姆龙自动化(中国)有限公司天津分公司，辽宁 沈阳 110003；2.沈阳电气传动研究所(有限公司)，辽宁 沈阳 110141)

基于欧姆龙NJ系列PLC系统研究

苏振杨1，杨韵勍2

(1.欧姆龙自动化(中国)有限公司天津分公司，辽宁 沈阳 110003；2.沈阳电气传动研究所(有限公司)，辽宁 沈阳 110141)

机器自动化控制器NJ 系列是下一代的控制器，兼具机械控制所需的功能和高速性能以及作为工业用控制器的安全性、可靠性和维护性。

欧姆龙；机器自动化控制器NJ；PLC；

1 引言

众所周知，PLC以自身高可靠性、编程简单、接线简单，体积小等优势一直被广大用户所喜爱。但是基于系统可靠性考虑，目前PLC并不像计算机那样总是采用最先进的芯片。大部分仍保持为单片机水平，一般不超过0.1GHz，这样限制了PLC的自身能力。针对目前PLC存在的问题，欧姆龙从硬件和软件进行全新架构设计，2011年推出了机器自动化控制器NJ系列，CPU搭载Intel®AtomTM处理器，工作频率达到1.66GHz。并且NJ系列控制器同时向客户提供了两种统一开放的工业以太网：信息通信EtherNet/IP网络、设备控制EtherCAT网络，可以实现机器内部的控制网络和机器与工厂之间的网络的无缝连接。本文主要对NJ的系统配置及软件编程进行概述。

2 NJ的硬件系统

NJ系列的基本构成如图1所示，包括EtherCAT网络构成、CJ单元构成及支持软件。

EtherCAT网络构成：使用内置EtherCAT端口，可连接数字I/O、模拟I/O 、温度输入等通用从站及服务/编码器输入从站。通过使用该构成，可实现固定周期且波动较少的高精度的时序控制和运动控制。

CJ 单元构成：除EtherCAT网络以外，还可安装欧姆龙CJ系列单元(基本I/O单元、高功能单元)，CPU机架最多可以安装10个CJ系列单元。除装有CPU单元的CPU机架以外，还可使用扩展机架增设CJ系列单元，最多可以扩展3个扩展机架，并且每个机架同样可以扩展10个CJ系列单元。NJ控制器通过安装CJ系列单元，本地可以达到2560点I/O控制。注：由于NJ系列产品内置运动控制功能，所以不能安装CJ系列运动控制模块。

软件通信：通过市售USB电缆可直接连接CPU单元的外接USB端口。或通过Ethernet电缆连接至CPU单元内置的EtherNet/IP端口。

3 NJ的软件系统

欧姆龙NJ系列产品使用自动化软件Sysmac Studio进行系统配置及编程。Sysmac Studio是通过一个软件涵盖控制器、周边设备及EtherCAT的设备的整合开发环境。向不同的设备提供统一的操作性。支持从设计到调试、模拟、启动、开始运行后的变更等所有工序。

图1

(1)Sysmac Studio依照国际标准IEC61131-3的编程语言标准：配备依照IEC61131-3 的语言标准。部分内容进行了欧姆龙特有的改动。备有依照了PLCopen的运动控制指令和依照了IEC 标准的各种指令组(POU)。POU(Program Organization Unit)是IEC61131-3中规定的用户程序模型，它是建立一个用户程序的基本单位。一个POU有局部变量表和算法(比如一连串的代码或者逻辑)构成。一般一个用户程序会由多个POU组成。POU的组件有以下三种类型。

Programs程序：相当于主程序，可在算法中记述所有指令、FUN和FB。分配给某个任务，启动任务后。程序始终执行；

Function Block(FB)功能块：如果输入值相同，也可输出不同值的元素。可被程序或者其他FB调用，如图2所示。

图2

Function(FUN)功能：即使输入值相同，则可始终输出等值的元素。可被程序，FB和FUN调用，如图3所示。

图3

(2)支持多任务：可为多个任务分配I/O 刷新和执行用户程序等一系列处理，分别指定执行条件和执行顺序，通过对其进行组合，根据应用程序灵活控制。任务根据执行条件和执行优先度分为以下3 种，如表1所示。

表1

主要周期任务和固定周期任务均在固定周期内执行。在固定周期内执行主要任务和固定周期任务的间隔称为“任务周期”。可将程序分配至各任务。按照分配顺序执行分配的程序。以上操作称为“执行用户程序”。与CJ单元、EtherCAT从站之间的数据交换称为I/O刷新。I/O刷新可按从站/单元分配至主要周期任务或固定周期任务(执行优先度16)。默认将所有从站/单元的I/O刷新分配至主要周期任务。仅指定的执行条件成立时执行1次事件任务。事件任务的执行条件有两种，通过指令ActEventTask执行，或者指定的变量与事先设定的条件一致时执行。仅主要周期任务时按主要周期执行主要周期任务。系统服务是指通信处理等由CPU单元在任务外执行的处理。在执行任务的空闲时间内执行系统服务。

主要周期任务、固定周期任务(16)、固定周期任务(17)混合时，主要周期任务的执行优先度最高，因此在原始周期内切实执行。固定周期任务(执行优先度16)的执行优先度低于主要周期任务，因此在未执行主要周期任务时执行。固定周期任务(执行优先度17)的执行优先度更低，因此在未执行以上2个任务中的任意一个时执行。如图4所示，固定周期任务(执行优先度16)的任务周期为主要周期的4倍。因此，每4个主要周期主要周期任务和固定周期任务(执行优先度16)的执行开始时间便会同步1次。在所有任务的空闲时间内执行系统服务。

图4

(3)无需存储器映射，通过变量进行编程：与计算机上使用高级语言的变量时的情况相同，所有数据通过变量访问。生成的变量自动分配至CPU单元的存储器中，无需用户操作，变量分全局变量、局部变量。全局变量可以被所有的POU(programs,FB,FUN)访问，但是当POU被外部访问的时候，为保护安全性防止被误修改，需要将该部分变量设定为外部变量才能访问。从I/O映射中自动生成的设备变量都会自动注册成全局变量。在POU中使用全局变量时，会自动登记到它的外部变量表。局部变量只在每个POU的内部使用的变量是局部变量。而对于功能和功能块内部，则有更多的变量类型如输入变量，输出变量，输入输出变量，返回变量(功能块内变量表所独有)。对于这个POU之外的POU而言，是看不到这些局部变量。不同的POU里可以分别给变量取相同的名字。每一个POU的运算只能使用其内部的变量。

(4)支持EtherNet/IP、EtherCAT双网络，NJ系列控制器同时支持两种工业以太网，EtherNet/IP是使用Ethernet的工业用多供应商网络。可用作控制器间的网络和现场网络。由于使用了标准的Ethernet技术，因此可与各种通用Ethernet设备混合使用。EtherCAT是以Ethernet系统为基础，实现更高速、更高效通信的高性能工业用网络系统。各节点以高速传送以太网帧，因此可实现较短固定周期的通信周期。标配控制用网络EtherCAT，可在同一网络内连接机器控制所需的I/O 系统、伺服驱动器、变频器、机器视觉等设备。

4 Sysmac Studio软件

(1)打开软件，创建新工程：双击Sysmac Studio软件图标，点击新建工程。给新工程命名，作者名，及工程注释，并选择设备类型和设备硬件版本。硬件版本在CPU侧面标签中可以查到，使用的Sysmac Studio软件版本越高，可选到的硬件版本越高。

进入软件后的画面如图5所示，左侧是多视图浏览器，上面第一条是菜单区，第二条是快捷键工具栏，右侧是工具箱，中间为主视图。

(2)硬件组态：硬件组态有两部分，一部分是CPU本地扩展的CJ系列扩展单元，另外一部分是EtherCAT网络扩展的EtherCAT从站。首先配置CJ系列扩展单元，双击左侧多视图浏览器下的“配置和设置”下的“CPU扩展机架”，打开CPU/扩展机架配置页，相应的窗口右侧工具箱里，可以选择加载不同类型的CJ系列扩展单元，将所选模块拖入左侧CPU与端板之间的位置。接下来是进行EtherCAT网络扩展，与配置CPU扩展机架基本相同，双击左侧多视图浏览器下的“配置和设置”下的“EtherCAT”，相应的窗口右侧工具箱里，可以选择加载不同类型的从站，将所选从站拖入左侧主设备下的位置。在之前第二部分“NJ的硬件系统”中我们了解到NJ系统可以通过EtherCAT网络搭载I/O 系统、伺服驱动器、变频器、机器视觉等设备，欧姆龙网络型伺服驱动器也是以从站的方式配置到EtherCAT网络中的。

图5

(3)运动控制设置：选择“运动控制设置”下的“轴设置”右键选择“添加”的“轴设置”，完成后会在下方出现MC_Axis0000(0)，双击 MC_Axis0000(0)，在此项中可以将之前通过EtherCAT网络添加的伺服驱动器从站与NJ控制器中的轴参数关联起来，并设置轴参数例如：最大速度、加减速度、原点搜索参数等。后续编程时，可以通过运动控制功能块指令直接调用MC_Axis0000(0)使用并且可以直接调用相关轴变量例如：原点标志、当前脉冲值等。

(4)I/O映射：双击I/O映射，右键点击I/O模块名称，下拉菜单中选择“创建新设备变量”，在变量一列中就会生成有规律的变量名称。双击编程-数据-全局变量，可以看到刚才I/O映射生成的变量自动登记到了全局变量表中。在这里，也可以创建一些其他全局变量。

(5)程序编写：在多视图浏览器-编程-POUs-程序-Program0-Section0，主视图变化为可以进行程序编辑的界面。编程前也可以先在变量表里创建一些需要使用的内部变量，调用外部变量时，外部变量会自动登录到外部变量页。窗口中间就是编写程序的区域，NJ所有指令都可以在右侧的工具箱中选择到。NJ系列与欧姆龙以往产品的编程有很大变化如图6所示，1.程序中不能有空行；2.NJ系列的梯形图允许一个线圈后添加一个线圈；3.NJ系列允许在输出线圈，功能，功能块前不添加开关作为输入条件；4.允许在梯形图编程中内嵌ST语音。

图6

(6)任务设置：创建新工程后，软件会默认创建主周期任务和一个Program0，并在任务设置中将Program0分配给主周期任务。如果需要添加其他程序，新编写好的程序必须分配任务，此程序才能按照任务的优先级执行。

(7)控制器设置：多功能浏览器中选择控制器设置，在此项中可以对NJ进行一些基础设置例如：启动模式、SD卡设置等，还可以进行内置EtherNet/IP网络设置，例如：NJ的IP地址修改。

(8)下载前：参数设置及程序编写完毕后首先需要对编写的程序进行检查，选择菜单区中的工程“检查所有程序”，然后对编写的程序进行编译，选择菜单区中的工程“编译控制器”只是针对新编写的程序进行编译，如果点击“重编译控制器”将对所有程序进行编译。进行检查所有程序和编译控制器后才能进行程序下载。

(9)在线：先进行通信前参数设置，菜单区选择“控制器”中“通信设置”在弹出菜单中可以选择通过USB还是以太网方式与NJ进行通信，如果选择USB方式通信，需要安装欧姆龙USB驱动。如果通过以太网方式通信，需要将PC端IP地址设置成与NJ的IP地址同网段才能通信。设置完毕后选择菜单区“控制器”中的在线，与NJ控制器进行在线操作，在线操作成功后选择菜单区“控制器”中的“同步”弹出对话框，选择“传送到控制器”进行工程下载。对话框中的有三种颜色字显示，红色字代表NJ控制器与PC端不同，绿色字代表只有一侧存在，白色字代表两侧相同。

(10)工程调试：首先是监视变量，打开“视图”-“监视窗口”，可以看到“监视(工程)”如图7所示，“监视1”和“监视(表)1”三个页。监视(工程)中可以监视工程中所有的控制器的变量，监视1只能监视当前控制器中的变量，监视(表)1用于监视数组型变量。

图7

然后是模拟，在NJ离线的情况下，想查看程序运行的情况，可以使用模拟功能。点击“模拟”-“运行”，就可以进入模拟器。可以对模拟的速度等进行设置，或者使用单步运行等。其次是在线编辑，NJ支持在线编辑功能，点击“工程”-“在线编辑”-“开始”，就可进入在线编辑。在线编辑仅限于一个POU内，编辑完成后，需要将内容传送至NJ，点击“在线编辑”-“发送”即可。最后是故障分析，当NJ发生故障时，可以查看故障分析，其中会详细的说明故障等级，代码，描述以及可能的原因。发生轻微故障，将故障解除后，只需点击“全部重置”就可清除故障状态。如果发生的是致命错误，需要将NJ断电重启才能清除错误。

5 结束语

综上所述，欧姆龙机器自动化控制器NJ系列除了包括以往的可编程控制器的功能，还附加了运动控制所需的各种功能的整合型控制器，并且凭着硬件与软件的全面革新，将会给PLC控制系统带来一缕新风。

[1] 机器自动化控制器NJ系列CPU单元用户手册硬件篇[Z].

[2] 机器自动化控制器NJ系列CPU单元用户手册软件篇[Z].

[3] 机器自动化控制器NJ/NX系列CPU单元用户手册运动控制篇[Z].

ResearchonOMRONNJSeriesPLCSystem

SUZhen-yang1,YANGYun-qing2

(1.OMRON Automation Co.,Ltd.,Shenyang 110003,China;2.Shenyang Electrical Driving Research Institute,Shenyang 110141,China)

The SYSMAC NJ-series controllers are next-generation machine automation controllers that provide the functionality and high-speed performance that are required for machine control.They provide the safety,reliability,and maintainability that are required of industrial controllers.

OMRON；SYSMAC NJ-series controllers；programmable logic controller

1004-289X(2017)02-0046-05

TM571

B

2016-12-16