机床电气控制(第2章)

PLC基础知识基本内容：

PLC简介、基本功能、特点、应用范围、工作方式。难点：

工作方式、扫描时间。

重点：

定义、基本功能、工作方式。第一节PLC基础知识一、PLC的产生与历史二、可编程控制器的定义三、PLC的现状及发展趋势四、PLC的特点五、PLC的基本功能六、PLC与其他工业控制系统的比较一、PLC的产生与历史世界上第一台PLC

1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GE）的要求研制成功。

背景：

1968年美国通用汽车公司（GE），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。设计思想：

吸取继电器和计算机两者的优点☆继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；☆计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；☆采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）◆70年代初期：

仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）◆70年代中期：

微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能◆80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。近年来PLC发展迅速

PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。

PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。

PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。定义：

国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。二、可编程控制器的定义三、PLC的现状及发展趋势

1969年美国数据设备公司（DEC）研制了第一台PLC，从此PLC发展迅猛。

我国改革开放后，美国AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位。PLC三大流派欧洲：德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TI公司美国：A-B（Allen-Bradly）(其产品约占美国PLC市场50％的份额。)、GE（GeneralElectric）、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(T1)公司、歌德(Gould)公司、西屋公司日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。西门子PLC外形图2006-3-310

S7-200系列PLCS7-300系列PLCS7-400系列PLC

三菱PLC外形图2006-3-311

Q系列PLCFX2N系列PLCFX1N系列PLCFX1S系列PLC欧姆龙PLC外形图C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLCPLC的国内外状况

1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。主要厂家有：北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。（1）向高速度、大存储容量方向发展（内存2M字节）（2）向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0（5）加强联网和通信的能力（6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（openModularArchitectureforControl）PLC的发展趋势

就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位。在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨PLC发展的论文中，这个结论是众口一词的，尽管对PLC的未来发展有着许多不同的意见。

近年来PLC的市场销售一直坚挺；PC控制有了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的PLC产品形成竞争；小型、超小型PLC的发展势头令人刮目相看；PLC和PC控制在今后可能相互融合。

通用性强，使用方便功能强，适应面广可靠性高，抗干扰能力强控制程序可变具有很好的柔性编程方法简单，容易掌握PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便。控制程序变化方便.具有很好的柔性。体积小、重量轻、功耗低四、PLC的特点五、PLC的基本功能1逻辑控制功能2定时控制功能3计数控制功能4步进控制功能5数据处理功能6回路控制功能7通讯联网功能8监控功能9停电记忆功能10故障诊断功能PLC应用于步进电机控制1逻辑控制功能逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。

例如：机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机控制、电梯控制、饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线控制等。

2定时控制功能

定时控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值(定时时间)可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。

3计数控制功能计数控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号(计数值到)，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。传感器旋转编码器变频器等计数输入输入复位0000000001000025数据处理功能PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。8监控功能

PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调整和维护提供了极大的方便。9停电记忆功能

PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。

PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。10故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行。

PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全和可维护性。六、PLC与其他工业控制系统的比较

PLC与继电器控制系统比较继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。第二节PLC基本原理2.1PLC内部硬件框图及各部分作用2.2PLC工作过程特点及主要性能指标2.4

PLC分类2.1PLC内部硬件框图及各部分作用2.1.1PLC的组成

PLC的组成：中央处理单元（CPU板）、输入输出（I/O）部件和电源部件。PLC的基本组成

PLC的基本组成与一般的微机系统类似：是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机PLC的基本组成包括硬件与软件两部分PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等PLC的软件：系统程序和用户程序2.1.2PLC内部主要部件功能1.PLC中的CPU作用及分类CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面：1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，将运算结果存入存储器5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接口实现控制、制表打印或数据通讯等功能PLC中常采用的CPU有三类：

1)通用微处理器（如Z80、8086、80286等）2)单片微处理器（如8031、8096等）3)位片式微处理器(如AMD29W等)小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；

大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位）；

小型PLC为单CPU系统；中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统；对于双CPU系统，一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。存储器的作用：

PLC中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据存储器的类型：①可读/写操作的随机存储器RAM②只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM2.系统程序存贮器类型(1)随机存取存储器(RAM)用户可以用编程装置读出RAM中的内容，也可以将用户程序写入RAM，它是易失性的存储器，它的电源中断后，储存的信息将会丢失。

(2)只读存储器(ROM)

ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，它的电源消失后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放可编程序控制器的系统程序。

(3)可电擦除可编程的只读存储器(EEPROM)

它是非易失性的，但是可以用编程装置对它编程．兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，但是将信息写入它所需的时间比RAM长得多。EEPROM用来存放用户程序和需长期保存的重要数据。4.输入/输出接口（I/O模块）输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。PLC输入接口-----用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。PLC输出接口-----路将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子+–PLCXn+24V–发光二极管继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路J+交流电源或直流电源YCOM-◆

I/O接口的作用：电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力，通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。

I/O接口的类型：开关量输入/输出接口模拟量输入/输出接口◆输入/输出（I/O）点数：PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。5.PLC编程器及作用

编程器的作用：是编辑、调试、输入用户程序，也可在线监控PLC内部状态和参数，与PLC进行人机对话。

它是开发、应用、维护PLC不可缺少的设备。6.PLC中的电源及作用PLC配有开关式稳压电源，以提供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。把外部供应的电源变换成系统内部各单元所需的电源。有的电源单元还向外提供24v隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC5V、±12V、24V等直流电源。可编程序控制器的电源一般采用开关式电源，其特点是输入电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。◆PLC配有各种通信接口与外部设备连接

与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印与监视器连接，可将控制过程图像显示出来与PLC连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合与人机界面（触摸屏）连接与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。与编程器连接PLC主机1号扩展机主机PLCA）近程扩展方式2号扩展机1号近程扩展机远程从站扩展机远程从站PLCPLCPLCPLCPLCB）远程扩展方式C）连网方式PLC的扩展构成A）近程扩展方式B）远程扩展方式C）连网方式编程器编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相联接的外设。它通过主机上的编程器接口直接与主机相连。

编程器上有一个方式选择开关，用于控制PLC主机的工作方式。掌上电脑编程器可编程终端高档可编程终端8、其它功能模块功能模块模拟量输入模块（即A/D模块）模拟量→数字量模拟量输出模块（即D/A模块）数字量→模拟量动态输入/输出模块自带动态扫描功能温度传感器模块温度→模拟量→数字量高速计数模块高频脉冲信号

PID模块远程I/O模块扩展I/O点的距离通讯模块与其它PLC、微机、互连网通讯系统程序:

系统程序，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。

系统程序，由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。

系统程序，由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。2.1.4PLC的软件系统1系统程序；2用户程序；3编程语言◆用户程序:用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的。为便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。PLC的编程语言在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

程序的表达方式基本有四种：梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。梯形图是当前使用最广泛的一种编程方法。

除了的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

1.梯形图编程语言两种梯形图的继电器符号图对照

梯形图（Ladderdiagram）编程语言是一种图形语言

,类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。

物理继电器PLC继电器常开常闭触点线圈(1)名词解释——软继电器

PC的继电器不是物理的电器，它是PC内部的寄存器位，因为它具有与物理继电器相似的功能，常称之为“软继电器”。

PLC每一个继电器都对应着内部的一个寄存器位，该位为“1”态时，相当于继电器接通；为“0”态时，则相当于继电器断开。常闭触点线圈常开触点说明：000000100001000PLC控制00001SB2KMKM继电器控制SB1线圈线圈常开触点常开触点常闭触点常闭触点(2)两种控制的梯形图比较物理继电器继电器需硬接线连接触点个数有限PLC继电器继电器用程序软连接触点个数无限继电器的接线改变——控制功能改变PLC的用户程序改变——控制功能改变

(3)两种控制中继电器的区别用PLC控制——外部接线不变，改变用户程序。用继电器控制——要改变控制电路的实际接线。KMQFUKR

M3~SB1SB2KMKHKM继电器控制接线

PLC控制外部接线输入设备PLC~SB1SB2KRKM输出设备欲改变控制功能：主电路相同例如2、语句表编程语言用助记符表示指令的功能多条指令语句的组合构成了语句表程序指令语句是PLC用户程序的基础元素LD

00000，表示逻辑操作开始OR

01000；表示常开触点01000与前面的触点并联

ANDNOT00001；

表示常闭触点00101与前面的触点串联OUT01000；表示前面的逻辑运算结果输出给01000END;表示程序结束梯形图程序语句表程序00000010000100000001END（3）顺序功能图顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。对于这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序。步1步2步3动作1动作2转换1转换2图顺序功能图ORANDSRS1Q1RI1I2I3I4I5Q1图功能块图（4）功能块图功能块图是一种类似于数字逻辑电路的编程语言，用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方块左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。类似于电路一样，方框被“导线”连接在一起。2.2可编程控制器工作过程特点及主要性能指标当PLC运行时，需要进行众多的操作，而PLC的CPU不可能同时去执行多个操作，每一刻只能执行一个操作。解决的办法：采用分时操作原理扫描工作方式：由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时完成的，这种分时操作的方法称为扫描工作方式。

2.2.1循环扫描工作方式

PLC采用“顺序扫描、不断循环”工作方式，这个过程可分输入采样，程序执行、输出刷新三个阶段，整个过程扫描并执行一次所需的时间称为扫描周期。输入端子输入锁存器输入状态寄存器输出锁存器输出状态寄存器输出端子程序执行读读写输入采样程序执行输出刷新检查CPU等内部硬件，对监视定时器（WDT）复位以及其它工作与其它智能装置（如编程器、计算机等）实现通信

按顺序对所有输入端的状态进行采样，并存入相应寄存器对用户程序扫描执行，并将结果存入相应的寄存器将寄存器中与输出有关状态，转到输出锁存器，输出驱动外部负载

2.2.2PLC的工作过程分自诊断、与编程器或计算机等通信、输入采样、程序执行和输出刷新五个阶段。0000201000000010000201000

2.2.2PLC扫描工作各环节的功能①PLC上电后，首先检查硬件是否正常。②按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理，将结果存入元件映象寄存器。③计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。母线④I/O刷新阶段⑤外设端口服务读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。访问外设端口连接的外部设备。4.PLC执行用户程序的特点①按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序②执行程序时所需数据取自于：输入映像寄存器元件映像寄存器③输入映像寄存器和元件映像寄存器中的数据元件映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变④每个扫描周期I/O刷新阶段集中读入/读出数据读读读写写执行用户程序

I/O刷新I/O刷新

I/O刷新I/O刷新0100101000000000000101000输入端子输入电路用户输入设备输入映像寄存器输出电路输出端子元件映像寄存器输出锁存器

用户输出设备从输入端子到输出端子的信号传递过程(3)PC的循环扫描工作过程（信号传递过程）3.PLC控制的原理等效电路图SB1SB2ST公共端公共端输入部分输出端子输入端子用户程序输出部分主电路KMFUKH

M3~Q~KM01000PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM0000100002PLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOM~KM线圈通电SB1闭合00000闭合接点闭合KMFUKH

M3~QKM通电KM通电触点闭合电动机转触点闭合PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOM~KM线圈断电00001断开接点断开KMFUKH

M3~QKM通电KM断电触点断开电动停转触点断开PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOMSB2闭合2.3扫描周期和I/O滞后时间I/O滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC外部输入信号发生变化的时刻起至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的间隔。

PLC在运行工作状态时，执行一次扫描操作所需要的时间称为扫描周期。其典型值为1-100ms。1.产生I/O滞后现象的原因（1）由于PLC采用循环扫描的工作方式。

PLC只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入/输出，导致输出信号相对输入信号滞后。（2）输入滤波器对信号的延迟作用。滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。有的PLC其输入电路滤波器的时间常数可以调整。——输出ON延时。（3）输出继电器的动作延迟（继电器输出型PLC）。从输出锁存器ON、到输出触点ON经历一定时间（4）用户程序的长短及语句编排。要求有较快响应的场合最好不要使用继电器输出型PLC。I/O滞后现象，对慢速控制系统影响不大。要求快速响应的场合，需要解决I/O速度问题。2.I/O响应时间的估算以20点的继电器输出型CPM1A为例。设输入ON延时为8毫秒公共处理和I/O刷新时间为2毫秒执行用户程序时间为14毫秒输出ON延时为15毫秒输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应

——最小I/O响应时间输入状态经过两个扫描周期后在输出得到响应——最大I/O响应时间最小I/O响应时间的计算最小I/O响应时间

=输入ON延时+（公共处理+I/O刷新时间）

+执行程序时间

+输出ON延时=8+2+14+15=39ms输入触点输入滤波输出锁存输出触点刷新执行程序其他刷新执行程序其他扫描周期(Ts)扫描周期(Ts)输入ON延时输出ON延时I/O响应时间输入ON延时最大I/O响应时间

=输入ON延时+(公共处理+I/O刷新+执行程序)×2

+输出ON延时

=8+（2+14）×2+15=55ms。最大I/O响应时间的计算输入触点输入滤波输出锁存输出ON延时输出触点I/O响应时间刷新执行程序其他刷新执行程序其他扫描周期(Ts)扫描周期(Ts)刷新执行程序其他扫描周期(Ts)3、PLC的扫描时间计算1

上电后初始处理2

共同处理时间：程序自检。Tc=2.6ms3

上位链接服务（处理微机与PLC的通讯）Tl

Tl=PLC与微机构成网络0—8ms4

运算处理TP:执行用户程序

TP=平均速度X指令条数

Tl=PLC与微机不构成网络0ms5I/O刷新Tr=主机与近程扩展机：输入0.07ms/8个输出0.04ms/8个远程扩展机：以通道数计算，1.3ms+nX0.2ms6外设服务（装有外设时）To

To=0.8ms（T=Tc+Tl+Tp+Tr≤13ms)To=0.06×T（T=Tc+Tl+Tp+Tr>13ms)7、共同处理、上位链接服务、外设服务、运算处理、I/O刷新时间构成了PLC的扫描时间TsPLC的扫描时间Ts=Tc+Tl+To+Tp+Tr有关结论1、PLC的扫描周期和用户程序的长短与系统构成有关，用户程序越短、系统构成越简单，扫描周期越短。2、PLC的扫描周期一般在10ms级，这样普通输入点的信号频率应不大于50HZ（在使用时一般在10HZ以下）。1.I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。2.用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。3.扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。4.指令系统条数指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。2.4PLC主要技术性能指标5.内部寄存器6.高功能模块2.5可编程序控制器分类1.按结构形式分类

整体式PLC：整体式是将PLC的CPU、存储器、I/O单元、电源等安装在同一机体内，构成主机，另外还有I/O扩展单元配合主机使用，用以扩展I/O点数。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便，但输入输出点数固定，灵活性较低，小型PLC多采用这种结构。

组合式PLC：组合式PLC是由一些标准模块单元组成，采用总线结构，不同功能的模块（如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等）通过总线连接起来。

组合式PLC的特点是可以根据功能需要灵活配置，构成具有不同功能和不同控制规模的PLC，多用于大型和中型PLC。组合式PLC电源模块CPU模块IO模块底板模块式模块式结构PLC的结构

3）叠装式PLC

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

2.按控制规模分类输入输出的总路数，又称为I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模对PLC分类时，可分为：1.小型PLC：I/O点数较少，在256点以下的PLC。2.中型PLC：I/O点数较多，在256点以上、2048点以下的PLC。3.大型PLC：I/O点数较多，在2048点以上的PLC。但大中小型PLC的划分并无严格的界限，PLC的I/O点数可以依据需要灵活配置。1）微型机OMRON公司的SP系列2）小型机OMRON公司的CPM1A、CQM系列松下公司的FP1系列3）中型机OMRON公司的C200H西门子公司的S7-3004）大型机OMRON公司的C1000H松下公司的FP3COMRON公司的2000HCOMRON公司的2000H5）超大型机美国GE公司的90—70机，其点数可达24000点，另外还有8000路的模拟量。1）低档PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统

2）中档PLC

具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能3）高档PLC

具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。3、PLC的分类（按功能分类）CPM1A系列PLC简介（小型PLC）CPM1A系列PLC的规格简介CPM1A系列PLC的系统构成CPM1A系列PLC的数据区CPM1A系列PLC的指令系统CPM1APLC的应用示例1.CPM1A系列PLC的规格简介CPM1A系列PLC是OMRON公司的小型一体化式PLC，性价比很高，应用广泛。CPM1A有：CPU单元、IO扩展单元、特殊功能单元和通信单元有16种规格的CPU

分10、20、30、40点4种按工作电源分AC和DC2种按输出分继电器输出和晶体管输出2种有7种扩展IO单元，分：

8点输入单元

8点输出单元

20点输入输出单元(其中12点输入，8点输出)有3种特殊功能单元：模拟量IO单元温度传感器单元温度传感器和模拟量输出单元有3种通信单元：

RS232C通信适配器

RS422通信适配器

CompoBus/SI/O链接单元10点输入6点输出4点10点输入6点输出4点

20点输入12点输出8点

10点输入6点输出4点类型24VDC晶体管（PNP）CPM1A－??CDT1－D24VDC晶体管（NPN）CPM1A－??CDT－D24VDC继电器CPM1A－??CDR－D100～240VAC继电器CPM1A－??CDR－A每一类各有4种型号电源电压输出形式型号类型说明：

1.型号中的“??”表示类别，例如10点CPU，即相当于10

2.PLC输出为NPN表示输出的COM端接DC电源的“－”端

3.PLC输出为PNP表示输出的COM端接DC电源的“＋”端类型型号输出类型8点输入CPM1A－8ED——8点输出CMP1A－8ER继电器CMP1A－8ET晶体管（NPN）CMP1A－8ET1晶体管（PNP）20点输入输出12点输入8点输出CMP1A－20EDR继电器CMP1A－20EDT晶体管（NPN）CMP1A－20EDT1晶体管（PNP）类型型号说明模拟量IO单元CPM1A－MAD01

AI：2路/(1～5V、0～10V、4～20mA)/8位/1%精度AO：2路/(－10～10V、0～10V、4～20mA)/8位/1%精度温度传感器单元CMP1A－TS001输入热电偶信号（型号可设定）/2路/1%精度CMP1A－TS002输入热电偶信号（型号可设定）/4路/1%精度CMP1A－TS101输入热电阻信号（型号可设定）/2路/1%精度CMP1A－TS102输入热电阻信号（型号可设定）/4路/1%精度温度传感器和模拟量输出CMP1A－TS101－DA2路Pt100、－40～250℃、1%精度AO：1路/(－10～10V、0～10V、4～20mA)/8位/1%精度类型型号说明RS232C通信适配器CPM1A－CIF01在外设端口和RS232C之间的电平转换RS422通信适配器CMP1A－CIF11在外设端口和RS422之间的电平转换链接适配器B500－AL004用于个人计算机RS232C到RS422的转换CompoBus/SIO链接单元CMP1A－SRT21主从单元设定：CompoBus/S从单元节点号：DIP开关设定（含8点输入和8点输出）

I/O规格－－输入规格项目规格电路构成原理图输入电压20.4～26.4VDC输入阻抗CPUIN00000～00002：2KΩ其它：4.7KΩ输入电流CPUIN00000～00002：12mA其它：5mAON最小电压14.4VDCOFF最大电压5.0VDCON响应时间1～128ms（缺省8ms）OFF响应时间1～128ms（缺省8ms）24VDC(1)输入电路的ON/OFF响应时间为l/2/4/8/16/32/64/128ms中的一个，这由PLC设定区DM6620～DM6625中的设置决定。(2)输入点00000～00002作为高速计数输入时，输入电路的响应很快。计数器输入端00000(A相)、00001(B相)的响应时间足够快，满足高速计数频率(单相5kHz、两相2.5kHz)的要求；复位输入端00002(Z相)的响应时间为ON：100μs、OFF：500μs。(3)输入点00003～00006作为中断输入时，从输入ON到执行中断子程序的响应时间为0.3ms。

I/O规格－－输出规格－－晶体管输出项目规格电路构成原理图最大开关能力DC：20.4～26.4VDC300mANPN、PNP输出有所不同最小开关能力10mA漏电流0.1mA以下ON响应时间0.1ms以下OFF响应时间1ms以下

I/O规格－－输出规格－－继电器输出项目规格电路构成原理图最大开关能力AC：250V/2ADC：24V/2A公共端COM：4A最小开关能力DC：5V、10mA继电器寿命阻性负载：30万次感性负载：10万次ON响应时间≤15msOFF响应时间≤15ms内部电路～LL2.CPM1A系列PLC的基本构成电源输入接地输入端6个输入指示状态指示4个输出指示输出端24VDC电源输出（AC型PLC）外设端口模拟设定电位器100～240VAC、24VDC电源输入接地抗噪声、防电击，一般系统要求有单独接地端，接地电阻小于100Ω输入/输出端接输入、输出信号输入/出指示显示输入、输出信号的ON、OFF状态状态指示显示PLC的工作状态，有：

PWR－电源指示

RUN－运行状态，当处于编程状态或者运行异常时“灭”

ERR－错误指示，PLC出现错误时该指示灯亮，PLC停止运行

ALM－警告指示，出现警告性错误时，该灯闪烁，PLC不停止

COMM－通信指示，PLC与外设通信时灯闪烁，否则灯灭外设端口可以连接编程器，也可以通过RS－232、422通信适配器连接PLC或者上位机，构成网络。IO扩展30点、40点的CPU单元上有扩展连接器，用于连接扩展单元，如IO扩展单元、特殊功能单元可以同时连接不同类型的扩展单元，但总数不能超过3台。对于特殊功能单元TS002、TS102，只能连接其中1种，且扩展单元总数不能超过2台；以20点IO扩展单元为例：扩展IO连接电缆扩展连接器10点、20点CPU单元不能连接IO扩展单元，30点、40点CPU可以连接不超过3个扩展IO单元，因此CPM1A的IO点在10～100之间配置。CPU扩展IO单元00000～0000501000～0100310点IO6入，4出00000～0001101000～0100720点IO12入，8出00000～0001100100～0010501000～0100701100～0110330点IO18入，12出00200～0021101200～0120720点扩展IO12入，8出00300～0031101300～0130700400～0041101400～0140700000～0001100100～0011101000～0100701100～0110740点IO24入，16出00200～0021101200～0120700300～0031101300～0130700400～0041101400～01407返回3.CPM1A的继电器区及数据区CPM1A的继电器区及数据区由以下几部分组成：内部继电器区IR特殊辅助继电器区SR暂存继电器区TR保持继电器区HR辅助记忆继电器区AR链接继电器区LR定时器/计数器区TIM/CNT数据存储区DM通道的概念CPM1A的通道用3位数字表示，称为通道号。一个通道内有16位（字）。在指明一个位时用5位数字，称为继电器号前3位数字为该位所在通道的通道号，后2位数字为该位在通道中的序号。一个通道中16个位的序号为0～15，因此位号中的后2位数字为00～15如：20004为200通道中的04位。内部继电器区（IR）IR区分为两部分：一部分供输入/输出点用，称为输入输出继电器区；另一部分供PLC内部程序使用，称为内部辅助继电器区。输入继电器区有10个通道000～009：000、001通道用于CPU单元输入通道

002～009通道用于扩展IO单元的输入通道输出继电器区有10个通道010～019：010、011通道用于CPU单元输出通道

012～019通道用于扩展IO单元的输出通道。参照CPU的扩展示例。内部辅助继电器区有32个通道200～231，共计32×16＝512点。另外，输入输出继电器区中未被使用的通道也可作为内部辅助继电器使用特殊辅助继电器区（SR）SR区和IR区实际上是PLC的同一数据区，SR区的通道在IR区之后顺序编号IR和SR的区别在于前者供用户使用，而后者由系统使用。特殊辅助继电器区共有24个通道232－255暂存继电器区（TR）CPM1APLC由8个暂存继电器，记为TR0～TR7用于暂时存储复杂梯形图中的分支点的ON/OFF状态暂存继电器在同一程序段内不能重复使用在不同程序段内可重复使用保持继电器区（HR）保持继电器具有断电保持功能，即当电源掉电时，它们能够保持掉电前的ON／OFF状态HR有20个通道HR0～HR19。每个通道有16个继电器，编号为00～15共有20×16＝320个继电器。HR的使用方法同内部辅助继电器一样。保持继电器既能以“位”为单位使用，又能以“通道”为单位使用。断电保持功能通常有2种用法：①以通道为单位使用，用作数据通道，此时断电后数据不会丢失，恢复供电时，数据可恢复。②以位为单位使用，与KEEP指令配合使用，或者用于本身带有自保电路。辅助记忆继电器区（AR）辅助记忆继电器区共有16个通道：AR00－AR15。AR区用来存储PLC的工作状态信息，包括：扩展单元连接的台数断电发生的次数扫描周期最大值及当前值高速计数、脉冲输出的工作状态标志通信出错码系统设定区域异常标志等。用户可根据其状态了解系统的运行状况。AR区具有断电保持功能。链接继电器区（LR）链接继电器区共有16个通道：LR00～LR15当CPM1A之间，或者CPM1A与PLC之间进行1：1链接时，用链接继电器与对方交换数据。不进行1:1链接时，链接继电器可作内部辅助继电器使用。定时器/计数器区（TIM/CNT）CPM1A的定时器和计数器统一编号，编号又称TC号。CPM1A共有128个定时器和计数器，其TC号为TC000～TC127。它有2种定时器和2种计数器，分别为：普通定时器TIM高速定时器TIMH普通计数器CNT可逆计数器CNTR一个TC号既可用作定时器，又可用作计数器，但所有的定时器或计数器的TC号不能重复。例如，TC000号用作普通定时器，则其它的普通定时器、高速走时器、普通计数器、可逆计数器就不能再使用TC000。当电源断电时，定时器复位，计数器保持断电前的状态数据存储区（DM）数据存储区用来存储数据，共有1536个字(通道)，范围为：DM0000～DM1023（1024个字）DM6144－DM6655（512个字）DM区只能以字为单位使用，不能以“位”为单位使用。有断电保持功能。可间接寻址DM0000－DM999、DM1022－1023为程序可读写区，用户程序可自由读写DM1000－DM1021主要用来作故障履历存储器，记录有关故障信息，如果不用作故障履历存储区，可作普通数据存储器使用。是否作为故障履历存储器，由DM6655的00～03位来设定；DM6144－DM6599为只读存储区，用户程序可以读出但不能改写其内容，利用编程器可预先写入数据内容。DM6600－DM6655为系统设定区，原来设定各种系统参数，通常都是在编程模式中设定，部分内容还可以在监控模式中设定。4.CPM1A的指令系统简介⑴专用编程器一般用于LAD的编程⑵简易编程器一般用STL语言⑶PC＋专业软件二者均可PLC的特点之一，就是编程简单。LAD梯形图是各种PLC第一编程语言，它接近于电气控制原理图，直观易懂，但其缺点是对编程器的要求很高，需使用图形编程器才能将梯形图程序输入PLC。因此，人们又设计一种语句表编程方法，将梯形图转化为语句表后，用简易编程器就可将其输入到PLC内存中。语句表和汇编语言形式类似，是由一条条指令组成的，但PLC的指令系统比汇编语言简单得多。各厂家生产的PC不同，指令系统也不同。CPM1A系列PLC的指令根据功能分为基本指令和应用指令两大类：基本指令－－直接对输入输出点进行操作包括输入、输出和“与”、“或”、“非”基本运算等应用指令包括定时计数指令、联锁指令、跳转指令、数据比较指令、数据移位指令、数据传送指令、数据转换指令、十进制运算指令、二进制运算指令、逻辑运算指令、子程序控制指令、高速计数器控制指令、脉冲输出控制指令、中断控制指令、步进指令及一些特殊指令等(1)基本指令LD指令：常开触点与左侧母线相连N·LD、LDNOT指令LDNOT指令：常闭触点与左侧母线相连NN：继电器编号IRSRHRARLRTCTR内部继电器区特殊辅助继电器区保持继电器区辅助记忆继电器区连接继电器区定时计数器区暂存继电器区

OUT、OUTNOT指令OUT指令：输出逻辑运算结果OUTNOT指令：将逻辑运算结果取反后输出NNN：继电器编号IRSRHRARLRTCTR如果输出位为PLC的输出点，则输出结果到PLC的外部；否则，输出到PLC的内部继电器Example：0000001000010010000101002LADSTLLD 00000OUT 01000OUTNOT 01001LDNOT 00001OUT 01002

AND、ANDNOT指令N：继电器编号IRSRHRARLRTCTRExample：LADSTLLD 00000AND 00001OUT 01000LD 00002ANDNOT 01000OUT 01001AND指令：常开触点与前面的触点相串连，即AND前后的位进行“与”运算ANDNOT指令：常闭触点与前面的触点相串连NN000000100000001000020100101000

OR、ORNOT指令N：继电器编号IRSRHRARLRTCTRExample：LADSTLLD 00000OR 00001OUT 01000LD 01000ORNOT 00002OUT 01001OR指令：常开触点与前面的触点相并连，即OR前后的位进行“或”运算ANDNOT指令：常闭触点与前面的触点相并连NN000000100000001010000100100002

ANDLD指令Example：LADSTLLD 00000ORNOT 00001LDNOT 00002OR 00003ANDLDLD 00004ANDNOT 00005OR 00006ANDLDOUT 03000ANDLD指令：逻辑块的串连操作ANDLD指令没有操作数0000003000000010000200003000040000600005

ORLD指令Example：LD 00000ANDNOT 00002LDNOT 00001AND 00004ORLDLDNOT 00003ANDNOT 00005ORLDOUT 03000ORLD指令：逻辑块的并连操作ORLD指令没有操作数00000030000000100002000040000300005思考题－500000030000000100002000030000500006000070010000101020010200202003把下列梯形图转换成STL语言

SET、RESET指令Example：SET指令：当执行条件为ON时，操作数N置ON

当执行条件为OFF时，操作数N不变RESET指令：当执行条件为ON时，操作数N置OFF

当执行条件为OFF时，操作数N不变LD 00000SET 00600LD 00001RESET 00600SETNRESETN0000000001SET00600RESET00600N：继电器编号IRSRHRARLR000000000100600SET、RESET指令间可以插入其它指令

NOP（00）、END（01）指令NOP（00）：空操作指令（某程序若要删除一行，在删除行的位置上加上NOP指令，可以不改变程序的步序）END（01）：程序结束指令（要求程序中有至少一个END指令，但PLC执行到第一个END指令，即认为程序到此结束，后面的程序一概不执行。如果没有END指令，PLC将报告出错）暂存继电器（TR）处理复杂的梯形图分支还有另一种方法就是把中间变量保存起来。00000030000000100002000030000403001030020000003000000010000200003000040300103002TR0TR0TR0在同一程序段中，同一TR号不能重复使用（赋值）当然可以被多次引用在不同程序段中，同一TR号可以重复使用（赋值）一个TR号只是代表一个继电器的位。LD 00000OUT TR0ANDNOT 00001AND 00002OUT 03000LD TR0AND 00003OUT 03001LD TR0AND 00004OUT 03002思考题－8写出以下逻辑块对应的STL语句（用暂存继电器）0000020000200012000200002000040000300001提示：需要用到两个TR，如TR0和TR1

参照上一页，先对梯形图进行修改。定时器、计数器指令1.定时器指令TIMTIMNSVN：定时器号000～127SV：定时设定值（字）IR、SR、HR、AR、LR、DM、*DM、#SV的取值范围为0～9999，最小定时单位为0.1s，因此实际定时设定值＝SV×0.1（秒）功能：定时器为通电延时，当定时器的输入为OFF时，定时器的输出为OFF。当定时器的输入变为ON时，开始定时，定时时间到，定时器的输出变为ON。若输入继续为ON，则定时器的输出保持为ON。当定时器的输入变为OFF时，定时器的输出随之变为OFF。1.定时器指令TIMTIM000#020000000TIM00001000TIM00020000000TIM00001000LD 00000TIM 000 #0200LD TIM000OUT 01000LD 00000TIM 000 200LD TIM000OUT 01000定时器000，设定值为常数200，表示定时时间为20.0秒。当00000为OFF时，TIM000处于复位状态，当前值PV＝SV；当00000为ON时，TIM000开始定时，定时器的当前值PV从设定值200开始，每隔0.1秒减去l，20秒后，当前值PV减为0，此时定时器000输出为ON，TIM000的常开触点闭合，使01000为ON。此后，若00000一直为ON，则TIM000状态不变，若00000变为OFF，则定时器复位，当前值PV恢复为设定值SV。只是表示通道IR200中的数据作为定时器的设定值。2.计数器指令CNTN：定时器号000～127SV：定时设定值（字）

IR、SR、HR、AR、LR、DM、*DM、#功能：计数器为递减计数，CNT001的设定值为200。当R端00001为ON时，处于复位状态(不计数)，当前值PV＝SV。当R端由ON变为OFF后，计数器开始计数，PV从200开始，每当00000由OFF变为ON时减1。在PV减到0时，即计满200个脉冲，不再接收计数脉冲，停止计数，CNT001输出变为ON，其常开触点闭合，使01000输出为ON。若在计数过程中或者在计数结束以后，R端00001由OFF变为ON，则计数器立即复位，停止计数，PV恢复到设定值SV。计数器CNT001复位后，输出为OFF。CNTNSVCPRCP：计数输入端，脉冲输入R：复位输入端CNT001#020000000CNT0010100000001CPRLD 00000LD 00001CNT 001 #0200LD CNT001OUT 01000注意：定时器号和计数器号不能重复思考题－9写出下列梯形图的STL语言TIM00001000000010100000100001010100101001TIM000#00500100200000跳转/跳转结束指令JMP(04)/JME(05)JMP/JME指令用于控制程序的流向当JMPN的执行条件为ON，则JMP和JME之间的程序被执行，如同没有跳转指令当JMPN的执行条件为OFF，则JMP和JME之间的程序跳过，如同没有这段程序JMP(04)NJME(05)N跳转号N：00～4900000JMP(04)00自控程序JME(05)0000000JMP(04)01手动程序JME(05)01有两种类型的跳转号：N＝00和N＝01～49N＝00，JMP00－JME00可以在程序中多次使用，因为需要花费时间寻找下一个JME00，因此它的执行时间更长N＝01～49，JMPN－JMEN在程序中只能使用一次跳转指令可以嵌套，但必须是不同跳转号的嵌套，例如：

JMP00－－JMP01－－JME01－－JME00左图中加上一段即成为“手自动”可以切换的控制程序

KEEP(11)指令Example：该指令有两个操作条件：S－置位条件R－复位条件（原理见书本83页）LD 00000LD 00001KEEP(11) 00600N：继电器编号IRSRHRARLR000000000100600置位输入S复位输入RKEEP(11)N0000000001KEEP(11)00600该指令有两个操作条件：S－置位条件R－复位条件思考题－6比较以下3组逻辑块的含义。0000000001SET00600RESET006000000000001KEEP(11)0060000000006000060000001DIFU(13)、DIFD(14)指令（见书本84页）DIFU(13)：上升沿微分指令，当执行条件从OFF变为ON时，