《机电传动控制》课件第6章

6.1概述6.2可编程控制器的基本构成6.3可编程控制器的工作原理及编程语言6.4FX2N系列可编程控制器的编程器件及基本指令6.5FX2N系列步进指令6.6FX2N功能指令的使用6.7PLC控制系统的设计小结习题与思考题6.1.1可编程控制器的产生与发展

1.可编程控制器的产生

20世纪20年代出现了将接触器、各种继电器、定时器、其他电器及其触头按一定逻辑关系连接的继电接触器控制系统。其结构简单、价格便宜、便于掌握，在一定范围内能满足控制要求，曾一度在工业控制中占有主导地位。但它也存在着设备体积大、动作速度慢、功能少而固定、可靠性差、难于实现较复杂的控制的缺点。特别是，它是靠硬连线逻辑构成的系统，接线繁杂，当生产工艺改变时，原有的接线和控制盘就要更换，缺乏通用性和灵活性。6.1概述

20世纪60年代，随着小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的需要，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入、输出电路不匹配和编程技术复杂等原因，一直未能得到推广应用。

20世纪60年代末期，美国汽车制造业竞争激烈，各生产厂家的汽车型号不断更新，这必然要求加工生产线的随之改变，整个控制系统需重新配置。为了适应生产工艺不断更新的需要，寻求一种比继电器更可靠，功能更齐全，响应速度更快的新型工业控制器势在必行。

1968年，美国最大的汽车制造商——美国通用汽车公司(GM)公开招标，并从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件，引起了开发热潮。这十大条件是：

(1)编程简单，可在现场修改程序。

(2)维护方便，最好是插件式。

(3)可靠性高于继电器控制柜。

(4)体积小于继电器控制柜。

(5)可将数据直接送入管理计算机。

(6)在成本上可与继电器控制柜竞争。

(7)输入可以是交流115V。

(8)在扩展时，原有系统只需做很小变更。

(9)输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。

(10)用户程序存储器容量至少能扩展到4KB。这些要求实际上提出了将继电接触器的简单易懂、使用方便、价格低的优点，与计算机的功能完善、通用性和灵活性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑变为计算机操控的软件逻辑编程的设想，采取程序修改方式改变控制功能。这是从接线逻辑向存储逻辑进步的重要标志，是由接线程序控制向存储程序控制的转变。

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出了第一台可编程控制器PDP-14，并在GM公司汽车生产线上试用成功，取得了满意的效果，可编程控制器由此诞生。可编程控制器是生产力发展的必然产物。

2.可编程控制器的发展

可编程控制器自问世以来，发展极其迅速。1971年，日本开始生产可编程控制器；1973年，欧洲开始生产可编程控制器。到现在，世界各国的一些著名电器厂家几乎都在生产可编程控制器，可编程控制器已作为一个独立的工业设备进行生产，并成为当代电控装置的主导。可编程控制器一直处在发展之中，到目前为止，还未能对其下一个十分确切的定义。

国际电工委员会(IEC)曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月颁发了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。草案中对可编程控制器的定义是：“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。它采用了可编程序的存储器，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

指令，并通过数字式或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”。早期的可编程控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成，它采用了一些计算机技术，但简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只具有逻辑运算的功能。人们把它称之为可编程(序)逻辑控制器(ProgrammableLogicController),缩写为PLC。随着微电子技术和集成电路的发展，特别是微处理器和微计算机的迅速发展，在20世纪70年代中期，美国、日本、联邦德国等的一些厂家在可编程控制器中引入了微机技术、微处理器及其他大规模集成电路芯片等，构成其核心部件，使可编程控制器具有了自诊断功能，可靠性有了大幅度提高。国外工业界在1980年正式将其命名为可编程(序)控制器

(ProgrammableController)，缩写为PC。但由于这和个人计算机(PersonalComputer)的简称容易混淆，故仍把可编程控制器缩写为PLC。

进入20世纪80年代，可编程控制器都采用了微处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)或单片机作为其核心，处理速度大大提高，增加了多种特殊功能，体

积进一步减小。20世纪90年代末，PLC几乎完全计算机化，速度更快，功能更强，各种智能模块不断被开发出来，使其不断扩展着它在各类工业控制过程中的作用。现在，PLC不仅能进行逻辑控制，在模拟量闭环控制、数字量的智能控制、数据采集、监控、通信联网及集散控制系统等各方面都得到了广泛的应用。如今，大、中型甚至小型PLC都配有A/D、D/A转换及算术运算功能，有的还具有PID功能。这些功能使PLC在模拟量闭环控制、运动控制、速度控制等方面具有了硬件基础；许多PLC具有输出和接收高速脉冲的功能，配合相应的传感器及伺服设备，PLC可实现数字量的智能控制；PLC配合可编程终端设备，可实时显示采集到的现场数据及分析结果，为系统分析、研究工作提供依据，利用PLC的自检信号可以实现系统监控；PLC具有较强的通信功能，可以与计算机或其他智能装置进行通信及联网，从而方便地实现集散控制。功能完备的PLC不仅能满足控制要求，还能满足现代化大生产管理的需要。近年来，可编程控制器的发展更为迅速，更新换代周期缩短为3年左右。展望未来，可编程控制器在规模和功能上将向两大方向发展：

一是大型可编程控制器向高速、大容量和高性能方向发展。如有的机型扫描速度高达0.1ms/KB(0.1μs/步)，可处理几万个开关量I/O信号和多个模拟量I/O信号，用户程序存储器达十几兆字节。

二是发展简易、经济、超小型可编程控制器，以适应单机控制和小型设备自动化的需要。另外，不断增强PLC工业过程控制的功能，研制采用工业标准总线，使同一工业控制系统中能连接不同的控制设备，增强可编程控制器的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现，大力开发智能I/O模块，增强可编程控制器的功能等，都是其发展方向。6.1.2可编程控制器的用途与特点

1.可编程控制器的用途

PLC产生的初期，由于其价格高于继电器控制装置，使其应用受到限制。随着微处理器芯片及有关元件价格的大大下降，使PLC成本下降，同时又由于PLC的功能大大增强，使得PLC的应用越来越广泛。PLC广泛应用于钢铁、水泥、石油、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。

PLC的应用通常分为五种类型：

(1)顺序控制。这是PLC应用最广泛的领域，用以取代传统的继电器顺序控制。PLC可应用于单机控制、多机群控、生产自动线控制等，如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配生产线、电镀流水线及电梯控制等。

(2)运动控制。PLC制造商目前已提供了拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块。在多数情况下，PLC把描述目标位置的数据送给模块，其输出移动一轴或数轴到目标位置；每个轴移动时，位置控制模块保持适当的速度和加速度，确保运动平滑。相对来说，位置控制模块比计算机数值控制(CNC)装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。

(3)闭环过程控制。PLC能控制大量的物理参数，如温度、压力、速度和流量等。

PID(ProportionalIntegralDerivative)模块的提供使PLC具有闭环控制功能，即一个具有PID控制能力的PLC可用于过程控制。当过程控制中某一个变量出现偏差时，PID控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。

(4)数据处理。在机械加工中，出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)设备紧密结合的趋势。著名的日本FANUC公司推出的System10、System11和System12系列，已将CNC控制功能作为PLC的一部分。为了实现PLC和CNC设备之间内部数据自由传递，该公司采用了窗口软件，通过窗口软件，用户可以独自编程，由PLC送至CNC设备使用。美国GE公司的CNC设备新机种也同样使用了具有数据处理的PLC；东芝的TOSNUC600也将CNC和PLC组合在一起。预计今后几年，CNC系统将变成以PLC为主体的控制和管理系统。

(5)通信和联网。为了适应国外近几年来兴起的工厂自动化(FA)系统、柔性制造系统(FMS)及集散控制系统(DCS)等发展的需要，必须发展PLC之间、PLC和上级计算机之间的通信功能，作为实时控制系统，不仅对PLC的数据通信速率要求高，而且要考虑出现停电、故障时的对策等。

2.可编程控制器的特点

(1)抗干扰能力强，可靠性高。继电接触器控制系统虽有较好的抗干扰能力，但其使用了大量的机械触头，使设备连线复杂，又因器件的老化、脱焊、触头的抖动及触头在开闭时受电弧的损害等，大大降低了系统的可靠性。而PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点的电子存储器件来完成，大部分继电器和繁杂的连线被软件程序所取代，故寿命长，可靠性大大提高。微机虽然具有很强的功能，但抗干扰能力差，工业现场的电磁干扰、电源波动、机械振动、温度和湿度的变化，都可能使一般通用微机不能正常工作。而PLC在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产控制经验，主要模块均采用了大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有精确考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施。所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。目前各生产厂家生产的PLC，平均无故障时间都大大超过了IEC规定的10万小时，有的甚至达到了几十万小时。

(2)控制系统结构简单、通用性强、应用灵活。PLC产品均为系列化生产，品种齐全，外围模块品种也多，可由各种组件灵活组合成大小和要求不同的控制系统。在PLC构成

的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号线即可，不需要诸如继电器之类的物理电子器件和大量而又繁杂的硬接线线路。当控制要求改变，需要变更控制系统功能时，可以用编程器在线或离线修改程序，修改接线的工作量是很小的。同一个PLC装置可用于不同的控制对象，只是输入、输出组件和应用软件不同而已。

(3)编程方便，易于使用。PLC是面向用户的设备，PLC的设计者充分考虑到现场工程技术人员的技能和习惯，PLC程序的编制采用了梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图相类似，直观易懂，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，深受现场电气技术人员的欢迎。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言，也称功能图，使编程更加简单方便。

(4)功能完善，扩展能力强。PLC中含有数量巨大的用于开关量处理的继电器类软元件，可轻松地实现大规模的开关量逻辑控制，这是一般的继电器控制所不能实现的。PLC内部具有许多控制功能，能方便地实现D/A、A/D转换及PID运算，实现过程控制、数字控制等功能。PLC具有通信联网功能，它不仅可以控制一台单机、一条生产线，还可以控制一个机群、许多条生产线。它不但可以进行现场控制，还可以用于远程控制。

(5)PLC控制系统设计、安装、调试方便。PLC中相当于继电接触器系统中的中间继电器、时间继电器、计数器等“软元件”数量巨大，硬软件齐全，且为模块化积木式结构，并已商品化，故可按性能、容量(输入、输出点数，内存大小)等选用组装。又由于用软件编程取代了硬接线实现控制功能，使安装接线工作量大大减小，设计人员只要有一台PLC就可进行控制系统的设计，并可在实验室进行模拟调试。而继电接触器系统需在现场调试，工作量大且繁难。

(6)维修方便，维修工作量小。PLC具有完善的自诊断、履历情报存储及监视功能，对于其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点的状态，均有显示。工作人员通过它可查出故障原因，便于迅速处理，及时排除。

(7)结构紧凑、体积小、重量轻，易于实现机电一体化。由于PLC具有上述特点，使得PLC获得了极为广泛的应用。6.2.1PLC的控制功能

目前PLC已经广泛应用于冶金、石油、化工、建材、电力、矿山、机械制造、汽车、交通运输、轻纺、环保等各行各业。可以说，凡是有控制系统存在的地方就有PLC。

概括起来，PLC的应用主要有以下五个方面。6.2可编程控制器的基本构成

1.开关量控制

这是PLC最基本的应用领域，可用PLC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，如机床电气控制，起重机、皮带运输机和包装机械的控制，注塑机的控制，电梯的控制，饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线的控制，汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线的控制等。

2.模拟量控制

目前，很多PLC都具有模拟量处理功能，通过模拟量I/O模块可对温度、压力、速度、流量等连续变化的模拟量进行控制，而且编程和使用都很方便。大、中型的PLC还具有PID闭环控制功能，运用PID子程序或使用专用的智能PID模块，可以实现对模拟量的闭环过程控制。随着PLC规模的扩大，控制的回路已从几个增加到几十个甚至上百个，可以组成较复杂的闭环控制系统。PLC的模拟量控制功能已广泛应用于工业生产的各个行业，例如自动焊机控制、锅炉运行控制、连轧机的速度和位置控制等，都是典型的闭环过程控制的应用场合。

3.运动控制

运动控制是指PLC对直线运动或圆周运动的控制，也称为位置控制。早期PLC通过开关量I/O模块与位置传感器和执行机构的连接来实现这一功能，现在一般都使用专用的运动

控制模块来完成。目前，PLC的运动控制功能广泛应用于金属切削机床、电梯、机器人等各种机械设备上，典型的如PLC和计算机数控装置(CNC)组合成一体，构成先进的数控

机床。

4.数据处理

现代PLC都具有不同程度的数据处理功能，能够完成数学运算(函数运算、矩阵运算、逻辑运算)，数据的移位、比较、传递，数值的转换和查表等操作，对数据进行采集、分析和处理。数据处理通常用在大、中型控制系统中，如柔性制造系统、机器人控制系统等。

5.通信联网

通信联网是指PLC与PLC之间、PLC与上位计算机或其他智能设备间的通信。利用PLC和计算机的RS-232或RS-422接口、PLC的专用通信模块，用双绞线和同轴电缆或光缆

将它们联成网络，可实现相互间的信息交换，构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，建立工厂的自动化网络。6.2.2PLC系统的组成及功能

PLC是一种以微处理器为核心的工业通用自动控制装置，其实质是一种工业控制用的专用计算机。因此，它的组成与一般的微型计算机基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。

1.PLC的硬件系统

PLC的硬件系统由基本单元、I/O扩展单元及外部设备组成。图6-1所示为PLC的硬件系统结构框图。图6-1PLC的硬件系统结构框图

1)微处理器(CPU)

与通用计算机一样，CPU是PLC的核心部件，在PLC控制系统中的作用类似于人体的神经中枢，整个PLC的工作过程都是在CPU的统一指挥和协调下进行的。它的主要功能有以下几点：

(1)接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；

(2)用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区(输入映像寄存器)；

(3)监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误；

(4)执行用户程序，完成各种数据的运算、传递和存储等功能；

(5)根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

PLC常用的CPU有通用微处理器、单片机和位片式微处理器。通用微处理器常用的是8位机和16位机，如8080、8086、M68000、80286和80386等。单片机常用的有8031、8051和8096等。位片式微处理器常用的有AMD2901和AMD2903等。

小型PLC大多采用8位微处理器或单片机，中型PLC大多采用16位微处理器或单片机，大型PLC大多采用高速位片式微处理器。PLC的档次越高，所用的CPU的位数也越多，

运算速度也越快，功能越强。

2)存储器

PLC配有两种存储器：系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统程序，用户存储器用来存放用户编制的控制程序。

CMOSRAM是一种可以进行读写操作的随机存储器，存放在其中的用户程序可方便地进行修改。它是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电池作为备用电源，一旦失电，即可用锂电池供电，以保持RAM中的内容。锂电池的使用寿命一般为5～10年,若经常带负载，则可维持2～5年左右。

EPROM、EEPROM都是只读存储器，常用来存放系统程序和需要长久保存的用户程序。

EPROM称为可擦除的可编程序只读存储器，在紫外线连续照射20min后，就可将EPROM中的内容消除，加高电平(12.5V或24V)，可把程序写入EPROM中。EEPROM称为电

可擦除的可编程序只读存储器，除可用紫外线擦除外，还可用电擦除，是近年来广泛使用的一种只读存储器。它不需要专用写入器而只需用编程器就能方便地对所存储的内容实现“在线修改”，所写入的数据内容能在彻底断电的情况下保持不变。因为系统程序用来管理PLC系统，不能由用户直接存取，所以，PLC产品样本或说明书所列的存储器类型及其容量，系指用户程序存储器而言。如FX2-24M的存储器为4K步，即是指用户程序存储器的容量。

PLC所配的用户存储器的容量大小差别很大，通常中小型PLC的用户存储器存储容量在8K步以下，大型PLC的存储容量可达到或超过256K步。

3)输入/输出(I/O)部件

图6-1中的输入部件和输出部件也称为输入/输出单元或输入/输出模块。实际生产过程中产生的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成CPU能够接收和处理的标准电平信号。同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，亦必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件所能接收的控制信号。所以，输入/输出模块实际上是CPU与现场输入/输出设备之间的连接部件，起着PLC与被控对象间传递输入/输出信息的作用。

PLC输入/输出模块的电路框图如图6-2所示。图6-2I/O接口电路结构框图(a)输入端；(b)输出端为提高抗干扰能力，一般的输入/输出模块都有光电隔离装置。在数字量I/O模块中广泛采用由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器，在模拟量I/O模块中通常采用隔离放

大器。

来自工业生产现场的输入信号经输入模块进入PLC，这些信号有的是数字量，有的是模拟量；有的是直流信号，有的是交流信号。使用时，要根据输入信号的类型选择合适的输入模块。由PLC产生的输出控制信号经输出模块驱动负载，如电动机的启停和正、反转，阀门的开闭，设备的移动、升降等。和输入模块相同，与输出模块相接的负载所需的控制信号有的是数字量，有的是模拟量，有的是交流，有的是直流，因此，同样需要根据负载性质选择合适的输出模块。

PLC具有多种I/O模块，常见的有数字量I/O模块和模拟量I/O模块，以及快速响应模块、高速计数模块、通信接口模块、温度控制模块、中断控制模块、PID控制模块和位置控制模块等种类繁多、功能各异的专用I/O模块和智能I/O模块。I/O模块的类型、品种与规格越多，PLC系统的灵活性越好；I/O模块的I/O容量越大，PLC系统的适应性越强。

4)电源部件

PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电电源转换成供PLC内部的CPU、存储器和I/O接口等电路工作所需的直流电源。PLC的电源部件有很好的稳压措施，因此对外部电源的稳定性要求不高，一般允许外部电源电压的额定值在+10%～-15%的范围内波动。小型PLC的电源往往和CPU单元合为一体，大中型PLC都有专用电源部件。有些PLC的电源部件还能向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电，避免由于外部电源污染或不合格电源引起的故障。为防止在外部电源发生故障的情况下，PLC

内部程序和数据等重要信息的丢失，PLC还带有锂电池作为后备电源。

5)编程器

编程器是PLC的最重要的外围设备，也是PLC不可缺少的一部分。它不仅可以写入用户程序，还可以对用户程序进行检查、修改和调试，以及在线监视PLC的工作状态。它通

过接口与CPU联系，完成人机对话。编程器一般分为简易编程器和图形编程器两类。

简易编程器功能较少，一般只能用语句表形式进行编程，通常需要联机工作。简易编程器直接与PLC的专用插座相连接，由PLC提供电源。它体积小，重量轻，便于携带，适合小型PLC使用。

图形编程器既可以用指令语句进行编程，又可以用梯形图编程；既可联机编程，又可脱机编程，操作方便，功能

强，有液晶显示的便携式和阴极射线式两种。图形编程器还可与打印机、绘图仪等设备连接，但价格相对较高。通常大中型PLC多采用图形编程器。目前，很多PLC可利用微型计算机作为编程工具，只要配上相应的硬件接口和软件包，就可以用包括梯形图在内的多种编程语言进行编程，同时还具有很强的监控功能。

6)其他外部设备

PLC还配有生产厂家提供的一些外部设备。

(1)外部存储器。

外部存储器是指磁带或磁盘，工作时可将用户程序或数据存储在盒式录音机的磁带上或磁盘驱动器的磁盘中，作为程序备份。当PLC内存中的程序被破坏或丢失时，可将外存中的程序重新装入。

(2)打印机。

打印机用来打印带注释的梯形图程序或指令语句表程序以及打印各种报表等。在系统的实时运行过程中，打印机用来提供运行过程中发生事件的硬记录，如记录PLC系统运行过程中故障报警的时间等。这对于事故分析和系统改进是非常有价值的。

(3)EPROM写入器。

EPROM写入器用于将用户程序写入EPROM中。同一PLC系统的各种不同应用场合的用户程序可分别写入不同的EPROM中，当系统的应用场合发生改变时，只需更换相应的EPROM芯片即可。

7)I/O扩展单元

I/O扩展单元用来扩展输入、输出点数。当用户所需的输入、输出点数超过PLC基本单元的输入、输出点数时，就需要加上I/O扩展单元来扩展，以适应控制系统的要求。

2.PLC的软件系统

PLC的软件系统是指PLC所使用的各种程序的集合，通常可分为系统程序和用户程序两大部分。

硬件系统和软件系统组成了一个完整的PLC系统，它们相辅相成，缺一不可。没有软件的PLC系统称为裸机系统，不起任何作用。反之，如果没有硬件系统，则软件系统也失去了基本的外部条件，程序根本无法运行。

1)系统程序

系统程序是每一个PLC成品必须包括的部分，由PLC厂家提供，用于控制PLC本身的运行。系统程序固化在EPROM中。

系统程序可分为管理程序、编译程序、标准程序模块和系统调用三部分。

管理程序是系统程序中最重要的部分。PLC的运行都由它控制，主要对PLC的输入、输出、运算等操作运行，进行时间上先后顺序的管理，规定各种数据、程序的存放地址，生成用户环境以及系统诊断等。

编译程序用来把梯形图程序、语句表程序等编程语言翻译成PLC能够识别的机器语言。系统程序的第三部分是标准程序模块和系统调用。这部分由许多独立的程序模块组成，每个程序模块完成一种单独的功能，如输入、输出及特殊运算等。PLC根据不同的控制要求，选用这些模块完成相应的工作。

2)用户程序

顾名思义，用户程序就是由用户根据控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序，以实现所需的控制目的。用户程序存储在系统程序指定的存储区内，它的最大容量也是由系统程序限定的。6.2.3PLC的分类

目前，PLC应用广泛，国内外生产厂家众多，所生产的PLC产品更是品种繁多，其型号、规格和性能也各不相同。通常，可以按照结构形式的不同及功能的差异对PLC进行大致的分类。

1.按结构形式分

按照结构形式的不同，PLC可分为整体式和模块式两种。

1)整体式

整体式PLC是将CPU、存储器、I/O部件等组成部分集中于一体，安装在一块或少数几块印刷电路板上，并连同电源一起装在一个金属或塑料的机壳内，形成一个整体，通常称

为主机或基本单元。输入/输出接线端子及电源进线分别在机箱的两侧，并有相应的发光二极管显示输入/输出状态。这种结构的PLC具有结构紧凑、体积小、重量轻、价格低的优点，易于装置在工业设备的内部，通常适合于单机控制。一般小型和超小型PLC多采用这种结构，如三菱FX系列PLC。

2)模块式

模块式PLC是把各个组成部分做成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。各模块做成插件式，然后以搭积木的方式将它们组装在一个具有标准尺寸并带有若干插槽的机架内。PLC厂家备有不同槽数的机架供用户选择。用户可以根据需要选用不同档次的CPU模块、各种I/O模块和其他特殊模块，将其插入相应的机架底板的插槽中，组合成不同功能的控制系统。这种结构的PLC配置灵活，装配和维修方便，功能易于扩展。其缺点是结构较复杂，造价也较高。一般大、中型PLC都采用这种结构，如三菱公司的A1N、A2N、A3N系列，立石公司C系列的C500、C1000H及C2000H，通用电气公司的90TM-70、90TM-30。

2.按功能、点数分

按功能、输入/输出点数和存储器容量的不同，PLC可分为小型、中型和大型三类。

1)小型PLC

小型PLC又称为低档PLC。这类PLC的规模较小，它的输入/输出点数一般从20点到128点。其中输入/输出点数小于64点的PLC又称为超小型机。小型PLC的用户程序存储器容量小于2KB，具有逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能，有些还有少量的模拟量I/O、算术运算、数据传送、远程I/O和通信等功能，可用于开关量控制、定时/计数控制、顺序控制及少量模拟量控制等场合，通常用来代替继电器—接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。常见的小型PLC产品有三菱公司的F1、F2和FX0系列，欧姆龙SP20系列和西门子公司的S5-100U、S5-95U、S7—200等。

2)中型PLC

中型PLC的I/O点数通常在120点至512点之间，用户程序存储器容量为2～8KB，除具有小型机的功能外，还具有较强的模拟量I/O、数字计算、过程参数调节(如比例、积分、

微分(PID)调节)、数据传送与比较、数制转换、中断控制、远程I/O及通信联网功能。其适用于既有开关量又有模拟量的较为复杂的控制系统，如大型注塑机控制、配料和秤重等中、小型连续生产过程控制。常见的机型有三菱公司的A1S系列，立石公司的(欧姆龙)C200H、C500，西门子公司的S5—115U等。

3)大型PLC

大型PLC又称为高档PLC，I/O点数在512点以上，其中I/O点数大于8192点的又称为超大型PLC。它的用户程序存储器容量在8KB以上，除具有中型机的功能外，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算、监视、记录、打印，以及强大的通信联网、中断控制、智能控制和远程控制等功能。由于大型PLC具有比中小型PLC更强大的功能，

因此一般用于大规模过程控制、分布式控制系统和工厂自动化网络等场合。如三菱公司的A3M、A3N，立石公司的C100H、C2000H，AB公司的PLC-5以及西门子公司的S5-135U、S5-155U、S7-400等都属于大型PLC。6.2.4PLC的性能指标

PLC的主要性能可用以下六种指标表述。

1.用户程序存储容量

用户程序存储容量是衡量PLC存储用户程序的一项指标，通常以字为单位表示。每16位相邻的二进制数为一个字，1024个字为1K字。对于一般的逻辑操作指令，每条指令占1个字；定时/计数、移位指令每条占2个字；数据操作指令每条占2～4个字。有些PLC是以编程的步数来表示用户程序存储容量的，一条指令包含若干步，一步占用一个地址单元，一个地址单元为两个字节。

2.I/O总点数

I/O总点数是PLC可接收输入信号和输出信号的数量。PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。对于开关量，其I/O总点数用最大I/O点数表示；对于模拟量，其I/O总点数用最大I/O通道数表示。

3.扫描速度

扫描速度是指PLC扫描1K字，用户程序所需的时间，通常以ms/K字为单位表示。有些PLC也以μs/步来表示扫描速度。

4.指令种类

指令种类是衡量PLC软件功能强弱的重要指标，PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。

5.内部寄存器的配置及容量

PLC内部有许多寄存器用以存放变量状态、中间结果、定时计数等数据，其数量的多少、容量的大小，直接关系到用户编程时的方便灵活与否。因此，内部寄存器的配置及容量也是衡量PLC硬件功能的一个指标。

6.特殊功能

PLC除了基本功能外，还有很多特殊功能，例如自诊断功能、通信联网功能、监控功能、高速计数功能、远程I/O和特殊功能模块等。不同档次和种类的PLC，其具有的特殊功

能相差很大，特殊功能越多，则PLC系统配置、软件开发就越灵活，越方便，适应性也越强。

因此，特殊功能的强弱、种类的多少是衡量PLC技术水平高低的一个重要指标。6.2.5PLC的发展趋势及对工业发展的影响

1.PLC的五个发展趋势

(1)在系统构成规模上，向大、小两个方向发展。

近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术的快速发展，PLC的结构和功能不断改进，应用范围迅速扩大。目前，PLC在规模上的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的小型化或微型化PLC方向发展，以真正完全取代最小的继电器系统，适应复杂单机、数控机床和工业机器人等领域的控制要求；其二是向大容量、高速度、多功能的大型高档PLC方向发展。目前，开关量输入/输出点数达到8192点以上的大型PLC不在少数，随着控制系统规模的不断扩大，输入/输出点数还在快速增加，如莫迪康公司984～780、984～785型PLC的最大开关量输入/输出点数已达到16384点。大型PLC不但运算速度快(如三菱公司的A3A型PLC的指令扫描速度可达0.15μs/步),而且具有PID、多轴定位、高速计数、远程I/O、光纤通信等多种功能，能与计算机组成多级分布式控制系统，实现对工厂生产全过程的集中管理。

(2)开发各种智能模块，不断增强过程控制能力。

为满足工业自动化各种控制系统的需要，国内外众多PLC生产厂家不断致力于开发各种新器件和智能I/O模块。智能I/O模块是以微处理器为基础的功能部件，模块的CPU与

PLC的主CPU并行工作，可以大大减少占用主CPU的时间，有利于提高PLC的扫描速度；又可以使模块具有自适应、参数自整定等功能，使调试时间减少，控制精度得到提高，极大地增强了PLC的过程控制能力。智能I/O模块目前主要有模拟I/O模块、PID回路控制模块、机械运动控制(如轴定位、步进电动机控制等)模块，高速计数模块等。

(3)向网络化发展，通信联网功能不断增强。

目前，几乎所有的PLC都具有通信联网功能，加强PLC的联网能力已成为PLC产品的发展趋势之一。PLC的通信联网功能可使PLC与PLC之间、PLC与计算机之间相互交换信息，实现近距离或远距离通信，形成一个统一的分散集中控制系统。由于历史的原因，各个厂家的PLC通信协议往往是专用的，因此，各厂家的PLC产品之间难以互相兼容。近年来，许多PLC生产厂家都在努力使自己的产品与制造自动化协议(MAP)兼容，这将使不同机型的PLC之间、PLC与计算机之间能方便地进行通信与联网，实现资源共享。

(4)编程语言与编程工具向标准化和高级化发展。

PLC的编程语言主要有梯形图、流程图、专用语言指令等。其中最常用的是梯形图，因此深受用户的欢迎，得到了广泛的应用。目前，美国、法国、日本等生产的PLC产品在

基本控制方面的编程语言均采用梯形图，且已标准化。随着现代PLC产品应用领域的急速扩展，尤其是PLC在一些复杂的大规模的控制系统以及通信联网方面的应用，仅靠梯形图

编程已经不够，因此，近年来PLC编程语言出现了向高级语言(如BASIC、Pascal、C、FORTRAN等)发展的趋势。

PLC的编程工具以往主要有简易编程器和图形编程器两种。目前个人计算机也用于PLC编程，只要配上相应的硬件接口及软件包，就可作为编程器使用，能用多种编程语言编制用户程序，使用简单方便，应用日益广泛。

(5)发展容错技术。

国外一些主要的PLC生产厂家为适应大规模、复杂控制系统及高可靠性控制场合对PLC产品的要求，在其生产的PLC中增加了容错功能，如双机热备、自动切换I/O、双机表决(当输出状态与PLC的逻辑状态相比较出错时，会自动断开该输出)和I/O三重表决(对I/O状态进行软硬件表决，取2个相同的)，以大幅提高PLC控制系统的可靠性。

2.PLC对工业发展的影响

从世界上第一台PLC诞生至今的时间里，PLC技术得到了迅猛的发展，获得了极其广泛的应用，对工业生产自动化程度的提高起到非常巨大的作用。PLC的应用领域从最初单一的逻辑控制发展到包括模拟量控制、数字控制、机器人控制以及多级分布式控制系统在内的各种工业控制场合，在工业自动控制应用中所占的比例越来越大，成为工业控制领

域中占主导地位的基础自动化设备。据有关资料报道，20世纪90年代中期美国工业部门对各种工业自动化控制设备的需求列前几位的分别是：PLC、过程控制仪表、计算机、专用控制器和数据采集系统。在我国，近年来PLC的研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在一些大中型现代化工厂的成套设备引进的同时，也配套引进了不少PLC，如上海宝钢第一、二期工程共使用了近900台，又如武汉钢铁厂、首都钢铁厂、秦山核电站、上海别克汽车生产线、北京吉普车生产线等都大量采用PLC进行自动化控制，取得了显著的经济效益。除了这些大型现代企业外，在许多工业行业PLC也得到广泛应用，如机械行业的全自动内圆磨床控制系统、卧式组合镗铣床控制系统、等离子弧喷焊控制系统，采矿冶金行业的矿山车场自控系统、彩色带钢涂层生产线，化工行业的汽囊硫化机控制系统、煤气烧嘴控制系统等。总之，PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国的工业生产自动化水平起到了巨大作用。目前，在美国、日本、德国和英国等世界先进工业国家，PLC成为工业自动控制的标准设备，它的应用几乎覆盖了机械、冶金、矿山、石油化工、轻工、交通运输等所有工业行业，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备，并已跃居现代工业自动化三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)的首位。应用PLC技术是当今世界的潮流，必将对生产、科研和社会生活等诸多领域产生巨大而深远的影响。6.3.1可编程控制器的等效电路

1.存储程序控制与可编程控制器

在传统的继电器控制系统和电子逻辑控制系统中，控制任务的完成是通过电器、电子控制线路来实现的。这些控制线路将继电器、接触器、电子元件等若干分立器件用导线连接在一起，形成满足控制对象动作要求的控制“程序”。这样的控制系统称为接线程序控制系统。

因其程序就固定在接线中，所以又称为接线程序。在接线程序控制系统中，若要修改控制程序，就必须改变接线。6.3可编程控制器的工作原理及编程语言设计一个接线程序控制系统，首先需要针对具体的控制对象，分析控制要求，确定所需的用户输入/输出设备，设计相应的控制线路，再根据需要制作针对该控制任务的专用控制装置(如继电器控制柜或控制台)。对于较复杂的控制过程，控制线路的设计将非常繁琐、困难，设计的控制线路也很复杂。由于控制系统器件接线多，使系统的可靠性受到很大影响，其平均无故障时间往往较短。控制系统完成以后，若控制任务发生变化(如生产工艺流程的变化)，则必须改变相应接线才能实现，因而容易造成接线程序控制系统的灵活性、通用性较低，故障率高，维修也不方便。随着集成电路和计算机技术的迅猛发展，存储程序控制逐步取代接线程序控制，成为工业控制系统的主流和发展方向。所谓存储程序控制，就是将控制逻辑以程序语言的形式存放在存储器中，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。这样的控制系统称为存储程序控制系统。在存储程序控制系统中，控制程序的修改不需要改变控制器内部的接线(即硬件)，而只需通过编程器改变程序存储器中的某些程序语言的内容。可编程控制器就是一种存储程序控制器。其输入设备和输出设备与继电器控制系统相同，但它们直接连接到可编程控制器的输入端子和输出端子(可编程控制器的输入和输出接口已经做好，接线简单、方便)，如图6-1所示。在可编程控制器构成的控制系统中实现一个控制任务时，同样需要针对具体的控制对象，分析控制系统要求，确定所需的用户输入/输出设备，然后运用相应的编程语言(如梯形图、语句表、控制系统流程图等)编制出相应的控制程序，利用编程器或其他设备(如EPROM写入器、与PLC相连的个人计算机等)写入可编程控制器的程序存储器中。每条程序语句确定一个顺序，运行时CPU依次读取存储器中的程序语句，对它们的内容解释并加以执行；执行结果用以驱动输出设备，控制被控对象的工作。可编程控制器是通过软件实现控制逻辑的，能够适应不同控制任务的需要，通用性强，使用灵活，可靠性较高。

2.可编程控制器的等效电路

由图6-3可知，可编程控制器(PLC)构成的存储程序控制系统由如下三部分组成：

(1)输入设备：连接到可编程控制器的输入端，它们直接接收来自操作台上的操作命令或来自被控对象的各种状态信息，产生输入控制信号，送入可编程控制器。常用的输入设备包括控制开关和传感器。控制开关可以是按钮开关、限位开关、行程开关、光电开关、继电器和接触器的接点等。传感器包括各种数字式和模拟式传感器，如光栅位移式传感器、磁尺、热电阻、热电耦等。图6-3PLC构成的存储程序控制系统

(2)可编程控制器内部控制电路：采用大规模集成电路制作的微处理器和存储器，执行按照被控对象的实际要求编制并存入程序存储器中的程序，完成控制任务。

(3)输出设备：与可编程控制器的输出端相连。它们用来将可编程控制器的输出控制信号转换为驱动被控对象工作的信号。常用的输出设备包括电磁开关、电磁阀、电磁继电器、电磁离合器、状态指示部件等。输入部分采集输入信号，输出部分就是系统的执行部分，这两部分与继电器控制系统相同。PLC内部控制电路是由编程实现的逻辑电路，用软件编程代替继电器的功能。对于使用者来说，在编制应用程序时，可以不考虑微处理器和存储器的复杂构成及使用的计算机语言，而把PLC看成是内部由许多“软继电器”组成的控制器，用近似继电器控制线路图的编程语言进行编程。这样，从功能上讲就可以把PLC的控制部分看做是由许多“软继电器”组成的等效电路，这些“软继电器”的线圈、常开接点、常闭接点一般用图6-4所示的符号表示。图6-4“软继电器”的线圈和接点

PLC的等效电路如图6-5所示。下面对PLC等效电路的各组成部分作简要分析。

1)输入回路

这一部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经PLC输入接线端子驱动输入继电器。一个输入端子对应一个等效电路中的输入继电器，它可提供任意个常开和常闭接点，供PLC内部控制电路编程时使用。由于输入继电器反映输入信号的状态，如输入继电器接通即表示传送给PLC一个接通的输入信号，因此习惯上经常将两者等价使用。输入回路的电源可用PLC电源部件提供的直流电压，也可由独立的电源供电。图6-5PLC的等效电路

2)内部控制电路

这部分电路是由用户程序形成的。它的作用是按照程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、处理和判断，然后得到相应的输出。用户程序通常采用梯形图编写，梯形图在形式上类似于继电器控制原理图，两者在电路结构及线圈与接点的控制关系上都大致相同，只是梯形图中元件符号及其含义与继电器控制回路中的元件不同。有关梯形图的特点及编程方法将在6.4~6.6节中详细介绍。

3)输出回路

输出部分由与内部控制电路隔离的输出继电器的外部常开接点、输出接线端子和外部电路组成，用来驱动外部负载。PLC内部控制电路中有许多输出继电器。每个输出继电器除了为内部控制电路提供编程用的常开、常闭接点外，还为输出电路提供一个常开接点与输出接线端相连。驱动外部

负载的电源由用户提供。在PLC的输出端子排上，有接输出电源用的公共端。需要注意的是，PLC等效电路中的继电器并不是实际的物理继电器(硬继电器)，它实际上是存储器中的每一位触发器。该触发器为“1”态，则相当于继电器接通；该触发器为“0”态，则相当于继电器断开。在PLC提供的所有继电器中，输入继电器用来反映输入设备的状态，也可以将其看成是输入信号本身；输出继电器用来直接驱动用户输出设备，而其他继电器与用户设备没有联系，在控制程序中仅起传递中间信号的作用，因此统称为内部继电器，如辅助继电器、特殊功能继电器、计时器、计数器等。PLC的所有继电器统称为PLC的元素。6.3.2PLC的扫描技术

1.扫描工作方式

PLC靠执行用户程序来实现控制要求。为便于执行程序，在存储器中设置了输入映像寄存器区和输出映像寄存器区(或统称I/O映像区)，分别存放执行程序之前的各输入状态和执行过程中各结果的状态。PLC对用户程序的执行是以循环扫描方式进行的。所谓扫描，只不过是一种形象的说法，用来描述CPU对程序顺序、分时操作的过程。扫描从第0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序执行程序，直到程序结束，即完成一个扫描周期；然后从头开始执行用户程序，并周而复始地重复。由于CPU的运算处理速度很高，使得从外观上看，用户程序似乎是同时执行的。

PLC的扫描工作方式同传统的继电器控制系统明显不同。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，在执行过程中，如果一个继电器的线圈通电，那么该继电器的所有常开和常闭触点无论处在控制线路的什么位置，都会立即动作：其常开触点闭合，常闭触点打开。

而PLC采用循环扫描控制程序的工作方式，在PLC的工作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，则该线圈的所有常开和常闭接点并不一定都会立即动作，只有CPU扫描到该接点时才会动作：其常开接点闭合，常闭接点打开。

2.扫描工作过程

PLC开始运行时，首先清除I/O映像区的内容，然后进行自诊断，自检CPU及I/O组件，确认正常后开始循环扫描。每个扫描过程分为三个阶段进行，即输入采样、程序执行、

输出刷新。PLC重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期(或扫描周期)，如图6-6所示。图6-6PLC工作周期的三个阶段

1)输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式按顺序将所有输入端的输入信号状态(“0”或“1”，表现在接线端上为是否承受外加电压)读入输入映像寄存器区，这个过程称为对输入信号的采样，或称为输入刷新。接着转入程序执行阶段。

在输入采样阶段结束后，即使输入信号状态发生改变，输入映像寄存器区中的状态也不会发生改变。

2)程序执行阶段

在程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描，又称程序处理阶段。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序对由接点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新输出映像寄存器区或系统RAM区对应位的状态。在程序执行阶段，只有输入映像寄存器区存放的输入采样值不会发生改变，其他各种元素在输出映像寄存器区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能随着程序的执行而随时发生改变。值得注意的是，在程序的执行过程中，排在上面的逻辑行被刷新后的逻辑线圈状态或数据，会对排在下面的凡是用到这些逻辑线圈的接点或数据的逻辑行起作用，而排在下面的逻辑行，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据，只有等到下一个扫描周期才可能会对排在上面的逻辑行起作用。其原因就是，扫描是从上到下顺序进行的，前面执行的结果可能被后面的程序所用到，从而影响后面程序的执行结果；而后面扫描的结果却不可能改变前面的扫描结果，只有到了下一个扫描周期再次扫描前面程序的时候，才有可能起作用。如果程序中两个操作相互用不到对方的操作结果，那么这两个操作的程序在整个用户程序中的相对位置是无关紧要的。

3)输出刷新阶段

当程序执行后，进入输出刷新阶段。此时，将输出映像寄存器区中所有输出继电器的状态转存到输出锁存电路，再通过输出端驱动用户输出设备(负载)，这就是PLC的实际输出。

PLC的扫描过程可用图6-7来表示。由此可以总结出如下PLC对输入、输出的处理规则:

(1)输入映像寄存器区中的数据，取决于输入端子在本扫描周期输入采样阶段所刷新的状态。在程序执行和输出刷新阶段，输入映像寄存器区的内容不会发生改变。

(2)输出映像寄存器区中的数据由程序中输出指令的执行结果决定。在输入采样和输出刷新阶段，输出映像寄存器区的数据不会发生改变。

(3)输出锁存电路中的数据，由上一个扫描周期输出刷新阶段存入输出锁存电路中的数据来确定。在输入采样和程序执行阶段，输出锁存电路的数据不会发生改变。

(4)输出端子直接与外部负载连接，输出端子的状态由输出锁存电路中的数据来确定。

(5)程序执行中所需要的输入、输出状态，由输入映像寄存器区和输出映像寄存器区中读出。图6-7PLC扫描工作过程

3.输入/输出滞后时间

输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指从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止之间的间隔。它由输入电路的滤波时间、输出模块的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分所组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生抖动引起的不良影响。滤波时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块开关元件的类型有关：继电器型输出电路的滞后时间的最大值为10ms左右；双向可控硅型输出电路的滞后时间在负载被接通时的滞后时间约为1ms,负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般为1ms左右。

下面分析由扫描工作方式引起的滞后时间。在图6-8所示的梯形图中，X0是输入继电器，用来接收外部输入信号。时序图中最上一行是X0对应的经滤波后的外部输入信号的波形。Y0、Y1、Y2是输出继电器，用来将输出信号传送给外部负载。X0、Y0、Y1、Y2的波形表示对应的输入/输出映像寄存器的状态，高电平表示“1”状态，低电平表示“0”

状态。图6-8PLC的输入/输出延迟图中输入信号在第一个扫描周期的输入处理阶段之后才出现，所以在第一个扫描周期内各映像寄存器均为“0”状态。

在第二个扫描周期的输入处理阶段，输入继电器X0的映像寄存器变为“1”状态。在程序执行阶段，由梯形图可知，Y1、Y2依次接通，它们的映像寄存器都变为“1”状态。在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Y1的接通使Y0接通，Y0的输出映像寄存器变为“1”状态。在输出处理阶段，Y0对应的外部负载被接通。可见，从外部输入触点接通到Y0驱动的负载接通，响应延迟最长可达两个多扫描周期。交换梯形图中第一行和第二行的位置，Y0的延迟时间将减少一个扫描周期，可见这种延迟时间可以使用程序优化的方法减少。PLC总的响应延迟时间一般只有数十毫秒，对于

一般的控制系统是无关紧要的。但也有少数系统对响应时间有特别的要求，这时就需要选择扫描时间快的PLC，或采取使输出与扫描周期脱离的控制方式来解决。6.3.3PLC的编程语言

根据系统配置和控制要求编制用户程序是PLC应用于工业控制的一个重要环节。编程简单，易于掌握是PLC的一个重要特点。早期PLC主要用于替代继电器控制装置，为使广

大工程技术人员能很快掌握PLC的编程方法，有利于推广这一新型工业控制装置，PLC不采用微机的编程语言，而是吸收电气技术人员最为熟悉的继电器线路图的特点，系统软件为用户创立了一套易学易懂、应用简便的编程语言——梯形图，它作为最早、使用最普遍的编程语言一直沿用至今。现代PLC常用的编程语言有以下几种：

1.梯形图(LadderDiagram)及其格式

梯形图是目前应用最为广泛、最受电气技术人员欢迎的一种编程语言，具有简单、直观、易学易懂的特点。它采用常开接点、常闭接点构成组合逻辑电路来驱动各类软器件线圈或功能指令块，实现一定的逻辑运算、算术运算或数据的传送、变换与外部输出等功能。其表达形式类似于继电器线路图。如图6-9所示，(a)是接触器的启、停控制线路，(b)是PLC输出的启、停控制梯形图。图6-9继电器线路图与梯形图(a)继电器；(b)梯形图图6-10是PLC的I／O外部接线图。图中：SB1、SB2分别为硬件启动按钮与停止按钮；X0与X1为I／O映像区中的软器件输入继电器，它们的状态决定X0、X1端子外接的启动按钮与停止按钮(外接常开触点)在输入采样阶段的状态。可见，两种图形结构类似并采用类似的图形符号。图6-10PLC的I/O端口接线继电器线路图与梯形图有两个重要区别：其一是继电器线路图为并行工作方式，而梯形图为串行工作方式；另一个重要区别是，在继电器线路图中受硬件条件限制，各类器件如图中按钮与接触器的常开、常闭接点的数量是有限的，而梯形图中各类软器件用于内部编程的常开、常闭接点使用次数不受限制。这是因为PLC内部调用的常开、常闭接点实质是位元件的电平信号，而内部电子电路采用的COMSRAM电子电路功耗极小，从而在有限的用户程序容量内其使用次数不受限制。

2.指令语句表(InstructionList)及其格式

指令语句表简称为语句表，它是梯形图的一种派生语言，类似于汇编语言，但更简单。它采用助记符形式的各类指令语句来描述梯形图的逻辑运算、算术运算、数据传送与处理或程序执行中的某些特定功能，与梯形图之间有着严格的一一对应关系。语句表编程语言的最大特点是便于用户程序的输入、读出与修改，采用没有大屏幕显示、无梯形图编程功能的携带式简易编程器就能方便地完成用户程序的输入。

在梯形图左右两侧的直线称为左右母线，它相当于继电器线路图中的左右电源线。与左母线相连的控制线路通常是一个由常开、常闭接点组成的逻辑电路，与右母线相连接的是输出线圈、其他各类软器件的逻辑线圈或功能指令块。在梯形图中，右母线有时也可以省略。语句表的基本格式是：操作码+操作数。操作码表示某条指令执行何种操作，为便于识别和记忆，采用助记符形式。操作数表示该指令的操作对象，通常以软器件的地址或数据内容等形式出现。

例如，图6-9中的梯形图可用下述几条语句来描述：

序号操作码操作数程序步数指令功能

0

LD

X0

1从母线开始取X0的常开触点

1

OR

Y0

1并联Y0常开触点(“或”运算)

2

ANI

X1

1串联X1常闭触点(“与”运算)

3

OUT

Y0

1Y0线圈输出

又如，图6-11是一个带有功能指令块的FX2系列PLC的梯形图，表6-1列出了与其对应的指令语句表。图6-11PLC梯形图表6-1指令语句表本书将以FX2N系列PLC为例，进一步说明PLC的基本指令、步进指令和功能指令系统。

3.顺序功能图(SequentialFunctionChart)及其格式

顺序功能图简称为SFC编程语言，是近年来国际电工协会(IEC)大力推广并为之建立的新的编程标准。

各国的一些主要PLC生产厂家，如日本三菱公司、德国西门子公司、美国AB公司等生产的PLC产品都具备顺序功能图编程功能。顺序功能图又称为功能表图或状态转移图。它是将一个完整的控制过程分解为若干个阶段(状态)，各阶段有不同的动作或其他各种控制内容，阶段之间有一定的转换条件，一旦条件满足就实现状态的自动转移，上一阶段结束，下一阶段动作开始直至完成整个过程的控制要求。这种编程语言特别适用于复杂的顺序控制过程。状态器是实现SFC编程功能的专用编程软器件。图6-12是一个PLC控制机械手动作的状态转移图，在自动方式下只要满足一定条件就置初态S2为1，从下降开始直到左移回到原位，自动完成整个控制过程。

顺序功能图与梯形图和指令语句之间有一一对应关系，能够相互转换。图6-12机械手自动方式向下状态转移图

4.级式编程语言(Stage)

级式编程语言是类似功能图的图形编程语言，如图6-13所示。它沿用了梯形图的编程方法，并在PLC内部开发了供编程使用的通用与专用编程元件和指令(状态元件、级式指令)。我国华光公司的PLC产品就采用了级式编程语言。图6-13级式语言图与语句表程序

5.逻辑图编程语言(LogicChart)

逻辑图编程语言也是一种图形编程语言，采用逻辑电路规定的“与”、“或”、“非”等逻辑图符号，依控制顺序组合而成，是国际电工协会(IEC)颁布的PLC编程语言之一。图6-14就是用此语言编制的一段PLC程序。图6-14逻辑符号图程序

6.高级编程语言

随着软件技术的发展，为增强PLC的运算功能和数据处理能力并方便用户使用，许多中、大型PLC已采用如类似BASIC、FORTRAN、PASCAL、C语言等高级语言的PLC

专用编程语言，实现程序的自动编译。6.4.1PLC内部的编程器件

编程器件系指可编程控制器内部等效于继电器功能的不同器件。FX2N系列PLC编程器件有输入/输出继电器(X与Y)、辅助继电器(M)、状态继电器(S)、定时器(T)、计数器(C)、数据寄存器(D)和指针(P、I、N)等七大类。

FX2N系列PLC编程器件由两部分组成，第一部分用一个字母代表编程器件，第二部分用数字表示该编程器件的编址号。6.4FX2N系列可编程控制器的编程器件及基本指令

1.输入/输出继电器

1)输入继电器

输入继电器(X)用于PLC接收用户设备发出的输入信号，每一个输入继电器线圈均与相应PLC输入接口端子相连，并有无限个常开触头和常闭触头供编程时使用。图6-15是

输入、输出继电器的等效电路图。

输入继电器有两个特点：(1)其状态只能由外部信号驱动，无法用程序驱动，因此在梯形图中只见其接点而不会出现其线圈符号；(2)输入继电器接点只能用于内部编程，无法驱动外部负载。其输入响应时间为10ms。根据PLC只是在每一扫描周期开始时读入输入信号，这就要求输入信号(“ON”或“OFF”)的保持时间大于PLC的扫描周期，否则，PLC在一个扫描周期中可能读不到保持

时间过短的输入信号，而导致输入信号丢失。

2)输出继电器

输出继电器(Y)用于PLC向执行机构控制元件传送控制信号。继电器输出模块等效电路见图6-15。图6-15输入/输出继电器的等效电路图每一个输出继电器均通过一个输出常开硬触头与相应PLC输出端相连，该输出常开硬触头反映了输出继电器线圈的通与断的状态，例如，当输出继电器Y0通电时，输出常开硬触头Y0的信号状态为“1”。受输出继电器Y0控制的供编程用常开触头和常闭触头则可以无限次使用。

输出继电器线圈的通断状态由PLC程序执行结果决定，在每一次扫描周期的最后阶段，CPU以批处理方式将输出映像寄存器的内容传送到PLC的输出接口端子，使外部负载工作。

FX2N系列PLC的输入/输出继电器元件序号见表6-2。表6-2FX2N系列PLC输入/输出继电器元件序号

2.辅助继电器

辅助继电器(M)在逻辑运算中起中间状态暂存作用，相当于继电器控制线路中的中间继电器。辅助继电器线圈状态由PLC中间运算结果决定，受辅助继电器线圈控制的常开和

常闭触头数量可以无限次使用。物理上一个辅助继电器触头只是内部存储器的一个状态标志存储位，所以辅助继电器触头既不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载。

1)通用辅助继电器

通用辅助继电器没有断电保持功能，PLC上电前，所有通用辅助继电器均自动复位为“OFF”状态，上电时，除了因外部输入信号而变为“ON”状态的通用辅助继电器以外，其余均保持“OFF”状态，上电后的状态则由输入信号决定。

2)断电保持辅助继电器

断电保持辅助继电器具有记忆功能，PLC断电时，由PLC内部的锂电池将断电保持辅助继电器状态保持在相应的映像寄存器中，重新上电后，再从映像寄存器中调入断电时的状态并在该基础上继续工作。

表6-3是FX2N系列PLC通用辅助继电器和断电保持辅助继电器的序号区域分配表。其中M500～M1023可由软件将其设定为通用辅助继电器。表6-3FX2N系列PLC通用辅助继电器和断电保持辅助继电器的序号区域分配表

3)特殊辅助继电器

特殊辅助继电器共256点，用于表示PLC的特殊状态。它们都有各自的特殊功能，例如，提供时钟脉冲和标志，设定PLC运行方式，或者用于步进顺序、禁止中断等。

(1)触头型特殊辅助继电器。

触头型特殊辅助继电器由系统程序驱动其线圈，在用户程序中可以直接使用其触头而不能出现其线圈。常用触头型特殊辅助继电器见表6-4。表6-4常用触头型特殊辅助继电器

(2)线圈型特殊辅助继电器。

线圈型特殊辅助继电器由用户程序驱动线圈，使PLC执行特定的操作，而用户不使用其触头。常用线圈型特殊辅助继电器如：

M8030的线圈通电后，表示电池电压降低的发光二极管；M8034的线圈通电后，PLC禁止所有的输出，即所有外部输出均为“OFF”，但PLC程序仍然正常执行。

3.状态继电器

状态继电器(S)主要用于编制PLC的顺序控制程序，一般与步进顺序控制指令STL配合使用。

常用状态继电器有初始状态继电器(S0~