《电气控制与PLC技术》课件第3章

第3章PLC的基础知识3.1概述3.2PLC控制系统与其他控制系统的比较3.3PLC的基本结构3.4PLC的工作原理3.5PLC的分类及性能指标3.6FX系列PLC简介小结

思考与练习3.1概述3.1.1什么是PLC可编程序控制器(ProgrammableController)简称PC，为了不与个人计算机(也简称PC)混淆，通常将可编程序控制器称为PLC。它是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。目前，PLC已被广泛应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中，成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工业控制装置，被公认为现代工业自动化的三大支柱(PLC、机器人、CAD/CAM)之一。国际电工委员会(IEC)于1987年颁布了可编程序控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程序控制器定义如下：“可编程序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。可编程序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”。定义强调了PLC应直接应用于工业环境，必须具有很强的抗干扰能力、广泛的适应能力和广阔的应用范围，这是区别于一般微机控制系统的重要特征。同时，也强调了PLC用软件方式实现的“可编程”与传统控制装置中通过硬件或硬接线的变更来改变程序有本质区别。近年来，可编程序控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了上述定义的范围。3.1.2PLC的产生与发展在可编程序控制器出现前，在工业电气控制领域中，继电器控制占主导地位，应用广泛。但是传统的电器控制系统存在体积大、可靠性低、查找和排除故障困难等缺点，特别是其接线复杂、不易更改，对生产工艺变化的适应性差。

1968年，美国通用汽车公司(GM)为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，为了实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器可以做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线的次数，以降低成本，缩短周期。于是就设想将计算机功能强大、灵活、通用性好等优点与电器控制系统简单易懂、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用的控制装置，而且这种装置采用面向控制过程、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。

1969年，美国数字设备公司(DEC)根据美国通用汽车公司的这种要求，研制成功了世界上第一台可编程序控制器，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，取得很好的效果。从此这项技术迅速发展起来。早期的可编程序控制器仅有逻辑运算、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)。随着微电子技术和计算机技术的发展，20世纪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。

20世纪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、数据处理和图像显示等功能，使PLC真正成为具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功能的名符其实的多功能控制器。自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。目前，世界上有200多家PLC厂商，400多个品种的PLC产品，按地域可分成美国、欧洲和日本三个流派产品。各流派PLC产品都各具特色，如日本主要发展中小型PLC，其小型PLC性能先进、结构紧凑、价格便宜、在国际市场上占有重要地位。世界上著名的PLC生产厂家主要有美国的A-B(Allen-Bradly)公司、GE(GeneralElectric)公司，日本的三菱电动机(MitsubishiElectric)公司、欧姆龙(OMRON)公司，德国的AEG公司、西门子(Siemens)公司，法国的TE(Telemecanique)公司等。我国的PLC研制、生产和应用也发展很快，尤其在应用方面更为突出。在20世纪70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。此后，在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，并取得显著的经济效益。PLC在我国的应用越来越广泛，对提高我国工业自动化水平起到了巨大的作用。目前，我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司等。从近年的统计数据看，在世界范围内PLC产品的产量、销量、用量高居工业控制装置榜首，而且市场需求量一直以每年15%的比率上升。PLC已成为工业自动化控制领域中占主导地位的控制装置。3.1.3PLC的特点与应用领域

1．PLC的特点

PLC技术之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，主要是因为它具有许多独特的优点，较好地解决了工业领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。它主要有以下特点。

1)可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强是PLC最重要的特点之一。PLC的平均无故障时间可达几十万个小时，之所以有这么高的可靠性，是由于它采用了一系列的硬件和软件的抗干扰措施。

(1)硬件方面。I/O通道采用光电隔离，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响；对供电电源及线路采用多种形式的滤波，从而消除或抑制了高频干扰；对CPU等重要部件采用良好的导电、导磁材料进行屏蔽，以减少空间电磁干扰；对有些模块设置了连锁保护、自诊断电路等。

(2)软件方面。PLC采用扫描工作方式，减少了由于外界环境干扰引起故障；在PLC系统程序中设有故障检测和自诊断程序，能对系统硬件电路等故障实现检测和判断；当由外界干扰引起故障时，能立即将当前重要信息加以封存，禁止任何不稳定的读写操作，一旦外界环境正常后，便可恢复到故障发生前的状态，继续原来的工作。

2)编程简单、使用方便目前，大多数PLC采用的编程语言是梯形图语言，它是一种面向生产、面向用户的编程语言。梯形图与电器控制线路图相似，形象、直观，不需要掌握计算机知识，很容易被广大工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。同时，PLC编程器的操作和使用也很简单。这也是PLC获得普及和推广的主要原因之一。许多PLC还针对具体问题，设计了各种专用编程指令及编程方法，进一步简化了编程。

3)功能完善、通用性强现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，而且还具有A/D和D/A转换、数值运算、数据处理、PID控制、通信联网等许多功能。同时，由于PLC产品的系列化、模块化，有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，可以组成满足各种要求的控制系统。

4)设计安装简单、维护方便由于PLC用软件代替了传统电气控制系统的硬件，因此控制柜的设计、安装接线工作量大为减少。PLC的用户程序大部分可在实验室进行模拟调试，缩短了应用设计和调试周期。在维修方面，由于PLC的故障率极低，维修工作量很小。而且PLC具有很强的自诊断功能，如果出现故障，可根据PLC上的指示或编程器上提供的故障信息，迅速查明原因，维修极为方便。

5)体积小、重量轻、能耗低

PLC采用了集成电路，其结构紧凑、体积小、能耗低，是实现机电一体化的理想控制设备。

2．PLC的应用领域目前，PLC已广泛应用于冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业。随着PLC性价比的不断提高，其应用领域还将不断扩大。从应用类型看，PLC的应用大致可归纳为以下几个方面。

1)开关量逻辑控制利用PLC最基本的逻辑运算、定时、计数等功能实现逻辑控制，可以取代传统的继电器控制，用于单机控制、多机群控制、生产自动线控制等，例如：机床、注塑机、印刷机械、装配生产线、电镀流水线及电梯的控制等。这是PLC最基本的应用，也是PLC最广泛的应用领域。

2)运动控制大多数PLC都有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。这一功能广泛用于各种机械设备，如对各种机床、装配机械、机器人等进行运动控制。

3)过程控制大、中型PLC都具有多路模拟量I/O模块和PID控制功能，有的小型PLC也具有模拟量输入输出。所以PLC可实现模拟量控制，而且具有PID控制功能的PLC可构成闭环控制，用于过程控制。这一功能已广泛用于锅炉、反应堆、水处理、酿酒以及闭环位置控制和速度控制等方面。

4)数据处理现代的PLC都具有数学运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其他智能装置，如计算机数值控制(CNC)设备，进行处理。

5)通信联网

PLC的通信包括PLC与PLC、PLC与上位计算机、PLC与其他智能设备之间的通信。PLC系统与通用计算机可直接或通过通信处理单元、通信转换单元相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的多级分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要。3.2PLC控制系统与其他控制系统的比较3.2.1PLC控制系统与继电器控制系统的比较

PLC控制系统与继电控制系统的比较见表3.1，从表中可以看出，PLC控制系统具有继电控制系统无法比拟的优点，因此传统的继电控制系统将逐渐被PLC控制系统所取代是大势所趋。表3.1PLC控制系统与继电器控制系统的比较3.2.2PLC控制系统与计算机控制系统的比较在工业控制领域中，计算机控制系统的主机一般采用能够在恶劣工业环境下可靠运行的工控机。工控机是由通用微机应用发展而来，总线标准化程度高，品种兼容性强，软件资源丰富，能提供实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强，模型复杂的工业对象的控制占有优势。但是，它的使用和维护要求工作人员应具有一定的专业知识，技术水平较高，且工控机在整机水平上尚不能适应恶劣的工作环境。可编程控制器对此进行了改进，变通用为专有，有利于降低成本，缩小体积，提高可靠性等，更适合工业过程控制的要求，但是它的标准化程度较低，各厂家的产品不通用，因此在开发上不如工控机那样有基础。PLC控制系统与通用计算机系统的区别见表3.2。表3.2PLC控制系统与通用计算机系统的比较一般情况下，在工业自动化工程中多采用PLC，但计算机在信息处理方面优于PLC，所以在一些自动化控制系统中，常常将二者结合起来，PLC做下位机进行现场控制，计算机做上位机进行信息处理。3.2.3PLC控制系统与集散控制系统的比较

PLC控制系统与集散控制系统(DistributedControlSystem，DCS)都是用于工业现场的自动控制设备，都以微型计算机为基础，都可以完成工业生产中大量的控制任务。但是，它们之间又有一些差别：

(1)发展基础不同。PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在开关量处理，顺序控制方面具有自己的绝对优势，发展初期主要侧重于顺序逻辑控制方面。DCS是由仪表过程控制系统发展而来，所以它在模拟量处理、回路调节方面具有一定的优势。发展初期主要侧重于回路调节功能。

(2)扩展方向不同。随着微型计算机的发展，PLC在初期逻辑运算功能的基础上增加了数值运算及闭环调节功能，运算速度不断提高，控制规模越来越大，并开始与网络或上位机相连，构成了以可编程控制器为核心部件的分布式控制系统。DCS自20世纪70年代问世后，也逐渐地把顺序控制装置、数据采集装置、回路控制仪表、过程监控装置有机地结合在一起，构成了能满足各种不同控制要求的集散控制系统。

PLC与DCS在发展过程中互相渗透，互为补偿，两者的功能越来越接近。目前，很多工业生产过程既可用PLC实现控制，又可用DCS实现控制。但是，由于PLC是专为工业环境下应用而设计的，其可靠性要比一般的微型计算机高得多。所以，以PLC为控制器的DCS必将逐步占领以微型计算机为控制器的中小型DCS市场。任何一种控制设备都有自己最适合的应用领域。了解、熟悉它们的异同，将有助于我们根据控制任务和应用环境来恰当地选用最合适的控制系统，更好地发挥其效用。3.3PLC的基本结构

PLC是一种以微处理器为核心的专用于工业控制的特殊计算机，由硬件和软件构成。其硬件配置与一般的微型计算机装置类似。PLC的具体结构多种多样，但其基本结构相同，主要由中央处理单元(CPU)、存储器、编程器、输入单元、输出单元、电源等构成。软件系统由系统程序(系统软件)和用户程序(应用软件)两大部分组成，系统程序由PLC厂商编制，固化在ROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户，用户程序是由使用者编制、用梯形图或指令表等表达的专用软件。3.3.1PLC的硬件系统世界各国生产的可编程控制器外观各异，但作为工业控制计算机，其硬件结构都大体相同。主要由中央处理器(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入/输出器件(I/O接口)、电源及编程设备几大部分构成。PLC的硬件结构框图如图3.1所示。

1．中央处理器(CPU)中央处理器是可编程控制器的核心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分工作等任务。可编程控制器中采用的CPU一般有三大类。一类为通用微处理器，如80286、80386等，一类为单片机芯片，如8031、8096等，另外还有位处理器，如AMD2900、AMD2903等。一般说来，可编程控制器的档次越高，CPU的位数越多，运算速度越快，指令功能越强。现在常见的可编程机型一般多为8位或者16位机。为了提高PLC的性能，也有一台PLC采用多个CPU的。图3.1单元式PLC硬件结构

2．存储器存储器是可编程控制器存放系统程序、用户程序及运算数据的单元。和一般计算机一样，可编程控制器的存储器有只读存储器(ROM)和随机读写存储器(RAM)两大类。只读存储器用来保存那些需永久保存，即使机器掉电后也需保存的程序，一般分为掩膜只读存储器和可编程电改写只读存储器。只读存储器用来存放系统程序。随机读写存储器的特点是写入与擦除都很容易，但在掉电情况下存储的数据就会丢失，一般用来存放用户程序及系统运行中产生的临时数据。为了能使用户程序及某些运算数据在可编程控制器脱离外界电源后也能保持，在实际使用中都为一些重要的随机读写存储器配备电池或电容等掉电保持装置。可编程控制器的存储区域按用途不同，又可分为程序区及数据区。程序区是用来存放用户程序的区域，一般有数千个字节。数据区用来存放用户数据，一般要小一些。在数据区中，各类数据存放的位置都有严格的划分。由于可编程控制器是被熟悉继电接触器系统的工程技术人员使用的，因此可编程控制器的数据单元都叫继电器，如输入继电器、时间继电器、计数器等。不同用途的继电器在存储区中占有不同的区域。每个存储单元有不同的地址编号。

3．输入/输出接口输入/输出接口是可编程控制器与工业控制现场各类信号连接的部分。输入接口用来接受生产过程的各种参数。输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息，并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。由于可编程控制器在工业生产现场工作，对输入输出接口有两个主要的要求：一是接口有良好的抗干扰能力；二是接口能满足工业现场各类信号的匹配要求。因此可编程控制器为不同的接口需求设计了不同的接口单元，主要有以下几种。

1)开关量输入接口其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。开关量输入接口按可接纳的外信号电源的类型不同分为直流输入单元和交流输入单元，如图3.2～3.4所示。从图中可以看出，输入接口中都有滤波电路及耦合隔离电路。滤波有抗干扰的作用，耦合有抗干扰及产生标准信号的作用。图中输入口的电源部分都画在了输入口外(虚线框外)，这是分体式输入口的画法，在一般单元式可编程控制器中，输入口都使用可编程本机的直流电源供电，不再需要外接电源。图3.2直流输入单元图3.3交流/直流输入单元图3.4交流输入单元

2)开关量输出接口其作用是把PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号。开关量输出接口按PLC内使用的器件可分为继电器型、晶体管型及可控硅型。内部参考电路如图3.5所示。从图中可以看出，各类输出接口中也都有隔离耦合电路。这里特别要指出的是，输出接口本身都不带电源，而且在考虑外驱动电源时，还需考虑输出器件的类型。继电器型的输出接口可用于交流及直流两种电源，但接通断开的频率低；晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合；可控硅型的输出接口仅适用于交流驱动场合。图3.5开关量输出电路(a)继电器型；(b)晶体管型；(c)可控硅型

3)模拟量输入接口模拟量输入接口的作用是把现场连续变化的模拟量标准信号转换成适合可编程控制器内部处理的由若干位二进制数字表示的信号。模拟量输入接口接受标准模拟信号，无论是电压信号还是电流信号均可。这里标准信号是指符合国际标准的通用交互用电压电流信号值，如4～20mA的直流电流信号，1～10V的直流电压信号等。工业现场中模拟量信号的变化范围一般不是标准的，在送入模拟量接口时一般都需经变送处理才能使用。图3.6是模拟量输入接口内部电路框图。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A/D转换,再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。图3.6模拟量输入接口内部电路框图

4)模拟量输出接口模拟量输出接口的作用是将可编程控制器运算处理后的若干位数字量信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D/A转换和信号驱动等环节组成。其内部电路框图如图3.7所示。模拟量输入/输出接口一般安装在专门的模拟量工作单元上。图3.7模拟量输出接口内部电路框图

5)智能输入/输出接口为了适应较复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如PID工作单元、高速计数器工作单元、温度控制单元等。这类单元大多是独立的工作单元。它们和普通输入/输出接口的区别在于带有单独的CPU，有专门的处理能力，在具体的工作中，每个扫描周期智能单元和主机的CPU交换一次信息，共同完成控制任务。从近期的发展来看，不少新型的可编程控制器本身也带有PID功能及高速计数器接口，但它们的功能一般比专用单元的功能弱。

4.电源可编程控制器的电源包括：为可编程控制器各工作单元供电的开关电源和为掉电保护电路供电的后备电源，其中后备电源一般为电池。

5.外部设备

1)编程器可编程控制器的特点是它的程序是可变更的，能方便地加载程序，也可方便地修改程序。编程设备是可编程控制器工作中不可缺少的设备。它一般分为两类：一类是专用的编程器，有手持的，也有台式的，也有的可编程控制器机身上自带编程器，其中手持式的编程器携带方便，适合工业控制现场应用；另一类是计算机，在计算机上运行可编程控制器相关的编程软件即可完成编程任务，软件编程比较容易，编好后下载到可编程控制器中去运行。编程器除了编程以外，还具有一定的调试及监视功能，可以通过键盘调取及显示PLC的状态、内部器件及系统参数。它经过接口(也属于输入输出口的一种)与处理器连机，完成人机对话操作。按照功能强弱，手持式编程器又可分为简易型及智能型两类。前者只能联机编程，后者既可联机编程又可脱机编程。所谓脱机编程是指在编程时，把程序存储在编程器本身存储器中的一种编程方式。它的优点是在编程及修改程序时，可以不影响PLC机内原有程序的执行，也可以在远离主机的异地编程后再到主机所在地下载程序。

2)其他外部设备

PLC还可能配设其他一些外部设备。

(1)盒式磁带机，用以记录程序或信息。

(2)打印机，用以打印程序或制表。

(3) EPROM写入器，用以将程序写入用户EPROM中。

(4)高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态。3.3.2PLC的软件系统

1.软件的分类

PLC的软件包含系统软件及应用软件两大部分。

(1)系统软件含系统的管理程序，用户指令的解释程序，另外还包括一些供系统调用的专用标准程序块等。系统管理程序用以完成机内运行相关时间分配、存储空间分配管理及系统自检等工作。用户指令的解释程序用以完成将用户指令变换为机器码的工作。系统软件在用户使用可编程控制器之前就已装入机内，并永久保存，在各种控制工作中并不需要做什么调整。

(2)应用软件(又称用户软件)是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的编程语言自主编制的程序。使用PLC实现某种控制目的，用存储在计算机中的程序实现控制功能，就是人们所指的存储逻辑。应用程序是一定控制功能的表述。同一台PLC用于不同的控制目的时就需要编制不同的应用软件。用户软件存入PLC后如需改变控制目的可多次改写。

2.应用软件编程语言的表达方式应用程序的编制需使用可编程控制器生产厂方提供的编程语言。至今为止还没有一种能适合于各种可编程控制器的通用编程语言。但由于各国可编程控制器的发展过程有类似之处，因此可编程控制器的编程语言及编程工具大体差不多。一般常见的有如下几种编程语言的表达方式：梯形图(LadderDiagram)、指令表(InstructionList)、顺序功能图(SequentialFunctionChart)、功能块图(FunctionalBlockDiagram)、结构文本(StructuredText)。3.4PLC的工作原理

3.4.1PLC的等效电路

PLC的等效电路如图3.8所示。

1．输入回路这一部分由外部输入回路、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触点，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，也可由独立的交流电源供电。图3.8PLC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后面章节中详细介绍。

3.输出回路输出回路由与内部控制电路隔离的输出继电器的外部常开触点、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有为内部控制电路提供编程用的常开、常闭触点外，还为输出电路提供一个常开触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；其他继电器与用户设备没有关系，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、计数器、计时器等。PLC的所有继电器统称PLC的元素，其使用及编程方法将在后面章节中详细介绍。3.4.2PLC的扫描工作方式

PLC靠执行用户程序来实现控制要求。为了便于执行程序，在存储器中设置输入映像寄存器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，然后再从头开始执行用户程序，周而复始。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的动作过程中，如果某个软继电器的线圈接通，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。3.4.3PLC的扫描工作过程

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3.9所示。

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。图3.9PLC工作周期的三个阶段

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触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。其原因就是因为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中，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3.10来表示。图3.10PLC扫描过程4. PLC对输入、输出的处理规则从上面分析的程序执行过程，可得出PLC对输入/输出的处理规则，如图3.11所示。

(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，输入映像寄存器区中的内容不会发生改变。

(2)输出映像寄存器(包含在元件映像寄存器)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。图3.11PLC输入/输出处理规则

(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，从输入映像寄存器和输出映像寄存器中读出。3.4.4扫描周期与输入/输出滞后

1.扫描周期与扫描周期的计算可编程控制器经过3个阶段的工作过程，称为一个工作周期。在运行(RUN)工作状态扫描3个阶段所需的时间称为扫描周期(其典型值为1～100ms)。完成一个扫描周期，又重新执行上述过程，扫描周而复始地进行。扫描周期是可编程控制器的重要指标之一。严格来讲，在PLC实际工作过程中，每个扫描周期除了前面所讲的输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段外，还要进行自诊断、与外设(如编程器、上位计算机)通信等处理，即一个扫描周期还应包含自诊断及与外设通信等时间。一般说来，同型号的PLC，其自诊断所需的时间相同，如三菱FX2系列机自诊断时间为0.96ms。通信时间的长短与连接的外设多少有关系，如果没有连接外设，则通信时间为0ms。输入采样与输出刷新时间取决于其I/O点数，而扫描用户程序所用的时间则与扫描速度及用户程序的长短有关。对于基本逻辑指令组成的用户程序，二者的乘积即为扫描时间。如果程序中包含特殊功能指令，则还必须根据用户手册查表计算执行这些特殊功能指令的时间。举例说明，如三菱公司FX2-40MR，配置开关量输入24点，开关量输出16点，用户程序1000步，不包含特殊功能指令，PLC运行时不连接上位计算机等外设。I/O的扫描速度为0.03ms/8点，用户程序的扫描速度为0.74µs/步，自诊断所需的时间为0.96ms，试计算一个扫描周期所需要的时间为多少?解：扫描40点I/O所需要的时间为：Tl = 0.03ms/8点 × 40点 = 0.15ms扫描1000步程序所需要的时间为：T2 = 0.74µs/步 × 1000步 = 0.74ms自诊断所需要的时间为：T3 = 0.96ms因PLC运行时，不与外设通信，所以通信时间为：T4 = 0ms这样一个扫描周期T为：T = T1 + T2 + T3 + T4 = 0.15ms + 0.74ms + 0.96ms + 0ms=1.85ms上面的例子中假设用户程序中没有特殊功能指令，而在实际的控制程序设计中，稍微复杂点的程序都包含特殊功能指令。对于特殊功能指令，逻辑条件满足与否，执行时间是不同的，甚至差异很大，从而计算出来的扫描周期也不一样。图3.12所示梯形图执行数据传送指令，若M8000常开触点闭合，则将数据寄存器D0的数据与数据寄存器D1相加，其结果存入数据寄存器D2中，该指令占内存为5步。查阅PLC用户手册可知，当逻辑条件满足(即常开触点M8000闭合)时，扫描所需时间为47.2µs；当逻辑条件不满足(即常开触点M8000断开)时，扫描所需时间为18.4µs。图3.12特殊功能指令由此看出，准确地计算扫描周期的大小是比较困难的。为了方便用户，FX2系列PLC采取了一些措施。如当PLC投入运行后，CPU将最大扫描周期、最小扫描周期和当前扫描周期的值分别存入D8012、D8011、D8010三个特殊数据寄存器中(计时单位：0.1ms)，用户可以通过编程器查阅监控扫描周期的大小及变化。如发现D8012、D8011、D8010存放的数值为120、100、105，则表示最大扫描周期为120 × 0.1ms = 12ms；最小扫描周期为100 × 0.1ms = 10ms；当前扫描周期为105 × 0.1ms = 10.5ms。在FX2系列PLC中，还提供一种以恒定的扫描周期扫描用户程序的运行方式。用户可将通过计算或实际测定的最大扫描周期再留一些余量，作为恒定扫描周期的值存放在特殊数据寄存器D8039中(计时单位：1ms)。当特殊辅助继电器M8039线圈被接通时，PLC按照D8039中存放的数据以恒定周期扫描用户程序。若实际的扫描周期小于恒定扫描周期，则CPU在完成本次循环后处于等待状态，直到恒定扫描周期的时间到，才开始下一个扫描周期。如果实际扫描周期大于恒定扫描周期，PLC将照常运行，但不再工作在恒定扫描周期方式。这说明恒定扫描周期的值并非任意设定，它必须大于PLC正常运行时可能出现的最大扫描周期值(即D8012存放的数值)。因为PLC采用扫描周期警戒计时器，监视每次扫描是否超过规定时间(如果主机出现故障，扫描周期变长，就会发出报警信号)，因此用户必须使警戒计时器(WDT)的设定值大于恒定扫描周期的值，否则CPU发出警戒计时报警信号。

2.输入/输出滞后输入/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为止之间的间隔。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起的干扰噪声，消除外接输入触点动作时产生的不良影响。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一般最大值在10ms左右；双向晶闸管型输出电路的滞后时间约为1ms(负载被接通时)或10ms(负载由导通到断开)；晶体管型输出电路的滞后时间一般为1ms左右。下面主要分析由扫描方式引起的滞后时间。如图3.13所示，梯形图中的X0是输入继电器，用来接收外部输入信号。波形图中最上一行是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。图中X0和Y0、Y1、Y2的波形表示对应的输入/输出(I/O)映像区的状态，高电平表示“1”状态，低电平表示“0”状态。图中输入信号在第一个扫描周期的执行用户程序阶段才出现，所以在第一个扫描周期I/O映像区寄存器均为“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先接通，再扫描下一行，Y1的常开触点闭合，所以Y2接通，它们在I/O映像区里的状态都变为“1”状态。图3.13PLC的输入/输出延时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。3.5PLC的分类及性能指标3.5.1PLC的分类可编程控制器产品的种类很多，一般可以从它的结构形式、输入输出点数以及功能范围进行分类。

1.按结构形式分类

1)整体式PLC整体式可编程控制器又称为单元式或箱体式。它将CPU单元、存储器单元、I/O单元、I/O扩展接口单元和电源单元等集中装在一个机箱内，I/O接线端子及电源进出接线端子分别装在机箱的上下两侧。机箱的面板上有相应的发光二极管LED来指示输入输出、电源及系统运行的状态，面板上还留有输入输出扩展接口的插座、外部设备接口单元的插座和EPROM存储器的插座等。这种整体式结构的可编程控制器结构紧凑、体积小、价格低，适用于单体设备的开关量自动控制和机电一体化产品的开发应用等场合。一般小型PLC都采用这种结构。

2)模块式PLC

模块结构形式将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块(有的包含在CPU模块中)和各种功能模块，然后组装在机架或母板上。在机架或母板的底板上有若干个模块插座和连接这些插座的内部系统总线。一些产品的机架或母板上还安装了与输入/输出扩展机连接的接口插座。这种模块式结构的可编程控制器配置灵活、装配方便，便于扩展和维修，一般大、中型PLC都采用这种结构，适用于复杂过程控制系统的应用场合。

2.按输入/输出点数分类

1)超小型PLC它的输入/输出点数在64点以下，输入/输出信号是开关量信号，功能以逻辑运算为主，并有计时和计数功能。这种PLC结构紧凑，为整体结构，用户程序容量为1～2KB。

2)小型PLC小型可编程控制器的输入/输出点数在64～128之间，用户程序存储器容量为2～4KB，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通信联网以及各种应用指令。

3)中型PLC中型可编程控制器的输入/输出点数在128～512点之间，兼有开关量和模拟量输入输出，I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能连接各种特殊功能模块，控制功能比较丰富，通信联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。用户程序存储器容量为4～16KB，一般采用模块式结构形式。

4)大型PLC大型可编程控制器的输入/输出点数在512～8192点之间，除一般类型的输入/输出信号外，还有特殊类型的输入/输出单元和智能输入/输出单元，控制功能完善，具有极强的自诊断功能，通信联网功能强，有各种通信联网的模块，可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。大型PLC还可以采用三CPU构成表决式系统，使机器的可靠性更高。用户程序存储器容量为16～64KB。

5)超大型PLC超大型可编程控制器的输入/输出点数在8192点以上，功能很强，可以与DCS相当，用户程序器容量大于64KB，采用模块式结构。

3.按生产厂家分类目前全世界生产可编程控制器的厂家约200多家，但大、中、小、微型均能生产的不太多。在中国市场占有较大份额、较有影响的公司生产的可编程控制器系列机型简介如下：

(1)美国罗克韦尔(ROCKWell)自动化公司所属的A-B(Allen-Bradlly)公司，A-B公司生产的PLC-5系列及SLC-5系列小型PLC。

(2)德国西门子(Siemens)公司生产的S5系列，具体有S5-95U、100U、115U、135U及155U。S7系列有S7-200、S7-300、S7-400等。

(3)总部设在法国的施耐德(Schneider)自动化公司所属的美国莫迪康公司生产的984型可编程控制器在大型与微型之间共有20多个型号。

(4)美国GE-Fanuc公司(美国GE公司与日本法南克公司合资)生产90-20系列小型机、90-30系列中型机及90-40系列大型机。

(5)日本立石电机公司(OMRON公司)的中小型可编程控制器在我国应用也很广。其产品主要有CPM1A/2A/2C系列、C200HX/HG/HE系列、CSI系列等。

(6)日本三菱(MITSUBISHI)公司的可编程控制器是较早进入中国的，其中小型机前期在国内用得较多，后又推出FX2系列与FX系列机，其中大型机为A系列机。

(7)日本松下电工公司生产的FP0系列为微型机、FP1系列为整体式小型机，FP2、FP3、FP10、FP10SH等为模块式(组合式)机。

(8)日本东芝公司生产EX及EX-PLUS系列小型机。3.5.2PLC的主要性能指标

PLC的性能指标是指PLC所具有的技术能力，如果只是一般地了解PLC的性能，了解如下的基本技术性能指标即可。

1.编程语言种类可编程控制器采用梯形图、语句表、功能块图等编程语言。不同厂家的可编程控制器编程语言不同，相互不兼容，而且可能拥有其中一种、二种或全部的编程方法。

2.存储容量可编程控制器的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器组成。系统程序存储器的容量大小是确定的。用户程序是用户根据实际生产过程控制的应用要求而编写的，因此，用户程序存储器的容量与控制的要求有关，它的容量大小是不固定的。用户必须根据其实际应用情况来选择有一定用户程序存储器容量的可编程控制器。可编程控制器的存储器容量通常是指用户程序存储器容量，通常用千字节(KB)来表示。在PLC中，程序指令是按“步”存放的，一条基本指令一般为一步，而复杂的指令往往若干步，因而用“步”来表示程序容量，一般以最简单的基本指令为单位，称为多少基本指令(步)。

3.输入/输出点数可编程控制器的输入/输出单元的种类和点数的多少决定了其应用规模的大小。用户应根据实际生产过程中的输入/输出信号点数和信号类型来选择不同的可编程控制器或相应的输入/输出单元模块。通常，开关量输入/输出单元采用最大的输入/输出点数来表示，模拟量输入/输出单元采用最大的输入/输出通道数来表示。在总的点数中，输入/输出点数总是按一定的比例设置，往往是输入点数大于输出点数。

4.扫描速度可编程控制器一般以扫描1000条基本指令所需的时间来表示其扫描速度，单位为ms/K步，各类指令的执行时间并不相同，所以大多场合还要标明是哪类程序。用户应根据应用程序的大小及所选产品给出的扫描速度指标来估算实际的扫描周期，以满足生产过程对控制周期的要求。

5.可扩展性可编程控制器的可扩展性包括：

(1)输入/输出点数的扩展；

(2)存储容量的扩展；

(3)控制区域和功能的扩展。

6.使用条件用户在选择机器时主要考查下列三个方面的使用指标。

(1)工作环境：如工作环境的温度、湿度和环境空气中尘埃的要求等；

(2)电源要求：如输入电压和频率范围、功耗等；

(3)抗干扰性能：如耐压强度、抗电磁干扰强度、抗震动强度等。3.6FX系列PLC简介目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中市场占有率较高的有日本、美国和德国的几个厂家。如：日本主要有三菱、富士、日立，东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司；美国主要有德州仪器公司、通用电气公司，歌德公司，数字设备公司等；还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。日本三菱电机公司(MITSUBISHI)于1971年开始研制PLC，目前主要有F1、F2、FX、K、A等十几个系列几十种产品，在我国(主要是华东和华南地区)的工业控制领域具有一定的市场占有率。本书将以具有代表性的FX系列超小型机作为对象进行介绍和讲解。3.6.1FX系列PLC的特点

FX系列超小型PLC具有超小体积和卓越性能。它由基本单元、扩展单元、扩展模块及特殊功能单元构成。

FX系列PLC有多种不同型号供用户选择，以满足不同应用场合的需求，如：FX0N、FX0S、FX1N、FX1S、FX2、FX2N等。其中FX2系列PLC是三菱公司高性能超小型机的代表。它的输入/输出点数为16～128点，配置扩展单元后可达256点；速度快，基本指令的执行速度为12μs/步；容量大，具有8K步的EPROM或E2PROM和2K步的RAM；丰富的软元件，有与