知识扩展

1.3　可编程序控制器的概念与特点

可编程序控制器是一种替代继电器控制系统的新型工业自动化控制装置，由于它具有体积小、功能强、可靠性高、操作简单、维修方便等优点，使它在工业电气控制领域中得到越来越广泛的应用，它是今后实现工业自动化的一种主要手段。因此，当今电气自动化技术人员熟悉它的基本原理、性能特点，掌握它在工业电气控制中的使用方法，是非常必要的。本节从应用角度介绍可编程序控制器的有关基础知识，为后面掌握它在电气控制中的应用打下基础。

1.3.1　可编程序控制器的概念

电气控制即以电能为控制能源，通过控制装置和控制线路，对工业设备的运动方式或工作状态实现自动控制的综合技术。多年来，人们用电磁继电器控制顺序型设备和生产过程。对于传统继电接触器控制系统，它是通过导线将各种输入设备（按钮、控制开关、限位开关、传感器等）与由若干中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的具有一定逻辑功能的控制电路连接起来，然后通过输出设备（接触器、电磁阀等）去控制被控设备，也称为接线控制系统。它具有原理简单、容易实现、经济实用等优点，在工业控制领域中长期广泛地被使用。但对于复杂的控制系统而言，往往需要使用成百上千个各式各样的继电器、成千上万根导线以很复杂的方式连接起来。其中一个继电器损坏，甚至一个继电器的某一对触点接触不良，都会影响整个控制系统的正常运行。导线越多，误差也越大。另外，若要改变控制任务就必须改变控制系统的元件和接线，重新布置。传统继电器控制系统由于所占空间大、接线复杂、不易维护、功能单一、通用性和灵活性差等缺点，已越来越不能满足现代生产工艺复杂多变、不断更新的控制要求。显然，需要寻求一种新的控制装置，使电气控制系统的工作更加可靠，易于维护，易于更改。

可编程序控制器就是传统继电接触控制系统的替代产品，它将继电控制系统的硬接线控制电路，用体积很小的可编程序控制器来取代，通过运行存于可编程序控制器中的用户程序来完成控制功能，即用软件编程取代了大量的继电器硬接线系统，这样不仅体积大大缩小，成本大大降低，而且易于维护，可靠性大大增强。另外，当控制任务改变时，不需要重新改变硬接线系统，只需修改存储器中的用户程序即可，非常方便。图1-22是继电器逻辑控制系统框图。图1-23是可编程序控制器控制系统框图。图1-24是可编程序控制器。

可编程序控制器是继电器控制思想和计算机控制技术相结合的产物，并逐渐发展成以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术及通信技术于一体的一种广泛应用的新一代工业电气控制装置。

首先，它是一个控制器，它所起的作用与继电器控制系统一样，都是对被控对象的状态进行电气控制，但它又是可编程序的，也就是通过软件编程取代了传统的继电器硬接线系统，把继电器线路所表示的逻辑运算关系编成用户程序，通过执行该程序，来完成控制任务，因此它把传统继电器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来，具有体积小、功能强、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、易于维护等优点，是实现机电一体化的理想控制设备。

国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案的第1稿，1985年1月又发表了第2稿，在1987年2月颁布的可编程序控制器标准草案的第3稿中，对它做了如下定义：

“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、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设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

可编程序控制器现正成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备，在工业生产自动化三大支柱，即可编程序控制器（PLC）、机器人（Robot）、计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）中，可编程序控制器居首位。

1.3.2　可编程序控制器的产生和发展

世界上第1台可编程序控制器PDP-14是美国数字设备公司（DEC公司）于1969年根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制出来的，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，满足了GM公司为适应市场需求不断更新汽车型号的要求。

限于当时的元器件条件和计算机技术的发展水平，早期的可编程序控制器主要由分立元件和中小规模集成电路组成。为了适应工业现场环境，它简化了计算机内部电路，中央处理装置采用1位计算机，同时对接口电路也做了一些改进。

20世纪70年代中期，随着微电子技术的发展，特别是微处理器（MPU）和微计算机的迅速发展，微处理器具有集成度高，体积小、功能强、价格便宜等优点，很快被用于可编程序控制器中而成为其核心部件，使可编程序控制器的性能价格比产生了新的突破。

由于早期的可编程序控制器只是用来取代继电器控制，主要进行逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，因此称为可编程序逻辑控制器，英文为ProgrammableLogicController，简称PLC。

随着微处理器的应用，使PLC的功能大大增强，已经不仅仅进行开关量的逻辑运算，还增加了数值运算、数据处理、闭环调节、模拟量PID控制和联网通信等功能。美国电气制造商协会（NEMA）经过四年多的调查，于1980年正式将其命名为可编程序控制器（Program-mableController，PC），1985年1月国际电工委员会（IEC）对PC的命名作了肯定。

温馨提示 PC容易和个人计算机（PersonalComputer，PC）相混淆，故我们仍习惯地用PLC作为可编程序控制器的缩写，以下我们统一采用PLC的表示方法。

随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的快速发展，以其作为核心部件的PLC也得到了惊人的发展。从1974年的Z80、8085、M6800系列，1975年的16位或32位的8086、M68000、NS16032、IAPX432系列等，到1976年的MCS-51系列、位片式处理器AMD2900系列等也日益成熟，使PLC不仅控制功能大大增强，可靠性进一步提高，功耗降低，体积减小，成本下降，编程和故障检测更加灵活方便，而且随着数据处理，网络通信，远程I/O以及各种智能、特殊功能模块的开发，使PLC不仅完成顺序控制、逻辑控制，还能进行连续生产过程中的模拟量控制、采样控制、位置控制等。还可实现柔性加工和制造系统（FMS），它具有逻辑判断、定时、计数、记忆、跳转、步进、移位、数据传送及四则运算等功能。应用面不断扩大，它以其可靠性高、组合灵活、编程简单、维护方便等独特优势，被日趋广泛地应用到机械制造、冶金、化工、交通、电子、纺织、印刷、食品、建筑等各个控制领域，它的应用深度和广度已成为一个国家工业先进水平的重要标志。

自第一台PLC问世以来，在其后短短的30多年间，这项新技术得到了异常迅猛的发展。1971年，日本从美国引进了这项新技术，并研制出日本第一台可编程序控制器DSC-8。1973年欧洲开始生产可编程序控制器。我国从1974年开始研制，并于1977年开始工业应用。

在全世界上百个PLC制造厂中，有8家主要生产公司：日本的立石公司（OMRON）、日本的三菱公司、日本松下电工、美国罗克韦尔（Rockwell）自动化公司所属的A-B公司、GE-Fanuc公司、德国的西门子公司、同属于施耐德自动化公司的美国的Modicon公司和法国的TE公司。这8家公司控制着全世界80%以上的PLC市场，它们都有自己的系列产品。小型机：日本立石公司的SYSMACCPM1A系列，三菱公司的F、F1、F2、FX2、FX1、FX0、FX0N、FX2C，西门子公司的S7-200型，松下公司的FP0、FP1型。大中型机：立石的CQM1系列，三菱的AnA系列，西门子公司的SIMATICS5155U系列，日本松下公司的FP3、FP10SH系列等。

近几年PLC的推广应用在我国也得到了迅猛的发展。随着大量国外PLC的引进，我国不少厂家也研制了一批PLC，主要生产单位见表1-9。

但总的来说，国产的小型PLC（I/O点数≤256）至今还形成不了完整的系列产品，在功能上与国外的小型PLC相差甚远，运算速度比较慢，大多属于中小型低档产品，但性能价格比较高。

目前PLC在规模和功能上，随着科学技术的发展更加完善，总的发展趋势是系列化、通用化和高性能化。

1.　大力发展简易经济的超小型PLC

小型PLC一般指I/O点数小于或等于256点的PLC，小型PLC一般采用的是整体式结构，即把CPU、输入/输出接口、电源、存储器都放在一起，结构紧凑，使用方便。小型PLC的应用和发展比大中型PLC更快，因为它体积小、价格便宜、性能价格比不断提高，很适合于单机控制、小型自动化或组成分布式控制系统，应用非常广泛。日本公司在小型PLC方面占有率很高。现在的小型PLC往体积更小（超小型）、功能更强（专用化、模块化）、成本更低的方向上发展。有的微型PLC被称为“手掌上的PLC”，底部面积只有卡片大小，如松下电工公司生产的超小型FP0型PLC，14个I/O点，尺寸仅为60mm×90mm×25mm，可以扩充到128个I/O点，宽度也只有105mm。Keyence公司的KX-10型，10个I/O点，尺寸仅为70mm×90mm×43mm。OMRON的CPM1A型超小型PLC，10个I/O点，底部尺寸仅为90mm×67mm。现在有的微型PLC已具有大型PLC的高级功能，如PID回路调节、中断、高速计数器、PWM脉宽调制、双精度数字运算、温度控制、很强的通信联网功能等。

2.　发展大容量、高速度、高性能的PLC

大型PLC一般采用多CPU结构，在结构上把CPU、I/O接口、电源、存储器都制成独立的模块，可以通过插槽根据实际控制目的任意插接，使PLC功能更加强大，速度更快，容量更大，可以满足现代企业中那些大规模、复杂系统自动化的需要。它们不仅可进行开关量逻辑控制，还具备模拟量I/O模块和智能PID模块，有的PLC还具有模糊控制、自适应、参数自整定功能，使速度更快，精度更高。PLC之间的联网和PLC与计算机之间的联网通信，使系统具有屏幕显示、数据处理与文字处理、函数矩阵运算、批处理、故障搜索与自诊断、可调扫描时间、线性插补、数据采集、记录打印等功能。

如松下公司的FP10SH系列PLC采用32位5级流水线RISC结构的CPU，可以同时处理5条指令，顺序指令的执行速度高达0.04 μs/步。西门子公司的SIMATICS5155U系列PLC有4个CPU，同时执行不同的任务，存储容量可以扩至100MB，可以处理8192个开关量I/O和384个模拟量I/O。

3.　功能不断增强，各种应用模块不断推出

不断增强其对过程控制（模拟量控制）和数据处理功能；增强PLC的联网通信功能，便于分散控制与集中控制的实现；大力开发多种功能模块和应用软件，如智能PID模块和APT软件，使PLC功能更强、更可靠，组成和维护更加灵活方便，应用范围更加扩大。

4.　产品更加规范化、标准化

为了使不同产品间能相互兼容，易于组网，PLC厂家努力使其基本部件如I/O模块、接线端子、通信协议、编程语言和工具等方面的技术规格规范化、标准化，日益向MAP（制造自动化通信协议，一种七层模拟式，宽频带，以令牌总线为基础的通信标准）靠拢，日益符合IEC1994年公布的可编程序控制器标准（IEC1131）。

5.　与其他工业控制产品融合

1）PLC与个人计算机的融合

将PLC与个人计算机结合在一起，形成一种新型控制装置IPLC（即集成可编程序控制器）。它的典型代表是金字塔集成器，是1988年10月由美国的A-B公司将大型PLC-5/250与美国数字设备公司DEC公司的MicroVAX计算机，放在同一块VME总线底板上组合而成，借助个人计算机强大的数据运算、处理和分析能力，通过DECnet网络，用户能与工厂现场直接通信；通过接口模块，此集成器还可以与A-B公司的DH/DH+通信网络、以太网、MAP/OSI网联网通信，这种网络价格低，用途广，深受小型工厂用户的欢迎。一般来说集成型PLC不直接控制现场设备，它起着沟通PLC局域网与工厂级网络的桥梁作用。IPLC既是PLC，是能运行DOS系统的PLC，又是计算机，是能用梯形图语言控制输入/输出的计算机。西门子、三菱等许多公司都推出了IPLC产品，以每年增加60%的速度迅速发展。

2）PLC与DCS的融合

PLC优于进行开关量逻辑控制，而DCS（集散控制系统）优于进行模拟量回路控制，两者结合，可以优势互补，形成一种新型的全分布式计算机控制系统。西门子公司生产的SIMATICPCS就是两者融合的产物，它集电气控制、过程控制和系统管理于一体，能直接迅速地采集和处理从现场到管理全方位的信息。

3）PLC与CNC的融合

CNC即计算机数值控制装置，常应用于机械加工中。把PLC与CNC组合成一体，组成数控机床，可以实现PLC与CNC设备之间内部数据的自由传递，在节省成本和节约空间方面有很大的意义。

以上列举了3个PLC与其他工业控制产品相融合的方面，在这些控制系统中，都采用开放式的应用平台，即网络、操作系统、监控及显示均采用国际标准或工业标准，如操作系统采用UNIX、Windows、OS2等，遵循标准通信协议（MAP），可使不同厂家的PLC产品连接在一个网络中运行，分别执行不同的功能。

1.3.3　可编程序控制器的主要特点

1.　编程方法齐全，简单易学

PLC的编程语言一般有梯形图语言、指令程序、逻辑功能图、顺序功能图、高级语言（如BASIC、C语言、Graphcet、FORTRAN等）。最常用的是梯形图编程语言，因为它的电路符号和表达方式与继电器电路原理图十分相似，直观易懂。电气技术人员通过阅读PLC的使用手册或接受短期培训，只需几天时间就可以掌握它，而不需要了解计算机原理和电子线路，所以深受电气技术人员的欢迎。这也是PLC近年来迅速普及的主要原因之一。

梯形图语言配合顺序功能图，既可以写成指令程序由编程器输入，又可以与计算机联网，直接在计算机上编程。它实际上是一种面向控制过程和操作者的“自然语言”，比任何一种计算机语言都好学、易懂。

2.　功能完善，通用性强，应用灵活

PLC除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合各种扩展单元、智能单元和特殊功能模块，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，可以实现位置控制、PID运算、模拟量控制、远程控制等，它的适用性极强，既可控制单台设备，又可组成多级控制系统；既可用于现场控制，又可用于远程控制。

由于PLC的系列化和模块化，各种硬件装置配套齐全，相当灵活，可以组成能满足系统大小不同及功能繁简各异的控制系统要求。用户只需将输入、输出设备和PLC相应的输入、输出端子相连接即可，安装简单，工作量少。当控制要求改变时，不必更改PLC硬件设备，因为软件本身具有可修改性，所以只需修改用户程序就可以达到更改控制任务的目的，PLC灵活的在线修改功能使它具有很强的“柔性”。

3.　可靠性高，抗干扰能力强

PLC用软件编程取代了继电器系统中容易出现故障的大量触点和接线，这是PLC具有高可靠性的主要原因之一，除此之外，PLC在软件、硬件方面还采取了一系列抗干扰措施以提高可靠性。

PLC的检测与诊断系统可以对系统的硬件、锂电池电压、交流电源、电源电压的范围、传感器和执行器等进行检测，还可以检查用户程序的语法错误等，一旦发现问题，PLC自动做出反应，如报警、封锁输出等。

采用滤波可以对高频干扰信号起到良好的抑制作用，采用光电隔离可以有效地避免外部过大的电压、电流对CPU的影响。PLC在内部安装一个硬件定时器——监控定时器（WDT），可以对扫描同期进行监控，使PLC自动恢复正常的工作状态，利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测，并采取信息保护和恢复措施。

PLC配备一个EPROM写入器把用户程序备份，以保障停电后信息不丢失，为了适应工业现场的恶劣环境，PLC采用导电导磁材料屏蔽CPU模块和电源变压器，并采用密封、防尘、抗震的外壳封装结构。PLC采用巡回扫描的工作方式也提高了抗干扰能力，另外还采用了求和检查、奇偶校验、冗余结构设计和差异设计等容错技术，使其可靠性大大提高。

通过以上措施，使PLC具有极高的可靠性和很强的抗干扰能力，通常可以承受1 kV，1 μs的脉冲串的干扰，保证了PLC能在恶劣的工业现场可靠的工作。据不完全统计，PLC平均故障间隔时间（MTBF）大于（4～5）×104 h，而平均修复时间则小于10 min。

4.　系统的安装调试工作量少，维护方便

PLC系统安装只需要将输入、输出设备与PLC输入、输出接口对应连接即可，省去了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等硬件的连接，使其安装工作量大大减少。

PLC的用户程序可以在实验室进行模拟调试。因为它的输入/输出接口都有对应的发光二极管来反映状态，所以输入信号可以用微型开关来模拟，输出信号的状态可以观察对应的二极管，在实验室调试成功的用户程序一般在现场都能正常运行，因此减少了现场调试的工作量。

PLC可靠性高，故障率很低，并且具有十分完善的自诊断系统和履历情报存储监视功能，其内部工作状态、通信状态、异常状态和I/O点状态均有显示功能，所以一旦PLC系统出现故障时，使用者可以通过PLC上的发光二极管和编程器提供的信息迅速方便地查明故障原因。PLC发生故障的部位80%集中在输入/输出等外围装置上。通过更换模块的方法就可以迅速地排除故障。

5.　体积小，功耗低

PLC结构紧密，体积小巧，能耗低。OMRON的CPM1A超小型PLC（10个I/O点），功耗≤30 VA，OMRON的C20P（20个I/O点），功耗≤40 VA。由于PLC的体积小，易于装入机械设备内部，还可制成占地很少的电气控制柜，是实现机电一体化的理想控制设备。

1.3.4　可编程序控制器的主要功能及应用领域

随着PLC的功能增强，性能价格比的不断提高，它的应用范围几乎覆盖了所有工业企业，可以说凡是需要进行自动控制的场合，都可以用PLC来实现，如钢铁、化工、电力、机械制造、纺织、汽车、环保、冶金、交通、建筑、食品、造纸、石油、轻工、娱乐等各行各业。据统计，在工业自动化设备中PLC在企业中的应用占82%，名列第一，它的销售额年增长率超过20%。

它的应用主要有以下几个方面：

1.　开关量逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛应用的领域，也是工业现场中最常见的一种控制类型，用价格低的小型PLC取代传统的继电器顺序控制系统，使逻辑控制线路大大简化，减少了故障率，提高了可靠性，实现单机、多机群以及生产线的自动化控制，如机床电气控制、电机控制中心、包装机械、印刷机械、注塑机、装配生产线、电镀流水线及自动电梯控制等。

2.　运动控制

国外各主要PLC厂家生产的PLC几乎都具有运动控制功能，可用于对直线或圆周运动进行控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在用单轴或多轴位置控制模块、高速计数模块等专用的运动控制模块来控制步进电机或伺服电机，PLC把描述目标位置的数据送给模块，模块移动一轴或多轴到目标位置，当每个轴移动时，位置控制模块能使运动部件以适当的速度和加速度平滑运动。相对来说，位置控制模块比CNC（计算机数值控制）装置体积更小，价格更低，速度更快，操作更方便。

PLC的运动控制功能广泛地用于金属切削机床、金属成形机械、机械手、装配机械、机器人、电梯等。

3.　闭环过程控制

PLC不仅可以进行开关量逻辑控制，还可以进行模拟量控制。PLC通过模拟量I/O模块配用A/D、D/A转换模块和智能PID（ProportionalIntegralDerivative）模块，实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行单回路或多回路闭环过程控制，当控制过程中某个变量出现错误时，PID控制算法会计算出正确的输出，使这些物理参数保持在设定值上。

这一功能可以用PID子程序来实现，更多的是使用专用的智能PID模块，此功能已广泛应用到加热炉、锅炉、热处理炉等设备以及电梯的运动控制、空调的温湿度控制等。

4.　数据处理

大中型PLC除了进行算术运算外，还具有数学运算（包括函数运算、矩阵运算、逻辑运算等）、数据传输、数制转换、比较排序、检索和移位以及查表、位操作、编码、译码等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在数据存储器中的参考值进行比较，也可以用通信功能传送给其他的智能装置。利用它的这个功能，在机械加工中，常把PLC和计算机数值控制（CNC）装置组合成一体，组成数控机床，可以实现PLC与CNC设备之间内部数据的自由传递。数据处理一般用于大、中型控制系统，如柔性制造系统（FMS）、过程控制系统、机器人控制系统等。

5.　通信和联网

大中型PLC具有较强的通信联网功能，通过PLC的网络通信功能模块及远程I/O控制模块可以实现多台PLC之间的通信，PLC与上位计算机的链接，组成多级控制系统，实现远程I/O控制或数据交换、数据共享，来完成大规模的复杂控制，实现工厂自动化（FA）网络。

常见的形式是多台PLC分散控制，由一台上位计算机集中管理，称为集散控制系统。它们之间都采用光纤通信，多级传递。I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理信息的分布式网络系统。

综上所述，PLC的应用领域十分宽广，当然并不是所有的PLC都能胜任上述全部功能，小型PLC只具有上述部分功能，以逻辑控制为主，但因其体积小、价格低，在单机自动化中应用特别广泛，而大中型PLC功能全面，具有较高的性能价格比，因此被用在大规模复杂系统的控制中。

PLC在各行各业中得到了广泛的应用，下面仅就建筑电气自控方面列举一些例子：用于输煤系统，锅炉燃烧系统，灰渣、飞灰处理系统，锅炉的启动、停车系统，发电机、变压器监控系统，料场进料、出料控制，数控机床，传送机械，机器人，自动仓库控制，搅拌机控制，自动配料控制，电梯控制，空调控制，楼宇消防系统控制，楼宇供电照明控制等。

1.4　可编程序控制器的系统结构组成与作用

1.4.1　可编程序控制器的系统结构组成

PLC是以微处理器作为核心的专用计算机系统，只比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言，所以其基本结构与计算机系统十分相似，虽然各厂家PLC产品种类繁多，功能和指令系统不同，但其结构和工作原理大同小异。

PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口、编程器、电源五大部分组成，图1-25是PLC典型硬件系统结构图，图1-26是PLC逻辑结构示意图。

PLC内部采用总线结构进行数据和指令的传输，首先使用编程器将用户程序输入到存储器用户程序存储区中，把PLC本身看做一个系统，该系统由输入变量→PLC→输出变量组成，各种外部信号如开关信号、模拟信号、传感器检测信号作为PLC的输入变量，通过输入接口被CPU采集并送入到输入状态寄存器，同时逐条读入并执行用户程序，在PLC内部进行逻辑运算或数据处理后，把运算结果传送到输出状态寄存器，并以输出变量的形式通过输出接口去驱动输出设备，达到控制目的。

1.4.2　可编程序控制器各部分的作用及常用类型

1.　中央处理单元（CPU）

CPU是整个PLC的核心，如图1-27所示，类似于人类的大脑和心脏，它用来实现各种运算并对整个系统进行全面控制，起着总指挥的作用，从结构图中可以看出，CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储器、I/O接口、编程器、外设接口、I/O扩展接口相连接，来控制它们。

1）作用

PLC根据系统程序指挥各个系统有条不紊地工作，在一个扫描周期内它主要完成以下工作。

（1）输入处理：用扫描的方式检测并采集从现场输入设备（如开关、按钮、触点等）送来的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中。

（2）程序执行：接收并存储从编程器输入的用户程序和数据，在运行状态时，按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取并解释用户程序，按程序规定的任务完成各种运算和操作，分时、分渠道地执行数据的存取、传送、组合、比较和变换等工作。并根据逻辑运算或算术运算的结果存储相应数据，更新各有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容。

（3）输出处理：将最后产生的存于数据寄存器和输出映像寄存器的结果传送给输出电路（如指示灯、电磁阀、线圈等），去控制外部负载。

（4）其间响应各种外部设备（如编程器、打印机、上位机、图形监控系统等）的工作请求，监视和诊断PLC电源、内部电路、运算过程及编制程序中的语法错误等。

2）常用类型

不同型号的PLC可能使用不同的CPU部件，小型PLC一般使用8位通用微处理器，如Z80、8080、8085、M6800等，8位的单片微处理器又叫单片机。以美国INTEL公司的MCS-51系列的8051为代表产品，集成度高，体积小，功能强，价格低，很适合在小型PLC上应用。

一些中型PLC使用双极型的8位CPU，如N8X3001可以提高扫描速度。大、中型PLC使用16位或32位微处理器，如8086等。另外，INTEL公司的96系列16位单片机，速度更快，功能更强，很适合、大中型PLC使用。

位片式微处理器为双极型电路，以4位为一片，用几个位片级联，可以使用多个微处理器，将控制任务划分为若干个并行处理的部分，同时进行，可以极大地提高运算速度，代表产品为AMD2900系列，许多大型PLC都使用这种芯片来提高性能。

2.　存储器

存储器结构示意图如图1-28所示，由存储体、地址译码电路、读/写控制电路和数据寄存器组成。

1）作用

（1）写入：首先将要写入的信息通过数据总线送到数据寄存器，再通过地址总线给出存储单元的地址，地址译码电路选中相应的单元，然后发出“写”命令。这时，数据寄存器中的数据就写入相应的存储单元中。

（2）读出：首先通过地址总线给出要读的存储单元地址，地址译码电路选中相应的存储单元，然后发出“读”命令。这时，相应存储单元中的内容就读入数据寄存器中。

存储器的作用是存储、写入、读出信息。

PLC内部存储器包括两部分：系统程序存储器和用户程序存储器。

系统程序存储器用来存放系统程序（包括系统管理程序、监控程序、用户指令编译解释程序、标准程序模块及调用程序等）相当于微机的操作系统，系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，系统程序的多少决定了PLC的功能强弱。它在PLC出厂前已经由生产厂家固化到只读存储器ROM中，用户不能更改。它使PLC具有基本的智能，能够完成各种控制任务。

用户程序存储器又分为程序存储区（程序区）和数据存储区（数据区）。程序区主要用来存放各种用户程序，数据区主要用来存放输入/输出变量状态、定时器/计数器的设定值、中间继电器元件状态或其他中间结果数据等。用户程序存储器一般由随机存储器RAM构成，内容可以随时读出并更改。为了防止断电使RAM中的内容丢失，PLC配备了锂电池作为后备电源，其寿命一般为3～5年。

2）常用类型

系统程序存储器常用类型为ROM，只读不能写，非易失的，断电内容不丢失。

用户程序存储器常用类型有CMOSRAM、EPROM和E2 PROM（或EEPROM）。

CMOSRAM是一种耗能很小的随机存储器，可以读写，但是易失的，为了防止断电内容丢失，PLC为RAM配设了锂电池备用电源进行掉电保护，寿命为3～5年，需要更换电池时，PLC会通知用户，这样，关断电源后RAM中的内容就不会丢失了。

EPROM是只读存储器，是非易失的，但用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除原来的内容，再写入新内容，它是可改写的只读存储器，各种PLC都设有EPROM接口，并配有EPROM写入器，通过它把调试好的用户程序写入到主机外的EPROM中保存起来，留做备用，一旦用户程序因偶然原因遭到破坏，可以通过设定位于EPROM插座内的微型开关，使主机按EPROM中的用户程序运行。

E2 PROM也是一种可改写的只读存储器，是非易失的，可以用电信号对其进行擦除，并写入新的内容，可以用编程器对它编程，它兼有ROM的非易失性和RAM的可读写性，使用很方便，它比RAM和EPROM价格高一些。

由于系统程序存储器只读不能随意存取，所以在PLC产品手册中所给出的存储器类型和容量通常都是针对用户程序存储器而言的，常用“字”来表示存储器容量（每个字为16位二进制数），有的PLC用“步”来表示，每一步存储一条指令。

3.　输入/输出（I/O）接口

1）作用

输入/输出（I/O）接口，是将PLC与现场各种输入、输出设备连接起来的接口或称模块，起到桥梁作用，如图1-29所示。输入模块的主要作用是通过输入端子接收和采集来自外部输入设备的输入信号，并将这些信号转换成CPU所能接收和处理的数字信号，送入输入映像寄存器，供CPU进行控制。包括两大类信号：一类是由操作按钮、限位开关、光电开关、选择开关、行程开关、数字拨码开关、继电器触点、接近开关、压力继电器等送来的开关量输入信号；另一类是由变送器、电位器、测速发电机、热电偶等送来的模拟量输入信号。

输出模块的主要作用是将经CPU处理过的在输出映像寄存器中的输出数字信号（1或0）传送给输出端的各种执行元件（如接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置、调节阀、调速装置等），从而控制它们的状态。

I/O模块除了桥梁作用，还具有电平转换和电气隔离作用。因为PLC的输入/输出信号电压一般较高，直流为24 V，交流为220 V。因为CPU模块的工作电压一般是5 V，所以输入电平转换能把现场送入PLC的不同等级电压、电流信号转换成CPU能够接收的标准电平信号；输出电平转换能将CPU产生的低电平逻辑信号转换成外部负载所需要的电压信号。另外，因为从现场进入的尖峰电压等强电信号和干扰噪声会损坏CPU，使其不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出设备相连，通过I/O接口，因其采用了光电耦合电路具有光电隔离作用，使PLC与输入/输出设备没有电的联系，从而大大减少了电磁干扰，保护CPU正常工作，提高了可靠性。

每一个I/O点都有固定的编号，每一种PLC都有自己的编号原则。每一个输入点对应着输入映像寄存器的某一位，每一个输出点对应着输出映像寄存器的某一位。因此可以把I/O状态用软件编在程序中进行逻辑运算。并且在PLC面板上对应每一个I/O点都配有发光二极管来显示其状态，可方便直观地监视I/O状态，还可对所编软件进行离线模拟调试。

2）基本线路和原理

PLC的I/O模块种类和数量很多，但基本线路和原理大致相同，下面以应用最广泛的开关量I/O模块为例，介绍其基本线路及原理。开关量I/O模块框图如图1-30所示。开关量I/O模块的输入/输出信号只有接通和断开两种状态，电压等级有直流5 V、12 V、24 V、48 V、110 V和交流110 V、220 V等，开关量I/O模块I/O点数可以有4点、8点、16点、32点、64点。

（1）输入模块基本线路。

输入模块根据使用电源的不同分为直流输入型、交流/直流输入型和交流输入型。

图1-31（a）是直流输入接口电路与输入设备的连接示意图，各输入开关应并联在直流电源上。COM是它们的公共端。输入回路所用的直流电源，一般由PLC内部提供，不需用户外接，用户只需用导线将各输入开关的一端接在相应输入端子上，另一端一起接在直流电源的负极上即可。有些PLC的电源与各输入回路已在机内连接好，外部只需连接无源触点即可。有的PLC还可以为接近开关、光电开关之类的传感器提供24 V电源，如图1-12（b）所示。从图1-31（a）中可见，当外接开关（按钮、触点等）闭合时，输入回路接通。光电耦合器中的发光二极管就产生与输入端信号变化规律相同的光信号，光敏三极管在光信号照射下饱和导通，将光能转换成电能，此电信号与输入信号是一致的，那么，输入信号经过光电耦合后再经过反相器，把高电平变为低电平，就被送入存储器上的输入映像寄存器中，供CPU作逻辑或算术运算用，同时PLC面板上相应的发光二极管亮。图1-12（a）中的470 Ω和3 kΩ电阻组成分压器，二极管D防止反极性的直流信号输入。

从光电耦合器的工作原理可以看出，它经过“电—光—电”这个过程，把输入电信号传给了PLC内部电路，但它们之间并无电的联系。因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰，由于输入端是发光二极管，其正向阻抗大约是100～1000 Ω，因此输入阻抗较低而外界干扰源的内阻都较大，所以干扰源能馈送到输入端的干扰噪声很小，另外由于干扰源的内阻较大，虽产生较高的干扰电压，但只能产生很弱的电流，而发光二极管只有通过一定量的电流才能发光，这就抑制了干扰信号，总之，通过这种电性能的完全隔离，可以防止现场干扰串入PLC，增强了PLC的抗干扰能力。

图1-32是交流/直流输入接口电路图。当输入触点接通后，交流/直流输入信号经过滤波和整流变换为直流，再通过光电耦合器把信号传给PLC内部电路。

图1-33是交流输入接口电路图。其基本原理与直流输入模块相似，只是使用交流电源，光电耦合器中有两个反并联的发光二极管，这样的光耦电路不仅起到电气隔离作用，还对交流信号起到整流作用。同交流/直流输入电路一样，在输入电路中设有RC滤波电路，是为防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误的输入信号。滤波电路延迟时间的典型值为10～20 ms（信号上升沿）和20～50 ms（信号下降沿），输入电流约为10 mA。PLC一般不提供交流输入所需的交流电源，需用户外接，其电压等级为110 V左右。

输入模块的外部接线方式通常有三种：汇点式、分组式和分隔式，如图1-34所示。

汇点式接线的特点是各输入回路只有一个公共端COM，公用一个电源，这种方式适用于使用一种电源的情况。图1-31和图1-33就是汇点式接线方式；分组式接线的特点是把全部输入点分成若干组，每组点数不等，每组有一个公共端COM，公用一个电源，可以分别使用不同的电源。通常是把使用直流电源的所有输入点放在一组，把使用交流电源的所有输入点放在一组。分隔式接线的特点是每一个输入回路都有一个公共端COM，由单独的一个电源供电。每组可以使用不同的电源，各输入点是相互隔离、彼此独立的。

小经验 由于输入信号大多数是开关、按钮等，所以输入模块多采用汇点式的接线方式。

（2）输出模块基本线路。

为了适应不同类型的输出设备负载，PLC输出模块电路中使用不同的功率放大元件，根据其输出开关器件的不同，PLC的输出模块通常有以下三种方式：继电器输出型、晶体管输出型和双向晶闸管（可控硅）输出型，分别如图1-35、图1-36、图1-37所示。

继电器输出型属于有触点输出方式，当PLC要输出控制信号时，CPU将存于输出映像寄存器中的最终输出信号送至该路输出端，经反相后，将低电平变成高电平，使微型继电器线圈通电，同时发光二极管发光显示，继电器触点闭合使外部负载回路接通。可见继电器不仅起到功率放大的作用，而且还起到隔离作用，同输入模块电路的光电耦合作用一样，提高了PLC的可靠性，它可用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。由于它只为负载提供一个接通信号（触点闭合），不为负载提供电源，所以负载工作电源由用户外部提供，根据负载要求，电源可以是直流（5～24 V），也可以是交流（80～250 V）。

与触点并联的RC串联电路和压敏电阻起能量吸收作用，以消除触点断开时产生的电弧。当负载使用交流供电时，熔断器FU起保护作用，以防止因电磁铁类负载被卡住等故障而产生很大的电流，使负载线圈过热烧毁或将继电器触点烧熔。现在，某些新式的模式是用非破坏性的电子保护电路代替熔断器。

继电器输出方式存在微型继电器触点的电气寿命和机械寿命问题。当使用阻性负载时，它的电气寿命一般为50万次左右；当使用感性负载时，一般为10万次左右。

晶体管输出型为无触点输出方式，输出信号经反相器，再经光电耦合器送给晶体管或场效应管，它们的饱和导通和截止状态相当于触点的接通和断开。图1-17中的稳压器D1用来防止负载失电时产生的高电压将光耦晶体管击穿。晶体管和场效应管电路的延迟时间都很小，小于1 ms，开关动作快，寿命长，可用于接通或断开开关频率较高的负载回路。晶体管输出型由用户提供电源且只能带直流电源负载，极性不能接反。

双向晶闸管输出型也是无触点输出方式。它的工作原理与晶体管输出型基本相同，输出信号经反相器，再经过光电耦合器送给双向可控硅，使其导通，负载得电。它用光电晶闸管实现隔离，它也是无触点输出方式，延迟时间也很短，开关动作快，寿命长，也可用于接通或断开开关频率较高的负载回路，只是它必须带交流电源负载，并由用户外部提供。

并联在双向晶闸管两端的RC吸收电路和压敏电阻，用来抑制负载的关断过电压和外部的浪涌电压，保护双向可控硅。

小经验 从以上三种类型的输出电路可以看出，用户可以根据不同的控制要求选用输出电路，一般低速、大功率负载采用继电器输出型；高速、小功率负载可用晶体管输出型；高速、大功率负载采用双向晶闸管输出型。而且PLC都具备这三种输出方式，把它们做成模块式，可随意插拔，更换起来十分方便。

输出模块的接线方式也有汇点式、分组式和分隔式三种方式，如图1-38所示，其特点与输入模块接线基本相同，这里不再重复。

小经验 由于在实际应用中，PLC外部负载种类很多，所使用的电源不同，故输出模块一般多采用分隔式的接线方式。

3）常用类型

PLC的I/O模块种类繁多，通过它可以实现各种各样的控制目的。其中开关量I/O模块是最常用、应用最广泛的，也是PLC的主控模块，实现基本控制功能。另外，还有各种高功能模块，可实现某一种特殊的专门功能，它的数量多少，功能强弱，常是衡量PLC产品水平高低的一个重要标志。目前已开发的常用高功能模块有下列几种。

（1）模拟量I/O模块。

通过A/D转换（输入）和D/A转换（输出）实现模拟量（如温度、流量、速度、压力、位移、电动阀门、液压电磁铁等）的控制。初期一般只有大、中型PLC具有模拟量I/O模块，目前随着技术的发展及应用的广泛，超小型PLC也具有模拟量控制功能。每个模拟量I/O模块可能有2/4/8/16路输入或输出通道，每路通道的I/O信号电平为1～5 V/0～10 V/-10～+10 V，电流为2～10 mA，通常是分开的，也有放在一起的。

图1-39是模拟量输入电路示意图。多路转换开关将各路模拟信号分时地送给A/D转换器，光电耦合器将转换后的数字信号送入PLC的数据总线。

图1-40是模拟量输出电路示意图。数字信号经锁存器和光电耦合器送给D/A转换器，多路开关将转换后的模拟信号分别送给各个采样保持器，模块可以输出模拟电压Uo，也可以输出模拟电流Io。

A/D、D/A转换器的二进制位数越多，精度越高，小型PLC一般使用8位A/D、D/A模块，大、中型PLC一般使用10位或12位A/D、D/A模块，可以配置成百上千个模拟量通道。

（2）拨码开关模块。

由于PLC内部的定时器/计数器，其设定值和经过值都以BCD码的形式存在，使用拨码开关模块，可以通过拨码盘直接按十进制拨码，给定时器/计数器直接置数。图1-41表示了与一个拨码盘对应的拨码开关输入模块的工作示意图。每位拨码盘有10个输入端、4个输出端，可拨入0～9中的1位十进制数。例如，将拨盘拨到数字“2”上，则经二进制/十进制编码后，输出二进制代码（BCD码）0010，送入拨码开关模块输入口，送入PLC内部。如果要用4位十进制数预置，就需要用4位拨码盘拨数。

（3）高速计数模块。

当外部输入的脉冲信号频率很高，PLC内部普通计数器无法响应时，需配备高速计数模块。它可以对来自旋转编码器、电子开关、数字码盘等装置的几十千赫甚至上兆赫的脉冲进行计数。它一般都带有微处理器，有一个或几个开关量输出点，当计数器的当前值等于预置值时，相应的输出被驱动，与PLC的扫描过程无关。

（4）PID过程控制模块。

过程控制是指对连续变化的模拟量的控制，一般采用PID控制方式。图1-42是PID控制方框图。SP是设定值，PV是过程变量的反馈值，二者的差值是误差e。Q是PID调节器的输出量。闭环控制运算由PID过程控制模块中的CPU完成，一般可以控制多个闭环。如三菱公司A系列的PID控制模块可以控制64个闭环，还可在CRT上监视调节状态。

（5）通信接口模块。

当PLC需与上位计算机、其他PLC或一些智能控制设备（如显示器、打印机等）联网进行通信时，需用到通信模块这个桥梁。通信接口模块一般都带有微处理器，提供1～4个串行通信接口。例如三菱公司的A系列PLC的AJ71C24通信模块有两个串行接口，一个是RS -232C，另一个是RS-422，可以实现点对点的通信和主从通信。使用RS-232C通信时，最远距离为15m；使用RS-422通信时，最远距离为500m，数据传输速率可达19.2Kbps。

近年来，高功能模块的发展很快，种类日益增多，功能也越来越强，如速度控制模块、快速响应模块、BCD码输入/输出模块、运动控制模块、中断输入模块、数据处理与控制模块、位置控制模块、温度控制模块、串行通信模块等，具体可参阅相关的PLC产品手册。

4.　编程器

1）作用

编程器是PLC最重要的外部设备，是人机联系和对话的接口。使用者用它输入所编制的用户程序，不仅可以对程序运行情况进行监视，还可以用它读出、检查、修改和调试用户程序，并可监视PLC系统的工作状态、故障诊断、显示或修改系统寄存器的设置参数等。高级的编程器还可以将程序储存在磁带或磁盘中，驱动打印机可以打印出带注解的梯形图程序或指令表程序。

2）常用类型

编程器按功能不同，可分为简易编程器、图形编程器和智能编程器。

（1）简易编程器：又叫指令编程器，因它不能直接输入和编辑梯形图程序，只能输入指令而得名。有的简易编程器用七段显示器显示用户存储器地址和编程元件的编号，用发光二极管来显示指令的种类，如三菱公司F1-20P简易编程器（如图1-43所示）。还有的简易编程器用液晶点阵式显示屏逐条（两行）显示指令程序、继电器状态或错误信息，显示面积为2 ×16字符，如OMRON公司的CQM1-PR001-E型简易编程器（如图1-44所示），松下电工的FP1-C24C编程器（如图1-45所示）。

由图1-25可见，简易编程器的体积很小，除了显示屏外，还有各种开关、指示灯和键盘，键盘上有数字键、指令键、功能键，因此功能比较强。使用时可以直接插在PLC的编程器插座上，或用编程电缆与PLC连接，以便用户可以在距PLC一定距离的地方进行操作（如图1-46、图1-47所示）。由于它体积小，操作方便，价格便宜，小型PLC都使用它，也可在现场进行调试和维修。

（2）图形编程器：其显示屏面积较大，可以直接输入和编辑梯形图程序，使用起来更直观、方便。它有两种类型：一种是液晶显示图形编程器，一般是手持的，它有一个大型的可以显示梯形图的点阵式液晶显示屏；另一种是用CRT显示图形的编程器，是台式的，大多数是便携式的（如图1-48所示），它的显示屏比液晶显示器大，功能也更强一些。

图形编程器一般都有盒式磁带录音机接口和打印机接口，可以在线编程，也可以离线编程，但价格比简易编程器高。

简易编程器与图形编程器都属于专用编程器，只适用于某一生产厂家的某系列PLC使用，与其他系列PLC产品一般不能通用，各生产厂家的编程器都不通用。

（3）智能型编程器：它克服了以上缺点，它实际上就是一台价格便宜、功能很强、通用的个人计算机（IBM PC/AT及其兼容机），由PLC生产厂家向用户提供专用编程工具软件，如三菱PLC编程软件SWOPC-FXGP，通过PLC的RS-232C外设通信口（或RS-422口配以适配器）与个人计算机相连，通过编辑、运行工具软件，来对PLC进行编程和监控，如图1-49所示。用户可以使用现有的个人计算机，在硬件设备投资较少的前提下形成高性能的PLC开发系统。同时，这种编程系统有很好的通用性，对于不同厂家的PLC产品，只需更换厂家提供的应用软件即可。

个人计算机程序开发系统软件相当丰富，包括编程软件、文件编制软件、数据采集和分析软件、实时操作员接口软件、仿真软件、运动控制程序软件、网络管理软件、各种智能控制设备的编程软件等。

如此多的系统软件，使智能编程器功能相当强大。如可以编制、修改梯形图程序；监视PLC系统的运行；打印梯形图和指令程序；采集和分析数据；对工业现场和系统仿真；实现计算机和PLC之间的程序相互传送，作为网络管理器，等等。

5.电源

PLC的电源是指将外部输入的交流电经整流、滤波、稳压等处理后转换成PLC内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块，如图1-50所示。小型整体式PLC内部有一个直流开关稳压电源，此电源稳压性能好，抗干扰能力强；一方面可为CPU、I/O模块及扩展单元提供工作电源（5 VDC），另一方面可以为外部输入元件（包括传感器）提供24 VDC。

PLC一般使用110 V、220 V交流电源，驱动现场负载的电源一般由用户自己提供。使用时务必注意电源类型和幅值，若使用不当，会直接损坏PLC的电源模块。

6.　I/O扩展接口

PLC的主机称为基本控制单元或基本模块，它们本身带有一定数量的I/O点数，小型的一般为12～64点，大型的一般在2000点以上。当基本模块的I/O点数不能满足控制要求时，可以通过I/O扩展接口用扁平电缆加接I/O扩展单元，以增加I/O点数，如图1-51所示。I/O扩展单元是一些单纯的I/O模块的组合。

小经验 一般来讲，加接扩展单元后，I/O点数成倍扩展，小型的I/O点数可达120点左右。

7.　外部设备接口

外部设备接口可将编程器、上位计算机、图形监控系统、EPROM写入器、打印机、盒式磁带机、条码判读器等外部设备与主机CPU连接，以完成相应操作，增加PLC功能。

其中，打印机可以打印带英文注释的梯形图程序或指令表程序清单及系统运行过程中对报警的种类和时间，这些信息对于系统的调试、维修、改造和扩展是非常有用的。

EPROM写入器用来把用户程序备份到EPROM中，存放在EPROM中的程序不会因断电而丢失。一旦CPU内部的用户程序遭到破坏，可以运行EPROM中的用户程序。同一PLC系统能够完成各种不同控制任务的用户程序，可以分别写入到几片EPROM中，在改变系统的控制目的时只需要更换EPROM就可以了，非常方便。

1.5　可编程序控制器的工作原理

可编程序控制器是传统继电控制系统的替代产品，它应用计算机技术，把继电器线路表示的逻辑运算关系编成用户程序，通过执行这些软件程序来完成控制任务。所以从整个PLC控制系统来看，它与继电器控制系统和计算机技术既有相似的特点又有它自身的特点。

它的梯形图程序就与继电器系统电路图很相似，它所使用的编程元件在功能上也与继电器系统中的物理继电器有相似之处，只不过它是无触点的概念元件，常称为“软继电器”。但它在工作方式上与继电器控制系统是不同的。继电器控制系统采用的是并行工作方式，以图1-52（a）为例，当按下启动按钮SB1后，中间继电器K通电，K的两个触点闭合，使接触器KM1，KM2同时通电动作，它的三条支路是并行工作的。

但对于同一个控制任务，PLC由于是以微处理器为核心的，它通过执行用户程序来完成控制任务的，如图1-52（b），当PLC运行时，用户程序中有大量的操作需要执行，但CPU采用的是串行工作方式，不能同时去执行多个操作，它只能分时、分渠道的按程序顺序，逐条处理，依次完成相应各元件的动作。但由于运算速度极高，从输入/输出关系的宏观上看，逻辑处理过程似乎是同时完成的，这种按一定顺序分时执行各个操作的工作方式，称为对程序的扫描。

虽然PLC也具有微机的许多特点，但在工作方式上与微机区别很大，有其自己的特点，我们知道微机一般采用中断处理和等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当有键按下或I/O动作时，则转入相应的子程序或中断服务程序，如果没有键按下，则继续扫描等待。而PLC最大的一个特点是采用“循环扫描”的工作方式。

1.5.1　循环扫描原理

PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态，如图1-53所示，当PLC运行时，CPU从0000号存储地址存放的第一条用户程序开始，按指令步序号递增的顺序逐条地执行用户程序，如果没有中断或跳转指令，它将从上到下，从左到右的顺序扫描下去，并且一边扫描一边执行，直到最后一条程序结束。但扫描并没停止，而是再重新返回程序的起始地址，开始新的一轮扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。如此周而复始地重复下去，直到PLC停机或切换到STOP工作状态，这个过程就叫做“循环扫描”。

扫描全部用户程序一次所用的时间称为“扫描周期”或“工作周期”，它主要取决于以下几个因素：CPU执行指令速度、每条指令占用的时间，I/O点的状态以及程序的长短等，不同指令其执行时间是不同的，从零点几微秒到上百微秒不等，故选用不同指令所用的扫描周期将会不同。

PLC工作方式的另一个特点是建立输入/输出映像区。

1.5.2　建立输入/输出映像区

PLC在每一扫描周期的输入采样阶段，以扫描方式按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的通断状态或输入数据，将其存入用户存储器中的输入映像寄存器（PII）中，建立了“输入映像区”，CPU在执行用户程序时所需要的输入状态均在输入映像区中取用，而不是随机地直接到输入接口去取。因为所有输入信号是集中被采集的，严格地说每个输入信号的采集时间是不同的，但CPU的采样周期很短，细微的时间差不会对控制带来明显的影响，所以可以认为输入映像区中每一位的状态是同时建立的。

温馨提示 输入映像区里存放的就是输入继电器的状态。

PLC在执行用户程序过程中，不是产生一个输出信号就向外输出一个，而是先将它们存放在用户存储器的输出映像寄存器（PIQ）中，称为“输出映像区”。当所有用户程序执行一遍后，将所有存放在输出映像区中的输出信号集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式向输出模块输出，推动外部相应执行元件工作。

PLC的输入/输出映像区（I/O映像区）的建立，使CPU在执行用户程序所规定的运算时并不与实际控制对象直接联系，而是只与I/O映像区的状态相关，这就为PLC的系列化、标准化生产创造了条件。

1.6　可编程序控制器的工作过程

1.6.1　PLC工作的全过程

PLC工作的全过程见图1-54。

从图1-54中可见，PLC一个扫描周期的工作过程可分为三部分：

第一部分是上电处理。系统通电后进行一次初始化工作，包括检查内部硬件和I/O模块配置是否正常，复位监控定时器（WDT），停电保持范围设定及其他内部处理工作。

第二部分是扫描过程。PLC内部处理完成后就进入扫描工作过程，先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP工作状态时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN工作状态时，完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O接口、通信等是否异常，来保证系统的正常运行。如有异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时，CPU被强制为STOP状态，PLC停止工作。

下面我们对PLC的主要工作过程即扫描过程进行详细的分析（暂不考虑远程I/O模块、其他通信服务等），见图1-55。

温馨提示 输出映像区里存放的就是输出继电器的状态。从图中可以看出，PLC的主要工作过程大体可分为三个阶段：

1.　输入采样阶段

PLC输入采样阶段也就是建立和更新输入映像区阶段。在此阶段中，PLC首先扫描所有的输入端子，将各输入状态存入内存中各对应的输入映像寄存器中，以备执行用户程序时使用。然后关闭输入端口，进入程序执行阶段。在这期间输入映像寄存器不接收信息，无论输入信号如何变化，输入映像区中的内容也不会随之而变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才能把输入信号的变化读入到输入映像寄存器中，刷新原来的内容，这称之为“输入刷新”。

2.　程序执行阶段

在此阶段中，PLC遵循“从上到下、从左到右”的原则逐条扫描用户程序，并且一边扫描，一边执行，指令中所需的任何逻辑变量的状态均可从输入映像寄存器和元件映像寄存器（有内部辅助继电器、定时器、计数器、输出继电器等）中读入，经过程序规定的运算处理后，将结果再写入元件映像寄存器中。由此可见，对于每一个元件（内部“软”继电器）来说，在元件映像寄存器中的状态会随着程序的执行进程而改变。

3.　输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，输出映像寄存器（即输出映像区）中所有输出变量的状态（ON/OFF）被CPU集中地送至输出锁存器中，再经输出模块隔离和功率放大后去驱动外部负载，这就是“输出刷新”。对于那些在一个扫描周期内状态没有发生变化的逻辑变量，就输出与前一个周期同样的信息，因而也不引起相应元件状态的变化。

经过输入采样、程序执行和输出刷新这三个阶段，完成一个扫描周期。然后以同一方式反复重复这个过程，这就是PLC的循环扫描的工作过程。

1.6.2　输入/输出滞后现象

由于PLC在一个扫描同期内，只对输入状态采样一次，对输出状态更新一次，不能即时地采集和输出，使PLC输出相对于输入的变化有一定的响应延迟，降低了系统的响应速度，即存在输入/输出滞后现象。下面通过例子来说明，如图1-56所示。图1-56（a）是梯形图，图1-56（b）是各变量的状态时序图，通过它ON/OFF状态反映各继电器接通或断开。

在第一个扫描周期的输入采样阶段之后，外部输入触点才接通，所以输入继电器X0为OFF状态。那么输出继电器Y0、Y1、Y2的状态也为OFF。在第二个扫描周期的输入采样阶段，X0由OFF变为ON状态，由于PLC对梯形图是自上而下，自左而右进行扫描的，且一边扫描一边执行，所以在程序执行阶段，梯形图中的Y1线圈被X0的触点接通，变为ON，同时它的触点又使Y2线圈接通，也变为ON，Y0线圈仍为OFF。第三个扫描周期由于Y1线圈为ON，在程序执行后将Y0线圈接通，变为ON。在输出刷新阶段，Y0对应的外部负载被接通。

从上述分析可见，在输入信号接通后，输出将出现响应延迟。输出线圈Y0滞后X0大约一个扫描周期，而滞后外部输入信号大约两个扫描周期。如果将梯形图的第一行与第二行交换位置，分析可知Y0对输入信号滞后约一个扫描周期，所以滞后时间与梯形图的设计方法有关。

除PLC的扫描工作方式和梯形图设计方法之外，输入/输出滞后时间还与输入电路滤波时间、输出模块的机械滞后时间有关。

输入模块的RC滤波电路用来滤除干扰噪声，消除抖动引起的不良影响。输入滤波时间的长短由滤波电路的时间常数决定，一般为10 ms左右。

输出模块的滞后时间一般是机械触点引起的滞后影响最大，继电器输出型的滞后时间最长，一般为10 ms左右，而其他两种输出型的滞后时间较短，一般为1 ms左右。

PLC总的响应延迟时间一般只有几ms或几十ms，对于慢速控制系统往往是无关紧要的，还可以提高抗干扰能力，增强可靠性。但对响应速度要求较快的高速控制系统则是不能忽视的，需采取相应措施，如选用具有快速响应、高速计数和中断处理功能，且指令执行速度高的PLC；精心优化设计程序；有的PLC在输入/输出刷新方式上还会采取一定措施。如三菱产品F20M，它除了在输入采样阶段刷新输入映像寄存器外，在程序执行阶段每隔2ms也刷新一次输入映像寄存器。除了在输出刷新阶段进行外，在程序执行阶段，凡是程序中有输出指令的地方，该指令执行后也立即进行一次输出刷新。这在很大程度上提高了系统的响应速度。

可编程序控制器对输入/输出的处理规则：

（1）输入状态映像寄存器中的数据，取决于与输入端子板上各输入端相对应的输入锁存器在上一次刷新期间的状态。

（2）程序执行中所需的输入、输出状态，由输入状态映像寄存器和输出状态映像寄存器读出。

（3）输出状态映像寄存器的内容随程序执行过程中与输出变量有关的指令的执行结果而改变。

（4）输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新阶段时输出状态映像寄存器的内容决定。

（5）输出端子板上各输出端的通断状态，由输出锁存器中的内容决定。

1.7　可编程序控制器的主要技术性能与分类

1.7.1　主要技术性能

各厂家的PLC产品技术性能各不相同，这里介绍一些主要的技术性能。

1.　存储容量

存储容量是衡量用户程序存储器能存放用户程序多少的指标。通常以“字”或“K字”为单位（每个字为16位二进制数，即两个8位的字节），1 K字=210字=1024字。PLC中一般的逻辑操作指令每条占1个字，定时/计数、移位等指令占2个字，而数据操作指令占2～4个字。还有的PLC用“步”为单位，一“步”占用一个地址单元，一个地址单元占两个字节，如一个内存容量为2000步的PLC可推知其内存为4 K字节。通常中小型的存储容量在8 K以下，大型PLC则在十几K或几十K以上。

2.　输入/输出点数（即I/O点数）

这是PLC最重要的一项技术指标。指PLC基本控制单元（主机）可接收输入信号和输出信号总的数量。PLC的输入/输出有开关量和模拟量两种，对于开关量I/O，其点数用最大输入/输出点数之和表示；对于模拟量I/O，则用最大输入、输出通道数之和表示。

当这些基本模块的I/O点数不能满足控制要求时，可通过扁平电缆加接扩展I/O模块来增加整个系统的I/O数量，不同的PLC允许扩展的I/O数量是不同的。

3.　扫描速度

PLC扫描1 K字用户指令所需的时间称为扫描速度，用ms/K字为单位表示。有时也以执行一步指令的时间衡量，如μs/步。扫描速度越高，PLC的扫描周期越短，响应速度越快。

4.　编程语言及指令系统

编程语言一般有梯形图、指令程序、顺序功能图和高级语言等，目前都向国际标准IEC1131-3靠拢。

指令系统一般分为基本指令和高级指令，指令的种类和数量是衡量PLC软件功能强弱的重要指标，其中基本指令一般PLC都有，高级指令种类越多，说明其编程功能越强。

5.　内部继电器的种类和数量

PLC内部有许多寄存器用来存放中间结果、变量状态、数据等，供用户程序内部使用，不能对外控制负载，常称为“软”继电器，包括内部辅助继电器、保持继电器、定时器、计数器、移位寄存器、特殊功能继电器等。其种类和数量越多，表明PLC处理功能越强，常是衡量PLC硬件功能的指标。

6.　指令执行时间

指CPU执行基本指令所需的时间，一般为每步几微秒到几十微秒。

除以上基本性能外，不同PLC还有一些其他指标，如工作环境、电源等级、输入/输出方式、远程I/O、监控自诊断能力、通信联网等。

1.7.2　可编程序控制器的分类

PLC产品的种类众多，型号各异，通常按下列形式分类。

1.　按结构形式分类

可分为整体式和模块式两类。

（1）整体式PLC：整体式又叫箱体式，是把PLC的基本组成部件如CPU、存储器、输入/输出单元、电源等很紧凑地安装在一个箱状机壳内，构成一个单一的整体，称之为主机（或基本单元、基本模块）。基本单元的输入、输出点的比例一般是固定的（如3∶2），它可通过扁平电缆加接I/O扩展单元来增加I/O点数，还配备了许多专用的特殊功能单元，如模拟量I/O单元、位置控制单元等，使PLC的功能得到扩展。它的特点是体积小，重量轻，价格低，安装方便。小型或超小型PLC一般采用这种结构，易于安装在工业设备的内部，实现机电一体化。每个PLC生产厂家都有整体式PLC产品，而且正向体积更小、功能更强的方向发展，如松下电工的FP1、三菱F1/F2、FX0系列等（图1-57）。

（2）模块式PLC：模块式是把PLC的各组成部件都作成独立的模块，如CPU模块（包括存储器）、输入模块、输出模块、电源模块等，这些模块可以灵活地插在带有插槽的机架上，各模块外形尺寸统一，相互独立。用户可以根据不同的控制要求，灵活方便地选用这些标准模块和一些特殊功能模块，如I/O扩展单元、A/D和D/A单元、链接单元、各种智能单元等模块，这种结构的特点是装配方便，配置灵活，硬件配置选择余地大，便于维修，便于扩展，功能强大。大中型PLC通常采用这种结构，如OMRON的C200H系列，三菱FX2、FXON、ANN系列，松下电工的FP3（图1-58）。

随着技术的飞速发展，又出现了叠装式PLC，它吸收了整体式和模块式PLC的优点，它的基本单元、扩展单元等统一小巧，不用基板，仅用扁平电缆连接，外形紧密拼装后可组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置也相当灵活，如三菱公司的FX0N系列、OMRON的CPM1A系列（图1-59）、松下电工的FP0系列（图1-60）。FP0是模块式又是超小型，控制单元尺寸仅为25mm ×90mm ×60mm，I/O点最大可扩充至128点，此时尺寸仅为105mm×90mm×60mm，扩展单元不需任何电缆，底板就可轻松连接上。从外形看与整体式PLC一样，甚至比它还小，配置灵活，功能非常强大。

2.　按I/O点数和内存容量分类

大致可分为超小型机、小型机、中型机、大型机四类。

I/O点数在64以内，内存容量在256 B～1 KB的是超小型机；I/O点数在64～256之间，内存容量在1～3.6 KB的属于小型机；I/O点数在256～2048之间，内存容量在3.6～13KB的属中型机；I/O实数在2048以上，内存容量在13 KB以上的属大型机。

3.　按功能分类

可分为高、中、低三档。低档机主要以逻辑运算、定时、计数、移位及自诊断、监控等基本功能为主，有的具有少量模拟量I/O、算术运算、数据传送等功能，主要用于开关量控制、定时/计数控制、顺序控制等场合，可取代继电器控制系统。

中档机在低档机的功能之外，还具有较强的模拟量I/O、算术运算、数据传送、比较、转换、远程I/O以及通信联网等功能，主要用于过程控制、位置控制等既有开关量又有模拟量的较为复杂的场合。

高档机在中档机的功能基础上，还具有较强的数据处理、模拟调节、特殊功能函数运算以及更强的通信联网、中断控制、智能控制等功能。高档机可构成分布式控制系统，形成整个系统的自动化网络。