PLC
原理与应用
21世纪高职高专规划教材 俞国亮 主编第 1章 可编程控制器基础本章要求
– 本章主要介绍可编程控制器基础知识 。 要求了解可编程控制器的硬件结构,软件系统和用户程序的特点；熟悉可编程控制器的性能指标,扫描周期,I/O响应时间；掌握可编程控制器的扫描工作方式的基本原理 。
1.1 可编程控制器概述可编程控制器（ Programmable Controller）的英文缩写是 PC，容易同个人计算机（ Personal Computer）混淆，
因此通常都称其为 PLC（ Programmable Logic
Controller）。
PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术，计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前 PLC已基本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
继电器控制系统用硬件实现控制程序，当产品更新时，
必须改变相应的器件和接线。现代社会制造工业迫切需要一种新的更先进的“柔性”的控制系统来取代。
20世纪 60年代末，美国通用汽车公司（ GM）希望有一种,柔性,的汽车制造生产线来适应汽车型号不断更新的要求,GM提出 10条要求，并公开向制造商招标。
美国数字设备公司（ DEC）根据以上要求，于 1969年研制出了第一台可编程控制器 PDP－ 14，并在美国通用汽车公司的生产线上取得了成功。它用计算机的软组件的逻辑编程成功取代了继电器控制的硬接线编程，
生产硬设备的生产线是“柔性”的愿望终于实现了。
1.1.1 可编程控制器的产生
1.1.2 PLC的特点初期：用来替代继电器控制，进行开关量逻辑控制。
70年后：随着微电子技术、计算机技术的发展,PLC以单片机或其它 16位,32位的微处理器作为主控芯片,输入 /输出等电路也采用 LSI或 VLSI,功能有了突飞猛进的发展。 PLC除有开关量控制外，还具有数据处理、数据通信、模拟量控制和 PID调节等功能。
80年,NEMA（美国电气制造商协会）将命名中的
“逻辑”一词摘掉，称为 Programmable Controller。
定义,PC是一种数字式的电于装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，能够完成逻辑、顺序、定时、
计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、
输出接口控制各种机械或生产过程。 PLC有如下 特点：
1.1.2 PLC的特点 2
（ 1）可靠性高，抗干扰能力强采用 LSI，开关是无触点的，而硬继电器用的是机械触点开关，可靠程度无法比拟。软硬件抗干扰措施：
硬件：器件筛选和老化。电路采用光电隔离器，隔断
I/O电路与内部电路的直流通路，抑制外部干扰源的影响。电源采取屏蔽、稳压、保护等措施。设置,看门狗”（ watchdog）电路，能把走飞程序拉回来（自动恢复）。结构上采用耐热、密封、防潮、防尘和抗振的外壳封装,适应恶劣工业环境。
软件：数字滤波、故障检测与诊断，自动扫描，出错自动处理 (报警、保护数据和封锁输出 )。采用 EEPROM,
保护断电后用户程序和数据不会丢失。采用循环扫描的方式。
1.1.2 PLC的特点 3
（ 2）编程软件，简单易学从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图程序易学易懂，易修改，深受电器工作人员的欢迎。
（ 3）适应性好，具有柔性生产工艺或设备改变时，不必改变硬设备，只需改变相应的软件就可满足新的控制要求。产品已标准化、
系列化和模块化，以适应不同的控制要求。
（ 4）功能完善，接口多样除基本单元外，还可选配各种特殊适配器，满足不同的需要，如数字量 /模拟量输入输出，定时计数,A / D
与 D／ A转换，数据处理，通信联网等功能。
（ 5）易于操作，维护方便
1.1.2 PLC的特点 4
安装方便：具有 DIN标准导轨安装用卡扣。
连接方便：具有输入 /输出端子排，只要用螺丝刀就可以与不同的控制设备连接。
调试方便：输入信号可用开关来模拟，输出信号可观察面板发光二极管。
维护方便：完善的自诊断功能和运行故障指示装置。
（ 6）体积小、重量轻、功耗低产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。
如 FX1S－ 20MT型 PLC：
外形尺寸,75mm× 90mm× 87mm，
重量,400g，功耗,20W。这种迷你型 PLC很容易嵌入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.1.3 PLC应用
PLC的主要应用有以下 5个方面。
（ 1）开关量逻辑控制是 PLC最基本的应用,即用 PLC取代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制和顺序控制 。
（ 2） 模拟量过程控制控制连续变化的模拟量,如温度,压力,速度,流量
,液位,电压和电流等均为模拟量 。 通过各种传感器将相应的模拟量转化为电信号,然后通过 A/D模块将它们转换为数字量送 PLC内部 CPU处理,处理后的数字量再经过 D/A转换为模拟量进行输出控制 。
（ 3） 机械件位置控制用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机,
1.1.3 PLC应用实现对各种机械构件的运动控制,如速度,位移,方方向等。典型应用有：机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等； PLC还可与计算机数控（
CNC）装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等等，实现了高精度的 加工。
（ 4） 现场数据采集处理可以方便地对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。
（ 5） 通信联网,多级控制
PLC与 PLC之间,PLC与上位计算机之间通信，要采用专用通信模块，并利用 RS－ 232C或 RS-422A接口，用双绞线或同轴电缆或光缆将它们联成网络。
1.1.4 PLC的分类可以按照结构形式,I/O点数和功能两种形式分类 。
1.按结构形式分类
PLC可分为整体式和模块式两种 。
（ 1） 整体式将 CPU,存储器,I／ O和电源等部件集中于一体,安装在一个金属或塑料的机壳的基本单元内,机壳的上下两侧是输入输出接线端子,并配有反映输入输出状态的微型发光二极管 。
图 1.1 三菱 FX1S系列 PLC
1.1.4 PLC的分类 2
整体式结构的 PLC具有结构紧凑,体积小巧,重量轻,
价格低的优势,适用于嵌入控制设备的内部,常用于单机控制 。 一般小型以下 PLC多采用这种结构,如三菱公司的 FX2N,FX0N,FX1S系列 。
（ 2） 模块式把各个组成部分 CPU,I/O,电源等分开,做成各自独立的模块,各模块做成插件式,插入机架底板的插座上 。
图 1.2 三菱 A2NQ系列 PLC
1.1.4 PLC的分类 3
可按照控制要求,选用不同档次的 CPU模块,各种 I/O
模块和其它特殊模块,构成不同功能的控制系统 。
模块式结构的 PLC具有配置灵活,组装方便,扩展容易
。 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 A2NQ系列 PLC 。
2.按 I/O点数和功能分类按 I/O点数,内存容量和功能来分,PLC可分为微型,
小型,中型,大型和超大型五类,如表 1.1所示 。
小型 PLC的存储器容量一般在 2KB～ 4KB之间,I/O点数一般在 64～ 128之间 。 小型 PLC具有逻辑运算,定时和计数等功能,适合于开关量控制,定时和计数控制等场合,常用于代替继电器控制的单机线路中 。
1.1.4 PLC的分类 4
表 1.1 PLC分类类型 I/O点数 存储容量 (KB) 机型微型 ＜ 64 ＜ 2 三菱 FX1S系列小型 64 ～ 128 2 ～ 4 三菱 FX2N系列中型 128 ～ 512 4 ～ 16 三菱 A1N系列大型 512 ～ 8192 16 ～ 64 三菱 A3N系列超大型 ＞ 8192 ＞ 64 西门子 SU-155
1.1.5 PLC的发展
1.国内外 PLC的发展
69年,DEC研制了第一台 PLC。
70年：日,德和法等国从美国引进这项技术,开始生产 PLC。
PLC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的首位 。
70年：我国研制,生产自己的 PLC,如江苏嘉华公司的 JH系列 PLC等 。 我国的 PLC技术已经进入较快速度的发展阶段,国产机在机床设备,生产自动线等的应用也越来越广泛,占有率也逐步提高 。
1.1.5 PLC的发展 2
PLC将向着更强大和更小巧的两个方向发展 。
更强大是指存储容量更大,I/O点数更多,执行速度更高,智能化程度更强,数据更安全 。 这些大型 PLC能与计算机组成多级分布式控制系统,实现对生产全过程的集中管理 。
大型 PLC代表了当今世界的 PLC发展的水平 。
更小巧是指体积更小,价格更低,但性能却更强的微型化 PLC。 主要用于取代继电器系统,如注塑机,印刷机,包装机,纺织机和电梯控制等机械配套控制电器上,也能适应复杂单机,数控机床和工业机器人等领域的控制要求 。
小型和微型 PLC使用的数量,代表了 PLC普及的程度 。
1.1.6 PLC的主要技术指标 1
PLC的主要性能的可以按照以下 6种指标来描述 。
1.I/O总点数指 PLC输入信号和输出信号的数量,也就是输入,输出的端子数总和 。 注意,电源,COM等端子不能作为 I/O
端子计入 。 I/O总点数是描述 PLC性能的重要指标 。
2.存储容量指用户程序存储器的容量,即用户 RAM的存储容量 。
指令是按,步,存放的,一,步,占用一个地址单元
。 所以
1步＝ 2字节 。
3.扫描速度指 PLC扫描 1000步指令所需的时间,以 毫秒 /千步 为单位,也有用 μs/步 为单位 。
1.1.6 PLC的主要技术指标 2
4.内部寄存器
PLC内部寄存器用以存放输入 /输出变量的状态,逻辑运算的中间结果,定时器 /计数器的数据 。 内部寄存器的种类多少,容量大小,将影响到用户编程的效率 。
5.编程语言与指令系统有梯形图,助词符,SFC（ Sequential Function Chart）
以及高级语言等 。 在 PLC的指令系统中,包含的指令种类越多,其功能就越强 。
6,特殊功能模块
PLC除了基本单元外,还可选配各种特殊功能模块 。 特殊功能模块的种类多少,功能强弱是衡量 PLC技术水平高低的一个重要指标 。
1.2 可编程控制器的一般结构
1.2.1 PLC的硬件系统
PLC是专为工业控制而设计,采用了典型的计算机结构,
主要由 CPU,存储器,采用扫描方式工作的 I/O接口电路和电源等组成 。
图 1.3 PLC硬件系统结构框图
1.2.1 PLC的硬件系统 2
1.微处理器 （ CPU）
CPU由控制器,运算器和寄存器组组成,大多用 8位,
16位和 32位微处理器或单片机作为主控芯片,是系统的控制 /运算中心,其它部件,如 ROM,RAM和 I/O部件等都是通过 3总线 AB,DB和 CB挂靠在 CPU上的 。
2.存储器 （ ROM和 RAM）
ROM（ Read Only Memory）,存放系统程序,相当于通用计算机中的 BIOS。
EPROM（ Erasable ROM）,可擦除可编程只读存储器 。
EEPROM（ Electrical EPROM）,电擦除可编程只读存储器 。 正常运行时,和普通 RAM一样,可随机读写,
又能象 ROM那样断电后具有信息的非易失性 。
1.2.1 PLC的硬件系统 3
RAM（ Random Access Memory）,放用户应用程序 。
3.输入 /输出 （ I／ O） 单元
I／ O单元是 PLC与输入 /输出设备间信息传送的接口 。
(1)为什么要用输入 /输出接口电路？
① 数据锁存 ―― 向外设输出数据时的需要 。
② 电平隔离 ―― 使外设和 CPU电路之间直流电平互不影响 。
③ 速度协调 ―― 使外设和 CPU之间,准备好后才传送数据 。
④ 数据变换 ――,串 /并变换,并 /串变换,A/D变换,
D/A变换等 。
（ 2） FX系列 PLC基本单元输入电路
1.2.1 PLC的硬件系统 4
① 单元内部已有 24V的直流电源,所以输入端子和
1.2.1 PLC的硬件系统 5
COM端间可接无电压开关,也可接 NPN型集电极开路晶体管,输入接好后,对应的 LED就会发亮 。
② 输入采用：
光电耦合器,耦合交流,隔离直流 。
RC滤波器：防止输入干扰,引起 10ms的 I/O响应延迟 。
X000～ X017内置数字滤波器：可按功能指令在 0～
60ms范围内变动 。
③ 输入电压 /电流,DC24V/7mA
X010后,DC24V/5mA。 为可靠起见,
ON电流分别为,>4.5mA/3.5mA
OFF电流为,<1.5m。
④ 利用外接电源驱动光电开关等传感器时,要求外接
1.2.1 PLC的硬件系统 6
电源的电压同内部电源电压相同；允许的范围是：
DC24V± 4V。
（ 3） FX系列 PLC基本单元输出电路输出继电器的输出触点接到 PLC的输出端子上,外部负载和工作电源与 PLC的输出端子和公共端子 COM相连,负载工作与否受 PLC程序运行结果的控制 。
PLC输出形式,继电器输出,晶体管输出和晶闸管输出
① 继电器输出优点：电压范围宽,导通压降小,价格也便宜,可控制交直流负载 。
缺点：触点寿命短,断开有电弧,易产生干扰,转换频率低,响应时间 10ms。
表 1.2 PLC分类
。
1.2.1 PLC的硬件系统 8
当 PLC有输出时,输出继电器线圈得电,其主触点闭合,驱动外部负载工作 。 继电器可以将 PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离 。
最大负载：纯电阻负载 2A/1点；感性负载 80VA以下 。
图 1.5 继电器输出电路
1.2.1 PLC的硬件系统 9
② 晶体管输出籍光耦使晶体管截止或饱和控制负载,并对内部电路和输出电路光电隔离 。
最大负载：纯电阻负载 0.5A/1点；考虑温度上升的影响,要求总电流 ≤ 0.8A/4点 。
图 1.6 晶体管输出电路
1.2.1 PLC的硬件系统 10
优点：寿命长,无触点,无噪声,可靠性高,响应快
,I/O响应时间为 0.2ms。
缺点：价格高,过载能力差 。
③ 晶闸管输出籍光触发双向晶闸管,使其截止或导通来控制负载 。
图 1.7 晶闸管输出电路
1.2.1 PLC的硬件系统 11
优点：寿命长,无触点,无噪声,可靠性高,可驱动交流负载 。
缺点：价格高,负载能力较差 。
最大负载：纯电阻负载 0.3A/1点 。
4.电源单元
PLC的内部有一高性能稳压电源,允许外部电源电压额定值：＋ 10％ ～－ 15％ 。 FX1S系列电源规格：
① 额定电压,AC100～ 240；
② 电压允许范围,AC85～ 264；
③ 传感器电源,DC24V/400mA。
一般小型 PLC的电源包含在基本单元内,大中型 PLC
才配有专用电源 。 PLC内部还带有锂电池后备电源 。
1.2.3 PLC的软件系统
PLC软件主要分为两大类,系统程序和应用软件 。
1.PLC的系统程序
（ 1） 管理程序管理程序是系统控制中心,它管理 PLC的所有资源,
控制 PLC各部件的操作,输入 /输出,数据与代码的传送与存取,算术与逻辑运算等操作,对 PLC系统各部件进行自检和故障诊断 。
（ 2） 编译程序编译程序相当于一个翻译,它能把用户编的梯形图程序,助词符源程序和高级语言源程序翻泽成 PLC能够识别的机器语言 。
1.2.3 PLC的软件系统 2
（ 3）系统调用功能模块系统调用功能模块由许多独立的功能模块组成，通过系统调用实现某种独立的功能，如输入 /输出及特殊运算操作。 PLC根据不同的控制要求，选用不同的模块完成不同的操作。
2.应用程序包括 PLC厂商开发的供用户使用的在各种平台下使用的软件，以及用户根据控制要求，用 PLC的程序设计语言编制的应用程序。
（ 1）本书用到的三菱工控产品的最新实用软件
① 三菱 MEDOC230,DOSV2.30版本,用于 FX2N、
FX1N,FX1S,FX0N,FX0S,A系列 PLC编程软件；
1.2.3 PLC的软件系统 3
② 三菱 SW0PC-FXGP/WIN-C FX2N,FX1N,FX1S、
FX0N,FX0S系列 PLC编程软件,Windows V3.00 中文版 。
（ 2） 用户程序存储在系统程序指定的存储区内,其最大容量也是由系统程序限定的 。 在小型 PLC中其循环扫描工作方式决定了用户程序通常多为顺序结构,即从第一条指令至最后一条指令,不断循环扫描 。
大中型 PLC的用户程序庞大而复杂,一般都采用模块化结构,就是将一个大程序划分成多个功能模块,然后按功能模块来编程,最后再把各部分调试组合成一个完整的大程序 。
1.3 PLC的基本工作原理 1
1.3.1 PLC的工作方式
PLC采用循环扫描工作方式,集中进行输入采样,集中进行输出刷新 。 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 。
1.PLC循环扫描工作方式一般包括 五个阶段：
内部处理与自诊断与外设进行通信处理输入采样用户程序执行输出刷新 。
1.3 PLC的基本工作原理 2
。
图 1.13 PLC循环扫描的工作过程
1.3 PLC的基本工作原理 3
方式开关置 STOP:只执行前 2个阶段,即只作内部处理与自诊断与外设进行通信处理；
方式开关置 RUN:将执行所有阶段 。
上电复位时,PLC首先作内部初始化处理,清除 I/O映像区中的内容；接着作自诊断,检测存储器,CPU及
I/O部件状态,确认其是否正常；再进行通信处理,完成各外设 （ 编程器,打印机等 ） 的通信连接；还将检测是否有中断请求,若有则作相应中断处理 。 在此阶段可对 PLC联机或离线编程,如学生实验时的编程阶段
。 上述阶段确认正常后,并且 PLC方式开关置于 RUN
位置时,PLC才进入独特的循环扫描,即周而复始的执行输入采样,程序执行,输出刷新 。
1.3 PLC的基本工作原理 4
（ 1） 输入采样阶段
CPU顺序扫描每个输入端,顺序读取输入端的状态,
并将其存入输入映像区单元中 。 采样结束后,输入映图 1.14 RUN状态下扫描过程
1.3 PLC的基本工作原理 5
像区被刷新,其内容将被锁存而保持着,并将作为程序执行时的条件 。 当进入程序执行阶段后,若输入端又发生变化,则输入映像区相应单元保存的信息,因被输入锁存器隔离而不会跟着改变 。 只有在下一个扫描周期的输入采样阶段,输入端信息才会被输入锁存器再次送入输入映像区的单元中 。 因此,为了保证输入脉冲信号能被正确读入,要求脉宽必须大于一个扫描周期 。
（ 2） 程序执行阶段
CPU从用户程序第 0步开始,顺序逐条扫描用户梯形图程序 。 扫描每支梯形图,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 。 这里接点就是 I/O映像区存储单元,由于它对应的是输入端的状态,所以把它称为 接点 （ 软触点 ） 。 以接点数据为条件,根据用户程序进行逻辑运算,并把运算结果存入输出映像区单元中 。 在程序执行阶段,只有输入端在 I/O映像区存放的输入采样值不会发生改变,而其它各软组件和输出点在 I/O映像区的状态和数据都有可能随着程序的执行而变化 。 请注意 PLC非并行工作的特点,在程序的执行过程中,上面逻辑行中线圈状态的改变,会对其下面逻辑行中对应的接点状态起作用
。 反之,排在下面的逻辑行中线圈状态的改变,只能等到下一个扫描周期才能对其上面逻辑行对应此线圈的接点状态起作用 。
1.3 PLC的基本工作原理 6
（ 3） 输出刷新阶段
CPU将输出映像区的状态信息转存到输出锁存器中,
刷新其内容,改变输出端子的状态,再通过输出驱动电路驱动被控外设 （ 负载 ）,这才是 PLC的实际输出 。
2.PLC处理输入／输出特点
① 在用户 RAM区中设置 I/O映像区,分别存放执行程序之前采样的各输入状态和执行过程中各结果的状态 。
② 输入点在 I/O映像区中的数据,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,而在程序执行和输出刷新阶段,其内容不会发生改变 。
③ 输出点在 I/O映像区中数据,取决于程序中输出指令的执行结果,而在输入采样和输出刷新阶段,其内容
1.3 PLC的基本工作原理 7
不会发生改变 。
④ 输出锁存电路中的数据,取决于上一个扫描周期输出刷新阶段存入的内容,而在输入采样和程序执行阶段,其内容不会发生改变 。
⑤ 直接与外部负载连接的输出端子的状态,取决于输出锁存电路输出的数据 。
⑥ 程序执行中所需要的输入 /输出状态,取决于由 I/O映像区中读出的数据 。
3.PLC同传统继电器控制的异同继电器控制采用硬逻辑并行运行方式,一个继电器线圈的通断,将会同时影响该继电器的所有常开和常闭触点动作,同触点在控制线路的位置无关 。 PLC采用
1.3 PLC的基本工作原理 8
循环扫描工作方式,一个软继电器的线圈通断,只会影响该继电器扫描到的接点动作 。 但是,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 。
1.3.2 PLC的扫描周期
1.PLC扫描周期的定义表 1.3 PLC控制系统与继电器控制系统比较控制系统 控制方式 线圈通电继电器 硬逻辑并行运行方式 所有常开 /常闭触点立即动作
PLC 循环扫描工作方式 CPU扫描到的接点才会动作
PLC全过程扫描一次所需的时间定为一个扫描周期 。
上电复位后,首先要进行初始化工作,如自诊断,与外设通信等 。 当 PLC方式开关置于 RUN位置时,它才进入输入采样,程序执行,输出刷新,并不断循环重复执行后三个阶段,所以运行后的扫描周期相应的要短一些 。
2.PLC扫描周期的计算一个完整的扫描周期可由自诊断时间,通信时间,扫描 I/O时间和扫描用户程序时间相加得到 。
① 自诊断时间：同型号的 PLC的自诊断时间通常是相同的,如三菱 FX2系列机自诊断时间为 0.96ms。
1.3.2 PLC的扫描周期
1.PLC扫描周期的定义
② 通信时间,取决于连接的外设数量,若外设为零,则通信时间为 0秒 。
③ 扫描 I/O时间,等于扫描的 I/O总点数与每点扫描速度的乘积 。
④ 扫描用户程序时间,等于基本指令扫描速度与所有基本指令步数的乘积；对于扫描功能指令的时间,也同样计算,功能指令扫描速度与指令步数可以查阅相关用户手册 。
可见,PLC控制系统固定后,扫描周期将主要随着扫描用户程序时间的长短而增减 。 当机型确定后,扫描速度就确定了,扫描用户程序时间的长短将随着用户梯形图程序的长短而增减了 。
2.PLC扫描周期的计算例 1.1 FX1S-30MT,其输入 /输出点数为 16/14,用户程序为 2000步基本指令,PLC运行时不连接上位计算机等外设 。 I/O扫描速度为 3.8μS/点,用户程序的扫描速度取表 1.4中 0.7μs／步；自诊断所需的时间设为 1ms,试计算一个扫描周期所需要的时间为多少？
2.PLC扫描周期的计算 2
FX系列机型 基本指令扫描速度 应用指令扫描速度
FX0N 1.6至 3.6μS / 指令 几十至几百 μS / 指令
FX1S 0.55至 0.7μS / 指令 3.7至几百 μS / 指令
FX2N 0.08μS / 指令 1.52至几百 μS / 指令表 1.3 PLC控制系统与继电器控制系统比较解,扫描 30点 I/O所需要的时间为：
T1＝ 3.8μS/点 × 30点 =0.11ms
扫描 2000步程序所需要的时间为：
T2＝ 0.7μS／步 × 2000步 =1.4ms
自诊断所需要的时间为：
T3＝ 1ms
通信时间为,T4＝ 0（ 不与外设通信 ）
一个扫描周期为：
T＝ T1＋ T2＋ T3＋ T4＝ 0.114＋ 1.4＋ 1ms＝ 2.5ms
在实际使用中要精确计算 PLC的扫描周期,也是比较麻烦的 。 特别是对于功能指令,逻辑条件满足与否,执行时间各不相同 。 为了方便用户,FX系列 PLC中,将
2.PLC扫描周期的计算 3
扫描周期最大值,扫描周期最小值,扫描周期当前值和恒定扫描周期的值分别存入 D8012,D8011,D8010
和 D8039四个特殊数据寄存器中 。 PLC运行时,用户可以用编程器查看,监控扫描周期的大小及变化 。
2.PLC扫描周期的计算 4
数据寄存器号 内容名称 备注
[D]8010 扫描周期当前值（计时单位,0.1ms）
含恒定扫描等待时间[D]8011 扫描周期最小值（计时单位,0.1ms）
[D]8012 扫描周期最大值（计时单位,0.1ms）
[D]8039 恒定扫描时间 初始值 0（计时单位,1ms）
表 1.5 有关扫描周期的 4个特殊数据寄存器的内容例 1.2 某 FX1S型号的 PLC运行时,查得 D8010,D8011
,D8012存放的数值如表 1.6所示 。 试计算它的扫描周期最大值,扫描周期最小值,扫描周期当前值和恒定扫描周期的值各为多少？
2.PLC扫描周期的计算 5
表 1.6 例 1.2中有关扫描周期的 4个特殊数据寄存器内容数据寄存器号 内 容 计时值
[D]8010 25 2.5ms
[D]8011 20 2ms
[D]8012 30 3ms
[D]8039 4 4ms
解：将各数据寄存器中的数值乘以各自的计时单位即可得到所求计时值如表 1.6第 3列所示 。
扫描周期当前值,T＝ 25× 0.1=2.5ms
扫描周期最小值,Tmin＝ 20× 0.1=2ms
扫描周期最大值,Tmax＝ 30× 0.1=3ms
恒定扫描周期值,Tconst＝ 4× 1=4ms,符合 Tconst＞
Tmax
注意,要实现恒定扫描,须同时满足：
① Tconst＞ Tmax。
② Tconst<WDT（ 警戒计时器设定值 ） 。 PLC的警戒计时器,监视每次扫描是否超过规定时间,如果因故
,扫描周期变长,就会发出报警信号 。
2.PLC扫描周期的计算 6
PLC采用顺序扫描工作方式,软线圈控制其所属接点是扫描到的接点才会动作 。 这种输入,输出的滞后,会不会影响 PLC控制系统正确取代继电接触控制系统呢？
通过例 1.1的计算,FX小型 PLC的扫描周期为毫秒级 （
每秒可扫描用户程序几十到几百次 ）,被控对象继电器,接触器触点的动作时间,100ms。 相对而言,PLC
的扫描过程几乎是同时完成 。 PLC因扫描而引起的响应滞后非但无害,反而可增强系统的抗干扰能力,避免在同一时刻因有几个电器同时动作,而产生触点动作时序竞争现象 。 但对响应时间要求高的设备,则应选用高速 CPU,快速响应模块,高速计数模块,直至采用中断传输方式 。
3.PLC扫描周期与继电接触控制系统响应时间比较
I/O响应时间：从 PLC的输入信号变化开始到引起相关输出端信号的改变所需的时间,它反映了 PLC的输出滞后输入的时间 。 引起输出滞后输入的主要原因是：
① 为了增强 PLC的抗干扰能力,PLC的每个开关量输入端都采用电容滤波,光电隔离等技术 。
② 由于 PLC采用集中 I/O刷新方式,在程序执行阶段和输出刷新阶段,即使输入信号发生变化,输入映象区的内容也不会改变 。 响应时间至少要一个扫描周期,
一般均大于一个扫描周期甚至更长 。
最短的 I/O响应时间：输入信号的变化正好在采样阶段结束前发生,所以在本扫描周期能被及时采集,并在本扫描周期的输出刷新阶段开始时就输出 。
1.3.3 PLC的 I/O响应时间
1.3.3 PLC的 I/O响应时间 2
图 1.15最短的 I/O响应时间图 1.16最长的 I/O响应时间最长的 I/O响应时间：输入信号正好在采样阶段结束后变化,要在下一扫描周期的采样阶段才能被采集到,
在下一扫描周期的输出刷新阶段结束前输出 。
本章小结
（ 1） PLC具有可靠性高,抗干扰能力强,简单易学,
适应性强,调试维修方便等特点 。
（ 2） PLC除了用于开关量控制控制,还能进行模拟量控制,数据处理和通信联网等 。
（ 3） PLC有着同通用微机相同的硬件结构,其软件系统也包括系统程序和应用程序 。
（ 4） 熟悉 PLC的主要技术指标,I／ O总点数,存储容量,扫描速度,内部软组件,特殊功能模块 。
（ 5） 掌握 PLC循环扫描工作方式 。 扫描梯形图时,总是按先上后下,先左后右的顺序进行 。 逻辑行间作用特点是：上对下,立即影响；下对上,等待下次 。 扫描工作方式是产生 I/O响应滞后现象的主要原因 。
（ 6） 会进行扫描周期的计算 。
原理与应用
21世纪高职高专规划教材 俞国亮 主编第 1章 可编程控制器基础本章要求
– 本章主要介绍可编程控制器基础知识 。 要求了解可编程控制器的硬件结构,软件系统和用户程序的特点；熟悉可编程控制器的性能指标,扫描周期,I/O响应时间；掌握可编程控制器的扫描工作方式的基本原理 。
1.1 可编程控制器概述可编程控制器（ Programmable Controller）的英文缩写是 PC，容易同个人计算机（ Personal Computer）混淆，
因此通常都称其为 PLC（ Programmable Logic
Controller）。
PLC是在继电器控制基础上以微处理器为核心，将自动控制技术，计算机技术和通信技术融为一体而发展起来的一种新型工业自动控制装置。目前 PLC已基本替代了传统的继电器控制系统，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。
继电器控制系统用硬件实现控制程序，当产品更新时，
必须改变相应的器件和接线。现代社会制造工业迫切需要一种新的更先进的“柔性”的控制系统来取代。
20世纪 60年代末，美国通用汽车公司（ GM）希望有一种,柔性,的汽车制造生产线来适应汽车型号不断更新的要求,GM提出 10条要求，并公开向制造商招标。
美国数字设备公司（ DEC）根据以上要求，于 1969年研制出了第一台可编程控制器 PDP－ 14，并在美国通用汽车公司的生产线上取得了成功。它用计算机的软组件的逻辑编程成功取代了继电器控制的硬接线编程，
生产硬设备的生产线是“柔性”的愿望终于实现了。
1.1.1 可编程控制器的产生
1.1.2 PLC的特点初期：用来替代继电器控制，进行开关量逻辑控制。
70年后：随着微电子技术、计算机技术的发展,PLC以单片机或其它 16位,32位的微处理器作为主控芯片,输入 /输出等电路也采用 LSI或 VLSI,功能有了突飞猛进的发展。 PLC除有开关量控制外，还具有数据处理、数据通信、模拟量控制和 PID调节等功能。
80年,NEMA（美国电气制造商协会）将命名中的
“逻辑”一词摘掉，称为 Programmable Controller。
定义,PC是一种数字式的电于装置，它使用可编程序的存储器以及存储指令，能够完成逻辑、顺序、定时、
计数及算术运算等功能，并通过数字或模拟的输入、
输出接口控制各种机械或生产过程。 PLC有如下 特点：
1.1.2 PLC的特点 2
（ 1）可靠性高，抗干扰能力强采用 LSI，开关是无触点的，而硬继电器用的是机械触点开关，可靠程度无法比拟。软硬件抗干扰措施：
硬件：器件筛选和老化。电路采用光电隔离器，隔断
I/O电路与内部电路的直流通路，抑制外部干扰源的影响。电源采取屏蔽、稳压、保护等措施。设置,看门狗”（ watchdog）电路，能把走飞程序拉回来（自动恢复）。结构上采用耐热、密封、防潮、防尘和抗振的外壳封装,适应恶劣工业环境。
软件：数字滤波、故障检测与诊断，自动扫描，出错自动处理 (报警、保护数据和封锁输出 )。采用 EEPROM,
保护断电后用户程序和数据不会丢失。采用循环扫描的方式。
1.1.2 PLC的特点 3
（ 2）编程软件，简单易学从清晰直观的继电器控制线路演化过来的梯形图程序易学易懂，易修改，深受电器工作人员的欢迎。
（ 3）适应性好，具有柔性生产工艺或设备改变时，不必改变硬设备，只需改变相应的软件就可满足新的控制要求。产品已标准化、
系列化和模块化，以适应不同的控制要求。
（ 4）功能完善，接口多样除基本单元外，还可选配各种特殊适配器，满足不同的需要，如数字量 /模拟量输入输出，定时计数,A / D
与 D／ A转换，数据处理，通信联网等功能。
（ 5）易于操作，维护方便
1.1.2 PLC的特点 4
安装方便：具有 DIN标准导轨安装用卡扣。
连接方便：具有输入 /输出端子排，只要用螺丝刀就可以与不同的控制设备连接。
调试方便：输入信号可用开关来模拟，输出信号可观察面板发光二极管。
维护方便：完善的自诊断功能和运行故障指示装置。
（ 6）体积小、重量轻、功耗低产品结构紧凑、体积小、重量轻、功耗低。
如 FX1S－ 20MT型 PLC：
外形尺寸,75mm× 90mm× 87mm，
重量,400g，功耗,20W。这种迷你型 PLC很容易嵌入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
1.1.3 PLC应用
PLC的主要应用有以下 5个方面。
（ 1）开关量逻辑控制是 PLC最基本的应用,即用 PLC取代传统的继电器控制系统,实现逻辑控制和顺序控制 。
（ 2） 模拟量过程控制控制连续变化的模拟量,如温度,压力,速度,流量
,液位,电压和电流等均为模拟量 。 通过各种传感器将相应的模拟量转化为电信号,然后通过 A/D模块将它们转换为数字量送 PLC内部 CPU处理,处理后的数字量再经过 D/A转换为模拟量进行输出控制 。
（ 3） 机械件位置控制用专用的位置控制模块来控制步进电机或伺服电机,
1.1.3 PLC应用实现对各种机械构件的运动控制,如速度,位移,方方向等。典型应用有：机器人的运动控制、机械手的位置控制、电梯运动控制等； PLC还可与计算机数控（
CNC）装置组成数控机床，以数字控制方式控制零件的加工、金属的切削等等，实现了高精度的 加工。
（ 4） 现场数据采集处理可以方便地对生产现场的数据进行采集、分析和加工处理。
（ 5） 通信联网,多级控制
PLC与 PLC之间,PLC与上位计算机之间通信，要采用专用通信模块，并利用 RS－ 232C或 RS-422A接口，用双绞线或同轴电缆或光缆将它们联成网络。
1.1.4 PLC的分类可以按照结构形式,I/O点数和功能两种形式分类 。
1.按结构形式分类
PLC可分为整体式和模块式两种 。
（ 1） 整体式将 CPU,存储器,I／ O和电源等部件集中于一体,安装在一个金属或塑料的机壳的基本单元内,机壳的上下两侧是输入输出接线端子,并配有反映输入输出状态的微型发光二极管 。
图 1.1 三菱 FX1S系列 PLC
1.1.4 PLC的分类 2
整体式结构的 PLC具有结构紧凑,体积小巧,重量轻,
价格低的优势,适用于嵌入控制设备的内部,常用于单机控制 。 一般小型以下 PLC多采用这种结构,如三菱公司的 FX2N,FX0N,FX1S系列 。
（ 2） 模块式把各个组成部分 CPU,I/O,电源等分开,做成各自独立的模块,各模块做成插件式,插入机架底板的插座上 。
图 1.2 三菱 A2NQ系列 PLC
1.1.4 PLC的分类 3
可按照控制要求,选用不同档次的 CPU模块,各种 I/O
模块和其它特殊模块,构成不同功能的控制系统 。
模块式结构的 PLC具有配置灵活,组装方便,扩展容易
。 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 A2NQ系列 PLC 。
2.按 I/O点数和功能分类按 I/O点数,内存容量和功能来分,PLC可分为微型,
小型,中型,大型和超大型五类,如表 1.1所示 。
小型 PLC的存储器容量一般在 2KB～ 4KB之间,I/O点数一般在 64～ 128之间 。 小型 PLC具有逻辑运算,定时和计数等功能,适合于开关量控制,定时和计数控制等场合,常用于代替继电器控制的单机线路中 。
1.1.4 PLC的分类 4
表 1.1 PLC分类类型 I/O点数 存储容量 (KB) 机型微型 ＜ 64 ＜ 2 三菱 FX1S系列小型 64 ～ 128 2 ～ 4 三菱 FX2N系列中型 128 ～ 512 4 ～ 16 三菱 A1N系列大型 512 ～ 8192 16 ～ 64 三菱 A3N系列超大型 ＞ 8192 ＞ 64 西门子 SU-155
1.1.5 PLC的发展
1.国内外 PLC的发展
69年,DEC研制了第一台 PLC。
70年：日,德和法等国从美国引进这项技术,开始生产 PLC。
PLC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的首位 。
70年：我国研制,生产自己的 PLC,如江苏嘉华公司的 JH系列 PLC等 。 我国的 PLC技术已经进入较快速度的发展阶段,国产机在机床设备,生产自动线等的应用也越来越广泛,占有率也逐步提高 。
1.1.5 PLC的发展 2
PLC将向着更强大和更小巧的两个方向发展 。
更强大是指存储容量更大,I/O点数更多,执行速度更高,智能化程度更强,数据更安全 。 这些大型 PLC能与计算机组成多级分布式控制系统,实现对生产全过程的集中管理 。
大型 PLC代表了当今世界的 PLC发展的水平 。
更小巧是指体积更小,价格更低,但性能却更强的微型化 PLC。 主要用于取代继电器系统,如注塑机,印刷机,包装机,纺织机和电梯控制等机械配套控制电器上,也能适应复杂单机,数控机床和工业机器人等领域的控制要求 。
小型和微型 PLC使用的数量,代表了 PLC普及的程度 。
1.1.6 PLC的主要技术指标 1
PLC的主要性能的可以按照以下 6种指标来描述 。
1.I/O总点数指 PLC输入信号和输出信号的数量,也就是输入,输出的端子数总和 。 注意,电源,COM等端子不能作为 I/O
端子计入 。 I/O总点数是描述 PLC性能的重要指标 。
2.存储容量指用户程序存储器的容量,即用户 RAM的存储容量 。
指令是按,步,存放的,一,步,占用一个地址单元
。 所以
1步＝ 2字节 。
3.扫描速度指 PLC扫描 1000步指令所需的时间,以 毫秒 /千步 为单位,也有用 μs/步 为单位 。
1.1.6 PLC的主要技术指标 2
4.内部寄存器
PLC内部寄存器用以存放输入 /输出变量的状态,逻辑运算的中间结果,定时器 /计数器的数据 。 内部寄存器的种类多少,容量大小,将影响到用户编程的效率 。
5.编程语言与指令系统有梯形图,助词符,SFC（ Sequential Function Chart）
以及高级语言等 。 在 PLC的指令系统中,包含的指令种类越多,其功能就越强 。
6,特殊功能模块
PLC除了基本单元外,还可选配各种特殊功能模块 。 特殊功能模块的种类多少,功能强弱是衡量 PLC技术水平高低的一个重要指标 。
1.2 可编程控制器的一般结构
1.2.1 PLC的硬件系统
PLC是专为工业控制而设计,采用了典型的计算机结构,
主要由 CPU,存储器,采用扫描方式工作的 I/O接口电路和电源等组成 。
图 1.3 PLC硬件系统结构框图
1.2.1 PLC的硬件系统 2
1.微处理器 （ CPU）
CPU由控制器,运算器和寄存器组组成,大多用 8位,
16位和 32位微处理器或单片机作为主控芯片,是系统的控制 /运算中心,其它部件,如 ROM,RAM和 I/O部件等都是通过 3总线 AB,DB和 CB挂靠在 CPU上的 。
2.存储器 （ ROM和 RAM）
ROM（ Read Only Memory）,存放系统程序,相当于通用计算机中的 BIOS。
EPROM（ Erasable ROM）,可擦除可编程只读存储器 。
EEPROM（ Electrical EPROM）,电擦除可编程只读存储器 。 正常运行时,和普通 RAM一样,可随机读写,
又能象 ROM那样断电后具有信息的非易失性 。
1.2.1 PLC的硬件系统 3
RAM（ Random Access Memory）,放用户应用程序 。
3.输入 /输出 （ I／ O） 单元
I／ O单元是 PLC与输入 /输出设备间信息传送的接口 。
(1)为什么要用输入 /输出接口电路？
① 数据锁存 ―― 向外设输出数据时的需要 。
② 电平隔离 ―― 使外设和 CPU电路之间直流电平互不影响 。
③ 速度协调 ―― 使外设和 CPU之间,准备好后才传送数据 。
④ 数据变换 ――,串 /并变换,并 /串变换,A/D变换,
D/A变换等 。
（ 2） FX系列 PLC基本单元输入电路
1.2.1 PLC的硬件系统 4
① 单元内部已有 24V的直流电源,所以输入端子和
1.2.1 PLC的硬件系统 5
COM端间可接无电压开关,也可接 NPN型集电极开路晶体管,输入接好后,对应的 LED就会发亮 。
② 输入采用：
光电耦合器,耦合交流,隔离直流 。
RC滤波器：防止输入干扰,引起 10ms的 I/O响应延迟 。
X000～ X017内置数字滤波器：可按功能指令在 0～
60ms范围内变动 。
③ 输入电压 /电流,DC24V/7mA
X010后,DC24V/5mA。 为可靠起见,
ON电流分别为,>4.5mA/3.5mA
OFF电流为,<1.5m。
④ 利用外接电源驱动光电开关等传感器时,要求外接
1.2.1 PLC的硬件系统 6
电源的电压同内部电源电压相同；允许的范围是：
DC24V± 4V。
（ 3） FX系列 PLC基本单元输出电路输出继电器的输出触点接到 PLC的输出端子上,外部负载和工作电源与 PLC的输出端子和公共端子 COM相连,负载工作与否受 PLC程序运行结果的控制 。
PLC输出形式,继电器输出,晶体管输出和晶闸管输出
① 继电器输出优点：电压范围宽,导通压降小,价格也便宜,可控制交直流负载 。
缺点：触点寿命短,断开有电弧,易产生干扰,转换频率低,响应时间 10ms。
表 1.2 PLC分类
。
1.2.1 PLC的硬件系统 8
当 PLC有输出时,输出继电器线圈得电,其主触点闭合,驱动外部负载工作 。 继电器可以将 PLC的内部电路与外部负载电路进行电气隔离 。
最大负载：纯电阻负载 2A/1点；感性负载 80VA以下 。
图 1.5 继电器输出电路
1.2.1 PLC的硬件系统 9
② 晶体管输出籍光耦使晶体管截止或饱和控制负载,并对内部电路和输出电路光电隔离 。
最大负载：纯电阻负载 0.5A/1点；考虑温度上升的影响,要求总电流 ≤ 0.8A/4点 。
图 1.6 晶体管输出电路
1.2.1 PLC的硬件系统 10
优点：寿命长,无触点,无噪声,可靠性高,响应快
,I/O响应时间为 0.2ms。
缺点：价格高,过载能力差 。
③ 晶闸管输出籍光触发双向晶闸管,使其截止或导通来控制负载 。
图 1.7 晶闸管输出电路
1.2.1 PLC的硬件系统 11
优点：寿命长,无触点,无噪声,可靠性高,可驱动交流负载 。
缺点：价格高,负载能力较差 。
最大负载：纯电阻负载 0.3A/1点 。
4.电源单元
PLC的内部有一高性能稳压电源,允许外部电源电压额定值：＋ 10％ ～－ 15％ 。 FX1S系列电源规格：
① 额定电压,AC100～ 240；
② 电压允许范围,AC85～ 264；
③ 传感器电源,DC24V/400mA。
一般小型 PLC的电源包含在基本单元内,大中型 PLC
才配有专用电源 。 PLC内部还带有锂电池后备电源 。
1.2.3 PLC的软件系统
PLC软件主要分为两大类,系统程序和应用软件 。
1.PLC的系统程序
（ 1） 管理程序管理程序是系统控制中心,它管理 PLC的所有资源,
控制 PLC各部件的操作,输入 /输出,数据与代码的传送与存取,算术与逻辑运算等操作,对 PLC系统各部件进行自检和故障诊断 。
（ 2） 编译程序编译程序相当于一个翻译,它能把用户编的梯形图程序,助词符源程序和高级语言源程序翻泽成 PLC能够识别的机器语言 。
1.2.3 PLC的软件系统 2
（ 3）系统调用功能模块系统调用功能模块由许多独立的功能模块组成，通过系统调用实现某种独立的功能，如输入 /输出及特殊运算操作。 PLC根据不同的控制要求，选用不同的模块完成不同的操作。
2.应用程序包括 PLC厂商开发的供用户使用的在各种平台下使用的软件，以及用户根据控制要求，用 PLC的程序设计语言编制的应用程序。
（ 1）本书用到的三菱工控产品的最新实用软件
① 三菱 MEDOC230,DOSV2.30版本,用于 FX2N、
FX1N,FX1S,FX0N,FX0S,A系列 PLC编程软件；
1.2.3 PLC的软件系统 3
② 三菱 SW0PC-FXGP/WIN-C FX2N,FX1N,FX1S、
FX0N,FX0S系列 PLC编程软件,Windows V3.00 中文版 。
（ 2） 用户程序存储在系统程序指定的存储区内,其最大容量也是由系统程序限定的 。 在小型 PLC中其循环扫描工作方式决定了用户程序通常多为顺序结构,即从第一条指令至最后一条指令,不断循环扫描 。
大中型 PLC的用户程序庞大而复杂,一般都采用模块化结构,就是将一个大程序划分成多个功能模块,然后按功能模块来编程,最后再把各部分调试组合成一个完整的大程序 。
1.3 PLC的基本工作原理 1
1.3.1 PLC的工作方式
PLC采用循环扫描工作方式,集中进行输入采样,集中进行输出刷新 。 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 。
1.PLC循环扫描工作方式一般包括 五个阶段：
内部处理与自诊断与外设进行通信处理输入采样用户程序执行输出刷新 。
1.3 PLC的基本工作原理 2
。
图 1.13 PLC循环扫描的工作过程
1.3 PLC的基本工作原理 3
方式开关置 STOP:只执行前 2个阶段,即只作内部处理与自诊断与外设进行通信处理；
方式开关置 RUN:将执行所有阶段 。
上电复位时,PLC首先作内部初始化处理,清除 I/O映像区中的内容；接着作自诊断,检测存储器,CPU及
I/O部件状态,确认其是否正常；再进行通信处理,完成各外设 （ 编程器,打印机等 ） 的通信连接；还将检测是否有中断请求,若有则作相应中断处理 。 在此阶段可对 PLC联机或离线编程,如学生实验时的编程阶段
。 上述阶段确认正常后,并且 PLC方式开关置于 RUN
位置时,PLC才进入独特的循环扫描,即周而复始的执行输入采样,程序执行,输出刷新 。
1.3 PLC的基本工作原理 4
（ 1） 输入采样阶段
CPU顺序扫描每个输入端,顺序读取输入端的状态,
并将其存入输入映像区单元中 。 采样结束后,输入映图 1.14 RUN状态下扫描过程
1.3 PLC的基本工作原理 5
像区被刷新,其内容将被锁存而保持着,并将作为程序执行时的条件 。 当进入程序执行阶段后,若输入端又发生变化,则输入映像区相应单元保存的信息,因被输入锁存器隔离而不会跟着改变 。 只有在下一个扫描周期的输入采样阶段,输入端信息才会被输入锁存器再次送入输入映像区的单元中 。 因此,为了保证输入脉冲信号能被正确读入,要求脉宽必须大于一个扫描周期 。
（ 2） 程序执行阶段
CPU从用户程序第 0步开始,顺序逐条扫描用户梯形图程序 。 扫描每支梯形图,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 。 这里接点就是 I/O映像区存储单元,由于它对应的是输入端的状态,所以把它称为 接点 （ 软触点 ） 。 以接点数据为条件,根据用户程序进行逻辑运算,并把运算结果存入输出映像区单元中 。 在程序执行阶段,只有输入端在 I/O映像区存放的输入采样值不会发生改变,而其它各软组件和输出点在 I/O映像区的状态和数据都有可能随着程序的执行而变化 。 请注意 PLC非并行工作的特点,在程序的执行过程中,上面逻辑行中线圈状态的改变,会对其下面逻辑行中对应的接点状态起作用
。 反之,排在下面的逻辑行中线圈状态的改变,只能等到下一个扫描周期才能对其上面逻辑行对应此线圈的接点状态起作用 。
1.3 PLC的基本工作原理 6
（ 3） 输出刷新阶段
CPU将输出映像区的状态信息转存到输出锁存器中,
刷新其内容,改变输出端子的状态,再通过输出驱动电路驱动被控外设 （ 负载 ）,这才是 PLC的实际输出 。
2.PLC处理输入／输出特点
① 在用户 RAM区中设置 I/O映像区,分别存放执行程序之前采样的各输入状态和执行过程中各结果的状态 。
② 输入点在 I/O映像区中的数据,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,而在程序执行和输出刷新阶段,其内容不会发生改变 。
③ 输出点在 I/O映像区中数据,取决于程序中输出指令的执行结果,而在输入采样和输出刷新阶段,其内容
1.3 PLC的基本工作原理 7
不会发生改变 。
④ 输出锁存电路中的数据,取决于上一个扫描周期输出刷新阶段存入的内容,而在输入采样和程序执行阶段,其内容不会发生改变 。
⑤ 直接与外部负载连接的输出端子的状态,取决于输出锁存电路输出的数据 。
⑥ 程序执行中所需要的输入 /输出状态,取决于由 I/O映像区中读出的数据 。
3.PLC同传统继电器控制的异同继电器控制采用硬逻辑并行运行方式,一个继电器线圈的通断,将会同时影响该继电器的所有常开和常闭触点动作,同触点在控制线路的位置无关 。 PLC采用
1.3 PLC的基本工作原理 8
循环扫描工作方式,一个软继电器的线圈通断,只会影响该继电器扫描到的接点动作 。 但是,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 。
1.3.2 PLC的扫描周期
1.PLC扫描周期的定义表 1.3 PLC控制系统与继电器控制系统比较控制系统 控制方式 线圈通电继电器 硬逻辑并行运行方式 所有常开 /常闭触点立即动作
PLC 循环扫描工作方式 CPU扫描到的接点才会动作
PLC全过程扫描一次所需的时间定为一个扫描周期 。
上电复位后,首先要进行初始化工作,如自诊断,与外设通信等 。 当 PLC方式开关置于 RUN位置时,它才进入输入采样,程序执行,输出刷新,并不断循环重复执行后三个阶段,所以运行后的扫描周期相应的要短一些 。
2.PLC扫描周期的计算一个完整的扫描周期可由自诊断时间,通信时间,扫描 I/O时间和扫描用户程序时间相加得到 。
① 自诊断时间：同型号的 PLC的自诊断时间通常是相同的,如三菱 FX2系列机自诊断时间为 0.96ms。
1.3.2 PLC的扫描周期
1.PLC扫描周期的定义
② 通信时间,取决于连接的外设数量,若外设为零,则通信时间为 0秒 。
③ 扫描 I/O时间,等于扫描的 I/O总点数与每点扫描速度的乘积 。
④ 扫描用户程序时间,等于基本指令扫描速度与所有基本指令步数的乘积；对于扫描功能指令的时间,也同样计算,功能指令扫描速度与指令步数可以查阅相关用户手册 。
可见,PLC控制系统固定后,扫描周期将主要随着扫描用户程序时间的长短而增减 。 当机型确定后,扫描速度就确定了,扫描用户程序时间的长短将随着用户梯形图程序的长短而增减了 。
2.PLC扫描周期的计算例 1.1 FX1S-30MT,其输入 /输出点数为 16/14,用户程序为 2000步基本指令,PLC运行时不连接上位计算机等外设 。 I/O扫描速度为 3.8μS/点,用户程序的扫描速度取表 1.4中 0.7μs／步；自诊断所需的时间设为 1ms,试计算一个扫描周期所需要的时间为多少？
2.PLC扫描周期的计算 2
FX系列机型 基本指令扫描速度 应用指令扫描速度
FX0N 1.6至 3.6μS / 指令 几十至几百 μS / 指令
FX1S 0.55至 0.7μS / 指令 3.7至几百 μS / 指令
FX2N 0.08μS / 指令 1.52至几百 μS / 指令表 1.3 PLC控制系统与继电器控制系统比较解,扫描 30点 I/O所需要的时间为：
T1＝ 3.8μS/点 × 30点 =0.11ms
扫描 2000步程序所需要的时间为：
T2＝ 0.7μS／步 × 2000步 =1.4ms
自诊断所需要的时间为：
T3＝ 1ms
通信时间为,T4＝ 0（ 不与外设通信 ）
一个扫描周期为：
T＝ T1＋ T2＋ T3＋ T4＝ 0.114＋ 1.4＋ 1ms＝ 2.5ms
在实际使用中要精确计算 PLC的扫描周期,也是比较麻烦的 。 特别是对于功能指令,逻辑条件满足与否,执行时间各不相同 。 为了方便用户,FX系列 PLC中,将
2.PLC扫描周期的计算 3
扫描周期最大值,扫描周期最小值,扫描周期当前值和恒定扫描周期的值分别存入 D8012,D8011,D8010
和 D8039四个特殊数据寄存器中 。 PLC运行时,用户可以用编程器查看,监控扫描周期的大小及变化 。
2.PLC扫描周期的计算 4
数据寄存器号 内容名称 备注
[D]8010 扫描周期当前值（计时单位,0.1ms）
含恒定扫描等待时间[D]8011 扫描周期最小值（计时单位,0.1ms）
[D]8012 扫描周期最大值（计时单位,0.1ms）
[D]8039 恒定扫描时间 初始值 0（计时单位,1ms）
表 1.5 有关扫描周期的 4个特殊数据寄存器的内容例 1.2 某 FX1S型号的 PLC运行时,查得 D8010,D8011
,D8012存放的数值如表 1.6所示 。 试计算它的扫描周期最大值,扫描周期最小值,扫描周期当前值和恒定扫描周期的值各为多少？
2.PLC扫描周期的计算 5
表 1.6 例 1.2中有关扫描周期的 4个特殊数据寄存器内容数据寄存器号 内 容 计时值
[D]8010 25 2.5ms
[D]8011 20 2ms
[D]8012 30 3ms
[D]8039 4 4ms
解：将各数据寄存器中的数值乘以各自的计时单位即可得到所求计时值如表 1.6第 3列所示 。
扫描周期当前值,T＝ 25× 0.1=2.5ms
扫描周期最小值,Tmin＝ 20× 0.1=2ms
扫描周期最大值,Tmax＝ 30× 0.1=3ms
恒定扫描周期值,Tconst＝ 4× 1=4ms,符合 Tconst＞
Tmax
注意,要实现恒定扫描,须同时满足：
① Tconst＞ Tmax。
② Tconst<WDT（ 警戒计时器设定值 ） 。 PLC的警戒计时器,监视每次扫描是否超过规定时间,如果因故
,扫描周期变长,就会发出报警信号 。
2.PLC扫描周期的计算 6
PLC采用顺序扫描工作方式,软线圈控制其所属接点是扫描到的接点才会动作 。 这种输入,输出的滞后,会不会影响 PLC控制系统正确取代继电接触控制系统呢？
通过例 1.1的计算,FX小型 PLC的扫描周期为毫秒级 （
每秒可扫描用户程序几十到几百次 ）,被控对象继电器,接触器触点的动作时间,100ms。 相对而言,PLC
的扫描过程几乎是同时完成 。 PLC因扫描而引起的响应滞后非但无害,反而可增强系统的抗干扰能力,避免在同一时刻因有几个电器同时动作,而产生触点动作时序竞争现象 。 但对响应时间要求高的设备,则应选用高速 CPU,快速响应模块,高速计数模块,直至采用中断传输方式 。
3.PLC扫描周期与继电接触控制系统响应时间比较
I/O响应时间：从 PLC的输入信号变化开始到引起相关输出端信号的改变所需的时间,它反映了 PLC的输出滞后输入的时间 。 引起输出滞后输入的主要原因是：
① 为了增强 PLC的抗干扰能力,PLC的每个开关量输入端都采用电容滤波,光电隔离等技术 。
② 由于 PLC采用集中 I/O刷新方式,在程序执行阶段和输出刷新阶段,即使输入信号发生变化,输入映象区的内容也不会改变 。 响应时间至少要一个扫描周期,
一般均大于一个扫描周期甚至更长 。
最短的 I/O响应时间：输入信号的变化正好在采样阶段结束前发生,所以在本扫描周期能被及时采集,并在本扫描周期的输出刷新阶段开始时就输出 。
1.3.3 PLC的 I/O响应时间
1.3.3 PLC的 I/O响应时间 2
图 1.15最短的 I/O响应时间图 1.16最长的 I/O响应时间最长的 I/O响应时间：输入信号正好在采样阶段结束后变化,要在下一扫描周期的采样阶段才能被采集到,
在下一扫描周期的输出刷新阶段结束前输出 。
本章小结
（ 1） PLC具有可靠性高,抗干扰能力强,简单易学,
适应性强,调试维修方便等特点 。
（ 2） PLC除了用于开关量控制控制,还能进行模拟量控制,数据处理和通信联网等 。
（ 3） PLC有着同通用微机相同的硬件结构,其软件系统也包括系统程序和应用程序 。
（ 4） 熟悉 PLC的主要技术指标,I／ O总点数,存储容量,扫描速度,内部软组件,特殊功能模块 。
（ 5） 掌握 PLC循环扫描工作方式 。 扫描梯形图时,总是按先上后下,先左后右的顺序进行 。 逻辑行间作用特点是：上对下,立即影响；下对上,等待下次 。 扫描工作方式是产生 I/O响应滞后现象的主要原因 。
（ 6） 会进行扫描周期的计算 。
