第3章 可编程控制器基础

可编程控制器是非常有用的工业控制装置，每个工业控制工程师都应学会使用可编程控制器。使机器自动运行起来，提高效率、提高质量、提高产量是每个控制工程师的毕生追求。

3.1 概论

3.1.1 可编程控制器的定义

最初可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，但是实际上只能进行逻辑运算，简称为PLC。

随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，其功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制及远程通信等强大功能，所以美国电气制造商协会（NEMA）将其正式命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。但是为了和个人计算机（Personal Computer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器仍简称为PLC，本书跟随人们的习惯，将可编程控制器称为PLC。

国际电工委员会（IEC）于1987年对可编程控制器定义如下:可编程控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器，它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并通过数字式和模拟式的输入/输出、控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其功能的原则设计。

事实上可编程控制器就是以嵌入式CPU为核心，配以输入/输出等模块，可以方便地用于工业控制领域的装置。可编程控制器与机器人、计算机辅助设计与制造一起称为现代工业的三大支柱。

3.1.2 PLC的特点

1.可靠性好

由于PLC采用了输入和输出信号的光电隔离、滤波、电源的屏蔽、稳压和保护技术、故障诊断等技术，所以PLC可以在工业控制现场的恶劣环境中可靠地工作。平均无故障时间可高达5～10万小时以上。

2.功能完善

PLC的种类多、模块丰富和指令功能强大，使目前的PLC几乎可以完成所有的工业控制任务。

3.编程简单

类似继电器控制系统图的梯形图语言易学易懂，非常容易被技术人员掌握。

4.在线编程

在工业现场，可以使用手持编程器或笔记本电脑对PLC进行编程，当PLC连网后，可以在网络的任一位置对PLC编程。

5.安装容易

由于采用模块化的结构，现场安装非常简单。

6.体积小、重量轻、功耗低

在现代集成电路技术的支持下，PLC体积越来越小，重量也越来越轻，而功耗也越来越低。

7.价格越来越便宜

在生产厂家的增多、集成电路技术的进步等因素的影响下，PLC的价格越来越低。

3.1.3 可编程控制器的应用

可编程控制器可以干什么？

1.取代继电器控制

在灯光照明、机床电控、食品加工、印刷机械、电梯、自动化仓库、生产流水线等方面进行逻辑控制。

2.过程控制

对温度、压力、流量、物位高度等连续变化的物理量进行控制。

3.位置、速度控制

在机器人、机床、电机调速等领域进行位置、速度控制。

4.数据监控

在电力、自来水处理、化工、炼油、轧钢等方面进行数据采集、监测和控制。

5.组成分散控制系统

把PLC作为下位机，与上位机的计算机共同组成分散控制系统。

可以说PLC几乎应用到了工业控制的每一个领域，小到家庭的灯光照明，大到冶金、石化企业的生产过程都有PLC的应用。

3.1.4 可编程控制器的发展

可编程控制器现在发展很快，发展方向是：

1.小型、微型化

PLC的一个发展方向是越来越小，这些PLC只有手掌大小，使用起来灵活方便。

2.大型、超大型化

PLC的另一个发展方向是大型和超大型，这些PLC具有上万个输入/输出量，用于大型石化、冶金、汽车制造等领域。

3.智能化

PLC中的输入/输出单元越来越智能化，这些单元具有模糊控制、PID控制、位置控制、温度控制、远程通信等功能，而根据生产需求，新的智能单元正在不断推出。

4.CPU能力更强

选用时钟更快、功能更强的CPU是PLC的发展趋势。

5.支持更多的工业总线

支持多种工业标准总线，使连网更加容易和简单，更易于组成工程控制网。

6.编程软件标准化

采用国际标准化的IEC1131-3编程语言，可以使开发周期大大缩短。

7.人机交流功能增强

在为PLC配置了操作面板、触摸屏等人机对话手段后，其应用领域进一步扩展，应用更加方便。

8.数据处理能力大大增强

PLC与个人计算机技术结合后，使得PLC的数据处理、存储功能大大增强。

3.1.5 可编程控制器分类

1.按照结构分类

1）整体式

将CPU、输入/输出单元、电源、通信等部件集成到一个机壳内的PLC称为整体式PLC。整体式PLC一般都是小型或微型PLC。

2）模块式

模块式PLC是将CPU、输入单元、输出单元、电源、通信等分别做成模块，在应用中按照需要进行模块组装，大、中型PLC一般都是模块式结构。

3）整体模块混合式

将CPU、电源模块、通信模块和一定数量的输入/输出单元集成到一个机壳内，当使用中输入/输出模块不够使用时，再进行模块扩展。

2.按照输入/输出点数

1）小型

小型又称为低档PLC，输入/输出点数小于128点（所谓输入/输出点数就是输入开关和输出继电器的个数）。

2）中型

中型PLC的点数为128～512。

3）大型

大型PLC的点数在512点以上。

3.1.6 可编程控制器的主要技术指标

1.用户存储器容量

PLC中的用户存储器由用户程序存储器和数据存储器组成，该存储器的容量大，就可以编制出复杂的程序，一般来说，小型机的用户存储器容量为几千字（K字），而大型机的用户存储器容量为几十千字。

2.输入/输出点数

输入/输出的点数是PLC可以接受的输入开关信号和输出开关信号的总和。

3.模数和数模通道数

模数转换和数模转换的通道数就是可以输入和输出的模拟量总和。

4.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。扫描速度越快越好。

5.指令数量和功能

用户编制的程序所完成的控制任务，取决于PLC指令的多少，指令的功能越多，编程越简单和方便，越可以完成复杂的控制任务。

6.内部寄存器的配置及容量

在编制PLC程序时，需要用到大量的寄存器来存放变量、中间结果、保持数据、定时计数、模块设置和各种标志位等信息，这些寄存器的多少，直接关系到程序的编制。

7.特殊功能单元

特殊功能单元的种类多，可以说PLC的功能多。例如，有模糊控制单元，就说明PLC具有模糊控制能力。

8.可扩展性

在选择PLC时，需要考虑PLC的可扩展性，可扩展性包括如下内容：

（1）输入/输出点数的扩展；

（2）存储容量的扩展；

（3）连网功能的扩展；

（4）可扩展的模块数。

3.1.7 学习PLC的关键

学习PLC主要是学习如下三点。

1.PLC的安装与配线

熟悉PLC的输入和输出电路，会将PLC和它的外围电路连接起来。应该注意输入/输出电路的动作特点、电压、负载电流等参数。一般这些内容在PLC的安装手册中可以得到。

2.PLC的用户存储器组织

只有看懂存储器的分配，才会分配输入/输出量、计数器、定时器和功能指令的地址。有关存储器组织方面的内容，需要查看PLC编程手册。

3.会画顺序功能（SFC）图和PLC的梯形图（LD）

会画实际控制问题的SFC图，并将SFC图转化成梯形图或助记符程序。这一步是最难的，需要使用PLC的工程师熟悉生产流程、被控设备的特性和控制要求，熟悉PLC的外围配线和存储器组织，熟悉PLC的指令系统，只有这样，才能设计出好的梯形图程序。

3.2 可编程控制器的一般结构

从数字系统的角度来看PLC，其实它就是一个单片机系统。

3.2.1 基本结构

1.整体式PLC的结构

整体式PLC硬件系统由CPU、存储器、通信接口、输入/输出电路和电源电路组成，如图3-1所示。

2.模块式PLC的结构

在模块式PLC中，组成PLC的各个部分都是模块，这些模块由PLC的系统连接，如图3-2所示。

3.混合式结构

在混合式结构中，PLC由PLC主机和扩展模块组成，其中PLC主机由CPU、存储器、通信电路、基本输入/输出电路组成，而扩展模块可以是输入/输出模块、模拟量模块、位置控制模块等，如图3-3所示。

3.2.2 PLC各部分电路介绍

1.CPU芯片

CPU芯片是PLC的核心，所有PLC的动作（程序输入、程序执行、通信、自检等）都需要CPU芯片的参与。各个公司的PLC的CPU芯片类型不同，一般是8位或16位单片机。

2.存储器

PLC中的存储器用于存放：

（1）系统程序。系统程序是PLC生产厂赋予PLC功能的程序，就是由于有了系统程序，单片机组成的系统就变成了PLC。

（2）用户程序。用户程序就是需要PLC发出动作进行工业控制的程序。

（3）数据。数据包括PLC运行中的各种数据，如I/O、定时、计数、保持、模拟量、各种标志等。

一般PLC的系统程序存放在E2PROM中，而用户程序和数据放在后备电池支持的RAM中。

3.I/O电路

I/O电路是PLC与现场工业设备连接的电路，现场的开关量（行程开关、传感器等）信号通过I/O电路输入PLC，而PLC输出的开关（如继电器、晶体管等）信号从PLC输出到工业设备（如电磁铁、电机等）。

4.电源模块

PLC电源的输入电压有直流12V、24V、48V和交流110V、220V，使用时根据需要选择。由于PLC中的电源都是开关式电源，所以在输入电压大幅度波动时PLC仍能够稳定地工作。

电源模块的输出一般为直流5V和24V，它们向PLC的CPU、存储器等提供工作电源。

5.通信接口

一般PLC的CPU模块上至少有一个RS-232通信口或者是RS-485通信口，PLC可以通过RS-232通信口直接和上位计算机通信，若是RS-485通信口，则和上位计算机通信时需要一个连接器。无论是RS-232或是RS-485通信口，都可以和PLC配套的编程器通信。

PLC上还有通信模块，通过这些模块，PLC可以组成网络或下位上位的分散控制系统。

6.特殊功能单元

特殊功能单元包括高密度I/O单元、模拟I/O单元、模糊单元、温度传感单元、温度控制单元、热冷控制单元、凸轮控制单元、PID单元、位置控制单元、高速计数单元和语音单元等。

这些单元越多，说明PLC的功能越强。

7.编程器

编程器是PLC的常用的外部设备，用户通过编程器编写控制程序，并通过通信单元（编程器接口）将程序装入PLC。编程器还可以监控PLC的运行。随着计算机的价格下降，计算机配编程软件后，成为一个功能强大的编程器。在计算机上可以对PLC进行设置、编程、调试、监控、显示、打印等工作。

3.3 可编程控制器的工作原理

3.3.1 工作原理

与其他控制装置一样，PLC根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断、产生控制输出。PLC采用循环扫描的工作方式，其过程如图3-4所示。这个过程分为读输入、程序执行、写输出三个阶段，整个过程进行一次所需要的时间称为扫描周期。

1.三个阶段的工作过程

以下详细叙述PLC三个阶段的工作过程。工作过程如图3-5所示。

1）读输入（输入刷新）阶段

PLC在读输入阶段，以扫描方式依次地读入所有输入信号的通/断状态，并将它们存入存储器输入暂存区的相应单元内，这部分存储区也被特别地称为输入映像区，在读输入结束后，PLC转入用户程序执行阶段。

2）程序执行阶段

PLC在程序执行阶段，按照先后次序逐条执行用户程序指令，从输入映像存储区中读取输入状态、上一扫描周期的输入状态以及定时器、计数器状态等条件，根据用户程序进行逻辑运算，不断得到运算结果，一步步运算得到的一步步结果并不直接输出，而是将其对应地先存入输出暂存区的相应单元中，输出暂存区也称为输出映像区，直到用户程序全部被执行完。用户程序执行完后，得到最后的可以输出的结果。

本扫描周期内的用户程序执行阶段结束，PLC转入写输出阶段。

3）写输出（输出刷新）阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段，在此期间PLC根据输出映像区中的对应状态刷新所有的输出锁存电路，再经隔离驱动到输出端子，向外界输出控制信号，控制指示灯、电磁阀、接触器等，这才是PLC的实际输出。

2.响应时间

由于采用了扫描工作方式，所以当PLC输入端有一个输入信号发生变化到输出端对该输入变化作出反应需要一段时间，这段时间就称为PLC的响应时间或滞后时间，这段时间往往较长，但是对于一般的工业控制，这种滞后是允许的。响应时间的大小与如下因素有关：

① 输入电路的时间常数；

② 输出电路的时间常数；

③ 用户语句的安排和指令的使用；

④PLC的循环扫描方式；

⑤PLC对I/O的刷新方式。

其中，前3个因素可以通过选择不同的模块和合理编制程序得到改善。

由于PLC是循环扫描工作方式，因此响应时间与收到输入信号的时刻有关，在此给出最短和最长响应时间。

1）最短响应时间

如果n-1个扫描周期刚结束时，收到一个输入信号，则第n个扫描周期一开始就被采样，使输出更新，这时响应时间更短，如图3-6所示。如果考虑到输入电路造成的延迟和输出电路造成的延迟，最短响应时间可以用下式表示：

最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟

2）最长响应时间

如果在第n个扫描刚执行完输入刷新后，输入发生了变化，在该扫描周期内这个信号不会发生作用，要到n+1个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到输入变化，在输出刷新阶段输出作出反应，这时响应时间最长，可用下式表示：

最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描周期+输出延迟时间

从图3-7可以看出，对输入信号的持续时间也有一定要求，如果输入信号的持续时间不能大于一个扫描周期（所谓窄脉冲），则输入就不能确保被采样，也就不能被响应。

在PLC中读输入和输出刷新时间基本固定不变，且占扫描周期的份额较小，扫描周期的长短主要由用户程序执行的时间决定。用户程序执行时间取决于用户程序量和CPU的运算速度。通常情况下，PLC的扫描周期小于100ms，从控制的角度，这个时间还是可以接受的。

PLC为什么要采用统一输入采样、用户程序执行、输出统一刷新这种循环扫描工作呢？

最初研制生产PLC的目的是为了代替传统的由继电器、接触器构成的控制装置，而继电器控制装置采用硬逻辑并行运行方式，如果一个继电器的线圈通电或断电，则该继电器所有的触点（包括常开和常闭触点）在继电器控制电路中都会同时动作，发挥控制作用。继电器控制电路的并行工作方式，也可以理解为控制装置随时根据所有输入条件/状态或其他条件/状态，由控制电路作出判断，随时产生输出。

而PLC是计算机控制装置，计算机的根本特征是串行工作的，即每一时刻只能做一件事情，因此为了模拟传统的继电器控制装置的工作特点，以梯形图方式编程，只能统一采样同一时刻的输入状态，然后执行用户程序、进行逻辑运算，最后统一刷新所有输出，这样的扫描过程循环不断地始终进行。如果PLC的扫描过程足够短（<100ms），接近继电器的动作时间延迟，则PLC与继电器控制装置的处理结果就没有什么区别了。

事实上PLC在一个扫描周期内除了完成前述的三个阶段工作外，还要做一些辅助工作，如内部诊断、通信等工作。

顺序扫描工作方式简单直观，便于程序设计和PLC自身的检查。因为在扫描完成后，其结果马上会被紧随其后的扫描所利用；一般在PLC内设置有监视定时器，用来监视每次扫描的时间是否超出规定值，避免由于PLC内部的CPU故障使程序进入死循环。

扫描顺序可以是固定的，也可以是可变的。一般小型PLC采用固定的扫描顺序，大中型PLC采用可变的扫描顺序。这是因为大中型PLC扫描的点数多，每次扫描只对需要扫描的点进行扫描，可以减少扫描的点数，缩短扫描周期，提高实时控制中的响应速度。

PLC的工作过程如下：

大中型PLC，如欧姆龙C200HX/HG/HE可编程控制器的扫描工作过程如图3-8所示。

只要PLC一通电，就立即执行最初的三个操作。剩下的各个操作以扫描的形式执行，在一个扫描周期中包含9个基本操作：

（1）监督检查（需要0.7ms）；

（2）执行程序（需要的时间随执行指令时间的长短确定）；

（3）计算扫描周期（执行时间可以忽略）；

（4）I/O刷新（需要的时间随点数不同而不同）；

（5）上位机链接单元服务（最多需要0.6ms）；

（6）RS-232C端口服务（不连接设备时0ms，连接设备时最小0.26ms）；

（7）外围设备服务（不连接设备时0ms，连接设备时最小0.26ms）；

（8）通信板服务（需要时间0.5ms+每个端口处理时间）；

（9）SYSMAC LINK和SYSMAC NET服务（不安装通信单元0ms，安装时取决于通信单元数）。

实际上整个扫描周期分为:自监视扫描阶段、与网络通信扫描阶段、用户程序扫描阶段和I/O刷新扫描阶段。

在自监视扫描阶段，PLC进行自我监视或自我诊断，这个主要是有监视定时器WDT（Watch Dog Timer）完成的。若是由于故障或用户程序太长不及时WDT复位，WDT就会停止PLC运行并报警。

只有配有网络的PLC系统中，才有通信扫描阶段，在这一阶段，PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间进行信息交换。

在用户程序扫描阶段，对于用户程序存储器所存的指令，PLC从输入状态暂存区中取出输入端状态，从第一条程序开始执行，并且将每一步的执行结果送入输出暂存区。

在I/O刷新阶段，CPU将输入的状态读入输入暂存区、将输出暂存区的状态写入输出状态锁存器。

采用这样的扫描过程具有如下的特点：

（1）输入刷新阶段，将输入端子的状态存入输入暂存区，暂存区的数据取决于输入刷新阶段各个实际输入点的通/断状态。在用户程序执行阶段，输入状态暂存区的数据不再随输入的变化而变化。

（2）在用户程序执行阶段，输出状态暂存区的内容随程序执行的结果不同而随时改变，但是输出状态锁存器的内容不变。

（3）在输出刷新阶段，将用户程序执行阶段的最终结果由输出状态暂存区一起传递到输出状态锁存器。输出端子的状态由输出状态锁存器决定。

对于需要快速作出反应的控制要求，一定要考虑PLC的响应时间，若是PLC的响应速度不够，则可以采用特殊的PLC模块以弥补PLC速度慢的缺点。

3.3.2 可编程控制器中的存储区

PLC中用户程序的操作数都是存储区中的存储单元，若想操作这些单元的内容，就需要知道单元地址，这些单元地址有些是PLC系统程序指定的，有些是用户指定的，怎样确认这些地址，是使用PLC首要解决的问题。

例如，对应某输入开关量应该有一个存储单元，要想使用该开关控制一个输出，就需要知道该开关的地址。

例如，当具有模数转换单元模块时，模拟量经过转换后被放在哪些存储单元中，怎样确定这些单元的地址。

例如，增加了扩展模块，这些扩展模块的存储单元地址如何指定。

由于PLC种类很多，每一种类都有确认存储区地址的方法。所以，应该仔细阅读存储单元说明，只有正确地确认存储单元，才能够正确编制用户程序。

对于中、大型PLC来说，其存储区中存储单元的地址确认是非常复杂的，初学者应该仔细、认真对待这个问题。

3.3.3 可编程控制器的编程语言

PLC常用的语言是梯形图语言和助记符语言，因为PLC是专为工业控制开发的装置，主要使用对象是广大技术人员，它们可能不十分懂电气，但是对生产流程却非常在行，梯形图和助记符语言就是为它们开发的语言。

梯形图语言一般都在计算机屏幕上编辑，使用起来简单方便，特别是对继电器控制电路有所了解的技术人员来说，使用梯形图语言就更显得容易。

助记符语言类似与计算机编程序，若具有程序基础，学习助记符语言会容易一些，只要理解各个指令的含义，就可以像做计算机程序一样书写PLC的控制程序。

两种语言各有特点，最好是两个都会使用，因为在PLC编程软件中，这两种语言是可以互相转换的。

一般的感觉是简单控制使用梯形图语言较容易做，但是对于有子程序、分支、中断和复杂指令的程序来说，还是助记符语言要好用一些。

各个PLC厂家使用的梯形图语言基本类似，互相转换比较容易一些，但是助记符语言各个厂家是完全不同的，转换起来比较困难。

需要指出的是PLC实际上只认识助记符语言，梯形图语言要转换成助记符语言后存入PLC的存储器中。

3.3.4 可编程控制器的指令系统

指令就是指挥PLC动作的命令，PLC的一连串动作实际就是在执行一连串的指令。指令系统就是指令的集合。各个PLC厂家的指令系统是不同的，就是一个厂家的PLC，若是系列不同，指令系统也有差别。

指令越丰富，用户编程就越简单和方便，如OMRON系列P型PLC的指令为37条，而H型PLC的指令为173条，可见不同的PLC，其指令的丰富程度是不同的。

一般指令分为基本指令和功能指令，基本指令的使用较简单，可以完成继电器控制系统的功能，而功能指令较复杂，可以实现继电器控制系统无法实现的控制要求。

3.3.5 可编程控制器的编程

将梯形图和助记符语言编制程序并将该程序送入PLC，称为PLC的编程。

编程方法可以使用专用编程器，或是使用计算机。一般编程器只能使用助记符语言，而使用计算机编程，梯形图和助记符语言都可以使用。

编程器需要专门购买，虽然编程不是太方便，但是它小巧轻便，在控制现场使用方便。若有计算机，特别是有笔记本电脑时，就不需要购买编程器了。使用计算机编程时，需要PLC公司提供的编程软件。这些软件不仅能编程和调试程序，而且能够监视PLC的运行。

3.4 梯形图

3.4.1 梯形图的由来

梯形图语言实际就是图形，它来源于继电器控制电路图，在继电器控制电路图中，有5种基本图形就可以组成很复杂的控制线路。

（1）常开按钮，该按钮的触点平常的工作状态是断开状态，当用手按动时，触点闭合，为连接状态，当手离开按钮时，触点断开，恢复断开状态。

（2）常闭按钮，该按钮的触点平常的工作状态是连接状态，当用手按动时，触点断开，为断开状态，当手离开按钮时，触点闭合，恢复连接状态。

按钮的常闭和常开触点如图3-9所示。

（3）常开触点，该触点平常的工作状态是断开状态，当继电器线圈通电时，触点闭合，为连接状态，当继电器线圈断电时，触点断开，恢复断开状态。

（4）常闭触点，该触点平常的工作状态是连接状态，当继电器线圈通电时，触点断开，为断开状态，当继电器线圈断电时，触点闭合，恢复连接状态。

（5）继电器线圈，继电器线圈只有连接该线圈的所有触点都闭合时，线圈通电，由线圈和动铁（衔铁）组成的电磁铁吸引闭合，带动常开触点闭合，常闭触点断开。继电器及其触点如图3-10所示。

由以上基本图形，可以画出最简单的继电器控制电路，该电路又叫自保持电路，是机床电气控制中常见的电路，该电路如图3-11所示。

该电路的初始条件是，控制电路电源加电，常开触点在断开状态，常闭触点在闭合状态。

当按钮1的常开触点闭合时，继电器1的线圈得电，继电器1的常开触点闭合，当按钮1的常开触点断开时，由于继电器1的常开触点闭合，继电器1的线圈仍然得电。

当按钮2的常闭触点断开时，继电器1的线圈失电。

由以上电路可知继电器1线圈左侧的触点组合是线圈得电、失电的条件，而继电器1线圈的得电和失电是满足某个条件的结果。对于图3-11所示电路的结果—条件表达式为

得电条件=（按钮1的常开触点）“或”（继电器1的常开触点）

失电条件=（按钮2的常闭触点）

继电器的线圈动作条件=（得电条件）“与”（失电条件）

对于继电器控制电路，每个继电器的动作条件都是得电条件“与”失电条件。

如果不考虑按钮和继电器的区别，只考虑常开常闭触点，则按钮和继电器的常开常闭触点图形就可以统一成图3-12所示的图形。

若将继电器线圈更换成圆形图形，则图3-11所示的继电器控制图就如图3-13所示。这个图形就称为梯形图。该梯形图中的触点和线圈还是按钮和继电器的概念。

若是用数字1表示按钮、继电器触点的闭合状态和继电器线圈的得电状态，数字0表示按钮、继电器触点断开状态和继电器线圈的失电状态，则该继电器控制电路就可以用计算机实现。用计算机实现继电器控制电路是PLC的初衷，而梯形图就是继承继电器控制系统的实现方法，成为PLC输入的一种方式。

在PLC中，这些按钮的触点和线圈就是存储器中的存储单元，又称为操作数，PLC首先采集操作数的状态，然后通过对梯形图的理解对这些操作数进行操作，在操作完成后，输出操作结果，达到控制的目的。

3.4.2 梯形图与继电器控制图的区别

梯形图与继电器控制图的电路形式和符号基本相同，相同电路的输入和输出信号也基本相同，但是它们的控制的实现方式是不同的。

（1）继电器控制系统中的继电器触点在PLC中是存储器中的“数”，继电器的触点数量有限，设计时需要合理分配使用继电器的触点，而PLC中存储器的“数”可以反复使用，因为控制中只使用“数”的状态“1”或“0”。

（2）继电器控制系统中梯形图就是电线连接图，施工费力，更改困难，而PLC中的梯形图是在计算机屏幕上画的，更改简单，调试方便。

（3）继电器控制系统中继电器是按照触点的动作顺序和时间延迟，逐个动作。而PLC是按照扫描方式工作，首先采集输入信号，然后对所有梯形图进行计算，当计算完成后，将计算结果输出，由于PLC的扫描速度快，输入信号的变化到输出信号的改变似乎是在一瞬间完成的。

（4）梯形图左右两侧的线对继电器控制系统来说是系统中继电器的电源线，而PLC中这两根线已经失去了意义，只是为了维持梯形图的形状。

（5）梯形图按行从上至下编写，每一行从左向右顺序编写，在继电器控制系统中，控制电路的动作顺序与梯形图编写的顺序无关，而PLC中对梯形图的执行顺序与梯形图编写的顺序一致，因为PLC视梯形图为程序。

（6）梯形图的最右侧必须连接输出元素，在继电器控制系统中，梯形图的最右侧是各种继电器的线圈，而在PLC中，在梯形图最右侧可以是表示线圈的存储器“数”，还可以是计数器、定时器、数据传输、译码器等PLC中的输出元素或指令。

（7）梯形图中的触点可以串联和并联，输出元素在PLC中只允许并联，不允许串联，而在继电器控制系统中，继电器线圈是可以串联使用的（只要所加电压合适）。

（8）在PLC中的梯形图结束标志是END。

3.4.3 梯形图编程前该准备的内容

1.熟悉PLC指令

画梯形图实际就是做程序，既然是做程序，就应该熟悉PLC的指令。

2.存储器地址安排与分配

仔细阅读PLC说明书，清楚如何分配存储器中的地址和一些特殊地址的功能。

3.清楚输入/输出设备的工作原理

清楚硬件接线和与PLC连接的输入/输出设备的动作原理。只有知道接线和输入/输出设备的工作原理，才能合理分配存储器单元。

4.为输入和输出设备分配存储器地址

在PLC存储器中分配给输入/输出设备地址。

5.为PLC梯形图中需要的中间量分配地址

除输入/输出设备需要地址外，PLC梯形图中的中间量也需要地址，如计数器、定时器、保持器等元素。

6.清楚控制原理，确认输出量、中间量和指令的执行条件（得电条件）和停止执行条件（失电条件）

在清楚控制原理的基础上，确认每一个输出量、中间量和指令在什么时候、什么条件下执行，这是编写梯形图的基础。

3.5 PLC控制系统设计

3.5.1 可编程控制器设计原则

PLC系统的设计包括两部分:硬件设计和软件设计。下面讨论它们的设计原则。

1.硬件设计

PLC系统一般由PLC、输入/输出设备、控制柜等设备组成。在设计中应该考虑如下原则。

（1）可靠性。可靠性是控制系统的生命，系统不可靠，即使功能再完善，经济性再好也没有用，可靠性不好的设备是没有市场的。在设计中，尽可能选择可靠的元件和产品，虽然初始投资可能多一点，但是考虑到因为可靠性不好造成的生产和维修费用，还是值得的。

（2）功能完善。在保证控制功能的基础之上，尽可能地将自检、报警等功能纳入设计方案。

（3）经济性。在保证控制功能和可靠性的基础之上，尽可能地降低成本。

（4）在保证前三条的基础之上，考虑系统的先进性和可扩展性。

2.软件设计

软件设计就是编写满足生产要求的梯形图或助记符程序，设计原则和要求是：

（1）建立PLC输入和输出量的接线表和接线图；

（2）建立PLC存储器的分配表；

（3）推导每一个输出、中间量和指令的动作和停止条件；

（4）尽量减少扫描时间，方法是减少指令和内存的使用；

（5）对每个梯形图梯级给予注释；

（6）要求逻辑关系明确，输出、中间量和指令的名字易懂好记。

3.5.2 PLC系统设计步骤

设计PLC控制系统，关键是设计人员对实际控制问题的理解，只有在正确理解实际控制问题的基础上，经过论证，才能提出正确的设计方案。一般PLC系统的设计步骤如下：

（1）分析生产过程，正确理解控制要求，绘制控制流程图，请控制现场的操作和设计人员审查流程图等资料，以确定对控制要求理解的正确性。

（2）确定PLC中的输入/输出量、中间量、定时器、计数器、模拟量、通信等信息。

（3）PLC的选择是首先满足控制要求，然后选择PLC生产厂。目前，市面上有美国GE公司、德国西门子公司、日本欧姆龙（OMRON）、日本三菱、日本松下、日本光洋等公司的产品，由于这些产品的质量都比较好，所以选择的原则是：

① 对产品的熟悉程度，熟悉的产品可以缩短开发时间；

② 产品和配套设备的价格；

③ 产品的资料是否是中文资料；

④ 编程软件是否是中文菜单；

⑤ 售后服务是否完善，技术支持是否到位；

⑥ 市面上该产品的书籍多否？

（4）确定是否需要编程器和图形显示装置。

（5）进行软件设计，画SFC图和编写梯形图。

（6）调试梯形图，若不在控制现场，应该尽量模拟控制现场环境。

（7）设计与PLC配套的PLC外的电路，给出电路图。设计时考虑启动、急停、硬件联锁、保护等电路。

3.6 欧姆龙公司中型PLC简介

3.6.1 欧姆龙公司简介

日本欧姆龙公司生产控制设备已有50多年的历史了，现在是具有全球生产、销售及用户服务的公司。其产品包括种类齐全的工业控制元件、可满足大多数应用需求的系列PLC、智能变频器以及分散控制系统，广泛应用于冶金、电力、机械加工及石油、化工等各个行业中，该公司以良好的产品性能和低廉的价格，占据了我国自动控制产品的市场较大份额。

欧姆龙SYSMACC系列PLC拥有微型、小型、中型及大型四大类共十几个型号。微型PLC的代表产品是以C20P和C20为代表，采用整体式结构，最大I/O点数140点，是一种廉价的PLC产品。小型PLC以C120和C200H系列两类作为代表，采用紧凑模块化结构，最大I/O点数为480点，其中C200H还具有远程I/O系统，可将其I/O点数扩展至1792点，是一种模块化、高性能的PLC。中型PLC有C500和C1000H两种，最大I/O点数分别为512点和1024点。大型PLC产品是C2000H，最大I/O点数2048点。

欧姆龙公司还特别支持学校的PLC教学，其大学计划使近40个院校得到了与欧姆龙共建的PLC实验室。

3.6.2 欧姆龙C200H系列PLC

欧姆龙公司的C200H PLC是一种小型模块化PLC，该型号PLC适应性强、应用灵活，具有最高的I/O密度/体积比，虽然它属于小型PLC，但提供了较快的指令处理速度。其特点如下：

（1）I/O点数。如果使用8点I/O单元时可达240点，使用16点单元时可达480点。

（2）处理速度为基本指令0.75μs/条，复杂指令2.25μs/条。

（3）指令存储容量为6.6K字。

（4）数据存储容量为1000字（每字16位）的随机存储器和1000字（每字16位）的只读存储器。

（5）指令系统由145条指令组成。其中，基本指令12条，复杂指令133条。

（6）编程方式采用梯形图或助记符。

（7）内部提供了512个定时器和计数器。

（8）安装机架分为3槽、5槽、8槽和10槽四种规格。

（9）I/O系统。该系列具有完善的I/O系统，支持开关量、模拟量和脉冲量输入和继电器、晶体管、晶闸管、模拟量和脉冲量输出。另外，还支持特殊I/O单元，如远程I/O单元、多点I/O单元、模拟量单元、温度单元、位置控制单元、高速计数单元、语音单元和PID单元等。

（10）可以和其他C系列PLC组成网络，实现主-从通信，也可以使用HostLink与上位计算机通信。

（11）C200H PLC有完善的滤波和隔离能力的电源系统以及I/O信号隔离、调理、保护系统，这些系统使其具有好的抗干扰能力。

3.6.3 欧姆龙C200HS系列PLC

欧姆龙C200HSPLC是在其C200H PLC的基础之上开发出来的PLC产品，其性能与C200H相比有很多改进，但是在结构、工作方式以及指令系统、I/O单元等方面仍与C200H PLC保持一致，使得C200HS与C200H具有良好的兼容性。该系列与C200H相比具有如下特点。

（1）程序存储容量增加15.2K字，还可以扩展最大为16K字的E2PROM或EPROM存储器盒。

（2）C200HS的CPU具有内装时钟。

（3）特殊继电器（SR）和内部继电器（IR）区域得到了扩大。

（4）数据存储器（DM）区域增大到6K字。

（5）指令执行速度更快，基本指令执行时间是C200H的1/2，其他指令的执行时间是C200H的1/8～1/3。

（6）指令从145条增加到255条。

（7）扩展了I/O点数。

（8）增加了特殊I/O单元的种类。

（9）改进了中断功能。

（10）内装RS-232C通信口。

（11）通过DIP开关可以灵活设置PLC的功能。

C200HS系列PLC的主要技术指标见表3-1。

3.6.4 欧姆龙C200Hα系列PLC

C200Hα系列PLC是欧姆龙公司继C200H和C200HS之后推出的新一代系列PLC产品。其目的是满足高水平的控制要求，在不减弱PLC控制功能的同时提供强大的数据处理能力，改进通信功能，优化网络结构。

C200Hα系列PLC包括C200HX/HG/HE三个系列的产品。

与C200H和C200HS系列PLC相比，C200Hα系列除了基本性能得到提高以外，主要在通信和数据处理方面作了大幅度改进。

（1）在C200Hα系列中运用了ETHERNET卡和存储卡。

（2）内置通信协议宏功能。

（3）提供品种齐全的通信模块，除在CPU本体具有RS-232C口用于与计算机通信外，还有6种通信模块。

（4）提供了两种Component网络总线。

（5）SYSMCLINK数据链接区域容量得到了扩大。

（6）基本性能得到了提高。

①640～1184点的输入/输出点数（C200HS最大点数的1.4倍）。

②0.1～0.3μs（C200HS最大速度的3倍）。

③ 存储容量:程序存储容量3.2～31.2K字（C200HS最大容量的2倍）；数据存储容量4～24K字（C200HS最大容量的4倍）。

C200Hα系列PLC的技术指标见表3-2。

欧姆龙C200H、C200HS和C200Hα系列PLC之间的兼容性很好，为它们开发的程序可以很容易地互相移植。

本书虽然描述的是C200Hα系列的C200HX/HG/HE系列PLC，但是由于该系列与C200H、C200HS有很好的兼容性，所以无论是本书描述的PLC硬件还是软件设计都适合C200H、C200HS系列。

3.7 欧姆龙小型PLC系列

1997年，OMRON公司推出小型机CPM1A。CPM1A具有体积小、高性价比的特点。1999年，OMRON公司在小型机方面相继推出了CPM2A/CPM2C/CPM2AE等。CPM2A是CPM1A之后的另一系列机型。CPM2A的功能比CPM1A有新的提升，所有CPM2A的CPU单元都自带RS-232C口，在通信方面比CPM1A改进不少。CPM2C具有独特的超薄模块化设计，每种功能单元的体积都很小，仅有90mm×65mm×33mm，CPM2CCPU单元的基本性能、特殊功能和通信联网的功能与CPM2A相一致。CPM2AE是OMRON公司专为中国市场开发的，该机型仅有60点继电器输出的CPU单元4，是CPM2A-60CDR-A的简化机型。

2005年，欧姆龙公司推出了全新的具有高度扩展性的小型一体化可编程控制器（PLC）——SYSMAC CP1H，主要包括CP1H-X（标准型）、CP1H-XA（模拟量内置型）和CP1H-Y（高速定位型）这3种型号。CP1H配备了标准USB1.1端口和两个串行通信接口（RS-232C和RS-485），在连接PT、各种元器件（变频器、温控器和智能传感器等），以及PLC之间的串行连接的同时，还能方便地实现与计算机的连接。

2007年，欧姆龙公司在中国市场全球首发SYSMAC CP1L系列多功能一体化小型PLC。CP1L是CP1H的延续机种。CP1L本体有14点、20点、30点和40点四种规格，可根据不同需求进行选择。CPU上也内置有USB端口，从简单的顺序控制，到脉冲功能和串行端口等应用功能，都是和CP1H一脉相承。CP1L和CP1H将共同构成欧姆龙小型PLC的中坚力量。

2009年欧姆龙公司发布了CP系列小型PLC家族的新成员——CP1ECPU单元，CP1E有着简化的编程操作和一眼即知的I/O接线状态，这使得它很受紧凑设备制造商的青睐。CP1E将设备制造商从繁重的控制系统设计、调试和维护中解放出来，令其可以更加专注于设备本身的制造。

CP1E的CPU有两种类型。E型是基本型CPU单元，提供了低成本和必需的基本功能。N型是应用型CPU单元，内置了一个串口以连接触摸屏，提供了脉冲的输入和输出功能用于定位控制，能够对紧凑型设备实行更有效的控制。

欧姆龙公司的小型PLC产品线再一次完成了更新换代，形成了分别以CP1H/CP1L和CP1E为代表的高功能小型PLC和高性价比小型PLC的两大产品群，全面覆盖了各种中小型设备的需求。

CP系列各型PLC主要特点介绍如下。

1.欧姆龙小型系列PLCCP1H

CP1H具有如下特点：

（1）处理速度:基本指令0.1μs，特殊指令0.3μs。

（2）I/O容量:最多7个扩展单元，开关量最大320点，模拟量最大37路。

（3）程序容量:20K步。

（4）数据容量:32K字。

（5）机型类别:本体40点，24点输入，16点输出，继电器输出或晶体管输出可选。

（6）4轴脉冲输出:100kHz×2和30kHz×2（X型和XA型），最大1MHz（Y型）。

（7）4轴高速计数:单向100kHz或相位差50kHz×4（X型和XA型），最大1MHz（Y型）。

（8）内置模拟量:4输入，2输出（XA型）。

（9）通信接口:最大两个串行通信口（RS-232A或RS-422/485任选），本体附带一个USB编程端口。

（10）通信功能:上位链接、无协议通信、NT链接（1:N）、串行网关功能、串行PLC链接功能、Modbus-RTU简易主站。

（11）模拟量输入手动设定。

（12）2位七段数码码发光二极管显示故障信息。

（13）支持欧姆龙中型机CJ1系列高功能模块（最大两块）。

（14）支持FB/ST编程，可以利用欧姆龙公司的SmartFB库，与CJ1/CS1系列程序统一，可以互换。

2.欧姆龙小型系列PLCCP1L

（1）丰富的CPU单元（10/14/20/30/40/60点RY/TR型）；

（2）独具变频器简易定位功能；

（3）覆盖小规模机器控制的需求；

（4）最大180点I/O扩展能力；

（5）最大程序容量10K步，最大数据容量32K字；

（6）脉冲输出100kHz×2轴；

（7）高速计数相位差方式50kHz×2轴；

（8）单相100kHz×4轴；

（9）最大两个串行通信接口（RS-232/RS-485任选）；

（10）标准配置USB编程接口；

（11）支持FB/ST编程；

（12）LCD选件板提供丰富的显示/监控功能。

3.欧姆龙小型系列PLC CP1E

CP1E主要特点：

（1）20/30/40点型CPU，完整的小型PLC产品线CP1E/CP1L/CP1H，控制规模10～160点。

（2）采用浮点运算，具有安全密码功能。

（3）CP1E回应了小型PLC最基本的要求——降低成本，通过修正元器件的成本而非牺牲性能来实现。

（4）全系列内置USB口，可使用市售的USB电缆与计算机连接，进行编程，更方便、更经济。

（5）I/O状态一目了然。I/O的指示灯放置在I/O端子接线的位置，非常方便观察I/O的ON/OFF状态。

（6）编程软件新增“智能输入”功能。当输入第一个字符时出现指令提示和操作数地址自动输入；指令增加或删除时，连接线也会自动地增加或删除。有了这些细节，相对使用原来的编程软件，编程工作量减少30%。

（7）串口内置的ModbusRTU主站功能，几乎不用编程，可完成与Modbus从站设备如变频器等的各种通信。

（8）PLC链接功能实现9台CP1H/CP1L和CP1E之间的无程序联网。

（9）N型内置一个RS-232口以连接触摸屏，30点和40点型还可扩展一个RS-232或RS-485/422串口以连接变频器等其他器件。

（10）6点单相高速计数，2点100kHz，4点10kHz。

（11）2轴高达100kHz的脉冲输出，适合小型高速包装机械、印刷机械、纺织机械等应用。

习题3

3-1 为什么可编程控制器（Programmable Controller）多被习惯上称为PLC？

3-2 可编程控制器的特点是什么？

3-3 整体式PLC和模块式PLC结构上各有什么特点？

3-4 可编程控制器中，后备电池的作用是什么？

3-5 PLC中存储器的类型有哪些？作用是什么？

3-6 通信单元的主要作用是什么？

3-7 编程器在PLC的不同阶段分别发挥怎样的作用？

3-8 简述PLC的工作过程。说明输入和输出的处理上有什么特点？

3-9 扫描周期主要由哪几部分时间组成？起决定作用的是什么时间？与什么因素有关？

3-10 为什么输入“窄脉冲”信号可能得不到响应？

3-11 梯形图与传统的继电器控制电气图中，常开触点、常闭触点和线圈是如何表示的？

3-12 梯形图与继电器控制图的主要区别是什么？

3-13 可编程控制器可以做什么？

3-14 简述可编程控制器的发展方向。

3-15 可编程控制器有哪些技术指标？

3-16 简述梯形图和继电器控制图的区别。

3-17 简述可编程控制器系统的设计原则。

3-18 简述可编程控制器系统的设计步骤。

3-19 什么叫扫描周期？它主要受什么因素影响？

3-20 简述CP系列PLC的分类。

3-21 简述CP1H的特点。