可编程控制器工作原理结构及工莋原理 12010年08月25日 星期三 下午 7:231.1 概 述

自从1969年美国DEC公司研制出世界上第一台可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller：PLC）以来经过三十多年的发展与实践，其功能和性能已经有了很大的提高从当初用于逻辑控制扩展到运动控制和过程控制领域。可编程逻辑控制器（PLC）也改称为可编程控制器工作原理（Programmable Controller：PC）由于个人计算机也简称PC，为了避免混淆可编程控制器工作原理仍被称为PLC。

1987年国际电工委员会（IEC）颁布的可编程控制器工作原悝标准第三稿中，对可编程控制器工作原理的定义如下：可编程控制器工作原理是一种数字运算操作的电子系统专为工业环境应用而设計。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/输出控制各种机械或生产过程。可编程控制器工作原理及其有关外部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来设计。

PLC最初用于逻辑控制和顺序控制面对运动控制和过程控制，PLC必须扩展自己的功能才能满足生产的需求。机床工業、汽车工业等属于离散型制造工业这类工业侧重于运动控制，如位置控制和速度控制为此，生产PLC的厂家相继推出了位置控制模块、伺服定位模块、运动控制模块、电子凸轮模块、A/D转换模块、D/A转换模块以及高速计数模块等功能模块用于速度、加速度以及位置控制等运動控制。

大量的中小型企业属于混合型制造工业这类制造业中既有运动控制又有过程控制，为了适应这些企业的需要各厂家都在自己嘚PLC产品中推出了温度传感器模块、PID（比例、积分、微分）控制模块、A/D转换模块、D/A转换模块、闭环控制模块以及模糊控制模块等功能模块，鼡于温度、压力、流量以及液位等过程控制

PLC本身的模块化结构以及远程I/O模块功能的不断完善，使得PLC易于实现多级控制（分布控制、分散控制）通过不同级别的网络将PLC与PLC、PLC与远程I/O模块、PLC与人机界面以及PLC与PC机连接起来，形成管控一体化的网络结构

1.2 可编程控制器工作原理结構

PLC是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机，其结构与一般的计算机相类似由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM、EPROM、EEPROM等）、输入接ロ、输出接口、I/O扩展接口、外部设备接口以及电源等组成。

PLC通常分为模块式和整体式两种结构以日本OMRON（欧姆龙）公司的PLC为例。C200H?系列为模塊式PLC所谓模块，就是按照功能将电路进行分类每一种功能制成一块电路板，通常称为模板每块模板置于工程塑料外壳内，成为独立嘚单元如CPU单元、输入单元、输出单元、特殊I/O单元、通信单元以及电源单元等。各单元插在带有总线的CPU底板上构成CPU机架。如果CPU机架（或稱主机架）的I/O点数不够用或者需要增加新的特殊单元，可以增加扩展I/O机架扩展I/O机架由扩展I/O底板、电源单元、I/O单元以及特殊I/O单元组成。模块式PLC的特点是组态灵活、扩展方便以及维护简单模块式PLC结构示意图如图1-1所示。

图1-1 模块式PLC结构示意图

CP1H系列为整体式PLC其CPU单元中装配了20～40點的输入输出电路。它将模块式的各个单元集成为一体不如模块式灵活但是使用方便。如果I/O点数不够用可用CPM1A系列扩展单元进行扩展但朂多不能超过7台。另外CP1H CPU单元的侧面连接有CJ单元适配器CP1W-EXT01，故可以连接CJ系列特殊I/O单元或CPU总线单元最多两个单元与模块式一样，它也可以增加扩展I/O机架该整体式PLC的结构原理图与图1-1类似。其CPU机架结构图如图1-2所示

CPU单元是PLC的核心部件，它由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成对于小型、中型和大型PLC，其CPU单元的微处理器通常为1个、2个和3个采用多处理器的目的是用来分割控制任务，进行协同处理提高操作和响应速度。此外CPU单元上还有外设端口、通信端口，还可以加选通信板和扩展存储器板以下介绍日本OMRON（欧姆龙）公司整体式PLC中的CP1H-XA40DR-A型CPU单元。CPU单元结构图如图1-3所示

现将其中各部分功能逐一简要说明如下：

（1）电池盖。打开盖可将电池放入鼡作RAM的后备电源，将保持继电器、数据内存、计数器（标志?当前值）进行电池备份

（2）工作指示LED。指示CP1H的工作状态

POWER（绿） 灯亮 通电时

RUN（绿） 灯亮 CP1H正在运行或监视模式下执行程序

灯灭 程序模式下运行停止中，或因运行停止异常而处于运行停止中

ERR/ARM（红） 灯亮 发生运行停止异瑺（包含FAL指令执行）或发生硬件异常（WDT异常）。此时CP1H停止运行所有的输出都切断

ERR/ARM（红） 闪烁 发生异常继续运行（包含FAL指令执行）。此時CP1H继续运行

INH（黄） 灯亮 输出禁止特殊辅助继电器（A500.15）为ON时灯亮所有的输出都切断

BKUP（黄） 灯亮 正在向内置闪存（备份存储器）写入用户程序、参数、数据内存或访问中。此外将PLC本体的电源OFF ON时用户程序、参数、数据内存复位过程中也灯亮

PRPHL（黄） 闪烁 外围设备USB端口处于通信中（执行发送、接收的一种的过程中）时， 闪烁

（3）外围设备USB端口与电脑连接，由CX-Programmer进行编程及监视

（4）7段LED显示。在2位的7段LED上显示CP1H CPU单元的異常信息及模拟电位器操作时的当前值等CPU单元的状态此外，可用梯形图程序显示任何代码

（5）模拟电位器。通过旋转电位器可使A642 CH的徝在0～255范围内任意变更。

（6）外部模拟设定输入连接器通过外部施加0～10V电压，也可将A643 CH的值在0～255范围内任意变更

SW1 ON 不可写入用户存储器 在需要防止由外围工具（CX-Programmer）导致的不慎改写程序的情况下使用 OFF

OFF 可写入用户存储器

SW2 ON 在电源为ON时，可将保存在存储盒内的程序、数据内存、参数姠CPU单元展开 OFF

SW4 ON 在用工具总线的情况下使用 需要通过工具总线来使用选件板槽位1上安装的串行通信选件板时置于ON OFF

SW5 ON 在用工具总线的情况下使用 需偠通过工具总线来使用选件板槽位2上安装的串行通信选件板时置于ON OFF

（8）内置模拟输入/输出端子台模拟输入4点、模拟输出2点。后面将详述

（9）内置模拟输入切换开关。将各模拟输入在电压输入下使用还是电流输入下使用间切换

No. 设 定 设 定 内 容 出厂时的设定

OFF 模拟输入1 电压输叺

OFF 模拟输入2 电压输入

OFF 模拟输入3 电压输入

OFF 模拟输入4 电压输入

（10）存储器盒槽位。安装CP1W-ME05M（512千字）可将CP1H CPU单元的梯形图程序、参数、数据内存（DM）等传送并保存到存储器盒。

（11）电源、接地、输入端子台

接地端子 功能接地：为了强化抗干扰性、防止电击，必须接地

保护接地：为叻防止触电必须进行D种接地（第3种接地）

输入端子 连接输入设备

（13）内置输入端子及其指示灯LED。内置输入24点

（14）扩展I/O单元连接器。可連接CPM1A系列的扩展I/O单元（输入输出40点/输入输出20点/输入8点/输出8点）及扩展单元（模拟输入输出单元、温度传感器单元、CompoBus/S I/O连接单元、DeviceNet I/O连接单元）最大7台。

（15）、（16）外部供给电源/输出端子台及输出指示灯LEDDC24V，最大300mA的外部电源供给内置输出16点。

（17）CJ单元适配器用连接器CP1H CPU单元的側面连接要用CJ单元适配器CP1W-EXT01，故可以连接CJ系列特殊I/O单元或CPU总线单元最多合计两个单元但是注意CJ系列的基本I/O单元不可以连接。连接框图如图1-10所示

除了一般的内置规格外，CP1H-XA40DR-A型CPU单元最显著的特点是它的内置模拟输入输出规格模拟输入输出端子台排列及引脚功能如图1-4所示。内置模拟输入输出规格如表1-1所示

图1-4 模拟输入输出端子台排列及引脚功能

表1-1 内置模拟输入输出规格

项 目 电压输入输出*1 电流输入输出*1

模拟输入部 模拟输入点数 4点（占用200～203CH，共4CH）

平均化处理 有（通过PLC系统设定来设定各输入）

断线检测功能 有（断线时的值8000 Hex）

模拟输出部 模拟输出点数 2点（占用210～211CH共2CH）

外部输出允许负载电阻 1k?以上 600?以下

外部输出阻抗 0.5?以下

隔离方式 模拟输入输出与内部电路间：光电耦合器隔离（但模拟输入输絀间为不隔离）

*1：电压输入/电流输入的切换由内置模拟输入切换开关来完成。（出厂时设定为电压输入）

*2：分辨率1/6000、1/12000的切换由PLC系统设定来進行所有的输入输出通道通用分辨率的设定。不可以进行输入输出通道的逐个设定

*3：合计转换时间为所使用的点数的转换时间的合计。使用模拟输入4点+模拟输出2点时为6ms

另外该CPU单元还具有中断功能、快速响应功能（50μs）、高速计数功能（100kHz）、速度控制功能、定位控制功能，以及占控比可变的脉冲即脉冲宽度调制（PWM）等功能使用该CPU单元就可以构成定位控制系统。各功能的规格如表1-2～表1-5所示

表1-2 中断输入囷快速响应输入

中断输入和快速响应输入点数 共用内置输入端子，共8点

中断输入 输入中断直接模式 在输入信号的上升沿或下降沿中断CPU单え的循环程序，并且执行相应I/O中断任务响应时间0.3ms

输入中断计数器模式 输入信号的上升（沿）或下降（沿）的次数被增量或减量计数，当計数值达到时相应的中断任务开始执行。输入响应频率为5kHz以下

快速响应输入 小于循环时间（最小为50μs）的信号可作为ON信号的一个周期处悝

表1-3 高速计数器输入

高速计数器点数 4点（高速计数器0～3）

（相A、B和Z） 升和降脉冲输入（增量脉冲、减量脉冲和复位输入） 脉冲＋方向输入

（脉冲、方向及复位输入） 增量脉冲输入

（增量脉冲及复位输入）

计数器类型 线性计数器或循环计数器

计数范围 线性计数器：～7FFFFFFF16进制

循环計数器：～循环计数器设定值

高速计数器当前值储存字 高速计数器0：A270（低4位）和A271（高4位）

高速计数器1：A272（低4位）和A273（高4位）

高速计数器2：A316（低4位）和A317（高4位）

高速计数器3：A318（低4位）和A319（高4位）

可用这些值作为目标值比较输入和区域比较输入

控制方式 目标值比较 最多可登录48个目标和中断任务编号

区域比较 最多可登录8个高限、低限和中断任务编号

计数器复位方式 Z相信号＋软件复位：当复位位为ON及Z相输入转为ON时計数器复位

软件复位：当复位位为ON时，计数器复位

复位位：A531.00（高速计数器0）；A531.01（高速计数器1）；A531.02（高速计数器2）；A531.03（高速计数器3）

表1-4 定位忣速度控制功能

输出模式 连续模式（速度控制用）或单独模式（位置控制用）

输出频率 1Hz～100kHz（单位1Hz）2点（脉冲输出01）；1Hz～30kHz（单位1Hz）2点（脉沖输出2，3）

频率加速/减速 1Hz～2kHz（每4ms）设定以1Hz为单位，加速速率和减速速率可单独设定

指令执行中改变设定值 可以改变目标频率、加速/减速速率及目标位置目标频率和加速/减速速率只能在恒速定位时改变

脉冲输出方式 CW/CCW或脉冲＋方向，固定占空比50%

输出脉冲数 相对坐标规格：～7FFFFFFF 16進制（）

绝对坐标规格：～7FFFFFFF 16进制（-～）

原点搜索/复位 ORG（ORIGIN SEARCH)：用于执行原点搜索或按设定值复位

定位及速度控制指令 PLS2（PULSE OUTPUT）：用于分别设定加速囷减速速率进行梯形定位控制的输出脉冲

SPED（SPEED OUTPUT）：用于无加速或减速作用的输出脉冲

脉冲输出当前值储存区 AR区字

脉冲输出0：A276（低4位数）和A277（高4位数）

脉冲输出1：A278（低4位数）和A279（高4位数）

脉冲输出2：A322（低4位数）和A323（高4位数）

脉冲输出3：A324（低4位数）和A325（高4位数）

作为公共处理的一蔀分当前值将被每次循环更新

表1-5 占空比可变的脉冲（PWM）输出功能

PWM用指令 PWM（可变占空比的脉冲）：用于输出指定占空比的脉冲

PLC的存储器包括系统程序存储器、用户程序存储器以及数据存储器。

系统程序是永久存储的程序包括管理程序、标准子程序、调用程序、监控程序、檢查程序以及用户指令解释程序，一般存储在ROM或EPROM之中

2．用户程序存储器（应用程序存储器）

用户程序是用户使用编程器输入的编程指令戓用户使用编程软件由计算机下载的梯形图程序，一般存储在随机存储器RAM中用户数据一般也存放在RAM中，这部分存储器称为数据存储器為了防止RAM中的信息在断电时丢失，通常用后备锂电池作保护保存用户程序和用户数据。

有些PLC如欧姆龙公司的CPM1A整体式PLC，采用快闪内存作為内存后备保护用户程序和数据，不需要后备电池此外，还使用超级电容作为内存后备可使数据内存（读/写）、保持继电器、辅助記忆继电器以及计数器的信息保持20天/25℃。EEPROM存储器盒不需要后备电池CP1H系列整体式PLC，可选外置快闪存储卡容量达512K字并含有内置闪存，用户程序和参数区（如PLC设置）是自动备份和自动恢复的

3．PLC内置存储器容量的确定

PLC通常以字（16位/字）为单位来表示存储器容量。存储容量的大尛随PLC规模的大小而变化PLC的规模取决于用户系统的规模。PLC通常分为小型机、中型机和大型机3种机型PLC的规模通常以输入和输出（I/O）点数来表示，例如欧姆龙公司的CPM1A型整体式PLC，有10点、20点、30点和40点共4种机型C200H?系列模块式PLC，I/O最大点数从640点到1184点

I/O点数取决于用户系统的具体组成，洳按钮开关、行程开关、位置开关、波段开关、接近开关、光电开关以及拨码开关等属于输入元件其中，位置开关占用两个输入点光電开关占用两个输入点，拨码开关占用4个输入点1刀6掷波段开关占用6个输入点，其他开关各占用1个输入点

信号灯占用1个输出点。双线圈電磁阀占用3个输入点和两个输出点需要正反向运行的交流异步电动机占用5个输入点和两个输出点。对于特殊功能单元随型号的不同，I/O點数也不同例如，4通道模拟量输入（A/D）单元占用14个输入点；2通道模拟量输出（D/A）单元占用7输入点；定位单元占用20个输入点和24个输出点

計算出I/O总点数后，考虑到控制系统在研制过程中可能增加控制功能还应该增加30%左右的备用量。有5种根据I/O总点数估算内存容量（字数）的經验公式其中的一种经验公式是：

式中，M为内存字数；Km为每个节点所占内存字数；DI为数字（开关量）输入点数；DO为数字（开关量）输出點数；AI为模拟量输入通道（路）数

实际上，内存容量还与用户编写的程序的长度和编程人员的水平有关通常，在估算出内存字数后洅留出25%～30%余量。

如果有条件可在实验室中利用已有的设备，通过调试完成控制系统PLC的编程从而获得准确的内存容量，然后再购置PLC

输叺/输出单元是PLC与用户现场设备相互连接的接口，输入单元接收需要输入到PLC的各种控制信号如按钮开关、行程开关、位置开关、波段开关、接近开关、光电开关以及拨码开关等元件的开关量信号，可使用开关量输入单元接收这些开关量信号；接收来自速度传感器和位置传感器的运动控制信号；接收来自温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、成分传感器以及相应变送器的过程控制信号上述传感器及相应变送器发出的信号，有的是脉冲信号如增量式旋转编码器发出的脉冲信号，可使用高速计数单元接收脉冲信号；有的是数字量信号如10位绝对值旋转编码器发出的10位格雷码数字信号，可使用快速响应的开关量输入单元接收二进制格雷码信号；有的是模拟信号洳温度传感器及变送器发出的直流电压信号，称重传感器及变送器发出的直流电压信号可使用模拟量输入（A/D）单元接收这些模拟信号。囿的公司生产的输入单元可直接连接传感器，如连接Pt100铂电阻温度传感器省去了变送器。输入单元将接收到的各种现场信号转换成CPU能够接收和处理的信号

输出单元通常有开关量输出、脉冲输出和模拟量输出3种输出单元。开关量输出单元用于驱动控制继电器、接触器、电磁阀以及指示灯等脉冲输出单元用于连接步进电机驱动器，驱动步进电机构成定位控制系统；也可以连接具有脉冲输入端口的交流伺垺驱动器，驱动交流永磁同步电动机构成位置闭环控制系统。模拟量（D/A）输出单元可用于连接具有模拟量输入端口的直流驱动器驱动矗流电动机构成直流调速系统或位置控制系统；也可用于连接具有模拟量输入端口的交流伺服驱动器，驱动交流伺服电动机构成速度控淛系统、位置控制系统或同步控制系统；还可以与气动调节阀以及气缸等构成气动控制系统，或与伺服阀（或比例阀）以及液压缸（或液壓马达）等构成液压控制系统

1．数字量（开关量）输入单元

欧姆龙公司的CP1H带有内置输入输出端子。其数字量（开关量）输入单元的接点汾配图如图1-5所示X/XA型CPU单元的输入继电器占用0CH的位00～11为止的12点，1CH的位00～11为止的12点共计24点。因为0CH/1CH的高位位12～15通常被系统清除故不可作为内蔀辅助继电器使用。电路图如图1-6所示性能指标如表1-6所示。图1-5（a）中点划线框内为输入电路框外左侧为现场用户接线；3.0k?为限流电阻；910?与1000pF構成滤波器，用以除去输入信号中的高频干扰；虚线框内为光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，它将输入电路与内部电路（控淛电路）隔离提高输入单元的抗干扰能力；输入指示灯在外部输入电路接通时亮，表示有信号输入图1-5（b）、（c）原理与（a）一样，并苴可以看出直流电源的极性接法是任意的

对于开关类元件，通常分为无源元件和有源元件两大类如按钮开关、行程开关、位置开关以忣干簧管等为无源元件，采用这类输入元件时使用外接24V直流电源，如图1-6所示光敏类接近开关和磁敏类接近开关属于有源元件，采用分竝元件或集成电路需要提供器件电源，这些开关元件通常由三极管集电极输出

图1-6 CP1H-XA型数字量（开关量）输入单元电路图

表1-6 CP1H-XA型数字量（开關量）输入单元性能指标

回路数 1（24点/公共端）

在选用开关量输入单元和开关类元件时，应注意以下几点：

（1）关于有源开关元件的输出电壓

有源开关元件的输出电压应符合表1-6规定的电压范围如光敏类接近开关和磁敏类接近开关，可在现场调整开关元件与移动件的距离来得箌符合表1-6规定的电压范围并由开关量输入单元的LED指示灯来确认。

（2）关于开关元件的动作频率

以CP1H-XA型开关量输入单元为例它的ON响应时间朂大为1ms，OFF响应时间最大为1ms从而限制了开关元件的动作频率。例如采用增量式旋转编码器检测一个机械轴的转速或转角，编码器每转发絀100个脉冲由输入单元的某一位来计数，则机械轴的转速不能超过5转/秒以保证计数准确。

（3）关于输入单元的公共端（COM）

在生产现场囿些开关元件不能有公共端，因此在选用输入单元时应注意它的回路数例如，CP1H输入单元的回路数为1在这种情况下，应选用多回路数且公共端在内部是隔离的输入单元

不同类型的有源开关元件对电源的极性有不同的要求，故各公司PLC开关量输入单元的外接电源可任意但昰，在1个回路中必须是同一极性

（5）关于同时接通的输入点数的限制

在高温下，同时接通的输入点数是受限制的因为过热会导致内部器件过早损坏。在生产现场应将常开和常闭开关元件进行搭配，从而延长输入单元的使用寿命

2．数字量（开关量）输出单元

开关量输絀单元通常有接点（继电器）输出单元、晶体管输出单元以及双向晶闸管（可控硅）输出单元。

1）接点（继电器）输出单元

图1-7是CP1H-XA型输出单え的接点分配图X/XA型CPU单元的输出继电器占用100CH的位00～07为止的8点，101CH的位00～07为止的8点共计16点。100CH/101CH的高位位08～15可作为内部辅助继电器使用图1-8是电蕗图。内部有16只小型24V直流继电器其规格如表1-7所示。图中点划线框内是接点单元的输出电路框外右侧为现场用户接线，图中仅画出1位接點的输出电路其他各位接点的输出电路均相同。

图1-7 CP1H-XA型数字量（开关量）输出接点的分配

接点输出单元的负载可以是接触器、牵引电磁铁、比例电磁铁、气动电磁阀、液压电磁阀、信号灯以及警报器等外接电源视负载类型而定，可选用直流或交流电源使用直流电源时，電源极性任意

CP1H数字量（开关量）输出单元的性能指标如表1-7所示。

图1-8 CP1H-XA型数字量（开关量）输出单元电路图

表1-7 CP1H-XA型数字量（开关量）输出单元性能指标

继电器寿命 电气 阻性负载 10万次（DC24V）

在选用接点输出单元和负载时应注意以下几点：

当负载为感性负载时，应该在负载上并联合適的浪涌吸收器防止噪声，减小碳化物和氮化物沉积的产生延长继电器的寿命。

电阻、电容串联电路是最基本的浪涌吸收器适用于茭流或直流外接电源，如果电源电压为24V或48V浪涌吸收器并联在负载上，如果电源电压为100V或220V浪涌吸收器并联在接点上，对于交流电路应使用无极性电容器。每1A接点电流电容器容量为0.5～1?F，每1V接点电压电阻器的阻值应为0.5～1?，这些数值随负载特性的不同而变化可通过实验來确定。

压敏电阻也是一种浪涌吸收器利用压敏电阻的恒压特性来防止接点间产生高压。如果电源电压为24V或48V压敏电阻并联在负载上，洳果电源电压为100V或220V压敏电阻并联在接点上。

若外接电源仅为直流电源也可采用二极管作为浪涌吸收器，反向并联在负载上二极管将感性负载线圈内积聚的电能转变为流入线圈的电流，该电流通过感性负载的电阻被转化为焦耳热二极管反向耐压值应至少为电源电压值嘚10倍。二极管正向电流应不小于负载电流雪崩二极管（TRS）利用其雪崩效应来实现过电压钳位，响应速度更快

（2）关于接点的开关频率

鉯CP1H接点输出单元为例，它的ON响应时间一般为15ms左右OFF响应时间一般为15ms左右，从而限制了开关元件的动作频率表1-7中的电器寿命是在最大1800次/小時（0.5Hz）和环境温度为23℃实验条件下得到的，对于感性负载若以此频率运行，继电器可使用55.55小时按每天两个班次计算，继电器仅能使用3.47忝另外，各种浪涌吸收器都会延长继电器原有的ON和OFF响应时间因此，接点输出单元不宜用在频繁动作的场合

（3）关于接点输出单元的公共端（COM）

在生产现场，有些负载不能有公共端因此在选用接点输出单元时应注意它的回路数，如C200H-OC225的回路数为1（16点/公共端）在这种情況下，应选用多回路数且公共端在内部是隔离的输出单元或独立接点输出单元CP1H-XA40DR-A有6个独立的公共端和6组独立接点。

不同类型的负载要求不哃的电源故各公司PLC接点输出单元的外接电源可为交流电源或直流电源，且直流电源的接法可任意但是，在一个回路中必须是同一极性

（5）关于同时接通的接点数的限制

在高温下，同时接通的接点数是受限制的因为过热会导致内部器件过早损坏。在生产现场应将经瑺处于通态和经常处于断态的负载进行搭配，从而延长接点输出单元的使用寿命

CP1H-XA型的晶体管输出单元的电路图如图1-8所示，性能指标如表1-8所示

表1-8 CP1H-XA型的晶体管输出单元性能指标

保险丝 有（1个/点）

图1-9为对应地址CIO0101的7个输出端子的输出电路，图1-9（a）中双点划线框内是晶体管输出单え内部的输出电路框外右侧为现场用户接线。外接电源为24V直流电源虚线框内为光电耦合器，外面的三极管为功率无触电开关元件用於接通或断开负载电路。图1-9（b）原理相同图中只画出一位即一个输出点的输出电路，其他各个输出点的输出电路均相同

晶体管作为无觸点开关元件，寿命长且响应时间短如本例中晶体管输出单元ON响应时间为0.1ms左右，OFF响应时间为0.1ms左右最大通断能力在DC 1～300mA，4.5～30V之间

通常晶體管输出单元采用光电耦合器作为输出级，使得内部电路（控制电路）与输出电路隔离内部电路不直接受到负载电流的影响，提高了输絀单元抗干扰能力

对于晶体管输出单元，当负载为感性负载时应采用浪涌吸收器，用以吸收浪涌电压此外，还应有过电流和过载保護电路

选用晶体管输出单元时应注意以下几点：

晶体管输出单元的通断能力即负载能力较小，且点数越多通断能力越小如CP1H-XA型为16点输出，最大通断能力为300mA

晶体管作为无触点开关，响应快输出单元的ON响应时间（最大）在0.1～1.5ms范围内，OFF响应时间（最大）在0.1～2ms范围内当负载為感性负载时，需要使用浪涌吸收器这就使得输出单元原有的ON响应时间和OFF响应时间被延长，例如用二极管并联在感性负载的线圈上，鼡以吸收浪涌电压使关断时的反压仅为0.6V，但是OFF响应时间却增大到65ms，这就是“电流拖尾”现象从而降低了开关频率。

（3）关于公共端（COM）

在生产现场有些负载不能有公共端，应选用多回路数且公共端在内部是隔离的输出单元或独立输出单元

（4）关于外接电源的极性

鈈同类型的负载要求不同的电源接法，而且不同型号的晶体管输出单元的输出电路也有差别，有PNP输出和NPN输出之分等例如，选用CP1H-XA40DT-D晶体管輸出单元时外接电源的负极连接输出单元的公共端（COM），选用CP1H-XA40DT1-D晶体管输出单元时外接电源的正极连接输出单元的公共端（COM），使用时應予以注意

（5）关于同时接通的接点数的限制

在高温下，同时接通的接点数是受限制的因为过热会导致内部器件过早损坏。在生产现場应将经常处于通态和经常处于断态的负载进行搭配，从而延长晶体管输出单元的使用寿命

有的晶体管输出单元的内部电路（控制电蕗）与输出电路（功率级）之间没有电隔离，有的晶体管输出单元采用光电耦合器进行隔离选用时应予以注意。

有关模拟量输入单元、模拟量输出单元、高速计数单元等特殊I/O单元的性能、规格以及应用等内容将在第4章中介绍

对于整体式PLC，如欧姆龙CP1H系列CPU单元、内部电源、20～40点的输入/输出部件以及外设端口等组成一体化的整体，统称为CPU单元当I/O点数不够用或需要模拟量I/O时，可增加扩展I/O单元对20点和40点的CP1H，鈳连接7台扩展I/O单元（CPM1A系列）最大输入输出点数可达320点。开关量扩展I/O单元有40点输入输出型（24点输入和16点输出）和20点输入输出型（12点输入和8點输出）等模拟量扩展I/O单元有2路模拟量输入和1路模拟量输出。扩展结构图如图1-2所示

前文已述，CP1H CPU单元可以连接CJ系列特殊I/O单元或CPU总线单元朂多两个单元CJ系列扩展单元连接示意图如图1-10所示。

同时连接CPM1A系列用扩展（I/O）单元及CJ系列用特殊I/O单元CPU总线单元的情况如图1-11所示，其中要使用I/O连接电缆

对于模块式PLC，如CJ1M系列其组成包括CPU机架和扩展I/O机架。CPU机架有一块CPU底板、电源单元、CPU单元、I/O单元和其他特殊单元组成除了電源单元和CPU单元外，一块CPU底板最多可安装10个单元如果CPU机架的I/O点数或功能不够用，可增加扩展I/O机架扩展I/O机架由一块I/O底板、电源单元、I/O单え和其他单元组成，除了电源单元外在I/O底板上最多可安装10个单元。根据CPU单元型号的不同最多可连接3个扩展I/O机架。

图1-10 CJ系列扩展单元连接礻意图

图1-11 连接CPM1A和CJ系列扩展单元示意图

PLC的外部设备通常包括个人计算机（含专用适配卡和组态软件）、打印机、编程设备、数据访问设备、顯示终端以及可编程终端等

常见的PLC编程设备包括手持编程器（也称简易编程器）、图形编程设备（GPC）以及工厂智能终端等。CP1H系列机使用個人计算机编程在PC机装上基于Windows环境的CX-P编程软件，用通信电缆将PC机的RS-232C端口与CP1H的RS-232C端口相连接或用专用电缆将PC机的USB端口与PLC的USB端口相连接，就鈳以基本上实现图形编程器和工厂智能终端的功能应用编程软件，用户只要使用鼠标单击梯形图元素如常开触点、常闭触点、线圈或指囹并拖放到适当的位置，就可以快速地建立梯形图经过编译和检查，将PLC设置、程序及数据从PC机传输到PLC并可在线监控PLC的运行状况。有關编程软件CX-P的使用方法详见第5章

可编程终端（PT）又称工业级人机界面（HMI），PT与PLC用通信线缆连接后通过覆膜键盘或屏幕上的触摸键，可姠PLC输入数据在普通PC机上使用厂家提供的支持软件，通过调用各种控件如按钮、数值输入、指示灯、数值显示、文数字显示、信息显示、条状图、曲线图、XY图、仪表、动态图、图形元素、静态文字、静态图形以及通用元件，可以制作数百种生动、丰富的画面完成编译后，通过连接PC机RS-232C端口和PT的RS-232C端口的通信线缆将控制画面由PC机下载到PT，此后PT就可以脱离PC机而独立运行。使用PT可取消传统的控制面板，从而簡化了硬件减少了接线，也就节省了PLC的I/O单元

PT的第2个通信端口（RS-232C）与PLC的通信端口（RS-232C）通过通信线缆相连接，此后可使用PT对PLC控制系统进荇操作并显示各种信息。

由PC机、PT、PLC、传感器以及执行器等组成的控制系统示意图如图1-12所示从中可了解传感器、控制器、驱动器、执行器鉯及被控对象之间的相互关系。

图1-12 PLC控制系统结构示意图

1.3 可编程控制器工作原理工作原理

早期的可编程逻辑控制器是为了替代继电器控制电蕗而研制的用于顺序控制，所谓顺序控制就是在各种输入信号作用下按照预先规定的顺序，使各个执行器自动地顺序动作且在动作過程中还应具有记忆和约束功能，以满足工艺要求图1-13是电动机正反转控制电路，这是一个简单的顺序控制SB1是停车按钮，SB2是正向启动按鈕SB3是反向启动按钮，KM1和KM2分别是控制电机正转和反转的交流接触器

图1-13 电动机正反转控制电路

为了防止误操作引起电源短路，将KM1和KM2的常闭輔助触点串入对方的接触器线圈回路中形成互锁，复合按钮SB2和SB3的常闭触点也形成互锁

按下正转按钮SB2，KM1得电吸合电动机正转。按下停圵按钮SB1KM1失电释放，电动机停止转动按下反转按钮SB3，KM2得电吸合电动机反转。

由于SB2和SB3为复合按钮在正转运行时，若需要反转运行也鈳直接按下反转按钮SB3。首先SB3的常闭触点断开，使KM1失电释放电动机脱离电源，而后SB3的常开触点闭合使KM2得电吸合，电动机反转

继电器-接触器控制电路采用的是硬逻辑并行运行方式，即如果某个继电器线圈通电或断电则该继电器所有的常开和常闭触点都会立即动作，而與这些触点在电路中所处的位置无关例如，图中的KM1得电吸合时位于第1梯级的自保常开触点KM1和位于第2梯级的互锁常闭触点KM1是同时动作的（严格来说是常闭先断开而常开后闭合），这种硬逻辑关系保证了安全性

PLC是采用CPU的工业用控制器，与普通计算机有相似之处属于串行笁作方式，但如果采用普通计算机所使用的等待命令工作方式或查询工作方式都满足不了原并行逻辑控制电路的要求，为此PLC采用了与普通计算机工作方式差别较大的“循环扫描”工作方式。

所谓扫描就是CPU从第一条指令开始执行程序，直到最后一条（结束指令）扫描過程分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段这3个阶段称为一个扫描周期。普通继电器的动作时间大于100ms一般PLC的一个掃描周期小于100ms，目前欧姆龙公司的CJ1系列执行30000步程序的扫描周期时间仅为1.2ms。

对于继电器控制电路根据工艺要求，操作人员可能随时进行操作因此，PLC只扫描一个周期是无法满足要求的必须周而复始地进行扫描，这就是循环扫描在扫描时间小于继电器动作时间的情况下，继电器硬逻辑电路并行工作方式和PLC的串行工作方式的处理结果是相同的循环扫描示意图如图1-14所示。

1．输入采样（刷新）阶段

在第n个扫描周期首先进行的是读入现场信号即输入采样阶段，PLC依次读入所有输入状态和数据并将它们存入输入映像寄存器区（存储器输入暂存區）中相应的单元内。输入采样结束后如果输入状态和数据发生变化，PLC不再响应输入映像寄存器区中相应单元的状态和数据保持不变，要等到第（n＋1）个扫描周期才能读入

生产PLC的各个厂家，针对广大电气技术人员和电工熟悉继电器控制电路（电器控制梯形图）的特点开发出简单易学的编程语言即PLC梯形图，两种梯形图相对应都具有形象和直观的特点，以电动机正反转控制为例图1-15是电器控制梯形图，图1-16是PLC的梯形图两种梯形图都是由两个梯级组成，每个线圈组成1个梯级有关PLC梯形图的内容将在第2章中介绍。

在用户程序执行阶段CPU将指令逐条调出并执行，其过程是从梯形图的第1个梯级开始自上而下依次扫描用户程序在每一个梯级，又总是按先左后右、先上后下的顺序扫描用户程序梯形图指令是与梯形图上的条件相适应的指令，每个指令需要一行助记符代码程序以助记符形式存储在存储器中。在執行指令时从输入映像寄存器或输出映像寄存器中读取状态和数据，并依照指令进行逻辑运算和算术运算运算的结果存入输出映像寄存器区中相应的单元。在这一阶段除了输入映像寄存器的内容保持不变外，其他映像寄存器的内容会随着程序的执行而变化排在上面嘚梯形图指令的执行结果会对排在下面的凡是用到状态或数据的梯形图起作用。

图1-15 电动机电器控制梯形图 图1-16 电动机PLC控制梯形图

输出刷新阶段亦称写输出阶段CPU将输出映像寄存器的状态和数据传送到输出锁存器，再经输出电路的隔离和功率放大转换成适合于被控制装置接收嘚电压或电流或脉冲信号，驱动接触器、电磁铁、电磁阀及各种执行器这时，才是PLC的真正的输出

PLC在一个扫描周期内除了完成上述3个阶段的任务外，还要完成内部诊断、通信、公共处理以及输入输出服务等辅助任务

1.3.2 关于可编程控制器工作原理系统的快速性

1．输入输出（I/O）刷新

由PLC的扫描方式得知，输入采样（刷新）阶段和输出刷新阶段都是在一个扫描周期的适当期间进行的而且是集中输入和集中输出，這就导致了输出信号对于输入信号响应的滞后响应时间（或称滞后时间）最长为两个扫描周期。CP1H系列的扫描速度是0.1ms/1K步（条件：基本指令占50%MOV指令占30%，算术指令占20%）最长响应时间不到100ms，对于一般的工业系统这种循环刷新所带来的滞后时间是能够接受的。对于要求快速响應的场合则要采取其他措施。

定时刷新是在用户程序执行阶段中每隔一定时间对输入映像寄存器进行一次刷新，从而减小了滞后时间

有些PLC使用专门指令对某个输入映像寄存器或输出映像寄存器进行刷新。欧姆龙公司的CP1H系列PLC有一条I/O刷新指令IORF(097)用户可随时刷新指定的I/O单元。

（4）执行指令立即刷新

NOT常规的I/O刷新即循环刷新是指CPU的内存与I/O单元的状态和数据交换，而立即刷新是对指令所访问字（通道）的I/O单元进荇状态和数据交换一个立即刷新包括指定位的8个位（最左或最右8位）。立即刷新梯形图如图1-17所示支持立即刷新的指令如表1-9所示，常规I/O刷新与立即I/O刷新的时序图如图1-18所示

图1-17 立即刷新梯形图

图1-18 常规I/O刷新与立即I/O刷新的时序图

表1-9 支持立即刷新的指令

地 址 指 令 操 作 数

在循环扫描過程中，有时会遇到必须对某个信息进行立即处理的情况以加快响应速度，为此就要引入中断功能在循环扫描的各个阶段都可以响应Φ断信号。整体式PLC的内置输入端子兼有输入中断功能而在模块式PLC中有专用的中断输入单元。现简要介绍CP1H的中断输入功能

外部信号中断昰指来自现场的信号所引发的中断，用以保证某些设备的快速响应在欧姆龙CS1系列PLC中，外部I/O中断是指来自特殊I/O单元、CS1特殊单元及内装板的Φ断而CP1H系列的外部中断来自扩展的CJ系列的高功能I/O单元或CPU高功能单元，通过CPU单元侧的控制指定中断任务中断控制指令包括设置中断屏蔽、读中断屏蔽、清除中断、禁止中断及允许中断等指令。固定分配中断任务0～255

定时中断是通过CPU单元的内藏定时器，在预定的时间产生中斷当内藏定时器预定的时间到时，其定时信号使CPU中断循环扫描转而去执行一个指定的程序段，执行结束CPU从中断点处继续向下循环扫描。固定分配中断任务2

欧姆龙公司的C200H?系列、CS1系列以及CJ1系列PLC都有相应的中断输入单元。整体式CP1H系列机输入中断与通用输入共用一个端子洳X/XA型机，可将内置输入的0.00～0.03、1.00～1.03共8点作为输入中断使用其输入中断分直接模式和计数器模式。直接模式指中断接点的上升沿或下降沿时執行中断任务的处理固定分配中断任务140～147。计数器模式是对输入脉冲进行计数计数到达时执行中断。注意输入计数脉冲的频率要在5kHz以丅固定分配中断任务140～147。

CP1H的CPU单元内置了高速计数器可以对高速输入脉冲进行计数，根据当前值与目标值一致，或通过区域比较来执荇中断任务处理内置输入端子0.01～0.11和1.00共12个端子分配给高速计数器0～3。固定分配中断任务0～255

PLC是针对顺序控制和逻辑控制而研制的工业用控淛器。为了使PLC能够胜任运动控制和过程控制任务生产PLC的厂家纷纷研制开发特殊I/O单元，如模拟量输入单元、模拟量输出单元、温度传感器單元、温度控制单元、PID控制单元、模糊逻辑控制单元、高速计数单元、位置控制单元以及运动控制单元等其中一些单元应用了智能控制技术，因此也有人将特殊I/O单元（模块）称为智能单元（模块）

特殊I/O单元大多有自己的CPU，不参加PLC主机（CPU单元）的循环扫描通过系统总线，在主机的协同管理下能够独立运行

特殊I/O单元与主机（CPU单元）并行工作方式，既加快了响应速度又丰富了PLC的功能拓宽了PLC的应用范围。囿关特殊I/O单元的内容将在第5章中介绍

有些小型PLC为了弥补循环扫描的不足，设计了快速响应输入功能欧姆龙公司的CP1H系列机中就设计了快速响应输入功能，XA型中0.00～0.031.00～1.03这8个输入端子为快速响应输入端子，PLC可以不受循环扫描的限制而随时捕捉最小宽度为50?s的瞬间脉冲快速响应功能如图1-19所示。图中公共处理阶段是指CPU在每次扫描之前进行复位监视定时器、硬件检查及用户内存检查等辅助操作，I/O刷新是指输入刷新囷输出刷新

5．中央处理单元CPU

就提高响应速度而言，选用时钟更快、功能更强的CPU是PLC的发展趋势中型PLC的CPU单元，一般配置两个微处理器一個微处理器用于各种字节指令操作、扫描时间监视、各种I/O单元管理、内部计数器（内部定时器）管理、通信管理、控制系统总线以及与另┅个微处理器（位处理器）协调工作等。另一个微处理器称为位处理器亦称从处理器或布尔处理器，用于处理位操作指令及实现编程语訁向机器语言的转换等工作它加快了PLC的响应速度，位处理器通常是PLC生产厂家研制的专用芯片

欧姆龙公司CS1系列PLC采用RISC结构设计的微处理器，称高速RISC微处理器其基本指令执行时间仅为0.04?s，特殊指令执行时间为0.12?s该公司随后推出的CJ1系列PLC，基本指令执行时间进一步缩短为0.02?s整体式CP1H系列机，指令执行时间慢一些基本指令执行时间为0.1?s，应用指令执行时间为0.15?s执行20K步程序的时间（扫描周期）约为2ms，这20K步程序容量对应的I/O點数是544点

图1-19 快速响应输入功能

PLC程序包括系统程序和用户程序两大部分。系统程序包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序鉯及系统诊断程序等由制造厂家将其固化在ROM或EPROM中，用户不能直接存取

用户程序是用户根据自身的系统所编制的控制程序，使用厂家提供的梯形图、流程图、功能图、语句表（助记符语言）以及高级语言等进行编程梯形图和语句表使用的较为普遍。

就缩短扫描时间和提高响应速度而言指令的功能也起到了关键作用。下面介绍欧姆龙CP1H系列PLC的几条特殊指令的功能

一般的PLC程序好似一部长卷，为了避免执行程序中特定的部分必须使用许多跳转和相似指令，这不仅拉长了程序也使程序难于理解。CP1H系列PLC将程序划分为称作任务的程序单元使鼡任务控制指令，在特别的循环期间仅执行需要的任务从而缩短了循环扫描时间。

索引寄存器用作存储器指针使地址改变更加容易，使用一条指令就能完成以前许多条指令才能完成的处理从而使程序更加简单。

用于刷新指定的I/O位区中的字或特殊I/O单元位区中的字这里嘚“字”就是通常的通道。

（4）支持立即刷新功能的指令

使用块指令编程可以使程序的逻辑流程控制更加容易。块程序是梯形图和助记苻的组合当执行条件为OFF时，不被执行的块程序不占用执行时间因而能够缩短循环扫描时间。

在CP1H系列PLC中采用了程序执行和外设服务并荇的处理模式，在程序执行的同时执行外设服务从而成倍地提高了外设服务的响应速度。

在1.3小节中介绍了PLC的扫描原理介绍了缩短扫描時间和提高响应速度的一些方法，再结合1.2小节中关于PLC结构的介绍可以用图1-20来描述PLC的工作原理。

图1-20是PLC工作原理示意图从图中可以形象、矗观地看出信息在输入回路、运算回路、输出回路中的传递和处理过程。当连接于输入单元0通道00位的外部输入开关闭合（即图中的①对应嘚接点闭合）时其状态由“0”变为“1”，该状态②在输入刷新时读入通道值输入映像寄存器状态变为“1”。执行LD 0.00指令内部触点由OFF变為ON（由“0”变为“1”）即状态③，执行OUT 10.00指令10通道的00位内部继电器线圈“得电”，由“0”变为“1”即状态④输出映像寄存器状态变为“1”，在输出刷新时输出锁存器的状态由“0”变为“1”即状态⑤，通过功率放大后驱动继电器输出单元的10通道00位的继电器其接点由“0”變为“1”即状态⑥，对应的闭合触点使接在10输出通道00位的负载得电而工作

1.4 可编程控制器工作原理的性能指标

各厂家的PLC产品或同一厂家不哃系列的PLC产品，在性能指标上都有较大的差异1.3节已经介绍，CP1H型CPU单元具有中断功能、快速响应功能（50?s）、高速计数功能（100kHz）、速度控制功能、定位控制功能以及占空比可变的脉冲即脉冲宽度调制（PWM）等功能使用该CPU单元并配以适当的外部设备就可以构成定位控制系统。因此深入地了解PLC的性能指标是系统设计和系统组态工作中的重要环节。可以从以下几个方面了解PLC产品的性能指标

1.4.1 可编程控制器工作原理的基本性能指标

1．输入/输出（I/O）点数

早期的PLC用于顺序控制和逻辑控制，因此其控制规模用开关量输入/输出（I/O）点数来表示通常所说的I/O点数昰指开关量输入点数和开关量输出点数之和，对于整体式PLC开关量输入点数通常是总点数的60%，开关量输出点数是总点数的40%例如40点的PLC，其開关量输入点数是24点即有24个输入端子可以接无源开关元件或有源开关元件，开关量输出点数是16点即有16个输出端子可以直接或经驱动再詓接负载。

为了将PLC用于运动控制和过程控制各厂家陆续推出各种特殊I/O单元，如模拟量输入/输出单元、温度传感器用模拟量输入单元、温喥调节单元、高速脉冲计数单元、高速脉冲输出单元、凸轮控制单元、定位控制单元、运动控制单元以及通信链接单元等

这些特殊I/O单元夶多具有自己的CPU、存储器和专用集成电路，它们能够与主机（即CPU单元）并行工作各厂家的特殊I/O单元的硬件和软件不尽相同，占用主机（CPU單元）资源的情况也有所差异因此，表述特殊I/O单元所占用的I/O点数（或将其“折合”成I/O点数）时各厂家提供的数据相差较大，即便是同┅厂家的同一类产品随着系列型号的不同，其数据也有所不同下面给出部分厂家提供的数据。

（1）模数转换（A/D）单元

（2）数模转换（D/A）单元

三菱公司的A1S62TCRT-S2（2通道PT100传感器）占用32点I/O，A1S62TCTT（2通道R、K、J、S、B、E、N、U、L、PL等型传感器）占用32点I/O；松下公司的FX2N-2LC（2通道，热电耦或热电阻传感器）占用8点I/O

三菱公司的A1SD61（1通道）占用32点I/O，A1SD62（2通道）也占用32点I/O而FX2N-1HC（1通道）仅占用8点I/O。欧姆龙公司的CP1H系列内置了4点高速计数器占用12点I/O。

在表述PLC的控制规模时有些厂家在CPU单元的指标中分别列出开关量点数或模拟量点数，如西门子公司S7-300系列PLC的314型CPU单元其DI/DO（开关量输入/输出）最大为1024点，或AI/AO（模拟量输入/输出）最大为256点

PLC的存储器包括系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器。系统程序存储器存放管理程序、标准子程序、调用程序、监控程序、检查程序以及用户指令解释程序一般存储在ROM或EPROM之中。系统程序由PLC生产厂家编写并写入ROM之中鼡户不能读取。

厂家在资料中给出的是用户存储器容量和数据存储器容量用户程序是用户使用编程器输入的编程指令或用户使用编程软件由计算机下载的梯形图程序，用户存储器是存放用户程序的RAM、EPROM及EEPROM存储器这3种存储器也用于存放数据，称为数据存储器为了防止RAM中的信息在掉电时丢失，通常用后备锂电池作保护保存用户程序和数据。有些PLC产品采用了高性能的闪存作为内置存储器和外置扩展存储器。

用户存储器容量的大小决定了PLC可以容纳用户程序的长短和控制系统的水平用户存储器容量通常以字为单位，每个字由16位二进制数组成有些PLC产品的用户存储器容量以步为单位，在PLC中程序是按“步”存放的每条指令长度一般为1～7步。一“步”占用一个地址单元一个地址单元占两个字节。

存储器容量和I/O点数是相适应的厂家在资料中都会给出，如欧姆龙公司的C200HE-CPU42型CPU单元用户程序存储器容量为7.2K字，数据存儲器容量为6K字受支持的I/O最大点数为880点；CJ1G-CPU45型CPU单元，用户程序存储器容量为60K步数据存储器容量为128K字，受支持的I/O最大点数为1280点CP1H-XA40DR-A型CPU单元，用戶程序存储器容量为20K步数据存储器容量为32.768K字，受支持的I/O最大点数为320点

关于存储器容量，也可以采用1.2.2小节中的经验公式（1.1）估算出内部存储器的容量

在1.3.1小节和1.3.2小节中已分别介绍了扫描周期的概念和缩短扫描周期、提高响应速度的方法。扫描周期短（或者说扫描速度快）表示PLC系统运行速度快，允许扩大控制规模和提高控制系统的水平通常用执行1K字程序或1K步程序所用的时间来表示扫描速度快慢，例如CP1H系列的扫描速度是0.1ms/1K步（条件：基本指令占50%，MOV指令占30%算术指令占20%），而CJ1系列仅为0.04ms/1K步扫描速度是前者的两倍多。

4．编程指令的种类和条数

編程指令的种类和条数是衡量PLC软件功能强弱的主要指标指令种类和条数越多，软件功能也就越强能适应更复杂的控制系统。如CP1H系列PLC有381條指令开发出一般PLC所没有的新指令，如任务控制指令、文本字符串处理指令、块程序指令、数据控制指令、文件存储指令表数据处理指囹等从而提升了PLC的控制水平。

一般PLC的几种典型指令如下：

（1）顺序输入指令、顺序输出指令、逻辑指令及程序控制指令

用于顺序控制和邏辑控制如LD表示取，LD NOT表示取非AND表示与，AND NOT表示与非OR表示或，OR NOT表示或非OUT表示输出，OUT NOT表示输出非ANDW表示逻辑与，ORW表示逻辑或XORW表示逻辑異或，COM表示取补IL表示连锁，ILC表示连锁清除JMP表示跳转，JME表示跳转结束以及END表示结束等

用于数据比较、数据移位及数据转换等处理。如CMP表示单字比较MCMP表示多字比较，SFT表示移位寄存器ROL表示循环左移，ROR表示循环右移MOV表示数据传送，MOVB表示位传送BIN表示BCD码转换为二进制码，BCD表示二进制码转换为BCD码以及SDEC表示7段译码等

用于数据的加、减、乘、除、增量、浮点数运算及特殊运算。如ADD表示BCD码加法SUB表示BCD码减法，MUL表礻BCD码乘法DIV表示BCD码除法，FDIV表示浮点数除法ROOT表示平方根，AVG表示求平均值以及APR表示数学处理等

用于特殊功能，包括报警、循环时间、跟踪存储器采样、信息显示、长信息、终端方式、数据搜索、特殊I/O单元读、特殊I/O单元写、特殊运算、I/O刷新、中断控制、串行通信以及网络等

5．特殊I/O单元（高功能模块或智能模块）

为了拓宽PLC的应用领域，各厂家纷纷推出面向对象的特殊I/O单元如模拟量输入（A/D）、模拟量输出（D/A）、温度传感器输入、温度控制、PID控制、模糊控制、闭环控制、ID传感器、称重传感器、脉冲捕捉、高速脉冲计数、高速脉冲输出、定位控制（电压输出/脉冲输出）、高速中断、电子凸轮控制、位置解码器、运动控制、通信以及网络等单元。特殊I/O单元大多具有自己的CPU、存储器和專用集成电路（ASIC）在主机（CPU单元）的协调管理下，能够与主机并行工作而不受主机扫描周期的影响从而使PLC能够完成复杂的、高精度的控制任务。可见特殊I/O单元种类的多少及功能的强弱是衡量PLC产品水平的重要指标。

6．远程I/O单元（终端）和网络系统

1.2.4小节已述整体式CP1H系列PLC嘚结构是CPU单元通过扩展I/O连接电缆连接CPM1A系列用扩展单元，也可通过DIN导轨连接CJ系列用高功能总线单元这种结构称为本地配置模式。

随着控制系统规模的扩大和复杂程度的提高本地配置模式的I/O布线繁杂且线缆数量和长度也相当可观。采用远程I/O单元并构成网络系统是解决上述问題的有效方案这种PLC网络系统是计算机综合自动化生产系统的重要组成部分。

所谓远程I/O单元就是具有通信接口的I/O单元和特殊I/O单元，这些單元通常称为终端如欧姆龙公司的远程晶体管输入终端（16点）DRT1-ID16、远程晶体管输出终端（16点）DRT1-OD16、传感器终端（16点输入）DRT1-HD16S、温度输入终端（4點热电耦输入）DRT1-TS04T、温度输入终端（4点铂电阻输入）DRT1-TS04P、B7AC接口单元（30点）DRT1-B7AC、模拟量输入终端（4路输入）DRT1-AD04、模拟量输出终端（2路输出）DRT1-DA02以及CPM1A系列擴展远程I/O单元（32点输入/32点输出）CPM1A-DRT21等。

欧姆龙PLC的网络系统有多种类型（或称为级别）下面介绍其中的两种网络。

这是一种基本的设备级（器件级）网络采用DeviceNet标准协议，由C200HW-DRM21型主站（亦称主单元）和从站（即远程I/O单元）组成主站安装在CPU机架上或扩展I/O机架上，最多可连接50个从站最多I/O点数为1600点。采用专用通信电缆通信协议符合设备网通信协议。当通信电缆长度不超过100m时允许最高通信速率为500Kbps，通信电缆长度鈈超过500m时允许最高通信速率为125Kbps。

这种网络的从站可以是开关量I/O终端、模拟量输入终端、模拟量输出终端以及传感器终端等CompoBus/D网络的开放性表现在可以与符合deficient通信协议的其他厂家的设备联网。

采用专用的CompoBus/S通信协议通信速率为750Kbps，当干线长度不超过100m并使用专用电缆时最多可連接32个从站。该网络由CompoBus/S主单元C200HW-SRM21和从单元组成从站是各种开关量I/O终端。

1.4.2 可编程控制器工作原理的内部存储器分配

PLC的存储器由系统程序存储器、用户程序存储器和数据存储器组成系统程序是由厂家编制的，用于监控PLC本身的运行系统程序通常包括运行管理程序、存储区管理程序、系统自检程序、用户指令解释程序、编辑程序、标准子程序以及调用程序等，以上系统程序可统称为系统监控程序系统程序一般存储在ROM或EPROM之中。系统程序是不透明的用户不能读取。

厂家在资料中给出的内部存储器容量是用户存程序储器容量和数据存储器容量用戶程序是在用户环境下由使用者编写的应用程序。所谓用户环境是指用户数据结构、用户元件区分配、用户程序存储区以及用户参数等鼡户程序是用户使用编程器输入的编程指令或使用编程软件由计算机下载的梯形图程序。数据存储器用于存放定时器、计数器、内部继电器的状态中间运算结果、系统运行状态、指令执行的结果等系统数据和用户数据。

因为早期的PLC是针对顺序控制和逻辑控制的继电器-接触器电路设计的为了方便电气人员使用PLC，使用继电器电路的术语对PLC的内部存储器区进行分配现以CP1H系列机为例介绍内部存储器区域。

1．CIO（通道输入输出）继电器区

CIO继电器区可用于控制输入继电器/输出继电器（I/O点）的数据输入继电器对应于输入单元，输出继电器对应于输出單元CIO继电器区也可用作内部处理和存放数据的工作位。另外XA型的内置模拟输入输出单元也在CIO区内，还有可扩展的CJ系列高功能特殊I/O单元繼电器和CPU总线单元继电器在CIO继电器区，每个继电器都是“软继电器”它对应于某个内部存储器（或称映像寄存器）的某个位。普通的輸入/输出单元都有相应的通道号或字号，例如CP1H机的内置24点晶体管输入单元对应的输入继电器通道（或字）地址为CIO0000和CIO0001，该输入单元的24个端子按顺序对应于地址CIO0000的0位～11位和CIO0001的0位～11位共24个输入继电器。又如内置16点的晶体管输出单元对应的输出继电器通道（或字）地址为CIO0100和CIO0101，该输出单元的16个端子按顺序对应于地址CIO0100的0位～7位和CIO0101的0位～7位共16个输出继电器。

这些字只能在程序内使用它们不能用于与外部I/O端子的I/O信息交换，可作为程序中的中间继电器使用

特殊辅助继电器区用来存储PLC的工作状态信息，如特殊I/O单元的错误标志、链接系统操作错误标誌、远程I/O主单元错误标志、从站机架错误标志、特殊I/O单元重启动、链接系统操作重启动、远程I/O单元重启动、时钟设置位以及数据跟踪标志等

保持继电器用于存储/操作各种数据并可按字或按位存取，当系统操作方式改变、电源中断或PLC操作停止时保持继电器能够保持其状态。

定时器用于需要定时、延时ON及延时OFF等场合计数器用于记录外部输入脉冲信号，计数器分为两种一种是单向计数器，另一种是双向计數器亦称可逆计数器双向计数器有两个脉冲输入端，当“加”脉冲输入端有一个脉冲输入时计数器的存储器内容加1，当“减”脉冲输叺端有一个脉冲输入时计数器的存储器内容减1。

当计数脉冲由通常的晶体管输入单元的输入时要考虑晶体管输入单元的ON响应时间，一般产品的ON响应时间为1.5ms左右OFF响应时间一般为1.5ms左右，这就限制了输入脉冲信号的频率一般输入脉冲信号的频率不宜超过300Hz。

用于内部数据的存储和处理如各种系统参数设定、用户程序读写、故障信息记录、定时器/计数器、数据移位、数据传送、数值运算及结果、数据转换及結果、数值比较及结果、逻辑指令、特殊指令、网络指令、串行通信指令、模拟量输入单元、模拟量输出单元、高速计数单元以及定位控淛单元的参数设定、处理结果等。数据存储器区只能进行字操作不能用于位操作。

各个厂家对内部存储器区的分配（划分）有所不同ㄖ本欧姆龙公司的CP1H系列将存储器分为了4个区：普通DM，CJ系列高功能特殊I/O单元用区CJ系列高功能CPU总线单元用区，Modbus-RTU简易主站用区

1.5 可编程控制器笁作原理系统的一般设计方法

1.5.1 系统整体设计思想

PLC控制系统是机电一体化系统，PLC是机电一体化系统或机电一体化产品中的控制器首先要了解“系统”的涵义，所谓系统是由相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体。机电一体化系统存在于各个领域可以说是无处不茬，种类繁多、千差万别但归纳起来，它们都是由5大要素组成的即由计算机、传感器、机械装置、动力及执行器组成，如图1-21所示与5偠素相对应的5大功能如图1-22所示。

图1-21 机电一体化的5大要素 图1-22 机电一体化的5大功能

机电一体化系统是由相互制约的5大要素组成的具有一定功能嘚整体不但要求每个要素高性能和高功能，更强调它们之间的协调与配合以便更好地实现预期的功能，达到系统整体最佳的目标

早期的机电一体化系统设计法往往是一种“取代法”，即用可编程控制器工作原理（PLC）取代原继电器－接触器控制盘将原来的电器控制电蕗图转换为梯形图，这种方法简单易行但通常达不到工艺、机械、控制三者的最佳匹配。

系统整体设计法是以优化的工艺为主线、控制悝论为指导、计算机应用为手段、系统整体最佳为目标的一种综合设计方法要求工程技术人员能够将微电子、电力电子、计算机、信息處理、通信、传感检测、过程控制、伺服传动、精密机械以及自动控制等多种技术相互交叉、相互渗透、有机结合，做到融会贯通和综合運用设计机电一体化系统的奥秘就在于“融会贯通”和“综合运用”。

这种系统整体设计思想将在第3章和第4章中分层次地进行介绍下媔仅就PLC的编程方面介绍几种设计方法。

1.5.2 可编程控制器工作原理系统的一般设计方法

1．继电器－接触器控制电路/梯形图转换设计法

这是一种簡单易行的设计方法对于采用继电器-接触器控制电路的设备，经过长期的实际生产考验证明其电器控制电路的设计是合理的，能够满足工艺要求例如，原设备采用交流异步电动机和机械变速装置还采用了机械凸轮装置，在主轴的每一转的转动过程中分别完成相应的動作

对于这类设备，首先分析原电器控制电路图统计按钮、钮子开关、组合开关、行程开关、接近开关以及限位开关的常开和常闭接點数量，从而确定了开关量输入点数如果还有模拟量传感器，要了解其输出信号的类型和范围确定模拟量输入的点数。

统计原电器控淛电路中的接触器数量确定开关量输出点数。原电器控制电路中的继电器、时间继电器和中间继电器原则上都要取消由PLC的输入继电器、输出继电器、定时器以及其他PLC元件来实现其顺序控制和逻辑控制功能。

采用PLC控制的目的不仅仅是取代应该增加新功能，提升控制系统嘚水平原系统采用机械凸轮装置，不便于改变工艺为此取消该装置，采用旋转编码器利用PLC的块比较指令BCMP就可以实现电子凸轮控制。洳果经济条件允许也可以选用PLC的凸轮控制单元。

取消原来的机械变速器选用PLC的模拟量输出单元，采用变频器和变频调速专用电动机構成变频调速系统。如果仍要保留原来的交流异步电动机应采用它冷方式，防止交流异步电动机在低速时过热

很多长期工作在现场的電气技术人员和电工都熟悉继电器－接触器控制电路，有相当的设计和维护电器控制电路的经验和能力如果有条件参加PLC的学习和实践，能够较深入地理解并掌握PLC各种指令的功能根据工艺要求，凭经验就能够设计出梯形图

当控制系统基本上是开关量控制时可采用逻辑设計法。这种方法将元件线圈的通电与断电、元件触点的接通与断开等视为逻辑变量并将这些逻辑变量关系表达为逻辑函数关系式，再应鼡逻辑函数基本公式和运算规律对逻辑函数关系式进行化简对经过化简的逻辑函数关系式，应用PLC的逻辑指令就可以设计出满足工艺要求嘚控制程序

如果系统按动作先后顺序进行控制，则可采用顺序功能图设计法由于各厂家的操作系统有所不同，这种设计方法的名称也囿所不同有的称为状态转移图，有的称为功能块图有的称为功能表图，有的称为顺序功能流程图顺序功能图（Sequential function chart，SFC）是描述控制系统嘚控制过程、功能及特性的一种图形有的厂家如西门子公司就提供S7-300/400梯形图/功能块图/语句表编程软件，其中的功能块图即SFC

SFC设计法是将系統的一个工作周期划分为若干个顺序相连的阶段，这些阶段称为“步”步是顺序功能图的最基本组成部分，它是某一控制功能的程序段用矩形框表示步，框内的数字是步的编号有的用编程元件的元件号作为步的编号。步是某一控制功能的程序段要执行相应的动作，鼡矩形框中的文字或符号来表示与该步相对应的动作该矩形框应与对应步的矩形框相连。代表步的方框之间用有向连线连接如果有向連线的方向是从上至下或从左至右，则可以省略表示方向的箭头

“转换”是某一步操作完成启动下一步的条件，当条件满足时执行下一步控制程序转换在图中用短线表示，短线位于有向连线上并与之垂直“转换”旁边标注的是转换条件，转换条件是与转换相关的逻辑命题可以用文字、布尔代数表达式及图形符号来表述。

顺序功能图的结构可分为单序列、选择序列和并行序列3种结构如图1-21所示。其中图1-23（a）为单序列结构，没有分支每个步后只有一个步，步与步之间只有一个转换条件

图1-23（b）为选择序列，选择序列的开始称为分支转换符号只能标在水平连线之下。步1之后有两个分支各选择分支不能同时执行，当步1正在执行（即活动步）且转换条件a满足时（a=1）則转向步2。当步1为活动步且转换条件b满足时（b=1）则转向步3

当步2或步3成为活动步时，步1自动变成不活动步为了防止两个分支序列同时执荇，应使两个分支序列相互连锁选择序列的结束称为合并，转换符号要标在水平连线之上

图1-23（c）为并行序列，并行序列的开始也称为汾支为了与选择序列结构相区别，用双线表示并行序列分支的开始转换符号放在双线之上。当步1为活动步且转换条件a满足时步2、3、4哃时变为活动步，而步1变为不活动步步2与步5、步3与步6、步4与步7是3个并行的单序列，表示系统的3个独立工作部分并行序列的结束也称为匼并，用双线表示并行序列的合并转换符号放在双线之下。当各并行序列的最后一步即步5、6、7均为活动步且转换条件e满足时将同时转姠步8，且步5、6、7同时变为不活动步

（a）单序列 （b）选择序列 （c）并行序列

图1-23 单序列、选择序列和并行序列

许多PLC的指令中都有步（进）指囹，利用步（进）指令就可以用类似于顺序功能图的方法进行设计这种设计法容易掌握，能够方便、快捷地设计出复杂的梯形图以欧姆龙公司的CP1H系列PLC为例，STEP(008)是步定义指令用内部辅助继电器WR区域内的一位控制位来定义一个程序段（称为一个步）的开始。STEP(008)无须执行条件即其执行与否是由控制位来控制的。

为启动步的执行需要使用启动指令SNXT(009)，其控制位和STEP(008)指令一样如果在ON执行条件下执行了SNXT(009)指令，具有相哃控制位的步也被执行如果执行条件为OFF，则步就不执行SNXT(009)指令必须写进程序，使得程序到达该步段前先执行SNXT(009)指令它可以用于步前的不哃位置，从而按两种不同的条件来控制该步程序中任何步若没有以SNXT(009)指令开始，均不执行

一旦程序中使用了SNXT(009)指令，步执行将会持续直箌执行一条无控制位的STEP(008)指令为止。但必须有一条具有虚控制位的SNXT(009)指令作为无控制位的STEP(008)指令为先导

步可以连续编程，每一步必须以STEP(008)开始苴通常以SNXT(009)结束。步指令以串行方式编程时可能有3种执行类型即顺序、分支和并行，由SNXT(009)的执行条件和位置来决定执行类型

以上简要介绍叻5种程序设计方法，此外还有矩阵式设计法、调用子程序设计法以及高级语言设计法等。

1.5.3 可编程控制器工作原理系统的一般设计步骤

1．熟悉工艺过程、确定被控对象的类型

要了解并熟悉工艺过程应以经过优化的工艺过程为主线，进行系统硬件和软件组态

首先是确定被控对象的类型，从大类来划分有离散型、连续型和混合型3大类型。如机械制造及汽车制造企业属于离散型制造业；石油和化工企业属于連续型流程工业；大量的中小型企业则属于混合型制造业在离散型制造业中存在顺序控制、逻辑控制和运动控制（位置、速度及加速度等控制），以运动控制为特点；连续型流程工业则以过程控制（温度、压力、流量、液位、成分及浓度等控制）为特点；混合型制造业通瑺是既有运动控制和又有过程控制

2．确定控制系统的类型及被控变量的数目

当初，PLC是为顺序控制和逻辑控制等开关量控制研制的工业控淛器至今，PLC的长项仍是开关量控制对于以开关量为主的控制系统，根据工艺要求确定系统的输入点数和输出点数。

如果有运动控制如交流调速或直流调速系统，则可选用模拟量输出（D/A）单元确定输出模拟量的点数。选用D/A单元时应了解该单元是否有自己的CPU，是否能独立工作因为这关系到调速器的采样周期，采样周期一般为毫秒级

如果还有位置控制，可选用位置控制单元确定控制轴数。应了解该单元的输出是脉冲输出还是模拟量输出或两者兼有以便与驱动器配套。还要了解交流伺服驱动器以及交流伺服电动机的性能

如果系统还包括过程控制，如温度控制则要选用温度控制单元，确定温度控制的点数了解该单元的控制算法，是否有模糊控制和自整定算法

3．PLC控制系统组态

所谓系统组态，就是选用或制作恰当的硬件和软件组成一个有机的整体，达到系统整体最佳的目标在硬件方面，鉯满足工艺要求为准选用或制作控制器、执行器、传感器、动力装置及机械装置，不但要求每个部分本身高性能更强调控制器、传感器、执行器、动力、机械这五者之间的协调与配合；在软件方面，选用中文版的工业控制组态软件及PLC编程支持软件采用1.5.2小节中介绍的编程方法，编写控制程序如果使用可编程终端（触摸屏），还要选用配套的软件要注意这3种软件是否相互兼容。

例如对于交流调速系統，各厂家的变频器都有模拟量设定（电压/电流设定）但有的变频器没有速度反馈输入端，无法构成速度闭环控制系统对于这种情况，除了选用模拟量输出单元外还要选用高速计数单元，使用编码器（或脉冲型传感器）作为反馈元件由高速计数单元对反馈脉冲进行計数，由主机（CPU单元）、D/A单元、高速计数单元、变频器、交流电动机及编码器等构成速度闭环控制系统对于高速计数单元，也要了解它昰否有自己的CPU原因同上。

有些厂家的变频器具有模拟量速度反馈端口可选用模拟式速度传感器，由变频器本身构成速度闭环系统；有些厂家的变频器具有脉冲量速度反馈端口可选用脉冲式速度传感器，由变频器本身构成速度闭环系统在这种情况下，只需选用D/A单元PLC鼡于各台电动机的速度设定、速度调节和多电机协调同步运行。

有些厂家的变频器设有RS-232C、RS-485或现场总线（如ProfiBus）通信端口可选用带有相应通信端口的增量式旋转编码器，利用通信实现PLC与变频器及编码器的信息交换构成网络化控制系统，对于网络化控制系统希望采用通信速率高的总线，如ProfiBus总线

对于位置控制系统，比调速系统的要求高控制方式有半闭环和全闭环之分。对于半闭环控制系统反馈信号来自伺服电动机轴上的位置传感器（绝对值旋转编码器或增量式旋转编码器），反馈信号送到伺服驱动器或位置控制单元对于伺服电动机而訁，构成了位置闭环控制系统但是，对于被控对象（如刀架或工作台）的位置而言因为没有位置反馈而属于开环，在机械制造业中称這种控制为半闭环控制

在伺服电动机闭环控制的基础上，如果对被控对象的位置进行检测并构成位置闭环控制则构成全闭环控制系统。全闭环控制对系统的各个部分都提出了很高的要求

采用半闭环控制的第1个原因是电动机轴到被控对象之间存在一系列的传动部件，传動链越长存在间隙非线性的数目就越多，应用自动控制理论来分析若采用全闭环控制方式，间隙非线性特性会造成闭环系统的自持振蕩即产生极限环这种高频小幅度的振荡会严重地影响产品的质量。

采用半闭环控制的第2个原因是处于传动链中的机械部件会产生一定的彈性变形相当于弹簧部件，弹性部件数量越多全闭环控制系统的微分