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1、目 录1. PLC概述11.1 PLC是什么11.2 PLC从何处来21.2.1 可编程控制器的硬件发展21.2.2 可编程控制器的发展31.2.3 我国可编程控制器的发展41.2.4 可编程控制器的编程语言51.3 PLC的基本结构61.3.1 中央控制单元CPU61.3.2 I/O模块61.3.3 编程器设备（或称编程终端）71.3.4 电源71.4 PLC的工作原理71.4.1 继电器基本控制71.4.2 PLC的替代91.4.3 PLC的工作原理分析91.4.4 输入/输出滞后时间111.5 PLC的特点121.6 PLC的应用领域151.7 PLC的类型172. 三菱PLC软件FXG
2、PWIN使用介绍202.1 Fxgpwin的使用202.2 PLC编程语言233. 实训目的234. 调试244.1 任务描述244.2 控制要求244.3 PLC接口的分配244.4 外部接线图25总 结26致 谢27参考文献28附 录291. PLC概述主要讲述了PLC的产生和发展历史，讨论了从继电器控制系统到PLC系统变化的原因。从构成PLC的基本部分入手，介绍了PLC在过程控制系统中的应用，然后简单介绍了各种不同类型的PLC的特点、分类 、及应用情况，最后简单介绍了PLC的编程语言，并对现阶段PLC的前景应用进行了展望。1.1 PLC是什么由于可编程控制器的不断发展，对它下一个确切定义
3、是困难的。可编程控制器问世后，美国电器制造（NationalElectricalManufacturesAssociation）于1980年对可编程控制器有如下定义：可编程控制器是一种数字式电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序运算计数、计时和算术运算等功能，实现对各种机械或生产过程的控制。1982年，国际电工委员会（International ElectricalCommittee，简称IEC）办不了可编程序控制器标准草案，于1985年提交了第二版，1987年2月的第三版对可编程控制器做了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计
4、的。它采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都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。”可见，PLC这个电子系统，也是靠存贮程序、执行指令，进行信息处理，实现输入到输出的变换。但它的目的是用以控制各种类型机械或生产过程。所以，从实质上讲，它是一台工业环境应用的、满足实时控制要求的专用计算机。PLC与普通计算机所不同的主要是：(1)它没有键盘，代之为一个个输入电路，并用其获取控制命令或现场信号。同时，此输入电路具有滤波能力的，
5、与内部电路为电隔离，但通过光耦合建立联系；(2)它没有显示器，代之为一个个输出电路，并用其产生控制输出。由于此电路具有驱动能力，故可以驱动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。同时，此电路与内部电路也是电隔离的，是用光或磁耦合建立联系；它没有硬盘，只有内存。但可配备存贮卡，以为程序与数据建立备份；(3)它配置有外设或通讯接口，可用以编程或下载程序、监控及联网通讯；（4)它的结构为整体式或模块化，体积小，安装方便，比较坚固，具有很强的抗干扰、抗冲击、抗震动特性。总之，PLC只是一台没有键盘、没有显示器、没有硬盘，但有很多输入、输出电路、配有接口，可在工业现场实时使用的、模块化、小型化的特殊计
6、算机。要指出的是，随着技术进步，PLC的性能在不断提高，应用在不断扩展，类型在不断增多。所以，它的概念也在不断更新。工厂自动化的三大技术支柱PLC(可编程逻辑控制器)、Robot(机器人)、CAD/CAM(计算机辅助设计与制造)，PLC首当其冲，是领头羊。它已发展成为当今方方面面自动化、信息化的重要支柱。1.2 PLC从何处来1.2.1 可编程控制器的硬件发展 可编程控制器的10项招标指标1968年，美国通用汽车公司（GM）根据多品种、小批量、不断翻新汽车品牌的战略思想，以降低生产成本，缩短新产品开发周期为设想，针对汽当时车生产线的自控系统现状：工装基本上由继电器控制装置构成。当时汽车的每一次
7、改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，因而继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，这不仅费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，希望用新的控制装置来取代继电器控制装置，并提出了以下10项招标指标：在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速、方便地对其控制的硬件和设备进行编程及重新进行程序的设计。所有的系统组件必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下进行。系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行；装置的体积应小于原继电器控制柜的体积，它的能耗
8、也应较小；必须能与中央数据采集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115V(注：美国电网电压为115V，我们中国是AC220V)。输出的驱动信号都必须能驱动以交流运行的电动机驱动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有交流115V，2A以下容量的电磁阀等负载设备。具有灵活的扩展能力。在扩展时，必须能以最小的系统变动及最短的更换、停顿时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。在购买和安装费用上应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即有高的性价比。用户存储器容量至少在4KB1以上（根据当时汽
9、车装配厂的要求）。美国数字设备公司(DEC)中标后，在1969年，研制出第一台PLC（PDP-14），应用于美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。其后，美国Modicon公司也推出了同名的084控制器。这种新型的工控装置，以其体积小、可变性好、可靠性高、使用寿命长、简单易懂、操作维护方便等一系列优点，很快就在美国的许多行业里得到推广应用。到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等行业 。这一新型的工控装置的出现，受到世界上许多国家的高度重视。1971年，日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了他们的第1台PLC（DSC-8控制器）。1973年，西欧国家也研制出他们的第1台PLC
10、。我国从1974年始研制，到1977年开始应用于工控领域。1.2.2 可编程控制器的发展初创阶段，从第一台可编程控制器问世到20世纪70年代中期。这个阶段的PLC，一般称为“可编程逻辑控制器”(ProgrammableLogicController)。这时的PLC基本上是(硬)继电器控制装置的替代物，主要用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、计数等功能。它在硬件上以“准计算机”的形式出现，在I/O接口电路上做了改进以适应工控现场要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，并采用磁芯存储器。另外，还采取了一些措施，以提高抗干扰能力。在软件编程上，采用类似于电气工程师所熟悉的继电器控
11、制线路的方式梯形图(Ladder)语言。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点是简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、有故障显示、能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图语言一直沿用至今。这一阶段的产品主要用于逻辑运算、计数、计时控制。 扩展阶段，从20世纪70年代中期到70年代末期，微处理器的出现使PLC发生了巨变。美国、日本、德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的CPU(中央处理单元)，这样使PLC的功能大大增强。除了保持原有的逻缉运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理、模拟量的运算、网络通信、自诊断等功能。 通信阶段，从20世纪70年代末到20世纪
12、80年代中期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。早期的PLC一般采用8位的CPU，现在的PLC一般采用16位或32位的CPU。另外，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂还纷纷研制开发出专用的逻辑处理芯片，这就使得PLC的软、硬件功能有了巨变。这一阶段的产品与计算机通信系统的发展有关，并形成了分布式网络通信体系，但由于各制造厂商的各自为政，通信系统也各自称为独立的系统，使各制造厂商的产品较难实现互通。 开放阶段，从20世纪80年代中期到90年代中期。由于国际标准化组织提出了开放互连参考模型，使可编程控制器在通信系统
13、的开放获得较大发展，使各制造厂商产品可以互通，甚至大中型产品开始采用CRT屏幕显示功能，并且采用标准化软件系统，增加高级编程语言，并完成编程语言的标准化工作。 标准和集成阶段，从20世纪90年代中期开始。IEC发布了可编程控制器的标准草案，尤其是标准编程语言的颁布，使可编程控制器获得飞跃发展。软件模型的颁布是该阶段的重要标志。采用标准编程语言的软件使第三方的软件移植变得方便。系统的集成化和扁平化是该阶段的另一个特点，将各种软件集成在一个软件平台，采用一个数据库等。 目前，世界上约有200家PLC生产厂商，其中，美国的Rockwell、GE，德国的西门子(Siemens)，法国的施耐德(Schn
14、eider)，日本的三菱、欧姆龙(Omron)，他们掌控着全世界80%以上的PLC市场份额，他们的系列产品从只有几十个点(I/O总点数)的微型PLC到有上万个点的巨型PLC，应有尽有。1.2.3 我国可编程控制器的发展 我国从1974年始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因，未能推广。指导1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的可编程控制器，并开始批量生产和应用于工业过程控制。由于使用单片一位处理器，因此应用规模小，主要控制方式为开关量控制。随着改革开放，1982年开始后雨美国、德国、日本等厂商进行合资或引进技术、生产流水线等，使PLC获得了较大发展。这一阶段的主要特
15、点是以产品的引进、技术的消化、应用的普及为目标。应用的产品以8位处理器为主，应用规模在1000点以下。经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但尚未形成颇具规模的生产能力，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主，如：Siemens的S7-200小系列、S7-300中系列、S7-400大系列，三菱的FX小系列、Q中大系列，0mron的CPM小系列、C200H中大系列等。值得一提的是，湖北黄石的科威自控公司()的创新产品“嵌入式PLC”。小系统用户希望在数据处理上像DCS、可靠性上像PLC、价格上像单片机嵌入系统。嵌入式PLC正好满足用户的这些愿望。嵌入式PLC是指“将支持PLC(梯形图)编程
16、语言的内核EasyCore以小板芯的形式”嵌入到特定的控制装置中，使该装置除了具有自身的专用功能之外，还具有PLC的基本功能；开发人员能够在该PLC编程语言平台上，轻而易举地设计出通用型PLC、客户型PLC、以及各种特型控制板。嵌入式PLC是科威公司立足原有的自动化仪表技术、现场总线技术和10多年的自动化工程项目经验，在华中科技大学、武汉理工大学的协作下，经过3年多的努力攻关，首创成功的。由于嵌入式PLC的社会及经济价值十分巨大，2005年被列为国家攻关计划。迄今为止，科威公司的嵌入式PLC产品通用型PLC、(按照客户要求定制的)客户型PLC、特型控制板，已在纺织机械、工业窑炉、塑料机械、印刷
17、包装机械、食品机械、数控机床、恒压供水设备、环保设备等行业中成功应用，并且在窑炉自动化系统的应用中占有明显的技术优势。长期以来，PLC始终是工业自动化的主角，它与是SCADA（监控和数据采集）、DCS(集散控制系统)及IPC(工控机)、FCS(现场总线控制系统)等相互集成，互相影响。同时也承受着来自其它技术产品的冲击。1.2.4 可编程控制器的编程语言可编程控制器编程语言的发展 可编程控制器的应用需要用可编程控制编程语言进行编程（即所谓的二次开发），各制造商开发了各自的编程语言，形成了各自为政的自动化孤堡。不同的可编程控制器程序不能移植，不能相互通信等。为此，用户和制造商都希望有标准化的编程语
18、言，使可编程控制器成为开放系统的组成部分。标准化编程语言的发展来自下列三方面的发展。传统可编程控制器语言。例如常用的梯形图语言脱胎于电气逻辑图，指令表语言是汇编语言的发展。工控软件公司开发的编程语言。如德国KWSoftware（科维）软件公司的Multiprog、Infoteam（一方梯队）软件公司的PDAT等为代表开发的编程语言吸取了各科编程控制器制造商的编程语言的特点，在开发中形成了一套新的国际编程语言标准。基于工业PC的软逻辑PLC。软逻辑PLC是在PC平台运行Windows操作环境下，用软件实现PLC控制功能。它构成开放的应用系统，能够方便地与来自不同厂商的各种输入/输出设备、现场总线
19、、PC和控制网络实现无缝集成。 可编程控制器的编程语言因地域不同，大致可分为三大地域：北美、欧洲和日本。而可编程控制器标准编程语言IEC61131-3的制定是美国、加拿大、欧洲（主要是德、法）以及日本等7家国际性工业控制企业的专家和学者的结晶，它浓缩了数十年工控方面的实践经验（包含：北美和日本等使用的梯形图语言实践经验、欧洲各国使用的顺序功能表图和功能快图编程语言实践经验、德国和日本等使用的指令表编程语言实践经验等。1993年3月，国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee，简称IEC）正式颁布了可编程控制器标准编程语言IEC1131（前面加6后作为国际标
20、准的编号，即成为可编程控制器标准编程语言(IEC61131）第一版，可编程控制器标准编程语言IEC61131-3为第二版，于2000年下半年表决通过。IEC61131标准将软件工程、结构化编程、模块化编程、面向对象的思想及网络通信技术等引入工业控制领域，弥补和克服了传统PLC和DCS等控制系统的弱点。然而，标准语言的发展仍在进行中，传统的编程语言仍然在广泛使用之中。 可编程控制器编程语言标准化的国际化组织 PLCopen是1992年成立的致力于可编程控制器编程语言标准化的非营利国际化组织，总部设在荷兰。我国于1999年正式成为PLCopen组织的一员，挂靠在中国机电一体化技术应用协会。我国可编
21、程控制器硬件的开发和应用并不早，但对国际标准编程语言跟得比较紧。IEC61131-3标准不仅适用于可编程设备，而且适用于运动控制产品、DCS和基于工业PC的的软逻辑PLC、SCADA等。采用或应用符合IEC61131-3标准的产品，已成为工业领域发展的趋势。在我国，正在进行IEC61131-3标准及有关产品的推广工作。许多技术人员还不知道编程语言的国际标准，一些厂商仍在推广和抛售不符合IEC61131-3标准的编程语言和相关产品。可编程控制器的标准编程语言 IEC61131-3的编程语言部分定义了两大类编程语言：文本类编程语言和图形类编程语言。文本类编程语言包括指令表编程语言（IL:Imstr
22、uctionList）和结构化文本编程语言(ST：StructuredText)，图形类编程语言包括梯形图编程语言（LD：LadderDigram）和功能块图编程语言（FBD：FunctionBlockDigram）。标准中定义的顺序功能表图编程语言（SFC：SequenceFunctionChart）既没有归入文本类编程语言，也没有归入图形类编程语言，而是作为公用元素被定义。这表示SFC可以使用两类语言进行编程。1.3 PLC的基本结构 PLC主要由中央控制单元（CPU）、存储器（RAM或ROM或）输入输出模块（I/O）部分、电源和编程设备组成(见图1-1），有的PLC还可以配备特殊功能模块
23、，用来完成某些特殊的任务。术语“体系结构”是指PLC的硬件，或软件，或者二者的结合。开放式的体系结构，是指系统使用现成的标准组件，能方便的与其它生产厂家的设备和程序兼容。封闭的体系结构是指该系统为专用的并且与其他系统不兼容。目前，大多数PLC系统从本质上讲都是封闭的系统，所以使用时必须确定所选用的硬件和软件与所使用的PLC是兼容的。1.3.1 中央控制单元CPU CPU是PLC的“大脑”，通常由一个微处理器和一个存储器组成。微处理器实现逻辑处理和控制各模块间通信的功能，不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存由微处理器完成的逻辑操作的结果（程序产生的数据）。1.3.2
24、I/O模块 I/O系统构成了现场设备与控制器连接的接口，作用就是从使现场接收到的信号或送到现场的信号达到处理器的要求。输入(1nput)模块和输出(Output)模块简称为IO模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等过来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流、电压信号.开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制调
25、节阀、变频器等执行装置。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在IO模块中，用光耦合器、光电晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的内部电路和外部的IO电路，IO模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。1.3.3 编程器设备（或称编程终端） 编程设备用来向存储器中写入程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC
26、编程，或者用于现场调试和维护。 个人计算机（PC）是最常用的编程设备。使用编程软件可以在计算机的屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程和传送。1.3.4 电源 PLC一般使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块DC5V，12V，24V等直流电源。小型PLC一般都可以为输入电路和外部的电子传感器(如接近开关)提供24V直流电源，驱动PLC负载的直流电源一般由用户提供。1.4 PLC的工作原理1.4.1 继电器基
27、本控制 PLC是从继电器控制系统发展而来的，它的梯形图程序与继电器系统电路图相似，梯形图中的某些编程元件也沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器等等。这种用计算机程序实现的“欺继电器”，与继电器系统中的物理继电器在功能上有某些相似之处。由于以上原因，在介绍PLC的工作原理之前，首先简要介绍物理继电器的结构和工作原理。 继电器主要由电磁线圈、铁心、触点和复位弹簧组成。继电器有两种不同的触点，在线圈断电时处于断开状态的触点称为常开触点，处于闭合状态的触点称为常闭触点。当线圈通电时，电磁铁产生磁力，吸引衔铁，使常闭触点断开，常开触点闭合。线圈电流消失后，复位弹簧使衔铁返回原来的位置，常开触点
28、断开，常闭触点闭合。一只继电器可能有若干对常开触点和常闭触点。在继电器电路图中，一般用相同的由字母、数字组成的文字符号(如KA2)来标注同一个继电器的线圈和触点。 常用交流接触器控制异步电动机的主电路、控制电路和有关的波形图。接触器的结构和工作原理与继电器的基本相同，区别仅在于继电器触点的额定电流较小，而接触器是用来控制大电流负载的，例如它可以控制额定电流为几十安至几千安的异步电动机。按下起动按钮SBl，它的常开触点接通，电流经过SBl的常开触点和停止按钮SB2、作过载保护用的热继电器FR的常闭触点，流过交流接触器KM的线圈，接触器的衔铁被吸合，使主电路中的3对常开触点闭合，异步电动M的三相电
29、源被接通，电动机开始运行，控制电路中接触器KM的辅助常开触点同时接通。放开起动按钮后，SBl的常开触点断开，电流经KM的辅助常开触点和SB2、FR的常闭触点流过KM的线圈，电动机继续运行。KM的辅助常开触点实现的这种功能称为“自锁”或“自保持”，它使继电器电路具有类似于R-S触发器的记忆功能。在电动机运行时按停止按钮SB2，它的常闭触点断开，使KM的线圈失电，KM的主触点断开，异步电动机的三相电源被切断，电动机停止运行i同时控制电路中KM的辅助常开触点断开。当停止按钮SB2被放开，其常闭触点闭合后，KM的线圈仍然失电，电动机继续保持停止运行状态。常用高电平表示1状态(线圈通电、按钮被按下)，用
30、低电平表示0状态(线圈断电、按钮被放开)。“起动-保持-停止”电路，或简称为“起保停”电路控制电路在继电器系统和PLC的梯形图中被大量使用。 使用继电器电路或PLC的梯形图可以实现开关量的逻辑运算。在PLC的梯形图，梯形图中某些编程元件(如输出继电器和辅助继电器)的线圈“通电”时，其常开触点闭合，常闭触点断开，称该编程元件为1状态。当它们的线圈“断电时，其常开触点断开，常闭触点闭合，称该编程元件为0状态。X为输入逻辑变量，Y为输出逻辑变量。用继电器电路或梯形图可以实现基本逻辑运算，触点的串联可实现“与”运算，触点的并联可实现“或”运算，用常闭触点控制线圈可实现“非”运算。多个触点的串、并联电路
31、可以实现复杂的逻辑运算，例如继电器电路实现的逻辑运算可用逻辑代数表达式表示为KM=(SBI+KM)*SB2*FR，式中的加号表示逻辑或，乘号表示逻辑与，上画线表示“非”运算。1.4.2 PLC的替代 下面用一个简单的例子来进一步说明PLC的替代实现。假如有一图中给出了PLC的外部接线图和梯形图，起动按钮SB1停止按钮SB2和热继电器FR的常开触点分别接在编号为X0X2的PLC的输入端，交流接触器KM的线圈接在编号为Y0的PLC的输出端。图中有4个输入输出变量对应的IO映像寄存器，图中有PLC的梯形图，它应与所要求的继电器电路的功能相同。但是应注意，梯形图是一种软件，是PLC图形化的程序。图中的
32、X0等是梯形图中的编程元件，X0-X2是输入继电器，Y0是输出继电器。梯形图中的编程元件X0与接在输入端子X0的SBl的常开触点和输入映像寄存器X0相对应，编程元件Y0与输出映像寄存器Y0和接在输出端子Y0的PLC内部的输出电路相对应。梯形图以指令的形式储存在PLC的用户程序存储器中，图中的梯形图与下面的5条指令相对应，“；”之后是该指令的注释。LDX0：接在左侧母线上的X0的常开触点ORY0；与X0的常开触点并联的Y0的常开触点ANIX1；与并联电路串联的X1的常闭触点ANIX2；串联的X2的常闭触点OUTY0；Y0的线圈1.4.3 PLC的工作原理分析它的工作有两个要点：入出信息变换、可靠
33、物理实现。入出信息变换主要由运行存储于PLC内存中的程序实现。既有系统程序（这程序又称监控程序，或操作系统），又有用户程序。系统程序为用户程序提供编辑与运行平台，同时，还进行必要的公共处理，如自检，I/O刷新，与外设、上位计算机或其它PLC通讯等处理。用户程序由用户按照控制的要求进行设计。什么样的控制，就有什么样的用户程序。可靠物理实现主要通过输入（I，INPUT）及输出（O，OUTPUT）电路。I/O电路是很多的。一般讲，每一输入点或输出点就要有一个I或O电路。而且，总是把若干个这些电路集成在一个模块（或箱体）中，然后再由若干个模块（或箱体）集成为PLC完整的I/O系统（电路）。尽管这些模块
34、相当多，占了PLC体积的大部分，但由于它们都是由高度集成化的电路组成的，所以，PLC的体积还是不太大的。 输入电路时刻监视着输入点的（通、ON或断、OFF）状态，并将此状态暂存于它的输入暂存器（还可能有别的称谓）中。每一输入点都有一个与其对应的输入暂存器。输出电路有输出锁存器（还可能有别的称谓）。它也有两个状态，高、低电位状态，并可锁存。同时，它还有相应的物理电路，可把这个高、低电位的状态传送给输出点。每一输出点都有一个与其对应的输出锁存器。 这里的输入暂存器及输出锁存器实际是PLC的I/O电路的寄存器。它们与PLC内存交换信息通过PLCI/O总线及运行PLC的系统程序实现。把输入暂存器的信息
35、读到PLC的内存中，称输入刷新。PLC内存有专门开辟的存放输入信息的映射区。这个区的每一对应位（bit）称为输入继电器，或称软接点，或称为过程映射输入寄存器（theprocess-imageinputregister）。这些位（bit）置成1，表示接点通，置成0为接点断。由于它的状态是由输入刷新得到的，所以，它反映的就是输入点的状态。输出锁存器与PLC内存中的输出映射区也是对应的。一个输出锁存器也有一个内存位（bit）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈，或称为过程映射输出寄存器（theprocess-imageoutputregister）。通过PLCI/O总线及运行系统程序，输出继
36、电器的状态将映射给输出锁存器。这个映射的完成也称输出刷新。PLC除了有可接收开关信号的输入电路，有时，还有可接收模拟信号的输入电路（称模拟量输入单元或模块）。只是后者先要进行模、数转换，然后，再把转换后的数据存入PLC相应的内存单元中。如要产生模拟量输出，则要配有模拟输出电路（称模拟量输出模块或单元）。靠它对PLC相应的内存单元的内容进行数、模转换，并产生输出。这样，用户所要编的程序只是，PLC输入有关的内存区到输出有关的内存区的变换。这是一个数据及逻辑处理问题。由于PLC有强大的指令系统，编写出满足这个要求的程序是完全可能的。简单地说，PLC工作过程是：输入刷新-运行用户程序-输出刷新，再输
37、入刷新-再运行用户程序-再输出刷新永不停止地循环反复地进行着。 有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监视得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响应的时间上，略有滞后。图1-7所示的是简化的过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用户程序，还要做些其它的公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监视、外设服务及通讯处理等。监视循环时间的目的是
38、避免用户程序“死循环”，保证PLC能正常工作。为避免用户程序“死循环”的办法是用“看门狗”（Watchingdog）。具体的是设一个定时器，监测用户程序的运行时间，只要循环超时，即报警，或作相应处理。外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备输出数据。通讯处理是实现与计算机，或与其它PLC，或与智能操作器、传感器进行信息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理I/O刷新运行用户程序再公共处理反复不停地重复着。此外，PLC上电后，也要进行系统自检及内存的初始化工作，为PLC的正常运行做好准备。用这种不断地重复运行程序以实现控制，称扫
39、描方式工作。是PLC基本的工作方式。此外，为了应对紧急任务，PLC还有中断工作方式。在中断方式下，需处理的任务先申请中断，被响应后停止正运行的程序，转而去处理中断工作（运行有关中断的服务程序）。待处理完中断，又返回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。PLC的中断方式的任务，或称事件，是分等级的。同时出现两个或多个中断事件，则优先级高的先处理，继而处理低的。直到全部处理完中断任务，再转为执行扫描程序。PLC对大量控制都用扫描方式工作，而对个别急需的处理，则用中断方式。这样，既可做到所有的控制都能照顾到，而个别应急的任务也能及时进行处理。当然，PLC的实际工
40、作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。但如果能弄清上面介绍的思路，也就好把握住PLC的基本原理了。以下是对图1-5的PLC工作原理的分析：在输入处理阶段，CPU将SBl，SB2和FR的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数l，反之存入0。执行第l条指令时，从X0对应的输入映像寄存器中取出二进制数并保存起来。执行第2条指令时，取出Y0对应的输出映像寄存器中的二进制数，与X0对应的二进制数相“或”(电路的并联对应“或”运算)。执行第3条或第4条指令时，分别取出xl或X2对应的输入映像寄存器中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的
41、运算结果相“与”(电路的串联对应“与”运算)，然后存入运算结果寄存器。执行第5条指令时，将运算结果寄存器中的二进制数送入Y0对应的输出映像寄存器。在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果Y0对应的输出映像寄存器存放的是二进制数1，外接的KM的线圈将通电，反之将断电。如果读入输入映像寄存器X0X2的均为二进制数0，在程序执行阶段，经过上述逻辑运算过程之后，运算结果仍为Y0=0，所以KM的线圈处于断电状态。按下起动按钮SBl，X0变为l状态，经逻辑运算后Y0变为1状态，在输出处理阶段，将Y0对应的输出映像寄存器中的1送到输出模块，PLC内Y0对应的物理继电
42、器的常开触点接通，接触器KM的线圈通电。1.4.4 输入/输出滞后时间 输入/输出滞后时间又称系统响应时问，是指PLC部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms，负载由通电
43、到断电时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms以下；由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达两个多扫描周期。PLC总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLC或采取其他措施。1.5 PLC的特点 从讨论PLC的工作原理知，PLC的输入与输出在物理上是彼此隔开的，其间的联系主要不是靠物理过程，不是用线路，而主要靠变换信息的程序实现。输入输出主要为软联系，而不是硬联系。它的工作基础是信息流，而不是物流、能量流。信息不同于物质与能量，有自身的规律。信息便于处理，便于传递，便于存储；信息可反复
44、重用，重用后自身还不消失，等等。正是由于信息的这些特点，决定了PLC的基本特点。归纳起来，除了功能丰富，PLC还有以下特点：（1)工作可靠: 用PLC实现对系统的控制是非常可靠的。这是因为PLC在硬件与软件两个方面都采取了很多非常有效的根本性措施：在硬件方面：对输入信号多作了滤波。而且，输入输出电路与内部CPU是电隔离。其信息靠光耦器件或电磁器件传递。同时，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施，可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁干扰。有很多这样的实例，原来是用计算机的采集卡采集数据，因干扰大而无法正常工作，而改换用PLC后，则顿即可正常工作。PLC使用的元器件多为无触点的，而且为高度集成的，数
45、量并不太多，也为其可靠工作提供了物质基础。而且，所用的元、器件都经严格监测、老化与筛选，质量是有可靠保证的。其输出用的继电器虽为接点的，但它的接点是在密封的真空条件下，故其寿命也可达几十万次。在机械结构设计与制造工艺上，为使PLC能安全可靠地工作，也采取了很多措施，可确保PLC耐振动、耐冲击。使用环境温度可高达摄氏50多度，有的PLC可高达100。有的在低温，低到零下40、50度，还可正常工作。有的PLC的模块可热备，一个模块工作，另一个模块也运转，但不参与控制仅作备份。一旦工作模块出现故障，热备份的可自动接替其工作。还有更进一步冗余的，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其
46、中的部分冗余。三套同时工作，最终输出取决于三者中的多数决定的结果。这可使系统出故障的机率几乎为零，做到万无一失。当然，这样的系统成本是很高的，只用于特别重要的场合，如铁路车站的道叉控制系统。在软件方面： PLC的工作方式一般为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，其控制总是确定的；而且又能应急处理急于处理的控制，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠地工作。为监控PLC运行程序是否正常，PLC系统都设置了“看门狗”（Watchingdog）监控程序。运行用户程序开始时，先清“看门狗”定时器，并开始计时。当用户程序一个循环运行完了，则查看定时器的计时值。若超时（可设定，一般不超过100
47、ms），则报警。严重超时，还可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。若定时器的计时值不超时，则重复起始的过程，PLC将正常工作。显然，有了这个“看门狗”监控程序，可保证PLC用户程序的正常运行，避免出现“死循环”而影响其工作的可靠性。PLC还有很多防止及检测故障的指令，以产生各重要模块工作正常与否的提示信号。可通过编制相应的用户程序，对PLC的工作状况，以及PLC所控制的系统进行监控，以确保其可靠工作。PLC每次上电后，还都要运行自检程序及对系统进行初始化。这是系统程序（操作系统）配置了的，用户可不干预。出现故障时有相应的出错信号提示。正是PLC在软、硬件诸方面有强有力的可靠性
48、措施，才确保了PLC具有可靠工作的特点。它的平均无故障时间可达几万小时以上；出了故障平均修复时间也很短，几小时以至于几分钟即可。曾有人做过为什么要使用PLC的问卷调查。在回答中，多数用户把PLC工作可靠作为选用它的主要原因，即把PLC能可靠工作，作为它的首选指标。多年使用PLC的经验也说明，PLC工作是非常可靠的。正使用的PLC往往不是由于用坏而被淘汰，而往往是由于PLC技术发展太快，由于技术落后而被淘汰。（2) 使用方便:用PLC实现对系统的控制是非常方便的。这是因为：首先PLC控制逻辑的建立是程序，用程序代替硬件接线。编程序比接线，更改程序比更改接线，当然要方便得多!其次PLC的硬件是高度集成化的，已集成为种种小型化的箱体或模块
