作者：向晓汉 主编 向定汉 副主编
出版社：化学工业出版社
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欧姆龙CP1L／1H系列PLC完全精通教程试读：
前言
随着计算机技术的发展，以可编程控制器、变频器调速和计算机通信等技术为主体的新型电气控制系统已经逐渐取代传统的继电器电气控制系统，并广泛应用于各行业。由于欧姆龙PLC进入中国市场较早，而且有一部分忠实的用户，特别是欧姆龙的CP1系列PLC，其功能相对强大，且具有很高的性价比，因此在工控市场占有较大的份额，应用广泛。本书将力求尽可能详略得当，用较多的小例子引领读者入门，让读者读完入门部分后，能完成简单的工程。应用部分精选工程的实际案例，供读者模仿学习，提高读者解决实际问题的能力。为了使读者能更好地掌握相关知识，笔者在总结长期的教学经验和工程实践的基础上，联合相关企业人员，共同编写了本书，力争使读者通过看书就能学会CP1系列PLC。
本书在编写过程中，将一些生动的操作实例融入书中，以提高读者的学习兴趣。本书具有以下特点。（1）用实例引导读者学习。该书的大部分章节用精选的例子讲解，而且相当部分程序实例为笔者原创。（2）重点的例子都包含软硬件的配置方案图、接线图和程序，而且为确保程序的正确性，程序已经在PLC上运行通过。（3）对于比较复杂的例子，随书光盘中附有程序源代码，供读者学习使用。（4）本书比较实用，实例容易被读者进行工程移植。
本书由向晓汉任主编，向定汉任副主编、陆金荣审稿，其中第1章由无锡雪浪输送机厂的刘摇摇编写；第2章由无锡雪浪输送机厂王飞飞编写；第3章由无锡汉德生自动化有限公司孙腾飞编写；第4、7章由桂林电子科技大学的向定汉编写；第5、6、10章由无锡职业技术学院的向晓汉编写；第8章由无锡雷华科技有限公司的陆彬编写；第9章由无锡雷华科技有限公司的欧阳慧编写。另外，李润海、郑贞平和林伟参与了本书的整理工作。
由于笔者水平有限，本书不足之处在所难免，敬请读者批评指正。编者
第1章 可编程控制器（PLC）基础
本章介绍可编程控制器的历史、功能、特点、应用范围、发展趋势、在我国的使用情况、结构和工作原理等知识，使读者初步了解可编程控制器，这是学习本书后续内容的必要准备。1.1 概述
可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，国际电工委员会（IEC）于1985年对可编程控制器作了如下定义：“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、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程”。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充功能的原则设计。PLC是一种工业计算机，其种类繁多，不同厂家的产品有各自的特点，但作为工业标准设备，可编程控制器又有一定的共性。1.1.1 PLC的发展历史
20世纪60年代以前，汽车生产线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。当时每次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装，福特汽车公司的老板曾经说，无论顾客需要什么样的汽车，福特的汽车永远是黑色的。从侧面反映汽车改型和升级换代比较困难。为了改变这一现状，1969年，美国的通用汽车公司（GM）公开招标，要求用新的装置取代继电器控制装置，并提出十项招标指标，要求编程方便、现场可修改程序、维修方便、采用模块化设计、体积小、可与计算机通信等。同一年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14，在美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器从此诞生。由于当时的PLC只能取代继电器接触器控制，功能仅限于逻辑运算、计时、计数等，所以称为“可编程逻辑控制器”。伴随着微电子技术、控制技术与信息技术的不断发展，可编程控制器的功能不断增强。美国电气制造商协会（NEMA）于1980年正式将其命名为“可编程控制器”，简称PC，由于这个名称和个人计算机的简称相同，容易混淆，因此在我国，很多人仍然习惯称可编程控制器为PLC。
由于PLC具有易学易用、操作方便、可靠性高、体积小、通用灵活和使用寿命长等一系列优点，因此，很快PLC就在工业中得到了广泛的应用。同时，这一新技术也受到其他国家的重视。1971年日本引进这项技术，很快研制出日本第一台PLC，欧洲于1973年研制出第一台PLC，我国从1974年开始研制，1977年国产PLC正式投入工业应用。
进入20世纪80年代以来，随着电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到快速发展（例如GE的RX7i，使用的是赛扬CPU，其主频达1GHz，其信息处理能力几乎和个人电脑相当），使得PLC在设计、性能价格比以及应用方面有了突破，不仅控制功能增强，功耗和体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且随着远程I/O和通信网络、数据处理和图像显示的发展，已经使得PLC普遍用于控制复杂生产过程。PLC已经成为工厂自动化的三大支柱之一。1.1.2 PLC的主要特点
PLC之所以高速发展，除了工业自动化的客观需要外，还有许多适合工业控制的独特的优点，它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题，其主要特点如下。（1）抗干扰能力强，可靠性高
在传统的继电器控制系统中，使用了大量的中间继电器、时间继电器，由于器件的固有缺点，如器件老化、接触不良、触点抖动等现象，大大降低了系统的可靠性。而在PLC控制系统中大量的开关动作由无触点的半导体电路完成，因此故障大大减少。
此外，PLC的硬件和软件方面采取了措施，提高其可靠性。在硬件方面，所有的I/O接口都采用了光电隔离，使得外部电路与PLC内部电路实现了物理隔离。各模块都采用了屏蔽措施，以防止辐射干扰。电路中采用了滤波技术，以防止或抑制高频干扰。在软件方面，PLC具有良好的自诊断功能，一旦系统的软硬件发生异常情况，CPU会立即采取有效措施，以防止故障扩大。通常PLC具有看门狗功能。
对于大型的PLC系统，还可以采用双CPU构成冗余系统或者三CPU构成表决系统，使系统的可靠性进一步提高。（2）程序简单易学，系统的设计调试周期短
PLC是面向用户的设备，PLC的生产厂家充分考虑到现场技术人员的技能和习惯，可采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。梯形图与继电器原理图很相似，直观、易懂、易掌握，不需要学习专门的计算机知识和语言。设计人员可以在设计室设计、修改和模拟调试程序，非常方便。（3）安装简单，维修方便
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。（4）采用模块化结构，体积小，重量轻
为了适应工业控制需求，除了整体式PLC外，绝大多数PLC采用模块化结构。PLC的各部件，包括CPU、电源、I/O等都采用模块化设计。此外，PLC相对于通用工控机，其体积和重量要小得多。（5）丰富的I/O接口模块，扩展能力强
PLC针对不同的工业现场信号（如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等）有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备（如按钮、行程开关、接近开关、传感器及变送器、电磁线圈、控制阀等）直接连接。另外，为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块，为了组成工业局部网络，它还有多种通信联网的接口模块等。1.1.3 PLC的应用范围
目前，PLC在国内外已广泛应用于专用机床、机床、控制系统、自动化楼宇、钢铁、石油、化工、电力、建材、汽车、纺织机械、交通运输、环保以及文化娱乐等各行各业。随着PLC性能价格比的不断提高，其应用范围还将不断扩大，其应用场合可以说是无处不在，具体应用大致可归纳为如下几类。（1）顺序控制
这是PLC最基本、最广泛应用的领域，它取代传统的继电器顺序控制，PLC用于单机控制、多机群控制、自动化生产线的控制。例如数控机床、注塑机、印刷机械、电梯控制和纺织机械等。（2）计数和定时控制
PLC为用户提供了足够的定时器和计数器，并设置相关的定时和计数指令，PLC的计数器和定时器精度高、使用方便，可以取代继电器系统中的时间继电器和计数器。（3）位置控制
大多数的PLC制造商，目前都提供拖动步进电动机或伺服电动机的单轴或多轴位置控制模块，这一功能可广泛用于各种机械，如金属切削机床、装配机械等。（4）模拟量处理
PLC通过模拟量的输入/输出模块，实现模拟量与数字量的转换，并对模拟量进行控制，有的还具有PID控制功能。例如用于锅炉的水位、压力和温度控制。（5）数据处理
现代的PLC具有数学运算、数据传递、转换、排序和查表等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。（6）通信联网
PLC的通信包括PLC相互之间、PLC与上位计算机、PLC和其他智能设备之间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化系统的需要。1.1.4 PLC的分类与性能指标（1）PLC的分类
①从组成结构形式分类 可以将PLC分为两类：一类是整体式PLC（也称单元式），其特点是电源、中央处理单元、I/O接口都集成在一个机壳内；另一类是标准模板式结构化的PLC（也称组合式），其特点是电源模板、中央处理单元模板、I/O模板等在结构上是相互独立的，可根据具体的应用要求，选择合适的模块，安装在固定的机架或导轨上，构成一个完整的PLC应用系统。
②按I/O点容量分类
a.小型PLC。小型PLC的I/O点数一般在128以下。较为常见的有欧姆龙的CP1系列PLC、三菱的FX系列PLC和西门子的S7-200系列PLC等。
b.中型PLC。中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般在256～1024之间。较为常见的有西门子的S7-300系列PLC和GE的RX3i系列等。
c.大型PLC。一般I/O点数在1024以上的称为大型PLC。较为常见的有西门子的S7-400系列PLC和GE的RX7i系列等。（2）PLC的性能指标
各厂家的PLC虽然各有特色，但其主要性能指标是相同的。
①输入/输出（I/O）点数 输入/输出（I/O）点数是最重要的一项技术指标，是指PLC的面板上连接外部输入、输出端子数，常称为“点数”，用输入与输出点数的和表示。点数越多表示PLC可接入的输入器件和输出器件越多，控制规模越大。点数是PLC选型时最重要的指标之一。
②扫描速度 扫描速度是指PLC执行程序的速度。以ms/K为单位，即执行1K步指令所需的时间。1步占1个地址单元。
③存储容量 存储容量通常用K字（KW）或K字节（KB）、K位来表示。这里1K=1024。有的PLC用“步”来衡量，一步占用一个地址单元。存储容量表示PLC能存放多少用户程序。例如，三菱型号为FX2N-48MR的PLC存储容量为8000步。有的PLC的存储容量可以根据需要配置，有的PLC的存储器可以扩展。
④指令系统 指令系统表示该PLC软件功能的强弱。指令越多，编程功能就越强。
⑤内部寄存器（继电器） PLC内部有许多寄存器用来存放变量、中间结果、数据等，还有许多辅助寄存器可供用户使用。因此寄存器的配置也是衡量PLC功能的一项指标。
⑥扩展能力 扩展能力是反映PLC性能的重要指标之一。PLC除了主控模块外，还可配置实现各种特殊功能的高功能模块。例如A/D模块、D/A模块、高速计数模块、远程通信模块等。1.1.5 PLC与继电器系统的比较
在PLC出现以前，继电器硬接线电路是逻辑、顺序控制的唯一执行者，它结构简单、价格低廉，一直被广泛应用。PLC出现后，几乎所有的方面都超过继电器控制系统，两者的性能比较见表1-1。表1-1 可编程控制器与继电器控制系统的比较1.1.6 PLC与微机的比较
采用微电子技术制造的可编程控制器与微机一样，也由CPU、ROM（或者FLASH）、RAM、I/O接口等组成，但又不同于一般的微机，可编程控制器采用了特殊的抗干扰技术，是一种特殊的工业控制计算机，更加适合工业控制。两者的性能比较见表1-2。表1-2 PLC与微机的比较1.1.7 PLC的发展趋势
①向高性能、高速度、大容量发展。
②网络化。强化通信能力和网络化，向下将多个可编程控制器或者多个I/O框架相连；向上与工业计算机、以太网等相连，构成整个工厂的自动化控制系统。即便是微型的S7-200系列PLC也能组成多种网络，通信功能十分强大。
③小型化、低成本、简单易用。目前，有的小型PLC的价格只有几百元人民币。
④不断提高编程软件的功能。编程软件可以对PLC控制系统的硬件组态，在屏幕上可以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。程序可以下载、存盘和打印，通过网络或电话线，还可以实现远程编程。
⑤适合PLC应用的新模块。随着科技的发展，对工业控制领域将提出更高、更特殊的要求，因此，必须开发特殊功能模块来满足这些要求。
⑥PLC的软件化与PC化。目前已有多家厂商推出了在PC上运行的可实现PLC功能的软件包，也称为“软PLC”，“软PLC”的性能价格比比传统的“硬PLC”更高，是PLC的一个发展方向。
PC化的PLC类似于PLC，但它采用了PC的CPU，功能十分强大，如GE的RX7i和RX3i使用的就是工控机用的赛扬CPU，主频已经达到1GHz。1.1.8 PLC的品牌（1）国外PLC品牌
目前PLC在我国得到了广泛的应用，很多知名厂家的PLC在我国都有应用。
①美国是PLC生产大国，有100多家PLC生产厂家。其中A-B公司的PLC产品规格比较齐全，主推大中型PLC，主要产品系列是PLC-5。通用电气也是知名PLC生产厂商，大中型PLC产品系列有RX3i和RX7i等。德州仪器也生产大、中、小全系列PLC产品。
②欧洲的PLC产品也久负盛名。德国的西门子公司、AEG公司和法国的TE（施耐德）公司都是欧洲著名的PLC制造商。其中西门子公司的PLC产品与美国A-B公司的PLC产品齐名。
③日本的小型PLC具有一定的特色，性价比较高，比较有名的品牌有三菱、欧姆龙、松下、富士、日立和东芝等，在小型机市场，日系PLC的市场份额曾经高达70%。（2）国产PLC品牌
我国自主品牌的PLC生产厂家有30余家。在目前已经上市的众多PLC产品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品，甚至还有一部分是以仿制、来件组装或“贴牌”方式生产。单从技术角度来看，国产小型PLC与国际知名品牌小型PLC差距正在缩小，使用越来越多。例如和利时、深圳汇川和无锡信捷等公司生产的微型PLC已经比较成熟，其可靠性在许多低端应用中得到了验证，逐渐被用户认可，但其知名度与世界先进水平还有一定的差距。
总的来说，我国使用的小型可编程控制器主要以日本和国产的品牌为主，而大中型可编程控制器主要以欧美的品牌为主。目前大部分PLC市场被国外品牌所占领。1.2 可编程控制器的结构和工作原理1.2.1 可编程控制器的硬件组成
可编程控制器种类繁多，但其基本结构和工作原理相同。可编程控制器的功能结构区由CPU（中央处理器）、存储器和输入模块/输出模块三部分组成，如图1-1所示。图1-1 可编程控制器结构框图（1）CPU（中央处理器）
CPU的功能是完成PLC内所有的控制和监视操作，一般由控制器、运算器和寄存器组成。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储器、输入/输出接口电路连接。（2）存储器
在PLC中使用两种类型的存储器：一种是只读类型的存储器，如EPROM和EEPROM；另一种是可读/写的随机存储器RAM。PLC的存储器分为5个区域，如图1-2所示。图1-2 存储器的区域划分
程序存储器的类型是只读存储器（ROM），PLC的操作系统存放在这里，程序由制造商固化，通常不能修改。有的PLC厂商对部分PLC产品（如西门子的S7-1200和S7-200 SMART）提供操作系统升级服务。存储器中的程序负责解释和编译用户编写的程序、监控I/O口的状态、对PLC进行自诊断、扫描PLC中的程序等。系统存储器属于随机存储器（RAM），主要用于存储中间计算结果和数据、系统管理，有的PLC厂家用系统存储器存储一些系统信息，如错误代码等，系统存储器不对用户开放。I/O状态存储器属于随机存储器，用于存储I/O装置的状态信息，每个输入模块和输出模块都在I/O映像表中分配一个地址，而且这个地址是唯一的。数据存储器属于随机存储器，主要用于数据处理功能，为计数器、定时器、算术计算和过程参数提供数据存储。有的厂家将数据存储器细分为固定数据存储器和可变数据存储器。用户存储器，其类型可以是随机存储器、可擦除存储器（EPROM）和电擦除存储器（EEPROM），高档的PLC还可以用FLASH。用户存储器主要用于存放用户编写的程序。存储器的关系如图1-3所示。图1-3 存储器的关系
只读存储器可以用来存放系统程序，PLC断电后再上电，系统内容不变且重新执行。只读存储器也可用来固化用户程序和一些重要参数，以免因偶然操作失误而造成程序和数据的破坏或丢失。随机存储器中一般存放用户程序和系统参数。当PLC处于编程工作时，CPU从RAM中取指令并执行。用户程序执行过程中产生的中间结果也在RAM中暂时存放。RAM通常由CMOS型集成电路组成，功耗小，但断电时内容消失，所以一般使用大电容或后备锂电池保证掉电后PLC的内容在一定时间内不丢失。（3）输入模块/输出模块
可编程控制器的输入和输出信号可以是开关量或模拟量。输入/输出接口是PLC内部弱电（low power）信号和工业现场强电（high power）信号联系的桥梁。输入/输出接口主要有两个作用，一是利用内部的电隔离电路将工业现场和PLC内部进行隔离，起保护作用；二是调理信号，可以把不同的信号（如强电、弱电信号）调理成CPU可以处理的信号（5V、3.3V或2.7V等），如图1-4所示。图1-4 输入/输出接口1
输入/输出接口模块是PLC系统中最大的部分，通常需要电源，输入电路的电源可以由外部提供，对于模块化的PLC还需要背板（安装机架）。
①输入接口电路 输入接口电路的组成和作用。输入接口电路由接线端子、输入调理和电平转换电路、状态显示电路、电隔离电路和多路选择开关模块组成，如图1-5所示。现场的信号必须连接在输入端子才可能将信号输入到CPU中，它提供了外部信号输入的物理接口；调理和电平转换电路十分重要，可以将工业现场的信号（如强电220V AC信号）转化成电信号（CPU可以识别的弱电信号）；电隔离电路主要利用电隔离器件将工业现场的机械或者电输入信号和PLC的CPU的信号隔开，它能确保过高的电干扰信号和浪涌不串入PLC的微处理器，起保护作用，有三种隔离方式，用得最多的是光电隔离、其次是变压器隔离和干簧继电器隔离；当外部有信号输入时，输入模块上有指示灯显示，这个电路比较简单，当线路中有故障时，它帮助用户查找故障，由于氖灯或LED灯的寿命比较长，因此这个灯通常是氖灯或LED灯；多路选择开关接受调理完成的输入信号，并存储在多路开关模块中，当输入循环扫描时，多路开关模块中信号输送到I/O状态寄存器中。输入接口的内部电路如图1-6所示。图1-5 输入接口的结构图1-6 输入接口的内部电路关键点从图1-6可以看到：数字量输入回路有光电隔离，所以一般数字量输入回路只要不把较大的电压（如交流110V）误接入电路，错误的接线通常不会造成输入回路的烧毁。但模拟量输入回路一般不设计光电隔离，所以在接线要特别注意，不能短路，否则容易烧毁通道。
输入信号的设备的种类。输入信号可以是离散信号和模拟信号。当输入端是离散信号时，输入端的设备类型可以是限位开关、按钮、压力继电器、继电器触点、接近开关、选择开关、光电开关等，如图1-7所示。当输入为模拟量输入时，输入设备的类型可以是压力传感器、温度传感器、流量传感器、电压传感器、电流传感器、力传感器等。图1-7 输入/输出接口2
②输出接口电路 输出接口电路的组成和作用。如图1-7所示为输入/输出接口2。输出接口电路由多路选择开关模块、信号锁存器、电隔离电路、状态显示电路、输出电平转换电路和接线端子组成，如图1-8所示。在输出扫描期间，多路选择开关模块接受来自映像表中的输出信号，并对这个信号的状态和目标地址进行译码，最后将信息送给锁存器；信号锁存器是将多路选择开关模块的信号保存起来，直到下一次更新；输出接口的电隔离电路作用和输入模块的一样，但是由于输出模块输出的信号比输入信号要强得多，因此要求隔离电磁干扰和浪涌的能力更高；输出电平转换电路将隔离电路送来的信号放大成足够驱动现场设备的信号，放大器件可以是双向晶闸管、三极管和干簧继电器等；输出端的接线端子用于将输出模块与现场设备相连接。图1-8 输出接口的结构
可编程控制器有三种输出接口形式：继电器输出、晶体管输出和晶闸管输出形式。继电器输出形式的PLC的负载电源可以是直流电源或交流电源，但其输出响应频率较慢，其内部电路如图1-9所示。晶体管输出的PLC负载电源是直流电源，其输出响应频率较快，其内部电路如图1-10所示。晶闸管输出形式的PLC的负载电源是交流电源，欧姆龙CP1L系列PLC的CPU模块暂时还没有晶闸管输出形式的产品出售，但三菱FX系列有这种产品。选型时要特别注意PLC的输出形式。图1-9 继电器输出内部电路图1-10 晶体管输出内部电路
输出信号的设备的种类。输出信号可以是离散信号和模拟信号。当输出端是离散信号时，输出端的设备类型可以是电磁阀的线圈、电动机启动器、控制柜的指示器、接触器线圈、LED灯、指示灯、继电器线圈、报警器和蜂鸣器等，如图1-7所示。当输出为模拟量输出时，输出设备的类型可以是流量阀、AC驱动器（如交流伺服驱动器）、DC驱动器、模拟量仪表、温度控制器和流量控制器等。关键点PLC的继电器型输出虽然响应速度慢，但其驱动能力强，一般为2A，这是继电器型输出PLC的一个重要的优点。有的特殊型号的PLC，如西门子的某些型号驱动能力可达5A和10A，能直接驱动接触器。此外，从图1-9可以看出继电器型输出形式的PLC，对于一般的误接线，一般不会引起PLC内部器件的烧毁（高于交流220V电压是不允许的）。因此，继电器输出形式是选型时的首选，在工程实践中，用得比较多。晶体管输出的PLC的输出电流一般小于1A，欧姆龙的CP1L的输出电流是0.3A，这个电流输出的驱动能力相对较小。此外，图1-10可以看出晶体管型输出形式的PLC，对于一般的误接线，可能会引起PLC内部器件的烧毁，所以要特别注意。【例1-1】 某学生按如图1-11所示接线，之后按下SB1、SB2和SB3按钮，发现输入端的指示灯没有显示，PLC中没有程序，但灯HL常亮，接线没有错误，+24V电源也正常。学生的分析是输入和输出接口烧毁，请问学生的分析是否正确。图1-11 例1-1接线图【解】 分析如下。
①一般输入端口不会烧毁，因为输入接口电路有光电隔离电路保护，除非有较大电压（如交流220V）的误接入，而且烧毁输入接口一般也不会所有的接口同时烧毁。经过检查，发现输入侧的接线端子COM是“虚接”，压紧此接线端子后，输入端恢复正常。
②误接线容易造成晶体管输出回路的器件烧毁，晶体管的击穿会造成回路导通，从而造成灯HL常亮。1.2.2 可编程控制器的工作原理
PLC是一种存储程序的控制器。用户根据某一对象的具体控制要求，编制好控制程序后，用编程器将程序输入到PLC（或用计算机下载到PLC）的用户程序存储器中寄存。PLC的控制功能就是通过运行用户程序来实现的。
PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。而PLC从0号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序逐条执行用户程序，直到END指令结束。然后从头开始执行，并周而复始地重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。把PLC这种执行程序的方式称为扫描工作方式。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期。另外，PLC对输入、输出信号的处理与微型计算机不同。微型计算机对输入、输出信号实时处理，而PLC对输入、输出信号是集中批处理。下面具体介绍PLC的扫描工作过程。其运行和信号处理示意如图1-12所示。图1-12 PLC内部运行和信号处理示意
PLC扫描工作方式主要分为三个阶段：输入扫描、程序执行、输出刷新。（1）输入扫描
PLC在开始执行程序之前，首先扫描输入端子，按顺序将所有输入信号，读入到寄存器-输入状态的输入映像寄存器中，这个过程称为输入扫描。PLC在运行程序时，所需的输入信号不是现时取输入端子上的信息，而是取输入映像寄存器中的信息。在本工作周期内这个采样结果的内容不会改变，只有到下一个扫描周期输入扫描阶段才被刷新。PLC的扫描速度很快，取决于CPU的时钟速度。（2）程序执行
PLC完成了输入扫描工作后，按顺序从0号地址开始的程序进行逐条扫描执行，并分别从输入映像寄存器、输出映像寄存器以及辅助继电器中获得所需的数据进行运算处理。再将程序执行的结果写入输出映像寄存器中保存。但这个结果在全部程序未被执行完毕之前不会送到输出端子上，也就是物理输出是不会改变的。扫描时间取决于程序的长度、复杂程度和CPU的功能。（3）输出刷新
在执行到END指令，即执行完用户所有程序后，PLC上将输出映像寄存器中的内容送到输出锁存器中进行输出，驱动用户设备。扫描时间取决于输出模块的数量。
从以上的介绍可以知道，PLC程序扫描特性决定了PLC的输入和输出状态并不能在扫描的同时改变，例如一个按钮开关的输入信号的输入刚好在输入扫描之后，那么这个信号只有在下一个扫描周期才能被读入。
扫描周期。上述三个步骤是PLC的软件处理过程，可以认为就是程序扫描时间。扫描时间通常由三个因素决定：一是CPU的时钟速度，越高档的CPU，时钟速度越快，扫描时间越短；二是I/O模块的数量，模块数量越少，扫描时间越短；三是程序的长度，程序长度越短，扫描时间越短。一般的PLC执行容量为1K的程序需要的扫描时间是1～10ms。1.2.3 可编程控制器的立即输入、输出功能
比较高档的PLC都有立即输入、输出功能。（1）立即输出功能
所谓立即输出功能就是输出模块在处理用户程序时，能立即被刷新。PLC临时挂起（中断）正常运行的程序，将输出映像表中的信息输送到输出模块，立即进行输出刷新，然后回到程序中继续运行，立即输出过程如图1-13所示。注意，立即输出功能并不能立即刷新所有的输出模块。图1-13 立即输出过程（2）立即输入功能
立即输入适用于要求对反应速度很严格的场合，例如几毫秒的时间对于控制来说十分关键的情况下。立即输入时，PLC立即挂起正在执行的程序，扫描输入模块，然后更新特定的输入状态到输入映像表，最后继续执行剩余的程序，立即输入过程如图1-14所示。图1-14 立即输入过程1.3 接近开关
接近开关和PLC并无本质联系，但后续章节经常用到，所以以下将对此内容进行介绍。对此熟悉的读者可以跳过。
接近式位置开关是与（机器的）运动部件无机械接触而能操作的位置开关。当运动的物体靠近开关到一定位置时，开关发出信号，达到行程控制及计数自动控制的开关。也就是说，它是一种非接触式无触点（触头）的位置开关，是一种开关型的传感器，简称接近开关（Proximity Sensors），又称接近传感器，外形如图1-15所示。接近式开关有行程开关、微动开关的特性，又有传感性能，而且动作可靠，性能稳定，频率响应快，使用寿命长，抗干扰能力强等。它由感应头、高频振荡器、放大器和外壳组成。常见的接近开关有LJ、CJ和SJ等系列产品。接近开关的外形如图1-15所示，其图形符号如图1-16（a）所示，图1-16（b）所示为接近开关文字符号，表明接近开关为电容式接近开关，在画图时更加适用。图1-15 接近开关图1-16 接近开关的图形及文字符号1.3.1 接近开关的功能
当运动部件与接近开关的感应头接近时，就使其输出一个电信号。接近开关在电路中的作用与行程开关相同，都是位置开关，起限位作用，但两者是有区别的：行程开关有触头，是接触式的位置开关；而接近开关是无触头的，是非接触式的位置开关。1.3.2 接近开关的分类和工作原理
按照工作原理区分，接近开关分为电感式、电容式、光电式和磁感式等形式。另外，根据应用电路电流的类型分为交流型和直流型。
①电感式接近开关的感应头是一个具有铁氧体磁芯的电感线圈，只能用于检测金属体，在工业中应用非常广泛。振荡器在感应头表面产生一个交变磁场，当金属快接近感应头时，金属中产生的涡流吸收了振荡的能量，使振荡减弱以至停振，因而产生振荡和停振两种信号，经整形放大器转换成二进制的开关信号，从而起到“开”、“关”的控制作用。通常把接近开关刚好动作时感应头与检测物体之间的距离称为动作距离。
②电容式接近开关的感应头是一个圆形平板电极，与振荡电路的地线形成一个分布电容，当有导体或其他介质接近感应头时，电容量增大而使振荡器停振，经整形放大器输出电信号。电容式接近开关既能检测金属，又能检测非金属及液体。电容式传感器体积较大，而且价格要贵一些。
③磁感式接近开关主要指霍尔接近开关，霍尔接近开关的工作原理是霍尔效应，当带磁性的物体靠近霍尔开关时，霍尔接近开关的状态翻转（如由“ON”变为“OFF”）。有的资料上将干簧继电器也归类为磁性接近开关。
④光电式传感器是根据投光器发出的光，在检测体上发生光量增减，用光电变换元件组成的受光器检测物体有无、大小的非接触式控制器件。光电式传感器的种类很多，按照其输出信号的形式，可以分为模拟式、数字式、开关量输出式。
利用光电效应制成的传感器称为光电式传感器。光电式传感器的种类很多，其中，输出形式为开关量的传感器为光电式接近开关。
光电式接近开关主要由光发射器和光接收器组成。光发射器用于发射红外光或可见光。光接收器用于接收发射器发射的光，并将光信号转换成电信号，以开关量形式输出。
按照接收器接收光的方式不同，光电式接近开关可以分为对射式、反射式和漫射式3种。光发射器和光接收器有一体式和分体式两种形式。
⑤此外，还有特殊种类的接近开关，如光纤接近开关和气动接近开关。特别是光纤接近开关在工业上使用越来越多，它非常适合在狭小的空间、恶劣的工作环境（高温、潮湿和干扰大）、易爆环境、精度要求高等条件下使用。光纤接近开关的问题是价格相对较高。1.3.3 接近开关的选型
常用的电感式接近开关（Inductive Sensor）型号有LJ系列，电容式接近开关（Capacitive Sensor）型号有CJ系列，磁感式接近开关有HJ系列，光电型接近开关有OJ系列。当然，还有很多厂家都有自己的产品系列，一般接近开关型号的含义如图1-17所示。接近开关的选择要遵循以下原则。图1-17 接近开关型号的含义
①接近开关类型的选择。检测金属时优先选用感应式接近开关，检测非金属时选用电容式接近开关，检测磁信号时选用磁感式接近开关。
②外观的选择。根据实际情况选用，但圆柱螺纹形状的最为常见。
③检测距离（Sensing Range）的选择。根据需要选用，但注意同一接近开关检测距离并非恒定，接近开关的检测距离与被检测物体的材料、尺寸以及物体的移动方向有关。表1-3列出了目标物体材料对于检测距离的影响。不难发现，感应式接近开关对于有色金属的检测明显不如检测钢和铸铁。常用的金属材料不影响电容式接近开关的检测距离。表1-3 目标物体材料对检测距离的影响
目标的尺寸同样对检测距离有影响。满足以下一个条件时，检测距离不受影响。
a.检测距离的3倍大于接近开关感应头的直径，而且目标物体的尺寸大于或等于3倍的检测距离×3倍的检测距离（长×宽）。
b.检测距离的3倍小于接近开关感应头的直径，而且目标物体的尺寸大于或等于检测距离×检测距离（长×宽）。
如果目标物体的面积达不到推荐数值，接近开关的有效检测距离将按照表1-4推荐的数值减少。表1-4 目标物体的面积对检测距离的影响
④信号的输出选择。交流接近开关输出交流信号，而直流接近开关输出直流信号。注意，负载的电流一定要小于接近开关的输出电流，否则应添加转换电路解决。接近开关的信号输出能力见表1-5。表1-5 接近开关的信号输出能力
⑤触头数量的选择。接近开关有常开触头和常闭触头。可根据具体情况选用。
⑥开关频率的确定。开关频率是指接近开关每秒从“开”到“关”转换的次数。直流接近开关可达200Hz；而交流接近开关要小一些，只能达到25Hz。
⑦额定电压的选择。对于交流型的接近开关，优先选用220V AC和36V AC，而对于直流型的接近开关，优先选用12V DC和24V DC。【例1-2】 有人说：“电感式接近开关，只能检测钢铁，不能检测其他材料。”请问这句话对吗？【解】 电感式接近开关，不但能检测钢铁，而且能检测其他金属，只是对铝和铜的检测灵敏度不如钢铁。1.3.4 应用接近开关的注意事项（1）单个NPN型和PNP型接近开关的接线
在直流电路中使用的接近开关有二线式（2根导线）、三线式（3根导线）和四线式（4根导线）等多种，二线、三线、四线式接近开关都有NPN型和PNP型两种，通常日本和美国多使用NPN型接近开关，欧洲多使用PNP型接近开关，而我国则二者都有应用。NPN型和PNP型接近开关的接线方法不同，正确使用接近开关的关键就是正确接线，这一点至关重要。
接近开关的导线有多种颜色，一般BN表示棕色的导线，BU表示蓝色的导线，BK表示黑色的导线，WH表示白色的导线，GR表示灰色的导线，根据国家标准，各颜色导线的作用按照表1-6定义。对于二线式NPN型接近开关，棕色线与负载相连，蓝色线与零电位点相连；对于二线式PNP型接近开关，棕色线与高电位相连，负载的一端与接近开关的蓝色线相连，而负载的另一端与零电位点相连。图1-18和图1-19所示分别为二线式NPN型接近开关接线图和二线式PNP型接近开关接线图。图1-18 二线式NPN型接近开关接线图图1-19 二线式PNP型接近开关接线图
表1-6中的“NO”表示常开、输出，而“NC”表示常闭、输出。表1-6 接近开关的导线颜色定义
对于三线式NPN型接近开关，棕色的导线与一端负载，同时与电源正极相连；黑色的导线是信号线，与负载的另一端相连；蓝色的导线与电源负极相连。对于三线式PNP型接近开关，棕色的导线与电源正极相连；黑色的导线是信号线，与负载的一端相连；蓝色的导线与负载的另一端及电源负极相连，如图1-20和图1-21所示。图1-20 三线式NPN型接近开关接线图图1-21 三线式PNP型接近开关接线图
四线式接近开关的接线方法与三线式接近开关类似，只不过，四线式接近开关多了一对触头而已，其接线图如图1-22和图1-23所示。图1-22 四线式NPN型接近开关接线图图1-23 四线式PNP型接近开关接线图（2）单个NPN型和PNP型接近开关的接线常识
初学者经常不能正确区分NPN型和PNP型的接近开关，其实只要记住一点：PNP型接近开关是正极开关，也就是信号从接近开关流向负载；而NPN型接近开关是负极开关，也就是信号从负载流向接近开关。【例1-3】 在图1-24中，有一只NPN型接近开关与指示灯相连，当一个铁块靠近接近开关时，回路中的电流会怎样变化？图1-24 接近开关与指示灯相连的示意图【解】 指示灯就是负载，当铁块到达接近开关的感应区时，回路突然接通，指示灯由暗变亮，电流从很小变化到100%的幅度，电流曲线如图1-25所示（理想状况）。图1-25 回路电流变化曲线【例1-4】 某设备用于检测PVC物块，当检测物块时，设备上的24V DC功率为12W的报警灯亮，请选用合适的接近开关，并画出原理图。【解】 因为检测物体的材料是PVC，所以不能选用感应接近开关，但可选用电容式接近开关。报警灯的额定电流为：I==N=0.5A，查表1-5可知，直流接近开关承受的最大电流为0.2A，所以采用图1-21的方案不可行，信号必须进行转换，原理图如图1-26所示，当物块靠近接近开关时，黑色的信号线上产生高电平，其负载继电器KA的线圈得电，中间继电器KA的常开触头闭合，所以报警灯EL亮。图1-26 原理图
由于没有特殊规定，所以PNP型或NPN型接近开关以及二线式或三线式接近开关都可以选用。本例选用三线式PNP型接近开关。（3）接近开关的并联
直流型接近开关允许并联接法，但一般不推荐将交流型接近开关进行并联。接近开关并联接线图如图1-27所示。二极管的作用是为了防止过载。当剩余电流足够小时，可以最多并联30个接近开关。
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