作者：郑凤翼主编
出版社：科普出版分社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
图解PLC控制系统梯形图和语句表试读：
前言
现代社会，科学技术高速发展，电子技术、电工技术得到了越来越广泛的应用，社会对电子技术、电工技术人才的需求也日益迫切。电子技术和电工技术同属于电类技术，而且是知识性、实践性和专业性都很强的实用技术，学习起来有一定的难度，初学者普遍感到入门难。如何轻轻松松上手，如何学以致用，成为广大初学者最为关注的问题。
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PLC（可编程序控制器）是以微机技术为核心的通用工业控制装置。它将传统的继电器—接触器控制技术与计算机技术和通信技术融于一体，具有功能强大、环境适应性好、编程简单、使用方便等优点。因此，近年来在工业自动控制、机电一体化、改造传统产业等方面，PLC得到广泛的应用。学习、掌握和应用PLC技术对提高我国工业自动化水平和生产效率具有十分重要的意义。
由于目前专门介绍PLC的书籍尤其是适合初学者自学的较少，作者为此编写了本书，奉献给广大初学者。目前国内使用比较多的PLC一般是三菱、西门子、欧姆龙等公司的产品，它们的工作原理和工作性能大致相同，只是在组合形式、语言环境等方面有区别。虽然本书以三菱的FX系列PLC为对象，介绍识读PLC控制系统梯形图和助记2N符（指令语句表）编程语言，但全部内容只需略加变动，就可以移植到其他机型上，因此具有一定的通用性。
本书着重介绍“怎样识读”PLC控制系统梯形图和助记符编程语言。从应用角度出发，重点讲述PLC的工作原理及其工程应用，避免过多的涉及微机知识，使仅学过电工和有一定电子技术基础的读者能够看懂并加以应用。全书共分7章：第1章介绍PLC的基本组成和工作原理；第2章介绍三菱公司FX系列PLC；第3章介绍识读PLC控制系2N统梯形图和指令语句表编程语言的一般方法和步骤；第4章介绍图解顺序控制的梯形图和指令语句表编程语言；第5章介绍图解三相感应电动机的PLC控制系统梯形图和指令语句表编程语言；第6章介绍图解机床的PLC控制系统梯形图和指令语句表编程语言；第7章介绍图解一般机械设备PLC控制系统梯形图和指令语句表编程语言。
本书在写法上采用模块化结构，运用图解的方法，以图为主，以文为辅。本书对梯形图的每个梯级和语句表的每个语句都添加注解说明，解释和说明该梯级和语句的作用，并且用电路工作过程图与电器元件和编程元件动作顺序表相结合的方法来说明PLC的控制过程。
本书文字精练、通俗易懂、内容丰富，分析详细、清晰。读者通过本书的学习，可以尽快地、全面地掌握PLC的工作原理和应用技术。本书适用于广大初中级电工自学者，也可供技术培训及在职技术人员使用，还可供大专院校师生参考。
本书由郑凤翼主编，参加编写的还有郑丹丹、赵春江、黄海平、傅丛俏、孟庆涛、齐宝霞、马玉环、郑晞晖、苏阿莹、王德明、严海若、李红艳等。
由于我们水平有限，加上编写时间所限，书中如有不妥之处，欢迎广大读者批评指正。编者第1章PLC的基本组成和工作原理
PLC（可编程序控制器）实质上是一台用于工业控制的专用计算机，它与一般计算机的结构及组成相似。PLC是专为工业环境下应用而设计的，为便于接线、扩充功能，便于操作与维护，以及提高系统的抗干扰能力，其结构及组成又与一般计算机有所区别。本章从应用的角度介绍PLC的基本组成和工作原理。1.1 PLC的基本组成
PLC从结构上可分为整体式和模块式两种，但其内部组成都是相似的。PLC的基本组成包括中央处理模块（CPU）、存储器模块、输入/输出（I/O）模块、编程器及电源模块，如图1.1.1所示。图1.1.1 PLC 的基本组成
主机内的各部分均通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接。根据实际控制对象的需要配备一定的外部设备，可构成不同的PLC控制系统。常用的外部设备有编程器、打印机、EPROM写入器等。PLC还可以配置通信模块与上位机及其他的PLC进行通信，构成PLC的分布式控制系统。1.1.1 中央处理模块
中央处理模块（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入/输出接口电路相连接。
与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊地进行工作。
CPU 的主要任务：① 接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储；② 用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区（输入映像寄存器）；③ 监测和诊断电源、PLC 内部电路的工作状态和用户编程过程中的语法错误等；④ 执行用户程序，从存储器逐条读取用户指令，完成各种数据的运算、传送和存储等功能；⑤ 根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出映像寄存器表的内容，再经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。1.1.2 存储器模块
可编程序控制器中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据。
可编程序控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。系统程序存储器
系统存储器用来存放由 PLC 生产厂家编写的系统程序，并固化在 ROM 内，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。它使PLC具有基本的功能，能够完成PLC设计者规定的各项工作。系统程序质量的好坏，很大程度上决定了PLC的性能，其内容主要包括三部分：
① 系统管理程序。它主要控制PLC 的运行，使整个PLC 按部就班地工作。
② 用户指令解释程序。通过用户指令解释程序，将PLC 的编程语言变为机器语言指令，再由CPU执行这些指令。
③ 标准程序模块与系统调用。它包括许多不同功能的子程序及其调用管理程序，如完成输入、输出及特殊运算等的子程序。用户程序存储器
用户存储器包括用户程序存储器（程序区）和数据存储器（数据区）两部分。
用户程序区用于存放用户经编程器输入的应用程序。为了调试和修改方便，总是先把用户程序存放在随机读写存储器 RAM 中，经过运行考核，修改完善，达到设计要求后，再把它固化到EPROM中，替代RAM使用。用户程序存储器的容量一般代表PLC的标称容量，通常小型机小于8KB，中型机小于64KB，大型机在64KB以上。
数据区用于存放PLC在运行过程中所用到的和生成的各种工作数据。数据区包括输入、输出数据映像区，定时器、计算器的预置值和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区等。
这些数据是不断变化的，但不需要长久保存，因此采用随机读写存储器RAM。由于随机读写存储器RAM是一种挥发性的器件，即当供电电源关掉后，其存储的内容会丢失，因此，在实际使用中通常为其配备掉电保护电路，当正常电源关断后，由备用电池或大电容为它供电，保护其存储的内容不丢失。1.1.3 输入/输出模块
输入/输出（I/O）模块是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。由于PLC在工业现场工作，对输入/输出模块有两个主要的要求：一是要有良好的抗干扰能力；二是能满足工业控制现场各类信号的匹配要求。
为了提高抗干扰能力，一般的I/O模块都有光电隔离装置。
实际生产过程中的输入信号多种多样，信号电平各不相同，而PLC所能处理的信号只能是标准电平，因此必须通过输入模块将这些信号转换成 CPU 能够接收和处理的标准电平信号。同样，外部执行元件如电磁阀、接触器、继电器等所需的控制信号电平也千差万别，也必须通过输出模块将CPU输出的标准电平信号转换成这些执行元件能够接收控制的信号。
PLC输入/输出模块的电路框图如图1.1.2所示。图1.1.2 输入/输出模块的电路框图
根据输入/输出电路结构形式的不同，I/O接口又分为开关量I/O和模拟量I/O，其中模拟量I/O要经过A/D、D/A转换电路处理，转换成计算机系统所能识别的数字信号。
按照信号的种类归类有直流信号输入/输出，交流信号输入/输出；按照信号的输入/输出形式分有数字量输入/输出，开关量输入/输出，模拟量输入/输出。输入模块
输入模块用来接收生产过程中的信号，输入信号有两类：一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等传来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量信号。
现场输入电路一般由滤波电路、光电耦合电路和微电脑输入接口电路组成。滤波电路用以消除输入触点的抖动。采用光电耦合器与现场输入电路相连是为了防止现场的强电干扰进入 PLC。由于输入和输出是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他干扰。光电耦合电路的关键器件是光电耦合器，一般由发光二极管和光电三极管组成。由于发光二极管的正向阻抗值较低，而外界干扰源的内阻一般较高，根据分压原理可知，干扰源馈送到输入端的干扰噪声很小。微电脑输入接口电路一般由输入寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路组成，这些电路集成在一个芯片上。现场的输入信号通过光电耦合送到输入数据寄存器，然后通过数据总线送给CPU。输出模块
PLC产生的输出控制信号经过输出模块去驱动负载。
输出模块用来输出PLC运算后得出的控制信息，控制接触器、电磁阀、调节阀、调速装置等执行器，PLC的另一类负载是指示灯、数字显示装置和报警装置。
输出模块一般由微电脑输出接口电路和功率放大电路组成。微电脑输出接口电路一般由输出数据寄存器、选通电路和中断请求逻辑电路集成而组成。CPU 通过数据总线将要输出的信号送到输出数据寄存器中。功率放大电路是为了适应工业控制的要求，将微电脑输出的信号加以放大。PLC 的输出有三种形式：继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出。1.1.4 编程器
编程器是 PLC 的重要的外部设备。利用编程器可将用户编写的程序送到 PLC 的用户程序存储区，还可以用编程器检查、修改和调试程序；利用编程器可监视程序的执行过程；可通过键盘调入及显示PLC的状态、内部器件及系统的参数，它经过接口与CPU联系，实现人机对话。
编程器分为简易编程器和图形编程器两种。简易编程器体积小，携带方便，但只能用指令形式编程，且需联机编程，适合小型PLC的编程及现场调试。图形编程器功能强大，既可用于梯形图编程，又可用于指令形式编程；可以联机编程，也可脱机编程。
许多厂家对自己的 PLC 产品设计了计算机辅助编程支持软件。当个人计算机安装了PLC编程支持软件后，也可用作图形编程器，可编辑、修改用户程序，进行计算机和PLC之间程序的相互传送，监控PLC的运行，并在屏幕上显示其运行状况，还可将程序储存在磁盘上或打印出来等。1.1.5 电源模块
PLC 的电源模块将交流电源转换成供 CPU、存储器等所需的直流电源，是整个 PLC的能源供给中心。它的好坏直接影响到 PLC 的功能和可靠性。目前，大多数 PLC 采用高质量的开关稳压电源，其工作稳定性好，抗干扰能力强。许多PLC的电源模块除了向PLC内部电路提供稳压电源外，还向外部提供直流24V稳压电源，用于传感器的供电，从而简化外围配置。1.2 PLC的工作原理1.2.1 PLC 的等效电路PLC的等效电路图
PLC内部电路是由编程实现的逻辑电路，用软件编程代替继电器的功能。对于使用者来讲，在编制应用程序时，可不必考虑微处理器和存储器的复杂结构及使用计算机语言，而把 PLC 看成是内部由许多“软继电器”组成的控制器，用近似继电器控制电路图的编程语言进行编程。这样从功能上讲，就可以把 PLC 的控制部分看作是由许多“软继电器”组成的等效电路，这些“软继电器”的线圈、动合触点、动断触点一般用图1.2.1的符号表示，PLC的等效电路如图1.2.2所示。图1.2.1 “软继电器”的线圈和触点图1.2.2 PLC 的等效电路
值得注意的是，PLC 等效电路图中的继电器并不是实际的物理继电器（硬继电器），它实际上是存储器中的一位触发器。该触发器为“1”状态，相当于继电器接通；该触发器为“0”状态，相当于继电器断开。PLC提供的所有继电器中，输入继电器用来反映输入设备的状态；输出继电器用来直接驱动用户输出设备；而其他继电器与用户设备没有关系，在控制程序中仅起传递中间信号的作用，统称为内部继电器，如辅助继电器、特殊功能继电器、计时器、计数器等。输入回路
由外部输入电路、PLC 输入接线端子和输入继电器组成。外部输入信号经 PLC输入接线端子驱动输入继电器。一个输入接线端子对应一个等效电路中的一个输入继电器，它可提供任意个动合触点、动断触点，供PLC内部控制电路编程使用。输入回路的电源可用PLC电源部件提供的直流电压，也可由独立的交流电源供电。内部控制电路
内部控制电路是由用户程序形成的，即用软件代替硬件的电路。其作用是按照程序规定的逻辑关系，对输入、输出信号的状态进行计算、处理和判断，然后得到相应的输出。用户程序通常采用梯形图编制，梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，两者在电路结构及线圈与触点的控制关系上都大致相同，只是梯形图中的元件符号及其含义与继电器控制电路中的元件不同。输出回路
输出回路由内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部电路组成，用来驱动外部负载。
PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了PLC内部控制电路提供编程用的动合、动断触点外，还为输出电路提供一个动合触点与输出接线端相连，称为内部硬触点，用以驱动外部负载。驱动外部负载的电源由外电源提供， PLC的输出端子上，有输出电源用的公共端（COM）。1.2.2 建立I/O 映像区
在PLC存储器内开辟了I/O映像存储区，用于存放I/O信号的状态，称为输入映像寄存器和输出映像寄存器，PLC中的其他编程元件也有相对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。I/O映像区的大小由PLC的系统程序确定。对于系统的每一个输入点总有输入映像区的某一位与之相对应；对于系统的每一个输出点都有输出映像区的某一位与之相对应。系统的输入、输出点的编址号与I/O映像区的映像寄存器地址号相对应。
PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映像区对应的位上；将运算的结果存放到输出映像区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映像区，而不直接与外部设备发生关系。
I/O映像区的建立，使PLC工作时只和内存有关地址单元内所存信息状态发生关系，而系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态。这样不仅加快程序执行速度，而且还使控制系统与外界隔开，提高了系统的抗干扰能力。同时控制系统远离实际控制对象，为硬件标准化生产创造了条件。1.2.3 循环扫描的工作方式
我们已经知道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，用编程器将程序键入到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0000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。然后再从头开始执行，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。PLC的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。下面我们具体介绍PLC的扫描工作过程。
1.PLC的两种工作状态
PLC有两种的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。运行状态是执行应用程序的状态。停止状态一般用于程序的编制与修改。图1.2.3给出了运行和停止两种状态PLC不同的扫描过程。由图可知，在这两个不同的工作状态中，扫描过程所要完成的任务是不尽相同的。图1.2.3 PLC 的工作过程
PLC在RUN工作状态时，执行一次图1.2.3所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。指令执行所需的时间与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行速度有很大关系，PLC厂家一般给出每执行1k（1k=1024）条基本逻辑指令所需的时间（以ms 为单位）。某些厂家在说明书中还给出了执行各种指令所需的时间。一般说来，一个扫描过程中，执行指令的时间占了绝大部分。
2.PLC的工作过程
PLC 的工作过程见图 1.2.3。上电后，在系统程序的监控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。
① 初始化：PLC 上电后，首先进行系统初始化，清除内部继电器区，复位定时器等。
② CPU 自诊断：在每个扫描周期都要进入自诊断阶段，对电源、PLC 内部电路、用户程序的语法进行检查；定期复位监控定时器等，以确保系统可靠运行。
③ 通信信息处理：在每个通信信息处理扫描阶段，进行PLC 之间以及PLC 与计算机之间的信息交换；PLC与其他带微处理器的智能装置通信，例如，智能I/O模块；在多处理器系统中，CPU还要与数字处理器（DPU）交换信息。
④ 与外部设备交换信息：PLC 与外部设备连接时，在每个扫描周期内要与外部设备交换信息。这些外部设备有编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机等。编程器是人机交互的设备，通过它，用户可以进行程序的编制、编辑、调试和监视等。用户把应用程序输入到PLC中，PLC与编程器要进行信息交换。当在线编程、在线修改、在线运行监控时，也要求PLC与编程器进行信息交换。在每个扫描周期内都要执行此项任务。
⑤ 执行用户程序：PLC 在运行状态下，每一个扫描周期都要执行用户程序。执行用户程序时，是以扫描的方式按顺序逐句扫描处理的，扫描一条执行一条，并把运算结果存入输出映像区对应位中。
⑥ 输入、输出信息处理：PLC 在运行状态下，每一个扫描周期都要进行输入、输出信息处理。以扫描的方式把外部输入信号的状态存入输入映像区；将运算处理后的结果存入输出映像区，直到传送到外部被控设备。
PLC周而复始地巡回扫描，执行上述整个过程，直至停机。
3.用户程序的循环扫描过程
PLC的工作过程，与CPU的操作方式有关。CPU有两个操作方式：STOP方式和RUN方式。在扫描周期内，STOP 方式与 RUN 方式的主要差别在于：RUN 方式下执行用户程序，而在STOP方式下不执行用户程序。扫描的工作过程图
PLC 对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段，如图1.2.4所示。图1.2.4 PLC 用户程序的工作过程输入采样阶段
PLC的CPU不能直接与外部接线端子联系。送到PLC输入端子上的输入信号，经电平转换、光电隔离、滤波处理等一系列电路进入缓冲器等待采样，没有CPU采样“允许”，外部信号不能进入输入映像寄存器。
在输入采样阶段，PLC 以扫描方式，按顺序扫描输入端子，把所有外部输入电路的接通/断开状态读入到输入映像寄存器，在此输入映像寄存器被刷新。在程序执行阶段和输出处理阶段中，输入映像寄存器与外界隔离，其内容保持不变，直至下一个扫描周期的输入采样阶段，才被重新读入的输入信号刷新。可见，PLC 在执行程序和处理数据时，不直接使用现场当时的输入信号，而使用本次采样时输入映像寄存器中的数据。程序执行阶段
用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按照序号顺序排列。PLC 在程序执行阶段，在无中断或跳转指令的情况下，根据梯形图程序从首地址开始按自上而下、从左至右的顺序逐条扫描执行，即按语句表的顺序从0000#地址开始的程序逐条扫描执行，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将有关编程元件“0”/“1”状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，运算的结果写入对应的元件映像寄存器中保存，输出继电器的状态写入对应的输出映像寄存器中保存。因此，每个编程元件的映像寄存器（映像输入寄存器除外）的内容随着程序的执行而变化。输出刷新阶段
当所有指令执行完毕后，进入输出刷新阶段，CPU 将输出映像寄存器中的内容集中转存到输出锁存器，然后传送到各相应的输出端子，最后再驱动实际输出负载，这才是PLC的实际输出，这是一种集中输出的方式。输出设备的状态要保持一个扫描周期。
用户程序执行过程中，集中采样与集中输出的工作方式是PLC的一个特点，在采样期间，将所有的输入信号（不管该信号当时是否要用）一起读入，此后在整个程序处理过程中，PLC 系统与外界隔开，直至输出控制信号。外界信号状态的变化要到下一个工作周期再与外界交涉。这样从根本上提高了系统的抗干扰能力，提高了工作的可靠性。
4.PLC的扫描工作过程示例外部接线图、梯形图与时序图
图1.2.5给出了电路采用PLC控制时的PLC外部接线图、梯形图和时序图。启动按钮SB、停止按钮SB和热继电器FR的动合触点分别12接在编号为X0～X2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。梯形图是一种软件，是 PLC 图形化的程序，X0～X2、Y0 等称为编程元件。X0～X2 为输入继电器，Y0为输出继电器。梯形图中的编程元件X0与接在输入端子X0的SB的动合触点和1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。图1.2.5 PLC 外部接线图、梯形图与时序图指令语句表
梯形图以指令的形式储存在 PLC 的用户程序存储器中，图 1.2.5（b）所示梯形图与下面的5条指令相对应，“；”之后是该指令的注释。
LD Y0 ；接在左侧母线上的X0 的动合触点
OR X0 ；与X0 的动合触点并联的Y0 的动合触点
ANI X1 ；与并联电路串联的X1 的动断触点
ANI X2 ；与并联电路串联的X2 的动断触点
OUT Y0 ；Y0 的线圈图1.2.6描述了扫描工作过程三个阶段的操作
在输入处理阶段，CPU将SB，SB和FR的动合触点的状态12（ON、OFF）读入相应的输入映像寄存器，外部触点闭合时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。输入采样结束进入程序执行阶段。
执行第1条指令时，从X0对应的输入映像寄存器中取出信息“1”或“0”，并在操作器中保存起来。
执行第2条指令时，取出Y0对应的输出映像寄存器中的信息“1”或“0”，并与操作器中的内容相“或”，结果存入操作器中（电路的并联对应“或”运算）。执行第3条、第4条指令时，分别取出X1或X2对应的输入映像寄存器中的信息“1”或“0”，由于是动断触点，取反后与前面的运算结果想“与”（电路的串联对应“与运算”），然后存运算结果寄存器。
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的线圈将得电，反之将失电。图1.2.6 扫描工作过程三个阶段的操作
如果读入输入映像寄存器的 X0～X2 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”，因此KM的线圈处于失电状态。按下启动按钮 SB，X0 变为“1”状态，1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对应的物理继电器的动合触点接通，接触器KM的线圈得电。1.2.4 扫描周期和输入、输出滞后时间扫描周期
PLC在RUN工作模式时，执行一次图1.2.5（b）所示的扫描操作所需的时间称为扫描周期，其典型值为1～100ms。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在扫描周期中占相当大的比例。输入、输出滞后时间
输入、输出滞后时间又称系统响应时间，是指PLC的外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3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数十毫秒，对于一般的控制系统是无关紧要的。但也有少数系统对响应时间有特别的要求，这时就需选择扫描时间短的PLC，或采取使输出与扫描周期脱离的控制方式来解决。
在图1.2.7所示的梯形图中，X0是输入继电器，用来接收外部输入信号。波形图中最上一行是X0对应的经滤波后的外部输入信号的波形。Y0、Y1、Y2是输出继电器，用来将输出信号传送给外部负载。图中的 X0 和 Y0、Y1、Y2 的波形表示对应的输入、输出映像寄存器的状态，高电平表示“1”状态，低电平表示“0”状态。图1.2.7 PLC 的I/O延迟
在第一个扫描周期的输入处理阶段之后才出现输入信号，因此在第一个扫描周期内各映像寄存器均为“0”状态。
在第二个扫描周期的输入处理阶段，输入继电器 X0 的映像寄存器变为“1”状态。在程序执行阶段，由梯形图可知，Y1、Y2依次接通，它们的映像寄存器都变为“1”状态。
在第三个扫描周期的程序执行阶段，由于Y1的接通使Y0接通。Y0的输出映像寄存器变为“1”状态。在输出处理阶段，Y0 对应的外部负载被接通。可见从外部输入触点接通到Y0驱动的负载接通，响应延迟最长可达两个多扫描周期。
若交换梯形图中第一行和第二行的位置，Y0的延迟时间减少一个扫描周期，可见这种延迟时间可以使用程序优化的方法减少。1.3 PLC的编程语言
PLC是一种工业控制计算机，不光有硬件，软件也必不可少。一提到软件就必然和编程语言相联系。不同厂家，甚至不同型号的 PLC 的编程语言只能适应自己的产品。目前PLC常用的编程语言有梯形图编程语言、指令语句表编程语言、顺序功能图编程语言、高级编程语言等。
梯形图编程语言形象直观，类似电气控制系统中继电器控制电路图，逻辑关系明显；指令语句表编程语言虽然不如梯形图编程语言直观，但有输入方便的优点；顺序功能图编程语言和高级编程语言需要比较多的硬件设备。1.3.1 梯形图
梯形图编程语言习惯上叫梯形图。梯形图沿袭了继电器控制电路的形式，也可以说，梯形图编程语言是在电气控制系统中常用的继电器、接触器逻辑控制基础上简化了符号演变而来的，具有形象、直观、实用，电气技术人员容易接受，是目前用得最多的一种PLC编程语言。
图 1.3.1 所示为电动机启、停的继电器控制电路图与 PLC 控制的梯形图，它们有着相似之处：它们的电路结构形式大致相同，它们的控制功能相同。图1.3.1 两种控制图
梯形图是 PLC 模拟继电器控制系统的编程方法。它由触点、线圈或功能方框等构成，梯形图左、右的垂直线称为左、右母线，PLC的右母线通常省略不画出。画梯形图时，从左母线开始，经过触点和线圈（或功能方框），终止于右母线。在梯形图中，可以把左母线看作是提供能量的母线。触点闭合可以使能量流过，直到下一个元件；触点断开将阻止能量流过。这种能量流，称之为“能流”。实际上，梯形图是CPU仿效继电器控制电路图，使来自“电源”的“电流”通过一系列的逻辑控制条件，根据运算结果决定逻辑输出的模拟过程。
梯形图中，每个输出元素（线圈或方框）可以构成一个梯级。每个梯形图由一个或多个梯级组成。每个梯级由一个或多个支路组成，并由一个输出元件构成，但右边的元件必须是输出元件。例如图1.3.1（b）中梯形图由两个梯级组成，梯级1、2中有4个编程元件（X1、X2、X3和Y0），最右边的Y0为输出元件。
梯形图与继电器控制电路图相对应，绝不是一一对应。由于PLC的结构、工作原理与继电器控制系统截然不同，因而梯形图与继电器控制电路图两者之间又存在着许多差异：
① PLC 采用梯形图编程是模拟继电器控制系统的表示方法，因而梯形图内各种元件也沿用了继电器的叫法，称之为“软继电器”。梯形图中的“软继电器”不是物理继电器，每个“软继电器”各为存储器中的一位，相应位为“1”态，表示该继电器线圈“得电”，因此称其为“软继电器”。用“软继电器”就可以按继电器控制系统的形式来设计梯形图。
② 梯形图中流过的“电流”不是物理电流，而是“能流”，它只能从左到右、自上而下流动。“能流”不允许倒流。“能流”到，线圈则接通。“能流”是用户程序解算中满足输出执行条件的形象表示方式。“能流”流向的规定顺应了 PLC 的扫描是自左向右、自上而下顺序地进行，而继电器控制系统中的电流是不受方向限制的，导线连接到哪里，电流就可流到哪里。
③ 梯形图中的动合、动断触点不是现场物理开关的触点。它们对应输入、输出映像寄存器或数据寄存器中的相应位的状态，而不是现场物理开关的触点状态。PLC认为动合触点是取位状态操作；动断触点应理解为位取反操作。因此在梯形图中同一元件的一对动合、动断触点的切换没有时间的延迟，动合、动断触点只是互为相反状态。而继电器控制系统大多数的电器是属于先断后合型的电器。
④ 梯形图中的输出线圈不是物理线圈，不能用它直接驱动现场执行机构。输出线圈的状态对应输出映像寄存器相应的状态而不是现场电磁开关的实际状态。
⑤ 编制程序时，PLC 内部继电器的触点原则上可无限次反复使用，因为存储单元中的位状态可取用任意次；继电器控制系统中的继电器触点数是有限的。但是PLC内部的线圈通常只引用一次，因此，应慎重对待重复使用同一地址编号的线圈。1.3.2 指令语句表
这种编程语言是用一系列操作指令组成的语句表将控制流程描述出来，并通过编程器送到PLC中去。不同厂家的PLC指令语句表使用的助记符并不相同。表1.3.1是三菱公司FX系列PLC指令语句完成2N图1.3.1（b）功能编写的程序。▼表1.3.1 三菱FX系列PLC语句表2N
指令语句表是由若干条语句组成的程序，语句是程序的最小独立单元。每个操作功能由一条或几条语句来执行。PLC的语句表达形式与微机的语句表达形式相类似，也是由操作码和操作数两部分组成。操作码用助记符表示（如LD表示取、OR表示或等），用来说明要执行的功能，告诉CPU该进行什么操作。例如逻辑运算的与、或、非；算术运算的加、减、乘、除；时间或条件控制中的计时、计数、移位等功能。
操作数一般由标识符和参数组成。标识符表示操作数的类别，例如表明是输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、数据寄存器等。参数表明操作数的地址或一个预先设定值。1.3.3 顺序功能图
用梯形图或指令表对于一个复杂的控制系统编程，尤其是顺序控制程序，由于内部的连锁、互动关系极其复杂，其梯形图往往长达数百行，如果在梯形图上不加上注释，则这种梯形图的可读性也会大大降低。
顺序功能图常用来编制复杂的顺序控制类程序，这种方法也为调试、试运行带来许多方便。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能图编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态，对这些小的工作状态的功能分别处理后再依一定的顺序控制要求连接成整体的控制程序。图1.3.2为顺序功能图。图1.3.2 顺序功能图第2章三菱FX系列PLC2N2.1 FX系列PLC的系统配置2N
目前生产PLC的厂家较多，在国内市场占有较大份额的有日本三菱公司、欧姆龙公司，德国西门子公司等。本书主要介绍的是日本三菱公司的FX系列PLC。2N2.1.1 FX系列PLC 的基本构成2N
FX是FX系列中功能最强、速度最高的微型可编程序控制器。2N其基本指令执行时间高达0.08s。用户存储器容量可扩展到16k步，最大可以扩展到256个I/O点，有五种模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、脉冲输出模块、四种位置控制模块、多种RS-232C/RS-422/RS-485串行通信模块或功能扩展板，以及模拟定时器功能扩展板。使用特殊功能模块和功能扩展板，可以实现模拟量控制、位置控制和联网通信等功能，见表2.1.1、表2.1.2、表2.1.3。
FX有3000多点辅助继电器、1000点状态继电器、200多点定时2N器、200点16位加计数器、35点32位加/减计数器、8000多点16位数据寄存器、128点跳步指针、15点中断指针。▼表2.1.1 FX系列基本单元2N▼表2.1.2 FX系列扩展单元2N▼表2.1.3 FX系列扩展模块2N
FX有128种功能指令，具有中断输入处理、修改输入滤波器时2N间常数、数学运算、逻辑运算、浮点数运算、数据检索、数据排序、PID 运算、开方、三角函数运算、脉冲输出、脉宽调制、ASCII码输出、BCD与BIN的相互转换、串行数据传送、校验码、比较触点等功能指令。FX内装实时钟，有时钟数据的比较、加减、读出/写入指2N令，可用于时间控制。
FX还有矩阵输入、10键输入、数字开关、方向开关、7段显示2N器扫描显示、示教定时器等方便指令。2.1.2 FX系列PLC 的基本性能2N▼表2.1.4 FX和FX的基本性能2N2NC
续表2.2 FX系列PLC的编程元件2N
可编程序控制器内部有许多具有不同功能的器件，从物理实质上来讲，这些器件是由电子电路和存储器组成的。考虑到工程技术人员的习惯，常用继电器电路中类似器件名称命名。为了明确它们的物理属性，称它们为“软继电器”。例如输入继电器 X 是由输入电路和输入映像寄存器组成的，输出继电器Y是由输出电路和输出映像寄存器组成的；定时器T、计数器C、辅助继电器M、状态继电器S、数据寄存器D、变址寄存器V/Z等都是由相应的映像寄存器组成的。为了和通常的硬器件相区别，通常把上面的器件称为软器件，是等效概念抽象的模拟器件，并非实际的物理器件。
从编程的角度出发，可以不管这些“软继电器”的物理实现，只注重它们的功能，在编程中可以像在继电器电路中一样使用它们。以下称“软继电器”为编程元件。
在可编程序控制器中这种编程元件的数量往往是巨大的。为了区分它们的功能，通常给编程元件编上号码。这些号码就是计算机存储单元的地址。2.2.1 FX系列PLC 编程元件的分类、名称、编号和基本2N特征
FX系列PLC编程元件有输入继电器（X）、输出继电器（Y）、2N辅助继电器（M）、状态继电器（S）、定时器（T）、计数器（C）、数据寄存器（D）和指针（P、I、N）8大类。
FX系列PLC编程元件的名称由两部分组成，第一部分用一个字2N母代表功能，如输入继电器用“X”表示，输出继电器用“Y”表示，第二部分用数字表示该编程元件的序号，输入、输出继电器的序号为八进制，遵循“逢8进1”的运算规则，其余编程元件序号为十进制。从编程元件的最大序号可以了解可编程序控制器中可能具有的某类编程元件的最大数量。
编程元件的使用主要体现在程序中，一般可认为编程元件和继电器、接触器类似，具有线圈和动合、动断触点。触点的状态随线圈的状态而变化，当线圈得电时，动合触点闭合，动断触点断开；当线圈失电时，动断触点复位闭合，动合触点复位断开。与继电器、接触器不同的是，一是编程元件作为计算机的存储单元，从本质上来说，某个编程元件被选中，只是这个编程元件的存储单元置1，未被选中的存储单元置0，且可以无限次地访问，这样可编程序控制器的编程元件可以有无数多个动合触点、动断触点。二是作为计算机的存储单元，每个单元是一位，称为位编程元件，可编程序控制器的位编程元件可以组合使用，表示数据的位编程元件的组合组件及字组件，例如K4Y000，表示Y000～Y017组合为一个16位的字符件。2.2.2 输入继电器与输出继电器
FX系列PLC的输入/输出继电器元件号见表2.2.1。2N▼表2.2.1 FX系列PLC的输入/输出继电器元件号 型号 FX-16M FX-32M2N2N2N输入继电器（X）
输入继电器是 PLC 接收外部输入的开关量信号的电路的一种等效表示。PLC通过光电耦合器，将外部信号的状态读入并储存在输入映像寄存器中。输入端可以外接动合触点或动断触点，也可以接多个触点组成的串并联电路或电子传感器（例如接近开关）。在梯形图中，可以多次使用输入继电器的动合触点和动断触点。图2.2.1 输入继电器电路
图2.2.1所示为输入继电器电路，X0端子外接的输入电路接通时，它对应的输入映像寄存器为1状态，断开时为0状态。输入继电器只能由外部信号驱动，而不能在程序内用指令驱动，其触点也不能直接输出带负载，因此在梯形图中绝对不能出现输入继电器的线圈。
因为PLC只是在每一扫描周期开始时读取输入信号，输入信号为ON或OFF的持续时间应大于PLC的扫描周期。如果不满足这一条件，可能会丢失输入信号。输出继电器（Y）
输出继电器是 PLC 内部输出信号控制被控对象的电路的一种等效表示，如图2.2.2所示。输出继电器用来将PLC的输出信号传送给输出模块，再由后者驱动外部负载。如果图2.2.2梯形图中Y0的线圈“得电”，继电器型输出模块中对应的硬件继电器的硬动合触点闭合，使外部负载工作。在继电器型输出模块中，每一个硬件继电器仅有一对硬动合触点，与PLC的输出端子相连，而内部的软触点，不管是动合触点还是动断触点，都可无限制地多次使用。图2.2.2 输出继电器2.2.3 辅助继电器
辅助继电器（M）（见表2.2.2）是用软件实现的，它们不能接收外部的输入信号，也不能直接驱动外部负载，只能由程序驱动，是一种内部的状态标志，相当于继电器控制电路中的中间继电器，其触点在梯形图中的使用次数也不受限制。通用辅助继电器
通用辅助继电器没有断电保持功能。在系统上电时处于复位状态，上电后的状态由输入信号决定。在系统失电时，通用辅助继电器自动复位。若电源再次接通，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持为OFF状态。▼表2.2.2 辅助继电器电池后备/锁存辅助继电器
电池后备/锁存辅助继电器在系统断电时，可保持断电前的状态，即有记忆功能；系统重新上电后，即可重现断电前的状态，并在该基础上继续工作。但要注意，系统重新上电后，仅在第一个扫描周期之内保持断电前的状态。
对于图2.2.3（a）所示电路，系统失电后，M500的状态被记忆下来；系统重新上电后，仅在第一个扫描周期之内，M500保持失电前的状态，然后M500将失电。
采用图2.2.3（b）所示电路，系统失电重新上电时，M500用记忆下来的状态，使其动合触点闭合，实现自锁。直到X2接通后，使其动断触点断开，M500才会失电。这样电池后备/锁存辅助继电器的状态就只受外部输入信号的影响，不受系统通电、断电的影响。图2.2.3 断电保持功能特殊辅助继电器
特殊辅助继电器共256点，它们用来表示PLC的某些状态，提供时钟脉冲和标志（例如进位、借位标志），设定PLC的运行方式，或者用于步进顺控、禁止中断、设定计数器是加计数还是减计数等。特殊辅助继电器分为两类：（1）触点利用型特殊辅助继电器
由PLC的系统程序来驱动它们的线圈，在用户程序中直接使用其触点，但是不能出现它们的线圈，一些常用的特殊辅助继电器见表2.2.3。▼表2.2.3 一些常用的特殊辅助继电器
续表（2）线圈驱动型特殊辅助继电器
由用户程序驱动其线圈，使PLC执行特定的操作，用户并不使用它们的触点。例如：
M8030的线圈“得电”后，“电池电压降低”发光二极管熄灭。
M8034的线圈“得电”时，禁止所有的输出；但是程序仍然正常执行。2.2.4 状态继电器
状态继电器（S）是用于编制顺序控制程序的一种编程元件（状态标志），它与后述的步进顺控指令STL配合使用。
通用状态继电器没有断电保持功能，电池后备/锁存状态继电器在断电时用带锂电池的RAM或EEPROM来保存其ON/OFF状态。
在使用应用指令ANS（信号报警器置位）和ANR（信号报警器复位）时，状态继电器S900～S999可以用作外部故障诊断的输出，称为信号报警器。
通常状态继电器有五种类型：
① 初始状态继电器S0～S9，共10 点。
② 回零状态继电器S10～S19，共10点，供返回原点用。
③ 通用状态继电器S20～S499共480点，没有断电保护功能，但是用程序可以将它们设定为有断电保持功能状态。
④ 断电保持状态继电器S500～S899 共400 点。
⑤ 报警用状态继电器S900～S999 共100 点。
不用于步进顺控指令时，状态继电器S可以作为辅助继电器（M）使用。2.2.5 定时器
定时器（T）相当于继电器接触器控制系统中的时间继电器。FX系列PLC给用户提供最多256个定时器，其编号为T0～T255。其2N中常规定时器246个，积算定时器10个。每个定时器有一个设定定时时间的设定值寄存器（一个字长），一个对标准时钟脉冲进行计数的计数器（一个字长），一个用来存储其输出触点状态的映像寄存器（位寄存器）。这 3个存储单元使用同一个元件号。设定值可以用常数K进行设定，也可以用数据寄存器（D）的内容来设定。例如外部数字开关输入的数据可以存入数据寄存器（D）作为定时器的设定值。FX内的定时器根据时钟累积计时，时钟脉冲有1ms、10ms、2N100ms 3 挡，当所计时间到达设定值时，输出触点动作。
定时器个数和元件编号如表2.2.4所示。100ms定时器的定时范围为0.1～3276.7s，10ms定时器的定时范围为0.01～327.67s。
根据定时器定时时间是否可以累计，定时器分为非积算型定时器和积算型定时器。▼表2.2.4 定时器常规（非积算型）定时器T0～T245
T0～T199为100ms定时器，共200点，定时时间范围0.1～3276.7s，其中T192～T199为子程序中断服务程序专用的定时器；T200～T245为10ms定时器，共46点，定时范围为0.01～327.67s。图2.2.4为常规定时器工作原理。当驱动输入X1接通时，定时器T30的当前值计数器对10ms的时钟脉冲进行累积计数。当计时时间t小于设定1时间，输入信号断开后，定时器清零。当计时时间 t大于设定时间，2定时器 T30的当前值计数器与设定值 K40 相等时，定时器的输出触点就闭合，即输出触点是其线圈被驱动后的40×0.1s=4s时动作。若X1的动合触点断开后，定时器T30被复位，它的动合触点断开，动断触点闭合，当前值计数器恢复为零。常规定时器没有保持功能，在输入电路断开或停电时复位（清零）。图2.2.4 常规定时器的工作原理
如果需要在定时器的线圈“得电”时就动作的瞬动触点，可以在定时器线圈两端并联一个辅助继电器的线圈，并使用它的触点。
通用定时器没有保持功能，在输入电路断开或停电时被复位。FX系列的定时器只能提供其线圈“得电”后延迟动作的触点，如果需要在输入信号变为OFF之后的延迟动作，可以使用图2.2.5所示的电路。图2.2.5 输入信号OFF后延迟的电路积算定时器T246～T255
积算定时器有两种：1ms、100ms 积算定时器。T246～T249（共 4 点）为 1ms积算定时器，定时范围为 0.001～32.767s；T250～T255（共 6 点）为 100ms 积算定时器，每点设定值范围为 0.1～3276.7s。图 2.2.6 是积算定时器工作原理。当定时器的驱动输入X1接通时，T250的当前值计数器开始累积100ms的时钟脉冲的个数；X1的动合触点断开或停电时停止定时，当前值保持不变，输入X1再接通或复电时，计数在原有值的基础上继续进行。当该值与设定值 K60 相等时，定时器的输出触点T250 动作。当累积时间为 t+t=（0.1×60）s=6s时，输出触点动作。当输入 X2 接通时，计数12器复位，输出触点也复位。由于积算定时器线圈失电时不会复位，因此用X2的动合触点使T250强制复位。图2.2.6 积算定时器工作原理
从以上定时器的工作过程可知，定时器属于通电延时型。如果要完成断电延时的控制功能，可利用它的动断触点进行控制，如图2.2.7所示。若输入X1接通，Y0线圈通电产生输出，并通过Y0触点自锁。当X1断开时，线圈Y0不立即停止输出，而是经过T1延时20s后停止输出。图2.2.7 延时停止输出定时器2.2.6 内部计数器
内部计数器（C）用来对 PLC 的内部映像寄存器（X、Y、M、S）提供的触点信号的上升沿进行计数，这种计数操作是在扫描周期内进行的，因此计数的频率受扫描周期制约，即需要计数的触点信号相邻的两个上升沿的时间必须大于PLC的扫描周期，否则将出现计数误差。16位加计数器
16位加计数器有200个，地址编号为C0～C199。其中C0～C99为通用型，C100～C199为断电保持型。设定值为1～32767。
图2.2.8给出了加计数器的工作过程，X0的动合触点接通后，C0
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