作者：周志敏,纪爱华
出版社：电子工业出版社
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PLC控制系统实用技术——系统设计 电磁兼容设计 接地及布线设计试读：
前言
PLC是电气自动化控制领域的重要组成部分，其性能的优劣直接关系到整个控制系统的安全性和可靠性指标。PLC问世以来引起了国内外电气控制界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。
随着工业自动化产业的高速发展，PLC控制系统得以广泛应用。PLC产品正向着成套化、系列化、多品种系统集成方向发展；以自动控制技术、数据通信技术、图像显示技术为一体的综合性PLC控制系统已成为国内外工业自动化控制领域的主导产品。
目前，PLC控制系统工作的电磁环境发生了巨大的变化，在其工作的电磁环境中，电磁干扰不再局限于辐射，还要考虑感应、耦合、传导、静电、雷电等引起的电磁干扰，这已成为影响PLC控制系统正常工作的突出障碍，因此开展PLC控制系统电磁兼容设计日显重要，也是确保PLC控制系统安全、可靠、稳定运行所必需的。
本书结合国内外PLC控制系统在工程应用中存在的问题，在简单介绍了PLC基础知识的基础上，系统地介绍了PLC控制系统的系统设计、电磁兼容设计、接地及布线设计。本书在写作上尽量做到有针对性和实用性，力求做到通俗易懂和结合实际，使得从事PLC控制系统设计和工程应用的工程技术人员从中获益，读者可以此为“桥梁”，系统、全面地了解和掌握PLC控制系统的系统设计、电磁兼容设计、接地及布线设计。
参加本书编写工作的有周志敏、纪爱华、周纪海、纪达奇、刘建秀、顾发娥、刘淑芬、纪和平、纪达安、陈爱华等。本书在写作过程中无论从资料的收集还是技术信息交流上都得到了国内的专业学者、同行以及PLC控制系统集成商的大力支持，在此表示衷心的感谢。
由于时间短，加之作者水平有限，书中难免有错误之处，敬请读者批评指正。编著者
第一部分 系统设计
第1章 PLC基础知识
1.1 PLC特点及特性
1.1.1 PLC定义及特点
1．PLC定义
PLC（Programmable Controller，可编程序控制器）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
1987年，国际电工委员会（IEC）颁布了新的PLC标准及其标准定义：PLC是一种数字运算工作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，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。PLC及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
PLC是适用于工业现场工作的控制装置，它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。
PLC并不等同于普通的计算机，计算机在进行入出信息变换时，只考虑信息本身，信息的入出只要人机界面好就可以了。而PLC还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适用于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。
总之，PLC是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。但PLC产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。
2．PLC控制系统的特点
PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通信技术而形成的一代新型工业控制装置，其目的是用来取代继电器执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。
PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理，用户程序由用户按控制要求设计。PLC控制系统的主要特点有：（1）可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能，PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。由PLC构成的控制系统和同等规模的继电器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统的可靠性得以全面提高。PLC在硬软件上提高可靠性的措施有：
① 所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间在电气上实现隔离。
② 各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。
③ 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。
④ 采用性能优良的开关电源。
⑤ 对采用的器件进行严格的筛选。
⑥ 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。
⑦ 大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或由三CPU构成表决系统，使可靠性进一步提高。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。多种多样的功能单元的开发及应用，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，采用PLC组成各种控制系统非常容易。（3）易学易用。PLC是面向工业控制的工控设备，它接口容易，PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，与实际继电器控制电路非常接近，对于使用者来说，梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。而采用功能块图、指令表和顺序功能表图（SFC）语言为PLC编程，也不需要太多的计算机编程知识。利用PLC配套的综合软件工具包，可在任何兼容的个人计算机上实现离线编程。（4）系统设计的工作量小、维护方便、容易改造。PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备的外部接线，使控制系统设计及建设的周期大为缩短，同时日常维护也变得容易，更重要的是使同一设备经过改变程序而改变生产过程成为可能。这特别适用于多品种、小批量的生产场合。（5）PLC的功能非常丰富。这主要与它具有丰富的处理信息的指令系统及存储信息的内部器件有关，它的指令多达几十条、几百条，可进行各式各样的逻辑问题处理，还可进行各种类型的数据运算。凡普通计算机能做到的，PLC也都可以做到。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。
PLC内存中的数据存储区，种类繁多、容量宏大，数据存储区可存储大量数据（几百、几千、几万字的信息都可以存），而且掉电后还不丢失。I/O继电器可以用以存储输入、输出点信息，少的几十、几百，多的可达几千、几万，以至十几万。这意味着它可进行这么多I/O点的输入/输出信息变换，进行满足大规模控制系统的需求。
PLC内部的各种继电器，相当于中间继电器，数量众多。内存中的一位就可作为一个中间继电器。PLC内部的计数器、定时器可达成百、成千。这是因为只要用内存中的一个字，再加一些标志位，即可成为定时器、计数器。而且，这些内部器件还可设置成丢电保持，或丢电不保持，即上电后予以清零，以满足不同的使用要求。PLC内部的器件有：
① I/O继电器或称映射区。它与PLC所能控制的I/O点数及模拟量的路数直接相关。
② 内部继电器。有的把内部继电器数称为标志位数，代表着PLC的部继电器数，它与I/O继电器相关联。内部继电器多，便于PLC建立复杂的时序关系，以实现多种多样的控制要求。一般来讲，内部继电器数比I/O继电器要多得多。
有的内部继电器还具有失电保持功能，即它的状态（ON或OFF）在PLC失电后，靠内部电池仍予以保持，再上电后可继续失电前的状态。保持继电器可增强PLC控制能力，特别对记录故障，故障排除后恢复运行，更显得有用。
③ 内部定时器。利用内部定时器可实现定时控制，定时值可任意设定。定时器有多少，设定范围有多大，设定值的分辨率又是多少，这些都代表定时器的性能。
④ 内部计数器。利用内部计数器可实现计数控制，到达某设定计数值后可发送相应信号。可进行什么样的计数，计数范围多大，怎么设定，有多少计数器，这些都代表计数器的性能。
⑤ 数据存储区。数据存储区用以存储工作数据，多以字、两字或多字为单位予以使用，它是PLC进行模拟量控制或记录数据所必不可少的。这个存储区的大小代表PLC的性能，数据存储区越大越好，其发展趋势也是越来越大。
另外为了提高工作性能，PLC还有多种人机对话及外部设备接口模块，可建立友好的人机界面，以进行信息交换。可写入程序、写入数据，可读出程序、读出数据，而且读、写时可在画面上进行。数据读出后，可转储，可打印。数据写入可键入，可以读卡写入等。
为了组成工业局部网络，PLC还有多种通信联网的接口模块，可与计算机连接或联网，与计算机交换信息。自身也可联网，以形成单机所不能够实现的更大的、地域更广的控制系统。PLC还有强大的自检功能，可进行自诊断，其结果可自动记录。这为它的维修增加了透明度，提供了方便。
丰富的功能为PLC的广泛应用提供了可能，同时也为工业系统的自动化、远动化及其控制的智能化创造了条件。PLC集丰富功能于一身，是别的电控装置所没有的；更是传统的继电控制系统所无法比拟的。（6）采用模块化结构。扩充方便，组合灵活。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。
PLC是系列化产品，可采用模块组合完成不同的控制任务。I/O从8～8192点，有多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。（7）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，写入PLC的应用程序即可投入运行。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。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。（8）环境要求低，适用于恶劣的工业环境。PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作，这是PLC产品的市场生存价值。（9）运行速度快。随着微处理器技术的发展及在PLC中应用，PLC的运行速度增快，使它更符合处理高速度、复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。（10）体积小，重量轻。PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC还可以大大缩短设计、编程和投产周期，使总价格进一步降低。
3．PLC在结构方面的特点
PLC在结构方面的特点有：（1）PLC的输入/输出电路与内部CPU电隔离，其信息是靠光耦器件或电磁器件传递的。而且，CPU板还有抗电磁干扰的屏蔽措施。故可确保PLC程序的运行不受外界的电与磁的干扰，以使PLC能正常、稳定地工作。（2）PLC使用的元器件多为无触点，而且是高度集成的，数量并不太多，这也为其可靠工作提供了物质基础。（3）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。工作环境温度最高达摄氏50℃，有的PLC工作环境温度可高达80℃～90℃。（4）采用同系列的PLC的模块可构成热备份系统，一个主机工作，另一个主机也运行，但不参与控制，仅作为备份。一旦工作主机出现故障，热备份主机可自动接替其工作。还可构成更进一步的冗余系统，采用三取一的设计，CPU、I/O模块、电源模块都冗余或其中的部分冗余。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概率几乎为零，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。
4．PLC在软件方面的特点
PLC的工作方式为扫描加中断，这既可保证它能有序地工作，避免继电器控制系统常出现的“冒险竞争”，其控制结果总是确定的；而且又能对急于处理的控制信息及时响应，保证了PLC对应急情况的及时响应，使PLC能可靠、稳定地工作。
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。在用户程序开始运行时，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毕，则查看定时器的计时值。若超时（一般不超过100ms）则报警，严重超时可使PLC停止工作。用户可依报警信号采取相应的应急措施。定时器的计时值若不超时，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。这是系统程序配置的，用户可不干预，出现故障时有相应的出错信号提示。
5．PLC应用方便
用PLC实现对系统的控制是非常方便的，这是因为PLC控制逻辑由程序建立，用程序代替硬件接线。编制程序和修改程序比硬接线和更改接线方便得多。PLC应用方便主要表现在以下几个方面：（1）配置方便。PLC的硬件是高度集成化的，可集成为各种小型化的模块，而且这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。各种控制系统所需的模块，PLC厂家都有相应的系列产品，所以硬件系统设计与配置也非常方便，可按控制系统的需要确定要使用哪个公司生产的PLC，哪种类型的，用什么模块，要多少模块，确定后，系统的配置即基本完成。（2）安装方便。PLC硬件安装简单、组装容易，外部接线有接线器而使接线简单，而且一次接好后，更换模块时，把接线器安装到新模块上即可，不必再接线。更换模块后内部什么线都不要接，只要做些必要的DIP开关设定或软件设定，以及编制好用户程序即可工作。（3）编程方便。PLC内部虽然没有什么实际的继电器、时间继电器、计数器，但它通过程序（软件）与系统内存，实现这些器件的功能。其数量之多是继电器控制系统难以想象的。即使是小型的PLC，内部继电器数都可以千计，定时器、计数器也以百计，而且这些内部继电器的接点可无限次使用。PLC内部逻辑器件之多，使用户用起来感不到有什么限制，唯一考虑的只是入出点。PLC的指令系统也非常丰富，可实现各种开关量以及模拟量的控制。PLC还有存储数据的内存区，可存储控制过程所有要保存的信息。PLC的外设很丰富，编程器种类繁多，使用起来都较方便，还有数据监控器，可监控PLC的工作。PLC可使用的软件也有很多，不仅可用类似于继电电路设计的梯形图语言，有的还可用BASIC语言、C语言，以及自然语言，这些也为PLC编程提供了方便。
PLC的程序便于存储、移植及再使用，某定型产品用的PLC的程序完善之后，凡这种产品都可使用。生产一台，复制一份即可，这比继电器电路每台设备都要接线、调试，要简单得多。（4）PLC维修方便。因为PLC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措施，确保它能可靠工作，出现故障的概率很低，这大大减轻了维修的工作量。
即使PLC出现故障，维修也很方便。这是因为PLC设有很多故障提示信号，如PLC支持内存保持数据的电池电压低，就有相应的电压低信号指示。而且PLC本身还可记录故障情况，所以PLC出了故障，很易诊断。同时，诊断出故障后排除故障也很简单。可按模块排除故障，进行简单的模块更换即可。至于软件，调试好后不会出故障，只要依据使用经验进行调整，使之进一步完善。（5）PLC改用方便。PLC用于某设备，若这个设备不再使用了，其所用的PLC还可给别的设备使用，只要改编一下用户程序即可。
1.1.2 PLC的基本性能
1．工作速度
工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对急需处理的输入信号的响应速度，工作速度是PLC工作的基础。只有PLC的工作速度高，才可能通过运行程序实现控制，不断扩大控制规模，发挥PLC的多种多样的功能。工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。若控制不及时，就不可能准确、可靠地完成控制任务，特别是对一些需做快速响应的系统，工作速度是选用PLC的第一指标。
PLC的指令有很多，不同PLC的指令条数也不同，少的几十条，多的几百条。指令不同，执行的时间也就不同。但各种PLC总有一些基本指令，而且各种PLC都有这些基本指令，故常以执行一条基本指令的时间来衡量PLC的工作速度。PLC执行一条基本指令的时间越短越好，目前，已从微秒级缩短到零点微秒级，并随着微处理器技术的进步，这个时间还在缩短。
PLC执行一条基本指令的时间短，可加快PLC对一般输入信号的响应速度，从PLC的工作原理可知，从对PLC加入输入信号，到PLC产生输出，最理想的情况也要延迟一个PLC运行程序的周期。因为PLC监测到输入信号，经运行程序后产生输出，才是对输入信号的响应。不理想时，还要多延长一个周期。当输入信号输入PLC时，PLC的输入刷新正好结束，对于这种情况，就要多等一个周期，PLC的输入映射区才能接收这个新的输入信号。对于一般的输入信号，这个延迟虽可以接受，但对于急需响应的输入信号，就不能接受了。对急需处理的输入信号延迟多长时间PLC才能予以响应，要另做要求。
为了处理急需响应的输入信号，PLC有各种措施，不同的PLC采用的措施也不完全相同，提高响应速度的效果也不相同。一般的作法是采用输入中断，然后再输出即时刷新，即中断程序运行后，有关的输出点立即刷新，而不等到整个程序运行结束后再刷新。
这个效果可从两个方面来衡量：一是能否对几个输入信号做快速响应；二是快速响应的速度有多快。多数PLC都可对一个或多个输入点做快速响应，快速响应时间仅几毫秒，性能高的、大型的PLC响应点数更多。
2．控制规模
控制规模代表PLC的控制能力，看其能对多少输入、输出点及对多少路模拟量进行控制。控制规模与工作速度有关，因为规模大了，用户程序也就长，执行指令的速度不快，势必延长PLC循环的时间，也必然会延长PLC对输入信号的响应。为了避免出现这种情况，PLC的工作速度要快。因此，大型PLC的工作速度总是比小型的要快。
控制规模还与内存区的大小有关，规模大，用户程序长，要求有更大的用户存储区。同时点数多，系统的存储器输入、输出的信号区（输入、输出继电器区或称输入、输出映射区）也大。该区大，相应的内部器件也多，这都要求有更大的系统存储区。
控制规模还与输入、输出电路数有关，如控制规模为1024点，那就要有1024条I/O电路。这些电路集成于I/O模块中，而每个模块有多少路的I/O点总是有数的。因此，规模大，所使用的模块也多。
控制规模还与PLC指令系统有关，规模大的PLC指令条数多、指令功能强，以满足对点数多的系统进行控制的需要。控制规模是对PLC其他性能指标起着制约作用的指标；也是PLC划分为微、小、中、大和特大型的指标。
3．组成模块
PLC的结构虽有箱体及模块式之分，但从本质上看，箱体也是模块，只是它集成了更多的功能。在此，不妨把PLC的模块组成作为PLC的结构性能。这个性能含义是指某型号PLC具有多少种模块，各种模块都有什么规格，并各具什么特点。
一般讲，规模大、档次高的PLC，其模块的种类、规格也多，其性能指标也高，但模块的功能则较单一。相反，小型、档次低的PLC模块种类、规格也少，其性能指标也低，但模块的功能则多样，以至于集成为箱体。组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有哪些模块及其特点，才能正确选用模块，组成一台完整的PLC，以满足控制系统对PLC的要求。
箱体式小型PLC的主箱体就是把上述几种模块集成在一个箱体内的，并依据可能提供I/O点数的多少，划分为不同的规格。箱体式PLC还有I/O扩展箱体，它不含CPU，仅有电源及I/O单元功能。扩展箱体也依据I/O点数的多少划分为不同的规格。掌握PLC性能，一定要了解它的模块，并通过了解模块的性能，掌握PLC的性能。
4．内存容量
PLC内存有用户及系统两大部分，用户内存主要用以存储用户程序，个别的还将其中的一部分划给系统用。系统内存是与CPU配置在一起的，CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。
用户内存大小与可存储的用户程序量有关，内存大，可存储的程序量大，也就可进行更为复杂的控制。从发展趋势看，内存容量在不断增大。大型PLC的内存容量可达100KB以上。系统内存对于用户，主要体现在PLC能提供多少内部器件。不同的内部器件占据系统内存的不同区域，在物理上并无这些器件，仅为RAM，但在程序运行时，给使用者提供这些器件的功能。内存器件种类和数量越多，越便于PLC进行逻辑量及模拟量控制。
5．PLC分类
PLC类型有很多，可从不同的角度进行分类。（1）按控制规模分类。
按控制规模进行分类，主要是以开关量的点数多少来分类，模拟量的路数可折算成开关量的点，大致一路相当于8～16点。依这个点数，PLC按控制规模可分为微型机、小型机、中型机、大型机和超大型机。
① 微型PLC。微型PLC的控制点仅为几十点，如OMRON公司的CPM1A系列PLC，西门子的Logo仅10点。
② 小型PLC。小型PLC的I/O点数一般在128点以下，如OMRON公司的C60P为148点，CQM1为256点。德国西门子公司的S7-200机为64点。其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理与传送、通信联网以及各种应用指令。
③ 中型PLC。中型PLC采用模块化结构，其I/O点数一般为256～1024点。如OMRON公司的C200H机普通配置最多为700多点，C200Ha机则为1000多点。德国西门子公司的S7-300机最多为512点。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能连接各种特殊功能模块，通信联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
④ 大型PLC。一般I/O点数在1024点以上的称为大型PLC。如OMRON公司的C1000H、CV1000，当地配置可达1024点。C2000H、CV2000当地配置可达2048点。大型PLC的软件、硬件功能极强，具有极强的自诊断功能。通信联网功能强，有各种通信联网的模块，可以构成三级通信网，实现工厂生产管理自动化。
⑤ 超大型PLC。控制点数可达万点，甚至几万点。如美国GE公司的90-70机，其点数可达24000点，另外还有8000路的模拟量。美国莫迪康公司的PC-E984-785机，其开关量总点数为32K（32768），模拟量有2048路。西门子的S5-115U-CPU945，其开关量总点数为8K，另外还有512路模拟量。
以上这种划分是不严格的，只是大致的，其目的是便于系统的配置及使用。一般讲，根据实际的I/O点数，凡落在上述不同范围者，选用相应的机型，性能价格比必然高；相反，肯定要差些。也有特殊情况，如控制点数不是非常多，不是非用大型PLC不可，但因大型PLC的特殊控制单元多，可进行热备份配置，因而采用了大型PLC。（2）按结构分类。
PLC按结构可分为固定式和组合式（模块式）两种，固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。微型机、小型机多为箱体式，但从发展趋势看，小型机也逐渐发展成为模块式结构。如OMRON公司原来小型机都是箱体式的，但现在的CQM1则为模块式的。
箱体式结构的PLC把电源、CPU、内存、I/O系统都集成在一个小箱体内，一个主机箱体就是一台完整的PLC，即可用以实现控制。控制点数满足不了需要，可再接扩展箱体，由主箱体及若干扩展箱体组成较大的系统，以实现对较多点数的控制。
模块式结构的PLC按功能分成若干模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等。大型机的模块功能更单一，因而模块的种类也相对多些，这也是发展趋势。目前一些中型机，其模块的功能也趋于单一，种类也在增加。如OMRON公司C20系列PLC，H机的CPU单元就含有电源，而Ha机则把电源分出，有单独的电源模块。模块功能更单一、品种更多，可便于系统配置，使PLC更能物尽其用，达到更高的使用效益。由模块连接成系统有三种方法：
① 无底板，靠模块间接口直接相连，然后再固定到相应导轨上。OMRON公司的CQM1机就是这种结构，比较紧凑。
② 有底板，所有模块都固定在底板上。OMRON公司的C200Ha机、CV2000等中、大型机就是这种结构，它比较牢固，但底板的槽数是固定的，如3、5、8、10槽等。槽数与实际的模块数不一定相等，配置时难免有空槽。这既浪费，又多占空间，还要采用空单元填补多余的槽。
③ 用机架代替底板，所有模块都固定在机架上。这种结构比底板式的复杂，但更牢靠，一些特大型的PLC多为这种结构。
1.1.3 PLC的基本结构
PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，PLC实质上是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。作为一种特殊形式的计算机控制装置，PLC在系统结构、硬件组成、软件结构、I/O通道、用户界面等诸多方面都有其特殊性。PLC的基本结构如图1-1所示。图1-1 PLC的基本结构
1．中央处理单元CPU
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能，接收并存储用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，用扫描的方式检查电源、存储器、I/O以及定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映像区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算，并把运算的结果送入I/O映像区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映像区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，控制相关的外部电路。如此循环运行，直到停止。
在PLC中，CPU的概念与普通微型计算机的CPU有很大的不同。在PLC中，CPU指的不是一块集成电路，而是一个模板，其上不仅包括CPU芯片，还有RAM和ROM或者EPROM。在中大型PLC中，CPU模板中一般有两块CPU芯片，一块作为主处理器，用于字节指令的处理，并实现各种控制作用；另一块作为辅助处理器，用于实现位信息的高速处理。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的了解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。工作节奏由时钟信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它是在控制器指挥下工作的。
CPU的运行速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定了PLC的工作速度、I/O数量及软件容量等。因此，CPU的运行速度和内存容量决定了PLC的控制规模。在CPU模块上有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故障显示等，箱体式PLC的主箱体也有这些显示，它的总线接口用于接I/O模板或底板，内存接口用于安装内存，外设口用于接外部设备，通信口用于进行通信。CPU模块上还有许多设定开关，用以对PLC做设定，如设定起始工作方式、内存区等。
2．内存模块
系统内存是与CPU配置在一起的，CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。系统内存对于用户主要体现在PLC能提供多少内部器件，不同的内部器件占据系统内存的不同区域。用户内存大小与可存储的用户程序量有关，内存大，可存储的程序量大，可进行更为复杂的控制。
内存模块的种类和数量越多，越便于PLC进行各种逻辑量及模拟量控制。它也是代表PLC性能的重要指标，PLC内部的I/O继电器（或称映射区）与PLC所能控制的I/O点数及模拟量的路数直接相关，在结构上，内存模块都附加于CPU模块中。PLC常用的存储器类型有：（1）ROM（Read Only Memory）。这是一种只读存储器，只能读不能写，程序是由厂家或开发商事先固化的，不能更改，即使失电也不会丢失。（2）RAM（Random Assess Memory）。这是一种读/写存储器（随机存储器），其存取速度快，由锂电池供电。（3）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）。这是一种可擦除的只读存储器，在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变（在紫外线连续照射下可擦除存储器内容）。（4）EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）。这是一种可擦除的只读存储器，使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。
存储器是具有“记忆”功能的设备，它用具有两种稳定状态的物理器件来表示二进制数码“0”和“1”，这种器件称为记忆元件或记忆单元。记忆元件可以是磁芯、半导体触发器、MOS电路或电容器等。位（b）是二进制数的最基本单位，也是存储器存储信息的最小单位，8位二进制数称为一个字节（Byte），可以由一个字节或若干个字节组成一个字（Word），在PLC中一般认为1个或2个字节组成一个字。若干个记忆单元组成一个存储单元，大量的存储单元的集合组成一个存储体（Memory Bank）。为了区分存储体内的存储单元，必须将它们逐一进行编号，称之为地址。地址与存储单元之间一一对应，且是存储单元的唯一标志。
根据存储器在PLC中处于不同的位置，可分为主存储器和辅助存储器。在PLC内部，直接与CPU交换信息的存储器称主存储器或内存储器。在程序执行期间，程序的数据放在主存储器内。各个存储单元的内容可通过指令随机读写访问的存储器称为随机存取存储器（RAM）。另一种存储器叫只读存储器（ROM），里面存放一次性写入的程序或数据，仅能随机读出。RAM和ROM共同分享主存储器的地址空间，RAM中存取的数据掉电后就会丢失，而ROM中的数据掉电后可保持不变。因为结构、价格等原因，主存储器的容量受限。为满足计算的需要而采用了大容量的辅助存储器称外存储器，如磁盘、光盘等。描述存储器的技术参数有：（1）存储容量。存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量，一般主存储器（内存）容量在几十千到几十兆字节；辅助存储器（外存）在几百千到几千兆字节。（2）存取周期。存储器的两个基本操作为读出与写入，是指将信息在存储单元与存储寄存器（MDR）之间进行读写。存储器从接收读出命令到被读出信息稳定在MDR输出端为止的时间间隔，称为取数时间T；两次独立的存取操作之间所需的最短时间称为存储周期AT，半导体存储器的存取周期一般为60～100ns。MC（3）存储器的可靠性。存储器的可靠性用平均故障间隔时间MTBF来衡量，MTBF可以理解为两次故障之间的平均时间间隔。MTBF越长，表示可靠性越高，即保持正确工作能力越强。（4）性能价格比。性能主要包括存储器容量、存储周期和可靠性三项内容，性能价格比是一个综合性指标，对于不同的存储器有不同的要求。对于外存储器，要求容量大，而对于缓冲存储器则要求速度快，容量不一定大，因此性能价格比是评价整个存储器系统很重要的指标。
各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：（1）系统程序存储区。在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序，包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取，它和硬件一起决定了PLC的性能。（2）系统RAM存储区。系统RAM存储区包括I/O映像区以及各类软设备，如逻辑线圈、数据寄存器、计时器、计数器、变址寄存器、累加器等。
由于PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元（RAM）以存放I/O的状态和数据，这些单元称做I/O映像区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位，一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16位）。因此，整个I/O映像区可看成由两个部分组成：开关量I/O映像区、模拟量I/O映像区。
除了I/O映像区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。
PLC内部的逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于继电器控制线路中的继电器。另外，不同的PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。
PLC内部的数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字（16b）。另外，PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。（3）用户程序存储区。用户程序存储区存放用户编制的用户程序，不同类型的PLC，其存储容量各不相同。
3．I/O模块
PLC对外的功能主要是通过各种I/O接口模块与外界联系的，按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力限制，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了PLC的I/O电路，PLC中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号输入PLC系统，输出模块则相反。
通常，一个PLC控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。I/O单元与CPU是通过现场总线连接的。PLC常用的I/O模块分类如下：（1）开关量I/O模块。开关量是指只有开和关（“1”或“0”）两种状态的信号，开关量I/O模块用做CPU模板与外部开关量信号之间的接口。它完成诸如电平转换、电气隔离、串/并型数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。开关量I/O模块的信号常来自按钮、开关和继电器触点等实际开关量，以及其他外设或受控对象送来的数字量。开关量I/O模块为开关量输入（DI）模块和开关量输出（DO）模块。按电压水平分为220V AC、110V AC、24V DC的开关量I/O模块；按隔离方式分为继电器隔离和晶体管隔离开关量I/O模块。
PLC控制开关量的能力是很强的，所控制的输入、输出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百点、几千点，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。
PLC所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的（即时的、延时的）、不需计数的、需要计数的、固定顺序的、随机工作的。
PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编制和可修改的，用于开关量控制时，非常灵活。必要时，可编写多套或多组程序，依需要调用，以适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。（2）模拟量I/O模块。模拟量是指连续变化的量，按信号类型分为电流型（4～20mA、0～20mA）、电压型（0～10V、0～5V、－10～10V）等，按精度分为12b、14b、16b等。
在工业生产中，特别是连续型生产过程，常需要对诸如电流、电压、温度、压力等大小是连续变化的物理量进行控制。为此，各PLC厂家都在这方面进行了大量的开发。目前，不仅大型机、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机也能进行这样的控制。
PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A/D、D/A单元。它也是I/O单元，不过是特殊的I/O单元。A/D单元是把外电路的模拟量转换成数字量，然后送入PLC。D/A单元是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入/输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区，可读写）交换信息等特点。A/D中的A，多为电流或电压，也有温度。D/A中的A，多为电压或电流。电压、电流变化范围多为0～5V、0～10V，4～20mA，有的还可处理正负值变化的量。A/D中的D，小型机多为8位二进制数，中、大型PLC多为12位二进制数。A/D、D/A有单路，也有多路，多路占的输入/输出继电器较多。12
PLC实现模拟量控制的单位值可小到1/2的测量程值，PLC可采用A/D、D/A组合在一起的单元、PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方、插值、浮点运算。有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。
用PLC进行模拟量控制的优点是：在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。这个优点是别的控制器所不具备的，或实现控制不如PLC方便。当然，若纯为模拟量的控制系统，采用PLC在性能价格比上并不高。
I/O模块的输入部分主要完成阻抗匹配、信号放大、信号滤波、I/V变换、V/F变换或者A/D、D/A变换等工作，以便将来自受控对象的信息量转换成PLC能够处理的数字量。其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。
为了保证PLC能在恶劣的工业环境中可靠工作，PLC输入接口都采用了隔离措施。如图1-2所示，采用的光电耦合器为电流输入型，能有效地避免输入端引线可能引入的电磁场干扰和电磁辐射干扰。图1-2 PLC输入接口的光电耦合器隔离电路
在光电耦合器的输出端设置RC滤波器，是为了防止开关类触点输入时触点振动等引起的误动作，而使得PLC内部约有10ms的响应滞后。当输入点为各种传感器（如接近开关、光电开关、霍尔开关等）时，可以用PLC机内提供的电源或外部独立电源供电，但规定了具体的接线方法，使用时应注意如下事项：（1）采用漏输入。输入端对地短路就能有效限制电流大小，不会对电源系统构成危害，最多只影响自己的回路，也不会由于电源故障影响其他输入回路的正常工作。（2）采用源输入。在工程实际应用中往往有很多电缆，可能无法保证电缆不相互接触、破损，若共用电源的开关量线路接触到设备地、外壳、其他地电位，可能短路电源供应回路，造成电源损坏或者烧毁熔断器，从而可能影响其他输入回路的正常工作。除非每个输入回路都设置熔断器，但会使应用成本增加，也容易出现其他故障。
PLC的输出接口电路在线路结构上采用了隔离措施，一般有以下三种输出形式：（1）继电器输出。开关速度低、负载能力大，适用于低频场合。（2）晶体管输出。开关速度高、负载能力小，适用于高频场合。（3）晶闸管输出。开关速度高、负载能力小，适用于高频场合。
PLC输出接口在应用中应注意的事项有：（1）PLC输出接口是成组的，每一组有一个COM端口，只能使用同一种电源电压。（2）PLC输出负载能力有限，具体参数需参阅所选用的输出模块的相关资料。（3）对于电感性负载应设置阻容保护。（4）负载采用直流电源小于30V时，为了缩短响应时间，可用并联续流二极管的方法改善响应时间，如图1-3所示。图1-3 采用续流二极管改善响应时间电路
4．电源模块
电源模块为PLC运行提供内部工作电源，有的还可为输入信号提供电源。有些PLC中的电源是与CPU模块合二为一的，有些是分开的。电源模块的输入类型有：（1）交流电源。输入为交流220V AC或110V AC。（2）直流电源。输入为直流电压，常用的为24V。
PLC的工作电源在整个系统中起着十分重要的作用，PLC控制系统如果没有一个良好的、可靠的电源是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造十分重视。一般交流电压波动在＋10％（＋15％）范围内，可以不采取其他措施而将PLC直接连接到交流电网上去。考虑到控制系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源模块其地线也不同。PLC中的电源一般有三类：（1）＋5V、±15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用。（2）供输出接口使用的高压大电流的功率电源。（3）锂电池及其充电电源。
5．功能模块
PLC可以配置完成特殊功能的模块，该模块称为智能或功能模块。如高速计数模块、位控模块、热电阻、热电偶、脉冲模块等。这些模块有自己的CPU，可对信号做预处理或后处理，以简化PLC的CPU对复杂的控制量的控制。智能模块的种类、特性也大不相同，性能好的PLC的模块种类多，性能也好。
6．通信模块
通信模块接入PLC后，可使PLC与计算机或PLC与PLC进行通信，有的还可实现与其他控制部件，如变频器、温控器通信，或组成局部网络。通信模块代表PLC的组网能力，也是代表当今PLC性能的重要方面。
具有通信联网功能的PLC，可使PLC与PLC之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间进行信息交换，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在几乎所有的PLC产品都具有通信联网功能，它和计算机一样具有RS-232/485接口，通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。
PLC的联网、通信能力很强，不断有新的联网结构推出。PLC可与计算机连接进行通信，可用计算机参与编程及对PLC进行控制管理。一台计算机可控制和管理多台PLC，多的可达32台。也可一台PLC与两台或更多的计算机通信，交换信息，以实现在多个地方对PLC控制系统的监控。
对于一个大的控制系统可组成局部控制通信网，PLC、计算机、各种智能装置也都可进网。网络结构可采用总线网、环形网，网与网还可桥接。联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网络中，网络间的节点可直接或间接地通信、交换信息。
7．底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：在电气上实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块；在机械上实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。底板或机架为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口，不同厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不相同。
8．外部设备
尽管用PLC实现对系统的控制可不用外部设备，配置好合适的模块就行了。然而，要对PLC编程，监控PLC及其所控制的系统的工作状况，以及存储用户程序、打印数据等，就要使用PLC的外部设备。PLC的性能与其所支持的外部设备是否丰富，外部设备好用与否直接相关。外部设备是PLC系统不可分割的一部分， PLC支持的外部设备有：（1）PLC编程设备。编程器是PLC开发应用、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况、检查维护不可缺少的器件，编程器不直接参与现场控制运行。编程器除了用于编程，还可对控制系统做一些设定，以确定PLC控制方式或工作方式，进行PLC用户程序的调试。简单的编程器只接受助记符编程，个别的也可用图形编程（如日本东芝公司的EX型PLC）。复杂一点的图形编程器，可用梯形图语言编程。有的还有专用的计算机，可用其他高级语言编程。（2）监控设备。最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。小的有数据监视器，可监视数据；大的还有图形监视器，可通过画面监视数据。监控设备除了不能改变PLC的用户程序外，具备了编程器所有的功能，是很好的PLC人机界面。性能好的PLC，其监控设备的功能也越来越丰富。（3）存储设备。它用于永久性地存储用户数据，使用户程序不丢失。这些设备有存储卡、存储磁带、磁盘或只读存储器。而为实现这些存储，就有了相应的存卡器、磁带机、软驱或ROM写入器，以及相应的接口部件。各种PLC大体都有这方面的配套设施。
1.2 PLC工作方式及控制功能
1.2.1 PLC工作方式
1．PLC实现控制的基本要点
入出信息变换、可靠物理实现，是PLC实现控制的两个基本要点。入出信息变换靠运行存储于PLC内存中的程序实现，PLC程序既有生产厂家的系统程序（不可更改），又有用户自行开发的应用（用户）程序。系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信号与信息转换进行必要的公共处理。用户程序由用户按控制要求设计，什么样的控制要求，就应有什么样的用户程序。
可靠物理实现主要靠输入及输出电路，PLC的I/O电路，都是专门设计的。输入电路要对输入信号进行滤波，以去掉高频干扰，且与内部计算机电路是电隔离的，靠光电耦合器建立联系。输出电路内外也是电隔离的，靠光电耦合器或输出继电器建立联系。输出电路还要进行功率放大，以带动一般的工业控制元器件，如电磁阀、接触器等。
I/O电路有很多，每一输入点或输出点都要有一个I或O电路。PLC有多少I/O点，一般也就有多少个I/O电路。但因它们都是由高度集成化的电路组成的，所以所占体积并不大。输入电路时刻监视输入状况，并将其暂存于输入暂存器中。每一输入点都有一个对应的存储其信息的暂存器。输出电路要把输出锁存器的信息传送给输出点，输出锁存器与输出点也是一一对应的。
这里的输入暂存器及输出锁存器实际就是PLC处理器I/O口的寄存器，它们通过总线与计算机内存交换信息，并主要由运行系统程序实现。把输入暂存器的信息读到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（b）称之为输入继电器，或称软接点。这些位置成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（b）与其对应，这个位称为输出继电器，或称输出线圈。靠运行系统程序、输出继电器的状态映射到输出锁存器，这个映射也称输出刷新。输出刷新主要也是靠运行系统程序实现的。这样，用户所要编的程序只是内存中的输入映射区到输出映射区变换，如何按输入的时序变换成输出的时序，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，而且也是较为容易的。
2．PLC工作方式及信息处理规则
PLC是采用循环扫描的工作方式，即每一次状态变化需一个扫描周期。PLC循环扫描时间一般为几毫秒至几十毫秒。这种工作方式有以下显著的特点：（1）在程序处理前，PLC将所有输入端子的状态读入输入映像寄存器，此后在整个程序处理中与外界隔开，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不变化，直到下一扫描周期的输入处理阶段才读入这一变化。（2）在程序处理阶段，程序是从头开始顺序执行的，在指令中涉及输入/输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读取的是上一阶段采样输入端子的状态；从输出映像寄存器读取的是映像寄存器当前的状态。每次执行结果都写入有关的映像寄存器，因此，除输入元件外各元件的映像寄存器的内容随着程序的执行在不断地变化。
由此可见，PLC对信息处理遵守以下规则：（1）输入映像寄存器的内容在整个工作周期是不变的，保存值决定于刷新阶段输入端子的状态。（2）输出锁存器的内容由上一次输出刷新期间输出映像寄存器的内容决定，输出映像寄存器的内容是随程序的执行而变化的。
PLC大多采用成批输入/输出的周期扫描方式工作，按用户程序的先后次序逐条运行。当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段称做一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。（1）输入刷新阶段。程序开始时，监控程序使PLC以扫描方式逐个输入所有输入端口上的信号，并依次存入对应的输入映像寄存器。在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映像区中的相应的单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入的是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。（2）程序处理阶段。所有的输入端口采样结束后，即开始进行逻辑运算处理，根据用户输入的控制程序，从第一条开始，逐条加以执行，并将相应的逻辑运行结果存入对应的中间元件和输出元件映像寄存器中，当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输出刷新处理。
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条程序时，又总是先扫描程序左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。（3）输出刷新阶段。将输出元件映像寄存器的内容，从第一个输出端口开始，到最后一个端口结束，依次读入对应的输出锁存器，从而驱动输出器件形成可编程的实际输出。
通常PLC的一个扫描周期约为10ms，另外，PLC的输入/输出还有响应滞后（输入滤波约为10ms），继电器机械滞后约10ms，所以一个信号从输入到实际输出，大约有20～30ms的滞后，因此输入信号的有效宽度应大于1个周期＋10ms。
当扫描用户程序结束后，PLC进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映像区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
图1-4所示两段程序的执行结果完全一样，但在PLC中执行的过程却不一样。图1-4（a）所示的程序只用一次扫描周期就可完成对M4的刷新；图1-4（b）所示的程序要用四次扫描周期才能完成对M4的刷新。图1-4 PLC应用程序
这两个例子说明：执行的结果完全一样的梯形图，因其排列次序不同，执行的过程却不同。另外，还可以看到：采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。
一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通信等，如图1-5所示。一个扫描周期等于自诊断、通信、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。图1-5 PLC的扫描周期框图
3．PLC的循环扫描时间1）循环扫描时间
PLC采用循环扫描方式工作，每个扫描周期都按顺序把每项任务处理一次，并集中进行I/O处理。这种工作方式至少带来两个好处：一是每项任务在每个扫描周期中均可获得一次服务，从而保证每项任务都具有一定的实时性；二是这种工作方式本身具有较好的抗干扰能力。在一个扫描周期中，I/O处理仅占较少一部分时间，这就意味着大部分时间的干扰信号是不会被采集进PLC的，而且PLC的循环扫描时间一般在数十到一百多毫秒之间，扫描速度非常快，即使采入了干扰信号，由于外部执行器惯性较大，来不及动作，在下个扫描周期内就会将其纠正。
循环扫描方式虽然会带来好处，但也会带来问题。因此，在设计循环扫描时间时必须满足一些限制条件，否则表面上正确的梯形图，其可能内含着隐患与危险，在条件具备时就会产生误动作而引发事故。
PLC逻辑控制系统与继电器控制系统的重要区别在于它们采用的工作方式不同，继电器控制系统按并行方式工作，各支路同时执行，只要形成通路，就可能有好几个电器同时动作。PLC则按循环扫描方式工作，每次扫描一条指令，这是一种串行方式。一般而言，梯形图经过一个周期扫描，在逻辑上未必与原有的继电器电路图一样。但是，只要使状态转变的条件维持一段时间不变，那么经过有限个扫描周期之后，两者在逻辑上会是等价的。然而，若在此期间，状态转换的条件发生变化，那么两者就达不到逻辑等价。
串行方式运行的结果有时要经过n个周期的积累才会与并行执行的结果一样，这就造成在前n个扫描周期两者在逻辑上的不等价状况。只要状态转换条件在这n个扫描周期维持不变，经过n个周期后，两者就达到了逻辑等价；反之，若在逻辑上还没有进入等价之前，状态转换条件发生变化，必然会导致逻辑上不等价，致使所设计的梯形图发挥不出预定的逻辑功能，从而造成故障。为此，要保证逻辑等价性，应满足下列条件：
式中：t表示状态转换条件的保持时间；t为循环扫描时间；n为D达到逻辑等价所需的最小周期数。
t通常由按钮、行程开关、传感器、继电器的动作时间所决定，D它作为设备常数处理。n值可以从梯形图上求得。要保证逻辑等价性必须使式（1-1）成立，这有两个途径：设计循环扫描时间及减少n值。
梯形图是按顺序扫描的，若一个器件其触点所处的梯级在其线圈所在梯级之后，该触点称为“正序”；若其触点所处梯级在其线圈所在梯级之前，该触点称为“反序”。当该线圈控制条件改变时，正序触点在同一个周期就起作用，而反序触点要到下一个周期才起作用。由于反序存在，造成需要数个扫描周期才能逻辑等价。因此，在梯形图设计出来之后，对反序梯级进行适当调整，使n值减小。2）控制精度与循环扫描时间的关系
用PLC控制替代继电器控制带来的主要负面效应是“响应滞后”。“响应滞后”可以用I/O响应时间来描述，它是指当PLC某一输入信号发生变化到输出对其做出反应为止所经历的一段时间。I/O响应时间并不是固定的，有一变化范围，从控制精度考虑，关键是最大I/O响应时间，假设梯形图经调整后用一个扫描周期就可以达到逻辑等价，那么它们的最大I/O响应时间可以从图1-6中求得，扫描周期T由t，t，t，t四个部分组成。其中，t为共同扫描时间；t为外设扫123412描时间；t为用户程序执行时间；t为I/O刷新时间。34
在图1-6中，输入信号经输入滤波延时t到达PLC输入端，若这时S正好错过了I/O刷新时间t，那么只好等下一个周期的t段才被PLC读44入，再到下一个周期的t段才被用户程序处理，到t段输出，然后经34过输出机械延时t，最后执行器动作。因此，最大I/O响应时间t为：6L图1-6 最大I/O响应时间
I/O响应时间滞后，必将使控制品质下降。例如，用PLC控制的点位系统，设其运动的速度为v，由最大I/O响应时间造成的位置误差S为e
设计时，可以从允许的最大误差出发，求出允许的最大I/O响应时间，最后由式（1-2）求得循环扫描周期T的最大允许值。
若PLC控制系统为既含有开关量又含有连续量的多任务系统，其一段连续量数字滤波与PID控制的程序，在C200H上大约要运行35ms左右。如果把数个开关量任务与数个连续量任务顺序排列，采用循环扫描方式得到的循环扫描时间不仅无法满足误差要求，也不能避免输入信号丢失，而且也突破了PLC的看门狗时限，使PLC无法工作。
造成上述状况的原因在于开关量任务与连续量任务是性质不同的两类任务。前者扫描周期越短越好，一般不要超过100ms，而后者扫描周期长，可取1000ms（如压力），甚至10000ms（温度）。为此，采用了如图1-7所示的PLC实时多任务调度算法，该算法引入了大扫描周期与小扫描周期的概念。要求每个小扫描周期必须对全部n个开关量任务均处理一次，并在每个小扫描周期中只处理m个连续量任务中的一个。由m个小扫描周期组成一个大扫描周期，经过一个大扫描周期，全部连续量任务均被处理一遍。控制小扫描周期小于100ms，这样就可以满足控制精度要求及避免输入信号丢失。而大扫描周期则按连续量的性质可取1000ms或更大。
实现图1-7所示的多任务调度算法，关键是设计一个按小扫描周期移位的环形移位寄存器程序。如果把移位寄存器最末一位的输出信号重新引到移位寄存器的输入端，就构成了环形移位寄存器。再设计一个按每个小扫描周期产生一个脉冲输出的脉冲列发生器程序，把它产生的脉冲列引到环形移位寄存器的移位端，若在移位寄存器中只有一位为“1”，则这个“1”将在环形移位寄存器中循环不断移动，就用这位“1”作为图1-7中的1～m开关，对连续量任务进行调度。图1-7 PLC实时多任务调度算法流程图3）计时器时基对循环扫描时间的限制
PLC可以提供数十个到成百个计时器（软件计时器），硬件时钟只提供几种时基（基准时间脉冲列），通过对时间脉冲的软件计数，达到计时目的，构成计时器。要保证某计时器正常工作，必须使循环扫描周期T小于所使用的时基t，即：6
如果式（1-4）不满足，就意味着在一个扫描周期有可能会收到2个或2个以上的时钟脉冲；如果收到第1个脉冲时，正好计时时间到，那么第2个脉冲到就破坏了“计时到”状态；若计时器指令正好在两个脉冲之后，则无法判定“计时到”否。即使在软件上已设法做了处理，使计时器“计时到”状态得已保持，但因T＞t，其计时精6度将不符合要求。
在设计PLC控制系统的循环扫描时间时，应把所有用到的时基汇总起来，取其中最小的时基作为设计循环扫描时间T的限制条件，即：
如果经过精心设计，式（1-5）仍无法满足，则应当修改程序中计时器的选用，把最小时基计时器用较大时基计时器取代。
4．I/O响应时间和寻址方式1）I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔等技术。而为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。
基于以上两个主要原因，使得PLC的I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。
所谓I/O响应时间是指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间，其最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间如图1-8所示。图1-8（a）所示为最短I/O响应时间，图1-8（b）所示为最长I/O响应时间。图1-8 PLC的最短的I/O响应时间与最长的I/O响应时间2）I/O寻址方式
PLC的硬件结构主要分单元式和模块式两种，前者将PLC的主要部分（包括I/O系统和电源等）全部安装在一个机箱内。后者将PLC的主要硬件部分分别制成模块，然后由用户根据需要将所选用的模块插入PLC机架上的槽内，构成一个PLC系统。
不论采取哪一种硬件结构，都必须确立用于连接工业现场的各个输入/输出点与PLC的I/O映像区之间的对应关系，即给每一个输入/输出点以明确的地址，确立这种对应关系所采用的方式称为I/O寻址方式。PLC的I/O寻址方式有以下三种：（1）固定的I/O寻址方式。这种I/O寻址方式是由PLC制造厂家在设计、生产PLC时确定的，它的每一个输入/输出点都有一个明确的固定不变的地址。一般来说，单元式的PLC采用这种I/O寻址方式。（2）开关设定的I/O寻址方式。这种I/O寻址方式是由用户通过对机架和模块上开关位置的设定来确定的。（3）用软件来设定的I/O寻址方式。这种I/O寻址方式是由用户通过软件来编制I/O地址分配表来确定的。
5．PLC输入信号的丢失
PLC在每个扫描周期中集中一段时间对I/O信号进行处理，这将有可能造成输入信号的丢失。当输入信号在I/O刷新时间尚未到来时发生变化，则当I/O刷新时间到来时，因输入信号的变化却已过去而造成输入信号丢失，图1-9表示了扫描周期与输入信号丢失的关系。图1-9 扫描周期与输入信号丢失的关系
在图1-9中，扫描周期T由t，t，t，t四个部分组成。其中，t12341为共同扫描时间；t为外设扫描时间；t为用户程序执行时间；t为I/234O刷新时间；t为输入信号持续时间。如果t＜T，且又正好落在两相SS邻扫描周期的对此信号输入点之间，则将造成输入信号丢失。要避免输入信号丢失，必须满足下列条件：
梯形图设计好之后，循环扫描周期T就固定下来，设计者必须对输入信号持续时间逐一验算，特别是对脉冲输入信号。如对一个用光电传感器测量产品落下的PLC控制系统，若脉冲较窄，将导致经常发生输入信号脉冲丢失，为此需对光电脉冲展宽，使脉冲输入信号宽度大于循环扫描周期，这样便可解决了由输入信号丢失引发的故障。
6．PLC实现控制的过程
简单地说，PLC对生产过程的控制是：输入刷新—再运行用户程序—再输出刷新—再输入刷新……永不停止地循环反复地进行。图1-10所示的流程图反映的就是上述过程，也反映了信息的时间关系。因为有了输入刷新，可把输入电路监控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，所以输出总是反映输入的变化，只是在响应的时间上略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不及时，也就失去控制的意义。
PLC的工作速度快，其执行指令的时间就短，这是PLC实现控制的基础。事实上，PLC的工作速度是很快的，执行一条指令，多的几十微秒，少的仅零点零几微秒，而且这个速度还在不断提高。
图1-10所示的流程图是简化的过程，实际PLC工作过程除了I/O刷新及运行用户程序外，还要做些公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通信处理等。图1-10 PLC实现生产过程的控制流程图
监控循环时间的目的是避免“死循环”，避免程序反复不断地重复执行。办法是用看门狗，只要循环超时，它即可报警，或做出相应处理。
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如打印机输出数据。通信处理是实现PLC与PLC、PLC与计算机或PLC与其他工业控制装置或智能设备间的信息交换。这也是增强PLC控制能力所需要的。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……反复不停地循环进行。
PLC是采用扫描方式不断地重复运行程序实现控制的，扫描方式是用计算机进行实时控制的一种方式，此外还有中断方式。在中断方式下，需处理的控制先申请中断，被响应后正运行的程序停止运行，转而去处理中断工作（运行有关中断服务程序）。待处理完中断工作，又返回运行原来的程序。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。显然，中断方式与扫描方式是不同的。
在中断方式下，计算机能得到充分的利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，PLC在用扫描方式为主的情况下，也不排斥中断方式。即大量控制都用扫描方式，个别急需处理的工作，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理中断工作。这样，可做到所有的控制都能照顾到，个别应急的控制也能进行处理。
7．大中型PLC的工作过程
大中型PLC的一个扫描周期分为以下几个阶段：（1）自监视扫描阶段。为了保证工作的可靠性，PLC内部具有自监视或自诊断功能，自监视功能是由监视定时器（WDT）完成的。WDT是一个硬件时钟，自监视过程主要是检查及复位WDT，如果在复位前扫描时间已经超过WDT的设定值，CPU将停止运行，I/O复位，给出报警信号，这种故障称为WDT故障。WDT故障可能是由CPU硬件引起的，也可能是用户程序执行时间太长，使扫描时间超过WDT时间而引起的，用编程器可以消除故障。WDT的设定一般是150～200ms，一般系统的时间都小于50ms。在大中型PLC中一般可以对WDT进行修改。（2）与编程器交换信息阶段。用户使用编程器（计算集中的编程软件）对PLC进行用户程序的上传、下载或者在使用上位机中的SCADA系统对PLC进行监视控制时，PLC的CPU交出控制权，处于被动状态，上述工作完成或达到信息交换的规定时间后，CPU重新得到控制权，恢复主动状态。在这一阶段中，用户可以通过编程器修改内存的程序，启停CPU，控制I/O，与数字处理器DPS交换信息。（3）与网络进行通信阶段。目前的大中型PLC都是用现场总线协议进行大量数据的交换，例如，controllogix使用controlnet，quantum使用modbusplus，在这一阶段中，PLC和网络进行数据的交换。（4）用户程序扫描阶段。PLC处于运行状态时，一个扫描周期中就包含了用户程序的扫描阶段。在该阶段中，根据用户程序中的指令，PLC从输入状态暂存区和其他软元件的暂存区中将有关状态读出，从第一条指令开始顺序执行，每一步的执行结果存入输出状态暂存区。（5）I/O服务扫描阶段。CPU在内存中设置两个暂存区，一个是输入暂存区（输入映像寄存器），另一个是输出暂存区（输出映像寄存器）。在执行用户程序时，用到的输入值从输入暂存区中取得，结果放在输出暂存区中。在输入服务（输入采样及刷新）中，CPU将实际输入端的状态读入到输入暂存区；在输出服务（输出刷新与锁存）中，CPU将输出暂存区的值同时传送到输出状态锁存器。
输入暂存区的数据取决于输入服务阶段各实际输入点的状态，在用户程序执行阶段，输入暂存区的数据不在随输入端的变化而变化，在该阶段中，输出暂存区根据执行结果的不同而变化，但输出锁存器内容不变。
1.2.2 PLC控制功能及控制系统类型
1．PLC控制功能
简单型的PLC都具有逻辑、定时、计数、顺序、模拟量控制功能，基本型的PLC在简单型的基础上增加了模拟I/O、基本算术运算、通信能力等。复杂型的PLC除了具有基本型的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、远程I/O、多处理器和高速数据处理能力。PLC的主要功能有：（1）逻辑控制。所控制的逻辑问题可以是多种多样的：组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的等。PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，可以代替继电器进行开关量控制。PLC控制开关量的能力是很强的，所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。（2）模拟量控制。模拟量，如电流、电压、温度、压力等，它的大小是连续变化的，在工业生产过程中，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。为此，各PLC厂家都在这方面进行了大量的开发。目前，不仅大型、中型PLC可以进行模拟量控制，就是小型PLC也能进行这样的控制。PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A/D、D/A单元。它也是I/O单元，不过是特殊的I/O单元。（3）定时控制。PLC为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定接通延时、关断延时和定时脉冲等方式。（4）计数控制。用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。（5）步进（顺序）控制、PID控制、积分和滤波。（6）数据控制，数据的采集、存储与处理功能。随着PLC技术的发展，PLC数据存储区越来越大。如OMRON公司的PLC，前期产品C60P的DM区仅64个字，而后来的C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。数据采集也可用A/D单元，当将模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。
PLC还可配置打印机，定期把DM区的数据打印出来。PLC也可与计算机通信，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机对这些数据进行处理。这时，PLC即成为计算机的数据终端。（7）数学运算功能。基本算术：加、减、乘、除。扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算。比较：大于、小于和等于。（8）用于数字量控制。实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。如机床部件的位移，常以数字量表示。数字量控制的有效办法是NC，即数字控制技术。这是20世纪50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。现在已很普及，并且已很完善。PLC也是基于计算机的技术，并日益完善，完全可以用于数字量控制。
PLC可接收计数脉冲，频率可高达几千赫到几十千赫。可用多种方式接收脉冲，还可多路接收。有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十千赫。有了这两种功能，加上PLC的数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现多种控制。
高中档的PLC，还开发有NC单元或运动单元，可实现点位控制。运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法进行数字量的控制。新开发的运动单元，还开发了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。（9）用于监控。PLC自检信号有很多，内部器件也有很多，利用它们进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。用PLC定时器做看门狗，可对控制对象工作情况进行监控。如用PLC控制某运动部件动作，可监视施加控制后动作是否进行，可用看门狗的办法实现监控。具体做法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。如在规定的时间内动作完成，即定时器未超过设定值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无须报警。若超时，则说明不正常，可做相应处理。如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些看门狗监视，那么对系统的工作将了如指掌，出现了故障也便于查找和处理。
对一个复杂的控制系统，监控及自诊断是非常必要的。它可减少系统故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。（10）输入/输出接口功能。具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择，具有温度测量接口，直接连接各种热电阻或热电偶。（11）通信和联网。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS-232或RS-485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台PLC的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，其通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
PLC联网可把成千上万的PLC、计算机、智能设备组织在一个网中，网间的节点可直接或间接地通信、交换信息。PLC的联网、通信功能，适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。它可使工业控制从点（Point）到线（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。（12）人机界面功能。操作者可通过监视器监视生产过程中必需的信息，允许操作者和PLC应用程序相互作用，以便做决策和调整。实现人机界面功能的手段是：从基层的操作者屏幕文字显示到单机的CRT显示与键盘操作，由通信处理器、专用处理器、个人计算机、工业计算机构成分散和集中操作与监视系统。（13）编程、调试。PLC的程序编制可使用复杂程度不同的手持、便携式编程器进行编程、调试、监视、试验和记录，也可采用系统软件包工具在计算机上进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。
2．PLC控制系统的类型
PLC控制系统的类型大体可分为：（1）单台PLC控制的小系统。该系统一般是由一台PLC控制一台设备，或一台PLC控制多台设备中的某些功能。这种用单台PLC构成的控制系统，一般无须考虑PLC间的通信，但有时要求PLC的功能全面，容量要求变化也大，应根据系统具体情况考虑机型及结构。如设备分散、所接设备功率大，可选离散式结构；输入/输出模块的参数应选择合适，如根据需要可选高电压低密度的I/O模块；当用于对原系统改造，用来完善或改进原设备的某些功能时，则应考虑与原系统的连接配合问题；当用一台PLC控制多台设备时，要考虑该台PLC的处理速度与其所控制的每台设备动作时序是否协调等问题。（2）较大系统。适用于对运行速度要求不高但控制动作多、设备距离远、设备间有连锁关系的对象，如大型料场、电炉、大型车站信号控制等。对于这种类型的对象，若选用大型PLC控制，由于大型机编程、调试都不方便，一旦发生故障影响面也大，且价格高，所以一般较少采用，而是采用由多台中小型机进行控制的方式。系统中每一台中小型PLC控制一台（或几台）单体设备，功能简化，编程调试容易，运行中一旦发生故障，影响面小且故障容易查找。多台PLC通过网络连接，用网络把整个系统的控制协调统一起来，这种结构所用PLC台数虽然多一些，但总体上看是合理的。（3）快速实时控制系统。PLC由于采用顺序扫描、串行工作方式，使控制速度受到影响，但随着PLC运行速度的加快，功能及特殊模块的增多，在中小型快速系统中，PLC不仅能完成逻辑控制和主令控制功能，而且已进入设备控制级。
采用多台PLC且使用高速网（传送速率达10Mb/s）连接，可满足快速实时控制系统的要求。对于上千点或几千点、较大地域、多机协调工作的系统，选用这种方案可能在技术、经济上是较合理的，如通过组态软件把PLC网络统一到TCP/IP协议标准上，以使PLC信息在以太网上传送。
对于信息交换速度要求高，但交换信息又不太多的PLC控制系统，可采用PLC的输出点与另一台PLC的输入点用导线直接相连，通过输出/输入点直接传送信息。这样，PLC间的信息传输速度既快又可靠，但交换的信息不能太多，太多将占用大量输入/输出点。在某些快速实时控制系统中可采用这种结构。
第2章 PLC控制系统设计要点及硬软件选择
2.1 PLC控制系统设计要点
2.1.1 PLC控制系统设计基本原则及依据
1．PLC控制系统设计的基本原则
在设计PLC控制系统时，应遵循以下基本原则：
稳定、快速、准确、高性价比是设计PLC控制系统的原则，所以在设计前应摸清控制对象的情况，如工艺要求、设备情况、控制功能、I/O点数及所选PLC性能规格等。在PLC控制系统设计中，最大限度地满足控制要求充分发挥PLC功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计中最重要的一条原则。
设计人员要深入现场进行调查研究，收集资料。同时要注意和生产工艺的技术人员及操作人员紧密配合，共同解决重点问题和疑难问题。保证所设计的PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
在系统设计中，在满足生产过程控制要求的前提下，力求简单、经济、使用与维修方便，注重所设计的PLC控制系统的性价比，并要适当地考虑今后控制系统的发展和完善的需要，不要盲目追求高指标。
2．PLC控制系统设计的依据1）系统条件（1）工艺要求。进行系统设计前，必须熟悉工艺要求与控制过程，详细了解被控对象（设备、生产过程）的工作原理、功能、工作过程和各种操作方式等。如果是对单体设备控制，其工艺要求相对简单；如果是对整个生产线的控制，其工艺要求就较复杂，针对复杂的生产过程，还须画出工作流程图或功能表图，从而清楚地了解被控对象的控制关系。（2）设备情况。设备配置应满足整个工艺要求，对PLC控制系统来说，设备是具体的控制对象，是PLC控制系统设计的基本依据。若是对设备进行控制系统升级改造，还要注意掌握设备的新旧程度。根据设备情况（种类、台数、位置，机械、液压、仪表、电气系统之间的关系及控制复杂程度等），可大体推算出整个系统的控制规模。根据设备的分布情况，控制装置安装位置（机房位置）考虑是采用集中控制还是分散控制，是否采用远程I/O，是否组成PLC控制网络等。（3）控制功能。根据工艺要求和设备情况提出PLC控制系统应实现的控制功能，工艺要求、设备状况和控制功能等内容无疑是PLC控制系统设计的依据，但还应在此基础上，对控制对象的下述内容进行分类统计，以确定系统的规模、机型和配置的依据更为具体。据此选择PLC控制系统的类型，设计总体控制的初步方案。其内容包括：
① 首先要全面了解被控制对象的机构、运行过程等，并明确动作逻辑关系。
② 根据系统功能要求（包括输入、输出信号数量的多少、性质、参数；有无特殊功能要求；是否联网运行等），选择PLC型号及各种附加配置，并有规则、有目的地分配输入、输出点。
③ 开关量输入、输出点数，按参数等级（电压、电流、功率、通信速度等）分类统计。
④ 模拟量输入、输出点数，参数情况。
⑤ 特殊功能、特殊模块要求，包括需要何种特殊性能的模块。
⑥ PLC与被控制设备之间的距离。
⑦ 控制对象对PLC响应速度的要求。2）工作环境
工作环境是PLC工作的硬性指标，所选用的PLC机型要能够适应复杂的环境，如温度、湿度、噪声、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同，一定要选择适应实际工作环境的产品。3）PLC结构形式
在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活、维修方便（换模块）、容易判断故障等优点，要按实际需要选择PLC的结构形式。4）可延性
可延性包括三个方面的含义：（1）产品寿命。大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品。（2）产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用。（3）产品的更新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件），这时应考虑选择当时比较新型的PLC。5）售后服务与技术支持（1）选择好公司的产品，选择信誉好的代理商。（2）是否有较强的售后服务与技术支持。
3．PLC控制系统设计的主要内容
PLC控制系统设计的主要内容有：（1）制定控制系统设计的技术条件，技术条件一般以设计任务书的形式来确定，它是整个设计的依据。（2）选择电气传动形式和电动机、电磁阀等执行机构。（3）选定PLC的型号。（4）编制PLC的输入/输出分配表或绘制输入/输出端子接线图。（5）根据系统设计的要求编写软件规格说明书，然后再用相应的编程语言（常用梯形图）进行程序设计。（6）了解工艺过程对操作和监控的要求，重视人机界面的设计，增强人与PLC之间的友善关系。（7）设计操作台、电气柜及非标准电器部件。（8）编写设计说明书和使用说明书。
2.1.2 PLC控制系统设计步骤
PLC控制系统设计的主要步骤如图2-1所示。图2-1 PLC应用系统设计与调试的主要步骤（1）深入了解和分析被控对象的工艺过程和工作特点及控制要求，了解被控对象（受控的机械、电气设备、生产线或生产过程）机、电、液之间的配合，提出被控对象对PLC控制系统的控制要求，确定控制方案，制定设计任务书。
控制要求主要是指控制的基本方式、应完成的动作、自动工作循环的组成、必要的保护和连锁等。对较复杂的控制系统，还可将控制任务分成几个独立部分，这样可化繁为简，有利于编程和调试。（2）确定I/O设备。根据被控对象对PLC控制系统的功能要求，确定系统所需的输入、输出设备，输入设备（如按钮、位置开关、转换开关及各种传感器等）和输出设备（如接触器、电磁阀、信号指示灯及其他执行器等），从而确定与PLC有关的输入/输出设备，以确定PLC的I/O点数。（3）选择合适的PLC类型。根据已确定的I/O设备，统计所需的输入信号和输出信号的点数，选择合适的PLC类型，包括机型选择、容量选择、I/O模块选择、电源模块选择等。（4）分配I/O点。分配PLC的输入/输出点，编制出输入/输出分配表或者画出输入/输出端子的接线图后，进行PLC程序设计，同时可进行控制柜或操作台的设计。（5）PLC外围硬件线路设计。画出系统其他部分的电气线路图，包括主电路和未进入PLC的控制电路等。由PLC的I/O连接图和PLC外围电气线路图组成控制系统的电气原理图，至此，系统的硬件电气线路已经确定。（6）根据系统的控制要求，采用合适的设计方法来设计PLC程序。程序要以满足系统控制要求为主线，逐一编写实现各控制功能或各子任务的程序，逐步完善系统指定的功能。除此之外，程序通常还应包括以下内容：
① 初始化程序。在PLC上电后，一般都要做一些初始化的操作，为启动做必要的准备，以避免系统发生误动作。初始化程序的主要内容有：对某些数据区、计数器等进行清零，对某些数据区所需数据进行恢复，对某些继电器进行置位或复位，对某些初始状态进行显示等。
② 检测、故障诊断和显示等程序。这些程序相对独立，一般在程序设计基本完成时再添加。
③ 保护和连锁程序。保护和连锁是程序中不可缺少的部分，必须认真加以考虑，它可以避免由于非法操作而引起的控制逻辑混乱。（7）将程序输入PLC。当使用简易编程器将程序输入PLC时，需要先将梯形图转换成指令助记符，以便输入。当使用可编程序控制器的辅助编程软件在计算机上编程时，可通过上下位机的连接电缆将程序下载到PLC中。（8）进行软件测试。程序输入PLC后，应先进行测试工作。因为在程序设计过程中，难免会有疏漏的地方。因此在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行软件测试，以排除程序中的错误，同时也为整体调试打好基础，缩短整体调试的周期。（9）程序模拟调试。程序模拟调试的基本思想是：以方便的形式模拟产生现场实际状态，为程序的运行创造必要的环境条件。在模拟调试过程中，可采用分段调试的方法，并利用编程器的监控功能。根据产生现场信号的方式不同，模拟调试有硬件模拟法和软件模拟法两种形式。
① 硬件模拟法是使用一些硬件设备（如用另一台PLC或一些输入器件等）模拟产生现场的信号，并将这些信号以硬接线的方式连到PLC系统的输入端，其时效性较强。
② 软件模拟法是在PLC中另外编写一套模拟程序，模拟提供现场信号，其简单易行，但时效性不易保证。（10）硬件实施。设计控制柜和操作台等部分的电器布置图及安装接线图；设计系统各部分之间的电气互连图；根据施工图纸进行现场接线，并进行详细检查。由于程序设计与硬件实施可同时进行，因此PLC控制系统的设计周期可大大缩短。（11）系统整体调试。在PLC软硬件设计和控制柜及现场施工完成后，就可以进行整个系统的联机调试，如果控制系统是由几个部分组成的，则应先做局部调试，然后再进行整体调试；如果控制程序的步序较多，则可先进行分段调试，然后再连接起来总调。在调试中发现的问题，要逐一排除，直至调试成功。
联机调试是将通过模拟调试的程序进一步进行在线统调，联机调试过程应循序渐进，从PLC只连接输入设备开始、然后连接输出设备、到最后接上实际负载等逐步进行调试。如不符合要求，则对硬件和程序做调整，通常只需修改部分程序即可。全部调试完毕后，交付试运行。经过一段时间的运行，如果工作正常、程序不需要修改，应将程序固化到EPROM中，以防程序丢失。（12）编制技术文件。系统技术文件包括说明书、电气原理图、电气布置图、电气元件明细表、PLC程序以及使用说明书等。
2.2 PLC控制系统硬软件选择
2.2.1 PLC控制系统的硬件选择
1．PLC机型选择的基本原则
随着PLC技术的发展，PLC产品的种类越来越多。不同型号的PLC，其结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等也各有不同，适用的场合也各有侧重。因此，合理选用PLC对于提高PLC控制系统的技术经济指标有着重要意义。PLC的选择主要应从PLC的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下，力争最佳的性能价格比。在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，应选用整体式结构的PLC；其他情况则最好选用模块式结构的PLC。在PLC机型选择时应考虑以下几点：（1）合理的结构形式。PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类。整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，所以一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中。
模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此，用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活。I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类较多，选择余地较大。维修时只要更换模块，判断故障的范围也很方便。因此，模块式PLC一般适用于较复杂系统和环境较差的场合。（2）安装方式选择。根据PLC的安装方式，PLC控制系统可分为集中式、远程I/O式和多台PLC联网分布式。集中式不需要设置驱动远程I/O硬件，系统反应快、成本低。大型系统经常采用远程I/O式，因为它们的装置分布范围很广，远程I/O式可以分散安装在I/O装置附近，I/O连线比集中式的短，但需要增设驱动器和远程I/O电源。多台联网分布式适用于多台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须附加通信模块。（3）功能要求。一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时、计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。对于以开关量控制为主，带少量模拟量控制的系统，可选用带A/D和D/A单元，具有加减算术运算，数据传送功能增强型低档PLC。
对于控制较复杂，要求实现PID运算、闭环控制、通信联网等功能，可视控制规模大小及复杂程度，选用中档或高档PLC。但是中高档PLC价格较高，一般大型机主要用于大规模过程控制和集散控制系统等场合。（4）响应速度要求。PLC的扫描工作方式引起的延迟可达2～3个扫描周期，对于大多数应用场合来说，PLC的响应速度都可以满足要求，这不是主要问题。然而对于某些个别场合，则要求考虑PLC的响应速度。为了减少PLC的I/O响应的延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，或选用具有高速I/O处理功能指令的PLC，或选用具有快速响应模块和中断输入模块的PLC。（5）系统可靠性要求。对于一般的控制系统，PLC的可靠性均能满足要求。对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余控制系统或热备份系统。（6）机型统一。一个企业，应尽量做到PLC的机型统一。主要考虑以下三个方面的问题：
① 同一机型的PLC，其编程方法相同，有利于技术力量的培训和技术水平的提高。
② 同一机型的PLC，其模块可互为备用，以便于备品、备件的采购和管理。
③ 同一机型的PLC，其外围设备通用，资源可共享，易于联网通信，配置上位计算机后易于形成一个多级分布式控制系统。
由于生产PLC的厂商有很多，选型问题有时会感到无从下手。一般地说，对哪一家公司哪个型号的PLC了解得多，特别是对它的指令和编程软件熟悉，则选用该公司的PLC。因为从可靠性、性能指标上来说，各家公司的产品大同小异。若设备（或产品）或进口设备上已经用了某一种型号的PLC，若再要选用PLC开发新的产品，在满足工艺条件的前提下，还是选用已经用过的PLC为好，这样可以做到资源共享。
国内的一些PLC生产厂，特别是一些合资的PLC生产厂，其PLC的性能与进口PLC是一样的，而且国内PLC厂商售后服务、备品和备件容易解决。国产PLC的价格也比进口的PLC便宜1/3左右。当然进口的PLC，一些国际上知名的大公司生产的PLC，尤其是大型或超大型PLC，在重大工程上还是首选对象。
PLC选型中还有一个重要问题就是性能要相当，如果只有十几个开关量输入/输出的工程项目，选用了带有模拟量输出/输入的PLC机型，这就大材小用了，这时只要选性能相当的PLC，其价格可以大大降低。由于PLC产品更新换代很快，选用相应的新机型很有必要。
2．控制功能的选择
控制功能的选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程语言、诊断功能和处理速度等特性的选择。（1）运算功能。小型PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能，中型PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能，较复杂运算功能有代数运算、数据传送等。大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。目前，PLC已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信功能，有些产品具有与同位机或上位机的通信功能，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。在大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时、计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算、数值转换和PID运算等，要显示数据时需要译码和编码等运算。（2）控制功能。控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量控制，有时也采用专用的智能输入/输出单元完成所需的控制功能，以提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如，采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。（3）通信功能。大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC控制系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS-2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等。大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应按1∶1冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。
在PLC控制系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mb/s，通信负荷不大于60％。PLC控制系统的通信网络主要有下列几种形式：
① PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络。
② 1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络。
③ PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网。
④ 专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。（4）编程语言。PLC有五种标准化编程语言，即三种图形化语言［顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）］和两种文本语言［语句表（IL）、结构文本（ST）］，选用的编程语言应遵守其标准（IEC 6113123），同时还应支持多种语言编程形式，如C、BASIC等语言，以满足特殊控制场合的控制要求。（5）诊断功能。PLC的诊断功能包括硬件诊断和软件诊断，硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入/输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。PLC的诊断功能的强弱，直接与操作和维护人员的技术能力相关，并影响平均维修时间。（6）处理速度。PLC采用扫描方式工作，从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关，PLC的扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K，大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。
对于以开关量控制为主、带少量模拟量控制的控制系统，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档PLC就能满足要求。而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的控制系统（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可根据控制规模及复杂程度来选用中档或高档PLC。其中高档PLC主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等。根据不同的应用对象，表2-1列出了PLC的功能及应用场合。表2-1 PLC的功能及应用场合
目前，国内外众多的生产厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品，只有全面权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要以满足系统功能的需要为宗旨，不要盲目贪大求全，以免造成投资和设备资源的浪费。在PLC控制系统设计中，面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。PLC选型时主要是根据所需功能和容量进行选择，并考虑维护的方便性、备件的通用性、是否易于扩展、有无特殊功能要求等。为此，在自动控制系统设计中可以通过以下几个方面的比较，选择适合所设计的控制系统的PLC产品。（1）PLC输入/输出点确定。I/O点数选择时要留出适当余量。（2）PLC存储容量。系统有模拟量信号存在或进行大量数据处理时，存储容量应选择大一些。（3）存储维持时间。一般存储约保持1～3年（与使用次数有关），若要长期或掉电保持应选用EEPROM存储（不需要备用电源），也可选外用存储卡盒。（4）PLC的扩展。可通过增加扩展模块、扩展单元与主单元连接方式，扩展模块有输入单元、输出单元、输入/输出一体单元，扩展部分超出主单元驱动能力时，应选用带电源的扩展模块或另外加电源模块给以支持。（5）PLC的联网。PLC的联网方式分为PLC与计算机联网和PLC之间互连两种，与计算机联网可通过RS-232C接口、RS-422＋RS232C/422转换适配器、调制解调器等方式进行连接；一台计算机与多台PLC联网，可通过采用通信处理器、网络适配器等方式进行连接，连接介质为双绞线或光缆；PLC之间互连时可通过专用通信电缆、通信板卡或模块＋数据线等方式进行连接。
控制系统的性能优先于价格的选择，只是在性能比较接近，又不易选择时，才考虑价格因素，即选择性价比比较高的产品。在实际选型过程中，往往受到多方面的制约，不一定要考虑以上的全部，但其中有些项是必须考虑的，而存在的问题也必须通过其他替代方式加以解决。在设计过程中需要根据PLC的特点，以程序形式来体现其控制功能。可按照以下几个步骤进行。（1）确定控制对象和控制范围。即分析控制对象、控制过程和控制要求，了解工艺流程，确定控制系统应实现的所有功能和控制指针。控制对象确定后，需要进一步明确哪些操作应由PLC来控制，哪些操作适于手动控制；详细了解被控对象的控制要求，确定必须完成的动作及完成的顺序，归纳出工作循环和状态流程图。（2）在选择机型前，应先对控制对象从以下几个方面进行估计。
① 多少个开关量输入，电压分别是多少。
② 多少个开关量输出，输出功率要多大。
③ 多少个模拟量I/O。
④ 系统有什么特殊要求，如远程I/O、高速计数、实时性、网络通信等。
根据生产工艺要求，分析被控对象的复杂程度，进行I/O点数和I/O点的类型（数字量、模拟量等）统计，列出清单。适当进行内存容量的估计，确定适当的留有余量而不浪费资源的机型（小、中、大型机器），并且结合市场情况，考察PLC生产厂家的产品及其售后服务、技术支持、网络通信等综合情况，选定价格性能比较好的PLC机型。
控制系统的设计，可以用任何同样级别的PLC来完成。如果选用不熟悉或没有应用实绩的PLC，需要做大量的技术调研和学习过程，必将延长设计周期。特别是初次应用PLC设计控制系统时，PLC的选型是一个关键问题。在设计中充分合理利用软件、硬件资源的方法有：（1）不参与控制循环或在循环前已经投入的指令可不接入PLC。（2）多重指令控制一个任务时，可先在PLC外部将它们并联后再接入一个输入点。（3）尽量利用PLC内部功能软元件，充分调用中间状态，使程序具有完整性、连贯性，易于开发。同时也减少硬件投入，降低了成本。
3．I/O点数选择
在PLC控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，在满足控制要求的前提下，力争所选用的I/O点数最少。
一些高密度输入点的模块对同时接通的输入点数有限制，一般同时接通的输入点数不得超过总输入点数的60％。PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限的，有的PLC每点输出电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC的允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等，这些问题在选型时需要考虑到。
PLC的输出点可分为共点式、分组式和隔离式几种，隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种输出平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应选择前两种输出方式。
PLC都有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。1）I/O点数的确定
在考虑到以下几个方面的因素后，PLC的I/O点还应留有一定的备用量（10％～15％）：（1）可以弥补设计过程中遗漏的点。（2）能够保证在运行过程中个别点有故障时，可以有替代点。（3）将来增加点数的需要。
对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2-2列出了典型传动设备及常用电气元件所需开关量的I/O点数。表2-2 典型传动设备及常用电气元件所需开关量的I/O点数2）开关量输入、输出
标准的输入、输出接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机启动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。
尽管输入电路因制造厂家的不同而不同，但有些特性是相同的。如用于消除错误信号的去抖动电路；免于较大瞬态过电压的浪涌保护电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔断器、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。
在选用输出模块为继电器输出时，可以实现执行器件不同触点信号的需要，如有的需要交流电压220V、有的需要直流电压、有的需要一个无源触点等。在设计中选用继电器输出模块时应注意以下问题：（1）触点的保护。有的PLC的输出点是直接控制现场的执行器件，如电磁阀等，而在环境恶劣的工业现场，因线路的老化、导线短路而造成触点损坏。触点一旦损坏，就要更换PLC输出继电器或改变触点而对PLC的程序进行修改。（2）触点的浪费。继电器输出都是成组的，几个输出点共用一个公用端，整组输出的形式必须相同，否则就要用外接继电器转换。若同一动作的两个点，由于处在不同的线路上，只能用不同组的两个点或一个点经过继电器转换。（3）价格的问题。在PLC的输出模块中，继电器输出的价格相对于晶体管输出要高20％。
对于环境恶劣的现场，应采用晶体管输出的PLC模块，输出点全部外接中间继电器，这样就能够避免以上的问题，并使维护简单便利。同时在设计中能够减少因输出点形式不同而发生冲突，而且能够比较便利、合理地分配输出点。对于需要在PLC输出设置外部驱动电路的回路可以用三极管驱动，也可以用固态继电器或晶闸管电路驱动，同时应采用保护电路和浪涌吸收电路，并且每路有显示二极管（LED）指示。3）模拟量输入、输出
模拟量输入、输出接口一般用来接收传感器产生的信号，这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出的设备。这些接口的典型量程为－10～＋10V、0～＋10V、4～20mA或10～50mA。
一些制造厂家在PLC上设有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混合信号。4）特殊功能输入、输出
在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定，如定位、快速输入、频率。此时应当考虑选用特殊功能模块。当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式输入/输出模块。一般智能式输入/输出模块本身带有处理器，可对输入或输出信号做预先处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量，从而使CPU从耗时的任务处理中解脱出来。5）智能式输入、输出
智能式输入、输出模块有高速计数器（可做加法计数或减法计数）、凸轮模拟器（用做绝对编码输入）、带速度补偿的凸轮模拟器、单回路或多回路的PID调节器、ASCII/BASIC处理器、RS-232C/422接口模块等。
4．I/O模块的选择
从抗干扰的角度出发，选择I/O模块的类型是非常重要的。在干扰多的场合，可选用绝缘型的I/O模块和装有浪涌吸收器的模块，可有效地抑制输入、输出信号的干扰。开关量输出回路也应该在前端采取隔离措施，可通过光电耦合器或继电器进行隔离，而且采用两级隔离效果会更好（在CPU板的出口处和开关量输出板的入口处各设一级隔离）。开关量输出回路一般都是用于控制现场的设备，要求实时性强，所以一般不能加滤波电路。采用继电器输出时，所承受的电感性负载的大小，会影响到继电器的使用寿命，因此，使用电感性负载时应合理选择，或加隔离继电器。
一般I/O模块的价格占PLC价格的一半以上，PLC的I/O模块有开关量I/O模块、模拟量I/O模块及各种特殊功能模块等。不同的I/O模块，其电路及功能也不相同，I/O模块直接影响PLC的应用范围和价格，应当根据实际需要加以选择。表2-3归纳了选择PLC的I/O模块的一般规则。表2-3 选择PLC的I/O模块的一般规则
特殊功能模板一般都自带CPU和系统软件，与PLC的CPU模板并行工作，并通过PLC系统总线与CPU模板接口。常见的特殊功能模板包括：高速计数模块（能满足100kHz以上的计数或定时要求）、具有快速PID调节器的死循环控制模块、通信模块等。在软件上也提供了与此相对应的程序块，往往只是简单的输入一些参数就能实现，便于用户编程。1）开关量输入模块的选择
开关量输入模块是用来接收现场输入设备的开关信号，将信号转换为PLC内部接收的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。选择开关量输入模块时应考虑与应用要求的统一，如应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。可根据应用要求，合理地选用智能型输入模块，以便提高控制水平和降低应用成本。选择时主要应考虑以下几个方面：（1）输入信号的类型及电压等级。开关量输入模块有直流输入、交流输入和交流/直流输入三种类型。应根据现场输入信号和周围环境因素进行选择。直流输入模块的延迟时间较短，还可以直接与接近开关、光电开关等电子输入设备连接；交流输入模块可靠性好，适合于有油雾、粉尘的恶劣环境下使用。
开关量输入模块的输入信号的电压等级有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时应根据现场输入设备与输入模块之间的距离来考虑。一般5V、12V、24V适用于传输距离较近的场合，如5V输入模块最远不得超过10m。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。（2）输入接线方式。开关量输入模块主要有汇点式和分组式两种接线方式，如图2-2所示。汇点式的开关量输入模块所有输入点共用一个公共端（COM）；而分组式的开关量输入模块是将输入点分成若干组，每一组（几个输入点）有一个公共端，各组之间是分隔的。分组式的开关量输入模块价格较汇点式的高，如果输入信号之间不需要分隔，一般选用汇点式的。图2-2 开关量输入模块的接线方式（3）同时接通的输入点数量。对于选用高密度的输入模块（如32点、48点等），应考虑该模块同时接通的点数一般不要超过输入点数的60％。（4）输入门槛电平。为了提高系统的可靠性，必须考虑输入门槛电平的大小。门槛电平越高，抗干扰能力越强，传输距离越远，具体可参阅PLC的说明书。2）开关量输出模块的选择
开关量输出模块是将PLC内部低电压信号转换成驱动外部输出设备的开关信号，并实现PLC内外信号的电气隔离。选择输出模块时应考虑与应用要求的统一，如考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点。可控硅输出模块适用于开关频繁、电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。可根据应用要求，合理地选用智能型输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。选择时主要应该考虑负载电压的种类和大小、系统对延迟时间的要求、负载的状态变化是否频繁等。选择时主要应考虑以下几个方面：（1）输出方式。开关量输出模块有继电器输出、晶闸管输出和晶体管输出三种方式。继电器输出的价格便宜，既可以用于驱动交流负载，又可用于直流负载，而且适用的电压范围较宽、导通压降小，同时承受瞬时过电压和过电流的能力较强，但其属于有触点元件，动作速度较慢（驱动感性负载时，触点动作频率不得超过1Hz）、寿命较短、可靠性较差，只能适用于不频繁通断的场合。
对于频繁通断的负载，应该选用晶闸管输出或晶体管输出，它们属于无触点元件。但晶闸管输出只能用于交流负载，而晶体管输出只能用于直流负载。（2）输出接线方式。开关量输出模块主要有分组式和分隔式两种接线方式，如图2-3所示。分组式输出是几个输出点为一组，一组有一个公共端，各组之间是分隔的，可分别用于驱动不同电源的外部输出设备；分隔式输出是每一个输出点就有一个公共端，各输出点之间相互隔离。选择时主要根据PLC输出设备的电源类型和电压等级的多少而定。一般整体式PLC既有分组式输出，也有分隔式输出。图2-3 开关量输出模块的接线方式（3）驱动能力。开关量输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于PLC外接输出设备的额定电流。用户应根据实际输出设备的电流大小来选择输出模块的输出电流。如果实际输出设备的电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。（4）同时接通的输出点数量。选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，如一个220V/2A的8点输出模块，每个输出点可承受2A的电流，但输出公共端允许通过的电流并不是16A（8×2A），通常要比此值小得多。一般来讲，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60％。（5）输出的最大电流与负载类型、环境温度等因素有关，开关量输出模块的技术指标与不同的负载类型密切相关，特别是输出的最大电流。另外，晶闸管的最大输出电流随环境温度的升高会降低，在实际使用中也应注意。3）模拟量I/O模块的选择
模拟量I/O模块的主要功能是数据转换，并与PLC内部总线相连，同时为了安全也有电气隔离功能。模拟量输入（A/D）模块是将现场由传感器检测而产生的连续的模拟量信号转换为PLC内部可接收的数字量；模拟量输出（D/A）模块是将PLC内部的数字量转换为模拟量信号输出。
典型模拟量I/O模块的量程为：－10V～＋10V、0～＋10V、4～20mA等，可根据实际需要选用，同时还应考虑其分辨率和转换精度等因素。一些PLC制造厂家还提供特殊模拟量输入模块，可用来直接接收低电平信号（如RTD、热电偶等信号）。4）特殊功能模块的选择
目前，PLC制造厂家相继推出了一些具有特殊功能的I/O模块，有的还推出了自带CPU的智能型I/O模块，如高速计数器、凸轮模拟器、位置控制模块、PID控制模块、通信模块等。
对于小的系统，如80点以内的PLC控制系统，一般不需要扩展；当系统较大时，就要扩展。不同公司的产品，对系统总点数及扩展模块的数量都有限制，当扩展仍不能满足要求时，可采用网络结构；同时，各公司的扩展模块种类有很多，如单输入/模块、单输出模块、输入/输出模块、温度模块、高速输入模块等。但有些厂家产品的个别指令不支持扩展模块，因此，在进行软件编制时应予以注意。当采用温度等模拟模块时，各厂家也有一些规定，应阅读相关的技术手册。5）电源模块的选择
电源模块的选择是对模块式结构的PLC而言的，对于整体式PLC不存在电源模块的选择。电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其他特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定。
5．对存储容量的选择
用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储器容量，所需的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。用户程序所需的存储容量大小不仅与PLC系统的功能有关，而且还与功能实现的方法、程序编写水平有关。一个有经验的程序员和一个初学者，在完成同一复杂功能时，其程序量可能相差25％之多，所以对于初学者应该在存储容量估算时多留裕量。
存储器容量是PLC本身能提供的硬件存储单元的大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。在设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了在设计选型时能对程序容量有一定的估算，通常采用存储器容量的估算来替代。另外，在存储容量选择的同时，注意对存储器类型的选择。
PLC所用的存储器基本上由PROM、EPROM及PRAM三种类型组成，存储容量则随机型的大小变化。一般小型机的最大存储能力低于6KB，中型机的最大存储能力可达64KB，大型机的最大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
PLC的存储器容量选择和计算的第一种方法是：根据编程使用的节点数精确计算存储器的实际使用容量。第二种估算法是：用户可根据控制规模和应用目的，按照表2-4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25％～30％的裕量，获取存储容量的最佳方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表2-4 控制目的估算存储器容量的方法
2.2.2 PLC编程软件的选择
1．编程元件
PLC的各种功能主要通过运行控制程序来实现，编制程序时，需要合理使用PLC提供的编程元件（即软元件）。PLC中常用的编程元件有两种：位元件（b）和字元件（word）。位元件实际上是PLC内存区域所提供的一个二进制位单元，又被称为软继电器，用做基本顺序指令的编程元件。如输入继电器Xn、输出继电器Yn、内部通用继电器Rn、定时（计数）器等，其参与控制的方式主要是通过对应触点的通断状态改变影响逻辑运算结果，即输出。
字元件则为PLC内存区域内的一个字单元（16b），用做功能指令和高级指令的编程元件，通常用以存放数据，如数据寄存器DTn，定时（计数）器的设定值SVn、经过值EVn等。字元件没有触点，通常以整体内容参与控制。
值得注意的是内存中的输入（X）区、输出（Y）区和内部通用（R）区中的每个位均可用做位元件，而且每16b可构成一个字元件，如WRIO是由16个位元件R100～R10F构成的字元件，该字元件中的内容一旦发生变化，这16个位的状态也随之发生改变。
2．PLC编程语言
PLC编程语言与一般计算机语言相比，具有明显的特点，它既不同于高级语言，也不同与一般的汇编语言，它既要满足易于编写的要求，又要满足易于调试的要求。目前，还没有一种对各厂家产品都能兼容的编程语言。如三菱公司的产品有它自己的编程语言，OMRON公司的产品也有它自己的语言。但不管什么型号的PLC，其编程语言都具有以下特点：（1）图形式指令结构。程序由图形方式表达，指令由不同的图形符号组成，易于理解和记忆。系统软件开发者已把工业控制中所需的独立运算功能编制成象征性图形，用户根据自己的需要把这些图形进行组合，并填入适当的参数。在逻辑运算部分，几乎所有厂家都采用类似于继电器控制电路的梯形图，很容易接受。如西门子公司还采用控制系统流程图来表示，它沿用二进制逻辑元件图形符号来表达控制关系，很直观易懂。较复杂的算术运算、定时计数等，一般也参照梯形图或逻辑元件图给予表示，虽然象征性不如逻辑运算部分，但也受用户欢迎。（2）明确的变量常数。图形符相当于操作码，规定了运算功能，操作数由用户填入，如K400，T120等。PLC中的变量和常数以及其取值范围有明确的规定，由产品型号决定，可查阅产品目录手册。（3）简化的程序结构。PLC的程序结构通常很简单，典型的为块式结构，不同块完成不同的功能，使程序的调试者对整个程序的控制功能和控制顺序有清晰的概念。（4）简化应用软件生成过程。使用汇编语言和高级语言编写程序，要完成编辑、编译和连接三个过程，而使用编程语言，只需要编辑一个过程，其余由系统软件自动完成，整个编辑过程都在人机对话下进行的，不要求用户有高深的软件设计能力。（5）强化调试手段。无论是汇编程序，还是高级语言程序调试，都是令编辑人员头疼的事，而PLC的程序调试提供了完备的条件，利用PLC编程器上的按键、显示屏即可对PLC的程序进行编辑、调试和监控等，并在软件支持下，诊断和调试操作都很简单。
总之，PLC的编程语言是面向用户的，对使用者不要求具备较高的软件知识、不需要长时间的专门训练。
3．编程软件
在PLC控制系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能有所了解，通常情况下，一个系统的软件总是适用于处理控制器所具备的控制硬件。但是，有些应用系统也需要控制硬件部件以外的软件功能。例如，一个PLC控制系统可能包括需要复杂数学计算和数据处理操作的特殊控制或数据采集功能。指令集的选择将决定实现软件任务的难易程度。可用的指令集将直接影响实现控制程序所需的时间和程序的执行时间。在选用PLC时，有无支撑技术条件同样是重要的选择依据。支撑技术条件包括下列内容：（1）编程手段。适用于编程器的类型，如便携式简易编程器、简易编程器和支持PC的离线编程的软件包。（2）进行程序文本处理。简单程序文本处理以及图、参量状态和位置处理，包括打印梯形逻辑、程序标注（包括触点和线圈的赋值名、网络注释）等，这对用户或软件编制人员阅读和调试程序非常有用。（3）图形和文本的处理。
① 程序存储方式。对于技术资料档案和备用资料来说，程序的存储方法有磁带、磁盘或EEPROM存储程序盒等方式，具体选用哪种存储方式，取决于所选机型的技术条件。
② 通信软件包。对于网络控制结构或需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用PLC的主要依据。通信软件包往往和通信硬件一起使用，如调制解调器等。
程序是整个PLC控制系统的“心脏”，程序编制得好或坏直接影响整个PLC控制系统的运行。PLC程序的编程方法和编程语言是PLC选型时需考虑的关键因素。
PLC的编程方法有：（1）使用厂家提供的专用编程器，它也分各种规格型号，大型编程器功能完备，适合各型号PLC，价格高；小型编程器结构小巧、便于携带、价格低，但功能简单、适用性差。（2）使用依托计算机应用平台的编程软件，现已被大多数生产厂家采用。各生产厂家由于各自的产品不同，往往只研制出适合于自己产品的编程软件，而编程软件的风格、界面、应用平台、灵活性、适应性、易于编程等都只有在用户亲自操作之后才能给予评价。
编程语言。编程语言有多种多样，看似相同，但不通用。最常用的可以划分为以下5类编程语言。（1）梯形图。这是PLC厂家采用最多的编程语言，最初是由继电器控制图演变过来的，比较简单，对离散控制和互锁逻辑最为适用。（2）顺序功能图。它提供了总的结构，并与状态定位处理或机器控制应用相互协调。（3）功能块图。它提供了一个有效的开发环境，并且特别适用于过程控制应用。（4）结构化文本。这是一种类似用于计算机的编程语言，它适用于对复杂算法及数据处理。（5）指令表。它为优化编码性能提供了一个环境，与汇编语言非常相似。
在PLC生产厂家提供的编程软件中，一般包括一种或几种编程语言，如TE公司的XTEL编程软件可以使用梯形图（Ladder）、顺序功能图（Grafcet）、结构化文本（Literal）三种编程语言；Siemens公司的Step7编程软件可以使用梯形图（Ladder）、指令表（STL）两种编程语言；Modicon公司的Modsoft编程软件只能使用梯形图（984梯形）一种编程语言，而另一个Concept编程软件可以使用五种编程语言，即梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）和指令表（IL）。同一编程软件下的编程语言大多数可以互换，一般选择自己比较熟悉的编程语言。
4．编程工具
一般手持编程器只能用PLC厂家规定语句表中的语句编程，这种方式效率低，但对于系统容量小、用量小的PLC产品比较适宜，并且体积小，易于现场调试，造价也较低。目前，普遍采用计算机编程、传输程序，要求计算机具有RS-232的9针接口用于与PLC通信。
采用梯形图编程方便直观，一般的电气人员短期内就可应用自如，但该编程器价格较高。用个人计算机加PLC软件包编程是效率最高的一种方式，但大部分公司的PLC开发软件包价格昂贵，并且该方式不易于现场调试。因此，应根据系统的大小与难易，开发周期的长短以及资金的情况合理选购PLC编程器。尽量选用与PLC配套供应的产品，其技术支持好，也有利于产品扩展与软件升级。
5．编程电缆
编程电缆的物理特性因PLC型号的不同而不同，如西门子的PC/PPI电缆为RS-232/RS-485转换。因此，要根据设计选用的PLC型号选用相应的编程电缆。
在PLC编程中，有时需要查询PLC相关指令的具体运用，因此，需要备有PLC编程手册。在PLC控制系统调试前，PLC用户程序的部分功能需要在设计中调试，需要具备一些必要的调试工具，如手持式信号发生器，其能够提供不同电压的直流电源、脉冲信号、模拟量信号等。
6．在线和离线编程（1）离线编程方式。离线编程是指PLC和编程器共用一个CPU，通过编程器的方式选择开关来选择PLC编程、监控和运行工作状态。编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。（2）在线编程方式。CPU和编程器有各自的CPU，PLC的CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，在下一个扫描周期，主机根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC控制系统中常采用。
计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需购置计算机，并配置编程软件，采用哪种编程方法应根据需要决定。
为了便于编制PLC程序，多数PLC厂家开发有关计算机支持软件。从本质上讲，PLC所能识别的只是机器语言。它之所以能使用一些助记符语言、梯形图语言、流程图语言，以至高级语言，全靠为使用这些语言而开发的种种软件。
7．联网通信
现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为PLC控制系统必须解决的问题，但各厂家制定的通信协议千差万别，兼容性差。在PLC联网通信上应考虑以下方面：（1）同一厂家产品间的通信。各厂家都有自己的通信协议，并且不止一种。这在大中型PLC上表现明显，而在小型、微型机上不尽相同，一些厂家出于容量、价格、功能等方面考虑，往往没有或者有与其系列产品不同的通信协议，而且只能实现比较简单的通信。因此，在这方面主要考虑的是同一厂家不同类型PLC之间的通信。（2）不同厂家产品间的通信。若所设计的控制系统属于对已有的控制系统进行部分改造，而所选择的是与原系统不同的PLC，或者设计中需要2个或2个以上的PLC，而选用了不同厂家的产品，这就需考虑不同厂家产品之间的通信问题。（3）是否有利于将来。由于各厂家制定的通信协议各不相同，国际上也无统一标准，所以在PLC选型上受到很大限制。设计时就要考虑应用的广泛性、有发展的、功能完备、接近通用的通信协议。
当对PLC进行通信网络设计时，其难度比PLC单机控制大得多。首先应选用自己较熟悉的机型，对其基本指令和功能指令有较深入的了解，并且指令的执行速度和用户程序存储容量也应仔细了解。否则，不能适应实时要求，造成系统崩溃。另外，对通信接口、通信协议、数据传送速度等也要考虑。最后，还要向PLC的厂商寻求网络设计和软件技术支持及详细的技术资料，至于选用几层工作站，依系统大小而定。
若PLC控制系统需要联入工厂自动化网络，则PLC需要有通信联网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。
人机对话操作台是监控系统的早期产品类型，是生产厂家专为自己的PLC产品设计的，最适合于点对点控制。结构简单、功能少、面板控制，操作较易，现仍然广泛地应用于现场控制系统中。其优点是在远端控制失效的时候，仍能很好地控制现场。
PLC自检信号有很多，内部器件也有很多，可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。随着计算机技术的不断发展，依靠PC（包括工控机）的监控系统越来越多地应用在PLC控制系统中，这种监控系统一种是PLC开发商专为自己的（或特定的）产品量身定做的；另一种是软件开发公司开发的适合大多数PLC产品的监控系统。前一种与PLC产品的相容性强，能够根据PLC产品的特点制定相应的控制方案，应该说仍以PLC为中心；后一种则抛开了PLC产品，注重计算机在图像、动画、声音、网络、数据等方面的优势，给二次开发人员提供了较宽松的开发条件，往往可以制作出优秀的监控系统，只要有相应的通信协议就可以与各种类型PLC相连，是当今自控系统的首选。因此，在这方面应考虑所选的PLC与监控系统的通信方式是否可行。
8．在PLC控制系统设计中应注意的事项
在现代化的工业生产中，大量采用了PLC控制系统，PLC能在恶劣的工作环境下正常工作，但其构成的控制系统由于设计、安装、干扰等因素有时会出现故障。有些问题是在系统设计时考虑不周造成的，根据实践中的经验和教训，在PLC控制系统设计时应注意以下问题：（1）在一个PLC控制系统中，使用的成熟技术至少应占到75％以上。“成熟技术”一是经过一定的生产实践考验的PLC产品或类似设计，或者确定能在未来的生产实践中经得起考验；二是设计工作人员对于需要使用的技术要有经验或有掌握它的能力。所设计的PLC控制系统选用的技术与设计方案切实可行，因为一个生产过程控制系统，一旦做出来，就要长久使用下去，难以找到机会反复修改。设计的硬件系统和编程软件，其中某些缺欠，可能一直隐藏在已完成的PLC控制系统中。若遇到发生破坏作用的条件，后果难以预料。（2）系统的硬件结构和网络要简明而清晰。硬件结构不要追求烦琐，网络组态不要追求交叉因素太多，要力求使用PLC自身配置的组网能力。在组成I/O机箱配套的模板时，其型号力求一致，模板密度不宜过大。使用的接线点不宜过多，从目前机箱的制造和配线工艺来看，输入与输出配线密度不能太高。（3）PLC控制系统的功能和管理系统的功能应严格划分。由于PLC组成的控制系统的实时性要求很高，而网络通信是允许暂时失去通信联系，过后自己能重新恢复，但是在重新恢复之前这一间隔时间内PLC会处于失控状态。另外，在用多个PLC组成一个大系统时，对于主控制的关键命令，除了使用PLC自身的网络通信传送它的信息外，最好有使用它的I/O点做成的硬件连锁，特别是两者之间“急停”的处理。虽然两个系统都在自身的通信扫描中互相变换着“停止”或“急停”命令，但因一方在急停故障时已经停止运行，另一方并未收到已停止的信息而照常运行，其后果难以预测。在PLC控制系统中，关键的“急停”应先切除执行机构的电源，然后将其信号送入PLC，这样可取得设备安全保护的时间。（4）PLC的程序要简明可读。用户软件的编写是“平铺直叙”，用户软件可看成是一个有序的“黑盒子”系列，每个“黑盒子”按照结构化语言划分为几种典型的语句。每个语句方式、手法可能十分单调，但一定要明确。在设计与编写这些语句时，若使用不易推理的逻辑关系太多，或者语句因素太多，特殊条件太多，就会使人阅读这些语句时十分难懂。因此，PLC的用户软件的可读性，即编写的软件能被大多数人读懂，能理解PLC在执行这个语句时“发生了什么”是十分重要的。每一段程序力求功能单一而流畅，这是软件在使用和维护时的重要条件。（5）PLC控制系统在硬件和软件上的预置，应有运行检测的关键监视条件。PLC控制系统配置了图形工作站，但从价格及反映现场状态的时间来看，屏幕监视尚不方便。关键的故障，或者在关键的机械设备附近，可配置一些指示灯，它们可以用数字量输出做成，用来监视程序的正常运行，或用来调试程序，在指示灯旁配以功能标牌，可帮助操作人员确认PLC控制系统的正常运行和及时反映故障。（6）设计大中型PLC控制系统时不要耗尽它的硬件和软件资源。对于设计的新系统，硬件上至少要保留15％左右的冗余，在软件编制时，同样要估计用户软件对计算机资源的需要与用量。尤其对中间继电器、计数器、定时器的使用，要留有余地。因为在调试和运行后，软件总会被修改、补充，甚至重新编制。已编制的软件让人无法修改和完善，在工程上是不实际的。（7）合理地配置PLC控制系统的冗余方式。PLC控制系统可做出多种方式的冗余，中央处理器的双机热备、冷备冗余是常见的方式。另外，双系统冗余，即中央处理器和全部的输入、输出、组网通信完全冗余，其价格和实用性虽然在许多工程项目中难以被人接受，但在有毒、有害的化工生产环境中，这种冗余很有必要。设计的PLC控制系统应使冗余方式较为经济而又实用，力求使故障缩小在本设备身上。不要因某一设备发生故障，引起工艺流程中相关设备运行或状态受到冲击。
通常设计的冗余方式包括：CPU冗余、网络冗余、电源冗余。在极端情况下，一些系统会考虑全系统冗余，即还包括I/O冗余。
① 所谓冗余系统是指系统中有多余的部分，没有它系统能够照样工作，但在系统出现故障时，这多余的部分能立即替代故障部分而使系统继续正常运行。冗余系统一般是在控制系统中最重要的部分（如CPU模块）由两套相同的硬件组成，当某一套出现故障立即由另一套来控制。是否使用两套相同的I/O模块，取决于系统对可靠性的要求程度。
冗余系统如图2-4（a）所示，两套CPU模块使用相同的程序并行工作，其中一套为主CPU模块，另一套为备用CPU模块。在系统正常运行时，备用CPU模块的输出被禁止，由主CPU模块来控制系统的工作。同时，主CPU模块还不断通过冗余处理单元（RPU）同步地对备用CPU模块的I/O映像寄存器和其他寄存器进行刷新。当主CPU模块发出故障信息后，RPU在1～3个扫描周期内将控制功能切换到备用CPU，I/O系统的切换也是由RPU来完成的。图2-4 冗余系统与热备用系统
② 热备用系统的结构比冗余系统简单，虽然也有两个CPU模块在同时运行一个程序，但没有冗余处理单元RPU。系统两个CPU模块的切换，是由主CPU模块通过通信口与备用CPU模块进行通信来完成的。如图2-4（b）所示，两套CPU通过通信接口连在一起。当系统出现故障时，由主CPU通知备用CPU，并实现切换，其切换过程一般较慢，两台热备份连接的PLC系统可靠性比单台PLC的可靠性提高了两个数量级。（8）在设计PLC控制系统时，安全性是第一重要的，即使在外部的电源发生异常，PLC出现故障时，整个系统也能在安全状态下工作。PLC紧急停止应使用外部开关切断，以确保安全。为了确保整个控制系统能在安全状态下可靠工作，避免由于外部电源发生故障、PLC出现异常、误操作以及误输出造成的重大经济损失和人身伤亡事故，PLC外部应安装必要的保护电路。
① 急停电路。对于会给用户造成伤害的危险负载，除了在控制程序中加以考虑之外，还应设计外部紧急停车电路，在PLC发生故障时，能将引起伤害的负载电源可靠切断。
② 保护电路。正反向运转等可逆操作的控制系统，不仅要从PLC内部程序上连锁，还要在PLC外部采取措施，防止负载在两方向动作。往复运行及升降移动的控制系统，要设置外部限位保护电路。
③ 电源过负荷保护电路。如果PLC电源发生故障，中断时间少于10s，PLC工作不受影响，若电源中断超过10s或电源下降超过允许值，则PLC停止工作，所有的输出点均同时断开；当电源恢复时，若RUN输入接通则自动运行。因此，对一些易过负载的输入设备应设置必要的限流保护电路。
④ 重大故障的报警及防护。对于易发生重大事故的场所，为了确保控制系统在重大事故发生时仍可靠地报警及防护，应将与重大故障有联系的信号通过外电路输出，以使控制系统在安全状况下运行。（9）充分利用PLC的监视定时器及自检功能，以提高控制系统的运行可靠性。PLC的监视定时器及自检功能在检查出异常时，输出全部关闭。但当PLC故障时就不能控制输出，因此，对于会给用户造成伤害的危险负载，为使系统在此时处于安全状态，应设有相关的安全连锁电路。当PLC控制系统因输出继电器、晶体管故障，输出应为ON时而出现OFF现象时，控制系统应能自动进入安全保护状态，并使外部设备也同样处于安全状态。（10）设计确保传感器的后备电源过负荷时的安全电路。当传感器的后备电源产生过负荷时，电压自动下降，除PLC输入不工作之外，全部输出都将关闭，为使系统在此时处于安全状态，应设有相关的安全连锁电路。
第二部分 PLC控制系统电磁兼容设计
第3章 电磁兼容技术及设计要点
3.1 电磁干扰及传播途径
3.1.1 电磁干扰影响及干扰变量
1．电磁干扰给PLC控制系统带来的影响
电磁干扰是指任何可能引起控制装置、设备或系统性能下降，或者对有生命或无生命物产生损害作用的电磁现象。电磁干扰是客观存在的一种物理现象，其产生原因可能是外界因素，也可能是自身因素。电磁干扰可能是电磁噪声、无用信号或传播媒介自身的变化。它可引起控制装置、设备或系统降级或损害，但不一定会造成严重后果。造成电磁干扰的后果必须有三个条件：干扰源、导致干扰传播的途径及受害设备自身。因此，要想达到PLC控制系统的电磁兼容，需要消除干扰源或减弱它的强度；破坏干扰传播的途径或减少干扰耦合度；提高PLC控制系统的抗干扰能力。
干扰形成的全过程是由干扰源发出的干扰信号，经过耦合通道达到受干扰设备上。干扰的三个环节，称之为干扰三要素，如图3-1所示。要有效地抑制干扰，首先要找到干扰的发源地，防患于发源处是抑制干扰的积极措施。当产生了难以避免的干扰，削弱通道对干扰的耦合以及提高受干扰设备的抗干扰能力就成为非常重要的方法。图3-1 干扰三要素的关系图
PLC控制系统中的电磁干扰可能对操作产生程度不同的影响：轻到可以忽略不计，重到损坏系统部件。这些干扰可能起源于系统内部，也可能来自系统外部。干扰可以按照各种不同的标准进行分类。另外，同一种干扰自身也会发生变化，进而也可以被划分为不同的类型。
在PLC控制系统中，意外出现的电磁干扰所造成的影响，程度不尽相同，小到对功能的损害可以忽略（或功能下降在允许范围），大到导致的功能失灵，甚至使个体部件或者整个设备的整体功能失灵。这些影响根据其影响程度分类，如表3-1所示。表3-1 影响程度分类
电磁干扰给PLC控制系统带来影响的实例如下：（1）电动机或者电弧炉这样的感应式用电设备进行开关操作而产生的过电压脉冲，如果超过了干扰阈值，那么这些脉冲会对PLC寄存器进行设定或者清除，从而对PLC控制系统的正常功能产生干扰。（2）某工厂厂房只有外部的避雷针，而没有针对雷击的内部保护措施。这样一来，当雷击发生的时候，一些放电电流会进入厂房内，从而损坏PLC控制系统硬件。
2．干扰变量和干扰信号1）干扰变量
干扰变量（干扰）可能是电压、电流和电磁场，它们由电磁活动引起，涵盖的频率和振幅范围很广。它们所展现出来的信号曲线千姿百态，所属的类别也不尽相同。如果从时间的角度进行考虑，那么可以分为周期性的变量和非周期性的变量。（1）周期性的干扰。周期性的干扰由正弦信号组成，外部的正弦信号干扰源包括无线电和电视广播发射器，以及无线电话。在工业设备中，能够引起周期性干扰的有：交流和多相电流部件、整流器、荧光灯、组合电路部件以及计算机。它们会使电源电压波动、电源波形发生持续的失真，还会破坏多相电流源的对称性。周期性干扰如图3-2所示。图3-2 周期性干扰（2）非周期性干扰。非周期性干扰是指短暂的干扰脉冲（瞬态信号），这些瞬态信号的特征是电压变化的速率du/dt以及电流波动的速率di/dt很高。工业网络中，在开关关断过程中产生的过电压可能会高达10kV，其上升时间从纳秒到秒不等，其频率高达100MHz。
在PLC控制系统中，瞬态脉冲尤其值得关注，因为它会对存储区（标志位和寄存器）进行置位和清除，从而破坏系统功能。瞬态信号和脉冲通常是由如下过程中的电弧电荷或者开关动作引起的：
① 在高压和低压开关设备中，主要通过机械接触来完成正常的开关和交换操作。
② 短路、电涌、雷击放电导致的非周期性干扰，如图3-3所示。图3-3 短路、电涌、雷击放电导致的非周期性干扰
在工业网络中各种形式的干扰如图3-4所示，在图3-4中，（a）为整流分站；（b）为相位控制器；（c）为瞬态过程；（d）为脉冲。图3-4 在工业网络中各种形式的干扰
3．干扰变量的参数
干扰变量的参数包括如下。（1）上升时间：用来量度干扰的持续时间。（2）变化率du/dt、di/dt：用来量度干扰的强度。（3）峰值：用来量度干扰的能量。
有效干扰的起因和单位时间内特定电气参数的振幅变化有关，干扰的持续时间和干扰源变化的持续时间是一致的。一个干扰变量的频谱是非常重要的，因为导体中的感性电阻和容性电阻取决于频率，干扰的频率越高，干扰信号就越强烈。频率较高的干扰信号会使导体中的感性电阻上的电压降低，即干扰电压。干扰电压导致电子在线路中的流动，从而产生干扰电流。
为了方便起见，干扰脉冲可以看作一个矩形脉冲，此脉冲可以被计算为一系列正弦函数的和。为了更精确地重现这个脉冲，也就是说，让脉冲边缘的斜率更大一些，电压就必须有更高的频率。在PLC控制系统中，某一线路受电磁干扰程度可以表示为如下关系式：
式中：G为噪声源强度；C为噪声通过某种途径传到受干扰处的耦合因素；I为受干扰电路的敏感程度。
任何形式的自然现象或电能装置所发射的电磁能量，能使共享同一环境的人或其他生物受到伤害，或对控制系统发生电磁危害，导致性能降级或失效。而电磁噪声是一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。
PLC控制系统总是受外部电磁干扰所困扰，另一方面，控制系统设备本身就是强、弱电不等的干扰源。干扰以不同的途径产生，但主要是由于电压、电流的突变引起的。如动力电源的切换、短路、大电动机启动引起的电压降，电力系统的断路器在开断短路电流时产生的高频电压分量、电气设备切换时产生的浪涌电压、雷电引起瞬时电压聚变而产生的过电压等。表3-2给出了电气设备的各类电磁兼容现象。表3-2 电气设备的各类电磁兼容现象注：低频和高频之间界限为9kHz。
3.1.2 电磁干扰分类
干扰源是干扰变量的起源，所有进行电磁能传输的设备都可能成为干扰源，干扰源可能位于系统中（系统内部），也可能存在于系统外（系统外部）。干扰源的分类方法有很多，电磁干扰可按照发生源、传播路径、辐射干扰的产生原因、不同设备的工作原理、发生的频率、频率范围和不同的交流电源进行分类。按电磁干扰属性可以分为功能型干扰源和非功能性干扰源。功能性干扰源是指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰；非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生或附加产生的副作用，如开关闭合或切断产生的电弧放电干扰。
电磁干扰按频段粗略划分为：（1）0～2kHz为谐波。（2）0～150kHz为电压波动与闪烁。（3）150kHz～30MHz为传导发射。（4）30MHz以上为辐射发射。
电磁干扰按频段详细划分为：（1）工频干扰（50Hz）包括输配电以及电力牵引系统，波长6000km。（2）甚低频干扰（30kHz以下）的波长大于10km。（3）载波频段干扰包括高压直流输电谐波干扰、交流输电谐波干扰以及交流电气铁道的谐波干扰等，频谱在10～300kHz之间，波长大于1km。（4）射频、视频干扰（300kHz～300MHz），工科医疗设备以及内燃机、电动机、家用电器、照明电器等都在此范围内，波长为1～1000m。（5）微波干扰（300MHz～300GHz）包括特高频、超高频、极高频干扰，波长为1mm～1m。（6）雷电以及核电磁脉冲干扰的频率，由兆赫直至接近直流，范围很宽。
按电磁干扰信号频谱宽度，可以分为宽带干扰源和窄带干扰源。它们是相对于指定感受器的带宽大或小来加以区分的。干扰信号的带宽大于指定感受器带宽的称为宽带干扰源，反之称为窄带干扰源。窄带干扰信号波形差不多是单一频率（一般相对于中心频率的频带宽度小于1％），在一定的时间（一般是微秒的量级）间隔内辐射。最有可能受到影响的设备频率为0.3～3GHz。当然，在这个频率范围之外的设备工作性能也可能受到影响，特别是有谐振的系统。这类电磁辐射也可能是有调制的，一般称这种辐射为大功率微波辐射（HPM），这个名词也包括微波以外的辐射。
窄带干扰源带有离散频率的信号，窄带干扰源包括：无线电广播设备以及业余无线电发射设备；发射和接收设备；雷达站；工业高频发生器；微波设备；动力电流；焊接机械；声音或固定电台信号接收器；超声波设备；功率转换电路。这些设备能产生较强的电磁场，尤其是在其周围区域内。
宽带发射一般是时域上的脉冲，并且是重复式的。宽带辐射的能量分布在一个很宽广的频带上。例如，超带宽脉冲（UWB），一般上升时间为0.1ns，下降时间在1ns左右，因此，其能量分布在一个非常宽广的频谱上。
窄带干扰信号的能量集中在单一的频率内，很容易产生每米几百千伏的场强，可以对设备造成永久性的破坏。相反，宽带电磁干扰的能量分布在各个频率，所以场强相对较弱。正是因为它的能量分布在许多频率上，对一个系统来说，许多频率都可能受到影响，而且这种干扰多半是重复式的，持续几秒钟，甚至几分钟，这增加了对设备危害的可能性。
具有传导和辐射干扰变量的宽带干扰源，在PLC控制系统中是人们比较担心的干扰源，因为除了拥有宽频谱之外，它们的频率也很高。宽带干扰源包括：电动机；放电管；断路器（电力开关）；电源中的绝缘开关；噪声；半导体控制电路；开关设备（继电器，接触器）；静电放电；大气放电；电晕放电；核子放电。
电磁干扰可以来自系统内部，也可以来自系统外部，前者称为系统内部的干扰，后者称为系统之间的干扰。在分析电磁干扰时，系统是指人们设计、管理和控制的电气设备或电子设备整体。1）内部干扰
系统内部干扰可分为：（1）电源干扰。电源干扰所产生的干扰主要是从电源和电源引线侵入系统的，当系统与其他经常变动的大负载共用电源时，会产生电源噪声。当使用较长的电源传输线时，所产生的电压降及感应电势等也会形成噪声。系统所需的直流电源，一般均由电网交流电经整流、滤波、稳压后提供，有时会因某种原因净化不佳，对系统产生干扰。这种干扰常可使高精度系统的性能下降。（2）地线干扰。地线干扰是由系统内共用一个地线而引起的，当系统内各部分电路的电流均流过公共地线时，会在其上产生电压降，形成相互影响的噪声。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。在图3-5（a）中，R是模拟系统和数字系统的公共接地线cm的电阻。通常，数字系统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大的波动噪声。即使R很小，数字电路也会在其两端形成较高电压，cm使模拟系统的接地电压不能为零。在图3-5（b）中，模拟电路是测量电路的前置放大器，数字系统的入地电流（若为2A）在R（若为cm0.01Ω）上产生电压（20mV），此电压与测量电压U叠加。若U＝ss100mV，那么测量精度将会低于20％。图3-5 模拟系统与数字系统共地耦合干扰示意图（3）信号通道的耦合干扰。信号若需要很长的传输线时，信号在传输过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真，所产生的干扰主要有：
① 传输线周围空间电磁场对传输线的电磁感应干扰。当两条或两条以上传输信号强弱不同的信号线相互靠得很近时，通过线间分布电容和互感而形成的线间干扰，即传输线的线间的串扰。
② 容性（电场）耦合干扰。当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性（电场）耦合，这时干扰电压经传输线电容耦合到信号电路，形成干扰源。
对于平行导线，由于分布电容较大，容性耦合较严重。在图3-6（a）中，导线1和导线2是两条平行线，C和C分别是各线对地12的分布电容，C是两线间分布的耦合电容，U是导线1对地电压，R121是导线2对地电阻。由图3-6（b）等效电路可得导线1电压耦合到导线2上产生的电压U为：2
当时，式（3-2）可简化为：
此时U按电容分压，这种耦合情况是严重的。当2时，则式（3-2）可简化为：图3-6 平行导线容性耦合示意图
由式（3-2）、（3-3）、（3-4）可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。
③ 感性（磁性）耦合。当干扰源是以电流形式出现的，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。图3-7是互感耦合示意图，两邻近导线之间存在分布互感M，（其中，I1是流过导线1的电流，Ф是电流I产生的与导线2交线的磁通），由互1感耦合在导线2上形成的互感电压为，此电压在导线上是串联的，U与干扰的频率和互感量成正比。2图3-7 导线的磁耦合示意图2）外部干扰
系统外部干扰可分为：（1）自然干扰。自然干扰包括雷电、大气层的电场变化、电离层变化以及太阳黑子的电磁辐射等。雷电能在传输线上产生辐值很高的高频涌浪电压，对系统形成干扰。太阳黑子的电磁辐射能量很强，可造成无线通信中断。来自宇宙的自然干扰，只有高频才能穿过地球外层的电离层，频率在几十兆赫到200MHz之间，电压一般在μV量级，对低频系统影响甚微。自然干扰以其发生源不可控为特点，如电子噪声、天电噪声、地球外噪声、沉积静电等。（2）放电干扰。局部放电可以分为正电晕放电、负电晕放电和火花放电三种。这三种放电的频率特性如图2-5所示。电晕放电是由于导体表面的电位梯度过大，引起向空气中放电而产生的高频电磁噪声，其频谱的主要分量在几兆赫以下。其强度随着电位梯度的升高而增加，而导体表面的电位梯度不仅取决于电压等级，而且还直接与导线的等效表面积有关。从图3-8中可以看出，正电晕放电产生噪声随着频率的增加按照正比例规律衰减，对中波广播信号产生干扰。火花放电产生的噪声，从广播频段到电视频段几乎没有衰减，对广播和电视都有影响。图3-8 三种放电的频率特性
最常见的电晕放电来自高压输出线，高压输电线因绝缘失效会产生间隙脉冲电流，形成电晕放电。在输电线垂直方向上的电晕干扰，其电平随频率的升高而衰减。当频率低于1MHz时，衰减微弱；当频率高于1MHz时，衰减急剧。电晕放电干扰对高频系统影响不大，而对低频系统影响较为严重。导体表面电位的变化越大，越容易发生正电晕放电，所以导体表面上一旦有水滴状突起物，噪声就会增加。因此，雨天的噪声比晴天要大，雨越大，噪声越强，但是当降水量超过10mm/h时，噪声就不再增加了。
关于输电线的电晕放电已有许多实测数据，基于这些数据，可以求得计算电晕杂波的实用公式。然而关于这种杂波的发生机理、发射及传播特性还不完全清楚，这方面的理论仍在探讨中。
输电线火花放电是由于输电线路上局部的绝缘被破坏、绝缘子污秽、线路接触不良等原因产生的，其频谱范围可能高达百兆赫，其幅值变化范围很大，远大于电晕放电。电气开关触点开断的断续电流也将引起火花放电，这种放电出现在触点通断的瞬间，如电动机、电刷同邻近的整流片反复接通和断开，形成很宽频率范围的火花放电干扰。这种干扰波虽然被电动机金属外壳屏蔽，但还会有部分通过窄小的空隙和引出线辐射出来。火花放电干扰具有较大的能量，如小型电钻的干扰电平约为20～80dB（200MHz以下），可使邻近电视图像不停跳动。（3）辉光放电。辉光放电即气体放电，当两个接点之间的气体被电离时，由于离子磁撞而产生辉光放电，肉眼可见到蓝色的辉光。辉光放电所需电压与接点之间的距离、气体类型和气压有关。荧光灯、霓虹灯及工业生产中使用的大型辉光离子氧化炉等，均是利用这一原理制造的辉光放电设备。辉光放电干扰源一般为超高频，如荧光灯的干扰电压可达几十到几千微伏，甚至可达几十毫伏。（4）弧光放电。弧光放电即金属雾放电，最具典型的弧光放电是金属电弧焊。弧光放电产生高频振荡，以电波形式形成干扰。这种干扰对系统危害较大，在半径为50m的范围内，当频率为0.15～0.5MHz时，干扰电压最低仍可达1000μV；当频率为2.5～150MHz时，也可达200μV。（5）电力干扰。随着越来越多的电子设备接入电力主干网，系统会出现一些潜在的干扰。这些干扰包括电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压变化、闪电瞬变和电力线谐波等。各种电气开关通、断时并不都会产生放电现象，但由于通、断时产生强烈的脉冲电流有非常丰富的频率分量，这种干扰可通过与开关连接的线路辐射出去。开关通、断时电压、电流的增大或衰减时间越短，噪声的带宽越宽；急速变化的电压及电流的幅值越大，则噪声的幅值越大。特别是在电感性负载的电路中，电路从通转换成断的瞬间，容易产生断续的电磁干扰，噪声波形由小逐渐变大，这对应了开关触点之间的距离由小到大的过程。
在图3-9所示的电路中，直流电压U在L和R串联的负载上产生电D流I时，开关S从通转换成断的瞬间，在L两端产生比U大数十倍、有D时上百倍的极性相反的尖峰电压（称为电感反冲电压）。当L两端有寄生电容C＝100pF时，电感两端产生约－848V电压，若振荡频率为0225kH时；C可以忽略时，电感两端将达到－6000V；寄生电容越大，Z0电感两端的电压越低，振荡频率也越低。图3-9 电感电路断开的情况（6）工频干扰。供电设备和输出线都会产生工频干扰，若信号传输线有一段与供电线平行，这种低频干扰就会耦合到信号线上成为干扰。直流电源的输出端也可能会出现不同程度的交流干扰，它发生在系统内部。工频电场表现形式主要存在于导线对大地之间。其强度主要取决于电压等级。对于直流输电线路则为一个纯的静电场。由于工频频率很低，波长很长（50Hz的波长为6000km），因而距线路虽较远仍为近场，磁场与电场必须分别考虑。其强度主要取决于导线的载流量，并随距离的增大衰减很快。（7）射频干扰。通信设备、无线电广播、电视、雷达等通过天线会发射强烈的电波，高频加热设备也会产生射频辐射。电磁波在系统的传输线上以及接收天线上，会感应出大小不等的射频信号。有的电磁波在接收天线上产生的电动势比欲接收的信号电动势大上万倍，为此，造成有害的干扰并不需要很大的功率。射频干扰从甚低频到微波波段，无孔不入地辐射至运行中的电子设备或系统以及周围的环境，给设备或系统以及生态带来各种各样的危害。
射频干扰通过空间传播的干扰能量以场的形式向四周传播，场分为近场和远场。近场又称感应场，如果场源是高电压小电流的源则近场主要是电场，如果场源是低电压大电流的源则近场主要是磁场。无论场源是什么性质，当离场源距离大于λ/2π以后的场都变成了远场，又称辐射场。对于距离较远的系统间的电磁兼容问题，一般都用远场辐射来分析。对于系统内，特别是同一设备内的问题基本上是近场耦合问题。
周围空间的干扰电场和磁场都会在闭合环路中产生感应电压，从而对环路产生干扰。闭合环路产生的感应电压与环路面积成正比，环路面积越大感应电压越大，所以要避免外界噪声场的干扰，应尽量减小环路面积。其频率越高产生的感应电压也越大，即高频噪声容易对环路产生干扰。（8）静电放电（ESD）。现代芯片工艺在很小的几何尺寸（0.18μm）上元器件已经变得非常密集，这些高速的、数以百万计的晶体管的灵敏度很高，很容易受到外界静电放电的影响而受到损坏。静电放电可以是直接或辐射的方式引起的，直接接触放电一般引起PLC控制系统中的元器件永久性损坏，辐射引起的静电放电可能引起PLC控制系统紊乱或工作不正常。
摩擦产生的静电作为能源来说是很小的，但是电压可达数万伏。带有高电位的人接触PLC时，人体上的电荷会向PLC放电，急剧的放电电流造成噪声干扰，而影响PLC正常工作。当不同介质的材料相互摩擦时，会发生电荷转移而产生静电。当然静电也可能以其他的方式产生，如受到其他带电体的感应。静电场强的高低取决于材料所携带的电荷量多少和对地电容的大小。当这种材料对PLC的场强超过绝缘介质的击穿强度时，会发生电晕放电或火花放电，形成静电干扰，可能导致PLC损坏。（9）汽车杂波。汽车在工作过程中产生甚高频（VHF）至特高频（UHF）频段的杂波，根据其强度和特性的测定结果，也可采取相应措施，使PLC控制系统基本不受影响。汽车点火系统是一个很强的干扰源，这种点火系统产生强烈的冲击电流，从而激励附属电路振荡，并由点火导线辐射出去。这种干扰的频率很高，在20～1000MHz范围内，干扰半径可达50～100m。斯坦福研究所（SRI）对点火系统发射杂波的主要部件火花塞、配电器接点等进行了改进，使处于30～500MHz频段的杂波降低了13～20dB。若分电器电极间隙为0.27～2.39mm，则杂波可下降10dB。若在负荷电极上增加银接点，或用多发合金覆盖，也可降低杂波。点火系统以外的汽车电装置也能发出杂波，其特性正在测试研究中。电气机车运行时，导电、弓架与触线间的放电也是人为杂波的根源之一。若导电弓架的电流通路用滤波材料包围起来并采用一些辅助措施，可将杂波降低20dB。（10）工业科学和医疗用射频设备（ISM）杂波。ISM设备是把50Hz交流电通过射频振荡变为射频的变频装置，用于工业感应和电介质加热、医疗电热法和外科手术工具以及超声波发生器、微波炉等。虽然ISM设备本身有屏蔽，但有缝隙、孔洞、管线进出和接地不良等，仍将有电磁场泄漏形成干扰。（11）核电磁脉冲。核爆炸时有三大效应：冲击波、热辐射（光辐射）和放射性沾染，实际上核武器还有第四种效应，即电磁脉冲（Electromagnetic Pulse），简称EMP。EMP的后果是破坏电气及电子设备，EMP可使军事指挥、控制、通信和情报系统遭到破坏而瘫痪、电力网断路、金属管线及地下电缆通信网等都受到影响。
干扰源还分为有序和无序（泄漏）干扰源，以及连续的或间歇的干扰源：（1）有序和无序（泄漏）干扰源。了解有序干扰信号和无序干扰信号之间的区别，有助于我们在EMC工作中检测设备频率范围时，采取正确的措施，以减少干扰或者探寻未知干扰源。在进行系统规划的时候，必须把有序干扰源的发射值考虑在内。（2）连续的或者间歇的干扰源。了解连续干扰信号和间歇干扰信号的区别，在某些场合下也是必要的，如在干扰源和接收器的定时操作中必须切断某一特定感应。3）其他干扰（1）温差电势。当电流回路的导线采用不同的金属，并且在连接处具有不同的温度时，则在回路内将产生温差电势。在图3-10中，如一支路R为康铜，另一支路R为铜，则温差电势U＝U－U＝1L00102～100μV，此电势将叠加到测量电压U上，使得测量结果为U＋mmU。0图3-10 温差电势对测量电压的影响（2）电阻热噪声。电阻热噪声是由电阻一类导体因电子布朗运行而引起的噪声，导体中的电子始终在做随机运行，并与分子一起处于平衡状态。电子的这种随机运行将会产生一个交流成分的热噪声（或称为电阻噪声）。热噪声电压可用下式计算：-23
式中：k为波尔兹曼常数，k＝1.3804×10J/K；T为绝对温度（K），R为电阻值（Ω），Δf为所考虑的频带（Hz）。
当T＝300K，R＝1MΩ，Δf＝400Hz时，热噪声电压U为：（3）转接干扰。电路转接过程中通常会产生干扰脉冲，此干扰脉冲又可能引起另一次的转接过程，这种转接过程的脉冲，一般可采用电容或二极管来抑制。（4）微音干扰。机械颤动、接触电阻的变化或电缆电容（或电感）的变化，均会产生微音干扰。（5）压电效应干扰。弯折电缆时，若介质中产生机械力，就会－10引起压电效应干扰。例如，感应电荷为Q＝10A·s，电缆电容率C/L＝100pF/m，电缆长度L＝5m，电缆电容C＝500pF，则弯折电缆时产生的电压为：
3.2 电磁干扰传播途径及干扰耦合机理
3.2.1 电磁干扰传播途径及耦合形式
1．电磁干扰传播途径
电磁干扰传播途径示意图如图3-11所示，在实际情况中，传导耦合和辐射耦合并不是截然不同的，它们可以相互转化。如在金属导线中传输的电流很大时，辐射也会很严重。电磁辐射一词的含义有时也可引申，将电磁感应现象也包含在内。射频电磁干扰可以通过设备机柜的开口、通风孔、出入口、电缆、测量孔、门框、舱盖、抽屉和面板，以及机柜的非理想连接面等进行辐射。射频电磁干扰也可通过与设备连接的导线和电缆进行辐射，任何一个良好的电磁能量辐射器也可以作为良好的接收器。图3-11 电磁骚扰传播途径示意图
从被干扰的敏感器来看，干扰耦合可分为传导耦合和辐射耦合两大类，一台电子设备典型的干扰传输途径如图3-12所示。在图3-12中，1为电源线的传导干扰；2为信号线的传导干扰；3为设备向外辐射和接收干扰；4为电源线作为天线向外辐射和接受干扰；5为信号线作为天线向外辐射和接受干扰；6为设备内部干扰；7为地线混入的干扰。图3-12 电子设备典型的干扰传输途径
在实际工程中，两个设备之间发生干扰通常包含着多种途径的耦合。正因为多种途径的耦合同时存在，反复交叉，共同产生干扰，才使得电磁干扰变得难以控制。
当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离时，则可认为干扰源是辐射场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。如果干扰源的频率较低，干扰信号的波长λ比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与被干扰对象之间的距离，则可认为干扰源是感应场，它以感应场形式进入被干扰对象的通路。
干扰信号可以通过直接传导方式引入线路、设备或系统，若干扰信号以漏电和耦合形式，则通过绝缘支承物等（包括空气）为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。干扰源并不独立存在，在传播过程中又会出现新的复杂噪声。
任何电磁干扰的发生都必然存在干扰能量的传输和传输途径（或传输通道），电磁干扰按传输途径可分为两大类：传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。
2．传导干扰
传导干扰涉及金属导体（金属线或者导电结构），如变压器、线圈以及电容器。因为导体在工作的时候也可视为有效的天线设备，所以这些干扰信号也可以转换为辐射干扰信号，反之亦然。传导干扰的频谱如表3-3所示。表3-3 传导干扰的频谱
在上面提到的干扰源中，很多都是和电源线相连。它们各自的干扰变量会发送到电源网络，并从那里传递出去。所以说电源网络自身也会成为连续和间歇干扰信号的来源。
传导是指电压或电流通过干扰源和被干扰对象之间的公共阻抗进入被干扰对象，公共阻抗通常是干扰频率的函数。干扰经过金属线路、电容器、变压器等直接传导到电路。传导干扰是沿着导体传播的干扰。所以传导干扰的传播要求在干扰源和接收器之间有一完整的电路连接，只要有连接便可能传导电磁干扰。工程实践表明，影响最大的是电源回路传导的干扰，其中最易导致电子设备故障或运行错乱的是脉宽小于1μs的干扰脉冲与瞬变噪声，以及持续时间大于10ns的持续噪声。产生干扰脉冲与瞬变噪声的主要原因有电力负载通断、电容器投入、熔断器熔断、感性负载的通断、雷电等，干扰脉冲与瞬变噪声多为不规则的正、负脉冲或振荡脉冲，其尖峰电压可达0.1～10kV，电流可达100A，以断开感性负载情况最严重。而持续噪声主要有：持续欠电压与过电压、电压缺口、大容量异步电动机启动或雷电引起的扰动等。1）传输线的分布参数特性（1）传输线的电阻。任何导体都存在一定的电阻，在导线中流过直流或低频电流时，电荷在导线横截面上是均匀分布的。当导线中流过高频电流时，由于高频集肤效应，导线中的电流主要集中在导体的表面，而导线中心几乎没有电流，因此导线的交流电阻将大于直流电阻，且交流电阻与频率的二分之一次方成正比。导线的交流电阻可用改变截面积形状的方法来减小。同样截面积的矩形导线比圆形导线具有更大的表面，所以交流电阻比圆形导线小。接地导线常采用扁平矩形导线来代替圆导线，以减小高频电阻。（2）传输线的特性阻抗。传输线具有电阻、电感和电容，对于均匀一致的传输线，电阻、电感和电容均匀地分布在传输线的各个部分，称为分布参数，特性阻抗描述了传输线的分布参数特性，定义为：
式中：s为平行双线的间隔；r为导线半径；μ为磁导率，ε为介电常数。式（3-6）适用条件为s＞5r。
由式（3-6）可知，特性阻抗是表征传输线本身特性的一个物理量，与传输线内的电流、电压无关，只与传输线的结构（线径、线间距）和传输线周围的介质（ε，μ）有关。传输线特性阻抗描述的是传输线的分布参数特性而不是真正的阻抗。印制板上的走线和双绞线的特性阻抗在100～200Ω，同轴电缆为50Ω或75Ω。2）短传输线
传输线的分布参数必然会影响传输线中的信号传输，这与传输线的长度密切相关。根据传输线长度与信号频率的关系可把传输线分为长线和短线，当传输线长度l≤1/20的信号波长时或者传输延迟时间t≤d1/4的数字信号脉冲上升时间t时，传输线可视为短线。s
短线可以用集中参数等效电路来分析，即把传输线看成是由集中参数电阻、电感、电容组成的网络，其值大小分别等于单位长度上的分布参数值乘以传输线长度。例如，有一对传输线，终端短路，如符合短线条件，则可看成是一个电阻和一个电感串联，总的阻抗为：Z＝R＋j2πf。对于绝大多数双绞线、同轴电缆、印制板电路，当频率L低于3kHz时，传输线路中电阻起主要作用。当频率高于3kHz后电感起主要作用，电阻可以忽略不计。
传输线的等效电路如图3-13所示，设其符合短线条件，其中R是S信号源阻抗，R、C是负载的输入阻抗，L、C是传输线的电感和电容，ii则有L＝L×l，C＝C×l，其中L和C为分布电感和分布电容，l为传输0000线长度。由于传输线路中存在电感和电容，数字信号通过传输线时可能会产生振铃现象，即衰减振荡，振荡频率为：
振铃波形的上冲与下冲会降低门电路的噪声容限，严重时会使电路产生误动作，所以应该设法克服由于传输线的分布参数引起的振铃2现象。当信号环路中的电阻、电感和电容符合R≥4L/（C＋C）时，i振铃现象可被抑制。其中R为传输线中的总电阻，可以通过在信号源端串接一个抑制电阻以满足上式，等效于增加信号源的阻抗。此时系统阶跃响应的上升时间会略有增加，所以抑制电阻不能取值过大。
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