PLC对机床电气控制的改造分析报
本文介绍了关于PLC在机床电器控制中的应用、PLC在机床控制中的应用、钻床结构和运动
形式、机床常用低压电器、机床电气控制等，并对Z35型摇臂钻床主要电路设计解释了PLC
在机床控制正反转过程。
关键词：机床电器 机床 电气控制 PLC
第一章 机床电器控制的发展历史和现状
在机床工业的发展过程中，提高机床的加工速度和加工精度，始终是人们努力解决的相互制
约的两大课题，也是推动机床电气控制系统发展的动力。电力拖动控制、电力电子、检测、
计算机和控制理论的发展，为机床电气控制系统不断发展提供了物质和科技条件。
20世纪40年代以前，机床的电气控制主要采用交流电动机拖动的继电器-接触器控制。由于
当时的交流电动机难以实现调速，只能通过皮带、齿轮等机械机构来实现有级变速，因而机
床的机械结构比较复杂，同时还限制了加工精度的提高。继电器-接触器控制系统可以实现机
床的各种运动控制（如启动、制动、反转、变速等），并可实现逻辑控制、联锁控制、异地控
制等，因而大大提高了机床的自动化水平，有助于减轻工人的劳动强度。这种控制系统技术
简单、易于掌握，至今仍被广泛采用。
继电器-接触器控制系统是由各种电器组成的，而这些电器的机械动作寿命是有限的，必须按
时更换损坏的电器，以免影响系统的可靠性。另外，根据加工工艺的要求，需要改变控制逻
辑关系时，必须修改线路，重新安装配线，这对现代机床的控制要求是很不适应的。
20世纪40年代后，发电机-电动机、交磁放大机-电动机等直流调速系统，以其优良的调速
性能，被广泛用于大型机床的主拖动和进给拖动系统中。不仅提高了机床的加工性能，还简
化了机床的传动机构。
近年来，由于电力电子器件及其变换技术的发展和矢量控制技术的应用，交流调速系统有了
很大的发展，在调速性能上完全可以与直流调速系统相媲美，加之性能可靠、维护方便，因
而在星带机床中逐步取代着直流调速系统。
在机床的控制方面，今年出现的可编程控制器（PLC）已广泛用于电气控制系统中。可编程控
制器不仅可以按事先编好的程序进行各种逻辑控制，还具有随意编程、自动诊断、通用性好、
体积小、可靠性高的特点。因此，可编程控制器正逐步取代着继电器－接触器控制系统。
可以预料，随着科学季度的发展，机床PLC电气控制系统将继续向更高的方向发展，以不断
提高机床的加工精度、生产效率和自动化水平。
第二章 PLC在机床电器控制中的应用
2.1可编程序控制器的基本概况
2.1.1可编程序控制器的定义
可编程序控制器（Poogrannable Controller）简称为PC,但是由于个人计算机(Personal
Computer)也简称为PC,为了区别,同时由于早期的可变程序控制旗帜是具有逻辑控制功能,
因此人们仍习惯称可编程序控制器为PLC(Programmable Logical Controller)．
1982年国际电工委员会在颁布可编程序控制器标准草案中所作的定义为:可编程序控制器是
一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统.它采用一种可编程序的存储
器,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，通过数字
或模拟式的输入／输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。可编程序控制器及其有关设
备应按易于与工业系统连成一个整体和具有扩充功能的原则进行设计。
2.1.2可编程序控制器的发展趋势
由于工业生产队自动控制系统需求的多样性，PLC的发展方向有两个：
一是朝着小型、建议、价格低廉方向发展。单片及技术的发展，促进了PLC向紧凑型发展，
体积减小，价格降低，可靠性不断提高。这种小型的PLC可以广泛取代继电器控制系统，应
用于单机控制和小型生产的控制，如OMRON公司的C20、C20P、C28P、C40P、C60P、C20H、
C40H等。
二是朝着大型、高速、多功能方向发展。大型的PLC一般为多微处理器系统，有较大的存储
能力和功能强筋的输入／输出接口通过丰富的职能外设借口，可以实现流量、温度、压力、
位置等闭环控制；通过网络接口，可几连不同类型的PLC和计算机，从而组成控制范围很大
的局域网络，适用于大型的自动化控制系统。
2.2 可编程序控制器的分类及特点
2.2.1可编程序控制器的特点
为适应工业环境使用，与一般控制装置相比较，PLC机有以下特点：
1.可靠性高，抗干扰能力强，工业生产对控制设备的可靠性要求：
2.故障修复时间（平均修复时间）短
任何电子设备产生的故障，通常为两种：
偶发性故障：由于外界恶劣环境如电磁干扰、超高温、超低温、过电压、欠电压、振动等引
起的故障。这类故障，只要不引起系统部件的损坏，一旦环境条件恢复正常，系统也随之恢
复正常。但对PLC而言，受外界影响后，内部存储的信息可能被破坏。
永久性故障：由于元器件不可恢复的破坏而引起的故障。
3.功能强、适应面广
现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、
功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，
又可控制一个生产过程。
4. 编程简单、容易掌握
目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的"梯形图编程方式"。既继承了传统控制线路的清晰
直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和
掌握。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。通过阅
读PLC的用户手册或短期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。
同时还提供了功能图、语句表等编程语言。
5. 减少了控制系统的设计及施工的工作量
由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器
件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，
更减少了现场的调试工作量。并且，由于PLC的低故障率及很强的监视功能，模块化等等，
使维修也极为方便。
6. 体积小、重量轻、功耗低、维护方便
PLC是将微电子技术应用于工业设备的产品，其结构紧凑，坚固，体积小，重量轻，功耗低。
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、自动控制技术和通讯
技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺
序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：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
贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，
并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其
有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC具
有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。可以预料：
在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流。
近年来，随着PLC技术的发展, 它在位置控制、过程控制、数据处理等方面的应用也越来越
多。在机床的实际设计和生产过程中,为了提高机床加工的精度，对其定位控制装置的选择就
显得尤为重要。
1、从PLC的外围设备来考虑提高PLC的可靠性
PLC是专门为工业生产环境而设计的控制设备。当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强、
湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。
1.1工作环境的要求
除了为特殊工作环境而设计的PLC外，一般PLC工作的环境温度应在0~55℃的范围，并
要避免太阳光直接照射；安装时要远离大的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气
的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；
对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空
气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装。
1.2电源的要求
不同的PLC产品，对电源的要求也不同，这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系
数和输入输出的供电方式等。
对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求又较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制
电路供电分开；必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，
外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%~30%的余量。对由控制器本身提供的
直流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过电流造成设备的损坏。
1.3接地和接线
1)PLC的良好接地是正常运行的前提。在设计时，PLC的接地应与动力设备的接地分开，
采用专用接地；如不能分开接地时，应采用共用接地；绝对禁止采用共通接地方法。如图1
所示，接地点应尽可能靠近PLC，接地线的线径应大于4mm2，接地电阻一般应小于10Ω。
2)PLC的接线包括输入接线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在
线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM
端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线
箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆；屏蔽层的接地
端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。
1.4冗余设计和降级操作设计
1)对可靠性要求较高的应用场合，冗余设计和降级操作是必要的。冗余设计可采用热后
备或冷后备方式。热后备方式操作时，冗余的后备系统也同时运行，两者输出的结果一致时，
表示系统是正常运行的；一旦结果不一致，则发出警报信号，同时，根据自诊断的结果，切
换到正常的系统去。冷后备方式操作时，冷后备系统不运行，它在自诊断检测出运行系统故
障后才切入后备系统。对PLC来说，冗余系统的范围主要是CPU、存储单元、电源系统和通
信系统，只有在可靠性要求很高时，才会包括输入输出单元的冗余等。
2)降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计。例如，紧急停车的设计，关键
设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或
全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考
虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。1.5PLC的I/O电路
1)由于PLC是通过输入电路接受开关量、模拟量等输入信号，因此输入电路的元器件质
量的好坏和连接方式直接影响着控制系统的可靠性。比如：按钮、行程开关等输入开关量的
触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件。
在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触
点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，如图2和图
3所示的是两个控制线路和它们的对应梯形图。这两个控制线路的控制功
1、系统组成
某电厂化学水处理系统基础设备具有良好的可控性，利用PLC和工业控制计算机对其进
行实时监控管理，系统基本组成如图1所示。
采用3台西门子公司的SIMATIC S5-115U可编程序控制器控制现场的一次设备，程控系
统分为3套，依次为＃1补给水处理单元、＃2补给水处理单元、＃3凝结水处理单元。
图1 系统结构图
操作员站选用两台研华586工控机，软件开发平台选用美国Intellution公司的FIX5.5
组态软件。FIX5.5是一种能完成数据采集及控制、报警、图形数据显示等功能的完整工业自
动化软件，该版本在WINDOWS或WINDOWSNT环境下运行，采用了图形用户界面，相应其内部
的图形处理是基于第三代图形技术。
数据通信系统采用SINEC L2网，它把SIMATIC系列可编程序控制器以及工控机连成网络。
SNEC L2是令牌总线网，网络传输介质是双绞线或光缆。每个节点通过总线连接器连到总线
网上，在本系统中，三台PLC之间以及与两台工控机之间都实现了数据通讯。
该方案配置体现了分散控制系统的优点，即控制功能分散，操作管理集中。控制功能分
散意味着系统实时响应快和系统危险分散，操作管理集中便于集中管理，方案配置还具有冗
余特性。
2、PLC及其程序设计
2.1 SIMATIC S5-115U硬件组成及编程概要
可编程序控制器SIMATIC S5-115U采用标准的模块式结构，电源、CPU、各种I/O模件都
插在一块母板上，并可以根据不同的I/O点数增加扩展母板，输入、输出模件和存储器的精
细分级，使得这种装置具有较强的配置适应能力；通过通讯处理器和局部网，可方便地实现
PLC之间及与计算机的通讯。
SIMATIC S5-115U的编程语言是STEP5，有3种表达方法，即控制系统流程图CSF，梯形
图LAD和语句表STL。其中语句表STL最接近于机器内部的控制程序，功能也比前两种方法
丰富得多，因此在本系统实际编程应用中全部采用语句表STL。
STEP5的最大特点是采用了结构化编程方法，并提供大量标准功能块如乘法功能块
FB242、通讯功能块FB244等，使得编程工作大大简化，而且所编程序条理清晰，易于读懂、
修改和测试，这一优点尤其在编制大型复杂程序时更能显现出来。
要完成复杂任务，可以把整个程序分成一个个独立的程序块，STEP5有5种块类型，即
组织块(OB)、程序块(PB)、顺序块(SB)、功能块(FB)和数据块(DB)，其中组织块(OB)用以管
理用户程序，形成了操作系统和控制程序之间的接口，所有其它类型块在此被调用执行。功
能块(FB)用于实现反复调用或者特别复杂的程序功能，这些功能块可以是系统以标准功能块
的形式提供的，也可以由用户自己编制。例如标准功能块FB242就可以实现16位二进制乘法
功能、FB244可以实现CPU与通讯处理器之间的数据传送，用到这些功能时可以直接调用这
些功能块。
2.2 SIMATIC S5-115U大型程序的设计
以本系统＃1补给水处理单元的控制程序为例，在组织块OB1内主要有下面几条语句，
完成各功能块的无条件调用。
JU FB1 (定义PLC1向两台工控机传送的数据)
JU FB2 (定义两台工控机向PLC1传送的数据)
JU FB231 (完成PLC1与两台工控机之间通讯的基本设置)
JU FB232 (完成PLC1与PLC2、PLC3之间通讯的基本设置)
JU FB4 (实现自动控制及无扰切换功能)
JU FB3 (气动门及电动门控制)
JU FB10 (实现模拟量处理功能)
JU FB11 (报警处理)
在FB1、FB2内主要将需要通讯的数据分别写入某数据块如DB10的相应位，由此才能与
通讯处理器中的变量取得一致。在FB231中调用两个STEP5本身提供的标准功能块FB244(发
送数据)、FB245(接收数据)，再根据通讯处理器填写一些必要的参数如接口、作业号等，从
而实现数据通讯功能。在FB232内按照通讯处理器分配的数据位，定义3台PLC之间需要传
送的数据。在FB4内根据生产工艺流程要求及操作规范，
1.7 PLC系统的其它设备
1.7.1
编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系
统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。也就
是我们系统的上位机。
1.7.2 人机界面：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。
1.8 PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化
系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC
之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现
分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC
的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS
或工业以太网进行联网。
2 PLC控制系统的设计基本原则
2.1 最大限度的满足被控对象的控制要求。
2.2 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。
2.3 保证控制系统安全可靠。
2.4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。
3 PLC软件系统及常用编程语言
3.1 PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、
诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由
PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户程序是用户根据现场控制要
求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用
于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用
STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。
3.2 PLC提供的编程语言
3.2.1 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点
3.2.1.1 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图
形符号构成，左右的竖线称为左右母线。
3.2.1.2 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是
PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。
3.2.1.3 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。
3.2.1.4 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU
内部使用。
3.2.1.5 PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输
出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。
3.2.2 语句表语言，类似于汇编语言。
3.2.3 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画
输入、右边画输出。
4 STEP7程序的使用
4.1 创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何
时候你都可以使用。在创建一个项目之后，所有其他任务都在这个项目下执行。
4.2 组态一个站，组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器，例如S7300、S7400等。
4.3 组态硬件，组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序
中以什么样的地址来访问这些模板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以
用参数进行赋值。
4.4 组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方
案的子网，设置网络特性、设置网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也
是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。
4.5 定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些更具描述性
的符号名替代绝对地址。符号的命名一般用字母编写不超过8个字节，最好不要使用很长的
汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。
4.6 创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建
程序是我们控制工程的重要工作之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内，OB1）、分布
编程（编写功能块FB,OB1组织调用）、结构化编程（编写通用块）。我们最常采用的是结构化
编程和分布编程配合使用，很少采用线形编程。
4.7 下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个
用户程序到可编程控制器。在下载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下（STOP
或RUN-P）,
RUN-P模式表示，这个程序将一次下载一个块，如果重写一个旧的CPU程序就可能出现冲突，
所以一般在下载前将CPU切换到STOP模式。
5 WINCC程序的使用
5.1 简介，WINCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。具
有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机的操作监视系统，它很容易结合标准的和
用户的程序建立人机界面精确的满足生产实际要求。WINCC有两个版本RC版（具有组态和开
发环境）、RT版（只有运行环境），我们一般使用的是RC版。
5.2 WINCC简单使用步骤
5.2.1 变量管理，首先确定通讯方式安装驱动程序，然后定义内部变量和外部变量，外部变
量是受你买的WINCC软件授权限制的最大授权64K字节，内部变量没有限制。
5.2.2 画面生成，进入图形编辑器，图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图
程序。也可以使用包含在对象和样式库中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通
过动作编程将动态添加到单个图形对象上。
5.2.3 报警记录设置，报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择
消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。为了在运行中显示消息，可以使用包含
在图形编辑器中的对象库中的报警控件。
5.2.4 变量记录，变量记录是用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。
5.2.5 报表组态，报表组态是通过报表编辑器来实现的。是为消息、操作、归档内容和当前
或已归档的数据定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表的形式
5.2.6 全局脚本的应用，全局脚本就是C语言函数和动作的通称，根据不同的类型脚本被用
于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行
中。一个触发可以开始这些动作的执行。
5.2.7 用户管理器设置，用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访
问权限。每建立一个用户，就设置了WINCC功能的访问权利并独立的分配给此用户。至多可
分配999个不同的授权。
5.2.8 交叉表索引，交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处，例如变量、画面和函数等。
使用"链接"功能可以改变变量名称而不会导致组态不一致。
参考文献
[1] 林小峰.可编程控制器原理及应用.北京：高等教育出版社，1994
[2] 田瑞庭.可编程控制器应用技术.北京：机械工业出版社，1994
[3] 张万忠.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2001.12
[4] 于庆广.可编程控制器原理及系统设计.北京：清华大学出版社.2004
7。PLC的基本结构
PLC实质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．
a. 中央处理单元(CPU)
中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器
键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，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映象区，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的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程
序执行完毕之后，最后将I/O映象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，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU
的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
b、存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
C、电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法
正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在
+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
3、PLC的工作原理
一. 扫描技术
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
三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。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。
(一) 输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象
区中的相应得单元内。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映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因
此，如果输入是脉冲信号，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。
(二) 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每
一条梯形图时，又总是先扫描梯形图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；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；
或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象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映象区或系统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。
(三) 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的
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。
同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，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、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、
通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
当代PLC 的发展
随着个人计算(PC机)和通讯技术的发展,现在PLC和DCS的设计结构越来越接近.基本构架都
是操作站通过以太网接主站，主站通过现场总线接从站。出于安全性的考虑，冗余技术也不
断发展，双冗余（如：GTCON2000）、三冗余(如：TRICON)、七冗余（航空领域）。从PLC主站
CPU的运行方式上又分为冷备、热备和同步热备。冗余技术的发展使得PLC可以冲破低级芯
片的限制，而大量应用尖端的电子技术，与PC机发展同步。由于个人计算机的飞速发展，PC
机变得稳定而可靠。其接口的开放性，通讯和cpu的速度都使得它比原始设计思想下的PLC
更适用于工控的要求。因此出现了软PLC的概念，又称为软逻辑。其构架是：在PC机上安装
如Linux、WinCE等操作系统，而在操作系统中运行IEC1131的逻辑执行程序，作为PLC系统
的主站（如：GTCON2000就是如此）。这种嵌入式的PLC使得工业控制可以应用各个领域的先
进技术，突破了禁锢瓶颈，典型的软逻辑PLC结构为 ARM嵌入Linux然后安装PLC解释程序
（www.LinuxPLC.cn）。软PLC的另外一个发展分支是，直接在微软的个人计算机操作系统上
运行类似PLC的软件，而用计算机取代PLC系统中的主站。运行软件PLC的计算机可以充分
应用计算机的开放性接口和通讯速度，兼容性好。可以挂接板卡、USB设备、以太网设备、
串行通讯设备。比较典型的应用方案是：组态王软逻辑通过串行通讯（现在也可用以太网）
挂接研华的亚当模块。随着电子技术、通讯技术和软件技术的不断发展。这种构架将完全取
代PLC 和 DCS 成为主流形式。但目前PC机技术、操作系统和以太网还不能满足可靠性要求。
PLC的控制技术
PLC实现控制的过程一般是：
图1.1 PLC典型开机流程
输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新......
永不停止地循环反复地进行着。
图1.1所示的流程图反映的就是上述过程。它也反映了信息的时间关系。
有了上述过程，用PLC实现控制显然是可能的。因为：有了输入刷新，可把输入电路监控得
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着，所以，输出总是反映输入的变化的。只是响
应的时间上，略有滞后。当然，这个滞后不宜太大，否则，所实现的控制不那么及时，也就
失去控制的意义。
为此，PLC的工作速度要快。速度快、执行指令时间短，是PLC实现控制的基础。事实上，
它的速度是很快的，执行一条指令，多的几微秒、几十微秒，少的才零点几，或零点零几微
秒。而且这个速度还在不断提高中。
图1.1所示的过程是简化的过程，实际的PLC工作过程还要复杂些。除了I/O刷新及运行用
户程序，还要做些公共处理工作。
公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。
监控循环时间的目的是避免"死循环"，避免程序不能反复不断地重复执行。办法是用"看门狗
"（Watchingdog）。只要循环超时，它可报警，或作相应处理.
外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.
通讯处理是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信
息交换的。这也是增强PLC控制能力的需要。
也就是说，实际的PLC工作过程总是：公共处理--I/O刷新--运行用户程序--再公共处理
--......反复不停地重复着
1.3可编程控制器实现控制的方式
用这种不断地重复运行程序实现控制称扫描方式。是用计算机进行实时控制的一种方式。此
外，计算机用于控制还有中断方式。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，又返
回运行原来程序。哪个控制需要处理，哪个就去申请中断。哪个不需处理，将不被理睬。显
然，中断方式与扫描方式是不同的。
在中断方式下，计算机能得到充分利用，紧急的任务也能得到及时处理。但是，如果同时来
了几个都要处理的任务该怎么办呢？优先级高的还好办，低的呢？可能会出现照顾不到之处。
所以，中断方式不大适合于工作现场的日常使用。
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，
个别急需的处理，允许中断这个扫描运行的程序，转而去处理它。这样，可做到所有的控制
都能照顾到，个别应急的也能进行处理。
PLC的实际工作过程比这里讲的还要复杂一些，分析其基本原理，也还有一些理论问题。有
关人员如果能把上面介绍的入出变换、物理实现--信息处理、I/O电路--空间、时间关系--
扫描方式并辅以中断方式，作为一种思路加以研究，弄清了它，也就好理解PLC是怎样去实
现控制的，也就好把握住PLC基本原理的要点了。
光通信技术
PLC （Planar lightwave circuits）：平面光波导技术，就是在基片上面利用集成电路工艺
制作能够导光的光路。如同电子集成，它是光通信集成的基础。目前的PLC技术是在硅衬底
上制备二氧化硅、铌酸锂、聚合物和磷化铟等。相应的制备工艺为PECVD、FHD、离子扩散、
质子交换、旋涂等。
在PLC日益成为工厂自动化基本技术平台的时代，如何选用一部适用的PLC以达到真正需要，
而又能符合经济效益，是一项重要课题。PLC本身强调的特色是：体积小、功能高、性能强、
操作简便、程序设计简易、模块扩充有弹性、联机容易等。针对上述特色说明，选择符合功
能需求与经济效益的PLC系统。本文虽然基于台达系列PLC论述，但是引用原则适合一般的
选购选型设计。
PLC的其他意思
PLC，是Public Limited (或 limited liability) Company的缩写，主要在英国英语中使用。
指股份公开有限公司。如 Lloyd’s Bank PLC 劳埃德银行。
PLC常用程序设计语言简介
PLC常用程序设计语言简介方源 可编程控制器程序设计语言:
在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、
功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语
言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能，例如，代替继
电器、计数器、计时器完成顺序控制和逻辑控制等，通过扩展或增强指令集，它们也能执行
其它的基本操作。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执
行更有效的操作，例如，模拟量的控制，数据的操纵，报表的报印和其他基本程序设计语言
无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形式，通过软连接的方式完成所要求的
控制功能，它不仅在可编程序控制器中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时
也常常被采用，由于它具有连接方便、操作简单、易于掌握等特点，为广大工程设计和应用
人员所喜爱。
根据可编程器应用范围，程序设计语言可以组合使用，常用的程序设计语言是：梯形图程序
设计语言 、 布尔助记符程序设计语言（语句表）、功能表图程序设计语言 、功能模块图程
序设计语言、 结构化语句描述程序设计语言、 梯形图与结构化语句描述程序设计语言、 布
尔助记符与功能表图程序设计语言、 布尔助记符与结构化语句描述程序设计语言。
1、梯形图（Ladder Diagram）程序设计语言
梯形图程序设计语言是用梯形图的图形符号来描述程序的一种程序设计语言。采用梯形图
程序设计语言，程序采用梯形图的形式描述。这种程序设计语言采用因果关系来描述事件发
生的条件和结果。每个梯级是一个因果关系。在梯级中，描述事件发生的条件表示在左面，
事件发生的结果表示在后面。梯形图程序设计语言是最常用的一种程序设计语言。它来源于
继电器逻辑控制系统的描述。在工业过程控制领域，电气技术人员对继电器逻辑控制技术较
为熟悉，因此，由这种逻辑控制技术发展而来的梯形图受到了欢迎，并得到了广泛的应用。
梯形图程序设计语言的特点是：
（1）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；
（2）与原有继电器逻辑控制技术相一致，对电气技术人员来说，易于撑握和学习；
（3）与原有的继电器逻辑控制技术的不同点是，梯形图中的能流（Power FLow）不是实
际意义的电流，内部的继电器也不是实际存在的继电器，因此，应用时，需与原有继电器逻
辑控制技术的有关概念区别对待；
（4）与布尔助记符程序设计语言有一一对应关系，便于相互的转换和程序的检查。
2、布尔助记符（Boolean Mnemonic）程序设计语言
布尔助记符程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。布尔助记符
程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。
布尔助记符程序设计语言具有下列特点：
（1）采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点；
（2）在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编
程设计；
（3）与梯形图有一一对应关系。其特点与梯形图语言基本类同。
3、功能表图（Sepuential Function Chart）程序设计语言
功能表图程序设计语言是用功能表图来描述程序的一种程序设计语言。它是近年来发展
起来的一种程序设计语言。采用功能表图的描述，控制系统被分为若干个子系统，从功能入
手，使系统的操作具有明确的含义，便于设计人员和操作人员设计思想的沟通，便于程序的
分工设计和检查调试。
功能表图程序设计语言的特点是：
（1）以功能为主线，条理清楚，便于对程序操作的理解和沟通；
（2）对大型的程序，可分工设计，采用较为灵活的程序结构，可节省程序设计时间和调试时
间；
（3）常用于系统的规模校大，程序关系较复杂的场合；
（4）只有在活动步的命令和操作被执行，对活动步后的转换进行扫描，因此，整个
程序的扫描时间较其他程序编制的程序扫描时间要大大缩短。
功能表图来源于佩特利（Petri）网，由于它具有图形表达方式，能较简单和清楚地描述
并发系统和复杂系统的所有现象，并能对系统中存有的象死锁、不安全等反常现象进行分析
和建模，在模型的基础上能直接编程，所以，得到了文泛的应用。近几年推出的可编程控制
器和小型集散控制系保持产品地位需投入大量的营销费用。
5、衰退期：这期间产品销售量显著衰退，利润也大幅度滑落。优胜劣汰，市场竞争者也越来
越少
