第5章 PLC基本原理

第5章 PLC基本原理 5.1 概述 5.2 PLC组成及各部分功能 5.3 PLC的工作原理 5.4 PLC的指令系统 5.5
梯形图设计方法 5.6 SFC设计方法 5.1 概述 可编程控制器 (PLC)是非常有用的工业控制装置。每个工业控制工程
师都应该学会使用PLC，从而使机器能够自动运行，提高工作效率和质量，提高产量。5.1.1可编程控制器的定义和发展史 最初，可编程逻
辑控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC，主要用于顺序控制，虽然采用了计算机的设计思想，
但是实际上只能进行逻辑运算。 但是为了和个人计算机（Personal Computer）的简称PC相区别，人们常常把可编程控制器
仍简称为PLC。 国际电工委员会（IEC）于1987年对PLC定义如下： PLC是专为在工业环境下应用而实际的一种数
字运算操作的电子装置，是带有存贮器、可以编制程序的控制器。它能够存贮和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作，并
通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC及其有关的外围设备，都应按易于与工业控制系统形成一体、易于扩展其
功能的原则设计。PLC就是以嵌入式CPU为核心，配以输入、输出等 模块，可以方便的用于工业控制领域的装置。PLC与机器人、计算机辅
助设计与制造一起称为现代业的三大支柱。 1969年，美国数字设备公司研制出了世界上第一台PLC，型号为PDP-14。第一代PLC：
从第一台PLC诞生到70年代初期。其特点是：CPU由中小规模集成电路组成，存储器为磁芯存储器。第二代PLC：70年代初期到70年代
末期。其特点是：CPU采用微处理器，存储器采用EPROM。第三代PLC：70年代末期到80年代中期。其特点是：CPU采用8位和16
位微处理器，有些还采用多微处理器结构，存储器采用EPROM、EAROM、CMOSRAM等。第四代PLC ：80年代中期到90年代
中期。 PLC全面使用8位、16位微处理芯片的位片式芯片?，处理速度也达到1us/步。第五代PLC：90年代中期至今。PLC使用1
6位和32位的微处理器芯片，有的已使用了RISC芯片。5.1.2可编程控制器的应用领域与发展趋势PLC发展方向主要有以下几个方面
小型、微型化 大型、超大型化 智能化 CPU能力更强 支持更多的工业总线 编程软件标准化 人机交流功能增强 数据处理能力大
大增强 5.1.3 可编程控制器的控制系统与电气控制系统的比较 PLC控制系统和电气控制系统的电路形式和符号基本相同，
相同电路的输入和输出信号也基本相同，但是它们的控制的实现方式是不同的。电气控制系统中的继电器触点在PLC中是存储器中的“数”，继电
器的触点数量有限，设计时需要合理分配使用继电器的触点，而PLC中存储器的“数”可以反复使用，因为控制中只使用“数”的状态“1”或“
0”。电气控制系统中梯形图就是电线连接图，施工费力?，更改困难，而PLC中的梯形图是利用计算机制作的，更改简单，调试方便。电气控制
系统中继电器是按照触点的动作顺序和时间延迟，逐个动作。而PLC是按照扫描方式工作，首先采集输入信号，然后对所有梯形图进行计算。当计
算完成后，将计算结果输出，由于PLC的扫描速度快，输入信号的变化到输出信号的改变似乎是在一瞬间完成。梯形图左右两侧的线对电气控制系
统来说是系统中继电器的电源线，而在PLC中这两根线已经失去了意义，只是为了维持梯形图的形状。PLC中的梯形图按行从上至下编写，每一
行从左向右顺序编写，在电气控制系统中，控制电路的动作顺序和梯形图编写的顺序无关，而PLC中对梯形图的执行顺序与梯形图编写的顺序一致
，因为PLC视梯形图为程序。梯形图的最右侧必须连接输出元素，在电气控制系统中，梯形图的最右侧是各种继电器的线圈，?而在PLC中，在
梯形图最右侧可以是表示线圈的存储器“数”，还可以是计数器、定时器、数据传输、译码器等PLC中的输出元素或指令。 ?梯形图中的触点可
以串联和并联，输出元素在PLC中只允许并联，不允许串联。而在电气控制系统中，继电器线圈是可以串联使用的（只要所加电压合适）。在PL
C中的梯形图结束标志是END。5.2 PLC组成及各部分功能 从数字系统的角度来看，PLC其实就是一个单片机系统。PLC的基本组
成 PLC从结构上可分为整体式结构、模块式结构及混合式结构。整体式PLC硬件系统由CPU、存储器、通信接口、输入输出电路
和电源电路组成 ，其结构框图如图5-1所示；模块式PLC的各个部分都是模块，这些模块由PLC的系统连接，其结构框图如图5-2所示；
图5-1 整体式PLC图5-2 模块式PLC 混合式PLC是由PLC主机和扩展模块组成，其中，PLC主机由CPU、存储器、
通信电路、基本输入输出电路组成，而扩展模块可以是输入输出模块、模拟量模块、位置控制模块等，其结构框图如图5-3所示。图5-3 混合
式PLC结构5.2.2 PLC主机 1、 CPU芯片 CPU芯片是PLC的核心，所有PLC的动作(程序输入，程序执行，通信、
自检等)都需要CPU芯片的参与。各个公司的PLC的CPU芯片类型不同，一般是8位或16位单片机。 2、存储器 PLC中的存储
器用于存放以下内容：1）系统程序。系统程序是PLC生产厂赋予PLC功能的程序。由于有了系统程序，单片机组成的系统，就变成了PLC。
2）用户程序。用户程序就是使PLC发出动作进行工业控制的程序。3）数据。数据包括PLC运行中的各种数据。例如，I/O、定时、计数、
保持、模拟量、各种标志等。 一般PLC的系统程序存放在EEPROM中，而用户程序和数据放在后备电池支持的RAM中。 3、I
/O电路 I/O电路是PLC与现场工业设备连接的电路，现场开关量（行程开关、传感器等）信号通过I/O电路输入PLC，而
PLC输出的开关（例如，继电器、晶体管等）信号从PLC输出到工业设备（例如，电磁铁、电机等）。 4、通讯接口 一般PLC
的CPU模块上至少有一个RS232通信口或者是RS485通信口。PLC可以同过RS232通信口直接和上位计算机通信。若是RS485
通信口，则和上位计算机通信时需要一个连接器。无论是RS232或是RS485通信口都可以和PLC配套的编程器通信。 PLC上还有通信
模块，通过这些模块，PLC可以组成网络或下位上位的分散控制系统?。 5、电源模块 PLC电源的输入电压有直流1
2V、24V、48V和交流110V、220V，使用时根据需要选择。由于PLC中的电源都是开关式电源，所以在输入电压大幅度波动时，P
LC仍能够稳定的工作。 电源模块的输出一般为直流5V和24V，它们向PLC的CPU、存储器等提供工作电源 5.2.3 特殊功
能单元 特殊功能单元包括高密度I/O单元、模拟I/O单元、模糊单元、温度传感单元、温度控制单元、热冷控制单元、凸轮控制单元、P
ID单元、位置控制单元、高速计算单元和语言单元等。这些单元越多，说明PLC的功能越强。 ? 5.2.4
编程器和其他外设备 编程器是PLC常用的外部设备。用户通过编程器编写控制程序，并通过通信单元（编程器接口）将程序装入PL
C。编程器可以监控PLC的运行。随着计算机的价格下降，计算机配编程器软件后，成为一个功能强大的编程器。在计算机上可以对PLC进行设
置、编程、调试、监控、显示、打印等功能。PLC还有一些其他外部设备如人机接口（又叫操作员接口，用来实现操作员和PLC之间的对话和交
互作用）、外存储器、打印机、EPROM写入器等。5.3 PLC的工作原理 5.3.1 PLC控制系统的等效工作电路 如
图5-4所示是采用继电器控制来实现KM1和KM2电机的转动。 控制功能：按下启动按钮SB1，电机M1 开始运转，过10s秒钟后
，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1 、M2同时停止运转。（a）控制线路（b）电机主电路图5-4 继电器实现电机的转动
采用PLC来实现同样的功能，其等效电路图如图5-5 图5-5 PLC实现电机转动的等效电路图5.3.2可编程控制器的工作过程 与
其它控制装置一样，PLC根据输入信号的状态，按照控制要求进行处理判断，产生控制输出。PLC采用循环扫描的工作方式，其过程分为读输入
、程序执行、写输出三个阶段，整个过程进行一次所需要的时间称为扫描周期。图5-6是欧姆龙公司的小型机CPM1A的三个工作过程。图5-
6 PLC的三个工作过程1）读输入（输入刷新）阶段 PLC在读输入阶段，以扫描的方式依次地读入所有输入信号的通/断
状态，并将它们存入存储器输入暂存器的相应单元内，这部分存储区也被特别称为输入映像区。在读输入结束后，PLC转入用户程序执行阶段。2
）用户程序执行阶段 PLC在程序执行阶段，按照先后次序逐条执行用户程序指令，从输入映像存储区中读取输入状态、上一扫描
周期的输入状态以及定时器、计数器状态等条件。 根据用户程序进行逻辑运算，不断得到运算结果，一步步运算得到的结
果并不直接输出，而是将其对应地先存入输出暂存区的相应单元中，输出暂存区也称为输出映像区，直到用户程序全部被执行完。用户程序执行完，
得到最后的可以输出的结果。本扫描周期内的用户程序执行阶段结束，PLC转入写输出阶段。3）写输出（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PLC根据输出映像区中的对应状态刷新所有的输出锁存电路，再经隔离驱动到输出端子，向
外界输出控制信号，控制指示灯、电磁阀、接触器等。这才是PLC的实际输出。5.3.3 PLC的扫描周期及响应时间PLC的扫描周期是
指PLC一次完成读输入、程序执行、写输出三个阶段所需要的时间。响应时间的大小与如下因素有关： 输入电路的时间常数；输出电路的时
间常数；用户语句的安排和指令的使用；PLC的循环扫描方式；PLC对I/O的刷新方式。 PLC是循环扫描工作方式，响应时间与收到输入
信号的时刻有关，在此给出最短和最长响应时间。1) 最短响应时间如果n-1个扫描周期刚刚结束时，收到一个输入信号，则第n个扫描周
期一开始，这个信号就被采样，使输出更新，这时响应时间更短，如图所示。如果考虑到输入电路造成的延迟和输出电路造成的延迟，最短响应时间
可以用下式表示：最短响应时间=输入延迟时间 + 一个扫描周期 + 输出延迟时间 图5-7 最短响应时间2）最长响应时间如果在第n
个扫描刚执行完输入刷新后，输入发生了变化，在该扫描周期内这个信号不会发生作用，要n+1个扫描周期的输入刷新阶段才能采样到输入变化，
在输出刷新阶段输出做出反应，这时响应时间最长，可用下式表示：最长响应时间=输入延迟时间 + 两个扫描周期 + 输出延迟时间。图5-
8 最长响应时间5.3.4 PLC的内部器件（以欧姆龙公司C200HX/HG/HE系列的PLC 为例） 1、电源单元电源单元向
CPU和I/O单元提供电源，电源单元有直流（DC）和交流（AC）两种输入，可以按照要求来选择。电源电压为100~120V的交流电源
，允许波动85~132V。电源电压为200~240V的交流电源，允许波动170~264V。电源电压为24V的直流电源，允许波动19
.2~28V。2、CPU 本系列共有11种CPU型号，它们的技术指标如下。 1)用户程序存储器。存放梯形图的存储器，就是用户存储
器。该存储器容量越大，用户程序就可以越复杂。 2）数据存储器。梯形图程序运行过程中和PLC运行过程中的数据就存储在这个存储器中。
3)扩展存储器 CPU单元上可以安装扩展存储器，扩展存储器可以扩展用户存储器和数据存储器的容量。安装了EEPROM的CPU可以
直接读写用户存储器和I/O数据。 若是安装的是EPROM存储器，则需要专用的EPROM写入器写入，所以不能存储I/O数据。4)基
本指令执行时间 执行一条基本指令所需要的时间。所需要的时间越短越好。5)I/O点数 可以连接的输入输出点数，点数越多，价格
越。扩展I/O机架6)允许扩展的I/O机架7）支持高密度I/O单元的最大数量 单个I/O单元上有大量I/O端子的单元为高密度I/O
单元。CPU支持的高密度单元数量是有限的。8)支持特殊I/O单元的最大数量。 有特殊功能的单元称为特殊I/O单元，这些单元具有模数
、数模、模糊、温度、位置、转速等功能，CPU支持这些单元的数量是有限的。 9）RS232CCPU上是否有串行通信口3、存储器
存储器的常用单位有位、字节、字等，一位二进制数称为一个位，一个字由16个位组成。一位存储器有“0”或“1”两种状态，继电器也只有线
圈“通电”或“断电”两种状态，因此可以将一个存储器看作是一个“软”继电器。如果该位状态是“0”，则认为该软继电器线圈“断电”，常开
触点断开；若位状态是“1”，则认为其线圈“通电”，常开触点闭合。存储区内还有一类继电器被称为标志位或控制位。 标志位可以被P
LC程序自动置“0”或“1”来反映特别的操作状态，用户程序可以根据需要使用这些标志位5.4 PLC的指令系统 5.4.1 编程基
础1、梯形图一个梯形图由左边一条垂直向下的线及若干条与之相交并向右延伸的分支线组成。图5-9表示的是一个梯形图。左边的线称为母线，
相当于电气控制电路中的电源线。分支线称为回路，在回路上有常开或常闭触电的串联或并联。 图5-9 一个梯形图的例子 如果触
点ON（闭合）,从母线来的“能流”就可以通过该触点；若触点OFF（断开）、则“能流”不能通过。若“能流”通过一系列串联或并联的触点
到达了继电器线圈（指令）,则其被通电，否则，线圈不能通电。线圈通电习惯上也成为线圈得电，线圈不能通电习惯上称为失电。 从
计算机程序设计的角度，分支线回路也成为指令 行，常开、常闭触点可认为是沿指令行设置的条件，这些条件的逻辑组合（“与”对应触点串联，
“或”对应触点的并联）,可以决定右边指令的执行结果，例如，线圈通电（得电）或断电（失电）。如图5-9所示，指令行可以分支，可以回合
，指令行上垂直的一对线称为条件（即触点），无斜线穿过的条件称为常开条件（常开触点），有斜线穿过的条件称为常闭条件（常闭触点），每个
条件上或下标注的数字表示指令的操作数位（继电器触点编号），梯形图右侧是指令，该指令的状态（得电、失电、执行或不执行）由左侧的条件来
决定。2、常开/常闭条件梯形图中每个条件是否为ON或OFF，取决于分配给它的操作数位的状态。如果操作数位是“1”，则常开条件是ON
，常闭条件是OFF；如果操作数位是“0”，则常开条件是OFF，常闭条件是ON。若把操作数位理解为软继电器，则有如下结论：若操作数位
是“1”，则继电器线圈通电，常开触点ON，常闭触点OFF。若操作数位是“0”，则继电器线圈断电，常开触点OFF，常闭触点ON。
一般来说，常开条件具备是它的位为“1”，而常闭条件具备是它的位为“0”，即常开与常闭条件和位状态相反，如图5-10所示。 图5-1
0 常开与常闭条件3、执行条件 在梯形图中，一条指令前面的常开、常闭等条件的逻辑组合产生了执行条件，执行条件具备与否，决定指令的状
态。对于继电器线圈类的指令，执行条件为ON（执行条件具备），对应线圈得电；而执行条件为OFF（执行条件不具备），对应线圈失电。
对于功能性指令，执行条件为ON（执行条件具备），则对应功能指令的执行；而执行条件为OFF（执行条件不具备），对应功能指令不执行。。
4、操作数位IR区域、SR区域、HR区域、AR区域、LR区域或TC区域中的任何位都可以是操作数位，这意味着I/O位、标志位、工作位
、定时器/计数器等都可以是梯形图中可以使用的条件。5、逻辑块指令行上条件的逻辑组合可以分成几个部分，每一部分均为一个逻辑块。了解逻
辑块对于更有效的编程是必要的。特别是在程序要以助记符形式输入时，逻辑块是至关重要的。6、梯级各种常开、常闭条件的一个逻辑组合又成为
一个梯级5.4.2 助记符程序 助记符（Mnemonic）程序又称为语句或语句表程序，是IEC1131-3标准所定义的PLC设
计程序的一种，也是常用的PLC编程程序。 梯形图必须使用CX-P软件或CPT软件才能输入到PLC中，而在一般的手持编程器中不能使
用梯形图，而只能使用助记符形式的语言。助记符可以提供与梯形图完全相同的内容，而且可以直接输入PLC，实际上，梯形图就是转换成助记符
输入PLC的。 学过编程高级语言程序的人员，学习助记符是很容易的。 助记符程序一般都是从内存地址0000开始编写，由于不同
的指令要求的操作数不同，所以指令不同，内存地址的长度也不同，最短1个字长，最长4个字长。每个地址的第一个字是指令助记符，如果指令只
有一个操作数，则操作数和指令助记符同行编写，否则要分行书写。5.4.3 梯形图指令 1、LD/LD NOT （取/取非）
启动梯形图任何逻辑块的第一条指令是LD或LD NOT指令，每一个这样的指令需要一条助记符行。该指令的梯形图和助记符如图所示。在
图5-11中对应LD指令行上， 当IR00000 为“1”时，执行条件为ON，则按照ON条件执行右侧的指令；当IR00000
为“0”时，执行条件为OFF，则按照OFF条件执行右侧指令。而对应LD NOT指令行上，当IR00000为“1”时，执行条件为OF
F，右侧指令按OFF条件执行；当IR00000为“0”时，执行条件为ON，右侧指令按照ON条件执行。图5-11 LD和LD NO
T指令的梯形图和助记符程序2、AND/AND NOT （与/与非） 当需要两个或多个条件相与时，可以将这些条件串联，三个条件串联的
梯形图如图5-12所示。这三个条件按顺序（从左到右）分别对应一条LD指令、一条AND NOT指令和一条AND指令，若用助记符表示，
每一条指令都需要单独书写一行。只有三个条件都满足时，指令才按ON条件执行，否则按OFF条件执行，也就是说当IR00000为“1”、
IR00100为“0”、LR0000为“1”时，指令才按ON条件执行。 用逻辑表达式表示： 图5-12 三个条件串联的梯形
图和助记符程序3、OR/OR NOT（或/或非） 当两个或多个条件是放置在相互独立的指令行时，并且这些指令并联相接，则它们之间的关
系是“或”关系。如图5-13所示梯形图，其中第一个条件是LD NOT，随后的条件是OR NOT 和OR，只要三个条件中的任何一个条
件为ON， 即按照ON条件执行指令。用逻辑表达式表达：该指令的操作数是IR、SR、AR、HR、TC、LR、TR区域中位阿地址。图5
-13 三个条件并联的梯形图和助记符程序4、AND和OR指令组合使用在比较复杂的梯形图中对AND和OR指令进行结合时，情况会复杂一
些，如图5-14所示的梯形图。该梯形图执行条件的逻辑表达式为：条件逻辑运算结果=图5-14 AND和OR组合的电路5、输出和输出
非（OUTPUT/OUTPUT NOT） OUTPUT和OUTPUT NOT指令用于输出。所谓的输出实际上是写存储器，将执行条
件逻辑运算结果写入位存储器。对于OUTPUT指令，只要执行条件为ON或OFF，则OUTPUT就为ON或OFF；而对于OUTPUT
NOT指令，只要执行条件为ON或OFF，则OUTPUT NOT指令就为OFF或ON。如图5-15所示电路中，IR00000为“1”
，则IR00200就写为“1”，而IR00001为“0”时，则IR00201就写为“1”。图5-15 OUTPUT和OUTPUT
NOT指令 ?6、结束（END）指令每一个程序最后一条指令一定是结束（END）指令。END的梯形图和助记符表示如图5-16所示
。 END指令不需要执行条件。当CPU扫描用户程序时，它按照指令的条件逻辑运算结果执行所有的指令，直到遇到END指令为止，
本扫描周期的用户程序执行阶段结束，转入输出刷新新阶段。在调试程序时，可以有意识地将END指令放在程序中的适当位置，不让其后的程序执
行，只让其前的指令执行。 图5-16 END指令梯形图和助记符程序7、逻辑块AND LD指令逻辑块是用LD 或LD NOT开始的
一段助记符程序，如果两个逻辑块需要相“与”，则使用AND LD指令。逻辑块指令可以使复杂的梯形图转换成助记符程序，例如图5-17所
示的梯形图就需要AND LD指令才能转换成助记符程序。该梯形图执行条件的逻辑表达式是：条件逻辑的运算结果=可以看出这是一个完整的或
与表达式。图5-17 逻辑块指令AND LD的使用 8、逻辑块OR LD指令 例如图5-18所示的是使用逻辑块OR LD指令才能
转换成助记符程序的梯形图。 该梯形图的执行条件的逻辑表达式是：条件逻辑运算的结果=可以看出这是一个与或表达式。图5-18 逻辑块
指令 OR LD的使用9、逻辑块指令串联如图5-19所示梯形图要转换成助记符时需要逻辑块指令的串联。图5-19 串联的逻辑块梯形
图图5-19 串联的逻辑块助记符程序从梯形图可以得到梯形图执行条件的逻辑表达式是：条件逻辑运算结果=可以看出，这是一个“或与”表
达式。逻辑块指令的并联。图5-20 并联逻辑块的梯形图从梯形图可以得到梯形图执行条件的逻辑表达式是：条件逻辑的运算结果=图5-2
0 并联逻辑块的助记符程序图5-21 三个逻辑块的梯形图10、AND LD和OR LD指令的结合如图5-21是一个较复杂的梯形
图，看起来简单，但是在助记符程序中则需要三个逻辑块才能正确描述。图5-21 三个逻辑块的助记符程序11、指令行的分支当一指令行分
支两行或更多行时，有时需要使用TR位来保持记忆分支点的执行条件，这是因为在执行分支指令时，执行条件随着指令行的条件不同，逻辑运算结
果在改变，因此在返回分支点执行另一分支指令时，必须使用分支点已经保存的条件。 TR区域提供了8个位（TR0~TR7），可用来暂存分
支点的执行条件。方法是TR位放置在分支点处，则当前分支点处的执行条件就会存储在TR位中，当程序返回到分支点时，可以取出TR位保存的
执行条件，去执行其他分支行。如图5-22所示是一个具有两个分支的梯形图，该图中在分支点使用了TR0位。图5-22 具有两个分支的
梯形图和助记符程序1、连锁IL/解除连锁ILC 连锁IL（02）和解除连锁ILC（03）指令，用于成组控制在IL（02）和I
LC（03）之间的指令，IL（02）和ILC（03）指令总是一起使用。 如果在梯形图中的某一位置设置了IL指令，在其后程序的
另一位置设置了ILC指令，那么IL指令的执行条件控制IL与ILC指令间全部指令的执行。如果IL指令的执行条件是OFF，那么在IL指
令与下一ILC指令之间的全部指令按OFF条件?执行。如果IL指令的执行条件为ON，则其后的程序如同没有IL（02）指令一样执行。
从另外一个角度也可以将IL（02）和ILC（03）指令理解为母线断点，即当IL（02）指令的执行条件为OFF时，则图5- 22
中梯形图母线A点和B点间断电。使用IL（02）和ILC（03）指令也可以解决分支点的执行条件存储问题，图5-22中梯形图可以用连锁
指令来修改，修改后如图5-23所示，图中完全消除了分支点一个梯形图?中可以有多个连锁指令，而且多个连锁IL（02）指令可对应于一个
连锁清除ILC（03）指令，须要注意的是ILC（03）指令不能连续使用。图5-23 带有连锁指令的梯形图和助记符程序12、跳转
跳转就是根据一个制定的条件，可以跳过程序中的某一程序段，客观上，会造成用户程序执行时间缩短。 使用跳转JMP（04）和
跳转结束JME（05）指令可以实现跳转。如果一个跳转JMP（04）的执行条件是ON，则程序就像没有跳转指令一样运行；如果跳转指令的
执行条件是OFF，则程序就会立即跳转到跳转结束指令后继续执行，跳转于跳转结束指令间的各个指令的状态仍保持上一扫描周期的执行结果不变
。跳转与跳转结束指令的跳转号范围00~99，有两种类型的跳转。第一种是在跳转号01~99之间的跳转只能定义一次，就是说每个跳转号只
能使用一次。如图5-24所示的梯形图就是一个具有跳转的梯形图，只要满足IR00000为OFF的跳转条件，在跳转和跳转结束指令之间的
任何指令都被跳过而维持原来状态不变。图5-24 具有跳转的梯形图和助记符程序 第二种是跳转号为00的跳转，用00作为跳转号可以产
生所需要的多次跳转。多个跳转指令都使用00作为跳转号，而这些指令之间没有以00号作为跳转结束的指令，则这些跳转指令都可以跳转到一个
00作为跳转结束号的指令处，就是说多条跳转指令公用一条跳转结束指令。如图5-25所示就是具有00号跳转的梯形图。跳转指令看起来像连
锁指令，但是实质上他们是不同的。在连锁中，当连锁条件为OFF时，其后的指令仍然按OFF条件全部执行，即用户程序的执行时间是不变的，
而使用跳转指令则是跳过了这一段程序不执行。连锁指令更符合梯形图设计的思维方式。图5-25 具有00号跳转的梯形图和助记符程序 1
3、微分、保持和自保持指令（1）微分指令。 微分指令分为上升沿微分（DIFU）和下降沿微分（DIFD）指令。所谓的上升沿微分指令
就是当它的执行条件从OFF变成ON时，上升沿微分指令就会变成ON一个周期。而下降沿微分就是当它的执行条件从ON变成OFF时，下降沿
微分指令就会变成ON一个扫描周期。如图5-26所示是具有微分指令的梯形图。该指令的操作数是IR、AR、HR、LR区域中位地址。图5
-26 具有微分指令的梯形图、时序图和助记符程序 如图5-26所示的梯形图中，当条件IR00000从OFF变成ON时，IR0
0200变成ON一个扫描周期，因为只是在这个扫描周期有上升沿产生。同理，当条件IR00001从ON变成OFF时，IR00201变成
ON一个周期。（2）保持指令 保持指令KEEP用来保持在两个执行条件下的操作数位状态，就是说，当第一个执行条件为ON时，保持指令
将操作数位置ON；当第二个执行条件为ON时， 保持指令将操作数位置OFF。如图5-27所示的梯形图中，当IR00002为ON和IR
00003为OFF时，则KEEP指令将操作数位HR0000置O?N；当IR00004为ON 或IR00005为ON时，则KEEP操
作数位HR0000置OFF。 该指令的操作数是IR、AR、HR、LR区域中的位地址。图5-27 具有保持指令的梯形图和助记符程序
保持指令还可以理解为数字电路中的RS触发器，S是置位端，R是复位端。在梯形图中有置位优先和复位优先的问题，这是因为指令是顺序执行的
，当置位和复位条件同时满足时，在最后执行的指令结果得到保留。图中的如果置位和复位条件同时满足，则复位操作被保留下来，成为“复位优先
”。操作位的自保持指令 自保持就是满足一个执行条件时，置操作数位为ON，即使执行条件不满足了，操作数位仍然保持ON；当满足另
一个执行条件时，置操作数位为OFF。如图5-28所示为具有自保持功能的梯形图。自保持位可以看作一个“复位优先”的RS触发器。 图5
-28中当IR00002为ON和IR00003为OFF，同时IR00004和IR00005为OFF时，HR0000置ON，一旦置O
N，即使IR00002为“ON”和IR00003为OFF的条件不满足了，HR0000仍然为ON，只有当IR00004为ON时，HR
0000才被置OFF。图5-28 具有自保持指令的梯形图和助记符程序14、置位和复位指令 置位指令SET和复位指令RS
ET具有和保持指令相同的功能，可以取代KEEP指令。当SET指令的执行条件为ON时，SET指令置操作数位为ON；当RSET指令的执
行条件为ON时，RSET指令置操作数位?为OFF。SET和RSET指令不受连锁和跳转指令的影响。如图5-29所示是使用了SET和R
SET指令的梯形图。图5-29 具有SET、 RSET指令的梯形图和助记符程序图5-29中当条件IR00001为ON时，SET指
令置IR10000为ON，而当条件IR00002为ON时，置IR10000为OFF。SET和RSET指令连用可以构成置位优先或复位
优先的RS触发器。图5-29所示的梯形图程序就是复位优先的RS触发器。该指令的操作数是IR、AR、HR、LR区域中位地址。5.4.
4 定时器和计数器 TIM和TIMH是需要TC编号和设定值( SV)两个操作数的倒计时延时接通的定时指令，而CNT和
CNTR是分别需要TC编号和设定值（SV）两个操作数的递减和可逆计数指令。这些指令在编制与时间有关的程序时非常有用。TC编号：TC
编号不能重复定义，某个编号一旦被定义，就不能被其他定时器或计数器指令使用了。TC编号的范围是000~511。作为定时器和计数器指令
定义符的编号前不用加前缀。1、定时器指令TIM定时器指令TIM的梯形图符号如图5-30所示： 图5-30 定时器指令TIM梯形图
符号设定值（SV）：设定值可以是一个常数或是数据区中字变量，如果使用IR区域中的字作为设定值，则可以使用输出BCD码的拨码盘?输入
设定值。TC编号N：000~511之间的任何数。如：005 操作数数据区域 SV：设定值（字，BCD码） IR，AR，DM，
HR，LR和立即数 # 说明如下：立即数设定范围是000.0~999.9，在程序中小数点不用输入。每一TC编号只能用于一个定时
器或计数器。如果需要高速定时器TIMH（15）指令，则编号000~015不能用做一般的定时器。定时器的执行条件为ON时，定时器开始
定时操作；执行条件为OFF时，定时器复位到设定值。如果执行条件为ON，并一直保持到定时时间到，则定时编号，TC指定的定时标志变成O
N，直到复位为止。定时器的最小时间分辨率单位是0.1s。使用定时器主要是使用定时时间到的时候，就利用定时器的触点变成ON的这一动作
特点。在使用定时器时一般关心两个问题：定时器动作的条件和定时时间到的时候的触点动作。定时器例1：延时接通即时断开的程序如图5-31
所示的梯形图中，定时器编号是000，定时时间是15s。当定时器的执行条件IR00000为ON时，定时器开始定时；当15s时间到，T
IM 000变为ON，使IR00200为ON。当IR00000变为OFF时，TIM 000复位，IR00200变为OFF。图5-3
1 定时器例1 和助记符程序定时器例2：延时接通延时断开的程序 如图5-32所示的梯形图程序是延时接通延时断开程序。在IR0
0000变为ON时，定时器001开始定时，当定时5s后，IR00500变为ON；在IR00000变为OFF后，定时器002开始定时
，3s后，TIM002变为ON，IR00500变为OFF。图5-32 定时器例2 的梯形图和助记符程序2、高速定时器指令TIMH
高速定时器指令TIMH的梯形图如图5-33所示： 图5-33 高速定时器指令TIMH梯形图符号TC编号N：000~511之间的任
何数，但是最好选择000~015。操作数数据区域 SV：设定值（字，BCD码） IR，AR，DM，HR，LR和立即数 #说明如下
：立即数设定范围是00.00~99.99，小数点不用输入。每一TC编号只能用于一个定时器或计数器。 如果该指令使用了编号00
0~015中的一个编号，则000~015中的所有号码都不能用做一般的定时器。如果扫描周期大于10ms，必须使用000~015编号才
能保证计时准确，定时器的当前值和结束标志每10ms刷新一次。除TIMH（15）的计量单位为0.01s外，TIMH（15）操作与TI
M指令一样。3、计数器指令CNT计数器指令CNT的梯形图符号如图5-34所示： 图5-34 计数器指令CNT梯形图符号TC?编号
N：000~511之间的任何数。如：005操作数数据区域 SV：设定值（字，BCD码）IR，AR，DM，HR，LR和立即数 #说
明如下：计数器的预置数范围是0001~9999。每一个编号只能用做定时器或计数器之一。当计数脉冲（CP）执行条件从OFF变成ON（
相当于脉冲的上升沿）时，计数器就做一次减计数，当计数器的当前值计到零，计数器结束标志变为ON，并一直保持ON直到复位为止 计数
器的计数条件是复位端R的执行条件为OFF，而复位条件是复位端R的执行条件为ON。 如图5-35所示，是计数器和定时器结合起来进行
长延时的梯形图。可以看出，若IR00000为ON，则定时器001开始定时。当定时时间到，定时器001的结束标志TIM 001变为O
N。该结束标志首先使CNT 002进行减一计数，同时预置定时器001，定时器被预置后，重新进行定时，然后，再一次地进行定时。当计数
器002减数到零时，计数结束标志位 CNT 002接通变为ON，使IR00201接通。该图中定时器定时时间是5.0s，计数器的
设定值是100，所以总定时时间是500s。图5-35 计数器与定时器结合的延时梯形图和助记符程序TC编号N：000~511之间任
何数。操作数数据区域 SV： 设定值（字，BCD码） IR, AR, DM, HR, LR和立即数
#5、可逆计数器指令CNTR（12）：可逆计数器指令CNTR（12）的梯形图符号如图5-36所示：5-36 可逆计数器指令CN
TR（12）梯形图符号说明：该计数器的预置数范围是0001~9999，每一个编号N只能用做定时器或计数器之一。该计数器有加计数端I
I、减计数端DI和复位端R端。当加计数端有脉冲上升沿时，计数器当前值加1。当到达预置值时，计数器的结束标志位置ON，此时若再来一个
脉冲上升沿，计数器复位到0000。同时标志位置OFF。 当减计数端有脉冲上升沿时，计数器当前值减1；当减到0000时，当前值复位
到预设定值，同时计数器结束标志位置ON，若此时再减1，则标志位置OFF。 若计数器端和减计数端都加脉冲上升沿，则计
数值不变。 可逆计数器指令CNTR（12）的功能表如表所示： 表5-2 可逆计数器指令功能表传送指令的梯形图符号如图5-
37所示：5.4.5 数据传送指令图5-37 传送指令梯形图符号操作数数据区域 S： 源字IR，SR，AR，DM，HR，RC，L
R，# D：目标字 IR，SR，AR，DM，HR，LR1、传送指令这里@MOV（21）是MOV（21
）的微分形式。S指定传送字的来源地址。D指定传送的目的地址。当执行条件为OFF，MOV（21）不执行。当执行条件为ON时，MOV（
21）指令将源地址中的数送到目的地址。2、取反传送指令操作数数据区域 S：源字 IR，SR，AR，D
M，HR，TC，LR，# D：目标字 IR，SR，AR，DM，HR，L
R这里@MVN（22）是MVN（22）的微分形式。 取反传送指令的梯形图符号如图5-38所示：图5-38所示：取反传送指令的
梯形图符号S指定传送字的来源地址。D指定传送的目的地址。当执行条件为OFF，MVN（22）不执行。当执行条件为ON时，MVN（22
）指令将源地址中的数取反传送到目的地址。注意TC编号不能作为目的地址以改变定时器或计数器的当前值。要改变定时器或计数器当前值可以使
用BSET（71）指令。3、块设置指令块设置指令的梯形图符号如图5-39所示：操作数数据区域 S：源字
IR，SR，AR，DM，HR，TC，LR，# St：起始字
IR，SR，AR，DM，HR，TC，LR E：结束字 I
R，SR，AR，DM，HR，TC，LR图5-39 块设置指令梯形图符号这里@BSET（71）是BSET（71）的微分形式。St必
须和E在同一数据区。当执行条件为OFF时， BSET（71）不执行。当执行条件为ON时，BSET（71）指令将源地址中的数送到起始
地址St和终止地址E确定的目的地址。BSET（71）指令可以用于改变定时器/计数器的当前值。除了上述传送指令外还有块传送指令，数据
交换指令，多位传送指令等。5.4.6 数据比较指令1、单字比较指令CMP（20）图操作数数据区域 CP1：第一比较内容字
IR，SR，AR，DM，HR，TC，LR，# CP2：第二比较内容字
IR，SR，AR，DM，HR，TC，LR，#当与定时器或计数器当前值进行比较时，比较值必须是BCD码。5-
40 单字比较指令梯形图符号当指令的执行条件为OFF时，CMP（20）指令不执行。当执行条件为ON时，CMPCMP（20）不能用
于带符号数之间的比较。标志：当CP1=CP2 时，EQ为ON，LE为OFF，GR为OFF； 当CP1 Q为OFF，GR为OFF；当CP1 >CP2时，GR为ON，EQ为OFF， LE为OFF。 GR的地址为25505，EQ的地址为2
5506，而LE的地址为25507。如图5-41所示是一个使用了数据比较指令CMP（20）梯形图，该梯形图中，如果HR09的内容大
于10，IR00200变为ON；如果两内容相等，则IR00201变为ON；如果HR09的内容小于10，IR00202变为ON。该梯
形图中，只有当CMP（20）执行时，IR00200，IR00201和IR00202的状态才发生变化。图5-41 数据比较指令的梯
形图和助记符程序2、区域比较指令ZCP（88） 操作数数据区域 CD：比较数据 IR，SR，AR，D
M，HR，RC，LR，#LL：区域下限 IR，SR，AR，DM，HR，TC，LR，#UL：区域上限IR，SR，AR，DM，HR，T
C，LR，#要求区域上限一定要大于下限。 标志：当LL≤CD≤UL时，EQ为ON，LE为OFF，GR为OFF；当CD < LL时
，LE为ON，EQ为OFF，GR为OFF；当CD > UL 时，GR为ON，EQ为OFF，LE为OFF。GR的地址为25505，E
Q的地址为25506，而LE的地址为25507。除了上述比较指令外还有其他一些指令，如：多字比较指令MCMP（19），双字比较指令
CMPL（60），块比较指令BCMP（68），表格比较指令TCMP（85）等。5.4.7 数据转换指令1、BCD码-二进制指令 操
作数数据区域 S：源字（BCD码） IR，SR，AR，DM，HR，TC，LR
R：结果字 IR，SR，AR，DM，HR，LR这里@BIN（23）是BIN（23）
的微分形式。图5-43 BCD码-二进制指令梯形图符号如果S的内容大于270F?，转换结果将会超过9999。这样，BCD（24）
指令将不执行。当指令不执行时，R中的内容保持不变。该指令只能转换无符号数，若是带符号正数，可以直接转换；若是带符号负数，需要使二进
制求补指令NEG（-）?将负数转换成正数后转换。除了上述数据转换指令外，还有其他一些数据转换指令：线性比例指令、小时/秒指令、秒/
小时指令等其他数据转换指令。上述所介绍的指令是PLC中常用的指令以及助记符，除此还有子程序指令、中断指令、步程序指令?等。5.5梯
形图设计方法信号从左向右传递。每个阶梯以接点?开始，以线圈或功能指令结束。继电器接点可以使用无数次，但是继电器线圈在一个程序中只能
使用一次。梯形图总是以END指令结束。工作?位（中间继电器）、定时器和计数器等功能性指令不能直接产生输出，必须用OUT指令才能输出
。在一个阶梯中既要考虑一个指令的得电条件（相当于指令起作用）。还要考虑失电条件（相当于指令失去作用）。只有将得电条件和失电条件都考
虑全了，则一个梯级的编程就完成了。5.5.2 梯形图的主要特点梯形图中的继电器不是物理继电器，每个继电器是映像寄存器中
的一位，被称为“软继电器”。2.梯形图是PLC形象化的编程手段，梯形图两端是没有任何电源可 接的。 3.输入继电器供PLC接收外部
输入信号，因此，在梯形图中只出现输入继电器的触点，而不出现输入继电器的线圈 4.输出继电器供PLC作输出控制用。 5.当PLC处于
运行状态时，PLC对梯形图是按循环扫描方式?顺序执行程序。 5.5.3 编制梯形图程序注意的问题 1.梯形图中线圈应放
在最右边 2.除极少数指令（如ILC、JME等）不允许有执行条件外
，几乎所有的指令都需要执行条件。3.触点不能画在垂直路径上4.编程时，对于逻辑关系复杂的梯形图程序段，应 按照先复杂后简单的原则编
程。 5.尽量避免出现一个线圈作为两个或两个以上的输出即双线圈输出?，以免出现逻辑关系混乱 5.5.4 常用梯形图程序1.单继电器
线圈控制程序2.多继电器线圈控制程序多地控制程序互锁控制程序互控程序脉冲电路及定时计数程序 1>周期脉冲电路 2>
上升沿触发的单脉冲 3>单按钮启停程序 4>使用一个按钮的延时得电和延时失电程序顺序启动程序顺序控制程序5.6
SFC设计方法 SFC功能图设计方法是专用于工业顺序控制程 序设计的一种方法。该方法能够描述被控系统的工作 过程，是
设计电器控制系统的重要方法 5.6.1 SFC基础 1.流程步 流程步又成为工作步，它是控制系统中的一
个 稳定状态。 2.转移 转移就是从一个步向另外一个步之间的切换条件，两个步之间用一个有向线
段表示可以从一个步切换到另一个步，代表向下转移方向的箭头可以忽略。 3动作说明( 常见动作种类)动作不自锁，步结束时动作就结束。动
作自锁，步结束时还继续，直到复位到达之后。复位作用，动作的任务是复位以前自锁的动作。启动定时器，定时器可以在步结束时或时间复位信号
到达时结束。脉冲作用，当步开始时激活脉冲，该脉冲只作用一次。在时间延迟后，启动自锁和定时器，直到复位信号到达。当步被激活时，自锁和
定时器启动，直到定时器时间到达和复位信号到达。启动功能指令，完成特定的动作。4.一些规则步和步之间必须有转移隔开。转移和转移之间必
须有步隔开。步和转移，转移和步之间用有向线段连接，正常画SFC图的方向是从上到下或是从左到右，按照正常顺序画图时， 有向线段可以不
加箭头，否则必须加箭头。一个SFC图中至少有一个初始步。5.6.2SFC图的结构 1.顺序结构 2.选择性分支结构
3.并发性分支结构 4.循环结构 5.复合结构5.6.3 SFC描述实际问题例例题1 假设有一辆小车周期地运行
： 从A点出发驶向1号站， 到达后立即返回原点， 然后再次出发一直驶向2号站，到达后 立即返回， 小
车第三次出发则一直驶向3号站，到达后立即返 回原点。如果连续运行开关断开，则小车只运行一个 周期（出发3次）就自动
停止，如果继续运行开关闭合则小车连续的运行，直到按下停止开关为止（小车启动的条件是小车在原 点）。图5-69为小车运行示意图，
图5-70是信号连线图。根据题意，可以画出图5-71所示的SFC图。由于停止按钮按下后的动作是终止正在运行的步，或者说小车可以停到任何位置，所 以若要再次启动，需要人工将小车运行到原点.图5-69 例题1的送料小车运行示意图图5-70 信号接线图例题2 交通信号灯的动作如图5-72所示，请画出该交通灯控制的SFC图。要求可以用按钮强制使南北或东西通。根据题意可以画出图5-73所示的该题的信号连接图。根据动作图可以画出图5-74所示的SFC图。 图5-72 交通信号灯动作图图5-73 例题2的信号连线图5-74 例题2的SFC图 SFC图转换成梯形图进入有效工作步 PLC上电后，有的程序需要PLC马上进入有效工作步，这时需要使用PLC的第一周期标志使程序进入PLC有效工作步。停止有效工作步 若是要停止正在运行的工作步，就需要在工作步的执行条件上串联停止条件，因为不知道当时程序执行到哪一步，所以需要在每个工作步的执行条件上都串联一个失电条件。若是需要在程序运行当中重新启动程序，也需要先停止所有工作步的执行，再启动程序。 一般情况下，停止工作步后的有效工作步应该是第0步。最后一个工作步 最后一个工作步执行完后，一般需要转移到第一个工作步循环执行程序，这就需要最后一个转移条件启动第一工作步 工作步的转移条件 转移条件可以是来自PLC外部的按钮、行程开关、传感器的输出等，也可以是来自PLC内部的定时器、计数器和功能模块的输出等 工作步得电和失电 工作步的得电条件是：该步的上一个工作步是有效工作步，而该步的下一步没有工作，这时若出现转移条件，则该工作步就会得电变成有效工作步。 工作步失电的条件是：该步的下个工作步得电，就是该工作步失电的条件。 工作步的梯形图如图5-75所示：选择性分支 选择性分支就是在工作步得电的条件中增加一个选择条件，若满足选择条件，则工作步得电，若不满足选择条件，工作步就不能得电。 并发分支 并发工作步是在一个得电条件下，几个并发分支都得电，所以几个并发分支的得电条件是一样的。 图5-76所示是一个具有并发分支的SFC图。该图中工作步2和工作步3是并发分支。 第0工作步 第0工作步是PLC上电后的状态，当除第0工作步以外的工作步都无效时，第0工作步有效，所以第0工作步的一个得电条件是除第0工作步以外的工作步都无效。动作输出 在有些系统中，工作步就是动作输出，在这种情况下，工作步的继电器就是PLC的输出继电器。而在有些系统中，动作输出是工作步的逻辑组合。按照图5-76所示的SFC图转换成的梯形图如图5-77所示。转换例1 将图转换成梯形图。首先构造如表所示的地址表，然后按照转换注意事项，可以得到图所示的梯形图。 转换例2 将图所示的SFC图转换成梯形图作业1，2，3，4，5，6，7，11，12，13，14，15，18，19