导读：PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是工业自动化里的“大脑”。它把现场的开关量/模拟量等信号“读进来”，按照工程师写好的逻辑程序“算一遍”，再把控制结果“写出去”。这套循环反复执行的过程，叫做扫描周期（Scan Cycle）。为了让程序执行不受接线抖动影响、又能在同一周期内拿到稳定输入，PLC在内存里维护了一块I/O 映像区（IO Image / Process Image）。这一讲，我们把这三件事一次说清楚。

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一、PLC 是什么？为什么不是“工业电脑”

• 硬件层面：CPU（或 SoC）+ 存储器（程序区、数据区、保持区）+ 通讯端口 + 可扩展的 I/O 模块（数字量 DI/DO、模拟量 AI/AO、脉冲/高速计数、通讯等）。
• 软件层面：实时操作系统 + 任务调度（周期任务、事件/中断任务）+ 用户逻辑（梯形图、功能块、结构化文本等）。
• 与工控机的区别：PLC强调确定性与抗干扰，掉电保持、诊断自检、端子接线与现场总线更工业化；而 IPC 强于人机交互、计算密集型、开放生态。

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二、扫描周期：PLC 每一拍在干什么？

绝大多数 PLC 的“标准周期任务”遵循下图式的顺序（不同品牌叫法略有差异）：

1. 输入取样（Input Update / Read Inputs）：把现场物理输入（DI、AI）一次性读入内存的I 映像区，形成这一周期内稳定的“输入快照”。
2. 执行用户程序（Execute Logic）：用这份输入快照（而非直接读端子）运行梯形图/FB/ST 等逻辑，读写的都是内存变量与Q 映像区（输出映像的“草稿”）。
3. 输出刷新（Output Update / Write Outputs）：把 Q 映像区中计算出的结果，一次性写回现场物理输出（DO、AO）。
4. 后台服务（Housekeeping）：通讯、时钟、诊断、溢出/看门狗检查等，然后进入下一个周期。

扫描时间（Scan Time） ≈ 输入刷新时间 + 程序执行时间 + 输出刷新时间 + 系统开销。典型从几百微秒到几十毫秒不等，取决于 CPU 性能、程序规模、通讯负载、I/O 数量与类型。

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三、I/O 映像区：为什么不直接“读端子、写端子”？

如果程序在执行过程中“边跑边读端子”，那这一段时间内端子可能被干扰抖动、或在前后网络读到不一致状态。I/O 映像区的作用就是：

• 输入映像（I或PII）：周期开始时统一采样，整个周期内保持不变，供程序读取（例如I0.0、I124、AIW6）。
• 输出映像（Q或PIQ）：程序计算期间只改“草稿”，周期末统一刷新到物理输出（例如Q0.1、QW10）。

好处：

1. 稳定性：同一周期内所有逻辑看到相同输入。
2. 可预测性：输出只在周期末变化，现场执行“有节奏”。
3. 易调试：在线监控时变量不“抖”，问题更容易复现。

注意：多数 PLC 也提供“立即读/写（Immediate I/O）”指令，允许跳过映像，直接访问物理端子，用于高速对位/急停等特殊场合。但要谨慎使用，以免打破“同周期一致性”。

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四、一次扫描里的“时间”与“边沿”

4.1 定时器/计数器是怎么“动起来”的？

• 定时器（TON/TOF/TP）：在每个扫描周期内累加（或比较）系统时钟，典型分辨率 1 ms~10 ms；周期变长可能造成表观“时间偏差”，对严苛定时应采用高速/中断任务或专用时基。
• 计数器（CTU/CTD）：对“边沿”敏感。若输入脉冲频率高于扫描速度，普通 DI + 周期任务可能“丢计数”，此时应使用高速计数器或中断任务。

4.2 上升沿/单拍（One-Shot）

为了只在“从 0→1 的那个周期”触发一次动作，PLC 提供边沿/单拍指令。它们在当周期比较“当前输入快照”和“上一周期的状态”来产生一个扫描周期宽度的脉冲。

// ST 伪代码：上升沿检测
IF (Start = TRUE) AND (Start_Last = FALSE) THEN
    Pulse := TRUE;    // 仅本周期为 TRUE
ELSE
    Pulse := FALSE;
END_IF;
Start_Last := Start;

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五、示例：最经典的自保持启停（含急停）

目标：按下Start启动电机，按下Stop停止；E_Stop急停常闭，任何时候断开都立刻断电机线圈。

// 结构化文本（ST）示例
// 输入：I.Start, I.Stop, I.E_Stop_NC（常闭急停，正常为 TRUE）
// 输出：Q.Motor
VAR
    RunLatch : BOOL; // 运行自保持
END_VAR

// 1) 急停优先
IF NOT I.E_Stop_NC THEN
    RunLatch := FALSE;
ELSE
    // 2) 启停逻辑（自保持）
    IF I.Start THEN
        RunLatch := TRUE;
    END_IF;

    IF I.Stop THEN
        RunLatch := FALSE;
    END_IF;
END_IF;

// 3) 输出到 Q 映像
Q.Motor := RunLatch;

要点：

• 所有I.*都来自输入映像，不在执行途中直接读端子。
• Q.Motor先写到输出映像，周期末统一刷新，继电器/接触器在扫描结束时动作。
• 急停应硬接入安全回路（安全继电器/安全 PLC），示例仅说明逻辑先后次序。

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六、扫描周期相关的“常见坑”与对策

1. “有时检测不到按钮按下”：按钮抖动/按得太快，单次脉冲窄于扫描时间 → 开启输入滤波/去抖、使用沿检测、或提高任务频率（更短周期）。
2. “计数总是丢脉冲”：普通 DI + 周期任务无法抓住 kHz 脉冲 → 用高速计数器模块或硬件中断输入。
3. “模拟量跳来跳去”：同周期多处直接读物理 AI，或滤波不足 → 只读映像、软件平均/一阶滤波、统一缩放与限幅。
4. “写 DO 早晚不一致”：程序中途直接“立即写端子”与周期末统一刷新混用 → 统一策略：除特殊场景外都先写 Q 映像。
5. “定时器慢/快”：扫描时间波动较大 → 固定周期任务（能设周期就设）、剥离重通讯到低优先级任务、必要时用时钟中断。
6. “看门狗报警/周期超时”：循环体过大或阻塞（大量串口/网口操作、重数学） → 拆小任务、用后台/异步 FB、优化算法。

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七、任务与优先级：不仅只有“一个循环”

现代 PLC 往往支持多任务/优先级：

• 周期任务（Cyclic）：固定周期执行（如 1 ms、10 ms、100 ms），用来跑主逻辑。
• 事件/中断任务（Event/Interrupt）：由硬件事件触发（高速计数器、通信帧到达、定时中断），用于高速响应或捕捉窄脉冲。
• 后台/空闲任务（Background）：在空闲时间跑低优先级工作（历史记录、非关键通讯）。

合理分配：把“必须稳定周期”的逻辑放在固定周期任务，把“偶发且急”的放在中断，把“能晚点做”的放后台，既保证实时性，又不堵主循环。

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八、数据类型与保持区：掉电后该不该记住？

• 非保持（易失）区：掉电丢失，适合临时变量、运行中间量。
• 保持（Retain）区：掉电保存，适合配方、累计值、设备计数。注意防止频繁写导致寿命问题（若底层是 Flash/NVRAM）。
• 标定与配方：建议集中保存在结构体中，并提供“范围校验 + 默认值恢复”。

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九、把“扫描 + 映像”的思想落地为工程方法

• 入口统一：所有输入只在“输入映像”阶段读一次，程序里只用变量，不再直接摸端子。
• 出口统一：所有输出先写到“Q 映像变量”，周期末一口气刷新。
• 边沿规范：凡是“只触发一次”的逻辑，一律用上升/下降沿或 One-Shot。
• 分层组织：把“采集/滤波/诊断 → 逻辑决策 → 执行与互锁 → 人机与报警”拆成功能块，扫描结构更清晰。
• 时间意识：关注扫描时间统计、看门狗、任务负载；把高频/高优先级事件放在合适的任务里。

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十、课后小练习（可直接用于你们项目）

1. 把一个“启停+自保持+互锁”的小流程，用“只读映像、只写映像”的风格改写一遍，加入急停与故障锁存。
2. 为一个 0–10V 模拟量输入实现“均值滤波（8 点）+ 限幅 + 工程量换算”，并只在周期开始时取一次样。
3. 为一个 2 kHz 光电脉冲计数通道，分别用“普通 DI+周期任务”和“高速计数器/中断”实现，对比丢计数率。

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小结

1. PLC 的本质：不停地“读输入 → 跑逻辑 → 写输出”的扫描机。
2. I/O 映像区：让“一个周期内的输入稳定、输出同步”，是写出可预测逻辑的关键。
3. 工程落地：用边沿、定时器、高速任务/中断与保持区，把“扫描思想”落实到可靠、可维护的程序结构里。

推荐阅读：

PLC 基础课 第 3 讲｜定时器和计数器：典型 6 种写法（电机延时、风机延时、润滑周期）

PLC 基础课 第 2 讲｜常开触点、常闭触点、自锁、互锁：从电气图到梯形图

PLC 基础课 第 1 讲｜什么是 PLC？扫描周期、I/O 映像区，一次讲明白