📚 课程目录第2章 PLC基础回顾

2. PLC基础回顾

在工业AI与PLC联动项目中，AI算法最终要“落到”PLC上执行，因此必须先把PLC的基本工作方式理解清楚。PLC不是一台普通计算机，它面向的是确定性、实时性、抗干扰的工业现场：输入信号来自按钮、限位、传感器，输出信号去驱动接触器、电磁阀、变频器和指示灯。AI给出的决策，只有通过PLC的输入输出映射和扫描机制，才能变成现场动作。

一、PLC的核心工作原理

PLC采用“循环扫描”的工作方式，而不是像PC那样按事件随机执行。一个完整循环通常包含四个阶段：

输入采样：把所有输入端子当前的通断状态一次性读入输入映像区。
程序执行：CPU按用户程序顺序逐条运算，读写内部软元件和输出映像区。
输出刷新：把输出映像区的结果一次性送到输出模块，驱动外部负载。
系统处理：通信、诊断、看门狗、后台任务等。

关键点是：程序执行期间，即使外部输入发生变化，也不会立即影响本次扫描的输入映像。这保证了同一扫描周期内逻辑的一致性，也决定了AI联动时必须考虑“信号何时被采样、结果何时被输出”。

二、扫描周期与实时性

扫描周期（Scan Cycle Time）是PLC最重要的性能参数之一。它决定了输入变化到输出响应之间的最大延迟。假设扫描周期为10 ms，那么一个输入信号最坏情况下要等将近一个周期才被采样，再经过程序执行和输出刷新，实际响应可能达到20 ms以上。

在AI联动场景中，这一点尤其关键。例如视觉AI检测到缺陷后，通过通信把结果写给PLC，PLC需要在下一次扫描中读取该寄存器并触发剔除动作。如果扫描周期过大，或者AI结果写入时机刚好错过采样窗口，就会产生一拍延迟。因此，工程上常把AI结果写入与PLC扫描同步考虑，必要时使用中断或高速任务。

提示：不要简单认为“PLC很快”。扫描周期是循环的，通信数据到达PLC后，通常要等下一个扫描周期才被用户程序使用。做联动方案时，应把“通信延迟 + 扫描周期 + 输出动作时间”一起估算。

三、输入输出模块与信号类型

PLC的输入输出模块是它与现场之间的桥梁。常见类型如下：

模块类型	典型信号	常见电压/电流	典型用途
数字量输入 DI	通/断、0/1	24 V DC、110/220 V AC	按钮、限位、接近开关
数字量输出 DO	继电器、晶体管、晶闸管	24 V DC、220 V AC	电磁阀、接触器、指示灯
模拟量输入 AI	4~20 mA、0~10 V	电流/电压	温度、压力、流量
模拟量输出 AO	4~20 mA、0~10 V	电流/电压	变频器给定、比例阀
高速计数/脉冲	脉冲串、编码器	24 V DC	定位、测速、计数

接线时要注意源型/漏型（Sink/Source）区别，以及公共端COM的接法。数字量输入通常采用光电隔离，输出模块则要关注负载电流和浪涌保护。AI联动中，如果AI结果需要通过模拟量输出给变频器，还要考虑量程映射和线性化。

四、常见品牌与编程语言

工业现场PLC品牌众多，不同品牌在编程软件、指令系统和通信协议上差异明显。常见品牌包括：

西门子（Siemens）：S7-1200/1500、S7-200 SMART，使用TIA Portal，支持LAD、FBD、SCL。
三菱（Mitsubishi）：FX、Q、iQ-R系列，使用GX Works，梯形图为主。
欧姆龙（Omron）：CP、CJ、NJ系列，Sysmac Studio，支持ST。
罗克韦尔（Rockwell）：ControlLogix、CompactLogix，Studio 5000，支持梯形图、功能块、ST。
汇川、台达、信捷：国产主流，性价比高，常用于中小型设备。

IEC 61131-3标准定义了五种编程语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）、顺序功能图（SFC）、指令表（IL）、结构化文本（ST）。其中梯形图最接近继电器逻辑，现场维护人员最熟悉；ST则更接近高级语言，适合复杂运算和AI联动中的数据处理。

// 示例：ST语言中读取AI结果并触发输出
IF AI_Result_Ready THEN
    Defect_Count := Defect_Count + 1;
    Reject_Valve := TRUE;
    Reject_Timer(IN := TRUE, PT := T#500ms);
    IF Reject_Timer.Q THEN
        Reject_Valve := FALSE;
        AI_Result_Ready := FALSE;
    END_IF;
END_IF;

五、案例与常见误区

某包装线使用视觉AI检测标签缺失，AI工控机通过Modbus TCP把结果写入PLC的保持寄存器。PLC程序中每50 ms读取一次该寄存器，若为1则触发剔除气缸。调试时发现偶尔漏剔，排查后发现：AI写入结果后只保持20 ms，而PLC扫描周期为30 ms，导致部分结果未被采样到。解决办法是AI侧把结果保持到收到PLC确认信号后再清除，或改用中断方式通知PLC。

常见误区：

把PLC当成PC，认为通信写入后程序会立即响应，忽略扫描周期。
输入信号抖动未做滤波，导致AI联动误触发。
输出模块负载电流选型不足，频繁动作后损坏。
不同品牌PLC的寄存器地址和通信协议混用，导致数据错位。

理解PLC的循环扫描、输入输出映像和模块特性，是后续设计AI与PLC联动方案的基础。只有把AI的“智能”放进PLC的“确定性循环”里，系统才能稳定、可预期地运行。