導讀：如何使用本教材

導讀：如何使用本教材

本教材依能力層級分為三篇：

• 第一篇（初級，第 1–5 章）：不需任何 PLC 背景。目標是看懂 硬體型錄與接線圖、理解掃描週期，並能獨立寫出含自保持、計時器、計數器的梯形圖程式。

• 第二篇（中級，第 6–11 章）：以 IEC 61131-3 為主軸， 學會結構化文字（ST）、資料型別、功能塊模組化與狀態機設計，並掌握類比訊號、PID 調節 與 HMI／警報設計。這是從「會寫」到「寫得好」的分水嶺。

• 第三篇（高級，第 12–17 章）：面向系統整合：工業通訊協定、 伺服運動控制、機械安全與功能安全、軟體工程實務（版本控制、模擬調機、測試）， 以及工業 4.0／IIoT 資料整合。

建議的學習節奏：初級篇搭配一台入門 PLC（或廠商免費模擬器）逐章實作，約 2–4 週； 中級篇以一個完整小專案（例如自動門或小型輸送分揀）貫穿，約 1–2 個月； 高級篇依工作領域挑選章節深入。每章結尾的練習題請務必動手完成——PLC 是實作技能， 只讀不寫是學不會的。

本書範例以 IEC 61131-3 標準語法為主（各家平台語法略有出入，觀念完全相通）， 梯形圖符號採國際慣用的 NO／NC 接點與線圈表示法。

認識 PLC

什麼是 PLC

可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是一種專為工業環境設計的數位運算 電子裝置：它週期性地讀取輸入（按鈕、感測器、極限開關…），依使用者撰寫的程式進行邏輯運算， 再驅動輸出（電磁閥、接觸器、指示燈、變頻器…）。與一般電腦相比，PLC 的核心特質是：

• 確定性（Deterministic）：掃描週期固定且可預測，毫秒級反應。

• 強固性：耐震動、耐電氣雜訊、寬溫域運作，設計壽命常達 10 年以上。

• I/O 導向：硬體與指令集都圍繞著大量離散／類比 I/O 點設計。

• 可維護性：現場電機人員可透過梯形圖直接監看、除錯與修改。

發展簡史

1968 年，美國通用汽車（GM）Hydra-Matic 變速箱廠為了擺脫每次改車型就要重新配線數千顆 繼電器的困境，公開徵求「可用程式取代配線」的控制器。1969 年 Modicon 084（Dick Morley 團隊） 成為第一台商用 PLC。往後五十餘年的演進大致為：

PLC 與其他控制方案的比較

主流品牌與產品線概覽

閱讀規格表時，先看五件事：I/O 點數與擴充能力、程式容量與掃描速度、 通訊介面（乙太網路口數、串列埠、支援協定）、特殊功能 （高速計數、脈衝輸出、PID 迴路數）、開發軟體與授權費用。

典型應用場景

輸送帶與分揀、包裝機、充填機、立體倉儲、電鍍與表面處理線、給排水與泵浦站、 HVAC 空調箱、隧道與交通號誌、停車場設備、汙水處理廠、食品 CIP 清洗流程等。 凡是「感測器進、致動器出、邏輯與順序控制為主」的場合，就是 PLC 的主場。

硬體架構與電氣接線

系統組成

小型機（Brick／一體式）把上述功能整合在單一機身並提供少量擴充； 中大型機（模組式／機架式）則依需求插槽組合，可熱插拔、可遠端分散 I/O。

數位輸入：Sink 與 Source

24 VDC 數位輸入迴路必有「電流方向」問題，這是初學者最常接錯的地方：

數位輸出型式比較

類比 I/O 概述

工業類比訊號以 4–20 mA 電流迴路為首選（抗雜訊、可偵測斷線：低於 4 mA 即異常）， 其次為 0–10 V。解析度以位元數表示：12 bit = 4096 階、16 bit = 65536 階。 詳細的工程單位換算與濾波在第 10 章說明。

配線與雜訊對策

• 動力與訊號分離：動力線（變頻器輸出尤甚）與訊號線分槽、垂直交叉。

• 類比與通訊線使用隔離雙絞遮蔽線，遮蔽層單端接地（通常控制盤端）。

• 接地：控制盤設專用接地排，類比地與動力地分開匯流後單點接地。

• 電源品質：PLC 電源與動力電源分開，必要時加隔離變壓器或 UPS。

• 緊急停止迴路必須是硬體迴路（安全繼電器直接切斷動力）， 不可只靠 PLC 程式（詳見第 14 章）。

PLC 運作原理：掃描週期

循環掃描模型

PLC 不是「事件驅動」，而是循環掃描（cyclic scan）：

三個關鍵推論：

1. 同一週期內輸入是「凍結」的：程式中無論讀幾次 INPUT1， 值都相同（取自週期開頭的快照）。

2. 輸出在週期結尾才一次更新：程式中對同一輸出多次寫入， 只有最後一次生效——這就是「雙線圈問題」的根源（見 4.7 節）。

3. rung 順序影響結果：前面 rung 改寫的內部變數，後面 rung 立刻看得到； 反之則要等下一個週期。

掃描時間與反應時間

最壞情況的輸入到輸出反應時間 \(\approx\) 輸入濾波時間 \(+\) 2 個掃描週期 \(+\) 輸出元件動作時間。 若掃描週期 5 ms、輸入濾波 10 ms，則保證反應約 20 ms。 高速場合（例如編碼器計數、瞬間通過的物件偵測）應使用高速計數器（HSC）與 中斷程式，它們不受掃描週期限制。

看門狗計時器

CPU 以看門狗（watchdog）監控每次掃描是否在限定時間內完成（如 200 ms）。 程式陷入無窮迴圈（如 WHILE 條件永真）會觸發看門狗，CPU 進入故障停機、輸出全部復歸 ——這是保護機制，也是 WHILE／FOR 在 PLC 中要小心使用的原因。

記憶體區與資料保持

梯形圖基礎

從繼電器電路到梯形圖

梯形圖（Ladder Diagram, LD）承襲自繼電器控制圖：左右兩條「電源軌」， 中間橫向的「梯級（rung）」由接點（條件）與線圈（結果）組成。 想像「電力」從左軌經過接點流向右軌：路徑導通，線圈就激磁。

基本元件

串聯與並聯：AND 與 OR

接點串聯即 AND（全部成立才導通）；並聯即 OR（任一成立即導通）。 布林代數的 \(Y = (A \land \lnot B) \lor C\) 寫成梯形圖：A 與 B 的 NC 串聯成一條路， C 並聯在旁邊。

自保持電路（Seal-in）

最重要的基本電路：按一下啟動鈕馬達持續運轉，按停止鈕才停。

按下 Start：rung 導通、Motor = ON；下一週期起，Motor 自身的 NO 接點取代 Start 維持導通（「自保持」）；按下 Stop（訊號變 0，NC 斷開）迴路切斷，Motor 復歸。 注意 Stop 串接在自保持迴路之後，確保任何時候都能停機——「停止優先」。

互鎖電路（正反轉）

馬達正轉與反轉接觸器絕不可同時吸合（相間短路）。程式互鎖：正轉 rung 串入 「反轉線圈」的 NC 接點，反轉 rung 串入「正轉線圈」的 NC 接點； 兩者互相封鎖。實務上還必須加硬體互鎖（兩顆接觸器的機械互鎖與輔助接點互鎖）， 程式互鎖只是第一道防線。

執行順序

梯形圖由上而下、每個 rung 由左而右求值。設計時把「事件偵測」放前面、 「狀態決策」在中間、「輸出驅動」放最後，形成 輸入處理 \(\to\) 邏輯 \(\to\) 輸出的三段式結構，可讀性與可預測性最好。

雙線圈問題

同一輸出線圈在兩個 rung 出現時，只有最後一個 rung 的結果會送到實體輸出 （前面的結果被覆寫）。正確做法：把多個條件以並聯合併到單一 rung， 或改用 SET／RESET 指令並嚴格管理優先權。

基本指令：計時、計數與資料處理

計時器

TON 時序圖：

典型用途：TON——馬達啟動後延遲確認壓力建立、防抖動；TOF——停機後風扇續轉散熱； TP——固定寬度的沖洗／噴膠脈衝。

計數器

CTU（上數）在 CU 上升緣 \(+1\)，計數值 \(\geq\) PV 時 Q 為 ON；R 復歸。 CTD（下數）自 PV 往下數到 0。CTUD 雙向。 計數器吃的是邊緣：訊號保持 ON 不會連續累加。 產線常用「入口感測器 CU、出口感測器 CD」統計區間內工件數—— 這正是第 9 章狀態機中「車輛計數」的原型。

SET／RESET 與邊緣偵測

SET（S）使線圈 ON 後保持，RESET（R）復歸；等效於 IEC 的 SR／RS 功能塊。 優先權要想清楚：安全相關一律「復歸優先」（RS）。

邊緣偵測（R_TRIG／F_TRIG、OSR/ONS）把電平轉為單一掃描週期的脈衝， 用於「按一下」語意、計數觸發與狀態轉移。 優先使用平台內建指令，不要手寫「本次值與上次值比較」的三 rung 寫法—— 上一份審查報告（Rung 1–6）示範了手寫版本的風險：中間變數命名不一致會讓邊緣偵測整組失效。

比較、運算與傳送

比較（EQU/NEQ/GEQ/LEQ…）把數值條件變成 rung 導通條件； 運算（ADD/SUB/MUL/DIV）與傳送（MOV）處理資料。 兩個實務要點：整數除法會截斷（需要小數就先轉 REAL）； 運算指令若每個週期都執行，累加類邏輯必須搭配邊緣觸發，否則一秒內就加了數百次。

綜合範例：停車場車位管理

需求：入口與出口各一支車輛感測器；顯示剩餘車位；滿位時亮「滿」燈並禁止入口柵欄開啟。

VAR
  EntrySensor, ExitSensor : BOOL;   // 車輛通過感測器
  trigIn, trigOut : R_TRIG;
  Capacity : INT := 50;
  Occupied : INT;                    // 建議放保持區
  FullLamp, GateEnable : BOOL;
END_VAR

trigIn(CLK := EntrySensor);
trigOut(CLK := ExitSensor);

IF trigIn.Q AND (Occupied < Capacity) THEN
    Occupied := Occupied + 1;
END_IF;
IF trigOut.Q AND (Occupied > 0) THEN
    Occupied := Occupied - 1;      // 下限保護，避免負數
END_IF;

FullLamp   := (Occupied >= Capacity);
GateEnable := NOT FullLamp;

麻雀雖小五臟俱全：邊緣觸發、上下限保護、輸出為狀態的純函數。 這三個習慣請從第一天就養成。