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第一章 可编程控制器基础

第一章 可编程控制器基础. 1.1 PLC 的定义 1.2 PLC 的结构和工作原理基本组成 1.3 PLC 的工作方式 1.4 PLC 的主要性能指标 1.5 PLC 的优点 1.6 PLC 的应用. 1 ） 编程简单、现场可 修改程序； 2 ）维护方便、采用插 件式结构； 3 ）可靠性高于继电器 控制系统； 4 ）体积小于继电器控 制系统； 5 ）数据可以直接送入 计算机；. 6 ）成本可与继电器系 统竞争； 7 ）输入可为市电； 8 ）输出可为市电，能 直接驱动电磁阀、交 流接触器等； 9 ）通用性强、易于扩 展；

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第一章 可编程控制器基础

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  1. 第一章 可编程控制器基础 • 1.1 PLC的定义 • 1.2 PLC的结构和工作原理基本组成 • 1.3 PLC的工作方式 • 1.4 PLC的主要性能指标 • 1.5 PLC的优点 • 1.6 PLC的应用

  2. 1） 编程简单、现场可 修改程序； 2）维护方便、采用插 件式结构； 3）可靠性高于继电器 控制系统； 4）体积小于继电器控 制系统； 5）数据可以直接送入 计算机； 6）成本可与继电器系 统竞争； 7）输入可为市电； 8）输出可为市电，能 直接驱动电磁阀、交 流接触器等； 9）通用性强、易于扩 展； 10）用户存储器大于 4K。 1968年 美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标：

  3. 什么是PLC ? PLC 是一种专门用于工业控制的计算机。  早期的PLC是用来替代继电器、接触器控制的。它主要用于顺序控制，只能实现逻辑运算。因此，被称为可编程逻辑控制器（Programmable logic controller，略写 PLC )  随着电子技术、计算机技术的迅速发展，可编程控制器的功能已远远超出了顺序控制的范围。被称为可编程控制器（Programmable controller，略写PC)。为区别于Personal Computer (PC)，故沿用PLC这个略写。

  4. 1987年2月，国际电工委员会（IEC）PLC的定义： 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。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出，控制各种类型的机械或生产过程。

  5. 教材定义 • 可编程控制器是一种专为工业控制而设计的计算机控制系统,它通过开关量\模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制,具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力,其硬件根据实际需要选配,其软件则需根据控制要求设计. • 它不仅可以进行逻辑控制,还可以进行模拟量的控制.

  6. 国际市场上流行的PLC厂家: 目前，世界上有200多个厂家生产PLC，较有名的： （1）美国：AB通用电气、莫迪康公司； （2）德国：西门子公司; （3）日本：三菱、富士、欧姆龙、松下电工； （4）法国：TE 施耐德公司； （5）韩国：三星、LG公司等。

  7. 1.1可编程控制器的发展过程及基本功能 一、国内PLC发展及应用概况: 我国的PLC产品的研制和生产经历了三个阶段： 顺序控制器（1973～1979）：一位处理器为主的； 工业控制器（1979～1985）：8位微处理器为主的； 可编程序控制器（1985以后）。 在对外开放政策的推动下，国外PLC产品大量进入我国市场，一部分随成套设备进口。如宝钢一、二期工程就引进了500多套，还有咸阳显象管厂、秦皇岛煤码头、汽车厂等。现在，PLC在国内的各行各业也有了极大的应用，技术含量也越来越高。

  8. PLC的发展过程分四个阶段: • 第一阶段:功能简单,主要是逻辑运算、定时和计数功能，没有形成系列。 • 第二阶段：增加了数字运算功能，能完成模拟量的控制，开始具备自诊断功能，存储器采用EPROM • 第三阶段：PLC的功能和处理速度大大增强，具有通信功能和远程I/O能力。 • 第四阶段：可将多台PLC连接起来与大系统连成一体，实现网络资源共享。

  9. 二、可编程控制器的基本功能 • 1、逻辑控制 能够描述继电器触点的串联、并联等各种连接，因此可以代替继电器进行组合逻辑控制和顺序逻辑控制 2、定时与计数控制 3、步进控制 4、A/D、D/A转换，能完成对模拟量的控制和调节 5、数据处理 6、通信与联网 7、控制系统监控 PLC配置有较强的监控功能，它能记忆某些异常情况，或当发生异常情况时自动终止运行。

  10. 一、可编程控制器的特点 1.2 可编程控制器的特点、性能指标及分类 • 1、高可靠性 • 2、灵活性 • 3、便于改进和修正 • 4、节点利用率高，节点在程序中可不受限制的使用。 • 5、丰富的I/O接口 • 6、模拟调试 • 7、对现场进行微观监视 • 8、快速动作 • 9、梯形图及布尔代数并用 • 10、编程简单、使用方便

  11. 二、 PLC的主要技术性能指标 • 1.编程语言：PLC常用的编程语言有梯形图、指令表、流程图和某些高级语言。 • 2、输入/输出点数 ( I/O点数 )：开关量I/O用最大I/O点数表示，模拟量I/O点数则用最大I/O通道数表示。 • 3、内部继电器的种类和点数 • 4. 内存容量。（16位二进制数为一个字） • 5、扫描速度。 单位：ms/1000步 或 s/步 • 6. 指令条数。（PLC的编程和控制功能） • 高功能模块。 • 工作环境

  12. 三、可编程控制器的分类 • 1、按结构形式分：整体式和模块式 • 整体式PLC：将电源、中央处理器、输入/输出部件等集中配置在一起，有的甚至全部安装在一块印刷电路板上 • 特点：结构紧凑、体积小、质量小、价格低、I/O点数固定，使用不灵活。（小型） • 模块式：把电源模板、CPU模板、输入模板、输出模板等插入机架底版上，组装在一个机架内。 • 特点：配置灵活、装配方便、便于扩展（中型或大型） • 2、按输入、输出点数分：大（2048以上）、中（256到2048）、小型（256以下） • 3、按功能分：低档机、中档机、高档机

  13. §1.3 PLC的基本结构和工作原理 • 传统继电器控制系统称为“硬接线”程序控制系统，在“硬接线”控制系统中，控制功能的改变必须通过修改控制器件和接线来实现。 • 而可编程控制系统是通过修改PLC的程序来实现的。 • 可编程控制系统也称之为“软接线”程序控制系统，由硬件和软件两部分组成。

  14. 地址总线 控制总线 各种开关 灯光指示 输 入 接 口 中 央 处 理 单 元 输 出 接 口 数 据 存 储 器 程序存储器 继电器接点 警报器 行程开关 电磁阀门 模拟量输入 接触器 数据总线 电机 编程 单元 电源 一、 PLC结构示意图

  15. S7系列PLC分为S7-400、S7-300和S7-200等大、中、小（微）三个子系列。S7系列PLC分为S7-400、S7-300和S7-200等大、中、小（微）三个子系列。 以S7-200系列PLC为例，叙述小型PLC系统的构成 • 1、 S7-200 系列PLC的构成 S7-200小型可编程控制系统由主机（基本单元）、I/O扩展单元、功能单元（模块）和外部设备（文本／图形显示器、编程器）等组成。

  16. CPU 224主机的结构外形 • 工作方式开关，模拟电位器，I/O扩展接口，工作状态指示和用户程序存储卡，I/O接线端子排及发光指示等。 • 主机箱体外部的RS-485通讯接口，用以连接编程器（手持式或PC机）、文本／图形显示器、PLC网络等外部设备。

  17. CPU 224外部电路接线电路图 • 输入电路采用了双向光电耦合器，24V DC极性可任意选择，1M、2M为输入端子的公共端。1L、2L为输出公共端。 • CPU224另有24V、280mA电源供PLC输入点使用。

  18. （2）主机I/O及扩展

  19. 小型PLC系统由（主机箱）、I/O扩展单元、文本、图形显示器、编程器等组成。 S7-300是模块式的：P6 图1-1

  20. 二、各组成部分的作用 • 1、导轨：是安装可编程控制器各类模板的机架，可根据实际需要选择。 • 2、电源模板：用于对PLC内部电路供电

  21. 3. CPU：系统的运算控制核心 (1) 从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令。 (2) 将各种输入信号取入。 (3) 把运算结果送到输出端。 (4) 响应各种外部设备的请求。

  22. 4. 存储器 ROM： 存放管理、监控、指令解释等系统管理程序。（用户不能访问和修改该部分内容） RAM： 存放用户编制的控制程序。 图4-3 S7-200 CPU的存储区域

  23. 5. 输入、输出模板： PLC与现场输入/输出元件或设备连接的桥梁；一般PLC均配置I/O电平转换及电气隔离。 输入电压转换是用来将输入端不同电压或电流信号转换成微处理器所能接收的低电平信号； 输出电平转换是用来将微处理器控制的低点平信号转换为控制设备所需的电压或电流信号。 光电隔离在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施。

  24. 输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机处理。输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号送入主机处理。 输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的电信号，以便控制电磁阀、接触器、接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使主机与外部强电隔离。 输出三种形式：继电器 － 交直流输出方式，低速大功率 晶闸管 － 交流输出方式，高速大功率 晶体管 － 直流输出方式，高速小功率

  25. 内 部 电 路 3.3k Xn 1000PF 24V 470 + – – + （1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。 输入端子 发光二极管 PLC COM 光电三极管 直流电源

  26. Y 内 部 电 路 内 部 电 路 J COM - + 交流电源或直流电源 （2）输出接口电路：均采用模块式。 以继电器形式为例： 继电器输出 PLC

  27. 4. 各种接口、高功能模块：便于扩展。 小型机：一体机。有接口可扩展。 中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。 PLC在90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为: • 微型PLC : 32 I/O • 小型PLC : 256 I/O • 中型PLC : 1024 I/O • 大型PLC : 4096 I/O • 巨型PLC : 8195 I/O

  28. PC FP1-C16 小型机

  29. POWER CPU 中、大型机

  30. PC FP PROGRAMMER ST XWX FN/P FL AN YWY OR RWR OT LWL NOT DT/Ld STK IX/IY TM TSV CT CEV (BIN) K/H C D E F SC A B 8 9 (-) OP 4 5 6 7 SRC  2 0 1 3 READ  ACLR ENT WRT (HELP) CLR (DELT) CLR 手持式的编程器 5. 编程设备 编程设备可以是专用的手持式的编程器；也可以是安装了专门的编程通讯软件的个人计算机。 用户可以通过键盘输入和调试程序；另外在运行时，还可以对整个控制过程进行监控。

  31. 三、 PLC的工作原理 CPU：等待命令。 PLC：循环扫描。 PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向顺序执行用户程序，直到END指令结束。然后再从头开始执行，并周而复始，直到停机或切换到STOP停止状态。 即：CPU从第一条指令开始执行，遇到结束符又返回第一条， 不断循环。

  32. 图：PLC扫描过程 PLC扫描工作方式 PLC扫描过程： 输入采样－程序执行－输出刷新

  33. 图4-4 S7-200 CPU的扫描周期

  34. PLC控制电机正反转接线图（I） （a）PLC接口图 （b）内部寄存器 SB1：正转启动按钮 SB2：反转启动按钮 SB3：停止按钮 KM1：正转接触器 KM2：反转接触器 (c)梯形图

  35. PLC控制电机正反转接线图（II） 梯形图 梯形图以指令的形式存储在PLC的用户程序存储器中，其指令表为： 序号 助记符 操作数 0 LD I0.0 1 O Q0.0 2 AN I0.2 3 AN Q0.1 4 = QO.0 5 LD I0.1 6 O Q0.1 7 AN I0.2 8 AN Q0.0 9 = Q0.1 10 END 指令表 序号 助记符 操作数 Q0.0=（I0.0+Q0.0)·/I0.2·/Q0.1 Q0.1=（I0.1+Q0.1)·/I0.2·/Q0.0

  36. 一、 PLC的优点 1.4 可编程控制器与其他工业控制装置的比较 • 1. 性能稳定可靠，抗干扰能力强。 • 2. 模块化组合式结构，通用性好，使用灵活方便。 • 3. 编程简单，便于普及。 • 4. 可进行在线修改。 • 5. 网络通讯功能，便于实现分散式测控系统。 • 与传统的控制方式比较，线路简单。 • 体积小，重量轻，功耗低。

  37. 二、PLC与继电器控制系统的比较 • 继电器控制系统采用硬接线方式装配而成，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计。 • PLC是通过软件来实现的，只要改变程序并改动少量的接线端子，就可以适应生产工艺的改变。

  38. 三、PLC与集散控制系统的比较 • PLC是由继电器逻辑控制系统发展而来，主要侧重于开关量顺序控制方面； • 集散控制系统（DCS）是由单回路仪表控制系统发展而来，主要侧重于回路调节功能。 • PLC与集散控制系统的发展越来越近，很多工业生产过程既可以用PLC，也可以用集散控制系统来实现其功能。把PLC系统和DCS系统各自的优势有机地结合起来，可形成一种新型的分布式计算机控制系统。

  39. 四、PLC与工业控制计算机的比较 • 工业控制计算机是采用通用计算机实现的一种控制设备，速度快、是实时强，对模型复杂、计算量大的工业对象的控制占优势。 • PLC使用技术人员熟悉的梯形图语言编程,易学易懂,便于推广. • PLC软件方面的抗干扰措施在监控程序里已经考虑很周全，而工控机用户程序必须考虑抗干扰问题。

  40. §1.5 PLC的应用 • 1. 用于开关量逻辑控制。 • 用于机械加工的数字控制。 • 用于机器人控制。 • 3. 用于闭环过程控制。 • 4. 用于组成多级控制系统。 • 5. 数据处理、 通信和联网

  41. 1.6 PLC的发展趋势 • 1、网络化 • 2、多功能 • 3、高可靠性 • 4、兼容性 • 5、小型化简单易用 • 6、编程语言向高层次发展

  42. 试 题 1、可编程序控制器采用微处理器作为中央处理单元，可以对进行控制，也可以对进行控制。 逻辑量 模拟量 2、PLC具有逻辑运算功能，能够描述继电器触点的和等 各种连接。 • 串联 并联 3、PLC具有和功能，完成对模拟量的控制与调节。 模数转换（A/D转换） 数模转换（D/A转换） 4、按结构形式分类，PLC可分为式和式两种。 整体式 模块式 5、模块是可编程序控制器系统的运算控制核心。 CPU

  43. 6、是安装可编程控制器各类模板的机架，可根据实际需要6、是安装可编程控制器各类模板的机架，可根据实际需要 选择。 导轨 7、模板用于对PLC内部电路供电。 • 电源 8、是用来将输入端不同电压或电流信号转换成微处理器所能接收的 低电平信号。 • 输入电压转换 9、输出电平转换是用来将控制的低电平信号转换为控制设备所需的 电压或电流信号。 • 微处理器 10、是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施。 电气隔离

  44. 11、可编程序控制器是一种专为工业环境下应用而设计的计算机控11、可编程序控制器是一种专为工业环境下应用而设计的计算机控 制系统，通过、的输入和输出完成各种机械生产过程 的控制。 开关量 模拟量 12、PLC可以代替进行组合逻辑与顺序逻辑控制。 • 继电器 13、PLC的工作过程一般可分为三个主要阶段、程序 执行阶段和。 输入采样阶段 输出刷新阶段 14、可编程序控制器系统也称之为“软接线”程序控制系统， 由和两大部分组成。 • 硬件 软件

  45. 15、PLC的输入和输出量有和两种。 • 开关量 模拟量 16、PLC可以代替继电器进行与控制。 组合逻辑 顺序逻辑 17、PLC重复执行输入采样阶段、和输出刷新阶段 三个阶段，每重复一次的时间称为一个。 程序执行阶段 扫描周期 18、把可编程序控制器系统和系统各自的优势结合起来， 可形成一种新型的分布式计算机控制系统。 集散控制（DCS）

  46. 二、判断题（正确的打√，错误的打×） 1、PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。开关量I/O用 最大I/O点数表示，模拟量I/O点数用最大I/O通道数表示。 （ ） √ 2、PLC具有模数转换和数模转换功能，完成对逻辑量的控制 与调节。 （ ） × 3、PLC配置有较强的监控功能，能记忆某些异常情况， 或当发生异常情况时自动中止运行。 （ ） √ 4、传统继电器接触器控制系统的控制功能必须通过修改 控制器件和接线来实现。 （ ） √

  47. 5、可编程控制系统的控制功能必须通过修改控制器件和接线来5、可编程控制系统的控制功能必须通过修改控制器件和接线来 实现。 （ ） × 6、输入输出模板必须与CPU模板放置在一起。 （ ） × 7、集散控制系统由单回路仪表控制系统发展起来，主要侧重于 回路调节功能。 √ √ 8、PLC的扫描周期因程序的长度不同而不同。 （ ） 9、PLC的扫描周期仅取决于程序的长度。 （ ） × 10、PLC的扫描周期仅取决于CPU模板的运算速度。 （ ） • ×

  48. 11、PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。开关量I/O用11、PLC的输入和输出量有开关量和模拟量两种。开关量I/O用 最大I/O通道数表示，模拟量I/O点数用最大I/O点数表示。 （ ） × 12、电气隔离是在微处理器与I/O回路之间采用的防干扰措施（ ） √ 13、PLC具有模数转换和数模转换功能，完成对模拟量的控制 与调节。 （ ） √

  49. 14、PLC在一个工作周期中，输入采样和输出刷新的时间一般14、PLC在一个工作周期中，输入采样和输出刷新的时间一般 为秒级。 （ ） • × 15、工控机应用系统比PLC应用系统可靠性较高。 （ ） × 16、集散控制系统由单回路仪表控制系统发展起来，主要侧重 于开关量顺序控制方面。 （ ） ×

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