PLC原理及优点

1、Date: 2021-12-14 Page: 1可编程控制器工作原理CH3第三章 可编程序控制器工作原理Date: 2021-12-14 Page: 2可编程控制器工作原理CH3回顾：传统继电接触器控制系统的优缺点回顾：传统继电接触器控制系统的优缺点优点优点结构简单、容易掌握、价格低廉等；结构简单、容易掌握、价格低廉等；缺点缺点可靠性差可靠性差动作速度慢动作速度慢功能少，难于实现较复杂的控制功能少，难于实现较复杂的控制设备体积大设备体积大靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，维护困难靠硬连线逻辑构成的系统，接线复杂，维护困难通用性和灵活性较差通用性和灵活性较差Date: 2021-12-14 Pa

2、ge: 3可编程控制器工作原理CH3随着计算机技术的发展，为抛弃传统的继电接触控制系随着计算机技术的发展，为抛弃传统的继电接触控制系统的束缚，适应市场的竞争要求，各生产厂家对控制系统的束缚，适应市场的竞争要求，各生产厂家对控制系统提出了要求，要求实际上提出了将继电器控制的简单统提出了要求，要求实际上提出了将继电器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触控善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑

3、编程的设想。可编程序控制器（可编程序控制器（Programmable Logic Controller,PLCProgrammable Logic Controller,PLC）正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。用工业控制装置。可编程序控制器（可编程序控制器（PLCPLC）的产生）的产生Date: 2021-12-14 Page: 4可编程控制器工作原理CH33.1 PLC3.1 PLC的基本概念的基本概念国际电工委员会（国际电工委员会（IECIEC）在）在19851985年的年的PLCPLC标准草案第标准草案第3

4、3稿稿中，对中，对PLCPLC作了如下定义：作了如下定义：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为可编程序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。它采用在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形序控制器及其有

5、关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。一、一、PLCPLC的基本概念的基本概念Date: 2021-12-14 Page: 5可编程控制器工作原理CH319681968年年 美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统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（基本设想）：的新型控制器的十项指标（基本设想）：编程简单、现场可修改程序；编程简单、现场可修改程序；维护方便、采用插件式结构；维护方便、采用插件式结构；可靠性高于继电器控制系统；可靠性高于继电器控制系统；体积小于继电器控制系统；体积小于继电器控制系统

6、；数据可以直接送入计算机；数据可以直接送入计算机；成本可与继电器系统竞争；成本可与继电器系统竞争；输入可为市电；输入可为市电；输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；输出可为市电，能直接驱动电磁阀、交流接触器等；通用性强、易于扩展；通用性强、易于扩展；用户存储器大于用户存储器大于4K4K。二、二、PLCPLC的发展史的发展史Date: 2021-12-14 Page: 6可编程控制器工作原理CH3PLCPLC诞生诞生19691969年美国数字设备公司（年美国数字设备公司（DECDEC）研制出世界第一台）研制出世界第一台可编程控制器可编程控制器PDPPDP1414。Date: 2021-1

7、2-14 Page: 7可编程控制器工作原理CH3第一代：从第一台第一代：从第一台PLCPLC诞生到上个世纪诞生到上个世纪7070年代初年代初第二代：第二代： 7070年代初至年代初至7070年代末年代末CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。CPU使用微处理器，采用半导体存储器使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。可靠性较差，略强于继电器控制。可靠性较差，略强于继电器控制。机种单一，没形成系列。机种单一，没形成系列。有了计算机接口和模拟量控制功能。有了计算机接口和模拟量控制功能。可靠性提高。可靠性提高。整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用

8、方向过渡。整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。功能简单（只有计数功能简单（只有计数/定时功能）。定时功能）。功能增强（增加逻辑功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。数据运算、数据处理、自诊断等功能）。Date: 2021-12-14 Page: 8可编程控制器工作原理CH37070年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使使PLCPLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为制域，真正成为一种电子计算机工业控

9、制装置，故称为可编程控制器（可编程控制器（PLCPLC）Date: 2021-12-14 Page: 9可编程控制器工作原理CH3第三代：第三代：7070年代末到年代末到8080年代中期年代中期CPU使用使用8或或16位微处理器甚至多微处理器，采用半导体位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器存储器EPROM、CMOSRAM等。等。增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。增加查表、列表功能。增加查表、列表功能。自诊断及容错技术提高。自诊断及容错技术提高。梯形图语言及语句表成熟。梯形图语言及语句表成熟。小型小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。体积减小、

10、可靠性提高、成本下降。大型大型PLC向模块化、多功能方向发展。向模块化、多功能方向发展。Date: 2021-12-14 Page: 10可编程控制器工作原理CH3第四代：第四代：8080年代中期到年代中期到9090年代中期年代中期增加高速计数、中断、增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。等功能。处理速度进一步提高（处理速度进一步提高（1 s/步步）。）。连网功能增强。连网功能增强。编程语言进一步完善，开发了编程软件。编程语言进一步完善，开发了编程软件。Date: 2021-12-14 Page: 11可编程控制器工作原理CH3第五代：第五代： 9090年代中期之后年代中期之后CP

11、U使用使用16位或位或32位微处理器。位微处理器。PLC的的I/O点增加，最多可达点增加，最多可达32K个个I/O点。点。处理速度进一步提高（处理速度进一步提高（1ns/步步）。）。PLC都可以与计算机通信。都可以与计算机通信。具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。开发了大量的特殊功能模块。开发了大量的特殊功能模块。编程软件功能更强大。编程软件功能更强大。不断开发出功能强大可编程终端。不断开发出功能强大可编程终端。Date: 2021-12-14 Page: 12可编程控制器工作原理CH3PLCPLC的发展趋势的发展趋势 向高性

12、能、高速度、大容量发展向高性能、高速度、大容量发展 大力发展微型大力发展微型PLCPLC 大力开发智能型大力开发智能型I/OI/O模块和分布式模块和分布式I/OI/O子系统子系统 基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器基于个人计算机的编程软件取代手持式编程器Date: 2021-12-14 Page: 13可编程控制器工作原理CH3 PLCPLC编程语言的标准化编程语言的标准化 PLCPLC通信的易用化和通信的易用化和“傻瓜化傻瓜化” PLCPLC的软件化和的软件化和PCPC化化 组态软件引发的上位计算机编程革命组态软件引发的上位计算机编程革命 PLCPLC与现场总线相结合与现场总线相结合D

13、ate: 2021-12-14 Page: 14可编程控制器工作原理CH3三、三、PLCPLC的特点的特点 编程方法简单易学编程方法简单易学 功能强、性能价格比高功能强、性能价格比高 硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强硬件配套齐全、用户使用方便、适应性强 可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强 系统的设计、安装、调试工作量少系统的设计、安装、调试工作量少 维修工作量小、维修方便维修工作量小、维修方便 体积小、能耗低体积小、能耗低Date: 2021-12-14 Page: 15可编程控制器工作原理CH31 1、数字量逻辑控制；、数字量逻辑控制；2 2、运动控制；、运动控制；3 3、闭环

14、过程控制；、闭环过程控制；4 4、定时控制、定时控制5 5、计数控制、计数控制6 6、数据处理；、数据处理；7 7、通信联网；、通信联网；8 8、自诊断；、自诊断；四、四、PLCPLC的功能的功能Date: 2021-12-14 Page: 16可编程控制器工作原理CH31. 1. 工业工业1 1）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；）开关量控制，如逻辑、定时、计数、顺序等；2 2）模拟量控制，部分）模拟量控制，部分PLCPLC或功能模块具有或功能模块具有PIDPID控制功能，控制功能，可实现过程控制；可实现过程控制；3 3）监控，用）监控，用PLCPLC可构成数据采集和处理的监控系统；可

15、构成数据采集和处理的监控系统；4 4）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，）建立工业网络，为适应复杂的控制任务且节省资源，可采用单级网络或多级分布式控制系统。可采用单级网络或多级分布式控制系统。2. 2. 其他行业其他行业可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防可编程序控制器在其他行业的应用也日益广泛：在国防和民用，如建筑，环保，家用电器等。和民用，如建筑，环保，家用电器等。五、五、PLCPLC的应用领域的应用领域Date: 2021-12-14 Page: 17可编程控制器工作原理CH3PLCPLC主要由主要由CPUCPU模块（包含存储器）、输入模块、输出模模块（包含存储器

16、）、输入模块、输出模块、电源和编程装置组成。块、电源和编程装置组成。3.2 PLC3.2 PLC的基本结构的基本结构Date: 2021-12-14 Page: 18可编程控制器工作原理CH3CPUCPU模块主要由模块主要由微处理器（微处理器（CPUCPU芯片）芯片）和和存储器存储器组成。组成。CPUCPU模块功能模块功能：接收、存储有编程工具输入的用户程序和数据。接收、存储有编程工具输入的用户程序和数据。检查、校验用户程序。检查、校验用户程序。接收、调用现场信息，接收、调用现场信息，执行用户程序。驱动执行用户程序。驱动PLCPLC外部的负载。外部的负载。故障诊断。故障诊断。1 1）CPUCP

17、U模块模块Date: 2021-12-14 Page: 19可编程控制器工作原理CH3小型小型PLCPLC：8 8位微处理器或单片机芯片位微处理器或单片机芯片Z80A 8031Z80A 8031中型中型PLC: 16PLC: 16位微处理器或单片机芯片位微处理器或单片机芯片 intel8086intel8086大型大型PLCPLC：高速位片式微处理器：高速位片式微处理器微处理器微处理器Date: 2021-12-14 Page: 20可编程控制器工作原理CH3PLCPLC使用的几种物理存储器：使用的几种物理存储器： 随机存取存储器：随机存取存储器：RAMRAM，读，读/ /写存储器写存储器 只

18、读存储器：只读存储器：ROMROM 可以电擦除可编程的只读存储器：可以电擦除可编程的只读存储器：EEPROMEEPROM存储器存储器Date: 2021-12-14 Page: 21可编程控制器工作原理CH3存储器用来存储程序和数据，根据工作原理，存存储器用来存储程序和数据，根据工作原理，存储空间一般包括三个区：储空间一般包括三个区：系统程序存储区系统程序存储区用户程序存储区：用户程序区、系统区。用户程序存储区：用户程序区、系统区。工作数据存储区工作数据存储区RAMRAMDate: 2021-12-14 Page: 22可编程控制器工作原理CH32 2）I/OI/O模块模块输入模块用来接收和采

19、集输入信号，输入模块分为开输入模块用来接收和采集输入信号，输入模块分为开关量输入模块和模拟量输入模块；关量输入模块和模拟量输入模块；输出模块用来输出信号和驱动执行元件。输出电路都输出模块用来输出信号和驱动执行元件。输出电路都采用电气隔离技术。采用电气隔离技术。Date: 2021-12-14 Page: 23可编程控制器工作原理CH3各各I/OI/O点的通点的通/ /断状态用发光二极管（断状态用发光二极管（LEDLED）显示，外部接）显示，外部接线一般接在模块面板的接线端子上。线一般接在模块面板的接线端子上。I/OI/O模块的工作原理模块的工作原理输入模块输入模块设有设有RCRC滤波电路，以防

20、止由于输入触点抖动或外部干扰脉滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起错误的输入信号。冲引起错误的输入信号。下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线示意图：下图是某直流输入模块的内部电路和外部接线示意图：Date: 2021-12-14 Page: 24可编程控制器工作原理CH3S7-200S7-200的的CPUCPU模块的数字量输出电路的功率元件有驱动直模块的数字量输出电路的功率元件有驱动直流负载的场效应晶体管和小型继电器流负载的场效应晶体管和小型继电器, ,后者既可以驱动交后者既可以驱动交流负载又可以驱动直流负载流负载又可以驱动直流负载, ,负载电源由外部提供。负载电源由外部提供

21、。输出模块输出模块Date: 2021-12-14 Page: 25可编程控制器工作原理CH3编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修编程器用来生成用户程序，并用它进行编辑、检查、修改和监视用户程序的执行情况。改和监视用户程序的执行情况。手持式编程器和编程软件；手持式编程器和编程软件；3 3）编程器）编程器4 4）电源）电源Date: 2021-12-14 Page: 26可编程控制器工作原理CH3结论结论PLCPLC是一种计算机。与一般计算机比较具有更强是一种计算机。与一般计算机比较具有更强的与工业过程想连接的接口和更直接的适用于控的与工业过程想连接的接口和更直接的适用于控制要求的编

22、程语言。制要求的编程语言。Date: 2021-12-14 Page: 27可编程控制器工作原理CH3体积小，价格低，小型体积小，价格低，小型PLCPLC一般采用这种结构；一般采用这种结构；将将CPUCPU模块、模块、I/OI/O模块和电源装在一个箱形机壳内；模块和电源装在一个箱形机壳内；通常将此整体称为通常将此整体称为CPUCPU模块；模块；配有许多专用的特殊功能模块，使配有许多专用的特殊功能模块，使PLCPLC的功能得到的功能得到扩展，如模拟量扩展，如模拟量I/OI/O模块、通信模块等。模块、通信模块等。PLCPLC的硬件结构的硬件结构整体式整体式PLCPLCDate: 2021-12-1

23、4 Page: 28可编程控制器工作原理CH3S7-200 CPUS7-200 CPU模块的外形图模块的外形图Date: 2021-12-14 Page: 29可编程控制器工作原理CH3大、中型的，较复杂的，要求较高的系统一般选用大、中型的，较复杂的，要求较高的系统一般选用模块式结构的模块式结构的PLCPLC；由机架和模块组成；模块插在模块插座上，模块插由机架和模块组成；模块插在模块插座上，模块插座焊在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架座焊在机架中的总线连接板上，有不同槽数的机架供用户选用，还有扩展机架；供用户选用，还有扩展机架；组态方便灵活：用户可以选用不同档次的组态方便灵活：用户可以选

24、用不同档次的CPUCPU模块、模块、品种繁多的品种繁多的I/OI/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。选择余地较大，维修时更换模块也很方便。 模块式模块式PLCPLCDate: 2021-12-14 Page: 30可编程控制器工作原理CH3S7-400 PLCS7-400 PLC的外形图的外形图Date: 2021-12-14 Page: 31可编程控制器工作原理CH3在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如在数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通高电平和

25、低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可以用逻辑代数中的和断开，可以用逻辑代数中的1 1和和0 0来表示，一般在波形图来表示，一般在波形图中，用高电平表示中，用高电平表示1 1状态，用低电平表示状态，用低电平表示0 0状态。状态。3.3 PLC3.3 PLC的工作原理的工作原理一、一、 用触点和线圈实现逻辑运算用触点和线圈实现逻辑运算Date: 2021-12-14 Page: 32可编程控制器工作原理CH3逻辑运算关系表逻辑运算关系表Date: 2021-12-14 Page: 33可编程控制器工作原理CH3a)a)与与 b)b)或或 c)c)非非 基本逻辑运算基本逻辑运算Dat

26、e: 2021-12-14 Page: 34可编程控制器工作原理CH3例：异步电动机控制电路逻辑关系分析例：异步电动机控制电路逻辑关系分析电路实现的逻辑关系可用逻辑代数式表示为：电路实现的逻辑关系可用逻辑代数式表示为：FRSBKMSBKM2)1(Date: 2021-12-14 Page: 35可编程控制器工作原理CH32021-12-14二、二、PLCPLC的继电器的继电器PLCPLC可看成是由普通继电器、定时器、计数器等组合而成的可看成是由普通继电器、定时器、计数器等组合而成的电气控制系统。电气控制系统。PLCPLC内部的继电器实际上是指存储器中的存储单元，称为软内部的继电器实际上是指存储

27、器中的存储单元，称为软继电器。继电器。软继电器体积小、功耗低、无触点、速度快、寿命长，并软继电器体积小、功耗低、无触点、速度快、寿命长，并且具有无限多的常开、常闭触点供程序使用。且具有无限多的常开、常闭触点供程序使用。Date: 2021-12-14 Page: 36可编程控制器工作原理CH31 1、读取输入；、读取输入；2 2、执行用户程序；、执行用户程序； 程序执行阶段，输入值固定，系统运行稳定。程序执行阶段，输入值固定，系统运行稳定。 可以提高程序的执行速度。可以提高程序的执行速度。 灵活。灵活。3 3、通信处理；、通信处理；4 4、CPUCPU自诊断测试；自诊断测试；5 5、改写输出；

28、、改写输出；6 6、中断程序的处理；、中断程序的处理；7 7、立即、立即I/OI/O处理；处理；三、三、PLCPLC的工作原理的工作原理Date: 2021-12-14 Page: 37可编程控制器工作原理CH3扫描工作模式扫描工作模式Date: 2021-12-14 Page: 38可编程控制器工作原理CH3PLCPLC的工作过程的工作过程对应的指令表对应的指令表( (语句表语句表) )程序程序: : LD I0.1 O Q0.0 AN I0.2 = Q0.0Date: 2021-12-14 Page: 39可编程控制器工作原理CH3 输入采样输入采样 执行用户程序执行用户程序 输出刷新输出

29、刷新I/OI/O处理过程（三个阶段）处理过程（三个阶段） PLCPLC扫描周期一般仅几十扫描周期一般仅几十msms，两次采样之间的间隔时间，两次采样之间的间隔时间很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。很短，对一般的开关量而言，可以认为采样是连续的。两次刷新的间隔仅几十两次刷新的间隔仅几十msms，即使考虑电路的电气惯性，即使考虑电路的电气惯性（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。（延迟）时间，仍可认为输出是及时的。Date: 2021-12-14 Page: 40可编程控制器工作原理CH3 初始操作（上电处理）初始操作（上电处理） 运行：（顺序）周期循环扫描扫描运行：（顺序）周期循环扫

30、描扫描 工作特点：集中输入，集中输出（小型工作特点：集中输入，集中输出（小型PLCPLC）PLCPLC工作过程的特殊性工作过程的特殊性Date: 2021-12-14 Page: 41可编程控制器工作原理CH3输入输出滞后时间输入输出滞后时间 输入电路滤波时间输入电路滤波时间 输出电路的滞后时间输出电路的滞后时间 扫描工作方式引起的滞后时间扫描工作方式引起的滞后时间外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有关外部输出信号发生变化的时刻之间时间间隔。信号发生变化的时刻之间时间间隔。扫描工作方式引起最长的滞后时间可达两个扫描周期扫描工作方式引起最长的滞后时间可达两个扫描周期Date: 2021-12-14 Page: 42可编程控制器工作原理CH3PLCPLC与计算机的异同与计算机的异同 相同点：相同