电气控制技术与PLC第5章

下篇1可编程控制器概述第5章25.1可编程控制器的概念5.2可编程控制器的功能和特点5.3可编程控制器的应用领域5.4可编程控制器的分类5.5可编程控制器的组成5.6可编程控制器的工作过程5.7可编程控制器的编程语言第5章可编程控制器概述35.1可编程控制器4

5.1.1什么是PLC？1.什么是PLC？

可编程序控制器（ProgrammbleLogicController）简称PC或PLC。

是一种工业控制装置PLC是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。5.1可编程控制器的基本概述5

2.定义

1987年2月国际电工委员会（IEC）的定义

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”。65.1.2可编程控制器的产生和发展

1.可编程控制器的产生世界上第一台PLC

1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公（GM）的要求研制成功。背景：1968年美国通用汽车公司（GeneralMotors），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。并提出10项招标指标。这就是著名的GM10条。7-编程简单，可在现场修改程序；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；维护方便，最好是插件式；可将数据直接送入管理计算机；在成本上可与继电器控制柜竞争；输入可以是交流115V；输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等；在扩展时，原系统只需很小变更；用户程序存贮器容量至少能扩展到4K。GM10条是可编程序控制器出现的直接原因GM10条：8设计思想：

吸取继电器和计算机两者的优点继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）92、PLC的发展状况（5代）第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初。第二代：70年代初至70年代末。●CPU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EPROM。●可靠性较差，略强于继电器控制。●机种单一，没形成系列。●有了计算机接口和模拟量控制功能。●可靠性提高。●整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。●功能简单（只有计数/定时功能/顺序控制功能）。●功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。10第三代：70年代末到80年代中期。●CPU使用8或16位微处理器甚至多微处理器，采用半导体存储器EPROM、CMOSRAM等。●增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。●增加查表、列表功能。●自诊断及容错技术提高。●梯形图语言及语句表成熟。●小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。●大型PLC向模块化、多功能方向发展。11

第四代：80年代中期到90年代中期。第五代：90年代中期之后。●增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。●处理速度进一步提高（1s/步）。●连网功能增强。●编程语言进一步完善，开发了编程软件。●CPU使用16位或32位微处理器。●PLC的I/O点增加，最多可达32K个I/O点。●处理速度进一步提高（1ns/步）。●PLC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。●开发了大量的特殊功能模块。●编程软件功能更强大。●不断开发出功能强大可编程终端。12

PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、具有性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。三大技术支柱之一13PLC及其控制系统的发展趋势对小型PLC对大中型PLC向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方向发展。使之更利于取代继电器控制。1、在系统构成规模上向大、小两个方向发展；14PLC及其控制系统的发展趋势2.PLC功能上①功能不断加强，各种应用模块不断推出

②应用范围不断扩大③性能不断提高④编程软件的多样化和高级化、标准化⑤构成形式的分散化和集散化产品更加规范化、标准化155.216

5.2.1PLC的主要功能逻辑控制功能定时/计数控制功能运动控制/过程控制功能步进控制功能A／D与D／A转换功能

数据处理功能通信联网功能扩展功能监控功能

5.2PLC的功能和特点17①.屏蔽—采用良好的材料对电源、CPU、编程器等主要部件屏蔽②.滤波—对供电系统及输入线路采用多种形式的滤波③.电源调整与保护—对微处理器这个核心部件所需的+5V电源，采用多级滤波，并用集成电压调整器进行调整④.隔离—在微处理器与I/O电路之间，采用光电耦合器⑤.采用模块式结构—这种结构有助于在故障情况下短时修复。⑥.设置了连锁、环境检测与诊断电路。⑦.采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。⑧.以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。2.通用性和灵活性强；3.编程语言简单易学；4.与外部设备的连线简单、使用方便；5.功能强、功能的扩展能力强；6.控制系统设计、调试周期短；7.体积小、重量轻、易于机电一体化；8.PLC控制系统的故障少、维修方便。抗干扰能力强，可靠性高；5.2.2PLC主要特点185.2.3PLC与传统的继电器逻辑相比1.可靠性高、逻辑功能强、体积小。2.在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC无需增加硬件设备。3.随着要求的变更PLC对程序修改方便。继电器线路要想改变控制功能，必须变更硬接线，灵活性差。

4.具有网络通讯功能。5.可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。195.2.4PLC与工业控制计算机相比1.PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，学习起来十分方便。2.PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。工业控制机在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。

3.PLC的运行方式与工业控制机不同，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。4.PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展。5.PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而计的。都具有很高的可靠性。201.不如PLC容易掌握：2.不如PLC使用简单：3.不如PLC可靠：

5.2.5PLC与单板(或单片)计算机比较215.322随着PLC的性能价格比的不断提高;微处理器的芯片及有关的元件价格大大降低，PLC的成本下降PLC的功能大大增强，因而PLC的应用日益广泛。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等各行各业。其应用范围大致可归纳为以下几种：5.3PLC的应用领域23传送带生产线控制灌装及包装机械木材加工电梯控制空调控制纺织机械印刷机械1.4可编程序控制器的发展趋势

24PLC的应用领域1.逻辑控制：可取代传统继电器系统和顺序控制器。各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。2.运动控制：PLC可用于直线运动或圆周运动的控制。早期直接用开关量I/O模块连接位置传感器和执行机械，现在一般使用专用的运动模块。可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。25PLC的应用领域3.过程控制：通过配用A／D、D／A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。4.数据处理：具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析和处理。

26PLC的应用领域

5.通信联网：利用PLC的网络通信功能模块及远程I／O控制模块实现多台PLC之间、PLC与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。275.4PLC的基本分类28按结构按功能5.4PLC的基本分类整体式:小型机常采用整体式组合式:中、大型机采用组合式低档机、中档机、高档机按I／O点数超小型机、小型机、中型机、大型机29分类I／0点数程序容量超小型机64点以内256～1000字节小型机64～2561～3.6K字节中型机256～20483.6～13K字节大型机2048以上13K字节以上按I／O点数和程序容量分类30整体式结构31模块式结构32331.用户程序存储的容量大小（小型：8K。大型：256K~4M）2.输入/输出点数的多少；（I/O点数）3.循环扫描速度的快慢；(单位：ms／k或μs/步。)4.编程指令的种类和条数的多少；5.内部器件的种类和数量的多少；寄存器的配置和容量6.功能及功能扩展的能力；7.智能单元数量的多少；8.连网通信能力等。PLC的主要技术指标34描述PLC性能的术语：

1.位（Bit）——二进制数的一位（0、1），一个位对应PLC的一个继电器。状态：“1”——继电器线圈得电（ON）“0”——继电器线圈失电（OFF）2.数字（Digit）——四位二进字数构成一个数字0000—1001（十进制数）0000—1111（十六进制数）3.字节（Byte）——2个数字或8位二进字数构成一个字节;4.字（Word）——2个字节构成一个字;PLC术语中：字——通道，一个字（通道）含16位。（一个通道含16个继电器）。355.5PLC的组成及其各部分的功能36可编程控制器组成CPU单元6.外设端口4.电源单元3.输入/输出单元5.I/O扩展端口7.编程工具2.存储器8.智能单元375.5.1PLC系统的基本结构

整体式--PLC的基本组成框图

组合式--PLC的基本组成框图38输出设备输入设备

I/O扩展单元特殊功能单元主机输出单元输入单元

电源外设接口I/O扩展口存储器

系统程序存储器CPU

用户程序存储器盒式磁带机打印机EPROM写入器

上位计算机PLC编程器可编程终端PT…

整体式--PLC的基本组成框图限位开关手动开关编码器指示灯继电器电磁阀蜂明器39

组合式--PLC的基本组成框图系统总线通信单元控制系统现场过程CPU单元输出单元编程器PLC或上位计算机……智能I/O单元输入单元40★采集现场的状态或数据，并送入PLC的寄存器中;★输入并存储用户程序、显示输入内容和地址；★逐条读取指令，完成各种运算和操作。★执行用户程序、将处理结果送至输出端、驱动外部输出设备动作；★响应各种外部设备的工作请求。★检查、校验用户程序，发现错误即报警；★诊断故障、记忆故障信息并报警。诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。

CPU指挥PLC完成各种预定的功能

5.5.2PLC各部分的作用

1.CPU单元41系统程序存储器：用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。用户程序存储器：存储根据制作要求而编制的应用程序。这类存储器一般由低功耗的EPROM或EEPROM构成，其中的存储内容可读出并更改。工作数据存储器：用来存储工作数据的区这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成其中的存储内容可读出并更改。注意：

PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。

2.PLC存储器42PLC与外部设备联系的桥梁开关量输入单元开关量输出单元

直流输入单元

交流输入单元晶体管输出单元晶闸管输出单元继电器输出单元

3.开关量输入/输出单元43特点:输入信号的电源;8路输入共用一个公共端,现场输入信号“0”“1”。每路输入信号均采用光电耦合电路;每路输入信号均有LED显示；数字输入接口接收的是主令信号和检测信号；（直流输入、交流输入）

开关量输入接口电路4445

直流输入电路COM+5VLEDSR3R1AR2C→→T

内部电路滤波→→→→光电耦合

外部开关

输入点的状态显示

输入点公共端X046

交流输入电路LED+5VA→→R2T～COMSCR1内部电路R3滤波→→→→光电耦合

输入点的状态显示

外部开关输入点X047采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型：继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。开关量输出接口电路48继电器输出电路COMLEDJ～R内部电路→→负载输出点的状态显示

继电器

机械触点

公共端输出点Y049晶闸管输出电路COMLEDR2C→→TFU～内部电路R1负载→→双向光控晶闸管

输出点的状态显示

公共端输出点50晶体管输出电路COMT2LED→→DFU+5V内部电路T1R1R2R3负载→→光电耦合

输出点的状态显示

公共端输出点51输出接口电路：晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。（a）晶体管输出型（NPN集电极开路）（b）晶体管输出型（PNP集电极开路）52PLC要在过程控制领域得以应用，模拟量的输入输出接口便是其不可或缺的重要部件。其主要功能：数据转换。与PLC的基本单元的总线相连由CPU调用和处理其数据。

4.模拟量I/O接口模块53（1).模拟量输入接口模块（A/D）4路模拟量输入

54（2).模拟量输出接口模板D/A

2路模拟量输出55PLC由开关式稳压电源为内部电路供电抗干扰性能好有的PLC能向外部提供24V的直流电源可作为输入单元连接的外部设备的电源开关电源输入电压范围宽体积小重量轻效率高

5.电源单元56

若主机单元的I／O点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I／O扩展单元与主机相连，以增加I／O点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。

6.I/O扩展端口

I/O扩展端口连接扩展器的示意图57CPM1A主机与I/O扩展器的连接主机I/O扩展器连接电缆58CPM2A59

7.外设端口外设端口盒式磁带机打印机EPROM写入器上位计算机

PLC可编程终端PT编程器…60通信与扩展接口的连接实例61编程器是对PLC进行操作的工具专用编程器在装有专用编程软件的计算机上编程简易编程器直插式、便携式计算机辅助编程图形编程器

8.编程工具62显示屏工作方式选择开关编程位主机监控位运行位编程器直插式编程器63键盘指令键数字键编辑键清除键直插式编程器64便携式编程器键盘显示屏工作方式选择开关65CPM1A主机与编程器的连接66

CPM1A主机与编程器的连接67计算机辅助编程计算机编程软件PLC专用电缆计算机编程软件PLC通信适配器RS-232电缆68智能单元本身是一个独立的系统CPU、系统程序、存储器、与外界相连的接口它们有自己的：对组合式PLC：智能单元是PLC系统的一个模块与CPU单元通过系统总线相连接在CPU单元的协调管理下独立地进行工作对整体式PLC：主机通过I/O扩展接口与智能单元连接

9.智能单元69

功能开关：是用来控制PLC工作状态的如编程、监视、运行开关等。

指示灯有：PLC工作状况指示灯、电源指示灯，电压过低指示灯等。10.功能开关与指示灯7071

思考题

PLC主要由哪几部分组成？简述各部分作用725.6731.PLC循环扫描工作方式

扫描工作分为5个阶段

公共处理阶段

程序执行阶段

扫描周期计算阶段I/O刷新阶段外设端口处理阶段

CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。5.6.1PLC的工作过程7400002010000000100002010002.PLC扫描工作各环节的功能①PLC上电后，首先检查硬件是否正常。②按自上而下的顺序，逐条读用户程序并执行。对输入的数据进行处理，将结果存入元件映象寄存器。③计算扫描周期。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。母线④I/O刷新阶段。⑤外设端口服务。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将元件映像寄存器的状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。访问外设端口连接的外部设备。75设置各异常继电器异常：(ERR/ALM)LED灯亮警告：(ERR/ALM)LED闪烁异常或警告？无有异常检查结果正常？扫描周期监视时间预置执行用户程序程序结束？(END命令？)NoYes扫描周期固定值设定检查有固定值设置？等待设定扫描周期到计算扫描周期

I/O刷新正常异常警告接通电源初始化I/O外设端口服务初始化I/O、内部辅助、特殊辅助、辅助记忆继电器区域清零定时器预置识别扩展单元公共处理执行用户程序扫描周期计算处理刷新硬件、用户程序内存检查外设端口服务循环扫描工作流程PLC接通电源

初始化硬件检查正常？异常报警异常处理扫描周期监视执行用户程序程序结束？扫描周期检查有固定设置？等待扫描周期计算I/O刷新外设端口服务异常

公共处理

执行用户程序扫描周期计算刷新端口服务76读读读写写执行用户程序I/O刷新I/O刷新I/O刷新I/O刷新3.PLC执行用户程序的过程0100101000000000000101000输入端子输入电路用户输入设备输入映像寄存器输出电路输出端子元件映像寄存器输出锁存器

用户输出设备输入刷新程序执行输出刷新一个扫描周期输入刷新775.6.2PLC控制的原理等效电路图公共端输出端子输入端子主电路KMFUKH

M3~QSB1SB2SQ公共端输入部分用户程序输出部分~KM01000PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM0000100002PLC~SB1SB2KMSQ00000000010000201000COMCOM78~KM线圈通电SB1闭合00000闭合接点闭合KMFUKH

M3~QKM通电KM通电触点闭合电动机转触点闭合PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOM79~KM线圈断电00001断开接点断开KMFUKH

M3~QKM通电KM断电触点断开电动停转触点断开PLCCOM00000000000000100002≈0000001000000010000201000COM010000000100002SB2STPLC~SB1SB2KMST00000000010000201000COMCOMSB2闭合805.6.3PLC执行用户程序的特点①按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序②执行程序时所需数据取自于：输入映像寄存器元件映像寄存器③输入映像寄存器和元件映像寄存器中的数据元件映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变④每个扫描周期I/O刷新阶段集中读入/读出数据811.产生I/O滞后现象的原因5.6.4PLC的I/O滞后现象（1）由于PLC采用循环扫描的工作方式。PLC只在每个扫描周期的I/O刷新阶段集中输入/输出，导致输出信号相对输入信号滞后。（2）输入滤波器对信号的延迟作用。滤波器时间常数越大，对输入信号的延迟作用越强。有的PLC其输入电路滤波器的时间常数可以调整。82——输出ON延时。（3）输出继电器的动作延迟（继电器输出型PLC）。从输出锁存器ON、到输出触点ON经历一定时间（4）用户程序的长短及语句编排。程序的优化要求有较快响应的场合最好不要使用继电器输出型PLC。I/O滞后现象，对慢速控制系统影响不大。要求快速响应的场合，需要解决I/O速度问题。

（5）PLC的输入采样、输出刷新的特殊处理方式；83

2.I/O响应时间的估算以20点的继电器输出型CPM1A为例。设输入ON延时为8毫秒公共处理和I/O刷新时间为2毫秒执行用户程序时间为14毫秒输出ON延时为15毫秒输入状态经过一个扫描周期后在输出得到响应——最小I/O响应时间--39毫秒输入状态经过两个扫描周期后在输出得到响应——最大I/O响应时间--55毫秒84

最小I/O响应时间的计算最小I/O响应时间=输入ON延时+（公共处理+I/O刷新时间）+执行程序时间+输出ON延时=8+2+14+15=39ms输入触点输入滤波输出锁存输出触点刷新执行程序其他刷新执行程序其他扫描周期(Ts)扫描周期(Ts)输入ON延时输出ON延时I/O响应时间8毫秒2毫秒15毫秒14毫秒85输入ON延时最大I/O响应时间

=输入ON延时+(公共处理+I/O刷新+执行程序)×2+输出ON延时=8+（2+14）×2+15=55ms。

最大I/O响应时间的计算输入触点输入滤波输出锁存输出ON延时输出触点I/O响应时间刷新执行程序其他刷新执行程序其他扫描周期(Ts)扫描周期(Ts)刷新执行程序其他扫描周期(Ts)86

程序语句安排对I/O响应时间的影响举例200000000001000200002000001001PLC~SBKM1000000100101000COMCOMKM2当SB闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期I/O刷新时00000的映像寄存器ON。第一个扫描周期结束时，01000为OFF。01000只能在第二个扫描周期结束后才能ON。87000002000020000010002000001001PLC~SBKM1000000100101000COMCOMKM2当SB闭合，经过输入滤波，设第一个扫描周期00000的映像寄存器ON。01000在第一个扫描周期结束后就能ON。续如果将梯形图的第一与第二梯级交换，如下图：显然，程序语句的安排对I/O响应的影响很大。885.7PLC的编程语言89PLC的编程语言

逻辑功能图

梯形图

逻辑方程式

语句表

PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不同厂家所用语言和符号也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异的。

901.梯形图（LAD）——类似于继电—接触器控制线路梯形图编程目前依然是应用最广泛的编程语言，因为它与继电—接触器控制线路非常相象，容易学习，使用方便。2.语句表（STL）——类似于汇编语言，由语句系列构成。3.功能图（FBD）——一种较新的编程方法，是各种PLC编程语言规范化的方向。PLC常用的编程语言主要有三种：911.梯形图编程语言

两种梯形图的继电器符号图对照

物理继电器

PLC继电器常开常闭

触点线圈

梯形图编程语言是一种图形语言

5.7.1梯形图编程语言92000000100001000PLC控制00001SB2KMKM继电器控制SB1

2.两种控制的梯形图比较线圈线圈常开触点常开触点常闭触点常闭触点93物理继电器继电器需硬接线连接触点个数有限PLC继电器继电器用程序软连接触点个数无限继电器的接线改变——控制功能改变PLC的用户程序改变——控制功能改变

3.两种控制中继电器的区别941.两种继电器的区别2.两种梯形图的区别3.实现控制手段的不同注意：

它们并非是物理实体，而是“软继电器”。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；该位状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。两种图形的区别：95用PLC控制——外部接线不变，改变用户程序。用继电器控制——要改变控制电路的实际接线。KM