PLC软硬件基础知识

PLC软硬件基础知识主讲人：张晓东开关量控制装置的基本工作原理1.综述2.PLC的基本构成和工作原理3.PLC的硬件4.PLC的软件编写1.综述PLC的历史

1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，希望制造一种新型的工业控制装置。新控制装置招标的要求1）

编程简单，可在现场修改和调试程序（2）

维护方便，采用插入式模块结构（3）

可靠性高于继电器控制系统（4）

体积小于继电器控制柜（5）

能与管理中心计算机系统进行通信（6）

成本可与继电器控制系统相竞争（7）

输入量是115V交流电压（美国电网电压110）（8）

输出量为115V、电流在2A以上，能直接驱动电磁阀（9）

系统扩展时，原系统只需作很小改动（10）用户程序存储器容量至少4KBPLC的定义1969年美国数字设备公司（DEC）根据招标的要求，研制出世界上第一台可编程序控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。1980年美国电气制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC。PLC的定义国际电工委员会（IEC）于1982年11月、1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，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设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。PLC的特点1.通用性强2.功能强3.编程简单，易于掌握4.可靠性高5.安装、维护方便，工作量小6.体积小、重量轻、功耗低PLC的分类－（按功能分）1）低档PLC

具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机系统

2）中档PLC

具有低档PLC功能外，具有较强的模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能3）高档PLC

具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。PLC的分类－（按规模分）输入输出的总路数，又称为I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模对PLC分类时，可分为：1.小型PLC：I/O点数较少，在256点以下的PLC。2.中型PLC：I/O点数较多，在256点以上、2048点以下的PLC。3.大型PLC：I/O点数较多，在2048点以上的PLC。但大中小型PLC的划分并无严格的界限，PLC的I/O点数可以依据需要灵活配置。PLC的分类－（按结构分）可分为单体式、模块式、组合式模块式PLC的分类－（按结构分）

组合式PLC是由一些标准模块单元组成，采用总线结构，不同功能的模块（如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等）通过总线连接起来。组合式PLC的特点是可以根据功能需要灵活配置，构成具有不同功能和不同控制规模的PLC，多用于大型和中型PLC。

3）叠装式PLC

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。欧系：德国西门子、法国ＴＥ美系：Ａ－Ｂ公司，通用日系：欧姆龙公司、三菱公司国产：中科院自动化研究所ＰＬＣ北京联想ＧＫ－４０PLC的分类－（按产地分）1）微型机OMRON公司的SP系列PLC图片2）小型机OMRON公司的CPM1A、CQM系列松下公司的FP1系列3）中型机西门子公司的S7-3004）大型机OMRON公司的C1000H松下公司的FP3COMRON公司的2000H5）超大型机

美国GE公司的90—70机，其点数可达24000点，另外还有8000路的模拟量。超小型PLC—SPLC/uPLC3入3出PLC的应用领域PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。经验表明，80％以上的工业控制可以使用PLC来完成。在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC取代。PLC的主要技术指标1.用户存储器容量2.输入输出点数3.A/D和D/A通道数4.扫描速度5.指令数量和功能6.内部存储器的配置及容量7.特殊功能单元8.可扩展性

就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位。在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨PLC发展的论文中，这个结论是众口一词的，尽管对PLC的未来发展有着许多不同的意见。

近年来PLC的市场销售一直坚挺；DCS控制有了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的PLC产品形成竞争；小型、超小型PLC的发展势头令人刮目相看；PLC和DCS控制在今后可能相互融合。PLC的发展趋势PLC的优点①可靠性高(平均无故障时间3--5万小时）

②编程简单

③通用性强

④体积小、结构紧凑、安装、维护方便PLC的缺点

PLC的软、硬件体系结构是封闭的而不是开放的。如专用总线、专用通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的PLC编程互不兼容。因为是采样系统，所以不适用于高速系统。

SIEMENS等公司已经开发出以个人计算机为基础，在Windows平台下，结合IEC1131－3国际标准的新一代开放体系结构的PLC。

2.PLC的基本构成和工作原理1、PLC的基本构成2、PLC各部分电路介绍3、PLC工作原理1、PLC的基本构成

硬件系统：CPU、存储器、I/O接口、通信接口、编程器、电源

系统程序：控制和完成各种功能Ｐ的程序，侧重于管理、控制和协调Ｌ软件系统：PLC各硬件正常动作。Ｃ用户程序：使用者根据生产工艺要求编写的应用控制程序。侧重于应用和输入输出之间的关系。PLC硬件系统结构图电源I/O扩展单元输入设备输出设备输出接口外部设备接口输入接口I/O扩展接口主机PLC编程器打印机磁带机计算机扫描仪CPU存储器用户程序系统程序数据按钮行程开关触点PLC的内部资源与基本功能1、逻辑控制功能2、定时控制功能3、计数控制功能4、数据处理功能5、监控功能6、断电记忆功能7、故障诊断功能8、联网通信功能1逻辑控制功能PLC可软件实现逻辑控制功能，用以取代电路连接的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。例如：机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机控制、电梯控制、饮料灌装生产线、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线控制等。2定时控制功能PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器电路中的时间继电器。定时器的设定值(定时时间)可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。

3计数控制功能

PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号(计数值到)，利用该状态信号可实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。传感器旋转编码器变频器等计数输入输入复位0000000001000024数据处理功能PLC一般都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。5监控功能PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调整和维护提供了极大的方便。6断电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。

PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。7故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行。

PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全和可维护性。8联网通信功能

随着被控对象规模的扩大和结构的复杂化，往往需要多台PLC或PLC与其它控制设备协调工作，互相之间必须实现信息共享，PLC联网通讯功能的需求越来越多。PLC与其他工业控制系统的比较PLC与继电器控制系统比较继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。

与工业计算机比较工业控制机控制要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。PLC采用了采用面向控制过程、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，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。PLC的输入、输出接口：

采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气隔离，减小了电磁干扰，提高了系统的安全。2)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信号，以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强电隔离。1)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。各种接口、高功能模块：小型机：有接口可扩展。

3、PLC工作过程工作方式：顺序循环，不断扫描扫描周期：从扫描过程的一点开始，顺序扫描后，又回到该点的过程称为一个扫描周期。典型的PLC在一个扫描周期内完成以下6个扫描过程：一个扫描周期1、自监视扫描过程2、与编程器进行信息交换3、与数字处理器DPU进行信息交换4、与网络进行信息交换5、执行用户程序6、输入输出刷新工作过程简化示意输入、输出延迟因素①输入电路滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。改变时间常数可调整输入延迟时间。②输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。继电器输出方式的滞后时间为10ms左右；双向晶闸管输出方式，在接通负载时滞后时间约为1ms，切断负载时滞后时间小于