No.07第七章 PLC结构与工作原理

第7章PLC结构与工作原理7.1可编程控制器概述7.2PLC的特点及功能7.2PLC的基本结构组成7.3PLC的工作原理7.5PLC程序设计语言7.6PLC的性能指标及分类本章主要内容17.1可编程控制器概述世界上第一台PLC1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GE）的要求研制成功。

背景：

1968年美国通用汽车公司（GE），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。7.1.1PLC的由来及控制原理2（1）PLC的由来7.1可编程控制器概述设计思想：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）7.1.1PLC的由来及控制原理3（1）PLC的由来7.1可编程控制器概述4控制功能如下：按下启动按钮SB1，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止运转。

7.1.1PLC的由来及控制原理（2）PLC的控制原理采用继电器控制

控制功能如下：按下启动按钮SB1，电机M1开始运转，过10秒钟后，电机M2开始运转；按下停止按钮SB2，电机M1、M2同时停止运转。

57.1可编程控制器概述7.1.1PLC的由来及控制原理（2）PLC的控制原理当按下SB1时，输入继电器00000的线圈通电，00000的常开触点闭，使输出继电器01000的线圈得电，01000对应的硬输出触点闭合，KM1得电M1开始运转，同时01000的一个常开触点闭合并自锁。67.1可编程控制器概述PLC的控制等效电路图7.1.1PLC的由来及控制原理（2）PLC的控制原理时间继电器TIM000的线圈通电开始延时，10秒后TIM000的常开触点闭合，输出继电器01001的线圈得电，01001对应的硬输出触点闭合，KM2得电M2开始运转。77.1.1PLC的由来及控制原理7.1可编程控制器概述（2）PLC的控制原理当按下SB2时，输入继电器00001的线圈通电，00001得常闭触点断开，01000、TIM000的线圈均断电，01001的线圈也断电，01000、01001两个硬输出触点随之断开，KM1、KM2断电，M1、M2停转。87.1.1PLC的由来及控制原理7.1可编程控制器概述（2）PLC的控制原理9（3）PLC与继电器控制的比较7.1.1PLC的由来及控制原理7.1可编程控制器概述10（3）PLC与继电器控制的比较相同之处：

1）电路结构形式基本相同；

2）梯形图大致沿用了继电器控制电路元件符号，仅个别处有些不同；3）信号输入/输出形式及控制的功能相同。不同之处：1）组成器件不同：继电器控制线路是由许多真正的硬件继电器组成，而梯形图则由许多“软继电器”组成，它们实质是存储器中的每一个触发器，硬件继电器易磨损，而“软继电器”无磨损现象。PLC的程序控制中，广泛应用梯形图，并使用简单的指令系统将梯形图变成PLC能接受的程序，由编程器键入PLC内部的用户存储器。

为了便于应用和推广，梯形图与继电器控制图有许多类似之处，同时，由于PLC的结构、工作原理与继电器控制系统截然不同，故二者又存在许多差异。7.1.1PLC的由来及控制原理7.1可编程控制器概述11（3）PLC与继电器控制的比较

2）工作方式不同：在继电器控制线路中，当电源接通时，该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器不能吸合；在梯形图的控制线路中，图中各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序由程序扫描顺序决定。

3）触点数量不同：硬继电器的触点数量有限，一般只有4~8对，而梯形图中每只软继电器供编程使用的触点数量有无限对，因为存储器中的触发器状态（电平）可去用任意次。

4）编程方式不同：继电器控制线路中，要求安全可靠，节约触点使用量，因此设置了许多制约关系连锁环节。在梯形图中，以扫描方式工作，不存在几个并列支路同时动作的因素，大大简化了电路的设计。7.1.1PLC的由来及控制原理7.1可编程控制器概述

美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能者，亦被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。”127.1.2PLC的定义

国际电工委员会(IEC)又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿，并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都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。”7.1可编程控制器概述

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：137.1.3PLC的应用领域

1.开关量的逻辑控制2.模拟量控制3.运动控制4.过程控制5.数据处理6.通信及联网7.1可编程控制器概述

虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分三个阶段：147.1.4PLC的发展历程

1．早期的PLC（60年代末—70年代中期）主要功能顺序控制，定时等。硬件上以准计算机的形式出现，在软件编程采用继电器控制线路的方式—梯形图。简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。2．中期的PLC（70年代中期—80年代中，后期）CPU采用微处理器。软件增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。硬件增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量。3．近期的PLC（80年代中、后期至今）微处理器的档次普遍提高。为了，专用逻辑处理芯片进一步提高PLC的处理速度，使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。7.1可编程控制器概述1969年美国数据设备公司（DEC）研制了第一台PLC，从此PLC发展迅猛。

我国改革开放后，美国AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位。157.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述PLC三大流派欧洲：德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TI公司美国：A-B（Allen-Bradly）(其产品约占美国PLC市场50％的份额)、GE（GeneralElectric）、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(T1)公司、歌德(Gould)公司、西屋公司日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）、FUJI（日本主要发展中小型PLC，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位。）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。167.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述西门子PLC外形图2006-3-317

S7-200系列PLCS7-300系列PLCS7-400系列PLC177.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述

三菱PLC外形图2006-3-318

Q系列PLCFX2N系列PLCFX1N系列PLCFX1S系列PLC187.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述欧姆龙PLC外形图C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLC197.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述PLC的国内外发展状况

1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。

主要厂家有：北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。207.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述217.1.5PLC的现状及发展趋势

7.1可编程控制器概述通用性强，使用方便功能强，适应面广可靠性高，抗干扰能力强控制程序可变具有很好的柔性编程方法简单，容易掌握PLC控制系统的设计、安装、调试和维修工作少.极为方便控制程序变化方便.具有很好的柔性体积小、重量轻、功耗低7.2.1PLC的特点7.2PLC的特点及功能221逻辑控制功能2定时控制功能3计数控制功能4步进控制功能5数据处理功能6回路控制功能7通讯联网功能8监控功能9停电记忆功能10故障诊断功能7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能231逻辑控制功能逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，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、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线控制等。7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能242定时控制功能

定时控制功能是PLC的最基本功能之一。

PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。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。

7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能253计数控制功能

计数控制功能是PLC的最基本功能之一。

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计数输入输入复位0000000001000027.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能265数据处理功能

PLC大部分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。7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能278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。7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能289停电记忆功能

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。10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。大大提高了PLC控制系统的安全和可维护性。7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能297.3.1PLC的结构组成7.3PLC的特点及功能30中央处理单元存储器数据存储器输出接口地址总线控制总线数据总线编程单元照明电磁装置执行机构…………..电源地址总线控制总线输入接口模拟量输入行程开关继电器接点各种开关7.3.1PLC的结构组成7.3PLC的特点及功能31各组成部分的作用2.存储器1.CPU(1)将各种输入信号取入存储器。(2)编译、执行指令。(3)把结果送到输出端。(4)响应各种外部设备的请求。RAM：存储各种暂存数据、中间结果、用户正调试的程序。ROM：存放监控程序和用户已调试好的程序。327.3.1PLC的结构组成7.3PLC的特点及功能3.输入、输出接口

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。输出三种形式：继电器--低速大功率 可控硅--高速大功率 晶体管--高速小功率输入接口作用：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。337.3.1PLC的结构组成7.3PLC的特点及功能

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。（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。347.3.1PLC的结构组成7.3PLC的特点及功能COM光电三极管发光二极管直流输入光-电器件输入端子+–内部电路Xn+24V–R1R2C1R1与C1组成RC低通滤波器，抑制输入信号的高频干扰R2是C1上的电荷泄放电阻，当SB断开时，C1上的电荷通过R2泄放AC250V/DC24V(max)（2）输出接口电路：均采用模块式。以继电器形式为例：7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能35COMYn继电器输出内部电路内部电路KMOUTL4.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。

7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能364.各种接口、高功能模块：便于扩展。中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能37电源模块CPU模块IO模块底板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。5.编程设备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。7.2.2PLC的基本功能7.2PLC的特点及功能38手持式的编程器397.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理（1）PLC的工作原理建立I/O映像区输入点总有输入映象区的某一位与之相对应I/O映象区的大小与系统控制的规模有关PLC工作时，将采集到的输入信号状态存放在输入映象区对应的位上；将运算的结果存放到输出映象区对应的位上。PLC在执行用户程序时所需“输入继电器”、“输出继电器”的数据取用于I/O映象区，而不直接与外部设备发生关系。407.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理（2）PLC工作过程定期检查用户程序存储器、I/O单元的连接、I/O总线是否正常，定期复位监控定时器WDTPLC之间以及PLC与PC之间；PLC与其他带微处理器的智能装置通信编程器、终端设备、彩色图形显示器、打印机以扫描的方式按顺序逐句扫描处理，运算结果存入输出映象区对应位中扫描的方式输入信号的状态存入输入映象区；结果存入输出映象区，直至传送到外部被控设备。清除内部继电器区，复位定时器等，并进行自诊断，对电源、PLC内部电路、用户程序的语法进行检查。417.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理（3）用户程序的循环扫描过程可编程序控制器对用户程序进行循环扫描可分为三个阶段进行，即输入采样阶段，程序执行阶段和输出刷新阶段。

对用户编程者来说，没有必要了解PLC系统的动作过程，但对PLC在运行状态执行用户指令的动作过程必须了解。图1.12信号传递过程(从输入到输出)a.I/O刷新阶段---CPU从输入电路的输出端读出各路状态，并将其写入输入映像寄存器；b.程序执行阶段--CPU从输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出各继电器的状态，并根据此状态执行用户程序，执行结果再写入元件映像寄存器中；c.紧接着的下一个I/O刷新阶段---将输出映像寄存器的状态写入输出锁存电路，再经输出电路传递到输出端子，从而控制外接器件动作。7.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理427.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理（4）PLC的工作过程举例43如果热继电器FR动作（其常闭触点断开）后需要手动复位，可将FR的常闭触点与接触器的线圈串联，这样，可以少用一个PLC的输入点，梯形图I0.0、I0.1、I0.2是输入量，Q0.0是输出量，它们是梯形图的编程元件。I0.0与接在输入端子0.0的SB1常开触点相对应，I0.1与接在输入端子0.1的SB2常开触点相对应，Q0.0与接在输出端子0.0的PLC地输出电路和输出继电器Q的Q0.0相对应；梯形图是以指令的形式存储在PLC的用户存储器中，在输入采样阶段，CPU将SB1、SB2的常开触点的ON/OFF状态读入响应的输入映像寄存器Ｉ，当外部触点接通时，将“１”送入Ｉ中，反之存入“０”。7.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理（4）PLC的工作过程举例44执行第一条指令时，从Ｉ中的Ｉ0.0中取二进制数，并存入堆栈的栈顶，执行第二条指令时，从Ｑ的Ｑ0.0中取出二进制数并与栈顶中的二进制数相或，运算结果存入栈顶，运算结束后，只保留运算结果，不保留参与运算的数据。执行第三条指令时，因为是常闭触点，取Ｉ的Ｉ０.１的二进制数后，将它取反后与前面的运算结果相“与”，然后存入栈顶，执行第四条指令时，将栈顶中的二进制数复制到Ｑ的Q0.0中；在输出刷新阶段，CPU将各Q中的二进制数送到输出模块并锁存起来，若Q0.0的二进制数是1，外接的KM线圈将通电，反之，将断开。（4）PLC的工作过程举例7.3.1PLC的工作原理7.3PLC的工作原理457.4PLC程序设计语言在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。

程序的表达方式基本有四种：梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。梯形图是当前使用最广泛的一种编程方法。

除了的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。

多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

即：PLC的编程语言46

7.4.1梯形图（LadderDiagram）两种梯形图的继电器符号图对照

梯形图（Ladderdiagram）编程语言是一种图形语言

,类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。

物理继电器PLC继电器常开常闭触点线圈7.4PLC程序设计语言47(1)名词解释——软继电器

PC的继电器不是物理的电器，它是PLC内部的寄存器位，因为它具有与物理继电器相似的功能，常称之为“软继电器”。

PLC每一个继电器都对应着内部的一个寄存器位，该位为“1”态时，相当于继电器接通；为“0”态时，则相当于继电器断开。常闭触点线圈常开触点说明：

7.4.1梯形图（LadderDiagram）7.4PLC程序设计语言48PLC控制继电器控制线圈线圈常开触点常开触点常闭触点常闭触点(2)两种控制的梯形图比较SB2KMKMSB1

7.4.1梯形图（LadderDiagram）7.4PLC程序设计语言49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

7.4.1梯形图（LadderDiagram）7.4PLC程序设计语言50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。KMFUFR

M3~SB1SB2KMKHKM继电器控制接线

PLC控制外部接线输入设备PLC~SB1SB2FRKM输出设备欲改变控制功能：主电路相同例如51用助记符表示指令的功能多条指令语句的组合构成了语句表程序指令语句是PLC用户程序的基础元素梯形图程序语句表程序LD

00000，表示逻辑操作开始OR

01000；表示常开触点01000与前面的触点并联

ANDNOT00001；表示常闭触点00101与前面的触点串联OUT01000；表示前面的逻辑运算结果输出给01000LDI0.0，表示逻辑操作开始OQ0.0；表示常开触点Q0.0与前面的触点并联

AN

I0.1；表示常闭触点I0.1与前面的触点串联=

Q0.0；表示前面的逻辑运算结果输出给Q0.07.4PLC程序设计语言7.4.2布尔助记符（BooleanMnemonic）STL52顺序功能图常用来编制顺序控制程序，它包括步、动作、转换三个要素。顺序功能图法可以将一个复杂的控制过程分解为一些小的工作状态。对于这些小状态的功能依次处理后再把这些小状态依一定顺序控制要求连接成组合整体的控制程序。

步1步2步3动作1动作2转换1转换2顺序功能图7.4.3功能表图（SepuentialFunctionChart）7.4PLC程序设计语言53

一种类似于高级语言的程序设计语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化语句描述程序设计语言来描述控制系统中各个变量的关系。结构化语句描述程序设计语言采用计算机的描述语句来描述系统中各种变量之间的各种运算关系，完成所需的功能或操作。

大多数制造厂商采用的语句描述程序设计语言与BASIC语言、PASCAL语言或C语言等高级语言相类似，但为了应用方便，对表达方法及语句的种类等方面都进行了简化。具有下列特点：（1）采用高级语言进行编程，可以完成较复杂的控制运算。（2）需要有一定的计算机高级程序设计语言的知识和编程技巧，对编程人员的技能要求较高，普通电气人员无法完成。（3）直观性和易操作性等性能较差；（4）常被用于采用功能模块等其他语言较难实现的一些控制功能的实施。7.4.4结构化语句（StructuredText）7.4PLC程序设计语言541.I/O点数指PLC外部输入和输出端子数。2.用户程序存储容量用来衡量PLC所能存储用户程序的多少。3.扫描速度指扫描1000步用户程序所需的时间，以ms/千步为单位。4.指令系统条数指PLC具有的基本指令和高级指令的种类和数量。种类数量越多，软件功能越强。5.内部寄存器6.高功能模块7.4PLC主要性能指标551.按结构形式分类

整体式PLC：整体式是将PLC的CPU、存储器、I/O单元、电源等安装在同一机体内，构成主机，另外还有I/O扩展单元配合主机使用，用以扩展I/O点数。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便，但输入输出点数固定，灵活性较低，小型PLC多采用这种结构。7.4PLC分类567.4PLC分类571.按结构形式分类整体式

组合式PLC：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。7.4PLC分类581.按结构形式分类组合式PLC7.4PLC分类