可编程序控制器1(硬件结构)

机械设计制造及自动化系PLC原理及应用课程性质《可编程控制器应用技术》是机械设计制造及自动化和机械电子工程专业选修课课程目的和要求1．了解可编程控制器的基本结构、特点和应用场合2．明确可编程控制器的硬件配置、工作原理和工作过程3．掌握可编程控制器基本逻辑指令及编程方法，掌握编程软件的使用4．掌握程序设计的思想和方法5．能正确使用可编程控制器并完成I/O设备的接线6．掌握程序运行和调试的方法7．具备阅读和分析实际应用程序与梯形图的能力8．能借助产品说明书和技术手册，查阅有关数据和功能，正确使用PLC9．能在生产现场进行简单的程序设计，运行、调试、维护PLC控制系统参考书目教材：可编程序控制器应用技术(第五版)作者：廖常初（重庆大学出版社）可编程序控制器技术及应用张兴国编著中国电力出版社可编程序控制器施金良主编重庆大学出版社可编程序控制器原理与应用张泽荣主编清华大学出版社PLC分析与设计应用周万珍,高鸿斌编著电子工业出版社PLC机电控制系列应用设计技术鲁远栋主编电子工业出版社PLC实用技术弭洪涛,王忠礼编著科学出版社PLC工程应用实例解析吕卫阳,徐昌荣主编中国电力出版社图书馆有相关的参考书82本，生产厂家的手册，网上教程，实例学习的一般规律只用口述100%是演讲者所说的,大约60~70%被听到了40~50%三小时后还被记住0~5%三个月后还被记住

口述+视觉大约60~70%三小时后还被记住30~40%三个月后还被记住

学习方法口述+视觉+笔记大约70~80%三小时后还被记住40~50%三个月后还被记住

亲身体验大约80~90%三小时后还被记住70~80%三个月后还被记住

学习方法“听到的，我忘记了；看到的，我记住了；做过的，我理解了。”听过不如看过，看到不如做过，做过不如错过。学习方法第一章概述

可编程序控制器应用技术第一章概述1.1、可编程序控制器的历史与发展1.2、可编程序控制器的结构1.3、可编程序控制器的特点与应用领域1.4、可编程序控制器的发展趋势继电器与可编程序控制器继电器与可编程序控制器继电器与可编程序控制器1.1可编程控制器的历史与发展60年代继电接触控制系统接线复杂改变设计困难简单易懂价格便宜1969年美国数字设备公司（DEC），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。二、可编程控制器的产生背景：1968年美国通用汽车公司（GM），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继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。1.1可编程控制器的历史与发展（1）容易编程（2）采用模块式结构（3）可靠性高于继电器（4）体积小于继电器（5）价格便宜（6）具有数据通讯功能（7）输入输出电源使用市电（8）扩展时原系统变更最少（9）存储设备可扩充至4K个存储字节（10）输出为市电，2A以上，直接驱动电磁阀、小型接触器1.1可编程控制器的历史与发展

20世纪70年代中末期，PLC进入了实用化发展阶段

20世纪80年代初，PLC在先进工业国家广泛应用20世纪末期，PLC已适应现代工业控制的需要

21世纪初的几年，随着计算机通讯技术的发展，PLC重点发展了网络通讯能力，并广泛应用于工业控制系统的各个领域1.1可编程控制器的历史与发展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。

为了和个人计算机（PC）相区别，将最初用于逻辑控制的可编程控制器称为

PLC（ProgrammablelogicController）。可编程序矩阵控制器PMC（ProgrammableMatrixController）可编程序顺序控制器PSC（ProgrammableSequenceController）可编程序逻辑控制器PLC（ProgrammableLogicController）可编程序控制器PC（ProgrammableController）1985年1月国际电工委员会（IEC）制定了可编程控制器的标准，并定义了

PLC

。

可编程控制器是以计算机技术为核心的通用工业自动控制装置，简称PLC。1.1可编程控制器的历史与发展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。1.1可编程控制器的历史与发展

目前世界上生产十大品牌PLC的著名公司：

美国艾伦-布拉德利公司（A-B：Allen-Bradley）

德国西门子公司（Siemens）法国的施耐德公司（TE：Telemecanique）美国GE－Fanuc公司日本欧姆龙公司（OMRON）

日本三菱公司（MITSUBISHI）

日本富士电机公司（FujiElectric）日本东芝公司（TOSHIBA）日本的光洋电子（KOYO）和中国的华光电子(CKE）日本松下电工公司（MEW）我国PLC的生产厂家我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产，中型PLC已有产品，大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率不超过10%。主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。国内产品在价格上占有明显的优势。

世界最大的PLC生产厂家在全球PLC制造商中,根据美国AutomationResearchCorp(ARC)调查,世界PLC领导厂家的五霸分别为西门子公司、A-B公司、施耐德公司、三菱公司和欧姆龙公司。他们的销售额约占全球总销售额的三分之二。

GlobalplayersTotalsalesin2004:7’000Mio€Source:ARCResearch,2005-10MarketshareMicro:15to128I/OpointsMedium:128-512I/OpointsLarge:>512I/OpointsNano:<15I/OpointsPC-basedSoftwarePLCEmbeddedcontrol32%29%20%7%6%4%2%%installedPLCsSource:ControlEngineering,ReedResearch,2002-091.2可编程序控制器的基本结构1.2可编程控制器的特点

可靠性高，抗干扰能力强

通用性强，使用方便

模块化结构，组合灵活

编程简单，易学易用

体积小，重量轻，能耗低

系统设计、建造工作量小，改造容易1.3可编程控制器的应用

开关逻辑控制

运动控制

闭环过程控制

数据处理

通讯及联网1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.3可编程控制器的应用领域1.4可编程控制器的发展前景速度更快、存储容量更大、可靠性更高向超小型和超大型方向发展规范化、标准化，出现通用编程语言通讯、联网能力更强，与工业控制计算机组网出现PLC品牌垄断国际市场的局面技术规模产品通讯市场大型化和小型化三菱公司推出12点的PLC产品，立石公司推出的C20、C40H、C60P等小型PLC产品

GOLD公司的584L－PC的I/O点多达8192个。

莫迪康公司的984～785型的PLC的最大I/O点数已达到16384点。I/O点数小于

32为微型PLC；I/O点数在32～128为微小型PLC；I/O点数在128～256为小型PLC；I/O点数在256～1024为中型PLC；I/O点数大于1024为大型PLC；I/O点数在4000以上为超大型PLC。以上划分不包括模拟量I/O点数，且划分界限不是固定不变的。向大记忆容量，快处理速度发展记忆容量由过去的64K，已增加到500K以上，Triconxw公司的Faulttolerant型机记忆容量为512K，InteractiveMicroware公司的MFC03型记忆容量为848K，ASEA公司的Terpiece200/1型机记忆容量到4MB

记忆芯片过去主要是随机存取存储器（RAM）、可擦写可编程只读存储器（EPROM），今后主要是电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）、UVEPROM、BATRAM、FLASH等

发展故障诊断技术和容错技术故障智能诊断方法：智能可编程I/O系统，供用户了解I/O组件的状态和监测系统的故障；故障监测程序；共回路远程诊断和网络诊断技术等。容错功能，如双机热备、自动切换I/O

、双机表决（当输出状态与PLC逻辑状态相比较出错时，会自动断开该输出）和I/O三重表决（当输出状态进行软件硬件表决，取2个相同的）

第二章PLC硬件与工作原理可编程序控制器应用技术第二章可编程控制器的硬件构成及工作原理2.1可编程控制器的硬件构成2.2可编程控制器的工作原理2.1可编程控制器的硬件构成2.1可编程控制器的硬件构成可编程控制器主机可编程控制器编程器2.1可编程控制器的硬件构成2.1.1CPU模块2.1.2输入输出接口电路2.1.3电源2.1.4外部设备2.1可编程控制器的硬件构成PLC由CPU、存储器、输入/输出接口、内部电源和编程设备几部分构成2.1.1CPU模块接受、存储用户程序；按扫描工作方式接收来自输入单元的数据和信息，并存入相应的数据存储区；执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作；响应外部设备的请求。CPU是PLC的运算控制中心，它在系统程序的控制下，完成逻辑运算、数学运算、协调系统内部各部分的工作，其具体作用是：CPU模块（中央处理器+存储器）2.1.1CPU模块RAM：随机存储器，可读可写，没有断电保持功能。ROM：只读存储器，只读，不能写。RAM存放用户程序ROM存放系统程序存储器用于存放系统程序、用户程序和运行中的数据。包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。EPROM：可擦除程序的只读存储器，用紫外线照射芯片上的透镜窗口，可以擦除已写入的内容，而写入新的程序。EEPROM：可电擦除的只读存储器，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取的优点。2.1.2输入输出接口输入输出接口是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分。

输入接口用来接受生产过程的各种参数（输入信号）。

输出接口用来送出可编程控制器运算后得出的控制信息（输出信号），并通过机外的执行机构完成工业现场的各类控制。为了适应可编程控制器在工业生产现场的工作，对输入输出接口有两个主要的要求：

良好的抗干扰能力能满足工业现场各类信号的匹配要求开关量输入接口其作用是把现场的开关量信号变成可编程控制器内部处理的标准信号。

开关量输入接口按可接纳的外部信号电源的类型不同，分为直流输入单元和交流输入单元。2.1.2输入输出接口1.开关量输入接口1.开关量输入接口2.1.2输入输出接口2.1.2输入输出接口

开关量输出接口，其作用是把PLC的内部信号转换成现场执行机构的各种开关信号。继电器型的输出接口，可用于交流及直流两种电源，接通和断开的频率低，带负载能力强；晶体管型的输出接口有较高的接通断开频率，但只适用于直流驱动的场合；可控硅型的输出接口仅用于交流驱动的场合，适用快速、频繁动作和大电流的场合。2.开关量输出接口开关量输出接口按可编程控制器机内使用的器件不同，分为继电器型、晶体管型和可控硅型。2.开关量输出接口2.1.2输入输出接口2.1.2输入输出接口

３．模拟量输入接口（A／D模块）

模拟量输入接口把现场连续变化的模拟量信号转换成适合可编程控制器内部处理的二进制数字信号。模拟量信号输入后一般经运算放大器放大后进行A／D转换，再经光电耦合后为可编程控制器提供一定位数的数字量信号。2.1.2输入输出接口2.1.2输入输出接口４．模拟量输出接口（

D／A模块）模拟量输出接口将PLC运算处理后的数字信号转换为相应的模拟量信号输出，以满足生产过程现场连续控制信号的需求。模拟量输出接口一般由光电隔离、D／A转换和信号驱动等环节组成。５．智能输入输出接口（特殊功能模块）2.1.2输入输出接口为了适应更复杂的控制工作的需要，可编程控制器还有一些智能控制单元，如PID单元、高速计数器单元、温度控制单元、通信单元、定位单元、位置控制器等。特殊功能模块都是独立的工作单元，它们和普通输入输出接口的区别在于都带有独立的CPU，有专门的处理能力。温度传感器箔、热电偶、温度调节模块脉冲发生单元轴控制器2.1.2输入输出接口6．输入设备2.1.2输入输出接口7．输出设备2.1.3电源可编程控制器的电源包括:*

为可编程控制器各工作单元供电的开关电源*为掉电保护电路供电的后备电源，一般为电池2.1.4外部设备

可编程控制器一般可配备的外部设备：

编程器盒式磁带机，用以记录程序或信息打印机，用以打印程序或制表

EPROM写入器，用以将程序写入用户EPROM中高分辨率大屏幕彩色图形监控系统，用以显示或监视有关部分的运行状态2.1.4外部设备Processcontrols:2.1.4外部设备2.2可编程控制器的工作原理2.2.1扫描工作方式2.2.2程序执行过程2.2.3输入／输出的处理规则2.2.4信息刷新方式2.2.5输入／输出滞后时间2.2.1扫描工作方式PLC采用循环扫描的工作方式，这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。简单直观，简化了程序的设计，并为PLC的可靠运行提供了保证。系统监视定时器WDT可监视每次扫描的时间，并在每个扫描周期内都要对WDT进行复位操作。如果系统的硬件或用户软件发生了故障，WDT就会超时自动报警，并停止PLC的运行，从而避免了程序进入死循环的故障。

2.2.2程序执行过程输入采样程序执行输出处理一个扫描周期●●●Y0Y1Yn输入映像寄存器①采样元件映像寄存器③写⑤写④读X0Y0Y0M0●●●●●●输出锁存电路输出端子输入端子●●●②读●●●X0X1Xn⑥刷新2.2.2程序执行过程程序执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描；如果程序用梯形图表示，则总是按先左后右、先上后下的顺序进行扫描；每扫描到一条指令时，所需要的输入元件状态或其它元件的状态分别由输入映像寄存器和元件映像寄存器中读出，而将执行结果写入到元件映像寄存器中；元件映像寄存器中寄存的内容，随程序执行的进程而动态变化。2.2.2程序执行过程

输出刷新阶段：程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元件映像寄存器中所有输出继电器的状态转存到输出锁存寄存器，再去驱动用户输出设备（负载），这就是PLC的实际输出。

扫描周期：

PLC重复执行上述三个过程，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描周期）。工作周期的长短与程序的长短、指令的种类和CPU执行的速度有关。一个扫描过程中，执行指令程序的时间占了绝大部分。PLC在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出信号刷新一次