电气控制与PLC应用技术(第2版)课件：可编程序控制器概述

可编程序控制器概述3.1PLC的产生及定义

3.2PLC的发展与应用

3.3PLC的特点

3.4PLC的分类

3.5PLC的硬件结构和各部分的作用3.6PLC的工作原理3.1PLC的产生及定义3.1.1PLC的产生（1968年美国通用汽车公司GM）1)编程简单，可在现场修改程序。

2)系统的维护方便，采用插件式结构。

3)体积小于继电器控制柜。

4)可靠性高于继电器控制柜。

5)成本较低，在市场上可以与继电器控制柜竞争。

6)可将数据直接送入计算机。

7)可直接用交流115V输入(注：美国电网电压是110V)。

8)输出采用交流115V，可以直接驱动电磁阀、交流接触器等。

9)通用性强，扩展方便。

10)程序可以存储，存储器容量可以扩展到4KB。1968年“GM十条”就是可编程逻辑控制器出现的技术要求基础，也是当今PLC最基本的功能。1969年美国数字设备公司（DEC）研制成功了世界上第一台PLC，并在通用汽车公司的自动装配线上试用，效果很好。早期的PLC仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，现在还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能。ProgrammableLogicController，简称PLC。3.1PLC的产生及定义3.1.2PLC的定义

1987年2月，国际电工委员会(IEC)对PLC的定义：PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关外部设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。3.1.2PLC的定义

1987年，美国电气制造协会(NEMA)对PLC的定义：PLC是一种带有指令存储器、数字或模拟I/O接口，以位运算为主，能完成逻辑、顺序、定时、计数和算术运算功能，用于控制机器或生产过程的自动控制装置。3.2PLC的发展与应用3.2.1PLC的发展历程

3.2.2PLC的发展趋势

3.2.3PLC的应用领域

3.2.1PLC的发展历程诞生于20世纪60年代末：MODICON084是世界上第一种投入生产的PLC。崛起于20世纪70年代：首先在汽车流水线上大量应用。成熟于20世纪80年代：全面采用微电子处理器技术，得到大量推广应用，年销售始终以高于20%的增长率上升，奠定了其在工业控制中不可动摇的地位。突破于20世纪90年代：从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展；编程语言和应用多样化。3.2.1PLC的发展历程开放与标准于20世纪90年代末期至今：随着可编程序控制器国际标准IEC61131的逐步完善和实施，特别是标准编程语言的推广，使得PLC真正走入了一个开放性和标准化的时代，为在工业自动化中实现互换性、互操作性和标准化带来了极大的方便。3.2.2PLC的发展趋势1.PLC通信的网络化和无线化

2.开放性和编程软件标准化、平台化

3.体积小型化、模块化、集成化

4.运算速度高速化，性能更可靠5.向超大型、超小型两个方向发展6.软PLC的发展3.2.3PLC的应用领域1.中小型单机电气控制系统

2.制造业自动化

3.运动控制

4.过程控制5.数据处理3.3PLC的特点1.可靠性高、抗干扰能力强

2.控制系统结构简单、通用性强

3.丰富的I/O接口模块

4.编程简单、使用方便

5.设计安装简单、维修方便

6.体积小、重量轻、能耗低7.功能完善，适应面广、性价比高3.4PLC的分类3.4.1按结构形式分类

3.4.2按功能分类

3.4.3按I/O点数分类3.4.4按生产厂家分类3.4.1按结构形式分类1.整体式PLC

2.模块式PLC

3.叠装式PLC

4.分布式PLC整体式固定I/O型PLC模块式PLC叠装式PLC1)叠装式PLC的基本单元本身具有集成、固定点数的I/O点，基本单元可独立使用。

2)叠装式PLC自成单元，不需要安装基板(或机架)，因此，在控制要求变化时，可在原有基础上，很方便地对PLC的配置进行改变。

3)叠装式PLC可以使用功能模块，由于基本单元具有扩展接口，因此可以连接其他功能模块。分布式PLC

图3-4分布式PLC的组成示意图3.4.2按功能分类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控制系统。

2)中档PLC：除具有低档PLC的功能外，还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，有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。

3)高档PLC：除具有中档PLC的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其他特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。3.4.3按I/O点数分类1)小型PLC：I/O点数在256点以下的为小型PLC；

如S7-200，S7-200SMART，S7-1200。2)中型PLC：I/O点数在256～2048点之间的为中型；

如S7-300，S7-1500。3)大型PLC：I/O点数在2048点以上的为大型PLC。如S7-400。3.4.4按生产厂家分类1)德国西门子(Siemens)公司的S7系列可编程控制器；

2)美国RockwellAllen-Bradley(AB)自动化公司的Micro800系列、MicroLogix系列和CompactLogix系列PLC；3)美国通用电气(GE)公司的GE系列可编程控制器。4)日本三菱(Mitsubishi)公司的F、F1、F2、FX2系列可编程控制器。5)日本欧姆龙(Omron)公司的C系列可编程控制器。3.4.4按生产厂家分类6)日本松下(Panasonic)电工公司的FP1系列可编程控制器；

7)日本日立(HitachiLimited)公司的箱体式的E系列和模块式的EM系列可编程控制器；8)法国施耐德(Schneider)公司的TM218、TWD、TM2、BMX、M340\258\238系列PLC；9)国产PLC主要有台湾的台达、永宏、丰炜、北京和利时、无锡信捷、上海正航等。3.5

PLC的硬件结构和各部分的作用1.中央处理器(CPU)

2.存储器

3.输入/输出单元

4.通信接口

5.智能接口模块

6.编程设备

7.电源

8.其他外部设备图3-5整体式PLC的组成框图3.5

PLC的硬件结构和各部分的作用PLC各组成部分的作用1.中央处理单元（CPU）

★微处理器：实现逻辑运算、数学运算，协调控制系统内部各部分的工作。★按照系统程序所赋予的任务运行★任务：1.控制用户程序和数据的接收与存储2.进行自诊断3.

执行用户程序微处理器控制接口电路CPUPLC的核心控制接口电路是微处理器与主机内部其他单元进行联系的部件。数据缓冲单元选择信号匹配中断管理功能2.存储器系统程序存储器

用户程序存储器

存储器系统程序存储器存放：系统监控程序用户指令解释标准程序模块系统调用管理程序各种系统参数系统程序关系到PLC的性能，不能由用户访问和修改。

用户程序存储器用户程序区数据区系统区用户程序存储器用户程序工作数据系统参数系统参数（CPU组态数据）：*输入输出组态

*功能的设置

3.输入、输出单元PLC的CPU与现场I/O装置或其它外部设备之间连接的接口（单元）电路。电平转换功率放大光电耦合

电平转换光电耦合

输入单元直流输入接口电路（如下图）交流输入接口电路交直流输入接口电路输入单元类型输入单元交流输入接口电路输出单元类型晶体管输出方式晶闸管输出方式继电器输出方式

(如下图)输出单元4.编程器*程序的编制、编辑、调试、监视······*简易型*智能型5.电源单元◆把外部电源变换成系统内部各单元所需的电源◆采用开关电源◆电源的性能直接影响PLC的抗干扰能力

◆掉电保护电路◆后备电池电源

3.6PLC的工作原理3.6.1PLC控制系统的组成

3.6.2PLC循环扫描的工作过程

3.6.3PLC用户程序的工作过程

3.6.4PLC工作过程举例说明

3.6.5输入、输出延迟响应

3.6.6PLC对输入、输出的处理规则3.6.1PLC控制系统的组成图3-6PLC控制系统的组成输入部分逻辑部分输出部分3.6.1PLC控制系统的组成图3-7

PLC控制系统与继电器-接触器控制系统的比较3.6.1PLC控制系统的组成图3-6PLC控制系统的组成梯形图

触点线圈功能方框左母线

右母线？梯形图由触点、线圈或功能方框构成梯形图网络每个输出元素（线圈或方框）可以构成一个梯级每个网络由一个或多个梯级组成3.梯形图与继电器控制电路的①“软继电器”不是物理继电器，看不见，摸不着②“能流”的表示方式差异能流扫描方向不许倒流

从左至右③常开、常闭触点不是现场物理开关的触点④梯形图中的输出线圈不是物理线圈⑤梯形图中的接点原则上可无限次使用，线圈通常只引用一次PLC认为：常开触点是取位状态操作；常闭触点是位取反操作

I/O映象寄存器

I/O映象寄存器

3.6.2PLC循环扫描的工作过程图3-8PLC的工作流程第一部分是上电处理。对系统进行初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。上电处理3.6.2PLC循环扫描的工作过程图3-8PLC的工作流程第二部分是主要工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。主要工作过程3.6.2PLC循环扫描的工作过程图3-8PLC的工作流程第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O、通信等是否异常或出错。出错处理第二部分是主要工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，再次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，完成用户程序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。主要工作过程第一部分是上电处理。对系统进行初始化工作，包括硬件初始化，I/O模块配置运行方式检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。上电处理3.6.3PLC用户程序的工作过程PLC在RUN方式下，主要工作过程包括1.输入采样阶段

2.用户程序执行阶段

3.输出刷新阶段图3-9PLC主要工作过程的中心内容3.6.4PLC工作过程举例说明图3-10PLC控制电动机起停外部接线图与梯形图3.6.5输入、输出延迟响应由于PLC采用循环扫描的工作方式，即对信息采用串行处理方式，必定导致输入、输出延迟响应。当PLC的输入端有一个输入信号发生变化时到PLC输出端对该输入变化作出反应，需要一段时间，这段时间就称为响应时间或滞后时间(通常滞后时间为几十毫秒)，这种现象称为输入、输出延迟响应或滞后现象。3.6.5输入、输出延迟响应响应时间与以下因素有关：1)输入电路的滤波时间，它由RC滤波电路的时间常数决定。

2)输出电路的滞后时间，它与输出电路的输出方式有关。

3)PLC循环扫描的工作方式。

4)用户程序中语句的安排。

1.最短响应时间图3-11PLC的最短响应时间2.最长响应时间图3-12PLC的最长响应时间输入信号至少应持续一个扫描周期的时间，才能保证被系统捕捉