plc 电气控制基础知识 第五章 可编程序控制器及其工作原理学习资料

可编程序控制器本章内容包括：

PLC的发展、应用

结构及工作原理

主要技术性能指标硬件组成第五章可编程序控制器及其工作原理课程要求课程以小型可编程控制器S7-200系列PLC为例。介绍可编程控制器的基本结构，以及工作原理；要求掌握常用指令的格式和应用方法；熟练画出可编程控制器外部电路接线图；掌握可编程控制器应用的基本设计思想和设计方法。PLC外观图可编程控制器的产生及定义进入21世纪，各种自动控制产品正向着控制可靠，操作简单，通用性强，价格低廉方向发展。曾一度在控制领域占主导地位的继电控制系统，存在着控制能力弱，可靠性低的缺点，并且设备的固定接线控制不利于产品更新换代。PLC的历史：美国通用汽车公司（GM）1968年提出了汽车装配生产线改造项目的十项指标，即新一代控制器应具备的十项指标：（1）编程简单，可以现场修改和调试程序（2）维护方便，采用可插入式模块结构（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通信（6）成本可与继电控制系统相竞争（7）输入量是115V交流电压(美国电网电压是115V）（8）输出量为115V交流电压，输出电流在2A以上，能直接驱动电磁阀（9）系统扩展时，原系统只需作很小的改动（10）用户程序存储容量至少4KB

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。80年代，由于计算机技术的发展，PLC采用通用微处理器为核心，功能扩展到各种算术运算，PLC运算过程控制并可与上位机通讯、实现远程控制。被称为PC（programmablecontroller）即可编程控制器。2、PLC的产生及定义国际电工委员会（IEC）1987年颁布的可编程逻辑控制器的定义如下：“可编程逻辑控制器是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作的电子装置，是带有存储器、可以编制程序的控制器。它能够存储和执行命令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体、易于扩展其功能的原则设计”。PLC的国内外状况1969年美国研制出世界上第一台PLC以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的PLC。70年代中期，PLC进入了实用化阶段。70年代末和80年代初，PLC进入了成熟阶段。PLC的国内外状况美国PLC发展得最快：1984年有48家，生产150多种PLC；1987年有63家，生产243种PLC；1996年有70余家，生产近300种PLC。著名厂家有A—B（Allen－Bradley）艾伦－布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州仪器公司，WESTHOUSEElectric西屋电气公司，IPM（InternationalParallelMachines）国际并行机器公司等。PLC的国内外状况欧洲PLC的厂家有60余家:西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC；金钟默勒（KlocknerMoellerGmbh），AEG；法国的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。PLC的国内外状况1971年，日本从美国引进PLC技术，由日立公司研制成功日本第一台PLC。日本生产PLC的厂家有40余家：三菱电机(MITSUBISHI)，欧姆龙(OMRON)，富士电机（FujiElectric），东芝（TOSHIBA），光洋（KOYO)，松下电工（MEW），和泉（IDEC），夏普(SHARP），安川等公司。PLC的国内外状况我国在70年代末和80年代初开始引进PLC。我国早期独立研制PLC的单位有：北京机械工业自动化研究所，上海工业自动化仪表研究所，大连组合机床研究所，成都机床电器研究所，中科院北京计算机所及自动化所，长春一汽，上海起重电器厂，上海香岛机电公司，上海自力电子设备厂等单位。以上诸单位都没有形成规模化生产。辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC；无锡电器和日本光洋合资生产的PLC;中美合资的厦门A—B公司生产的PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。PLC的国内外状况PLC的发展趋势（1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度nS级；内存2M字节）（2）向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型）（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0（5）加强联网和通信的能力（6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（openModularArchitectureforControl）PLC著名品牌1993年中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：美国A－B公司（Allen－Bradley）德国西门子公司（Siemens）美国GE－Fanuc公司美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司日本欧姆公司（OMRON）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）日本富士电机株式会社（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）日本松下电工株式会社（MEW）：MatsushitaElectricWorksLtd）PLC著名品牌根据美国AutomationResearchCo．（ARC）的商情调查，在1994年PLC市场上，最大的5家PLC制造商是:SIEMENS，Allen－Bradly，（Rockwell)AEGSchneider，三菱电机,OMRON(立石电机）（1996年中国PLC市场）1、PLC的用途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来取代。二、可编程控制器的用途及特点1、顺序控制2、运动控制3、闭环过程控制4、数据处理5、通信和联网（PPI、MPI、PROFIBUS-DP、自由通讯口）PPI通讯方式带中继器的通讯网MPI通讯方式自由通讯口方式调制解调器远程通讯PROFIBUSDP2、PLC的特点

1、可靠性高、抗干扰能力强(平均无故障时间10万～几十万小时）

2、适应性强、应用灵活PLC是系列化的产品，其品种齐全，可以满足各种大小规模、功能繁简的控制系统。

3、编程简单、方便、易于使用采用梯形图语言，延续使用继电器控制系统的许多符号和规定，其形象直观、易学易懂。

4、具有各种接口、与外部设备连接方便，适应范围广具有各种数字、模拟量的I/O接口，能将生产现场的多种规格的直流、交流信号直接接入可编程控制器。

5.功能完善具有模拟和数字量输入/输出模块、逻辑运算和定时、计数、数据处理、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能。6、维修方便7、体积小、重量轻易于实现机电一体化3.PLC的缺点主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，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互不兼容。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。

继电－接触器控制系统（布线逻辑）：由导线、继电器、接触器、开关和触点等器件按一定的逻辑关系连接起来。优点：电路图直观形象、价格低廉、容易操作缺点：设备体积大、开关动作慢、组合复杂、功能较少、维修不便、可靠性差、系统接线固定，没有通用性和灵活性。适用于要求不高的专用逻辑控制场合。

半导体元件逻辑控制装置：利用半导体二极管、三极管和中小规模集成电路构成的一种无触点逻辑顺序控制器。优点：体积小、无触点、可靠性高、反应速度快、寿命长缺点：控制规模小、编织程序不够灵活、对使用环境要求高。外部接线一、plc的分类

1.从结构上:可分为整体式和模块式。整体式：CPU、存储器及I/O接口等基本部件装在一块电路板上，并连同电源装成一个整体。整体式PLC的组成第二节plc的硬件构成及编程元件

模块式：把CPU（包括存储器）单元、电源单元、I/O单元等做成独立的模块，即做成CPU模块、电源模块、I/O模块等，组装在一个框架内。2.按I/O点数分类:分为小型、中型和大型。小型PLC：I/O点数在256点以下，用户程序存储器容量为2K字以下（1K=1024，存储一个1或0的二进制码称为一位，一个字为16位）。如S7-200.中型PLC：I/O点数在256～2048之间，用户程序存储器容量一般为2～8K字。如S7-300。大型PLC：I/O点数为2048点以上（包括2048点），用户程序存储器容量达8K字以上。如S7-400。按功能强弱分类可分为低档、中档和高档。低档:实现基本的逻辑控制。具有逻辑运算、定时、计数等基本功能。有的还增设了模拟量的处理、算术运算、数据传送等功能。可以实现逻辑、顺序、计时、计数等控制功能。如S7-200。中档：具有低档PLC的基本功能，更多的数字I/O点数和较强的模拟量I/O接口，并具有中断控制、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、网络通信。高档：具有中档PLC的功能，带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及特殊功能函数的运算和表格传送。具有更强的扩展能力和网络通信功能。二、PLC程序控制的基本概念继电－接触器控制系统（如图a）：支配控制系统的程序是由分立元件用导线连接起来实现的，控制程序的修改必须通过改变接线来实现。返回本节输入设备程序接线输出设备被控系统（a）继电-接触控制系统

输入设备程序存储器输出设备被控系统（b）PLC控制系统

存储器程序控制系统（如图b）：控制系统要完成的控制任务是通过存储器中的程序来实现。如PLC。继控制与PLC控制方案比较实例图1：定子绕组串电阻降压起动、反接制动并行执行PLC控制图输入----PLC内部----输出例:两个开关X1、X2，要求其中任何一个接通都可立即点亮红灯，两秒钟后自动熄灭红灯并点亮绿灯。1、继电-接触器控制方式2、PLC控制方式PLC与继电接触控制系统的比较继电接触控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制；PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软控制。继电接触控制系统体积大；PLC系统结构紧凑，体积小。继电接触控制全为机械式触点，动作慢；PLC内部全为“软接点”，动作快。继电接触控制功能改变，需拆线，接线乃至更换元器件，比较麻烦；PLC控制功能改变，一般仅修改程序即可，及其方便。PLC控制系统的设计、施工与调试比继电接触控制系统周期短。PLC控制的自检和监控功能比继电接触控制的强。PLC的使用范围比继电接触控制的广泛。PLC可靠性比继电接触控制的高。三、PLC基本结构PLC由输入部件、中央控制单元、存储器单元、输出部件、电源部件等构成。图为一典型PLC结构简图。返回本节1、中央控制单元一般由微处理器（CPU）、系统程序存储器ROM或EPROM、用户程序存储器RAM或EEPROM、编程器接口组成。微处理器模块是PLC的核心模块。

主要功能：①接收和存储用户程序，并从程序存储器读取程序指令，编译、执行指令.②以扫描工作方式通过I/O部件接收现场的状态或数据，并存入输入映像存储器或数据存储器.③把运算结果送到输出端.④响应各种外部设备的请求

.注：PLC常用芯片（1）通用处理器：8086、80286、80386（2）单片机芯片：8031、8096（3）位片式微处理器：AMD-2900小型PLC多采用8位微处理器或单片机作为CPU中型PLC多采用16位微处理器或单片机作为CPU大型PLC多采用高速位片式微处理器CB译码电路复位电路CPUAB振荡电路总线驱动PLC总线RAMEEPROM地址总线DB控制总线DBDB（1）CPU及其外围电路外围电路有时钟震荡电路和复位电路。（2）ROM和EEPROM系统存储器：存储PLC内部信息。用户存储器：存储用户的应用程序。（3）总线及译码电路总线分DB、AB、CB。译码电路由地址译码器和地址锁存器及相关器件组成。2、输入部件：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。输入接口电路和输入寄存器。输入模块包含数字量输入模块和模拟量输入模块。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。（1）数字量输入模块：其输入信号为开关量信号，分为直流开关量输入模块和交流量输入模块。直流输入模块COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子Xn+24V–发光二极管交流输入模块：由输入滤波电路、限流电路、整流滤波电路和光电隔离电路组成。（3）模拟量输入模块处理方式：由传感器检测并转换成连续变化的电信号，再由模拟输入模块的A/D转换器转换成数字量送入总线接口。模拟输入模块是以A/D转换器为主要器件，配以相关扩展芯片，一般有4通道、8通道、16通道。3、存储器模块PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器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。4、输出接口模块输出部件包括：输出寄存器输出锁存器功率放大器等分为数字输出部件和模拟输出部件。数字输出部件包括：晶体管输出方式（直流负载）晶闸管输出方式（交流负载）继电器输出方式（交、直流均可）模拟输出部件包括：电流输出模块电压输出模块继电器输出模块电路KA输出寄存器VccR1LEDY0R2C2电源COMQ0.0Q0.7负载Q0.7+24VD/AVref+-+-+-RRR/4RR电流输出电压电流转换电压输出缓存电压输出缓存功率放大模拟输出部件：由控制电路、D/A转换器、电压/电流转换器、输出保持和功率放大电路组成。PLC

5、电源部件将交流电源转换成CPU、I/O模块和存储器模块等部件所需要的直流电源。有的电源单元还向外提供24V隔离直流电源，可供开关量输入单元连接的现场无源开关等使用。6、编程器对PLC进行程序编辑、调试、监视，将程序固化在EPROM中。分为简易型和通用型。简易型编程器可在线编程，通用型编程器既可在线编程，又可离线编程，PC也作为一种编程器，通过RS232通信口与PLC相连，在PC上进行梯形图编辑、调试和监控。电源模块CPU模块IO模块底板中、大型机：模块式。可根据需要在主板上随意组合。四、PLC工作原理PLC控制系统由输入、控制、输出3部分组成。对应的“器件”是内部“软继电器”，对应的“导线”是“程序”。PLC是通过“程序”控制内部“软继电器”的“软件程序”控制系统。梯形图中的继电器、定时器、计数器等都不是实际物理器件，是PLC存储器中的一位，称为软件继电器。PLC的软继电器硬件组成：微处理器、存储器、接口芯片、各种模块。可看成由许多软继电器组成的控制器。PLC内部等效软继电器分为：输入继电器、中间继电器、输出继电器。中间继电器包括：辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、计时器、计数器等。2、PLC工作过程信号输入（输入采样）程序执行结果输出（输出刷新）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。输入采样：按扫描方式读入所有输入端子上的输入信号状态，并将其存入输入缓冲区。程序执行：对梯形图方式编写的程序按从上到下、从左到右的顺序逐一扫描各条指令，然后从输入映像区取出本循环扫描周期读入的输入数据或从输出映像区读取上个循环扫描周期输出的有关数据，再进行由程序确定的逻辑运算或其他运算，最后根据程序指令将运算结果存入确定的输出映像区对应的单元。输出刷新：将输出映像区的内容送到输出锁存器，并驱动输出继电器线圈，使输出端子的信号变为被控设备所能接受的电压或电流信号，驱动被控设备。PLC是循环扫描工作方式

PLC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）

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，运算结果存入输出映象区对应位中，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。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WDT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。

3、扫描周期与响应滞后扫描周期：信号输入、程序执行、结果输出3个批处理阶段的工作过程。大小主要取决于：程序长短、CPU的工作速度。PLC的输出对输入的响应存在滞后现象，滞后时间与扫描周期有关。减少滞后措施：采用快速响应模块、高速计数模块、中断处理等。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10ms；晶体管输出方式的滞后时间小于1ms。③PLC循环扫描的工作方式④PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式⑤用户程序中语句的安排输入、输出延迟响应的影响因素CPU读输入输入输出延迟时间——最短响应时间输入/输出刷新时间最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间CPU读输入输入/输出刷新时间输入输出延迟时间——最长响应时间最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间手持式编程器PC编程PLC的软件包括系统软件和用户程序1、