可编程控制器基础

可编程控制器基础第一页，共六十四页，2022年，8月28日教学内容：

3.1PLC概述

3.2PLC的组成

3.3PLC的工作原理

3.4PLC的硬件基础

3.5PLC的软件基础

3.6PLC的性能指标及分类

第3章PLC基础

第二页，共六十四页，2022年，8月28日3.1PLC概述在PLC的发展历程中，有过几个不同的名称：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）PLC的名称：第三页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.1PLC的产生与发展PLC的产生1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置。第四页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.1PLC的产生与发展

十条技术指标：（1）编程简单方便（2）硬件维护方便，采用模块式结构（3）可靠性高于继电接触器控制装置（4）体积小于继电器控制装置（5）具有数据通讯功能（6）输入是AC115V（7）输出能直接驱动AC115V、2A以下容量的电磁阀等负载设备（8）存储设备可扩充至4K个存储字节（9）通用性强、扩展方便（10）成本上可与继电器控制装置竞争第五页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.1PLC的产生与发展

美国数字设备公司（DEC）根据提出的10项指标，于1969年研制出第一台控制器，型号为PDP-14，它的开创性意义在于引入了程序控制功能，为计算机技术在工业控制领域的应用开辟了空间。

到上世纪70年代，PLC技术已经进入成熟期。推动PLC技术发展的动力主要来自于两个方面：其一是企业对高性能、高可靠性自动控制系统的客观需要和追求；其次，大规模及超大规模集成电路技术的飞速发展，微处理器性能的不断提高，为PLC技术的发展奠定了基础并开拓了空间。第六页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.1PLC的产生与发展PLC的定义：

国际电工委员会（IEC）于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”。第七页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.2PLC的特点

PLC的产生是基于工业控制的需要，是面向工业控制领域的专用设备，它具有以下优点：

1、可靠性高，抗干扰能力强2、灵活性强，控制系统具有良好的柔性3、编程简单，使用方便4、控制系统易于实现，开发工作量小，周期短5、维修方便6、体积小，能耗低7、功能强，性能价格比高

第八页，共六十四页，2022年，8月28日3.1.2PLC的特点

PLC在互换性上存在的问题：1、各公司的PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、通信网络及协议，I/O模板等不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。2、编程语言均有梯形图，但组态、寻址、语言结构却不一致，因此各公司的PLC互不兼容。3、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，但还未获得广泛应用。第九页，共六十四页，2022年，8月28日3.2PLC的组成PLC的基本组成部件如下图所示：图3-1PLC的基本组成第十页，共六十四页，2022年，8月28日PLC的基本组成PLC第十一页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.1中央处理单元（CPU）

中央处理单元是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算以及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有

：

1、接受并存储用户程序和数据；2、诊断电源故障以及用户程序的语法错误；3、读取输入单元状态和数据并存储到相应的存储区；4、读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输入和出映像区，并将输出映像区的内容送至输出单元。

第十二页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.2存储器单元

PLC的存储器单元分成两个部分：

1、系统程序存储器：用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，系统程序在出厂时已经被固化在PROM或EPROM中。2、用户程序存储器：可分为程序存储区和数据存储区，程序存储器用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。第十三页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.3电源单元

电源单元将外界提供的电源转换成PLC的工作电源后，提供给PLC。有些电源单元也可以作为负载电源，通过PLC的I/O接口向负载提供直流24V电源。

电源单元还提供掉电保护电路和后备电池电源，以维持部分RAM存储器的内容在外界电源断电后不会丢失。在面板上通常有发光二极管（LED）指示电源的工作状态，便于判断电源工作是否正常。

第十四页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.4输入输出单元

PLC的输入、输出单元也叫I/O单元，对于模块式的PLC来说，I/O单元以模块形式出现，所以又称为I/O模块。

I/O单元是PLC与工业现场的接口，现场信号与PLC之间的联系通过I/O单元实现。

工业现场的输入和输出信号包括数字量和模拟量两类，因此I/O单元也有数字I/O和模拟I/O两种，前者又称为DI/DO，后者又称为AI/AO。PLC的输入、输出单元还应包括一些功能模块，所谓功能模块就是一些智能化了的输入和输出模块。

第十五页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.4输入输出单元

（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰COM光电三极管发光二极管直流电源输入端子+–PLCIn+24V–发光二极管第十六页，共六十四页，2022年，8月28日继电器输出（2）输出接口电路：以继电器形式为例：PLC内部电路内部电路J+直流电源或交流电源QCOM-3.2.4输入输出单元

第十七页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.4输入输出单元第十八页，共六十四页，2022年，8月28日PLCOutput第十九页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.5接口单元

接口单元包括扩展接口、通信接口、编程器接口和存储器接口及其它外部设备接口等。

PLC的I/O单元也属于接口单元的范畴，它完成PLC与工业现场之间电信号的往来联系。除此之外，PLC与其它外界设备和信号的联系都需要相应的接口单元。

第二十页，共六十四页，2022年，8月28日各种接口、高功能模块：便于扩展

小型机：一体机。有接口可扩展3.2.5接口单元

第二十一页，共六十四页，2022年，8月28日PowerinaSmallPackage!!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。3.2.5接口单元

第二十二页，共六十四页，2022年，8月28日3.2.6外部设备

PLC的外部设备种类很多，可以概括为以下四类：1、编程设备：分手持式和智能式两种。

作用：编程、确定PLC的工作方式、用户程序调试和监控系统工作状态。2、监控设备（又称人机界面）；动态实时显示现场数据。常用的有操作屏(如OP270)和触摸屏(如TP270)

3、存储设备；保存用户程序和数据，主要是存储卡。4、输入输出设备。用于接受信号和输出信号的专用设备，如打印机等。

第二十三页，共六十四页，2022年，8月28日3.3PLC的工作原理

PLC是基于电子计算机的工业控制器，从PLC产生的背景来看，PLC系统与继电器控制系统有着极深的渊源，因此可以比照着继电器系统来学习PLC的工作原理。第二十四页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.1PLC的等效电路

PLC的等效电路如下图所示：第二十五页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程

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；运算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。第二十六页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程

PLC的工作过程以循环扫描的方式进行，其运行周期可以划分为3个基本阶段：1、输入采样阶段：PLC逐个扫描每个输入端口，将所有输入设备的当前状态保存到相应的输入映像存储区中，直到下一次输入采样为止。。2、程序执行阶段：在系统程序的指示下，CPU从用户程序存储区按照由上而下、先左后右的顺序逐条读取用户程序，经解释后执行相应动作，产生相应结果，刷新相应的输出映像寄存器，在此期间需要用到输入映像寄存器、输出映像寄存器的相应状态。过程按图3-3说明。

3、输出刷新阶段：系统程序将输出映像寄存器中的内容传送到输出锁存器中，经输出接口和输出端子输出，驱动外部负载。输出锁存器的状态将保持到下一个输出刷新阶段，而输出映像寄存器中的内容却是动态变化的。返回第二十七页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程扫描－－PLC投入运行后，其CPU从输入采样、用户程序执行、输出刷新这一顺序过程称为扫描，完成一次扫描过程所需的时间称之为扫描周期。其过程见下图。输入用户第二十八页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程⒈输入采样阶段

依次读入所有信号的状态或数据，并存入输入映象区中对应的单元。输入为脉冲信号时，一般要求脉冲周期及脉冲宽度应大于一个扫描周期。（为什么？）第二十九页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程2、用户程序执行阶段

⑴从输入映像寄存器中取出信息⑵顺序从上而下，自左至右⑶输入映像寄存器的状态不会发生变化⑷其它软设备的状态随程序执行的先后发生变化，且立即被后面所执行的程序所用第三十页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程⒊输出刷新阶段

CPU将I/O映象区的输出状态和数据送入输出锁存电路，经输出接口驱动外设。同样的若干条梯形图，由于排列次序不同，在输出刷新、执行的结果也不相同

PLC的扫描过程还包括内部处理、通信处理等。第三十一页，共六十四页，2022年，8月28日PLC扫描过程时序图第三十二页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程小结：1、扫描周期计算․

不可能进行准确计算․

与PLC的扫描速度有关；․

与用户程序长短有关；․

与程序中的特殊功能指令有关；扫描周期的长短直接影响I/O响应速度，定时器的定时精度，计数器的计数频率等技术指标。

2、PLC的工作方式是循环扫描，即程序是不停的执行。第三十三页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程3、输入/输出的滞后现象(补充)

程序执行过程中输入/输出的滞后现象不仅与扫描方式有关，还与程序设计的安排有关输入信号的变化只有在下一个扫描周期才能作出反映程序执行过程中产生的输出不是立即去驱动负载一般情况下工业设备开关量的变化周期为秒级以上，PLC的扫描周期（ms级），则输入/输出的滞后现象是允许的快速系统采用快速响应模块、高速模快、中断等措施来解决。第三十四页，共六十四页，2022年，8月28日3.3.2PLC的工作过程

•

输入/输出的滞后的原因

1、硬件：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。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。

2、软件：PLC循环扫描的工作方式PLC对输入采样、输出刷新的集中处理方式用户程序中语句的安排第三十五页，共六十四页，2022年，8月28日CPU读输入输入/输出刷新时间最短响应时间=输入延迟时间+一个扫描周期+输出延迟时间输入输出延迟时间——最短响应时间第三十六页，共六十四页，2022年，8月28日CPU读输入输入/输出刷新时间最长响应时间=输入延迟时间+两个扫描时间+输出延迟时间输入输出延迟时间——最长响应时间第三十七页，共六十四页，2022年，8月28日3.4PLC的硬件基础

PLC主机（CPU）是PLC系统的核心。I/O单元是组成PLC系统的重要环节（本节以介绍I/O单元的硬件电路为主）PLC系统的硬件配置－－不同PLC在硬件的具体实现方案上总是有区别的，本节的任务是讨论一般性的原理。第三十八页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

PLC的输入/输出部分，可以分为数字I/O（DI/DO）和模拟I/O（AI/AO）两大类：一、数字量I/O1、数字量输入单元；

⑴直流输入模块

DC24VDC24V第三十九页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块直流输入电路:电阻R2和电容C的作用？双向光电耦合器的作用？第四十页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

⑵交流输入模块

第四十一页，共六十四页，2022年，8月28日交流输入电路：3.4.1PLC的I/O模块

第四十二页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

2、数字量输出模块:⑴直流输出模块第四十三页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

直流输出电路：第四十四页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

⑵交流输出模块第四十五页，共六十四页，2022年，8月28日交流输出电路3.4.1PLC的I/O模块第四十六页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块⑶交、直流输出模块（继电器输出方式）（EM2228×继电器）第四十七页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块继电器输出电路：•接有阻容熄弧电路•继电器的触点两端接有金属氧化膜压敏电阻•电阻R1和发光二极管VL——输出状态显示电路•输出电流大（可达

2A～4A），第四十八页，共六十四页，2022年，8月28日模拟量I/O（AI/AO）：1、模拟量输入单元3.4.1PLC的I/O模块

核心第四十九页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

1）外部接线图：电压信号用两个端子（A+、A—），电流信号用3个端子（RC，C+，C—），其中RC与C+端子短接。未用的输入通道应短接（B+、B—）。第五十页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

2）模拟量输入模块的特性：

•

EM231的电压输入范围：单极性0~10V，0~5V；双极性±5V，±2.5V•电流输入范围：0～20mA•模拟量到数字量的最大转换时间：250μs

每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据。

•模拟量输入模块（EM231）的输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。第五十一页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块2、模拟量输出单元光电耦合器防止电磁干扰核心第五十二页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

1）外部接线图：•左端起的每3个点为一组，共二组。每组可作为一路模拟量输出（电压或电流信号）

•第一组V0端接电压负载

I0端接电流负载，M0为公共端•第二组的接法与第一组类同•该模块需要直流24V供电第五十三页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块2）模拟量输出模块的特性输出信号的范围：电压输出为±10V，电流输出为0-20mA。电压输出的设置时间为100μs，电流输出的设置时间为2ms。每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。用户程序无法读取模拟量输出值。PLC运算处理后的12位数字量信号（BIN数）在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示是正值，1表示是负值。第五十四页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.1PLC的I/O模块

⑴电流输出数据格式

2个字节的存储单元的低3位均为0，数据值12位数据是存放在第3~14位区域。电流输出数据字格式为0~+32000。第15位为0，表示是正值数据。⑵电压输出的数据格式

2个字节的存储单元的低4位均为0，数据值的12位是存放在第4~15位区域。电压输出数据格式为-32000~+32000第五十五页，共六十四页，2022年，8月28日3.4.2PLC的配置

系统配置原则：⑴站在硬件选型的角度，首先需要考虑的是设备容量与性能是否与任务相适应；

⑵PLC运行速度能够满足实时控制的要求。

•所谓设备容量，主要是指系统I/O点数的多少以及扩充的能力。对于纯开关量控制的应用系统，如果对控制速度的要求不高，比如单台机械的自动控制，可选用小型一体化PLC。第五十六页，共六十四页，2022年，8月28日3.5PLC的软件基础

PLC的软件基础：⑴系统监控程序

⑵用户应用程序用户应用程序必须在系统监控程序的管理下才能运行。第五十七页，共六十四页，2022年，8月28日3.5.1系统监控程序

系统监控程序执行过程分为以下几部分：初始化程序；CPU自诊断；通信信息处理；输入刷新；用户程序执行；输出刷新；外部设备服务。

第五十八页，共六十四页，2022年，8月28日3.5.2用户应用程序

用户程序--是由用户根据生产工艺过程和技术要求而编写的，能够完成系统控制任务的指令序列。不同厂家的PLC会提供不同的指令集，但基本的编程元件和编程形式有许多共同之处。第五十九页，共六十四页，2022年