《现代电气与PLC应用技术》课件项目2的任务1

项目2PLC概述

任务1PLC的系统组成、工作原理

任务引入

PLC，中文名称为：可编程序控制器；英文名称为：ProgrammableLogicController（早期），称为PLC；后改为ProgrammableController，称为PC。为了与个人计算机（PersonalComputer

简称PC）相区分，在行业中仍称之为PLC。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。近年来PLC技术已广泛应用于自动化控制的各个领域，是当代工业生产自动化的重要支柱。任务分析

要完成该任务，要学习以下知识：1．了解PLC产生的原因。2．熟悉PLC的硬件组成。3．了解PLC面板上各部分的功能。相关知识

20世纪60年代以前，自动控制装置主要由继电器控制系统构成。随着自动控制技术的发展，继电控制系统开始无法满足工业控制的需求。继电器控制系统体积大、耗电多、可靠性低、接线复杂且不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，不利于产品的更新换代。1968年，美国通用汽车公司为适应汽车型号不断翻新（小批量、多品种、多规格、低成本和高质量），提出要用一种新型的控制装置取代继电器控制装置。并提出了十项招标指标，即：1．PLC的产生

编程方便，现场可修改程序；维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置；数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争；输入量是交流115V（美国电网电压为110V）；输出量为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到4K。相关知识

美国数字设备公司（DEC）的子公司AB公司根据GM公司招标的技术要求，于1969年研制出世界上第一台PLC，并在GM公司汽车自动装配线上试用，获得成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。随后，日本、德国等相继引入这项新技术，PLC由此而迅速发展起来。相关知识

2．PLC的定义

国际电工委员会(IEC)于1987年通过了对PLC定义：“可编程控制器（PLC）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。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”相关知识目前，PLC的种类很多，型号和规格也不统一，为了更好的学习PLC，我们可以从以下几方面来对其进行分类。

（1）按I/O点数及内存容量分类。PLC对外部信号的采集、外部设备的控制以及PLC运算结果的输出都要通过PLC输入、输出端子来进行接线。PLC的输入、输出端子的数目之和称为输入、输出点数，简称I/O点数。根据PLC的I/O点数数量、存储器容量和功能强弱，可将PLC分为以下几种类型：

超小型PLC：I/O点数为64点以内，内存容量为256～1000字节。该类型PLC特点是尺寸小、重量轻、功耗低。

小型PLC：I/O点数一般在256点以下，内存容量为1～3.6K字节，其特点是体积小、成本低、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O以及其他各种特殊功能模块。它能执行逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传送、通讯联网以及各种应用指令，适用于小型设备的控制。相关知识3．PLC的分类

中型PLC：采用模块化结构，其I/O点数一般在256~1024点之间，内存容量为3.6～13K字节。I/O的处理方式除了采用一般PLC通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环控制过程。

大型PLC：一般I/O点数在1024点以上、内存容量为13K字节以上的称为大型PLC。大型PLC的软、硬件功能极强。具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。相关知识3．PLC的分类

（2）按结构形式分类。按组成和结构形式，PLC可分为整体式结构和模块式结构两种类型。

整体式结构：又叫做单元式或箱体式，一般的小型及超小型PLC多为整体式结构，这种PLC是把CPU、存储器、I/O模块及电源、指示灯等基本功能电路都装配在一个整体装置内。整体式PLC还配备有许多专用的特殊功能模块，使PLC的功能得到扩展。

模块式结构：大、中型PLC如西门子的S7-400系列一般采用模块式结构，它由机架和模块组成，用搭积木的方式组成系统。这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。用户可以选用不同档次的CPU模块、品种繁多的I/O模块和特殊功能模块，对硬件配置的选择余地较大，维修时更换模块也很方便。相关知识3．PLC的分类

（3）按生产厂家分类。PLC的生产厂家比较多，在我国应用非常广泛。常见的PLC产品有以下类型：日本立石（OMRON）公司的C系列PLC；日本三菱公司的F、F1、F2、FX2系列PLC；日本松下电气公司的FP1系列PLC；美国通用电气公司的GE系列PLC；德国西门子公司的S5、S7系列PLC。相关知识3．PLC的分类

在工业控制领域中，PLC的特点十分显著，主要特点如下：（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）控制功能强。（3）采用模块化结构，使系统组合灵活方便。（4）编程简单易学。（5）安装简单，维修方便。

相关知识4．PLC的特点

PLC是一种工业控制用的专用计算机，它的实际组成与一般微型计算机系统基本相同，也是由硬件系统和软件系统两大部分组成，但PLC具有更强的与工业过程相连接的接口。PLC的硬件系统主要由CPU、存储器、输入模块、输出模块和编程器组成，如图2-1所示。相关知识5．PLC的硬件构成

相关知识5．PLC的硬件构成

图2-1PLC基本组成相关知识5．PLC的硬件构成

（1）CPU模块：又叫中央处理单元或控制器。CPU是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据。当PLC进入运行状态，CPU根据用户程序存放的顺序读取、解释和执行程序，完成用户程序中规定的各种操作，并将程序执行的结果送至输出端口，以驱动可编程控制器的外部负载。（2）存储器：PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编写的应用程序及各种暂存数据和中间结果。相关知识5．PLC的硬件构成

（3）I/O模块：I/O模块是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁，分为输入模块和输出模块。输入模块：用来接收和采集输入信号，并转换成PLC内部处理的标准信号。输入信号有两类：一类是从按钮、开关、继电器等设备来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、变送器等设备提供的连续变化的模拟输入信号。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、再经光电耦合后转换为PLC能识别数字量信号。输入电路通常以光电隔离和阻容耦合的方式提高抗干扰的能力，根据输入信号类型的不同，输入电路接口单元可分为以下两种形式。相关知识5．PLC的硬件构成

直流输入模块：电路原理图如图2-2所示，R1为限流电阻。R2和C构成滤波电路，滤除输入信号的高频抖动。发光二极管用于指示工作状态，光电偶合器隔离输入电路和PLC内部电路的电气连接，使外部信号变成内部电路能接收的标准信号。图2-2直流输入电路原理图相关知识5．PLC的硬件构成

交流输入模块：电路原理图如图2-3所示，当开关闭合后，交流电源经C、R2、双向光电耦合器、发光二极管构成通路。光电耦合器将外部输入开关的状态输入至PLC内部电路，供CPU处理；为防止输入信号过高，R1电阻用于限幅；发光二极管用于指示输入状态；R2和C串联为高频去耦电路。图2-3交流输入电路原理图相关知识5．PLC的硬件构成

输出模块：用于将PLC内部的标准信号转换成现场执行机构所需的开关量信号、模拟信号等形式输出，驱动外部负载。如接触器、电磁阀等执行器，或者是指示灯、报警装置等负载。输出模块按照输出信号类型可分为直流输出模块、交流输出模块和继电器输出模块三种。相关知识5．PLC的硬件构成

直流输出模块：直流输出模块用晶体管或场效应管输出方式驱动。晶体管输出式电路原理图如图2-4所示，PLC通过内部电路把输出信号送出，经光电耦合器使晶体管导通，相应的负载在外部直流电源的激励下通电工作。图中光电耦合器用于隔离PLC内部电路和外部负载，晶体管为输出驱动器件，发光二极管用于指示工作状态，稳压管对输出晶体管起过压保护作用。图2-4晶体管输出电路原理图相关知识5．PLC的硬件构成

交流输出模块：交流输出模块的输出电路是采用光控双向晶闸管驱动，电路原理图见图2-5所示。当PLC有信号输出时，输出电路使发光二极管导通，通过光电耦合器使双向晶闸管导通，交流负载在外部交流电源的激励下得电工作。发光二极管用于指示输出状态，双向晶闸管用于光电耦合和功率放大，电阻和电容构成高频滤波电路。图2-5晶闸管输出电路原理图

晶体管输出和晶闸管输出均为无触点开关系统，开关动作速度快、频率高，但过载能力差。相关知识5．PLC的硬件构成

（4）电源：PLC一般使用220V交流电源。PLC内部的直流稳压电源为各模块内的元件提供5V、24V等直流电压。PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用，如果没有一个良好的、可靠得电源，系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+15%范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。（5）接口电路：PLC的接口电路分为I/O扩展接口和外部设备接口两种类型。I/O扩展接口用于扩充外部输入/输出端子数量，将扩展单元与基本单元（即主机）连接在一起。外部设备接口将编程器、打印机、条码扫描仪,变频器等外部设备与主机相联，以完成相应的操作。相关知识6．PLC的软件系统

PLC的软件系统由系统程序和用户程序两大部分组成。

（1）系统程序。系统程序由PLC的制造企业编制，固化在PROM或EPROM中，安装在PLC上，随产品提供给用户。包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块等，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC的性能。

（2）用户程序。用户程序是根据生产过程控制的要求由用户自行编制的应用程序。用户程序包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。

PLC与一般的计算机相类似，一般的用户只能通过编程软件来编制用户程序。编程软件是由PLC生产厂家提供的编程工具，至今为止还没有一种能适合各种PLC的通用的编程语言，但是各个PLC编程工具都大体差不多，一般有如下五种形式。

（1）梯形图(LAD)。梯形图是一种以图形符号及其相互关系表示控制关系的编程语言，它是从继电器控制电路图演变过来的，如图2-7所示。梯形图将继电器控制电路图进行简化，同时加进了许多功能强大、使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，使编程更加容易，而实现的功能大大超过传统继电器控制，是目前最普遍的编程语言。

相关知识7．编程语言和程序结构梯形图两侧的垂直公共线称为公共母线（BUSbar）。在分析梯形图的逻辑关系时，可以想象左右两侧母线之间有一个左正右负的直流电源电压，当图中的触点接通时，有一个假想的“概念电流”或“能流”从左到右流动，这一方向与执行用户程序时的逻辑运算的顺序是一致的。相关知识7．编程语言和程序结构图2-7梯形图程序示例

（2）语句表(STL)。梯形图编程语言优点是直观、简便，但要求图形编程器才能输入图形符号。小型的编程器一般无法满足，而是采用经济便携的编程器（指令编程器）将程序输入到PLC中，这种编程方法使用指令语句（助记符语言），它类似于微机中的汇编语言。操作码表示要执行的功能，操作数（参数）表明操作的地址或一个预先设定的值。语句表程序实例如下：LDI0.1OM0.3ANI0.2=Q1.1相关知识7．编程语言和程序结构

（3）功能块图（FBD）。功能图编程语言是用逻辑功能符号组成的功能块来表达命令的图形语言，如图2-8所示。与数字电路中逻辑图一样，它极易表现条件与结果之间的逻辑功能。这种编程方法是根据信息流将各种功能块加以组合，是一种逐步发展起来的新式的编程语言，正在受到各种PLC厂家的重视。相关知识7．编程语言和程序结构图2-8功能块图程序示例

（4）顺序功能图。顺序功能图常用来编制顺序控制类程序。它包含步、动作、转换三个要素。顺序功能编程法可将一个复杂的控制过程分解为一些小的顺序控制再连接组合成整体的控制程序。顺序功能图法体现了一种编程思想，在程序的编制中具有很重要的意义。

（5）结构文本（StructureText）。为了增强可编程控制器的数字运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，方便用户的使用，许多大中型PLC都配备了高级编程语言。这种编程方式叫做结构文本。与梯形图相比，结构文本有两个很大优点，其一，是能实现复杂的数学运算，其二，是非常简洁和紧凑。用结构文本编制极其复杂的数学运算程序只占一页纸，用来编制逻辑运算程序也很容易。

相关知识7．编程语言和程序结构

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本上是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。PLC有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。在运行状态，PLC执行用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地循环执行，直至PLC停机或切换到STOP工作状态。相关知识8．PLC的工作原理

每次循环过程中，PLC还要完成内部处理、通信处理等工作，一次循环可分为5个阶段（如图2-9所示）。

内部处理阶段。PLC检查CPU，模块内部的硬件是否正常，将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。

通信服务阶段。PLC与别的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。

输