《变流器运行与维护》课件-3.3 PLC

任务三PLC原理及应用2026/3/26PLC早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(PersonalComputer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。作为一种工业控制的计算机，

PLC（可编程逻辑控制器）和嵌入式系统都是工业控制中常用的设备，虽然嵌入式系统在许多应用领域都有着广泛的应用，但在工业控制领域，PLC仍然是主流的选择。原因有以下几点：（1）可靠性和稳定性：PLC是专门为工业控制而设计的，其硬件经过严格的测试和验证，通常具有长寿命、稳定可靠的特点，可以在恶劣的环境中运行。而嵌入式系统由于硬件和软件的复杂性，故障率可能相对较高。（2）灵活性：PLC的编程通常基于符合国际标准的编程语言，并且具有可视化编程界面，这使得PLC编程变得简单易懂，更容易实现现场反馈和实时控制，开发人员可以更快速地编写程序并进行调试；还有着灵活的输入/输出配置，可以方便地连接各种传感器和执行器。而嵌入式系统的编程更复杂，需要深入了解硬件和底层操作系统，相对而言可能更难上手。相比之下，嵌入式系统则需要更多的软件开发和调试。尽管嵌入式系统的硬件成本可能更低，但开发和测试的时间成本往往更高，因此总体成本可能并不比PLC更低。（3）易维护：PLC可进行远程监控和诊断，方便定位和排除问题。而嵌入式系统通常需要现场维护。PLCCatalogue目录01PLC的软硬件组成02PLC的基本工作原理03风力发电机组用PLC（软PLC）04倍福（Beckhoff）PLC简介01PLC的硬件组成

PLC

PLC的各组成

PLC的各组成部分及其作用

（1）CPU

CPU是PLC的控制中枢，PLC在CPU的控制下工作，从而实现对现场的各个设备进行控制。与普通计算机CPU功能结构基本相同。

（2）存储器PLC配有两种存储器，即系统存储器和用户存储器。系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能访问和修改这部分存储器的内容。用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区，它包括输入/输出数据映像区、定时器/计数器预置数和当前值的数据区及存放中间结果的缓冲区。PLC的存储器

PLC的存储器主要包括以下几种：（1）只读存储器（2）可编程只读存储器（3）可擦除可编程只读存储器（4）电可擦除可编程只读存储器（5）随机存取存储器

PLC的各组成

（3）输入/输出（I/O）模块①开关量输入模块

开关量输入设备是各种开关、按钮、传感器等，PLC的输入类型通常可以是直流、交流和交直流。输入电路的电源可由外部供给，有的也可由PLC内部提供。②开关量输出模块输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。

PLC的各组成

（4）编程器

编程器是PLC重要的外部设备，利用编程器可将用户程序送入PLC的用户程序存储器，调试程序、监控程序的执行过程。编程器从结构上可分为以下三种类型。

简易编程器图形编程器

通用计算机编程器

PLC的各组成

（5）电源

电源单元的作用是把外部电源（220V的交流电源）转换成内部工作电压。外部连接的电源，通过PLC内部配有的一个专用开关式稳压电源，将交流/直流供电电源转化为PLC内部电路需要的工作电源（直流5V、±12V、24V），并为外部输入元件（如接近开关）提供24V直流电源（仅供输入端点使用）。驱动PLC负载的电源由用户提供。（6）外设接口

外设接口电路用于连接手持编程器或其他图形编程器、文本显示器，并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC使用PC/PPI电缆或者MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、联网等功能。

PLC的各组成

三、PLC的软件组成

PLC的软件由系统程序和用户程序组成。

系统程序由PLC制造厂商设计编写，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序及监控程序等。

PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。

PLC的软件组成由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。（1）图形式指令结构

（2）明确的变量常数（3）简化的程序结构（4）简化应用软件生成过程（5）强化调试手段02PLC的基本工作原理

PLC的软件组成由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。（1）图形式指令结构

（2）明确的变量常数（3）简化的程序结构（4）简化应用软件生成过程（5）强化调试手段

PLC的基本工作原理（一）程序的扫描执行PLC扫描的工作方式主要分三个阶段，即输入采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段。如图所示

PLC的基本工作原理（1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入的是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

PLC的基本工作原理（2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次扫描用户程序（梯形图）。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算；然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态，或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态，或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。

即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的梯形图起作用。

PLC的基本工作原理

（3）输出刷新阶段当用户程序扫描结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

PLC的基本工作原理（二）输入/输出滞后现象

从PLC的工作过程，可以总结如下几个结论：

（1）以扫描的方式执行程序，其输入/输出信号间的逻辑关系存在着原理上的滞后。扫描周期越长，滞后就越严重。（2）扫描周期除了包括输入采样阶段、用户程序执行阶段、输出刷新阶段三个主要工作阶段所占的时间外，还包括系统管理操作占用的时间。其中，程序执行的时间与程序的长短及指令操作的复杂程度有关，其他基本不变。扫描周期一般为毫微秒级。（3）第n次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次扫描周期中采样阶段的扫描值X依据的输出数据有上一次扫描的输出值Y（n-1），也有本次的输出值Yn；所n送往输出端子的信号，即是本次执行全部运算后的最终结果Yn。（4）输入/输出响应滞后不仅与扫描方式有关，还与程序设计安排有关。

03风力发电机组用PLC

风力发电机组用PLC风电主控系统有如下特点：控制逻辑简单，但控制算法复杂；控制算法的实现依靠远程的梯形图LAD和FBD难以实现；整体控制系统依靠状态机跳转；因为风机的批量比较大，而控制算法作为核心，很难交给调试工程师直接使用；风机的批量调试需要一种方法论，而有别于传统的PLC工程师拿着电脑直接编程的方式；风机不同于传统机械设备，平时无人值守，一旦发生故障，需要有故障存储和历史故障记录的机制；风力发电机组用PLC因为如上特点，催化了如下有别于传统PLC的功能：文件系统，参数文件的读和写；文件系统，故障记录的写；文件系统，故障录波的生产，可配置故障发生前一定时间和故障发生后一定时间的自动记录；ST语言或者SCL语言的流行；结构化解耦控制程序架构的流行；和MatlabSimulink构建半实物仿真和V型理论开发的协同；而能够满足以上功能的，最好的选择是工控机+操作系统+软PLC。而当时的这种架构的主要提供方就是倍福。PC-BasePLC软PLC(即SoftPLC，也称为软逻辑SoftLogic)是使用PC机或嵌入式控制器作为硬件支撑平台，利用软件实现硬PLC的基本功能。或者说，将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC或嵌入式控制器的环境中。

PLC从硬件的结构上来区分可分为硬PLC和软PLC.所谓硬PLC从严格意义上来说是由硬件或者一块专用的ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit)专用集成电路）芯片来实现PLC指令的执行

。风力发电机组用PLC软件PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能，通过一个多任务控制内核，提供强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种I/0系统及网络的开放式结构。所以，软件PLC提供了与硬PLC同样的功能。（二）风电用PLC发展上世纪80年代，当时的风机主要集中在10KW-50KW，而整个德国的装机容量只有20MW。风机主要是小型机组，其控制系统主要基于被动偏航和失速变桨的架构。因此控制系统比较简单，而此时的风电行业还不是很成熟，行业内的参与方都是小型公司为主，因为主流的PLC成本太高，控制系统都是基于单片机的控制为主。风力发电机组用PLC

而当时的倍福工控行业没有任何的品牌和竞争力，为了通过一些通用的硬件来降低控制系统的成本，构建了基于PC的软PLC技术。当年年代的PC-Base并不像现在被行业所接受，所有人都觉得PC架构并不适合在工控领域，不稳定，可靠性差，系统容易死机。风力发电机组用PLC

2000年后，随后进入到MW级别时代，随着叶片的增加，传统的控制方式满足不了新的需求，因此主动变桨控制和主动偏航控制变为主流的控制系统配置。风电行业龙头Nordex的这些年轻人找到了当时的西门子，要求西门子提供PLC及技术支持，而被拒绝，NorbertHennchen博士当时是Nordex电控部门的负责人，主导了新的控制系统的搭建，而NorbertHennchen专业是电子及计算机，其构建控制系统时压根就没有被传统PLC的架构所限制。后来Hennchen博士创立了Freqcon公司，基于倍福开发了1.5MW机型的控制系统。风力发电机组用PLC

当前我国风电用PLC（可编程逻辑控制器）仍依赖进口，主要包括德国Beckhoff的CX系列、奥地利Bachmann的MC系列、德国SiemensS7-1500系列等，底层CPU芯片均系进口，关键核心器件仍受制于人。中国华能集团有限公司睿渥可编程逻辑控制器（PLC）该产品包含中央处理器（CPU）模块，数字量、模拟量等各种工业信号的数据采集模块和通讯模块，支持IEC61131-3标准的编程语言，具备文件读写、数据高速存储等功能。该产品实现核心器件、嵌入式软件、程序编译软件全自主开发，具备完全自主可控的能力。产品的环境适应性、电磁兼容性和可靠性等指标通过了工信部赛西实验室的测试（CNAS、ilac-MRA认证）。该产品已在陆上1.5MW、陆上2.0MW、海上5MW、海上7MW等多款机型、多种场景实现了示范应用，04倍福（Beckhoff）PLC简介

倍福（Beckhoff）PLC简介倍福作为PC控制技术领导者，1986年即推出了基于PC技术的控制理念，将控制功能从硬件转向软件模块，并将PLC、运动控制和CNC整合成一个PC软件解决方案。这样做能够显著减少系统复杂性和降低系统成本。TwinCAT2软件作为倍福PC控制技术的核心，已经被广泛应用在各行各业。倍福（Beckhoff）PLC简介（一）TwinCAT3编程语言的IEC61131-3标准IEC61131-3的优势:(1)它是国际上承认的标准，统一的结构，语言和处理方式。(2)它节省你的时间，统一的软件模式和数据类型概念，对来自不同的PLC类型只需学习一次。减少了误解和错误。(3)对每个问题提供了最佳编程语言规范，一致的5种编程语言规范，不同语言混合编程。倍福（Beckhoff）PLC简介TwinCAT3遵循IEC61131-3标准，提供了五种编程语言:结构化文本(ST)、梯形图(LD)、功能块图(FBD)、指令列表(IL)和顺序功能图(SFC)。每种编程语言都有其特定的应用场景和优势。结构化文本(ST):类似于Pascal或C语言，适用于复杂算法和数学运算。。梯形图(LD):类似于电气绘图，适合于逻辑控制和顺序操作。功能块图(FBD):使用图形化组件来表示逻辑块，便于模块化编程。指令列表(IL):类似于汇编语言，用于底层和硬件相关的操作。顺序功能图(SFC):用于描述程序执行的顺序和步骤，适用于流程控制。倍福（Beckhoff）PLC简介2.IEC61131-3的内容（1）IEC61131-3标准的变量声明、关键字和注释IEC61131-3的变量声明首字符可以是字母或下划线，后面跟数字、字母、下划线、不区分字母的大小写，不可以使用特殊字符、空格、连续的下划线。IEC61131-3的关键字会在TwinCAT3中以蓝色、大写显示。关键字是不可以声明做变量名的。用于单行并且放在行尾的注释内容，可以使用“//”来进行。如:(*TableErrors*)或//TableErrors倍福（Beckhoff）PLC简介（1）IEC61131-3标准中的数据类型倍福（Beckhoff）PLC简介(3)IEC61131-3标准中程序单元组成程序单元由程序(PROGRAM),功能块(FUNCTIONBLOCK),函数(FUNCTION)组成，三种单元主要特点如下:程序:由任务调用(一个Program能够调用另一个Program)可以调用:FunctonBlocks,Functions,Programs.局部变量:静态，即局部变量的数据可以在下个周期使用。输入:一般是没有输入的变量，在VARINPUT可以定义输入变量的。输出:一般是没有输出的变量，在VAROUTPUT可以定义输出变量的。输入输出型变量:可以在VARINOUT定义的。

监视:在线状态下变量的值是实时可见的。倍福（Beckhoff）PLC简介功能块:由Programs或者其它的FunctionBlocks调用可以调用:FunctionBlocks,Functions。局部变量:静态，即局部变量数据可以在下个运行周期使用，多个功能块中，每个FB都有自己的局部变量。输入:多个输入，在VARINPUT中定义。输出:多个输出，在VAROUTPUT中定义。输入输出:多个输入输出变量。在VARINOUT中定义。监视:在线状态下对于每个指定的功能块，局部变量是可见的。倍福（Beckhoff）PLC简介函数:由Programs,functionblocks和其它的Functions调用可以调用:Functions局部变量:临时的，即局部变量数据仅在当前function执行时可以使用之后这个数据区就被用于其它functions。输入:多个输入变量，在VARINPUT中定义。输出:只有1个!输入输出:可以有多个输入输出型变量，在VARINOUT中定义。监视:在线状态下仅能看到“???”。使用断点可以监视其局部变量值。倍福（Beckhoff）PLC简介3.TwinCAT3PLCHMI可视化编程人机界面(HMI)是自动化系统中用户与机器交互的桥梁。"它为操作人员提供了监控和控制生产过程的能力。HMI设计需要简洁直观，使得操作人员能够快速理解和响应系统状态。TwinCAT3中的HMI设计工具支持创建定制的用户界面，这些界面可以与PLC程序紧密集成，提供实时数据的可视化和操作的反馈。倍福（Beckhoff）PLC简介(1)HMI界面设计原则与工具TwinCAT3提供了丰富的界面设计工具，开发者可以根据具体的应用需求来设计HMI界面。设计原则包括清晰性、一致性和用户体验的优化。TwinCAT3的HMI设计工具支持拖放式界面布局，允许开发者快速构建复杂的用户界面。TwinCAT3的HMI设计支持响应式布局，这意味着界面可以根据操作设备的屏幕大小和分辨率进行自动调整，确保在不同设备上的一致显示效果。此外，TwinCAT3还提供了多种控件和图表组件，用于显示实时数据和历史趋势，以及执行特定的用户操作。倍福（Beckhoff）PLC简介(2)HMI与PLC的数据交互HMI与PLC之间的数据交互是实时和可靠的，这是确保自动化系统稳定运行的关键。TwinCAT3支持多种数据交互方式，包括周期性数据读写、事件触发和报警通知。通过这些机制，HMI可以实时显示PLC中的数据，并允许操作人员通过HMI界面发送控制命令到PLC，实现对生产过程的监控和控制。数据交互的效率直接影响到HMI的响应时间和系统性能。TwinCAT3优化了数据交换过程，减少了通信延迟，并确保了数据的实时更新。此外，TwinCAT3还支持数据压缩和批量处理，以提高数据交互的效率。倍福（Beckhoff）PLC