PLC应用技术项目化教程 课件 模块二 认识PLC与应用系统

模块二认识PLC与应用系统：目录CONTENTS01PLC外观初探02PLC内部构成解密03PLC工作原理揭秘04应用系统设计指南05模块知识整合PLC外观初探01PLC面板结构与功能解析六向观察与外部轮廓从前、后、左、右、上、下六个方向观察三菱FX2N-32MRPLC，掌握其整体外形尺寸、安装方式及外部接口布局，建立对PLC物理载体的空间认知。输入输出端子与指示灯输入端子板连接主令电器，输出端子板连接被控电器；输入输出状态指示灯实时反映各端口通断情况，便于现场调试与故障排查。工作状态指示与控制开关POWER、RUN、BATT.V、ERROR四灯显示电源、运行、电池电压及出错状态；RUN/STOP开关切换运行与编程模式，编程插座连接编程电缆。PLC面板结构与功能解析

拆掉PLC应用项目实验箱上PLC输入/输出端的接线，移走印制板支架，取下三菱FX2N–32MRPLC；分别从前、后、左、右、上和下6个方向观看PLC的外观。

三菱FX2N–32MRPLC的外部轮廓如图2–1（a）所示PLC面板结构与功能解析

如图2–1（b）和（c）所示为三菱FX2N–32MRPLC的正面俯视图和局部放大图。对照图2–1（b）和图2–1（c），在三菱FX2N–32MRPLC面板上依次找到：安装孔①4个、输入端子板②（输入端子板上面除交流电源接线端、辅助24V电源接线端和输入端子外，对角线上还有2颗装卸螺钉）、输入状态指示灯③、输出状态指示灯④、输出端子板⑤（输出端子板上面除输出端子外，对角线上还有2颗装卸螺钉）、编程插座盖板⑥、面板盖⑦、DIN导轨装卸用卡子⑧、I/O端子标记⑨、工作状态指示灯⑩（POWER：电源指示灯；RUN：运行指示灯；BATT.V：电池电压下降指示灯；ERROR：出错指示灯—闪烁时表示程序语法出错PROG.E，常亮时表示CPU出错CPU.E）、扩展插座盖板⑪、锂电池⑫、锂电池连接插座⑬、外接存储器插座⑭、功能扩展插座⑮、RUN/STOP工作模式开关⑯、编程插座⑰。PLC面板结构与功能解析PLC发展历程与核心定义PLC是英文ProgrammableLogicController的缩写，是可编程序逻辑控制器的简称。1980年，美国电气制造商协会（NationalElectricalManufacturersAssociation，NEMA）鉴于可编程序逻辑控制器的功能已经发展到不仅可以进行逻辑控制、而且还可以对模拟量进行控制这一情况，便将可编程序逻辑控制器PLC更名为可编程序控制器PC（ProgrammableController）。但是，人们考虑到：

（1）可编程序控制器的主体仍然是可编程序逻辑控制器，它的主体功能依然是对开关量进行逻辑控制，这两个要素并未改变。虽然它现在已经能对模拟量进行控制，但这仅仅是可编程序逻辑控制器通过外接A/D单元和D/A单元扩展出来的一个附加功能罢了。

（2）可编程序控制器进行工作时，CPU是根据用户程序规定的逻辑关系对相关的开关量进行逻辑运算而不是进行模拟运算。（3）PC易与个人计算机PersonalComputer的缩写PC相互混淆。因此，人们认为把可编程序控制器PC还是称作可编程序逻辑控制器PLC比较恰当，这一想法，不仅通行于业界，而且得到了广大工程技术人员的普遍认可。本书中，我们直接用PLC来称呼可编程序逻辑控制器。PLC发展历程与核心定义

PLC自问世到现在，一直处在不断的发展和完善之中，业界至今也未对其作出最后的定义。1987年2月，国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission，IEC）在发布的可编程序逻辑控制器标准草案第三稿中特别地强调了PLC应符合如下要求：（1）是一种包含有计算机的自动控制装置。（2）专为在工业环境下应用而设计。（3）存储的程序可修改且编程方便，指令系统面向用户。（4）具备逻辑运算、顺序控制、定时、计数控制和算术操作等功能。（5）既能进行数字量输入/输出控制，又能进行模拟量输入/输出控制。（6）易于与控制系统联成一体，实现机电一体化。PLC发展历程与核心定义四代演进与技术跃迁1969-1977年初创期实现逻辑运算、定时、计数；1977-1982年功能扩展期引入微处理器；1982-1990年联机通信期发展浮点运算；1990年后网络化期实现高速计数、PID控制与联网通信，功能持续迭代升级。IEC标准定义与命名渊源1987年IEC定义PLC为专用于工业现场、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置，采用电可改写只读存储器与单片机架构。NEMA曾更名为PC，为避免与个人计算机混淆，业界仍沿用PLC简称。PLC技术优势与应用领域

（1）抗干扰能力强，可靠性高。PLC在其输入电路、输出电路和电源电路中，采取了多重屏蔽、隔离、滤波、稳压等措施，有效地抑制了外部干扰源对PLC的影响，从硬件方面提高了PLC的抗干扰能力。

（2）功能强，适应面广。现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制等功能，还具有A/D转换、D/A转换、数值运算、数据处理、通信等功能，因此，PLC既可对开关量控制，也可对模拟量控制；既可以控制一台生产机械、一条生产线，也可以控制一个生产过程，同时还可以与上位计算机构成分布式控制系统。

（3）编程语言简单易学。PLC的编程语言中，有一种梯形图语言，它所使用的图形符号和表达形式与传统的继电接触器控制电路原理图非常接近，稍有电气控制基础的技术人员通过短期学习，很快就能掌握这种梯形图语言，从而编制出满足控制要求的程序来。PLC技术优势与应用领域

（4）通用性强，使用方便。对于同一台PLC来说，只需改变一下软件程序，就能够实现不同的控制功能，就能够适应不同的生产工艺，因此通用性极强，使用十分方便。

（5）系统组合灵活方便。PLC品种多，档次也多，已形成系列化和模块化，用户可以根据实际需要选用不同的模块来自行灵活地组成不同的控制系统，从而满足不同的控制要求。

（6）体积小，重量轻，易于实现机电一体化。LC釆用大规模集成电路组装，重量轻，功耗低，体积也很小，可安装到机械设备的内部，非常容易实现机电一体化。

（7）设计、安装和调试的周期短。PLC的设计和调试工作，都可在实验室内先期完成。硬件方面的设计工作只有确定PLC的硬件配置和绘制硬件接线图这两件事。安装工作也仅仅是主令电器与输入接口之间、被控电器与输出接口之间的接线工作，简单方便迅速。PLC技术优势与应用领域工业级可靠性保障多重屏蔽、隔离、滤波、稳压设计，配合故障检测诊断程序，抗干扰能力强，适应恶劣工业环境。功能强大与编程便捷梯形图语言直观易学，涵盖逻辑控制、模拟量处理、数据运算、联网通信等多元功能。灵活高效与体积紧凑系统组合灵活，体积小巧重量轻，设计安装调试周期短，易于实现机电一体化集成。五大应用领域覆盖开关量逻辑控制、模拟量过程控制、数据处理、计数计时、联网通信，全面满足工业自动化需求。PLC技术优势与应用领域系统的比较PLC技术优势与应用领域系统的比较PLC内部构成解密02PLC四大核心组件剖析电源板：能量供给中枢承担整流、滤波、开关振荡与稳压任务，将外部交流电转换为内部所需的稳定直流电源，为整机运行提供可靠能量保障。I/O端口板：信号交互桥梁集成输入端子、输入光耦组件、输出继电器组件与输出端子，实现外部信号与内部电路的电气隔离、电平转换与功率驱动。CPU板：智能控制核心以单片机为核心芯片，搭载CMOS存储器，构成PLC的控制中枢，执行系统程序管理与用户程序运算，协调各模块协同工作。PLC四大核心组件剖析

只有事先把PLC的内部构成、各构成部分的作用以及各构成部分之间的相互关系了解清楚后，才能准确地搞懂PLC的工作原理，因此设置本任务的目的就是通过拆开PLC观看PLC内部构成，让我们对PLC的内部构成有个初步的感性认识，同时学习PLC各构成部分的作用以及各构成部分之间的相互关系，从而为理解PLC的工作原理做好铺垫。拆卸PLC（1）旋下PLC输入端子板两端的装卸螺钉，移走输入端子板。（2）旋下PLC输出端子板两端的装卸螺钉，移走输出端子板。（3）移走印制板，取下PLC顶部的面板。PLC四大核心组件剖析观察PLC的内部构成当移走PLC输入端子板、输出端子板和顶部的面板后，我们就可以清楚地看到PLC的内部构成了，如图2–2（a）、图2–2（b）和图2–2（c）所示。（1）图2–2（a）示出的是PLC的电源板，主要由整流、滤波、开关振荡和稳压等几部分组成，对照图2–2（a）从实物PLC中找到与其对应的部分。（2）图2–2（b）示出的是PLC的输入/输出端口板，主要由输入端子、输入光耦组件、输出继电器组件和输出端子等几部分组成，对照图2–2（b）从实物PLC中找到与其对应的部分。（3）图2–2（c）示出的是PLC的CPU板，主要由CPU主芯片和CMOS存储器等几部分组成，对照图2–2（c）从实物PLC中找到与其对应的部分。（4）请特别注意：在图2–2（c）示出的CPU板上，还安装有两块存储器组件，这就是PLC的存储器部分，对照图2–2（c）从实物PLC中找到与其对应的部分。PLC四大核心组件剖析PLC四大核心组件剖析PLC四大核心组件剖析复原PLC（1）盖上PLC顶部的面板。（2）复位输出端子板，旋紧PLC输出端子板两端的装卸螺钉。（3）复位输入端子板，旋紧PLC输入端子板两端的装卸螺钉。

通过本次训练，知道了PLC内部有三大块电路板—电源板、输入/输出端口板和CPU板，使我们对PLC的内部构成有了一个直观的感性认识。PLC内部电路结构从PLC内部电路的具体结构来看，PLC主要由单片机、存储器、I/O接口和电源四大部分构成，如图2–3所示。图2–3PLC内部构成框图单片机与存储器的双重角色单片机控制中枢职能CPU执行系统程序完成自检、通信、调度等管理任务，执行用户程序实现逻辑运算与控制策略，存储器以镜像寄存器形式呈现输入、输出、辅助三类编程元件。存储器双重属性与状态语义存储器既是程序执行的数据载体，也是用户编程的操作对象；状态"1"代表线圈得电、常开触头闭合，状态"0"代表线圈失电、常闭触头断开，构成二进制逻辑控制基础。I/O接口与电源系统协同机制输入接口信号采集连接主令电器，通过光耦隔离将外部开关信号转换为内部数字信号，存入输入存储器，确保内外电气安全隔离。输出接口负载驱动依据输出存储器状态控制继电器通断，驱动被控电器，实现弱电控制强电的功率放大与电气隔离。开关稳压电源设计采用高效开关电源技术，为内部单片机、存储器及外部传感器、执行器提供稳定直流电源，适应宽电压输入范围。内外一体化供电方案通过输出端子对外提供直流电源，简化外部设备供电布线，提升系统集成度与工程实施效率。PLC工作原理揭秘03传统控制与PLC控制的本质差异硬接线与软逻辑的对比实验电动机正反转点动控制系统实验显示：传统系统依赖金属导线直接连接，改功能需重新布线；PLC系统通过用户程序间接建立逻辑关联，修改程序即可实现功能变更，无需改动物理接线。万能虚拟接线网络的等效特性顺序启动控制系统验证：PLC以软件逻辑替代硬件接线，实现控制功能的可编程、可重构、可复用，等效于可任意配置的万能虚拟接线网络，大幅降低系统改造成本与周期。PLC循环扫描工作机制解析扫描周期五阶段划分RUN模式下依次执行内部处理、通信处理、信号处理、程序处理、输出处理，形成完整扫描周期；STOP模式仅保留前两阶段，暂停程序执行与输出刷新。各阶段核心职能内部处理完成系统自检，通信处理实现外部设备数据交换，信号处理采集输入并寄存镜像，程序处理执行逻辑运算，输出处理刷新存储器并驱动负载。实时性与确定性保障固定周期的循环扫描机制确保控制响应时间可预测，避免程序执行顺序不确定性，满足工业控制的实时性与可靠性要求。万能虚拟接线网络的实现原理01输入数字化表征输入存储器状态实时映射主令电器通断，将物理开关量转换为程序可操作的二进制数据。02逻辑运算替代接线单片机执行与、或、非等布尔运算，与逻辑对应触头串联，或逻辑对应触头并联，软件重构传统接线图。03输出物理化执行输出存储器状态直接控制继电器线圈得电失电，驱动被控电器完成控制指令的物理输出。04虚拟接线闭环形成输入采集、逻辑运算、输出驱动三步协同，构建可任意编程的虚拟接线闭环，实现万能控制网络。用户程序执行的循环过程演示九周期动态推演以机床电动机控制为例：第一循环初始化无输出；第二循环启动开关闭合电机运转；第三循环自锁维持运转；第四至八循环稳定运行；第九循环停止触发电机停转。完整呈现输入采样、程序运算、输出刷新的时序配合。典型控制功能实现机理自锁功能依赖输出继电器常开触头并联实现状态保持；点动功能通过常闭触头串联解除自锁；停止功能利用常闭触头断开切断控制回路。程序语句与电气原理图一一对应，直观易懂。应用系统设计指南04PLC应用系统的三维技术体系01硬件设计技术维度涵盖PLC选型匹配、I/O地址分配、电气原理图绘制、电源配置计算、抗干扰措施设计等物理层技术，构建可靠的控制硬件平台。02软件设计技术维度包括控制程序架构设计、梯形图编写、功能块封装、算法优化、程序调试等逻辑层开发，实现预期的控制策略与功能。03系统实现技术维度涉及模拟调试、现场安装、系统联调、技术文档编制等工程层实施，完成从设计图纸到实际运行的转化交付。PLC应用系统设计步骤详解01需求分析与规划阶段明确控制要求，确定主令与被控电器清单，完成PLC型号选择，进行存储器地址分配，形成项目技术方案。02硬件与软件设计阶段绘制硬件