PLC电气控制与组态设计 哈尔滨理工大学 第一章 可编程控制器的基本知识 2018/11/28

第一章 可编程控制器的基本知识 一、可编程控制器的产生 第一节 可编程控制器的产生和发展 可编程序控制器问世于1969年。是美国汽车制造工业激烈竞争的结果。更新汽车型号必然要求加工生产线改变。正是从汽车制造业开始了对传统继电器控制的挑战。1968年美国General Motors公司，要求制造商为其装配线提供一种新型的通用程序控制器，并提出10项招标指标。这就是著名的GM 10条。 2018/11/28

GM10条是可编程序控制器出现的直接原因： 编程简单，可在现场修改程序； 可将数据直接送入管理计算机； 在扩展时，原系统只需很小变更； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 维护方便，最好是插件式； 可将数据直接送入管理计算机； 在成本上可与继电器控制柜竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀等； 在扩展时，原系统只需很小变更； 用户程序存贮器容量至少能扩展到4K。 2018/11/28

可编程控制器的发展及定义 1969年，美国数据设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器，并成功地应用在GM公司的生产线上。这一时期它主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称PLC(Programmable Logic Controller)。 70年代后期，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使PLC从开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制领域，真正成为一种电子计算机工业控制装置，故称为可编程控制器，简称PC(Programmable Controller)。但由于PC容易和个人计算机 (Personal Computer)相混淆，故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。 2018/11/28

1985年1月国际电工委员会的定义： “可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在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、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，易于扩充的原则设计”。 2018/11/28

PLC与传统的继电器逻辑相比 可靠性高、逻辑功能强、体积小。 在需要大量中间继电器、时间继电器及计数继电器的场合，PLC 无需增加硬设备。 具有网络通讯功能，可附加高性能模块对模拟量进行处理，实现各种复杂控制功能。 2018/11/28

PLC与工业控制计算机相比 PLC继承了继电器系统的基本格式和习惯，对于有继电器系统方面知识和经验的人来说，尤其是现场的技术人员，学习起来十分方便。 PLC一般是由电气控制器的制造厂家研制生产，各厂家的产品不通用。工业控制机是由通用计算机推广应用发展起来的，一般由微机厂、芯片及板卡制造厂开发生产。它在硬件结构方面的突出优点是总线标准化程度高，产品兼容性强。 PLC的运行方式与工业控制机不同，微机的许多软件不能直接使用。工业控制机可使用通用微机的各种编程语言，对要求快速、实时性强、模型复杂的工业对象的控制占有优势。但它要求使用者具有一定的计算机专业知识。 2018/11/28

PLC和工业控制机都是专为工业现场应用环境而设计的。 都具有很高的可靠性。 PLC一般具有模块结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展。 2018/11/28

第二节 可编程控制器的基本结构 PLC的系统结构 2018/11/28

PLC各部分的作用 CPU 诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集现场的状态或数据，并送人PLC的寄存器中。 逐条读取指令，完成各种运算和操作。 将处理结果送至输出端。 响应各种外部设备的工作请求。 2018/11/28

PLC各部分的作用 注意： PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。 存储器 系统程序存储器：用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或PROM中，用户不能更改。 用户存储器：包括用户程序存储区及工作数据存储区。这类存储器一般由低功耗的CMOS-RAM构成，其中的存储内容可读出并更改。 注意： PLC产品手册中给出的“存储器类型”和“程序容量”是针对用户程序存储器而言的。 2018/11/28

PLC各部分的作用 输入输出接口电路 输入接口电路：采用光电耦合电路，将限位开关、手动开关、编码器等现场输入设备的控制信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。 PLC的输入接口电路（直流输入型） 2018/11/28

继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。 PLC各部分的作用 输出接口电路：采用光电耦合电路，将CPU处理过的信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀等外部设备的通断电。有三种类型： 继电器输出型：为有触点输出方式，用于接通或断开开关频率较低的直流负载或交流负载回路。 继电器输出型 2018/11/28

晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。 （b） 晶闸管输出型 晶闸管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的交流电源负载。 （c） 晶体管输出型 （NPN集电极开路） （d） 晶体管输出型 （PNP集电极开路） 晶体管输出型：为无触点输出方式，用于接通或断开开关频率较高的直流电源负载。 2018/11/28

电源 PLC的电源是指将外部输入的交流电处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输人输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可为输入设备提供标准电源。 2018/11/28

手持编程器 手持编程器采用助记符语言编程，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。可一机多用，具有使用方便、价格低廉的特点。 缺点：不够直观 可通过PLC的RS232外设通讯口(或RS422口配以适配器)与计算机联机，利用专用工具软件（NPST－GR、FPSOFT、FPWIN－GR）对PLC进行编程和监控。利用计算机进行编程和监控比手持编程工具更加直观和方便。 2018/11/28

输入输出I／0扩展接口 若主机单元的I／O点数不能满足需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I／O扩展单元与主机相连，以增加I／O点数。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。 2018/11/28

技术性能 第三节 可编程控制器的原理及 PLC的基本工作原理 微机：等待命令的工作方式 PLC：循环扫描的工作方式 第三节 可编程控制器的原理及 技术性能 PLC的基本工作原理 微机：等待命令的工作方式 PLC：循环扫描的工作方式 CPU从第一条指令开始按指令步序号作周期性的循环扫描，如果无跳转指令,则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。 2018/11/28

一个扫描周期主要分为三个阶段： 输入刷新阶段 程序执行阶段 输出刷新阶段 2018/11/28 用 户 输 出 设 备 入 端 子 锁 存 器 映 象 寄 程序 执行 写 读 输入刷新 程序执行 输出刷新 一个扫描周期 PLC的扫描工作过程 2018/11/28

PLC的基本工作原理 由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I／O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I／O刷新外，PLC还要进行各种错误检测(自诊断功能)并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”。 扫描周期的长短主要取决于程序的长短。 由于每一个扫描周期只进行一次I／0刷新，故使系统存在输入、输出滞后现象。这对于一般的开关量控制系统不但不会造成影响，反而可以增强系统的抗干扰能力。但对于控制时间要求较严格、响应速度要求较快的系统，就需要精心编制程序，必要时采用一些特殊功能，以减少因扫描周期造成的响应滞后。 2018/11/28

PLC的主要技术指标 输入／输出点数（I/O点数） 内存容量 注意： “内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系统程序存储器的容量。 扫描速度 (单位：ms／k或μs/步。 ) 指令条数 内部继电器和寄存器数目 编程语言及编程手段 高级模块 主控模块可实现基本控制功能，高级模块可实现一些特殊的专门功能。如A／D和D／A转换模块等 。 2018/11/28

PLC的内存分配及I／O点数 I／0继电器区： I／0区的寄存器可直接与PLC外部的输入、输出端子传递信息，具有“继电器”的功能，有自己的“线圈”和“触点”。故常称为“I／0继电器区”。 内部通用继电器区：只能在PLC内部使用，其作用与中间继电器相似，在程序控制中可存放中间变量。 数据寄存器区 ：只能按字使用，不能按位使用。一般只用来存放各种数据。 特殊继电器、寄存器区 ：被系统内部占用，专门用于某些特殊目的，一般不能由用户任意占用。 系统寄存器区：用来存放各种重要信息和参数。通过用户程序，不能读取和修改系统寄存器的内容。 2018/11/28

PLC的分类 第四节 PLC的分类及功能 按结构形式分类 整体式 模块式 按功能分类 低档机 中档机 高档机 3. 按I／O点数和程序容量分类 分 类 I／0点数 程序容量 超小型机 64点以内 256～1000字节 小型机 64～256 1～3.6K字节 中型机 256～2048 3.6～13K字节 大型机 2048以上 13K字节以上 2018/11/28

PLC的主要功能 定时／计数控制功能 A／D与D／A转换功能 扩展功能 条件控制功能 数据处理功能 步进控制功能 运动控制功能 过程控制功能 远程I／0功能 通信联网功能 监控功能 2018/11/28

第五节 PLC的特点、应用场合和发展趋势 PLC的主要特点 隔离(采用光电耦合器 ) 采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。 可靠性高、抗干扰能力强。主要有以下几个方面： 隔离(采用光电耦合器 ) 滤波 对PLC的内部电源采取了屏蔽、稳压、保护等措施。 设置了连锁、环境检测与诊断、Watchdog等电路。 利用系统软件定期进行系统状态、用户程序、工作环境和故障检测。 对用户程序及动态工作数据进行电池备份。 采用密封、防尘、抗振的外壳封装结构。 以集成电路为基本元件，内部处理过程不依赖于机械触点。采用循环扫描的工作方式，也提高了抗干扰能力。 2018/11/28

编程简单、使用方便、柔性好 可实现三电一体化 将电控(逻辑控制)、电仪(过程控制)和电结(运动控制)集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统。 编程简单、使用方便、柔性好 体积小、重量轻、功耗低 2018/11/28

PLC的应用场合 逻辑控制 ：可取代传统继电器系统和顺序控制器。如各种机床、自动电梯、装配生产线、电镀流水线、运输和检测等的控制。 运动控制 ：可用于精密金属切削机床、机械手、机器人等设备的控制。 过程控制 ：通过配用A／D、D／A转换模块及智能PID模块实现对生产过程中的温度、压力、流量、速度等连续变化的模拟量进行闭环调节控制。 数据处理 多级控制 ：利用PLC的网络通信功能模块及远程I／O控制模块实现多台PLC之间、PLC与上位计算机的链接，以完成较大规模的复杂控制。 2018/11/28

可编程控制器的发展趋势 在系统构成规模上向大、小两个方向发展； 功能不断增强，各种应用模块不断推出 ； 产品更加规范化、标准化 。 2018/11/28

第六节 PLC的几种编程语言 不采用微机的编程语言，采用梯形图语言、指令助记符语言、控制系统流程图语言、布尔代数语言等。其中梯形图、指令助记符语言最为常用。 PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不同厂家所用语言和符号也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异的。 2018/11/28

梯形图语言 梯形图是在原继电器—接触器控制系统的继电器梯形图基础上演变而来的一种图形语言。它是目前用得最多的PLC编程语言。 注意：梯形图表示的并不是一个实际电路而只是一个控制程序，其间的连线表示的是它们之间的逻辑关系，即所谓“软接线”。 常开触点 ： 常闭触点： 线圈： 注意：它们并非是物理实体，而是“软继电器”。每个“软继电器”仅对应PLC存储单元中的一位。该位状态为“1”时，对应的继电器线圈接通，其常开触点闭合、常闭触点断开；状态为“0”时，对应的继电器线圈不通，其常开、常闭触点保持原态。 2018/11/28

指令助记符语言 助记符语言类似于计算机汇编语言，用一些简洁易记的文字符号表达PLC的各种指令。同一厂家的PLC产品，其助记符语言与梯形图语言是相互对应的，可互相转换。 助记符语言常用于手持编程器中，梯形图语言则多用于计算机编程环境中。 2018/11/28