第1章 PLC工作原理 本章主要讲解… 一、可编程控制器概述 二、可编程控制器的基本原理 三、可编程控制器的组成 四、可编程控制器的性能指标

一、可编程控制器概述 什么是PLC？ 通用叫法 1.可编程控制器的定义 是一种工业控制装置 是在电器控制技术和计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展成为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。 通用叫法 中文名称为可编程控制器； 英文名称为Programmable Logic Controller，简称PLC。

1.可编程控制器的定义 1987年，国际电工委员会（IEC）定义： “可编程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”。

2.可编程控制器的产生 因为继电器逻辑电路配线复杂

2.可编程控制器的产生 背景： 1968年美国通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换继电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

2.可编程控制器的产生 1968年，GM公司提出十项设计标准： 编程简单，可在现场修改程序； 维护方便，采用插件式结构； 可靠性高于继电器控制柜； 体积小于继电器控制柜； 成本可与继电器控制柜竞争； 可将数据直接送入计算机； 可直接使用115V交流输入电压； 输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等； 通用性强，扩展方便; 能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB。

2.可编程控制器的产生 1969年，美国数字设备公司研制第一台可编程控制器，并应用于工业现场。

3. 可编程控制器的特点 无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强 通用性强，控制程序可变，使用方便 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 编程简单，容易掌握 系统的设计、安装、调试工作量少 维修工作量小，维护方便 体积小，能耗低.

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

4.可编程控制器的应用领域

5.可编程控制器的发展 高性能、高速度、大容量发展 为了提高PLC的处理能力，要求PLC具有更好的响应速度和更大的存储容量。目前，有的PLC的扫描速度可达0.1ms/k步左右。PLC的扫描速度已成为很重要的一个性能指标。 在存储容量方面，有的PLC最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。

5.可编程控制器的发展 向小型化和大型化两个方向发展 小型PLC由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场需要已开发了各种简易、经济的超小型微型PLC，最小配置的I/O点数为8～16点，以适应单机及小型自动控制的需要。 大型化是指大中型PLC 向大容量、智能化和网络化发展，使之能与计算机组成集成控制系统，对大规模、复杂系统进行综合性的自动控制。现已有I/O点数达14336点的超大型PLC，其使用32位微处理器，多CPU并行工作和大容量存储器，功能强。

5.可编程控制器的发展 大力开发智能模块，加强联网与通信能力 为满足各种控制系统的要求，不断开发出许多功能模块，如高速计数模块、温度控制模块、远程I/O模块、通信和人机接口模块等。 PLC的联网与通信有两类：① PLC之间联网通信，各PLC生产厂家都有自己的专有联网手段；② PLC与计算机之间的联网通信。 为了加强联网与和通信能力，PLC生产厂家也在协商制订通用的通信标准，以构成更大的网络系统。

5.可编程控制器的发展 增强外部故障的检测与处理能力 据统计资料表明：在PLC控制系统的故障中，CPU占5%，I/O接口占15%，输入设备占45%，输出设备占30%，线路占5%。 前二项共20%故障属于PLC的内部故障，它可通过PLC本身的软、硬件实现检测、处理。 而其余80%的故障属于PLC的外部故障。PLC生产厂家都致力于研制、发展用于检测外部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。

5。可编程控制器的发展 编程语言多样化 在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。 除了大多数PLC使用的梯形图、语句表语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。

6.可编程控制器的类型 按I/O点数分 小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC

6.可编程控制器的类型 按结构形式分 整体式PLC 将电源、CPU、I/O接口等部件都集中装在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。

6.可编程控制器的类型 模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以及各种功能模块。

6.可编程控制器的类型 紧凑式PLC 还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。

6.可编程控制器的类型 按功能分 低档PLC 具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。 中档PLC 具有低档PLC功能外，增加模拟量输入/输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。有些还增设中断、PID控制等功能。 高档PLC 具有中档机功能外，增加带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数运算、制表及表格传送等。高档PLC机具有更强的通信联网功能。

二、 PLC的基本原理 工作方式—— 周期循环扫描 工作过程——自诊断、输入采样、程序扫描、输出刷新几个阶段。 扫描周期 T =自检时间+读入一点时间×输入点数+程序步数×运算速度+输出一点时间×输出点数。

PLC的工作过程示意图

三、PLC的组成 型号及意义 型号的命名方式 R—继电器输出 特殊品种 T—晶体管输出 S—晶闸管输出 输出形式 16~256点 单元类型 D—DC电源 A1—AC电源 H—大电流输出扩展模块 V—立式端子排的扩展模块 C—接插口输入输出方式 F—输入滤波器1ms 扩展模块 L—TTL输入扩展模块 S—独立端子（无公共端）扩展模块 型号及意义 型号的命名方式 特殊品种 输出形式 单元类型 I/O总点数 系列序号 R—继电器输出 T—晶体管输出 S—晶闸管输出 M—基本单元 E—输入输出混合扩展单元及扩展模块 EX—输入专用扩展模块 EY—输出专用扩展模块 16~256点 0、2、ON、2C、2N

型号及意义 I/O点数：16～256点 单元类型 M——表示基本单元 E——表示扩展单元及扩展模块 EX——扩展输入单元 EY——扩展输出单元

型号及意义 型号变化 DS——24VDC，世界型 ES——世界型（晶体管型为漏输出） ESS——世界型（晶体管型为源输出） 输出形式 R——继电器输出 T——晶体管输出 S——晶闸管输出

PLC硬件系统组成 PLC系统结构示意图 PLC基本单元 外部设备 现场用户输出设备 微处理器（CPU） 运算器 控制器 输 出 部 件 入 存 储 器 用 户 I/O 扩 展 接 口 通 讯 及 编 程 编程设备 计算机 打印机等 传感器 按钮、开关 现场信号 电磁阀 中间继电器 执行器 现场用户输入设备 扩展设备 扩展单元 通讯模块 功能模块 电源变换器 ～110V/220V市电 PLC基本单元 PLC系统结构示意图

FX 系列PLC的硬件配置图

FX 系列PLC的网络通信能力

PLC硬件系统组成 微处理器（CPU） 接收并存储用户程序和数据； 诊断电源、PLC工作状态及编程的语法错误； 接收输入信号，送入数据寄存器并保存； 运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户 程序的各种操作； 将用户程序的执行结果送至输出端。

PLC硬件系统组成 系统存储器——系统程序存储器+系统数据存储器 存放系统工作程序（监控程序）； 存放模块化应用功能子程序； 存放命令解释程序； 存放功能子程序的调用管理程序； 存放存储系统参数。

用户存储器——RAM/EPROM/EEPROM PLC硬件系统组成 用户存储器——RAM/EPROM/EEPROM 存放用户工作程序； 存放工作数据。

输入单元——带光电隔离电路 多种辅助电源类型：AC电源DC24V输入 DC电源DC24V输入 DC电源DC12V输入 接收开关量及数字量信号（数字量输入单元）； 接收模拟量信号（模拟量输入单元）； 接收按钮或开关命令（数字量输入单元）； 接收传感器输出信号。

输出单元——带光电隔离器及滤波器 多种输出方式：晶体管 晶闸管 继电器 驱动直流负载（晶体管输出单元）； 驱动非频繁动作的交/直流负载（继电器输出单元）； 驱动频繁动作的交/直流负载（晶闸管输出单元）。

PLC硬件系统组成 通讯及编程接口——采用RS-485或RS-422串行总线 连接专用编程器（FX-20P、FX-10P）； 连接个人电脑（PC），实现编程及在线监控； 连接工控机，实现编程及在线监控； 连接网络设备（如调制解调器），实现远程通讯； 连接打印机等计算机外设。

I/O扩展接口——采用并行通讯方式 扩展I/O模块； 扩展位置控制模块（如F2-30GM）； 扩展通讯模块（如FX-232AW等）； 扩展模拟量控制模块（如FX-2DA、FX-4AD等）。

PLC软件系统组成 运行管理 管理程序 生成用户元件 系统内部自检 系统监控程序 解释程序 标准程序模块、系统调用 软件系统 自动化系统控制程序 用户程序 数据表格

数据结构 十进制数（DEC:DECimal number），常用于： 定时器/计数器的设定值； 辅助继电器（M）、定时器（T）、计数器（C）、状态（S）等软元件的地址号； 应用指令的数值型操作数及指令动作常数（K）。 十六进制数（HEX:HEXdecimal number） 与十进制数一样，用于指定应用指令的数值型操作数及指令动作常数（H）。

数据结构 二进制数（BIN:BINary number） PLC内部数据类型，通过外设进行监视时，各软元件的数值自动变换为十进制数或十六进制数。 八进制数（OCT:OCTal number）——用于输入继电器和输出继电器的软元件编号。 输入继电器用X00~X07、X10~X17、X20~X27等八进制格式进行编号； 输出继电器用Y00~Y07、Y10~Y17、Y20~Y27等八进制格式进行编号。

数据结构 BCD码（BCD:BINary Code Decimal）——用二进制形式表示的十进制数，常采用8421BCD码。 常用BCD码编码开关将BCD码数据送入PLC； PLC常以BCD码格式将输出数据送数码显示器显示。 浮点数据（标绘值） 二进制浮点数常用于高精度浮点运算； 十进制浮点数用于实施监视。

软元件（逻辑元件） 输入继电器（X） 在PLC内部，与输入端子相连的输入继电器是光电隔离的电子继电器，采用八进制编号，有无数个常开和常闭触点。 输入继电器不能用程序驱动。

软元件（逻辑元件） 输出继电器（Y） 输出继电器采用八进制编号，有内部触点和外部输出触点（继电器触点、双向可控硅、晶体管等输出元件）之分，由程序驱动。 在PLC内部，外部输出触点与输出端子相连，向外部负载输出信号，且一个输出继电器只有一个常开型外部输出触点。 输出继电器有无数个内部常开和常闭触点，编程时可随意使用。

软元件（逻辑元件） 辅助继电器（M） 由内部软元件的触点驱动,常开和常闭触点使用次数不限，但不能直接驱动外部负载,采用十进制编号。 通用辅助继电器M0～M499（500点） 掉电保持辅助继电器M500～M1023（524点） 特殊辅助继电器M8000～M8255（256点） 只能利用其触点的特殊辅助继电器 可驱动线圈的特殊辅助继电器 通用辅助继电器与掉电保持用辅助继电器的比例，可通过外设设定参数进行调整。

只能利用其触点的特殊辅助继电器 M8000：运行监控用，PLC运行时M8000接通。 M8002：仅在运行开始瞬间接通的初始脉冲特殊辅助继电器。 M8012：产生100ms时钟脉冲的特殊辅助继电器。 可驱动线圈的特殊辅助继电器 M8030：鲤电池电压指示灯特殊继电器。 M8033：PLC停止时输出保持特殊辅助继电器。 M8034：禁止全部输出特殊辅助继电器。

状态（S） 软元件（逻辑元件） 状态是对工序步进型控制进行简易编程的内部软元件，采用十进制编号。与步进指令STL配合使用； 状态有无数个常开触点与常闭触点，编程时可随意使用； 状态不用于步进阶梯指令时，可作辅助继电器使用。 状态同样有通用状态和掉电保持用状态，其比例分配可由外设设定。

状态（S） 软元件（逻辑元件） 状态有五种类型： 初始状态S0～S9共10点 回零状态S10～S19共10点

软元件（逻辑元件） 定时器（T） 积算定时器（T246～T255） 定时器实际是内部脉冲计数器，可对内部1ms、10ms和100ms时钟脉冲进行加计数，当达到用户设定值时，触点动作。 定时器可以用用户程序存储器内的常数k或H作为设定值，也可以用数据寄存器D的内容作为设定值。 普通定时器（T0～T245） 100ms定时器T0～T199共200点，设定范围0.1～3276.7s； 10ms定时器T200～T245共46点，设定范围0.01～327.67s。 积算定时器（T246～T255） 1ms定时器T246～T249共4点，设定范围0.001～32.767s； 100ms定时器T250～T255共6点，设定范围为0.1～3276.7s。

加法计数器 设定值 K、H或D 触点动作 Tx 时钟脉冲 驱动 相等 比较器 T10 T10 K123 X0 Y1 普通定时器的工作原理

积算定时器的工作原理 100ms时钟脉冲 X1 K345 X2 RST T250 X2 设定值K 相等 Tx 比较器 1 触点动作 X1 计数器 1 100ms时钟脉冲 X2 X1 触点动作 Tx 相等 比较器 RST T250 K345 X1 X2 Y1 积算定时器的工作原理

软元件（逻辑元件） 计数器（C） 计数器可分为通用计数器和高速计数器。 16位通用加计数器，C0～C199共200点，设定值：1～32767。设定值K0与K1含义相同，即在第一次计数时，其输出触点动作。 32位通用加/减计数器，C200～C234共135点，设定值：-2147483648～+2147483647。 高速计数器C235～C255共21点，共享PLC上6个高速计数器输入（X0～X5）。高速计数器按中断原则运行。

16位加计数器 通用型：C0~C99共100点 断电保持型：C100~C199共100点 16位计数器工作过程示意图

32位双向计数器 有两种32位加/减计数器，设定值：-2147483648～+2147483647。 通用计数器：C200～C219共20点 计数方向由特殊辅助继电器M8200～M8234设定。 加减计数方式设定：对于C△△△，当M8△△△△接通（置1）时，为减计数器，断开（置0）时，为加计数器。 计数值设定：直接用常数K或间接用数据寄存器D的内容作为计数值。间接设定时，要用元件号紧连在一起的两个数据寄存器。

32位加/减计数器工作过程示意图

软元件（逻辑元件） 数据寄存器（D） 数据寄存器主要用于存储参数和工作数据。 每一个数据寄存器都存放16位二进制数，其最高位为符号位，0为正数，1为负数。 可以用两个数据寄存器合并为一个数据寄存器，存放32位数据，最高位仍为符号位。

软元件（逻辑元件） 数据寄存器（D） 通用数据寄存器D0~D199共200点。 只要不写入其它数据，已写入的数据不会变化。但是PLC状态由运行→停止时，全部数据均清零。 断电保持数据寄存器D200~D511共312点，只要不改写，原有数据不会丢失。 特殊数据寄存器D8000~D8255共256点 这些数据寄存器供监视PLC中各种元件的运行方式用。 文件寄存器D1000~D2999共2000点。

软元件（逻辑元件） 变址寄存器（V/Z） 变址寄存器的作用类似于一般微处理器中的变址寄存器（如Z80中的IX、IY），通常用于修改元件的编号。 V0~V7、Z0~Z7共16点16位变址数据寄存器。 进行32位运算时，与指定Z0~Z7的V0~V7组合，分别成为（V0、Z0），（V1、Z1）…（V7、Z7）。

本章小结 本章主要介绍了可编程控制器的定义、可编程控制器产生的背景、可编程控制器的特点、可编程控制器的应用领域、主要类型、发展趋势及概况，介绍了PLC的基本原理、FX系列PLC型号命名、PLC的组成。说明了FX系列PLC内部各类软元件资源，如输入继电器、输出继电器、定时器、计数器、辅助继电器等。

谢谢!