1、PLC定義“可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關外圍設備，都應按易于與工業系統聯成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。第1頁/共61頁PLC的產生 世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。 1968年美國GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，

2、這就是第一代可編程控制器。 隨后日本、德國先后研制出自己的可編程控制器。第2頁/共61頁1968年，GM公司提出十項設計標準（GM十條） 編程簡單，可在現場修改程序；維護方便，采用插件式結構；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本可與繼電器控制柜競爭；可將數據直接送入計算機；可直接使用115V交流輸入電壓；輸出采用115V交流電壓，能直接驅動電磁閥、交流接觸器等；通用性強，擴展方便;能存儲程序，存儲器容量可以擴展到4KB。第3頁/共61頁PLC的特點1. 高可靠性 高可靠性是PLC最突出的特點之一。PLC采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體電路來完成，另外還采取了屏蔽、濾

3、波、隔離等抗干擾措施。它的平均故障間隔時間為35萬小時以上。2. 靈活性 過去，電氣工程師必須為每套設備配置專用控制裝置。有了可編程控制器，只需編寫不同應用軟件即可，而且可以用一臺可編程控制器控制幾臺操作方式完全不同的設備。第4頁/共61頁3. 便于改進和修正相對傳統的電氣控制線路，可編程控制器為改進和修訂原設計提供了極其方便的手段。以前也許要花費幾周的時間，而用可編程控制器也許只用幾分鐘就可以完成。4. 節點利用率提高 傳統電路中一個繼電器只能提供幾個節點用于連鎖，在可編程控制器中，一個輸入中的開關量或程序中的一個“線圈”可提供用戶所需要的任意個連鎖節點，節點在程序中可不受限制地使用。第5頁

4、/共61頁5. 豐富的I/0接口 PLC除了具有計算機的基本部分如CPU、存儲器等以外，還有豐富的I/0接口模塊。對不同的工業現場信號(如交流、直流、電壓、電流、開關量、模擬量、脈沖等)，都有相應的I/0模塊與工業現場的器件。另外有些PLC還有通信模塊、特殊功能模塊等。6. 模擬調試 可編程控制器能對所控功能在實驗室內進行模擬調試，縮短現場的調試時間。7. 快速動作 傳統繼電器節點的響應時間一般需要幾百毫秒，而可編程控制器里的節點反應很快，內部是微秒級的，外部是毫秒級的。 第6頁/共61頁8. 梯形圖及布爾代數并用 可編程控制器的程序編制可采用電氣技術人員熟悉的梯形圖方式，也可以采用程序員熟悉

5、的布爾代數圖形方式。9. 對現場進行微觀監視 操作人員能通過顯示器上的編程軟件可以觀測到所控每一個節點的運行情況，隨時監視事故發生點。10. 體積小、質量輕、功耗低 由于采用半導體集成電路，與傳統控制系統相比較，其體積小、質量輕、功耗低。11. 編程簡單、使用方便 PLC采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程，容易掌握。例如目前PLC大多數采用梯形圖語言編程方式，它繼承了傳統控制線路的清晰直觀感，很容易被技術人員所接受，易于編程，程序改變時也易于修改。第7頁/共61頁PLC 與繼電器控制系統的區別繼電器控制系統PLC控制系統邏輯控制邏輯控制硬接線邏輯：接線多而復雜、體積硬接線邏輯：接線多

6、而復雜、體積大，故障率高，改變系統很困難；大，故障率高，改變系統很困難；觸點有限，靈活性、擴展性差。觸點有限，靈活性、擴展性差。存儲器邏輯（軟接線）：改變控制邏存儲器邏輯（軟接線）：改變控制邏輯只需改變程序；觸點數目眾多，靈輯只需改變程序；觸點數目眾多，靈活性、擴展性好。活性、擴展性好。工作方式工作方式并行并行串行串行可靠性和可靠性和可維護性可維護性差。機械觸點多，接線多；觸點開差。機械觸點多，接線多；觸點開閉受電弧損傷并有機械磨損，壽命閉受電弧損傷并有機械磨損，壽命短。短。好。開關動作由無觸點的半導體電路好。開關動作由無觸點的半導體電路完成，可靠性高；自身配有自檢和監完成，可靠性高；自身配有

7、自檢和監督功能，可維護性高。督功能，可維護性高。控制速度控制速度依靠觸點的機械動作實現控制，工依靠觸點的機械動作實現控制，工作頻率低，還會出現抖動問題。作頻率低，還會出現抖動問題。程序指令控制半導體電路實現控制，程序指令控制半導體電路實現控制，屬于無觸點控制，速度極快。屬于無觸點控制，速度極快。定時控制定時控制時間繼電器定時精度不高，定時范時間繼電器定時精度不高，定時范圍窄，易受外部環境影響，調整時圍窄，易受外部環境影響，調整時間困難。間困難。時基脈沖由晶體振蕩器產生，精度高時基脈沖由晶體振蕩器產生，精度高；定時時間不受環境影響，定時范圍；定時時間不受環境影響，定時范圍最小可為最小可為0.00

8、1s 設計和設計和施工施工設計、施工、調試必須依次進行，設計、施工、調試必須依次進行，周期長且修改困難。周期長且修改困難。系統設計完成后，現場施工和控制邏系統設計完成后，現場施工和控制邏輯的設計（包括梯形圖）可同時進行輯的設計（包括梯形圖）可同時進行，周期短，調試修改方便。，周期短，調試修改方便。第8頁/共61頁PLC的分類一、按I/O點數和程序容量分：（1）超小型機：I/O點數為64點以內，內存容量為2561000字節；（2）小型機：I/O點數為64256，內存容量為13.6K字節；（3）中型機：I/O點數為2561024，內存容量為3.613K字節；（4）大型機：I/O點數為1024以上，

9、內存容量為13K字節以上；第9頁/共61頁二、按結構形式分（1) 整體式結構 一般的小型及超小型PLC多為整體式結構，這種可編程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及與編程器或EPROM寫入器相連的接口、輸入/輸出端子、電源、指示燈等都裝配在一起的整體裝置。西門子公司的S7-200系列PLC為整體式結構。（2) 模塊式結構 模塊式結構又叫積木式。這種結構形式的特點是把PLC的每個工作單元都制成獨立的模塊，如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊、通信模塊等。常見產品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西門子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等

10、。 PLC的分類第10頁/共61頁圖1-7 整體式PLC 圖1-8 模塊式PLC 第11頁/共61頁三. 按功能分類 （1）低檔PLC：具有邏輯運算、定時、計數等功能。有的還增設模擬量處理、算術運算、數據傳送等功能。 （2）中檔PLC：除具有低檔機的功能外，還具有較強的模擬量輸入、輸出、算術運算、數據傳送等功能可完成既有開關量又有模擬量控制的任務。 （3）高檔PLC：增設有帶符號算術運算及矩陣運算等，使運算能力更強。還具有模擬調節、聯網通信、監視、記錄和打印等功能，使PLC的功能更多更強。能進行遠程控制，構成分布式控制系統，成為整個工廠的自動化網絡。第12頁/共61頁PLC的發展趨勢 一方面向

11、著大型化的方向發展，一方面則向著小型化的方向發展。nPLC向大型化方向發展，主要表現在大中型PLC高功能、大容量、智能化、網絡化發展，使之能與計算機組成集成控制系統，對大規模、復雜系統進行綜合的自動控制。nPLC向小型化方向發展，主要表現在下列幾個方面：為了減小體積、降低成本，向高性能的整體型發展；在提高系統可靠性的基礎上，產品的體積越來越小，功能越來越強；應用的專業性，使得控制質量大大提高。 第13頁/共61頁PLC的系統組成PLC專為工業場合設計，采用了典型的計算機結構，主要是由CPU、電源、存儲器和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。下圖為一典型PLC結構簡圖。CPU存儲器電源部分輸入單元

12、輸出單元編程器或其他設備按鈕接觸器電磁閥指示燈行程開關繼電器觸點第14頁/共61頁中央處理單元（CPU）一般由控制器、運算器和寄存器組成，這些電路都集成在一個芯片上。 CPU的主要功能： (1) 診斷PLC電源、內部電路的工作狀態及編制程序中的語法錯誤。 (2)采集現場的狀態或數據，并送人PLC的寄存器中。 (3)逐條讀取指令，完成各種運算和操作。 (4)將處理結果送至輸出端。 (5)響應各種外部設備的工作請求中央處理單元CPU第15頁/共61頁PLC的存儲器包括系統存儲器和用戶存儲器1.系統存儲器 系統程序由PLC的制造企業編制，固化在ROM或EPROM中，安裝在PLC上，隨產品提供給用戶。

13、系統程序包括系統管理程序、用戶指令解釋程序和供系統調用的標準程序模塊等。2.用戶存儲器 用戶存儲器包括用戶程序存儲器和用戶數據存儲器。用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務用規定的PLC編程語言編寫的應用程序。用戶數據存儲器可以用來存放用戶程序中所使用器件的ON/OFF狀態和數值、數據等。用戶存儲器的大小關系到用戶程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指標之一。第16頁/共61頁輸入/輸出單元輸入單元：接受來自用戶設備的各種控制信號，如限位開關、操作按鈕、選擇開關、行程開關以及其他一些傳感器信號。輸出單元：控制、驅動實際的物理負載，如電動機、電磁閥、電磁吸盤、指示燈、照明燈等PLC輸入類型

14、：直流、交流或交直流。PLC輸出類型：繼電器輸出型，晶體管輸出型和晶閘管輸出型。輸入和輸出端靠光信號耦合，電氣上完全隔離，具極強的抗干擾能力。第17頁/共61頁PLC簡單工作原理PLC實現控制的過程一般是可分為輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段，如下圖所示： PLC的一般工作過程第18頁/共61頁1. 輸入采樣階段 PLC以掃描工作方式，輸入電路時刻監視著輸入狀況，并將其暫存于輸入暫存器中。在整個工作周期內，這個采樣結果的內容不會改變，而且這個采樣結果將在PLC執行程序時被使用。2. 程序執行階段 PLC按順序對程序進行掃描，并分別從輸入映像區和輸出映像區中獲得所需的數據進行運算、處理，再將

15、程序執行的結果寫入寄存執行結果的輸出映像區中保存。這個結果在程序執行期間可能發生變化，但在整個程序未執行完畢之前不會送到輸出端口。第19頁/共61頁3. 輸出刷新階段 在執行完用戶所有程序后，PLC將輸出映像區中的內容送到寄存輸出狀態的輸出鎖存器中，這一過程稱為輸出刷新。輸出電路要把輸出鎖存器的信息傳送給輸出點，再去驅動用戶設備。第20頁/共61頁PLC的簡單工作原理特點： PLC工作的主要特點是循環掃描執行輸入輸出采樣、程序執行、輸出刷新“串行”工作方式，這樣既可避免繼電器、接觸器控制系統因“并行”工作方式存在的觸點競爭，又可提高PLC的運算速度，這是PLC系統可靠性高、響應快的原因。但是，

16、也導致輸出對輸入在時間上的滯后。 為此，PLC的工作速度要快。速度快、執行指令時間短，是PLC實現控制的基礎。事實上， PLC的速度是很快的，執行一條指令，多的幾微秒、幾十微秒，少的才零點幾，或零點零幾微秒。而且這個速度還在不斷提高中。第21頁/共61頁 上圖所示的過程是簡化的過程，實際的PLC工作流程還要復雜些。除了I/O刷新及運行用戶程序，還要做些公共處理工作。公共處理工作有：循環時間監控、外設服務及通訊處理等。 PLC的開機流程要經過上電初始化、系統自檢、運行程序、循環時間計算、I/O刷新、外設及通訊服務等幾個階段，如下圖所示。PLC的詳細工作原理第22頁/共61頁PLC的工作流程 第2

17、3頁/共61頁PLC的編程語言與程序結構PLC編程語言的國際標準IEC 61131-3 是由IEC（國際電工委員會）制定的世界上第一個，也是至今為止惟一的工業控制系統的編程語言標準 順序功能圖梯形圖功能塊圖指令表結構文本第24頁/共61頁順序功能圖是一種位于其他編程語言之上的圖形語言，用來編制順序控制程序，步、轉換和動作是順序功能圖中的三種主要元件。梯形圖是在原繼電器接觸器控制系統的繼電器梯形圖基礎上演變而來的一種圖形語言，很容易被工廠熟悉繼電氣控制的技術人員掌握，特別適用于數字量邏輯控制。它是目前用得最多的PLC編程語言。功能塊圖使用類似數字電路中的各種門電路，加上輸入，輸出，通過一定的邏輯

18、連接方式來完成控制邏輯。也可以將函數和功能塊連接到電路中，完成各種復雜的功能和計算。有數字電路基礎的人很容易掌握。第25頁/共61頁指令表又稱語句表。PLC的指令是一種與微機的匯編語言中的指令相似的助記符表達式，由指令組成指令表程序或語句表程序。語句表比較適合熟悉PLC和程序設計的經驗豐富的程序員使用。結構文本是為IEC61131-3標準創建的一種專用的高級編程語言，與梯形圖相比，它能實現復雜的數學運算，編寫的程序非常簡潔和緊湊。第26頁/共61頁1. 梯形圖語言（LAD） 梯形圖語言是PLC程序設計中最常用的編程語言。它是與繼電器線路類似的一種編程語言。由于電氣設計人員對繼電器控制較為熟悉，

19、因此，梯形圖編程語言得到了廣泛的歡迎和應用。 圖1是典型的交流異步電動機直接啟動的繼電器控制電路圖。 圖2是采用PLC控制的程序梯形圖。圖1 交流異步電動機直接啟動電路圖第27頁/共61頁圖2 PLC梯形圖第28頁/共61頁2 . 指令表語言（STL） 指令表編程語言是與匯編語言類似的一種助記符編程語言，和匯編語言一樣由操作碼和操作數組成。圖3就是與圖2 PLC梯形圖對應的指令表。圖3 指令表第29頁/共61頁3. 功能塊圖語言（FBD） 功能塊圖語言是與數字邏輯電路類似的一種PLC編程語言。圖4是對應圖1交流異步電動機直接啟動的功能模塊圖編程語言的表達方式。圖4 功能塊圖第30頁/共61頁第

20、31頁/共61頁S7 200 PLC CPU模塊的外形圖第32頁/共61頁S7 200 PLC （CPU 224 XP）模塊的外形圖各I/O點的通/斷有LED指示。與外部的連接使用接線端子。第33頁/共61頁S7 300 PLCS7 400 PLC第34頁/共61頁S7-200系列PLCS7-200 的特點1、功能強2、先進的程序結構3、靈活方便的尋址方法4、功能強大、使用方便的編程軟件5、簡化復雜編程任務的向導功能6、強大的通信功能7、品種豐富的配套人機界面8、有競爭力的價格9、完善的網上技術支持第35頁/共61頁CPU模塊第36頁/共61頁第37頁/共61頁第38頁/共61頁數字量擴展模塊

21、第39頁/共61頁STEP 7-Micro/WIN 編程軟件提供SIMATIC 指令集與IEC 61131-3 指令集 SIMATIC 指令集-由西門子公司提供，有三種編程語言：梯形圖，功能塊圖和語句表語言。IEC 61131-3 指令集-標準的指令集，只有梯形圖和功能塊圖 s7-200的編程語言第40頁/共61頁S7-200 的程序結構主程序（OB1）-一個項目都必須并且只能有一個主程序，由操作系統調用。每個掃描周期都要執行一次主程序。子程序-由主程序和其它子程序調用，子程序結束時無需返回指令和結束指令。使用子程序可以簡化程序代碼和減少掃描時間。中斷程序-用來及時處理與用戶程序的執行時序無關

22、的操作，或者不能事先預測何時發生的中斷事件。在發生事件時由操作系統調用。第41頁/共61頁存儲器的數據類型與尋址方式數據在存儲器中存取的方式數據長度和表示方式稱為數據格式1、1位二進制（開關量）-數據類型為布爾型I 3.2區域標識符字節地址位地址由字節地址和位地址組成西門子PLC的位存儲單元第42頁/共61頁2、 多位二進制數2#10101 0 1 0第0位第1位第2位第3位102*02*12*02*1012302122232第43頁/共61頁3、 十六進制數十進十進制數制數十六十六進制數進制數二進制數二進制數BCDBCD碼碼十進十進制數制數十六十六進制數進制數二進制數二進制數BCDBCD碼碼

23、000 00000000 0000990 10010000 1001110 00010000 000110A0 10100001 0000220 00100000 001011B0 10110001 0001330 00110000 001112C0 11000001 0010440 01000000 010013D0 11010001 0011550 01010000 010114E0 11100001 0100660 01100000 011015F0 11110001 0101770 01110000 011116101 00000001 0110880 10000000 1000171

24、11 00010001 0111第44頁/共61頁 十六進制數： A E 7 5H 在PLC中表示：16#AE75 二進制數： 1010 1110 0111 0101A E 7 5446611*516*7256*144096*1016*516*716*16*0123 EA016116216316第45頁/共61頁4、字節、字與雙字76543210IB0IB1IB2IB3IB4IB5I3.2位數據的存放MSBLSB第46頁/共61頁1個字節=8位二進制1個字=2個字節=16位二進制1個雙字=2個字=4個字節=32位二進制31 IB 0IB 1IB 2 IB 3 015 IB 0 87 IB 1

25、07 IB 0 0高有效字節低有效字節最高有效字節最低有效字節IW 0IDW 0IB 0第47頁/共61頁5、負數的表示方法數據的位數無符號整數有符號整數十進制十六進制十進制十六進制B（字節）8位值02550FF-128127807FW（字）16位值0655350FFFF-327683276780007FFFD（雙字）32位值042949672950FFFFFFFF-21474836482147483647800000007FFFFFFFPLC一般用二進制補碼來表示有符號數，其最高位為符號位，最高位為0時為正數，為1時為負數。正數的補碼是它本身，將正數的補碼逐位取反后加1，得到絕對值與它相同的

26、負數的補碼。數據的位數與取值范圍第48頁/共61頁6、BCD碼BCD碼：用4位二進制表示一位十進制數用于撥盤開關的輸入、輸出數碼管顯示等十進十進制數制數十六十六進制數進制數二進制數二進制數BCD碼碼十進十進制數制數十六十六進制數進制數二進制數二進制數BCD碼碼000 00000000 0000990 10010000 1001110 00010000 000110A0 10100001 0000220 00100000 001011B0 10110001 0001330 00110000 001112C0 11000001 0010440 01000000 010013D0 11010001

27、0011550 01010000 010114E0 11100001 0100660 01100000 011015F0 11110001 0101770 01110000 011116101 00000001 0110880 10000000 100017111 00010001 0111第49頁/共61頁CPU 的存儲區1、輸入過程映像寄存器（I）在每個掃描周期開始，將現場信號采集送I，用戶程序中使用到的現場信號都從I中取。2、輸出過程映像寄存器（Q）在用戶程序指令執行過程中，每次對Q的操作結果都存放在Q中。在掃描周期的末尾，將Q中的數據送達輸出模塊。第50頁/共61頁3、變量存儲區（V）

28、變量存儲區用于存放程序執行過程中的中間結果。CPU 226可使用VB0-VB102394、位存儲區（M）位存儲區用于存放程序執行過程中的中間結果。S7 200可使用MB0-MB31第51頁/共61頁5、定時器存儲區（T）定時器的作用相當于繼電器系統中的時間繼電器。S7 200中可使用T0-T255在該區域中存放定時器當前的定時值和定時器的狀態第52頁/共61頁6、計數器存儲區（C）S7 200中可使用C0-C255在該區域中存放計數器當前的計數值和計數器的狀態7、高速計數器（HC）CPU 224 XP 中可使用2個200KHZ，4個30KHZ。用來累計比CPU掃描時間更快的事件，計數過程與掃描

29、周期無關。CPU 226 中可使用6個30KHZ。第53頁/共61頁8、累加器（AC）CPU 226 中可使用4個32位的累加器，AC0-AC3可以作為存儲單元，在做數值運算時存放中間結果。9、特殊存儲器（SM）用于CPU與用戶之間交換信息。第54頁/共61頁SMB0特殊存儲器功能說明第55頁/共61頁10、局部存儲器（L）S7 200 有64個字節的局部存儲器。可以作為存儲單元，或者給子程序傳遞參數。局部存儲變量只在創建該變量的子程序中有效。11、順序控制繼電器（S）順序控制繼電器（SCR）用于組織設備的順序操作。第56頁/共61頁12、模擬量輸入（AI）存放模擬量的采樣值。用戶程序只能讀該區域不能寫。因為模擬量輸入是一個字長，應從偶數字節地址開始存放。13、模擬量輸出入（AQ）存放模擬量的輸出值。用戶程序只能寫該區域不能讀。因為模擬量輸出是一個字長，應從偶數字節地址開始存放。第57頁/共61頁CPU存儲器的范圍與特性軟元件名稱軟元件名稱