項目2PLC概述

任務1PLC的系統組成、工作原理

任務引入

PLC，中文名稱為：可編程序控制器；英文名稱為：ProgrammableLogicController（早期），稱為PLC；后改為ProgrammableController，稱為PC。為了與個人計算機（PersonalComputer

簡稱PC）相區分，在行業中仍稱之為PLC。它是以微處理器為基礎，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種新型工業自動控制裝置。近年來PLC技術已廣泛應用于自動化控制的各個領域，是當代工業生產自動化的重要支柱。任務分析

要完成該任務，要學習以下知識：1．了解PLC產生的原因。2．熟悉PLC的硬件組成。3．了解PLC面板上各部分的功能。相關知識

20世紀60年代以前，自動控制裝置主要由繼電器控制系統構成。隨著自動控制技術的發展，繼電控制系統開始無法滿足工業控制的需求。繼電器控制系統體積大、耗電多、可靠性低、接線復雜且不易更改、查找和排除故障困難，對生產工藝變化的適應性差，不利于產品的更新換代。1968年，美國通用汽車公司為適應汽車型號不斷翻新（小批量、多品種、多規格、低成本和高質量），提出要用一種新型的控制裝置取代繼電器控制裝置。并提出了十項招標指標，即：1．PLC的產生

編程方便，現場可修改程序；維修方便，采用模塊化結構；可靠性高于繼電器控制裝置；體積小于繼電器控制裝置；數據可直接送入管理計算機；成本可與繼電器控制裝置競爭；輸入量是交流115V（美國電網電壓為110V）；輸出量為交流115V，2A以上，能直接驅動電磁閥，接觸器等；在擴展時，原系統只要很小變更；用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K。相關知識

美國數字設備公司（DEC）的子公司AB公司根據GM公司招標的技術要求，于1969年研制出世界上第一臺PLC，并在GM公司汽車自動裝配線上試用，獲得成功。這種新型的工業控制裝置以其簡單易懂，操作方便，可靠性高，通用靈活，體積小，使用壽命長等一系列優點，很快地在美國其他工業領域推廣應用。隨后，日本、德國等相繼引入這項新技術，PLC由此而迅速發展起來。相關知識

2．PLC的定義

國際電工委員會(IEC)于1987年通過了對PLC定義：“可編程控制器（PLC）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。”相關知識目前，PLC的種類很多，型號和規格也不統一，為了更好的學習PLC，我們可以從以下幾方面來對其進行分類。

（1）按I/O點數及內存容量分類。PLC對外部信號的采集、外部設備的控制以及PLC運算結果的輸出都要通過PLC輸入、輸出端子來進行接線。PLC的輸入、輸出端子的數目之和稱為輸入、輸出點數，簡稱I/O點數。根據PLC的I/O點數數量、存儲器容量和功能強弱，可將PLC分為以下幾種類型：

超小型PLC：I/O點數為64點以內，內存容量為256～1000字節。該類型PLC特點是尺寸小、重量輕、功耗低。

小型PLC：I/O點數一般在256點以下，內存容量為1～3.6K字節，其特點是體積小、成本低、結構緊湊，整個硬件融為一體，除了開關量I/O以外，還可以連接模擬量I/O以及其他各種特殊功能模塊。它能執行邏輯運算、計時、計數、算術運算、數據處理和傳送、通訊聯網以及各種應用指令，適用于小型設備的控制。相關知識3．PLC的分類

中型PLC：采用模塊化結構，其I/O點數一般在256~1024點之間，內存容量為3.6～13K字節。I/O的處理方式除了采用一般PLC通用的掃描處理方式外，還能采用直接處理方式，即在掃描用戶程序的過程中，直接讀輸入，刷新輸出。它能聯接各種特殊功能模塊，通訊聯網功能更強，指令系統更豐富，內存容量更大，掃描速度更快，適用于較復雜系統的邏輯控制和閉環控制過程。

大型PLC：一般I/O點數在1024點以上、內存容量為13K字節以上的稱為大型PLC。大型PLC的軟、硬件功能極強。具有極強的自診斷功能。通訊聯網功能強，有各種通訊聯網的模塊，可以構成三級通訊網，實現工廠生產管理自動化。相關知識3．PLC的分類

（2）按結構形式分類。按組成和結構形式，PLC可分為整體式結構和模塊式結構兩種類型。

整體式結構：又叫做單元式或箱體式，一般的小型及超小型PLC多為整體式結構，這種PLC是把CPU、存儲器、I/O模塊及電源、指示燈等基本功能電路都裝配在一個整體裝置內。整體式PLC還配備有許多專用的特殊功能模塊，使PLC的功能得到擴展。

模塊式結構：大、中型PLC如西門子的S7-400系列一般采用模塊式結構，它由機架和模塊組成，用搭積木的方式組成系統。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。用戶可以選用不同檔次的CPU模塊、品種繁多的I/O模塊和特殊功能模塊，對硬件配置的選擇余地較大，維修時更換模塊也很方便。相關知識3．PLC的分類

（3）按生產廠家分類。PLC的生產廠家比較多，在我國應用非常廣泛。常見的PLC產品有以下類型：日本立石（OMRON）公司的C系列PLC；日本三菱公司的F、F1、F2、FX2系列PLC；日本松下電氣公司的FP1系列PLC；美國通用電氣公司的GE系列PLC；德國西門子公司的S5、S7系列PLC。相關知識3．PLC的分類

在工業控制領域中，PLC的特點十分顯著，主要特點如下：（1）可靠性高，抗干擾能力強。（2）控制功能強。（3）采用模塊化結構，使系統組合靈活方便。（4）編程簡單易學。（5）安裝簡單，維修方便。

相關知識4．PLC的特點

PLC是一種工業控制用的專用計算機，它的實際組成與一般微型計算機系統基本相同，也是由硬件系統和軟件系統兩大部分組成，但PLC具有更強的與工業過程相連接的接口。PLC的硬件系統主要由CPU、存儲器、輸入模塊、輸出模塊和編程器組成，如圖2-1所示。相關知識5．PLC的硬件構成

相關知識5．PLC的硬件構成

圖2-1PLC基本組成相關知識5．PLC的硬件構成

（1）CPU模塊：又叫中央處理單元或控制器。CPU是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據。當PLC進入運行狀態，CPU根據用戶程序存放的順序讀取、解釋和執行程序，完成用戶程序中規定的各種操作，并將程序執行的結果送至輸出端口，以驅動可編程控制器的外部負載。（2）存儲器：PLC的內部存儲器有兩類，一類是系統程序存儲器，主要存放系統管理和監控程序及對用戶程序作編譯處理的程序，系統程序已由廠家固定，用戶不能更改；另一類是用戶程序及數據存儲器，主要存放用戶編寫的應用程序及各種暫存數據和中間結果。相關知識5．PLC的硬件構成

（3）I/O模塊：I/O模塊是系統的眼、耳、手、腳，是聯系外部現場和CPU模塊的橋梁，分為輸入模塊和輸出模塊。輸入模塊：用來接收和采集輸入信號，并轉換成PLC內部處理的標準信號。輸入信號有兩類：一類是從按鈕、開關、繼電器等設備來的開關量輸入信號；另一類是由電位器、熱電偶、變送器等設備提供的連續變化的模擬輸入信號。模擬量信號輸入后一般經運算放大器放大后進行A/D轉換、再經光電耦合后轉換為PLC能識別數字量信號。輸入電路通常以光電隔離和阻容耦合的方式提高抗干擾的能力，根據輸入信號類型的不同，輸入電路接口單元可分為以下兩種形式。相關知識5．PLC的硬件構成

直流輸入模塊：電路原理圖如圖2-2所示，R1為限流電阻。R2和C構成濾波電路，濾除輸入信號的高頻抖動。發光二極管用于指示工作狀態，光電偶合器隔離輸入電路和PLC內部電路的電氣連接，使外部信號變成內部電路能接收的標準信號。圖2-2直流輸入電路原理圖相關知識5．PLC的硬件構成

交流輸入模塊：電路原理圖如圖2-3所示，當開關閉合后，交流電源經C、R2、雙向光電耦合器、發光二極管構成通路。光電耦合器將外部輸入開關的狀態輸入至PLC內部電路，供CPU處理；為防止輸入信號過高，R1電阻用于限幅；發光二極管用于指示輸入狀態；R2和C串聯為高頻去耦電路。圖2-3交流輸入電路原理圖相關知識5．PLC的硬件構成

輸出模塊：用于將PLC內部的標準信號轉換成現場執行機構所需的開關量信號、模擬信號等形式輸出，驅動外部負載。如接觸器、電磁閥等執行器，或者是指示燈、報警裝置等負載。輸出模塊按照輸出信號類型可分為直流輸出模塊、交流輸出模塊和繼電器輸出模塊三種。相關知識5．PLC的硬件構成

直流輸出模塊：直流輸出模塊用晶體管或場效應管輸出方式驅動。晶體管輸出式電路原理圖如圖2-4所示，PLC通過內部電路把輸出信號送出，經光電耦合器使晶體管導通，相應的負載在外部直流電源的激勵下通電工作。圖中光電耦合器用于隔離PLC內部電路和外部負載，晶體管為輸出驅動器件，發光二極管用于指示工作狀態，穩壓管對輸出晶體管起過壓保護作用。圖2-4晶體管輸出電路原理圖相關知識5．PLC的硬件構成

交流輸出模塊：交流輸出模塊的輸出電路是采用光控雙向晶閘管驅動，電路原理圖見圖2-5所示。當PLC有信號輸出時，輸出電路使發光二極管導通，通過光電耦合器使雙向晶閘管導通，交流負載在外部交流電源的激勵下得電工作。發光二極管用于指示輸出狀態，雙向晶閘管用于光電耦合和功率放大，電阻和電容構成高頻濾波電路。圖2-5晶閘管輸出電路原理圖

晶體管輸出和晶閘管輸出均為無觸點開關系統，開關動作速度快、頻率高，但過載能力差。相關知識5．PLC的硬件構成

（4）電源：PLC一般使用220V交流電源。PLC內部的直流穩壓電源為各模塊內的元件提供5V、24V等直流電壓。PLC的電源在整個系統中起著十分重要得作用，如果沒有一個良好的、可靠得電源，系統是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+15%范圍內，可以不采取其它措施而將PLC直接連接到交流電網上去。（5）接口電路：PLC的接口電路分為I/O擴展接口和外部設備接口兩種類型。I/O擴展接口用于擴充外部輸入/輸出端子數量，將擴展單元與基本單元（即主機）連接在一起。外部設備接口將編程器、打印機、條碼掃描儀,變頻器等外部設備與主機相聯，以完成相應的操作。相關知識6．PLC的軟件系統

PLC的軟件系統由系統程序和用戶程序兩大部分組成。

（1）系統程序。系統程序由PLC的制造企業編制，固化在PROM或EPROM中，安裝在PLC上，隨產品提供給用戶。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，用戶不能直接存取。它和硬件一起決定了該PLC的性能。

（2）用戶程序。用戶程序是根據生產過程控制的要求由用戶自行編制的應用程序。用戶程序包括開關量邏輯控制程序、模擬量運算程序、閉環控制程序和操作站系統應用程序等。

PLC與一般的計算機相類似，一般的用戶只能通過編程軟件來編制用戶程序。編程軟件是由PLC生產廠家提供的編程工具，至今為止還沒有一種能適合各種PLC的通用的編程語言，但是各個PLC編程工具都大體差不多，一般有如下五種形式。

（1）梯形圖(LAD)。梯形圖是一種以圖形符號及其相互關系表示控制關系的編程語言，它是從繼電器控制電路圖演變過來的，如圖2-7所示。梯形圖將繼電器控制電路圖進行簡化，同時加進了許多功能強大、使用靈活的指令，將微機的特點結合進去，使編程更加容易，而實現的功能大大超過傳統繼電器控制，是目前最普遍的編程語言。

相關知識7．編程語言和程序結構梯形圖兩側的垂直公共線稱為公共母線（BUSbar）。在分析梯形圖的邏輯關系時，可以想象左右兩側母線之間有一個左正右負的直流電源電壓，當圖中的觸點接通時，有一個假想的“概念電流”或“能流”從左到右流動，這一方向與執行用戶程序時的邏輯運算的順序是一致的。相關知識7．編程語言和程序結構圖2-7梯形圖程序示例

（2）語句表(STL)。梯形圖編程語言優點是直觀、簡便，但要求圖形編程器才能輸入圖形符號。小型的編程器一般無法滿足，而是采用經濟便攜的編程器（指令編程器）將程序輸入到PLC中，這種編程方法使用指令語句（助記符語言），它類似于微機中的匯編語言。操作碼表示要執行的功能，操作數（參數）表明操作的地址或一個預先設定的值。語句表程序實例如下：LDI0.1OM0.3ANI0.2=Q1.1相關知識7．編程語言和程序結構

（3）功能塊圖（FBD）。功能圖編程語言是用邏輯功能符號組成的功能塊來表達命令的圖形語言，如圖2-8所示。與數字電路中邏輯圖一樣，它極易表現條件與結果之間的邏輯功能。這種編程方法是根據信息流將各種功能塊加以組合，是一種逐步發展起來的新式的編程語言，正在受到各種PLC廠家的重視。相關知識7．編程語言和程序結構圖2-8功能塊圖程序示例

（4）順序功能圖。順序功能圖常用來編制順序控制類程序。它包含步、動作、轉換三個要素。順序功能編程法可將一個復雜的控制過程分解為一些小的順序控制再連接組合成整體的控制程序。順序功能圖法體現了一種編程思想，在程序的編制中具有很重要的意義。

（5）結構文本（StructureText）。為了增強可編程控制器的數字運算、數據處理、圖表顯示、報表打印等功能，方便用戶的使用，許多大中型PLC都配備了高級編程語言。這種編程方式叫做結構文本。與梯形圖相比，結構文本有兩個很大優點，其一，是能實現復雜的數學運算，其二，是非常簡潔和緊湊。用結構文本編制極其復雜的數學運算程序只占一頁紙，用來編制邏輯運算程序也很容易。

相關知識7．編程語言和程序結構

PLC的工作原理與計算機的工作原理基本上是一致的，可以簡單地表述為在系統程序的管理下，通過運行應用程序完成用戶任務。PLC有兩種基本的工作狀態，即運行（RUN）狀態與停止（STOP）狀態。在運行狀態，PLC執行用戶程序來實現控制功能。為了使PLC的輸出及時地響應隨時可能變化的輸入信號，用戶程序不是只執行一次，而是反復不斷地循環執行，直至PLC停機或切換到STOP工作狀態。相關知識8．PLC的工作原理

每次循環過程中，PLC還要完成內部處理、通信處理等工作，一次循環可分為5個階段（如圖2-9所示）。

內部處理階段。PLC檢查CPU，模塊內部的硬件是否正常，將監控定時器復位，以及完成一些別的內部工作。

通信服務階段。PLC與別的智能裝置通信，響應編程器鍵入的命令，更新編程器的顯示內容。

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