第 2 章 可编程序控制器基础知识

1. 第2章 可编程序控制器基础知识

2. 第2 章 可编程序控制器基础知识 • 学习说明： 本章是学习PLC的入门知识，因此对初学者来说显得特别重要。重点掌握：什么是PLC？PLC与其它控制装置的区别？PLC的工作机制？ • 本章内容： 2.1 概述 2.2 PLC系统与继电器系统比较 2.3 PLC组成 2.4 PLC工作原理 2.5 PLC特点与分类 2.6 PLC的发展趋势

3. 2.1 概述2.1.1 什么是PLC？ 可编程序控制器（Programmble Controller）简称PC或PLC ■ 是一种工业控制装置 PLC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

4. 2.1 概述2.1.1 什么是PLC？ ■ 定义 国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下： “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”。

5. 2.1 概述2.1.1 什么是PLC？ ◆ 区别于一般微机控制系统 ◆ 区别于传统控制装置 近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了定义的范围。

6. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ■ 世界上第一台PLC 1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GM）的要求研制成功 ◆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电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

7. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ◆设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点 ☆ 继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜； ☆ 计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难； ☆ 采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用。（梯形图）

8. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ◆70年代初期：仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller） ◆70年代中期：微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能 ◆80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。

9. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ◆近年来PLC发展迅速 PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。 PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。

10. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 • 就全世界自动化市场的过去、现在和可以预见的未来而言，PLC仍然处于一种核心地位。在最近出现在美国、欧洲和国内有关探讨PLC发展的论文中，这个结论是众口一词的，尽管对PLC的未来发展有着许多不同的意见。 • 在全球经济不景气的时候，PLC的市场销售仍然坚挺；PC控制有了引人注目的进展，但毕竟只能对高端的PLC产品形成竞争；小型、超小型PLC的发展势头令人刮目相看；PLC和PC控制在今后可能相互融合。

11. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 • PLC三大流派 自从第一台PLC出现以后，日本、德国、法国等也相继开始研制PLC，并得到了迅速的发展。各国PLC都有自己的特色。 ●欧洲：西门子（Siemens）； 法国的TE（Telemecanique） ●美国：A-B（Allen-Bradly）、GE（General Electric） ●日本：三菱电机（Mitsubishi Electric）、 欧姆龙（OMRON）、 FUJI （日本主要发展中小型PLC，其小型机性能先进，结构紧凑，价格便宜） 目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品

12. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ■我国PLC发展情况 • 在70年代末和80年代初，我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外的PLC。 • 我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC，如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。 • 在传统设备改造和新设备设计中，PLC的应用逐年增多，取得良好效果。PLC在我国的应用越来越广泛。

13. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ■我国PLC发展情况 目前，国内PLC生产厂家有30余家，并有迹象显示，更多的来自于原PLC应用的技术人员准备加入到小型PLC开发的行列。但在目前上市的众多PLC产品中，还没有形成规模化的生产和名牌产品。 从技术角度来看，国内外的小型PLC差距正在缩小。如无锡信捷、兰州全志等公司生产的微型PLC已经比较成熟，有些国产PLC（如和利时、科迪纳）已经拥有符合IEC标准的编程软件、支持了现场总线技术等。 面对国际厂商数十年的规模化生产和市场管理经验，国内厂商更多地只停留在小批量生产和维系生存的起步阶段，离真正批量生产、市场化经营乃至创建品牌还有很长的路要走。与此同时，国产PLC的低价优势也正在受到新的挑战。

14. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 • 中国PLC市场（2005年度）

15. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 PLC品牌分布情况的原因： • 产品覆盖范围。排在最前的三个品牌有最丰富的产品系列，而且没有偏重，用户很容易得到恰当的产品；其他品牌如Fuji，LG则以小型和微型产品为主，GE和Schneider以中大型产品为主。虽然A－B拥有出色的技术和全面的产品系列，但是高价格使用户却步。 • 中国市场上的历史。Siemens，Mitsubishi和Omron都是在中国市场上传统的供应商，在很多领域占了先机，相对应的是GE，Schneider（其实Modicon进入中国也比较早，但没有完整的销售和服务体系）和LG这些后来者虽然市场快速增长，但距先行者仍有一定的差距。 • 行业分布。某些品牌会侧重于一些行业，如Schneider更加注重电力行业，Rockwell在冶金行业表现出众。

16. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 2005年度PLC市场研究报告表明： ①作为目前国内控制市场上的主流控制器，PLC市场的国内参与者却需要尴尬地面对这样一个局面，即在高达31亿的PLC市场总需求中，国产PLC不到整个市场份额1％。 ②在按照I/O数量划分的市场总量中，小型PLC（256点以下）的市场巨大，占据市场总额的64％，而国产PLC的市场贡献恰恰就在小型PLC的市场中。

17. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 ■预测：中国PLC市场在2008年有望翻番 　　 在最近的经济发展中，中国以其制造业发展的迅猛及范围的广泛为人瞩目，使PLC在某些自动化领域增长超过了20%。中国的PLC市场在未来的5年内，将以14.1%的综合年增长率增长。

18. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 • 流行新词汇：可编程自动化控制器 （Programmable Automation Controller，PAC） PAC源自于ARC咨询集团市场调查公司，认为： “PLC相当活跃，而且发展良好，具很强的生命力。然而，PLC这个工业的有效工具正在许多方面不断改变，不断增加其魅力。自动化供应商正不断致力于PLC的开发，以迎合市场和特殊用户的需求。功能的增强促使了新系列的系统浮出水面。PAC基于开放的工业标准、具多领域功能、通用的开放平台以及高性能” 。

19. 2.1 概述2.1.2 PLC的产生与发展 • GE Fanuc却没有丝毫犹豫，立刻接受了PAC的概念，而且在汉诺威展上公开宣布，其新的旗舰控制产品的名称为PACSystems。GE Fanuc使用了这个名称，表达了其产品综合了传统PLC和PC硬件的优点，具有通用编程环境。 • 2003年11月Rockwell宣布，其为PAC技术的领导厂商，其产品Control Logix和Compact Logix PLC事实上就是PAC。他认为，随着不断的发展， PAC将采用大量的方法以处理数据，并具有升级性，而在多项目控制、集成商务系统分析和生命周期成本管理等方面也能大踏步地前进。 • 是否制造商会将产品名称从PLC改到PAC，还有待观察。

20. 2.1 概述2.1.3 PLC的应用领域 目前，PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业，随着PLC性能价格比的不断提高，其应用领域不断扩大。 从PLC应用类型看，大致可归纳为以下几个方面： • 开关量逻辑控制 • 运动控制 • 过程控制（PID闭环控制 ） • 数据处理 • 通信联网（构成DCS、FCS系统）

21. 2.1 概述2.1.3 PLC的应用领域 PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活相关的机器、与环境相关的机器，而且有急速的上升趋势。 值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展

22. 2.2 P LC控制系统与电器控制系统的比较2.2.1 电器控制系统组成

23. 2.2 P LC控制系统与电器控制系统的比较2.2.2 PLC控制系统组成

24. 2.2 P LC控制系统与电器控制系统的比较2.2.3 PLC等效电路 • 例：三相异步电动机单向运行电器控制系统 输入设备 输出设备

25. 2.2 P LC控制系统与电器控制系统的比较2.2.3 PLC等效电路 • 三相异步电动机单向运行PLC控制系统

26. 2.2 P LC控制系统与电器控制系统的比较2.2.4 PLC控制系统与电器控制系统的区别 ①控制方法上： 硬 ： 软 ②工作方式上：并行工作方式 ： 串行工作方式 ③控制速度上：速度 慢 ： 快 ④定时和计数控制上： 精度 低 ： 高 ⑤可靠性和可维护性上： 可靠性 低 ： 高

27. FX-PLC

28. Q

29. S7-200 S7-300 S7-400

30. LOGO

31. OMROM

32. SLC500

33. 2.3 P LC组成2.3.1 PLC组成概述 ◆ PLC的基本组成与一般的微机系统类似： 是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机 ◆ PLC的基本组成包括硬件与软件两部分 PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、 输出接口、通信接口、电源等 PLC的软件：系统程序和用户程序

34. 2.3 P LC组成2.3.1 PLC组成概述 电 源 输入单元 输出单元 CPU 扩展接口 通信接口 存储器 编程器 写入器

35. 2.3 P LC组成2.3.2 PLC中的CPU及作用 ◆ PLC中常采用的CPU有三类： 1) 通用微处理器（如Z80、8086、80286等） 2) 单片微处理器（如8031、8096等） 3) 位片式微处理器(如AMD29W等) ◆ 小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器， 中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器 大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位） 小型PLC为单CPU系统，中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统。对于双CPU系统，一般一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。

36. 2.3 P LC组成2.3.2 PLC中的CPU及作用 ◆CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面： 1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据 2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等 3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据 4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，并将运算结果存入 存储器中 5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接 口实现控制、制表打印或数据通讯等功能

37. 2.3 P LC组成2.3.3 PLC中的存储器及作用 ◆存储器的作用： 在PLC中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据 ◆ 存储器的类型： ① 可读/写操作的随机存储器RAM ② 只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM

38. 2.3 P LC组成2.3.3 PLC中的存储器及作用 ◆系统程序: 系统程序是完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。 系统程序由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。 系统程序 由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。

39. 2.3 P LC组成2.3.3 PLC中的存储器及作用 ◆ 用户程序: ●用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是由PLC控制对象的要求而定的， ● 为了便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为了防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。 ●现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。

40. 2.3 P LC组成2.3.3 PLC中的存储器及作用 • PLC的编程语言（IEC61131-3中的5种PLC基本语言）●顺序功能图（SFC）：不仅仅是一种语言，更是一种组 织控制程序的图形化方式。 ●梯 形 图（ L D ）：以图形方式表达触点和线圈以及 特殊指令块的梯级。●指 令 表（ I L ）：类似汇编程序的基于文本的语言 与其相对应的是LD。●结 构 文 本（ S T ）：类似Pascal的基于文本的语言 ●功 能 块 图（FBD）：一种对应于线路图的图形语言。 FBD广泛地用于过程工业。

41. 2.3 P LC组成2.3.3 PLC中的存储器及作用 ◆ 工作数据: ●工作数据是PLC运行过程中经常变化、经常存取的一些数据。它们存放在RAM中，以适应随机存取的要求。 ●在PLC的工作数据存储器中，设有存放输入/输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等逻辑器件的存储区，这些器件的状态都是由用户程序的初始设置和运行情况而确定的。根据需要，部分数据在掉电时用后备电池维持其现有的状态，这部分在掉电时可保存数据的存储区域称为保持数据区。

42. 2.3 P LC组成2.3.3 PLC中的存储器及作用 ◆系统程序和工作数据与用户无直接联系 ◆ 在PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户程序存储器。 ◆ 当PLC提供的用户存储器容量不够用，许多PLC还提供有存储器扩展功能。

43. 2.3 P LC组成2.3.4 PLC中的输入/输出接口及作用 ◆输入/输出接口通常也称I / O 单元或I / O 模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。 ●PLC输入接口-----可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据 ●PLC输出接口-----将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的

44. 2.3 P LC组成2.3.4 PLC中的输入/输出接口及作用 ◆I / O 接口的作用： ●电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。 ●光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力 ●通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护 ◆ I / O 接口的类型： ●开关量输入/输出接口 ●模拟量输入/输出接口

45. 2.3 P LC组成2.3.4 PLC中的输入/输出接口及作用 ◆ 开关量输入/输出接口 ●常用开关量输入接口： ①直流输入接口、②交流输入接口、 ③交/直流输入接口 ●常用开关量输出接口： ①继电器输出接口： 响应速度慢、动作频率低，可驱动交流或直流负载 ②晶体管输出接口： 响应速度快、动作频率高，只能用于驱动直流负载 ③晶闸管输出接口： 响应速度快、动作频率高， 只能用于驱动交流负载

46. 2.3 P LC组成2.3.4 PLC中的输入/输出接口及作用 ◆ 模拟量输入/输出接口 ●模拟量输入接口（A/D接口） 分辨率（8位、10位、12位等）、量化误差、偏移误差、满刻度误差、线性度、精度等 许多PLC还有与热电阻或热电偶配套使用的A/D接口 ●模拟量输出接口（D/A接口） 分辨率（8位、10位、12位等）、精度、线性度、稳定时间等

47. 2.3 P LC组成2.3.4 PLC中的输入/输出接口及作用 ◆ 输入/输出（I/O）点数： ● PLC的I / O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。 ● I/O点数是选择PLC的重要依据之一 ●当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展

48. 2.3 P LC组成2.3.5 PLC中的通信接口及作用 ◆PLC配有各种通信接口与外部设备连接 ● 与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印 ● 与监视器连接，可将控制过程图像显示出来 ● 与 P L C 连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制 ● 与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合 ● 与人机界面（触摸屏）连接 ● 与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口 ，PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。 ● 与编程器连接

49. 2.3 P LC组成2.3.6 PLC中的扩展接口及作用 ◆扩展接口（是用于连接护展单元的接口）。 当PLC基本单元I/O点数不能满足要求时，可通过扩展接口连接扩展单元以增加系统的I/O点数

50. 2.3 P LC组成2.3.6 PLC中的扩展接口及作用 • 通信与扩展接口的连接实例