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PLC基 础 知 识 PLC基 础 知 识基 本 内 容 ： PLC简 介 、 基 本 功 能 、 特 点 、 应 用 范 围 、 工 作 方 式 。难 点 ： 工 作 方 式 、 扫 描 时 间 。 重 点 ： 定 义 、 基 本 功 能 、 工 作 方 式 。 第 一 节 PLC基 础 知 识一 、 PLC的 产 生 与 历 史二 、 可 编 程 控 制 器 的 定 义三 、 PLC的 现 状 及 发 展 趋 势四 、 PLC的 特 点五 、 PLC的 基 本 功 能六 、 PLC与 其 他 工 业 控 制 系 统 的 比 较 n 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 （ GE） 的 要 求 研 制 成 功 。 n 背 景 ： 1968年 美 国 通 用 汽 车 公 司 （ GE） ， 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 。 n 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 ） 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 。 n 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 。 n 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 （ Programmable Logic Controller） 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 ” 。二 、 可 编 程 控 制 器 的 定 义 三 、 PLC的 现 状 及 发 展 趋 势 1969年 美 国 数 据 设 备 公 司 （ DEC） 研 制 了 第 一 台 PLC，从 此 PLC发 展 迅 猛 。 我 国 改 革 开 放 后 ， 美 国 AB、 GE、 MODICON、 TI， 日 本OMRON、 三 菱 、 富 士 ， 德 国 西 门 子 等 厂 家 的 产 品 不 断 进 入我 国 ， 并 在 各 行 各 业 的 工 控 系 统 中 占 据 重 要 地 位 。 n PLC三 大 流 派 欧 洲 ： 德 国 的 西 门 子 (SIEMENS)、 AEG及 法 国 的 TI公 司 美 国 ： A-B（ Allen-Bradly） (其 产 品 约 占 美 国 PLC市 场 50 的 份 额 。 )、 GE（ General Electric） 、 莫 迪 康 (MODICON)公 司 、 德 州 仪 器(T1)公 司 、 歌 德 (Gould)公 司 、 西 屋 公 司 日 本 ： 三 菱 电 机 （ Mitsubishi Electric） 、 欧 姆 龙 （ OMRON） 、 FUJI （ 日 本 主 要 发 展 中 小 型 PLC， 在 世 界 小 型 PLC市 场 上 ， 日本 产 品 约 占 有 70 的 份 额 。 在 中 国 ， OMRON产 品 的 销 量 居 首 位 。 ） 目 前 国 内 市 场 还 有 韩 国 、 台 湾 等 PLC产 品 ； 现 在 市 场 上 出 现 了 系 列化 的 国 产 PLC， 其 价 格 相 对 低 廉 ， 性 价 比 较 高 。 西 门 子 PLC外 形 图S7-200系 列 PLC S7-300系 列 PLCS7-400系 列 PLC Q系 列 PLC FX2N系 列 PLCFX 1N系 列 PLC FX1S系 列 PLC 欧 姆 龙 PLC外 形 图C200H系 列 PLC CPM1A、 CPM2A系 列 PLC PLC的 国 内 外 状 况 1974年 我 国 开 始 仿 制 美 国 的 第 二 代 PLC产 品 ， 但 因 元 器 件质 量 和 技 术 问 题 等 原 因 未 能 推 广 。 直 到 1977年 ， 我 国 才 研 制出 第 一 台 具 有 实 用 价 值 的 PLC， 并 开 始 批 量 生 产 和 应 用 于 工 业过 程 的 控 制 。 主 要 厂 家 有 ： 北 京 和 利 时 ， 科 迪 纳 ， 张 前 苏 。 洛 阳 易 达 ，无 锡 信 捷 ， 南 京 嘉 华 ， 兰 州 全 志 ， 广 州 科 赛 恩 ， 中 山 智 达 ，恒 日 等 。 （ 1） 向 高 速 度 、 大 存 储 容 量 方 向 发 展 （ CPU处 理 速 度 nS级 ； 内 存 2M字 节 ） （ 2） 向 多 品 种 方 向 发 展 和 提 高 可 靠 性 （ 超 大 型 和 超 小 型 ） （ 3） 产 品 更 加 规 范 化 、 标 准 化 （ 硬 件 、 软 件 兼 容 的 PLC） （ 4） 分 散 型 、 智 能 型 、 与 现 场 总 线 兼 容 的 I 0 （ 5） 加 强 联 网 和 通 信 的 能 力 （ 6） 控 制 的 开 放 和 模 块 化 的 体 系 结 构 OMAC（ open Modular Architecture for Control）PLC的 发 展 趋 势 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 。 近 年 来 PLC的 市 场 销 售 一 直 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 。 通 用 性 强 ， 使 用 方 便 功 能 强 ， 适 应 面 广 可 靠 性 高 ， 抗 干 扰 能 力 强 控 制 程 序 可 变 具 有 很 好 的 柔 性 编 程 方 法 简 单 ， 容 易 掌 握 PLC控 制 系 统 的 设 计 、 安 装 、 调 试 和 维 修 工 作 少 .极 为 方便 。 控 制 程 序 变 化 方 便 .具 有 很 好 的 柔 性 。 体 积 小 、 重 量 轻 、 功 耗 低 四 、 PLC的 特 点 五 、 PLC的 基 本 功 能1 逻 辑 控 制 功 能2 定 时 控 制 功 能3 计 数 控 制 功 能4 步 进 控 制 功 能5 数 据 处 理 功 能6 回 路 控 制 功 能7 通 讯 联 网 功 能8 监 控 功 能9 停 电 记 忆 功 能10 故 障 诊 断 功 能 PLC应 用 于 步 进 电机 控 制 1 逻 辑 控 制 功 能 逻 辑 控 制 功 能 是 PLC最 基 本 功 能 之 一 ,是PLC最 基 本 的 应 用 领 域 ， 可 取 代 传 统 的 继 电器 控 制 系 统 ， 实 现 逻 辑 控 制 和 顺 序 控 制 。 在 单 机 控 制 、 多 机 群 控 和 自 动 生 产 线 控制 方 面 都 有 很 多 成 功 的 应 用 实 例 。 例 如 ： 机 床 电 气 控 制 、 起 重 机 、 皮 带 运输 机 和 包 装 机 械 的 控 制 、 注 塑 机 控 制 、 电 梯控 制 、 饮 料 灌 装 生 产 线 、 家 用 电 器 (电 视 机 、冰 箱 、 洗 衣 机 等 )自 动 装 配 线 控 制 、 汽 车 、化 工 、 造 纸 、 轧 钢 自 动 生 产 线 控 制 等 。 2 定 时 控 制 功 能 定 时 控 制 功 能 是 PLC的 最 基 本 功 能 之 一 。 PLC中 有 许 多 可 供 用 户 使 用 的 定 时 器 ， 功 能 类 似 于 继 电 器线 路 中 的 时 间 继 电 器 。 定 时 器 的 设 定 值 (定 时 时 间 )可 以 在 编 程 时 设 定 ， 也 可 以在 运 动 过 程 中 根 据 需 要 进 行 修 改 ， 使 用 方 便 灵 活 。 同 时 PLC还 提 供 了 高 精 度 的 时 钟 脉 冲 ， 用 于 准 确 实 时 控 制 。 3 计 数 控 制 功 能 计 数 控 制 功 能 是 PLC的 最 基 本 功 能 之 一 。 PLC为 用 户 提 供 许 多 计 数 器 ， 计 数 器 计 数 到 某 一 数 值 时 ， 产 生 一个 状 态 信 号 (计 数 值 到 )， 利 用 该 状 态 信 号 实 现 对 某 个 操 作 的 计 数 控制 。 计 数 器 的 设 定 值 可 以 在 编 程 时 设 定 ， 也 可 以 在 运 行 过 程 中 根 据需 要 进 行 修 改 。 传 感 器 旋 转 编 码 器 变 频 器 等计 数 输 入输 入 复 位00000 00001 00002 5 数 据 处 理 功 能 PLC大 部 分 都 具 有 数 据 处 理 功 能 ， 可 以 实 现 算 术 运 算 、 数 据 比 较 、 数 据传 送 、 数 据 移 位 、 数 制 转 换 译 码 编 码 等 操 作 。 中 、 大 型 PLC数 据 处 理 功 能 更加 齐 全 ， 可 完 成 开 方 、 PID运 算 、 浮 点 运 算 等 操 作 ， 还 可 以 和 CRT、 打 印 机相 联 ， 实 现 程 序 、 数 据 的 显 示 和 打 印 。 8 监 控 功 能 PLC设 置 了 较 强 的 监 控 功 能 。 利 用 编 程 器 或 监 视 器 ， 操 作 人 员 可 以 对 PLC有 关 部 分 的运 行 状 态 进 行 监 视 。 利 用 编 程 器 ， 可 以 调 整 定 时 器 、 计 数 器 的 设 定 值 和 当 前值 ， 并 可 以 根 据 需 要 改 变 PLC内 部 逻 辑 信 号 的 状 态 及 数 据 区的 数 据 内 容 ， 为 调 整 和 维 护 提 供 了 极 大 的 方 便 。 9 停 电 记 忆 功 能 PLC内 部 的 部 分 存 储 器 所 使 用 的 RAM设 置 了 停 电 保 持 器件 （ 备 用 电 池 等 ） ， 以 保 证 断 电 后 这 部 分 存 储 器 中 的 信 息能 够 长 期 保 存 。 利 用 某 些 记 忆 指 令 ， 可 以 对 工 作 状 态 进 行 记 忆 ， 以 保持 PLC断 电 后 的 数 据 内 容 不 变 。 PLC电 源 恢 复 后 ， 可 以 在 原 工 作 基 础 上 继 续 工 作 。 10 故 障 诊 断 功 能 PLC可 以 对 系 统 构 成 、 某 些 硬 件 状 态 、 指 令 的 合 法 性 等进 行 自 诊 断 ， 发 现 异 常 情 况 ， 发 出 报 警 并 显 示 错 误 类 型 ，如 属 严 重 错 误 则 自 动 中 止 运 行 。 PLC的 故 障 自 诊 断 功 能 ， 大 大 提 高 了 PLC控 制 系 统 的 安 全和 可 维 护 性 。 六 、 PLC与 其 他 工 业 控 制 系 统 的 比 较 PLC与 继 电 器 控 制 系 统 比 较 继 电 器 控 制 采 用 硬 接 线 方 式 装 配 而成 ， 只 能 完 成 既 定 的 功 能 。 PLC控 制 只 要 改 变 程 序 并 改 动 少 量的 接 线 端 子 ， 就 可 适 应 生 产 工 艺 的改 变 。 从 适 应 性 、 可 靠 性 及 设 计 、 安 装 、维 护 等 各 方 面 进 行 比 较 。 传 统 的 继电 器 控 制 大 多 数 将 被 PLC所 取 代 。 与 工 业 计 算 机 比 较 工 业 控 制 机 控 制 要 求 开 发 人 员 具 有较 高 的 计 算 机 专 业 知 识 和 微 机 软 件编 程 的 能 力 。 PLC采 用 了 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 ， 便 于 推 广 应 用 。 PLC是 专 为 工 业 现 场 应 用 而 设 计 的 ，具 有 更 高 的 可 靠 性 。 在 模 型 复 杂 、 计 算 量 大 且 较 难 、 实 时 性 要 求 较 高 的 环 境 中 ， 工 业 控 制机 则 更 能 发 挥 其 专 长 。 第 二 节 PLC基 本 原 理 2.1 PLC内 部 硬 件 框 图 及 各 部 分 作 用 2.2 PLC工 作 过 程 特 点 及 主 要 性 能 指 标 2.4 PLC分 类 2.1 PLC内 部 硬 件 框 图 及 各 部 分 作 用2.1.1 PLC的 组 成 PLC由 四 部 分 组 成 ： 中 央 处 理 单 元 （ CPU板 ） 、 输 入 输 出 （ I/O）部 件 和 电 源 部 件 。 PLC的 基 本 组 成 与 一 般 的 微 机 系 统 类 似 ： 是 一 种特 殊 计 算 机 PLC的 基 本 组 成 包 括 两 部 分中 央 处 理 器 （ CPU） 、 存 储 器 、 输 入 接 口 、输 出 接 口 、 通 信 接 口 、 电 源 等系 统 程 序 和 用 户 程 序 2.1.2 PLC内 部 主 要 部 件 功 能1. PLC中 的 CPU作 用 及 分 类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 ， 将 运 算 结 果 存 入 存 储 器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 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 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 。 u存 储 器 的 作 用 ： PLC中 ， 存 储 器 主 要 用 于 系 统 程 序 、 用 户 程 序 、 数 据u存 储 器 的 类 型 ： 可 读 /写 操 作 的 随 机 存 储 器 RAM 只 读 存 储 器 ROM、 PROM、 EPROM、 E2PROM2.系 统 程 序 存 贮 器 4. 输 入 /输 出 接 口 （ I/O模 块 ） 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 -用 户 设 备 需 输 入 PLC的 各 种 控 制 信 号 ， 如 限 位开 关 、 操 作 按 钮 、 选 择 开 关 、 行 程 开 关 以 及 其 它 一 些 传 感 器 输 出的 开 关 量 或 模 拟 量 (要 通 过 模 数 变 换 进 入 机 内 )等 ， 通 过 输 入 接 口电 路 将 这 些 信 号 转 换 成 中 央 处 理 单 元 能 够 接 收 和 处 理 的 信 号 ， 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 -路 将 中 央 处 理 单 元 送 出 的 弱 电 控 制 信 号 转 换 成现 场 需 要 的 强 电 信 号 输 出 ， 以 驱 动 电 磁 阀 、 接 触 器 、 电 机 等 被 控 设 备 的 执 行 元 件 。 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 输 入 /输 出 （ I/O） 点 数 ： 5.PLC编 程 器 及 作 用 编 程 器 的 作 用 ： 是 编 辑 、 调 试 、 输 入 用 户 程 序 ， 也 可 在线 监 控 PLC内 部 状 态 和 参 数 ， 与 PLC进 行 人 机 对 话 。 它 是 开 发 、 应 用 、 维 护 PLC不 可 缺 少 的 设 备 。 6. PLC中 的 电 源 及 作 用 PLC配 有 开 关 式 稳 压 电 源 ， 以 提 供 内 部 电 路 使 用 。 与 普 通 电 源 相 比 ， PLC电 源 的 稳 定 性 好 、 抗 干 扰 能 力 强 。因 此 ， 对 于 电 网 提 供 的 电 源 稳 定 度 要 求 不 高 ， 一 般 允 许 电源 电 压 在 其 额 定 值 15%的 范 围 内 波 动 。 许 多 PLC还 向 外 提 供 直 流 24V稳 压 电 源 ， 用 于 对 外 部 传 感 器 供 电 。 电 源 的 容 量 。 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 PLC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 PLC主 机 1号 扩展 机 主 机 PLCA） 近 程 扩 展 方 式 2号 扩展 机 1号 近 程 扩 展 机远 程 从 站扩 展 机远 程 从 站 PLCPLC PLCPLCPLCB） 远 程 扩 展 方 式 C） 连 网 方 式PLC的 扩 展 构 成 A） 近 程 扩 展 方 式 B） 远 程 扩 展 方 式 C） 连 网 方 式 编 程 器 编 程 器 是 PLC最 常 用 的 外 设 ， 也 是PLC中 唯 一 不 需 要 通 过 功 能 模 块 而 直接 与 总 线 相 联 接 的 外 设 。 它 通 过 主 机 上 的 编 程 器 接 口 直 接与 主 机 相 连 。 编 程 器 上 有 一 个 方 式 选 择 开 关 ，用 于 控 制 PLC主 机 的 工 作 方 式 。 掌 上 电 脑 编 程 器 可 编 程 终 端 高 档 可 编 程 终 端 8、 其 它 功 能 模 块 功 能 模 块 模 拟 量 输 入 模 块 （ 即 A/D模 块 ） 模 拟 量 数 字 量 模 拟 量 输 出 模 块 （ 即 D/A模 块 ） 数 字 量 模 拟 量 动 态 输 入 /输 出 模 块 自 带 动 态 扫 描 功 能 温 度 传 感 器 模 块 温 度 模 拟 量 数 字 量 高 速 计 数 模 块 高 频 脉 冲 信 号 PID模 块 远 程 I/O模 块 扩 展 I/O点 的 距 离 通 讯 模 块 与 其 它 PLC、 微 机 、 互 连 网 通 讯 u系 统 程 序 : 系 统 程 序 ， 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 。2.1.4 PLC的 软 件 系 统1 系 统 程 序 ； 2 用 户 程 序 ； 3 编 程 语 言 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 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 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 。 PLC的 编 程 语 言 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 。 程 序 的 表 达 方 式 基 本 有 四 种 ： 梯 形 图 、 指 令 表 、 逻 辑 功 能 图和 高 级 语 言 。 梯 形 图 是 当 前 使 用 最 广 泛 的 一 种 编 程 方 法 。 除 了 的 梯 形 图 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 的 并 存 、 互 补 与 发 展 是 PLC进 步 的 一 种 趋 势 。 1. 梯 形 图 编 程 语 言 两 种 梯 形 图 的 继 电 器 符 号 图 对 照 梯 形 图 （ Ladder diagram） 编 程 语 言 是 一 种 图 形 语 言 ,类 似 于继 电 器 控 制 线 路 图 的 一 种 编 程 语 言 ， 它 面 向 控 制 过 程 ， 直 观 易 懂 ，是 PLC编 程 语 言 中 应 用 最 多 的 一 种 语 言 。 物 理 继 电 器 PLC继 电 器常 开常 闭 触 点线 圈 (1)名 词 解 释 软 继 电 器 PC的 继 电 器 不 是 物 理 的 电 器 ， 它 是 PC内 部 的 寄 存 器 位 ， 因为 它 具 有 与 物 理 继 电 器 相 似 的 功 能 ， 常 称 之 为 “ 软 继 电 器 ” 。 PLC每 一 个 继 电 器 都 对 应 着 内 部 的 一 个 寄 存 器 位 ， 该 位 为“ 1” 态 时 ， 相 当 于 继 电 器 接 通 ； 为 “ 0” 态 时 ， 则 相 当 于 继电 器 断 开 。 常 闭 触 点线 圈 常 开 触 点说 明 ： 0000001000 01000PLC控 制 00001SB2 KMKM继 电 器 控 制 SB1 线 圈线 圈常 开 触 点常 开 触 点 常 闭 触 点常 闭 触 点(2)两 种 控 制 的 梯 形 图 比 较 物 理 继 电 器继 电 器 需 硬 接 线 连 接 触 点 个 数 有 限PLC继 电 器继 电 器 用 程 序 软 连 接 触 点 个 数 无 限继 电 器 的 接 线 改 变 控 制 功 能 改 变PLC的 用 户 程 序 改 变 控 制 功 能 改 变 (3) 两 种 控 制 中 继 电 器 的 区 别 用 PLC控 制 外 部 接 线 不 变 ， 改 变 用 户 程 序 。用 继 电 器 控 制 要 改 变 控 制 电 路 的 实 际 接 线 。KMQFUKR M 3 SB1 SB2 KM KHKM 继 电 器 控 制 接 线 PLC控 制 外 部 接 线输 入 设备 PLC SB 1SB2KR KM 输 出 设备 欲 改 变 控 制 功 能 ：主 电 路 相 同 例如 2、 语 句 表 编 程 语 言 用 助 记 符 表 示 指 令 的 功 能 多 条 指 令 语 句 的 组 合 构 成 了 语 句 表 程 序 指 令 语 句 是 PLC用 户 程 序 的 基 础 元 素LD 00000， 表 示 逻 辑 操 作 开 始OR 01000 ； 表 示 常 开 触 点 01000与 前 面 的 触 点 并 联 AND NOT 00001； 表 示 常 闭 触 点 00101与 前 面 的 触 点 串 联OUT 01000； 表 示 前 面 的 逻 辑 运 算 结 果 输 出 给 01000END ;表 示 程 序 结 束梯 形 图 程 序 语 句 表 程 序 0000001000 0100000001END （ 3） 顺 序 功 能 图 顺 序 功 能 图 常 用 来 编 制 顺 序控 制 程 序 ， 它 包 括 步 、 动 作 、 转换 三 个 要 素 。 顺 序 功 能 图 法 可 以将 一 个 复 杂 的 控 制 过 程 分 解 为 一些 小 的 工 作 状 态 。 对 于 这 些 小 状态 的 功 能 依 次 处 理 后 再 把 这 些 小状 态 依 一 定 顺 序 控 制 要 求 连 接 成组 合 整 体 的 控 制 程 序 。 步 1步 2步 3 动 作 1动 作 2转 换 1转 换 2图 顺 序 功 能 图 OR AND SRS1 Q1RI1I2 I3I4 I5 Q1图 功 能 块 图（ 4） 功 能 块 图 功 能 块 图 是 一 种 类 似 于 数 字 逻 辑 电 路 的 编 程 语 言 ， 用 类似 与 门 、 或 门 的 方 框 来 表 示 逻 辑 运 算 关 系 ， 方 块 左 侧 为 逻 辑运 算 的 输 入 变 量 ， 右 侧 为 输 出 变 量 ， 输 入 端 、 输 出 端 的 小 圆点 表 示 “ 非 ” 运 算 ， 信 号 自 左 向 右 流 动 。 类 似 于 电 路 一 样 ， 方 框 被 “ 导 线 ” 连 接 在 一 起 。 2.2 可 编 程 控 制 器 工 作 过 程 特 点 及 主 要 性 能 指 标 当 PLC运 行 时 ， 需 要 进 行 众 多 的 操 作 ， 而 PLC的 CPU不 可能 同 时 去 执 行 多 个 操 作 ， 每 一 刻 只 能 执 行 一 个 操 作 。 解 决 的 办 法 ： 采 用 分 时 操 作 原 理 扫 描 工 作 方 式 ： 由 于 CPU的 运 算 处 理 速 度 很 快 ， 所 以 从宏 观 上 来 看 ， PLC外 部 出 现 的 结 果 似 乎 是 同 时 完 成 的 ，这 种 分 时 操 作 的 方 法 称 为 2.2.1 循 环 扫 描 工 作 方 式 PLC采 用 “ 顺 序 扫 描 、 不 断 循 环 ” 工 作 方 式 ， 这 个 过 程 可 分输 入 采 样 ， 程 序 执 行 、 输 出 刷 新 三 个 阶 段 ， 整 个 过 程 扫 描 并 执行 一 次 所 需 的 时 间 称 为 扫 描 周 期 。 2.2.2 PLC的 工 作 过 程 分 自 诊 断 、 与 编 程 器 或 计 算 机 等 通 信 、输 入 采 样 、 程 序 执 行 和 输 出 刷 新 五 个 阶 段 。 000020100000001 0000201000 2.2.2 PLC扫 描 工 作 各 环 节 的 功 能 PLC上 电 后 ， 首 先 检 查 硬 件 是 否 正 常 。 按 自 上 而 下 的 顺 序 ， 逐 条 读 用 户 程 序 并 执 行 。对 输 入 的 数 据 进 行 处 理 ， 将 结 果 存 入 元 件 映 象 寄 存 器 。 计 算 扫 描 周 期 。若 正 常 ， 则 进 行 下 一 步 ； 若 不 正 常 ， 则 报 警 并 作 处 理 。母 线 I/O刷 新 阶 段 外 设 端 口 服 务读 输 入 点 的 状 态 并 写 入 输 入 映 像 寄 存 器 。将 元 件 映 像 寄 存 器 的 状 态 经 输 出 锁 存 器 、 输 出 电 路 送 到 输 出 点 。访 问 外 设 端 口 连 接 的 外 部 设 备 。 4. PLC执 行 用 户 程 序 的 特 点 按 梯 形 图 自 左 向 右 、 自 上 而 下 逐 次 执 行 程 序 执 行 程 序 时 所 需 数 据 取 自 于 ：输 入 映 像 寄 存 器 元 件 映 像 寄 存 器 输 入 映 像 寄 存 器 和 元 件 映 像 寄 存 器 中 的 数 据元 件 映 像 寄 存 器 ： 在 一 个 扫 描 周 期 中 可 读 可 写输 入 映 像 寄 存 器 ： 在 一 个 扫 描 周 期 中 保 持 不 变 每 个 扫 描 周 期 I/O刷 新 阶 段 集 中 读 入 /读 出 数 据 读读 读写写 执 行 用 户 程 序 I/O刷 新 I/O刷 新刷 新 刷 新0100101000000000000101000输入端子 输入电路用户输入设备 输入映像寄存器 输出电路 输出端子元件映像寄存器 输出锁存器 用户输出设备从 输 入 端 子 到 输 出 端 子 的 信 号 传 递 过 程(3)PC的 循 环 扫 描 工 作 过 程 （ 信 号 传 递 过 程 ） 3. PLC控 制 的 原 理 等 效 电 路 图SB1SB 2ST公 共 端 公 共 端输 入 部 分 输 出 端 子输 入 端 子 用 户 程 序 输 出 部 分主 电 路 KMFUKH M 3 Q KM01000PLCCOM00000000000000100002 0000001000 00001 0000201000 COM0000100002 PLC SB1SB2 KMST 000000000100002 01000COMCOM KM线 圈 通 电SB1闭 合 00000 闭合 接 点 闭 合KMFUKH M 3 Q KM通 电通 电触 点 闭 合电 动 机 转 触 点 闭 合PLCCOM00000000000000100002 0000001000 00001 0000201000 COM010000000100002SB2ST PLC SB1SB2 KMST 000000000100002 01000COMCOM KM线 圈 断 电00001 断开 接 点 断 开KMFUKH M 3 Q KM通 电断 电触 点 断 开电 动 停 转 触 点 断 开PLCCOM00000000000000100002 0000001000 00001 0000201000 COM010000000100002SB2ST PLC SB1SB2 KMST 000000000100002 01000COMCOMSB2闭 合 2.3扫 描 周 期 和 I/O滞 后 时 间 I/O滞 后 时 间 又 称 为 系 统 响 应 时 间 ， 是 指 PLC外 部 输入 信 号 发 生 变 化 的 时 刻 起 至 它 控 制 的 有 关 外 部 输 出 信号 发 生 变 化 的 时 刻 之 间 的 间 隔 。 PLC在 运 行 工 作 状 态 时 ， 执 行 一 次 扫 描 操 作 所 需 要 的时 间 称 为 扫 描 周 期 。 其 典 型 值 为 1-100ms。 1. 产 生 I/O滞 后 现 象 的 原 因（ 1） 由 于 PLC采 用 循 环 扫 描 的 工 作 方 式 。 PLC只 在 每 个 扫 描 周 期 的 I/O刷 新 阶 段 集 中 输 入 /输 出 ， 导 致 输出 信 号 相 对 输 入 信 号 滞 后 。（ 2） 输 入 滤 波 器 对 信 号 的 延 迟 作 用 。滤 波 器 时 间 常 数 越 大 ， 对 输 入 信 号 的 延 迟 作 用 越 强 。有 的 PLC其 输 入 电 路 滤 波 器 的 时 间 常 数 可 以 调 整 。 输 出 ON延 时 。（ 3） 输 出 继 电 器 的 动 作 延 迟 （ 继 电 器 输 出 型 PLC） 。从 输 出 锁 存 器 ON、 到 输 出 触 点 ON经 历 一 定 时 间（ 4） 用 户 程 序 的 长 短 及 语 句 编 排 。要 求 有 较 快 响 应 的 场 合 最 好 不 要 使 用 继 电 器 输 出 型 PLC。I/O滞 后 现 象 ， 对 慢 速 控 制 系 统 影 响 不 大 。要 求 快 速 响 应 的 场 合 ， 需 要 解 决 I/O速 度 问 题 。 2. I/O响 应 时 间 的 估 算以 20点 的 继 电 器 输 出 型 CPM1A为 例 。设 输 入 ON延 时 为 8毫 秒公 共 处 理 和 I/O刷 新 时 间 为 2毫 秒执 行 用 户 程 序 时 间 为 14毫 秒输 出 ON延 时 为 15毫 秒输 入 状 态 经 过 一 个 扫 描 周 期 后 在 输 出 得 到 响 应 最 小 I/O响 应 时 间输 入 状 态 经 过 两 个 扫 描 周 期 后 在 输 出 得 到 响 应 最 大 I/O响 应 时 间 最 小 I/O响 应 时 间 的 计 算 最 小 I/O响 应 时 间 = 输 入 ON延 时 + （ 公 共 处 理 + I/O刷 新 时 间 ） + 执 行 程 序 时 间 + 输 出 ON延 时 = 8 + 2 + 14 + 15 = 39 ms输 入触 点输 入滤 波输 出锁 存输 出触 点 刷 新 执 行 程 序 其 他 刷 新 执 行 程 序 其 他 扫 描 周 期 (Ts) 扫 描 周 期 (Ts)输 入 ON延 时 输 出 ON延 时I/O响 应 时 间 输 入 ON延 时最 大 I/O响 应 时 间 = 输 入 ON延 时 + (公 共 处 理 + I/O刷 新 +执 行 程 序 ) 2 + 输 出 ON延 时 = 8 +（ 2 +14） 2 + 15 = 55 ms。 最 大 I/O响 应 时 间 的 计 算输 入触 点输 入滤 波输 出锁 存 输 出 ON延 时输 出触 点 I/O响 应 时 间刷 新 执 行 程 序 其 他 刷 新 执 行 程 序 其 他扫 描 周 期 (Ts) 扫 描 周 期 (Ts) 刷 新 执 行 程 序 其 他扫 描 周 期 (Ts) 程 序 语 句 安 排 对 I/O响 应 时 间 的 影 响 举 例2000000000 010002000020000 01001 PLC SB KM100000 0100101000COMCOM KM2当 SB闭 合 ， 经 过 输 入 滤 波 ， 设 第 一 个 扫 描 周 期 I/O刷 新 时 00000的 映 像 寄 存 器 ON。第 一 个 扫 描 周 期 结 束 时 ， 01000为 OFF。01000只 能 在 第 二 个 扫 描 周 期 结 束 后 才 能 ON。 0000020000 200000100020000 01001当 SB闭 合 ， 经 过 输 入 滤 波 ， 设 第 一 个 扫 描 周 期 00000的 映像 寄 存 器 ON。01000 在 第 一 个 扫 描 周 期 结 束 后 就 能 ON 。如 果 将 梯 形 图 的 第 一 与 第 二 梯 级 交 换 ， 如 下 图 ：显 然 ， 程 序 语 句 的 安 排 对 I/O响 应 的 影 响 很 大 。PLC SB KM100000 0100101000COMCOM KM2 3、 PLC的 扫 描 时 间 计 算1 上 电 后 初 始 处 理2 共 同 处 理 时 间 ： 程 序 自 检 。 Tc=2.6ms3 上 位 链 接 服 务 （ 处 理 微 机 与 PLC的 通 讯 ） Tl Tl = PLC与 微 机 构 成 网 络 0 8ms 4 运 算 处 理 TP : 执 行 用 户 程 序 TP= 平 均 速 度 X指 令 条 数 Tl = PLC与 微 机 不 构 成 网 络 0ms5 I/O刷 新 Tr = 主 机 与 近 程 扩 展 机 ： 输 入 0.07ms/8个 输 出 0.04ms/8个远 程 扩 展 机 ： 以 通 道 数 计 算 ， 1.3ms+nX0.2ms 6 外 设 服 务 （ 装 有 外 设 时 ） To To=0.8ms （ T=Tc+Tl+Tp+Tr 13ms)To=0.06 T（ T=Tc+Tl+Tp+Tr 13ms)7、 共 同 处 理 、 上 位 链 接 服 务 、 外 设 服 务 、 运 算 处 理 、 I/O刷 新 时 间 构 成 了 PLC的 扫 描 时 间 TsPLC的 扫 描 时 间 Ts=Tc+Tl+To+Tp+Tr 有 关 结 论 1、 PLC的 扫 描 周 期 和 用 户 程 序 的 长 短 与 系 统 构 成 有 关 ， 用户 程 序 越 短 、 系 统 构 成 越 简 单 ， 扫 描 周 期 越 短 。 2、 PLC的 扫 描 周 期 一 般 在 10ms级 ， 这 样 普 通 输 入 点 的 信 号频 率 应 不 大 于 50HZ（ 在 使 用 时 一 般 在 10HZ以 下 ） 。 例 3 1 某 C200H型 PLC系 统 ， 由 主 机 和 远 程 扩 展 机 构 成 。 主 机 上 装 有 3个 16点 输 入 模 块 ， 2个 12点 输 出 模 块 。 远 程 扩 展 机 上 装 有 3个 16点 输 入 模 块 ， 一 个 12点 输 出 模 块 。 程 序 有 5000条 指 令 ， 假 定 程序 中 使 用 的 指 令 均 为 基 本 指 令 ， 平 均 执 行 时 间 为 0.94PS。 试 计 算 不 与 微 机 构 成 网 络 且 不 带 编 程 器 时 的 扫 描 时 间 。 解 ： 共 同 处 理 时 间 Tc=2.6m。 因 不 与 微 机 构 成 网 络 ， 故 上 位 链接 服 务 时 间 Tl=0。 因 不 带 外 设 ， 所 以 外 设 服 务 时 间 To=0。 运 算 处 理 时 Tp 0.94 5000 4.7 103(ms)=4.7ms。 主 机 部 分 的 3个 16点 模 块 可 看 作 6个 8点 输 入 模 块 ， 2个 12点 输出 模 块 可 看 作 4个 8点 输 出 模 块 。 远 程 扩 展 机 部 分 3个 16点 输 入 模块 和 1个 12点 输 出 模 块 共 占 用 4个 通 道 。 因 此 ， I/O刷 新 时 间 : Tr=0.07 6+0.04 4+(1.3+0.2 4)=2.68(ms) 所 以 ， 该 PLC系 统 在 不 与 微 机 构 成 网 络 ， 不 带 编 程 器 时 的 扫 描时 间 为 : Ts=Tc+Tl+To+Tp+Tr=2.6+4.7+2.7 10(ms) 1.I/O点 数指 PLC外 部 输 入 和 输 出 端 子 数 。2.用 户 程 序 存 储 容 量用 来 衡 量 PLC所 能 存 储 用 户 程 序 的 多 少 。3.扫 描 速 度指 扫 描 1000步 用 户 程 序 所 需 的 时 间 ， 以 ms/千 步 为 单 位 。4.指 令 系 统 条 数指 PLC具 有 的 基 本 指 令 和 高 级 指 令 的 种 类 和 数 量 。 种 类 数 量越 多 ， 软 件 功 能 越 强 。2.4 PLC主 要 技 术 性 能 指 标5. 内 部 寄 存 器6. 高 功 能 模 块 2.5 可 编 程 序 控 制 器 分 类1.按 结 构 形 式 分 类 整 体 式 PLC： 整 体 式 是 将 PLC的 CPU、 存 储 器 、 I/O单 元 、电 源 等 安 装 在 同 一 机 体 内 ， 构 成 主 机 ， 另 外 还 有 I/O扩 展 单 元配 合 主 机 使 用 ， 用 以 扩 展 I/O点 数 。 整 体 式 PLC的 特 点 是 结 构紧 凑 、 体 积 小 、 成 本 低 、 安 装 方 便 ， 但 输 入 输 出 点 数 固 定 ，灵 活 性 较 低 ， 小 型 PLC多 采 用 这 种 结 构 。 组 合 式 PLC： 组 合 式 PLC是 由 一 些 标 准 模 块 单 元 组 成 ， 采用 总 线 结 构 ， 不 同 功 能 的 模 块 （ 如 CPU模 块 、 输 入 模 块 、 输 出模 块 、 电 源 模 块 等 ） 通 过 总 线 连 接 起 来 。 组 合 式 PLC的 特 点 是 可 以 根 据 功 能 需 要 灵 活 配 置 ， 构 成 具有 不 同 功 能 和 不 同 控 制 规 模 的 PLC， 多 用 于 大 型 和 中 型 PLC。 组 合 式 PLC 电 源 模 块CPU模 块 IO模 块底 板模 块 式 模 块 式 结 构 PLC的 结 构 电 源 单 元 DIN导 轨 CPU单 元 3） 叠 装 式 PLC 还 有 一 些 PLC将 整 体 式 和 模 块 式 的 特 点 结 合 起 来 。 叠 装 式 PLC其 CPU、 电 源 、 I/O接 口 等 也 是 各 自 独 立 的 模 块 ，但 它 们 之 间 是 靠 电 缆 进 行 联 接 ， 并 且 各 模 块 可 以 一 层 层 地 叠装 。 这 样 ， 不 但 系 统 可 以 灵 活 配 置 ， 还 可 做 得 体 积 小 巧 。 2.按 控 制 规 模 分 类输 入 输 出 的 总 路 数 ， 又 称 为 I/O点 数 ， 是 表 征 PLC控 制 规 模 的重 要 参 数 。 因 此 ， 按 控 制 规 模 对 PLC分 类 时 ， 可 分 为 ：1.小 型 PLC： I/O点 数 较 少 ， 在 256点 以 下 的 PLC。2.中 型 PLC： I/O点 数 较 多 ， 在 256点 以 上 、 2048点 以 下 的 PLC。3.大 型 PLC： I/O点 数 较 多 ， 在 2048点 以 上 的 PLC。但 大 中 小 型 PLC的 划 分 并 无 严 格 的 界 限 ， PLC的 I/O点 数 可 以 依据 需 要 灵 活 配 置 。 1） 微 型 机 OMRON公 司 的 SP系 列 2） 小 型 机 OMRON公 司 的CPM1A、 CQM系 列 松 下 公 司 的 FP1系 列 3） 中 型 机 OMRON公 司 的 C200H西 门 子 公 司 的 S7-300 4） 大 型 机OMRON公 司 的 C1000H松 下 公 司 的 FP3 COMRON公 司 的 2000H COMRON公 司 的 2000H 5） 超 大