PLC的原理及应用

学院：材料科学与工程学院 专业：材料加工工程 班级：研125班

姓名：徐兴龙

学号：121090314

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一． PLC的产生与发展

1定义：(19xx年，国际电工委员会)PLC是一种数字运算操作的电子控制系统，专为工业环境下应用而设计的工业控制装置。它实质上是一台用于工业控制的专用计算机，它与一般计算机结构及组成相似。

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、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

2 PLC安全操作规程：严格遵守《机械制造工程训练安全制度》。

（1）实训前认真检查电源、线路、设备是否正常，防止事故的发生。

（2）实训时，确认一切正常后，方可由教师合闸送电，不允许学生随意动用实训用品及和闸送电。

（3）实训中出现异常现象，应立即断电，排除故障后方可继续实验。

（4）实训结束后认真检修设备及线路，如有异常情况及时向教师说明，为下一次实训做好准备工作。

（5）实训指导人员有权拒绝一切违反安全操作规程的操作，并有权利纠正违反安全操作规程的现象。

（6）爱护设备，不能用手按显示器的屏幕，不能用手指甲划触摸屏屏幕。

（7）实习所属计算机只能用于PLC编程、控制，不得作其他用途；使用时，不能编入与实习无关的程序；不允许私自带盘上机；不允许 2

改变机器内部命令程序；不得随意改动控制系统、编程系统的技术参数，不能随意修改设备的接线，必须改动时要征得实习指导老师同意。 3 PLC的产生背景

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器控制占主导地位的。这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差，一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。

19xx年．美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司(GM)提出了研制可编程序控制器的基本设想，即

(1)能用于工业现场。

(2)能改变其控制“逻辑”，而不需要变动组成它的元件和修改内部接线。

(3)出现故障时易于诊断和维修。

19xx年，美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第一台PLC，型号为PDP-14 。 我国19xx年研制，19xx年应用。

4 PLC 的产生与发展

第一代：从第一台PLC诞生到上个世纪70年代初。

● CPU使用中小规模集成电路，采用磁芯存储器。

● 功能简单（只有计数/定时功能）。

● 可靠性较差，略强于继电器控制

● 机种单一，没形成系列

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第二代： 70年代初至70年代末。

● CPU使用微处理器，采用半导体存储器EPROM。

● 功能增强（增加逻辑/数据运算、数据处理、自诊断等功能）。 ● 有了计算机接口和模拟量控制功能。

● 可靠性提高。

● 整机功能向系列化、标准化发展，并由专用向通用方向过渡。 第三代：70年代末到80年代中期。

● CPU使用8或16位微处理器甚至多位微处理器，采用半导体存储器EPROM、CMOSRAM等。

●增加浮点数运算，平方、三角函数等运算。

● 增加查表、列表功能。

● 自诊断及容错技术提高。

● 梯形图语言及语句表成熟。

● 小型PLC体积减小、可靠性提高、成本下降。

● 大型PLC向模块化、多功能方向发展。

第四代：80年代中期到90年代中期。

● 增加高速计数、中断、A/D、D/A、PID等功能。

● 处理速度进一步提高（1?s/步）。

● 连网功能增强。

● 编程语言进一步完善，开发了编程软件。

第五代： 90年代中期之后。

● CPU使用16位或32位微处理器。

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● PLC的I/O点增加，最多可达32K个I/O点。

● 处理速度进一步提高（1ns/步）。

● PLC都可以与计算机通信。

● 具有强大的数值运算、函数运算、大批量数据处理的功能。 ● 开发了大量的特殊功能模块。

● 编程软件功能更强大。

● 不断开发出功能强大可编程终端。

5 PLC控制系统的性能

★ I/O模块将直接安装在现场，CPU与现场I/O通过数据通信实现控制，使系统控制更有效、可靠性更高；

★ 随着硬件冗余技术的应用，各种单元、甚至整个系统都可应用冗余技术，使系统具有更高的可靠性；

★ 进一步应用计算机的信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使系统的产生控制功能与信息管理功能一体化。

6 PLC的发展趋势

从技术上看： PLC会向运算速度更快、存储容量更大、功能更广、性能更稳定、性价比更高的方向发展。

从规模上看： PLC会进一步向超小型和超大型两个方向发展。

从配套性上看： PLC产品会向品种更丰富、规格更齐备的方向发展。 从网络通信的角度看：PLC将向网络化和通信的简便化方向发展。 从PLC的性能上看：

对小型PLC：向着体积更小、速度更高、功能增强、价格低廉的方 5

向发展。使之更利于取代继电器控制。

对大中型PLC：向着更大容量、更高速度、更多的功能、更高的可靠性、易于连络通信的方向发展。使之更利于对大规模、复杂系统的控制。

二PLC的主要特点

（一）特点：

1. 抗干扰能力强，可靠性高：

1）. 所有的I/O 接口电路均采用光电隔离使工业现场的外电路与PLC 内部电路之间电气上隔离

2）. 各输入端均采用R-C 滤波器其滤波时间常数一般为10~20ms.

3）. 各模块均采用屏蔽措施以防止辐射干扰

4）. 采用性能优良的开关电源

5）. 对采用的器件进行严格的筛选

6）. 良好的自诊断功能一旦电源或其他软硬件发生异常情况CPU立即采用有效措施以防止故障扩大

7）. 大型PLC 还可以采用由双CPU 构成冗余系统或有三CPU 构成表决系统使可靠性更进一步提高

2. 编程语言简单易学：

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

3.系统的设计、安装、调试、维修工作量少：

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PLC不需要专门的机房可以在各种工业环境下直接运行，使用时只需将现场的各种设备与PLC 相应的I/O 端相连接即可投入运行，各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障，由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障用户可以通过更换模块的方法使系统迅速恢复运行。

4. 功能强、功能的扩展能力强：

一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

5. 体积小、重量轻、易于机电一体化：

对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。

（二）PLC的应用领域

1开关量逻辑控制：自动生产线、机床电气控制、冲压机械、铸造机械、运输带、包装机、飞剪等控制

2运动控制：金属切削机床、金属成形机械、装配机器人、电梯等。 3闭环过程控制：温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。 4数据处理：数学运算、数据传输、转换、排序、查表、位操作。 7

5通信联网：PLC与远程I/O、PLC之间、 PLC与其它智能控制器之间。

（三）PLC的分类

按控制规模（I/O接口点）

（1）微型机：几十点（2）小型机：500点以下（3）中型机：500～1000点（4）大型机：1000点以上（5）超大型机：10000点

按结构：整体式：小型机常采用整体式。组合式：中、大型机常采用组合式。

三.PLC的基本组成

1．中央处理器（CPU）：CPU是PLC的核心部件，主要用来运行用户程序、监控输入/输出接口状态以及进行逻辑判断和数据处理。CPU用扫描的方式读取输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号，然后分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备响应外部设备的请求以及进行各种内部诊断。

2．存储器：可编程控制器的存储器由只读存储器ROM、随机存储器RAM和可电擦写的存储器EEPROM三大部分构成，主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。只读存储器ROM用以存放系统程序，可编程控制器在生产过程中将系统程序固化在ROM中，用户是不可改变的。用户程序和中间运算数据存放的随机存储器RAM中，RAM存储器是一种高密度、低功耗、价格便宜的半导体存储器，可用锂电 8

池做备用电源。它存储的内容是易失的，掉电后内容丢失；当系统掉电时，用户程序可以保存在只读存储器EEPROM或由高能电池支持的RAM中。EEPROM兼有ROM的非易失性和RAM的随机存取优点，用来存放需要长期保存的重要数据

3．输入/输出接口：I/O单元（输入/输出接口电路）。PLC内部输入电路作用是将PLC外部电路（如行程开关、按钮、传感器等）提供的符合PLC输入电路要求的电压信号，通过光电耦合电路送至PLC内部电路。输入电路有直流输入电路、交流输入电路和交直流输入电路。输入电路通常以光电隔离和阻容滤波的方式提高抗干扰能力，输入响应时间一般在0.1~15ms之间。根据输入信号形式的不同，可分为模拟量I/O单元、数字量I/O单元两大类。根据输入单元形式的不同，可分为基本I/O单元、扩展I/O单元两大类。PLC内部输出电路作用是将输出映像寄存器的结果通过输出接口电路驱动

数字量：在时间和数量上都是离散的物理量，其表示的信号则为数字信号。数字量是由0和1组成的信号，经过编码形成有规律的信号，量化后的模拟量就是数字量

模拟量：是在时间和数量上都是连续的物理量，其表示的信号则为模拟信号。模拟量在连续的变化过程中任何一个取值都是一个具体有意义的物理量，如温度，电压，电流等。

光电耦合器：是以光为媒介传输电信号的一种电--光--电转换器件 它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器 9

的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等

4．电源：PLC的电源是指为CPU、存储器和I/O接口等内部电子电路工作所配备的直流开关电源。电源的交流输入端一般都有脉冲吸收电路，交流输入电压范围一般都比较宽，抗干扰能力比较强。电源的直流输入电压多为直流5V和直流24V。直流5V电源供PLC内部使用，直流24V电源除供内部使用外还可以供输入/输出单元和各种传感器使用。

5．I/O扩展接口：扩展接口用于扩展输入/输出单元，它使PLC的控制规模配置更加灵活，这种扩展接口实际上为总线形式，可以配置开关量的I/O单元，也可配置模拟量和高速计数等特殊I/O单元及通信适配器等。

6. 编程器：编程器是PLC的重要外围设备。利用编程器将用户程序送入PLC的存储器，还可以用编程器检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态。现在手持式编程器已逐渐被笔记本取代。

7．外部设备接口：外设接口电路用于连接编程器或其他图形编程器、文本显示器、触摸屏、变频器等并能通过外设接口组成PLC的控制网络。PLC通过PC/PPI电缆或使用MPI卡通过RS-485接口与计算机连接，可以实现编程、监控、连网等功能。

8智能单元：智能单元本身是一个独立的系统。它们有自己的：CPU、系统程序、存储器、与外界相连的接口。

对组合式PLC：智能单元是PLC系统的一个模块与CPU单元通过系 10

统总线相连接在CPU单元的协调管理下独立地进行工作。 对整体式PLC：主机通过I/O扩展接口与智能单元连接。

四. PLC的编程语言

PLC标准的编程语言有5种，梯形图、语句表语言最为常用。 PLC的设计和生产至今尚无国际统一标准，不同厂家所用语言和符号也不尽相同。但它们的梯形图语言的基本结构和功能是大同小异的 1 梯形图的主要特点：

（1）编程元件不是真实的硬件继电器,而是软件继电器。

（2）梯形图两侧的公共线称为公共母线，分析时，可以假想有一个能流从左向右流动。

（3）程序执行是一个逻辑解算的过程。根据梯形图中各触 点的状态和逻辑关系,求出各个线圈对应的编程元件的状态

（4） 梯形图中的各编程元件的常开触点和常闭触点,都可以无限次使用。

（5）梯形图中的线圈应该放在最右边。

2 梯形图的编程特点

（1） 触点状态有接通和断开两种状态

（2） 触点可以任意串联和并联，继电器线圈只能并 联,不能串联

（3）输出继电器可以是中间继电器，辅助继电器

（4）每一个梯级从起始母线－触点－输出继电器－母线 五PLC的工作原理

1 PLC 采用循环扫描工作方式分为 5 个阶段：

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公共处理阶段、程序执行阶段、扫描周期计算阶段、I/O刷新阶段、 外设端口处理阶段

2 PLC扫描工作各环节的功能

①PLC上电后，首先检查硬件是否正常。若正常，则进行下一步；若不正常，则报警并作处理。

② 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， 将结果存入输出映象寄存器。

③ 计算扫描周期。

④ I/O刷新阶段。读输入点的状态并写入输入映像寄存器。将输出映像寄存器状态经输出锁存器、输出电路送到输出点。

⑤ 外设端口服务。访问外设端口连接的外部设备。

3 PLC执行用户程序的特点

① 按梯形图自左向右、自上而下逐次执行程序

② 执行程序时所需数据取自于：输入映像寄存器、输出映像寄存器。 ③ 输入映像寄存器和输出映像寄存器中的数据

输入映像寄存器：在一个扫描周期中保持不变

输出映像寄存器：在一个扫描周期中可读可写

④ 每个扫描周期I/O刷新阶段集中读入/读出数据

4 PLC的I/O滞后现象

（1）产生I/O滞后现象的原因：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。输入滤波器对信号的延迟作用。滤波器时间常 12

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——输出ON延时 要求有较快响应的场合最好不要使用继电器输出型PLC。用户程序的长短及语句编排。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

六.PLC的主要性能指标及应用

1、输入/输出点数：输入输出点数是PLC组成控制系统时所能接入的输入输出信号的最大数量，表示PLC组成系统时可能的最大规模。这时有个问题要注意:在总的点数中，输入点与输出点总是按一定的比例设置的，往往是输入点数大于输出点数，且输入与输出点数不能相互替代。

2、应用程序的存储容量：应用程序的容量是存放用户程序的存储器的容量。通常用K字（kw），K字节(kb)或K位来表示，1K=1024。也有的PLC直接用所能存放的程序量表示。在一些文献中称PLC中存放程序的地址单位为“步”，每一步占用两个字，一条基本指令一般为一步。功能复杂的指令，特别是功能指令，往往有若干步。因而用“步”来表示程序容量，往往以最简单的基本指令为单位，称为多少K基本指令（步）。

3、扫描速度：一般以执行1000条基本指令所需的时间来衡量。单位为毫秒/千步，也有以执行一步指令时间计的，如微秒/步。一般逻辑指令与运算指令的平均执行时间有较大的差别，因而大多场合，扫描 13

速度往往需要标明是执行哪类程序。以下是扫描速度的参考值：由目前PLC采用的CPU的主频考虑，扫描速度比较慢的为2.2ms/K逻辑运算程序，60ms/K数字运算程序；较快的为1ms/K逻辑运算程序，10ms/K数字运算程序；更快的能达到0.75/K逻辑运算程序。

4、编程语言及指令功能：不同厂家的PLC编程语言不同，相互不兼容。梯形图语言指令表语言较为常见，近年来功能图语言的使用量有上升趋势。一台机器能同时使用的编程方法多，则容易为更多的人使用。编程能力中还有一个内容是指令的功能。衡量指令功能强弱可看二个方面：一是指令条数多少，二是指令中有多少综合怀指令。一条是综合性指令一般就能完成一项专门操作。比如查表、排序及PID功能等，相当于一个子程序。指令的功能越强，使用这些指令完成一定的控制目的就越容易。另外，可编程序控制器的可扩展性、可靠性、易操作规程性及经济性等性能指标也较受用户的关注。

七.总结

（1）世界上第一台PLC是19xx年由美国数字设备公司(DEC)研制成功的；

（2）按I/O点数容量分类，PLC可分为小型机、中型机和大型机三类；

（3）按结构形式分类，PLC可分为整体式和模块式两类；

（4）从结构上，PLC主要由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成；

（5）为防止干扰和高电压信号进入PLC，输入接口电路一般由光电 14

耦合电路进行隔离；

(6) PLC管输出型三种类型；

(7)PLC

(8)PLC个阶段；

(9)PLC的主要编程语言包括梯形图(LD)、功能块图(FBD)、顺序功能图(SFC)、结构化文本(ST)、指令表(IL)等；

八 STEP7-Micro/WIN编程软件的使用

STEP7-Micro/WIN编程软件是基于Windows的应用软件，它是西门子公司专门为S7-200系列PLC而设计开发的，是S7-200系列PLC必不可少的开发工具。这里主要介绍STEP7-Micro/WIN4.0版本的使用

1. 编译程序：单击菜单“PLC”→“编译”或“全部编译”选项，或单击工具栏的或按钮，可以分别编译当前打开的程序或全部程序。编译后在输出窗口中显示程序的编译结果，必须修正程序中的所有错误，编译无错误后，才能下载程序。若没有对程序进行编译，在下载之前编程软件会自动对程序进行编译。

2. 下载与上载程序：下载是将当前编程器中的程序写入到PLC的存储器中。下载操作可单击菜单“文件”→“下载”选项，或单击工具栏的按钮。上载是将PLC中未加密的程序向上传送到编程器中。上载操作可单击菜单“文件”→“上载”选项，或单击工具栏 的按钮。 15

3. PLC的工作方式：PLC有两种工作方式，即运行和停止。在不同的工作方式下，PLC进行调试操作的方法不同。可以通过单击菜单PLC→“运行”或“停止”的选项来选择，也可以再PLC面板上的工作方式开关操作来选择。PLC只有在运行工作方式下才能启动程序的状态监视。

4. 程序的调试与运行：程序的调试及运行监控是程序开发的重要环节，很少有程序一经编制就是完整的，只有经过调试运行甚至现场运行后才能发现程序中不合理的地方，从而进行修改。STEP7－Micro/WIN4.0编程软件提供了一系列工具，可使用户直接在软件环境下调试并监视用户程序的执行。

5.程序的运行：单击工具栏的按钮，或单击菜单PLC→“运行”选项，在对话框中确定进入运行模式，这时黄色STOP（停止）状态指示灯灭，绿色RUN（运行）灯点亮。程序运行后如图1-35所示。

6.程序的调试：在程序调试中，经常采用程序状态监控、状态表监控和趋势图监控三种方式反映程序的运行状态。

方式一：程序状态监控。单击工具栏中的 按钮，或单击菜单“调试”→“开始程序状态监控”选项，进入程序状态监控。启动程序监控后，当I0.1触点断开时，程序的监控状态如图1-35。在监控状态下，“能流”通过的单元的元件将显示蓝色，通过改变输入状态，可以模拟程序的实际运行，从而判断程序是否正确。

方式二：状态表监控。可以使用状态表来监控用户程序，还可以采用强制表操作修改用户程序的变量。编程软件使用示例的状态表监控如 16

图1-36所示，在当前值栏目中显示了各元件的状态和数值大小。 状态表监控有下列三种方法：

(1)单击菜单“查看” →“组件”→“状态表”。

(2)单击浏览栏的“状态表“按钮。

(3)单击装订线，选择程序段，右击，在弹出的快捷菜单单中单击“创建状态图”命令，能快速生成一个包含所选程序段内各元件的新表格。 方式三：趋势图监控。趋势图监控是采用编程元件的状态和数值大小随时间变化关系的图形监控。可单击工具栏的 按钮，将状态表监控切换为趋势图监控。

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