1、2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 1 l第第1 1講可編程控制器的基本原理講可編程控制器的基本原理 l第第2 2講講STEP 7STEP 7編程軟件編程軟件 l第第3 3講講PLC PLC 指令系統介紹指令系統介紹 l第第4 4講講IEC 61131-3IEC 61131-3編程語言標準編程語言標準 l第第5 5講現場總線講現場總線 l第第6 6講講WinCCWinCC組態軟件組態軟件 培培 訓訓 計計 劃劃 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 2 PLC PLC （可編程控制器）是上個世紀（可編程控制器）是上個世紀

2、6060年代發展起來的一種年代發展起來的一種 新型自動化控制裝置。最早是用于替代傳統的繼電器控制裝置，新型自動化控制裝置。最早是用于替代傳統的繼電器控制裝置， 功能上只有邏輯計算、計時、計數以及順序控制等，而且只能功能上只有邏輯計算、計時、計數以及順序控制等，而且只能 進行開關量控制。因此，其英文原名為進行開關量控制。因此，其英文原名為“Programmable Logic Programmable Logic Controller”Controller”，簡稱，簡稱PLCPLC，中文稱，中文稱“可編程邏輯控制器可編程邏輯控制器”。后來，。后來， 隨著技術的進步，其控制功能已經遠遠超出邏輯控制

3、的范疇，隨著技術的進步，其控制功能已經遠遠超出邏輯控制的范疇， 其名稱也就改為其名稱也就改為“Programmable Controller”Programmable Controller”，簡稱，簡稱PCPC。但。但PCPC 又容易與個人計算機又容易與個人計算機“Personal Computer”Personal Computer”的簡稱的簡稱PCPC產生混淆，產生混淆， 所以近年來人們又傾向于使用所以近年來人們又傾向于使用PLCPLC這一簡稱，中文仍然稱這一簡稱，中文仍然稱“可編可編 程控制器程控制器”。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 3 上個

4、世紀上個世紀6060年代，由于美國汽車工業需要進行大規模的技術改造年代，由于美國汽車工業需要進行大規模的技術改造 和設備更新，由傳統的繼電器控制裝置來進行控制，不僅體積龐和設備更新，由傳統的繼電器控制裝置來進行控制，不僅體積龐 大，故障率高，柔性差，不靈活，耗能，而且調試困難，可靠性大，故障率高，柔性差，不靈活，耗能，而且調試困難，可靠性 也差年由美國通用汽車公司提出使用新一代控制器的也差年由美國通用汽車公司提出使用新一代控制器的 設想從用戶的角度考慮，該公司對新一代控制器提了點要設想從用戶的角度考慮，該公司對新一代控制器提了點要 求，為各大公司提供了明確的開發目標次年，就由美國求，為各大公司

5、提供了明確的開發目標次年，就由美國DEC （數字設備公司）首先研制成功第一臺可編程邏輯控制器數字設備公司）首先研制成功第一臺可編程邏輯控制器PDP- 14差不多同時，美國差不多同時，美國MODICON公司也研制出公司也研制出084控制器它控制器它 們的問世，引起了全世界的矚目，美國的其他公司和西歐，日本們的問世，引起了全世界的矚目，美國的其他公司和西歐，日本 等工業發達國家，也相繼研究開發出類似的產品等工業發達國家，也相繼研究開發出類似的產品 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 4 由于由于PLCPLC吸取微電子技術和計算機技術的最新成果，因吸取微電子技術

6、和計算機技術的最新成果，因 此，發展十分迅速，從單機自動化到整條生產線的自此，發展十分迅速，從單機自動化到整條生產線的自 動化，乃至整個工廠的生產自動化，從柔性制造系統，動化，乃至整個工廠的生產自動化，從柔性制造系統， 工業機器人到大型分散型控制系統，工業機器人到大型分散型控制系統，PLCPLC均擔當著重要均擔當著重要 角色。角色。 PLCPLC技術代表了當今電氣程序控制的最先進水平。通過技術代表了當今電氣程序控制的最先進水平。通過 PLCPLC與各種單元自動化裝置（例如，智能儀表、數字化與各種單元自動化裝置（例如，智能儀表、數字化 傳動裝置、智能的液壓和氣動閥組等）以及現場總線、傳動裝置、智

7、能的液壓和氣動閥組等）以及現場總線、 計算機網絡系統，構成了車間和工廠自動化的完整體計算機網絡系統，構成了車間和工廠自動化的完整體 系。系。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 5 PLCPLC的應用范圍廣泛的應用范圍廣泛 可編程控制器應用非常廣泛，近年來對國內進行的可編程控制器應用非常廣泛，近年來對國內進行的 調查，在各個領域應用分布大致如下：調查，在各個領域應用分布大致如下： 鋼鐵和有色冶金鋼鐵和有色冶金 3535 汽車和機械制造汽車和機械制造 20%20% 輕工，食品，包裝，造紙輕工，食品，包裝，造紙16%16% 化工，石油，工藝過程化工，石油，工藝

8、過程13%13% 交通運輸，礦山交通運輸，礦山7%7% 能源，電站，泵站，水處理能源，電站，泵站，水處理7%7% 科研試驗，教學科研試驗，教學2%2% 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 6 PLCPLC發明之前傳統控制裝置的缺點發明之前傳統控制裝置的缺點 在在PLCPLC發明之前，在工業控制的順序控制領域內，常常采用發明之前，在工業控制的順序控制領域內，常常采用 諸如繼電器，鼓式開關，紙帶閱讀器等機械，電氣式器件作諸如繼電器，鼓式開關，紙帶閱讀器等機械，電氣式器件作 為控制元件，尤其是控制繼電器，在離散制造過程控制領域為控制元件，尤其是控制繼電器，在離散

9、制造過程控制領域 內，成為開關控制系統中最廣泛使用的器件但是，隨內，成為開關控制系統中最廣泛使用的器件但是，隨 著工業現代化的發展，生產規模越來越大，勞動生產率及產著工業現代化的發展，生產規模越來越大，勞動生產率及產 品質量的要求在不斷提高，對于控制系統的可靠性也提出了品質量的要求在不斷提高，對于控制系統的可靠性也提出了 更高的要求，原有繼電器控制系統已不適應需要，究其更高的要求，原有繼電器控制系統已不適應需要，究其 原因是：原因是： 動作緩慢動作緩慢，壽命短，可靠性差壽命短，可靠性差，體積大，耗電多，體積大，耗電多， 設計制造周期長，程序修改費時設計制造周期長，程序修改費時，不能實現與計算機

10、對話不能實現與計算機對話 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 7 到到6060年代后期，雖然小型計算機已日趨完善，應用年代后期，雖然小型計算機已日趨完善，應用 領域也在不斷擴大，但小型計算機用于開關控制系統，領域也在不斷擴大，但小型計算機用于開關控制系統， 又顯然存在著大馬拉小車的狀態，這是由于小型又顯然存在著大馬拉小車的狀態，這是由于小型 計算機：計算機： 編程復雜，要求有較高水平的編程人員和操作人員，編程復雜，要求有較高水平的編程人員和操作人員， 需要配套非標準的外部接口，對環境和現場條件的要求需要配套非標準的外部接口，對環境和現場條件的要求 過高，功

11、能過剩，機器資源未能充分利用，過高，功能過剩，機器資源未能充分利用， 造價高昂。造價高昂。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 8 需要與可能，促使人們尋求新的出路，需要與可能，促使人們尋求新的出路，PLCPLC即即 應運而生它首先應用于美國的汽車工業，這應運而生它首先應用于美國的汽車工業，這 時的時的PLCPLC，用了固態（集成）電路來代替繼電，用了固態（集成）電路來代替繼電 器邏輯電路，用存儲器電路中的存儲數位（程器邏輯電路，用存儲器電路中的存儲數位（程 序）來代替繼電器系統的布線，以程序來規定序）來代替繼電器系統的布線，以程序來規定 邏輯關系；用固態

12、邏輯關系；用固態I/OI/O電路來檢測按鈕和限位電路來檢測按鈕和限位 開關的信號，給出輸出以控制電機和其它執行開關的信號，給出輸出以控制電機和其它執行 機構機構 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 9 這時的這時的PLCPLC系統已開始具有如下一些特點：系統已開始具有如下一些特點： 環境適應性較強，可以使用于車間現場環境適應性較強，可以使用于車間現場, , 有較高的可靠性和診斷能力，維修容易有較高的可靠性和診斷能力，維修容易, , 基本能適應不同的制造過程所需，柔性度有了較基本能適應不同的制造過程所需，柔性度有了較 大提高，只要改變系統中的程序即可改變控制

13、大提高，只要改變系統中的程序即可改變控制 邏輯，而無需改造或更換控制硬件等邏輯，而無需改造或更換控制硬件等 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 10 自自19761976年以來，微處理器開始引入年以來，微處理器開始引入PLCPLC領域，大大加領域，大大加 強了強了PLCPLC的作用，使的作用，使PLCPLC由簡單地代替繼電器電路，而由簡單地代替繼電器電路，而 發展為先進的控制裝置當今發展為先進的控制裝置當今PLCPLC具有采集與處理大具有采集與處理大 量數據，完成數學運算，與其它智能器件通信的能力，量數據，完成數學運算，與其它智能器件通信的能力， 以及具有

14、先進的人機對話手段（如鍵盤，以及具有先進的人機對話手段（如鍵盤，CRTCRT和語和語 音對話）音對話）, ,近年來由于現場總線理念的出現和相關近年來由于現場總線理念的出現和相關 標準的建立，以及產品的迅速發展，標準的建立，以及產品的迅速發展， PLCPLC成為現場總成為現場總 線的一個重要組成部分，進一步擴大了線的一個重要組成部分，進一步擴大了PLCPLC的應用領的應用領 域域 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 11 由于由于PLCPLC同時提高了功能和柔性度，使其應用迅同時提高了功能和柔性度，使其應用迅 速增長，并普及到許多其它離散零件制造工業領速增長

15、，并普及到許多其它離散零件制造工業領 域以及隨后又擴展到批量生產和連續生產過程域以及隨后又擴展到批量生產和連續生產過程 有關的工業領域隨著有關的工業領域隨著CIMSCIMS（計算機集成制造系（計算機集成制造系 統）的發展，統）的發展，PLCPLC當前還被人們用于工廠通信網絡當前還被人們用于工廠通信網絡 之中，與其它智能控制器和計算機系統一起，成之中，與其它智能控制器和計算機系統一起，成 為計算機綜合控制系統中的重要組成部分，特別為計算機綜合控制系統中的重要組成部分，特別 是單元級和工作站級是單元級和工作站級 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 12 第一階

16、段：開發的第一階段：開發的PLCPLC容量較小，容量較小，I/OI/O點數小于點數小于120120點用戶點用戶 存儲區容量在存儲區容量在2KB2KB左右，掃描速率為左右，掃描速率為2050ms/KB,2050ms/KB,指令較為指令較為 簡單，只有邏輯運算，計時，計數等，編程語言采用簡單簡單，只有邏輯運算，計時，計數等，編程語言采用簡單 的語句表語言使用上，主要用來作開關量控制的語句表語言使用上，主要用來作開關量控制 第二階段：第二階段：PLCPLC的容量有所擴展，的容量有所擴展，I/OI/O點數從點數從512512點至點至10241024點，點， 用戶程序存儲區擴展到用戶程序存儲區擴展到8K

17、B8KB以上，速率也有提高，掃描速率以上，速率也有提高，掃描速率 達到達到56ms/KB,56ms/KB,指令功能除了基本的邏輯運算，計時，計指令功能除了基本的邏輯運算，計時，計 數外，還增加了算術運算指令，比較指令，以及模擬量處數外，還增加了算術運算指令，比較指令，以及模擬量處 理指令等，輸入輸出類型也由純開關量理指令等，輸入輸出類型也由純開關量I/OI/O，擴展為帶模，擴展為帶模 擬量的擬量的I/OI/O編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形編程語言除了使用語句表外，還可以使用梯形 圖編程語言圖編程語言 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 13 第三

18、階段：進入第三階段：進入8080年代以來，隨著大規模和超大規模年代以來，隨著大規模和超大規模 集成電路等微電子技術的迅猛發展，以集成電路等微電子技術的迅猛發展，以1616位和位和3232位微處位微處 理器構成的理器構成的PLCPLC得到驚人的發展，其功能遠遠超出了上得到驚人的發展，其功能遠遠超出了上 述兩階段的產品使述兩階段的產品使PLCPLC在概念，設計，性能價格比在概念，設計，性能價格比 以及應用方面都有了新的突破這一階段的產品向大型以及應用方面都有了新的突破這一階段的產品向大型 和小型兩個方向發展大型產品的和小型兩個方向發展大型產品的I/OI/O點數，超出點數，超出40004000 點，

19、有些產品達到點，有些產品達到80008000個個I/OI/O點，用戶存儲區容量超過點，用戶存儲區容量超過 32KB32KB，配置有各種智能模塊（例如，溫度控制模塊，軸，配置有各種智能模塊（例如，溫度控制模塊，軸 定位模塊，過程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也定位模塊，過程控制模塊等）和通信模塊，掃描速率也 大大提高，達到大大提高，達到0.47ms/KB0.47ms/KB。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 14 第三階段第三階段PLCPLC的指令功能，除了基本的邏輯運算，計時，計的指令功能，除了基本的邏輯運算，計時，計 數，順序控制外，還有算術浮點運算

20、指令，數，順序控制外，還有算術浮點運算指令，PIDPID調節功能指調節功能指 令，圖形組態功能指令，網絡和通信指令等編程語言普令，圖形組態功能指令，網絡和通信指令等編程語言普 遍采用梯形圖語言，同時也使用語句表和順序功能圖語言遍采用梯形圖語言，同時也使用語句表和順序功能圖語言 （典型的有（典型的有GRAFCETGRAFCET語言）為了提高系統的可靠性，設計語言）為了提高系統的可靠性，設計 上考慮了容錯技術和冗余技術等這一階段的小型產品向上考慮了容錯技術和冗余技術等這一階段的小型產品向 超小型化和加強型功能發展，有超小型化和加強型功能發展，有1616點點I/OI/O，2424點點I/OI/O的整

21、體的整體 型小型型小型PLCPLC，在小型，在小型PLCPLC上配置模擬量上配置模擬量I/OI/O，通信口，高速計，通信口，高速計 數，指令上也設置有算術運算，比較指令以及數，指令上也設置有算術運算，比較指令以及PIDPID調節指調節指 令小型令小型PLCPLC使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器，使用的手握式編程器使用大面積液晶顯示器， 也可以用梯形圖和也可以用梯形圖和GRAFCETGRAFCET語言進行編程語言進行編程 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 15 這一階段這一階段PLCPLC的軟件設計也有很大改進，普遍實的軟件設計也有很大改進，普遍實

22、現了軟件模塊化設計，在現了軟件模塊化設計，在PLCPLC產品上提供大量的通產品上提供大量的通 用和專用軟件功能模塊，用戶通過簡單的功能調用和專用軟件功能模塊，用戶通過簡單的功能調 用就可實現復雜的控制任務，給使用帶來極大的用就可實現復雜的控制任務，給使用帶來極大的 方便使用的編程器越來越完善，專用編程器實方便使用的編程器越來越完善，專用編程器實 際上已經是一臺個人計算機，可以實現離線編程際上已經是一臺個人計算機，可以實現離線編程 或在線編程及監控，程序打印以及程序固化，實或在線編程及監控，程序打印以及程序固化，實 現圖形組態，可以聯網（即掛在現圖形組態，可以聯網（即掛在PLCPLC網絡上）。有

23、網絡上）。有 些編程器還可以使用高級語言。些編程器還可以使用高級語言。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 16 除了專用編程器外，很多除了專用編程器外，很多PLCPLC可以使用通用的筆記可以使用通用的筆記 本電腦實現編程，開發一些專用軟件，充分利用個本電腦實現編程，開發一些專用軟件，充分利用個 人計算機的能力，完成各種高級的編程功能，省卻人計算機的能力，完成各種高級的編程功能，省卻 了專用編程器，既便于推廣又節省投資隨著技術了專用編程器，既便于推廣又節省投資隨著技術 的進步，的進步，PLCPLC的功能越來越強，應用范疇越來越廣，的功能越來越強，應用范疇越

24、來越廣， 與其它工業控制機，例如，分散型控制系統（與其它工業控制機，例如，分散型控制系統（DCSDCS） 的界限已經不十分明顯，很多以往必須由分散型控的界限已經不十分明顯，很多以往必須由分散型控 制系統來完成的控制，現在用制系統來完成的控制，現在用PLCPLC都能實現，因此都能實現，因此 在應用上交錯已經成為普遍現象在應用上交錯已經成為普遍現象 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 17 根據根據IECIEC標準，給標準，給PLCPLC下的定義：下的定義： 它是在工業環境中使用的數字操作的電子系統，它是在工業環境中使用的數字操作的電子系統， 它使用可編程存儲

25、器內部儲存用戶設計的指令，它使用可編程存儲器內部儲存用戶設計的指令， 這些指令用來實現特殊的功能，諸如邏輯運算，這些指令用來實現特殊的功能，諸如邏輯運算， 順序操作，定時，計數以及算術運算和通過數順序操作，定時，計數以及算術運算和通過數 字或模擬輸入輸出來控制各種類型的機械或字或模擬輸入輸出來控制各種類型的機械或 過程。過程。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 18 1. 1. 控制程序可變，具有很好的柔性，在生產工藝流程改控制程序可變，具有很好的柔性，在生產工藝流程改 變或生產設備更新的情況下，不必改變變或生產設備更新的情況下，不必改變PLCPLC的硬

26、設備，只需的硬設備，只需 改變程序就可滿足要求因此，除單機控制外，改變程序就可滿足要求因此，除單機控制外，PLCPLC在柔性在柔性 制造單元（制造單元（FMCFMC）, ,柔性制造系統（柔性制造系統（FMSFMS），以致工廠自動化），以致工廠自動化 （FAFA）中也被大量采用）中也被大量采用 2. 2. 具有高度可靠性，適用于工業環境，具有高度可靠性，適用于工業環境，PLCPLC產品的平均故產品的平均故 障間隔時間（障間隔時間（MTBFMTBF）一般可達到）一般可達到5 5年以上，因此是一種高度年以上，因此是一種高度 可靠的工業產品，大大提高了生產設備的運行效率可靠的工業產品，大大提高了生產設

27、備的運行效率PLCPLC不不 要求專用設備的機房，這為工業現場的大量直接使用提供要求專用設備的機房，這為工業現場的大量直接使用提供 了方便了方便 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 19 3.3.功能完善現代功能完善現代PLCPLC具有數字和模擬量輸入輸出，具有數字和模擬量輸入輸出， 邏輯和算術運算，定時，計數，順序控制，邏輯和算術運算，定時，計數，順序控制，PIDPID調節，調節， 各種智能模塊，遠程各種智能模塊，遠程I/OI/O模塊，通信，人機對話，自模塊，通信，人機對話，自 診斷，記錄和圖形顯示，組態等功能除了適用于離診斷，記錄和圖形顯示，組態等功能

28、除了適用于離 散型開關量控制系統外，現在也能應用于連續的流程散型開關量控制系統外，現在也能應用于連續的流程 控制系統，從而使設備的控制水平大大提高。控制系統，從而使設備的控制水平大大提高。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 20 4. 4. 易于掌握，便于維修，由于易于掌握，便于維修，由于PLCPLC使用編程器進行編程使用編程器進行編程 和監控，使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言（或和監控，使用人員只需掌握工程上通用的梯形圖語言（或 語句表，流程圖）就可進行用戶程序的編制和測試因此，語句表，流程圖）就可進行用戶程序的編制和測試因此， 即使不太懂得計算

29、機的操作人員，也能掌握和使用即使不太懂得計算機的操作人員，也能掌握和使用PLCPLC也也 由于由于PLCPLC有完善的自診斷功能，輸入輸出均有明顯的指示，有完善的自診斷功能，輸入輸出均有明顯的指示， 在線監控軟件的功能很強，因此，很容易進行維修，能很在線監控軟件的功能很強，因此，很容易進行維修，能很 快查找出故障的原因快查找出故障的原因PLCPLC本身高可靠性也保證了故障的幾本身高可靠性也保證了故障的幾 率是很低的體積小，省電，與傳統的控制系統相比，率是很低的體積小，省電，與傳統的控制系統相比，PLCPLC 的體積很小，一臺收錄機一樣大小的的體積很小，一臺收錄機一樣大小的PLCPLC具有相當于

30、三個具有相當于三個 1.8m1.8m高繼電器控制柜的功能高繼電器控制柜的功能PLCPLC消耗的電能只是傳統控制消耗的電能只是傳統控制 系統的系統的1/31/3至至1/2 1/2 。 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 21 5. 5. 價格低廉隨著集成電路芯片功能的提高，價格價格低廉隨著集成電路芯片功能的提高，價格 的降低，可編程控制器硬件的價格也一直不斷地在下的降低，可編程控制器硬件的價格也一直不斷地在下 降根據最近市場統計，國外小型降根據最近市場統計，國外小型PLCPLC平均每一個平均每一個I/OI/O 點為點為14-2014-20美元，中型美元，中型

31、PLCPLC折算每個折算每個I/OI/O點為點為20-3520-35美元，美元， 大型大型PLCPLC折算每個折算每個I/OI/O點為點為40-8040-80美元雖然美元雖然PLCPLC的軟件的軟件 價格在系統中所占的比重在不斷提高，但由于縮短了價格在系統中所占的比重在不斷提高，但由于縮短了 整個工程項目的設計，編程和投運費用以及縮短了整整個工程項目的設計，編程和投運費用以及縮短了整 個投運周期，因此，使用個投運周期，因此，使用PLCPLC的總造價是低廉的，而且的總造價是低廉的，而且 還呈不斷下降的趨勢還呈不斷下降的趨勢 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理

32、 22 執行機構執行機構過程或機械過程或機械傳感器傳感器 HMI OP 操作面板操作面板 打印機打印機 通信接口通信接口 連接其它PLC連接其它PLC 或或 上位計算機上位計算機 編程單元編程單元 鍵盤鍵盤 顯示器顯示器 外部存外部存 儲單元儲單元 中央處理單元中央處理單元 CPUCPU 外部設備接口外部設備接口 輸出輸出 接口接口 輸入輸入 接口接口 為永久性連線為永久性連線為暫時性連線為暫時性連線為選擇性連線為選擇性連線 圖2.1PLC及其外部設備聯系框圖圖2.1PLC及其外部設備聯系框圖 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 23 PLCPLC控制的對

33、象是控制的對象是“過程過程”或或“機械機械”，由傳感器采集，由傳感器采集 “過程過程”或或“機械機械”的信息，送入的信息，送入PLC的輸入單元，經的輸入單元，經 PLC的中央處理單元處理，結果通過的中央處理單元處理，結果通過PLC的輸出單元驅的輸出單元驅 動執行機構，由執行機構控制動執行機構，由執行機構控制“過程過程”或或“機械機械”達到達到 預期的目的圖預期的目的圖2.12.1還表示了還表示了PLC的外部設備接口與外部的外部設備接口與外部 設備之間的聯系主要的外部設備有編程器（編程器上設備之間的聯系主要的外部設備有編程器（編程器上 配置有顯示單元），配置有顯示單元）， HMI人機接口，并行打

34、印機，其人機接口，并行打印機，其 它它PLC或上位計算機或上位計算機 從原理上講，從原理上講，PLC是計算機的一種，因此，它也由中央是計算機的一種，因此，它也由中央 處理器，中央存儲器和接口三部分組成處理器，中央存儲器和接口三部分組成 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 24 程序1程序1 程序j程序j 中央存儲器中央存儲器 輸入變量Ui輸入變量Ui 輸出變量Yi輸出變量Yi 中間變量Xi中間變量Xi 監控監控 指令計數器指令計數器 O.C. O.A. O.C. O.A. 變址或基址變址或基址 寄存器寄存器 累加器累加器 通用寄存器通用寄存器 輸入接口輸入

35、接口輸出接口輸出接口 過程過程 輸入輸出輸入輸出 CPUCPU 總線總線 指令寄存器指令寄存器 和和 地址寄存器地址寄存器 程序程序 數據數據 操作數操作數 當前當前 指令指令 （正在執行）（正在執行） 圖2.2 PLC的CPU結構框圖圖2.2 PLC的CPU結構框圖 中央處理器中央處理器 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 25 中央處理單元的核心是中央處理器中央處理單元的核心是中央處理器 中央處理器包含指令計數器，指令存儲器和地址中央處理器包含指令計數器，指令存儲器和地址 寄存器，變址和基址寄存器，累加器和通用寄存寄存器，變址和基址寄存器，累加器和通用

36、寄存 器器 除了中央處理器外，還有中央存儲器，中央存儲器除了中央處理器外，還有中央存儲器，中央存儲器 劃分成數據，程序和監控三部分數據部分包含有劃分成數據，程序和監控三部分數據部分包含有 輸入變量，中間變量和輸出變量的映像區監控部輸入變量，中間變量和輸出變量的映像區監控部 分存放分存放PLC的監控程序，用戶程序區存放若干個用的監控程序，用戶程序區存放若干個用 戶的應用程序塊戶的應用程序塊 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 26 PLC中的中的CPU是用來完成對某些不同類型的信息是用來完成對某些不同類型的信息 進行操作的單元這些操作包括信息的轉移，信息進行

37、操作的單元這些操作包括信息的轉移，信息 的轉換（碼的轉換，數字的轉換），計算，同步，的轉換（碼的轉換，數字的轉換），計算，同步， 譯碼等譯碼等 中央處理器中央處理器（Processor）是是CPU中的智能機構（電中的智能機構（電 腦）它是用來控制程序指令的操作的，處理器本腦）它是用來控制程序指令的操作的，處理器本 身由若干種寄存器組成寄存器是由邏輯電路組成身由若干種寄存器組成寄存器是由邏輯電路組成 的高速半導體存儲器（暫存器），它用來暫時存放的高速半導體存儲器（暫存器），它用來暫時存放 數據，外部信息或中間運算結果和對它們進行操作。數據，外部信息或中間運算結果和對它們進行操作。 2021-6-

38、25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 27 1. 1. 內部寄存器只能在計算機內部進行存取，允許內部內部寄存器只能在計算機內部進行存取，允許內部 的管理和控制操作的管理和控制操作 程序計數器有時也稱做程序計數器有時也稱做“程序指針程序指針”，它始終包含有，它始終包含有 當前正在執行指令的地址，在每一條指令執行結束時，當前正在執行指令的地址，在每一條指令執行結束時， 指針的值將被修改，自動地加指針的值將被修改，自動地加1 1只有在執行跳轉指令時只有在執行跳轉指令時 是例外指針將被放置新的下一條執行指令的地址是例外指針將被放置新的下一條執行指令的地址 2. 2. 指令存儲器由

39、指令存儲器由“程序指針程序指針”所指向的中央存儲器中所指向的中央存儲器中 的當前指令的操作碼（的當前指令的操作碼（Operation code），被送至指令寄），被送至指令寄 存器經過譯碼，在時鐘脈沖控制下，指令寄存器將執存器經過譯碼，在時鐘脈沖控制下，指令寄存器將執 行指令：從中央存儲器轉移信息到通用寄存器或取相反行指令：從中央存儲器轉移信息到通用寄存器或取相反 過程對于執行的是跳轉指令，如果命令是正向跳動過程對于執行的是跳轉指令，如果命令是正向跳動n， 則執行指令的結果是強迫程序計數器增量加則執行指令的結果是強迫程序計數器增量加n 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本

40、原理講基本原理 28 3. 3. 地址寄存器在指令寄存器取得操作碼地址寄存器在指令寄存器取得操作碼 （OC）的同時，地址寄存器取得同一指令的操）的同時，地址寄存器取得同一指令的操 作數地址（作數地址（Operand address）在一般情況下，）在一般情況下， 地址寄存器涉及的就是操作數的地址，但在轉地址寄存器涉及的就是操作數的地址，但在轉 移指令的情況下，由它決定信息轉移的途移指令的情況下，由它決定信息轉移的途 徑例如，在執行向前跳動徑例如，在執行向前跳動n n的指令時，地址的指令時，地址 寄存器就包含數據值寄存器就包含數據值n n，執行指令是將程序計，執行指令是將程序計 數器的內容與地址

41、寄存器的內容相加，再送回數器的內容與地址寄存器的內容相加，再送回 程序計數器程序計數器 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 29 4. 4. 狀態寄存器狀態寄存器是用來設置狀態位狀態寄存器狀態寄存器是用來設置狀態位 的某個狀態位決定于處理器對某一事件將予以考的某個狀態位決定于處理器對某一事件將予以考 慮或不予考慮，例如，對中斷優先權的禁止或屏慮或不予考慮，例如，對中斷優先權的禁止或屏 蔽蔽 5.5.通用寄存器通用寄存器是用戶在編制應用程序通用寄存器通用寄存器是用戶在編制應用程序 時可以使用的一組寄存器，它們中的某些是非常特時可以使用的一組寄存器，它們中的某

42、些是非常特 殊的，另一些則是一般的寄存器，它的數量和組織殊的，另一些則是一般的寄存器，它的數量和組織 取決于取決于PLCPLC設計者的選擇設計者的選擇 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 30 6. 6. 變址寄存器變址寄存器包含一潛在的基地址，當采用變址寄存器變址寄存器包含一潛在的基地址，當采用 變址尋址方式時，是將預先存放在變址寄存器中的絕對基地變址尋址方式時，是將預先存放在變址寄存器中的絕對基地 址，與地址寄存器中存放的操作數地址（址，與地址寄存器中存放的操作數地址（OA）部分相加，）部分相加， 得到指令中所要存取信息的地址這樣一種技術可以擴展尋得到

43、指令中所要存取信息的地址這樣一種技術可以擴展尋 址的范圍與地址寄存器有限的地址長度相比可擴展至更大址的范圍與地址寄存器有限的地址長度相比可擴展至更大 的范圍，但執行指令時間較長的范圍，但執行指令時間較長 7. 7. 累加器寄存器它是用來執行累加器寄存器它是用來執行CPU的指令的，對的指令的，對PLC來來 說，這些指令典型的有按位執行和按字執行對某說，這些指令典型的有按位執行和按字執行對某 些些PLC類型，只有單一的累加器，位是作為字的一類型，只有單一的累加器，位是作為字的一 個位來處理的，對另一些個位來處理的，對另一些PLC系統，邏輯運算和數字運算是系統，邏輯運算和數字運算是 分開在不同的累加

44、器進行的分開在不同的累加器進行的 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 31 PLC的存儲器系統的存儲器系統 處理處理PLC系統信息的存儲器通常分為兩大部分：中系統信息的存儲器通常分為兩大部分：中 央存儲器和大容量存儲器（硬盤，軟磁盤，磁帶，央存儲器和大容量存儲器（硬盤，軟磁盤，磁帶， Flash memory等）大容量存儲器一般作為等）大容量存儲器一般作為PLC 的外部設備中央存儲器有很高的存取速度，但由的外部設備中央存儲器有很高的存取速度，但由 于價格較昂貴，限制了它的使用容量；大容量存儲于價格較昂貴，限制了它的使用容量；大容量存儲 器雖然存取速度較慢，

45、但由于價格相對便宜，適于器雖然存取速度較慢，但由于價格相對便宜，適于 儲存大容量數據儲存大容量數據 中央存儲器在中央存儲器在PLC的的內部，一般由三部分組成由內部，一般由三部分組成由 于對存取速度有要求，所以都采用半導體存儲器，于對存取速度有要求，所以都采用半導體存儲器， 常用的半導體存儲器有靜態常用的半導體存儲器有靜態RAM，EPROM和和 E2PROM 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 32 PLC的存儲器系統的存儲器系統 1. 1. 中央存儲器的數據部分主要用作輸入變量，輸出變量，中中央存儲器的數據部分主要用作輸入變量，輸出變量，中 間變量的映像區

46、，因為在間變量的映像區，因為在PLCPLC的運行過程中，這部分變量是不的運行過程中，這部分變量是不 斷變化的，所以都是采用隨機存取存儲器（一般為靜態斷變化的，所以都是采用隨機存取存儲器（一般為靜態RAMRAM） 構成的構成的 2. 2. 監控程序或操作系統，是監控程序或操作系統，是PLC設計者為了給用戶使用設計者為了給用戶使用PLC 提供方便，其功能是對提供方便，其功能是對PLC及其外設進行資源管理，同時使及其外設進行資源管理，同時使 PLC的用戶編制應用程序時，可以使用級別較高的語言（例的用戶編制應用程序時，可以使用級別較高的語言（例 如，語句表，梯形圖或如，語句表，梯形圖或SFC控制圖形語

47、言等）一般監控程控制圖形語言等）一般監控程 序或操作系統都是駐留在中央存儲器中的，例如，固化在中序或操作系統都是駐留在中央存儲器中的，例如，固化在中 央存儲器的央存儲器的EPROM上，有一些上，有一些PLC使用較大的操作系統，使用較大的操作系統， 則除了駐留在中央存儲器上的軟件外，還有一部分軟件放在則除了駐留在中央存儲器上的軟件外，還有一部分軟件放在 外設的大容量存儲器中外設的大容量存儲器中 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 33 PLC的存儲器系統的存儲器系統 3. 3. 中央存儲器中的用戶應用軟件是用戶針對不同的中央存儲器中的用戶應用軟件是用戶針對不

48、同的 控制任務，用控制任務，用PLC編程語言編制的應用程序，放置編程語言編制的應用程序，放置 在中央存儲器的用戶存儲器區有些用戶存儲區可在中央存儲器的用戶存儲器區有些用戶存儲區可 以放置若干個應用程序塊由于應用程序在調試過以放置若干個應用程序塊由于應用程序在調試過 程中要不斷修改，又希望在掉電或正常關機時，這程中要不斷修改，又希望在掉電或正常關機時，這 部分程序不會丟失，因此，在中央存儲器中常用帶部分程序不會丟失，因此，在中央存儲器中常用帶 后備電池的后備電池的CMOSRAM作用戶存儲器區也可以用作用戶存儲器區也可以用 E2PROM存放應用程序如果應用程序經調試后，存放應用程序如果應用程序經調

49、試后， 不再需要改變，這部分程序可以固化在不再需要改變，這部分程序可以固化在EPROM中中 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 34 PLC 的尋址方式的尋址方式 在在CPU與中央存儲器交換信息的過程中，很重要的一點是存與中央存儲器交換信息的過程中，很重要的一點是存 儲器的尋址，發展尋址技術的目的是在鍵入數據時增加靈活性，儲器的尋址，發展尋址技術的目的是在鍵入數據時增加靈活性， 使更為安全和得到更大地址范圍使更為安全和得到更大地址范圍PLC系統中使用的尋址方式系統中使用的尋址方式 有以下幾種：有以下幾種： 1. 1. 立即數尋址：這種尋址方式的操作數直接放

50、置在指令的地址立即數尋址：這種尋址方式的操作數直接放置在指令的地址 場中這種尋址方法，對簡單的計算，例如，計算用戶程序的場中這種尋址方法，對簡單的計算，例如，計算用戶程序的 地址是很方便的地址是很方便的 2. 2. 相對尋址：在指令的地址場中包含的是正的或負的整數，用相對尋址：在指令的地址場中包含的是正的或負的整數，用 它與現行地址（例如，程序計數器的值）代數相加，得到指令它與現行地址（例如，程序計數器的值）代數相加，得到指令 的操作數的有效地址這種尋址方式在執行轉移指令，條件轉的操作數的有效地址這種尋址方式在執行轉移指令，條件轉 移指令或循環指令（移指令或循環指令（LOOP）時是非常有用的）

51、時是非常有用的 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 35 PLC 的尋址方式的尋址方式 3. 3. 間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場包含的間接尋址：這種尋址方式的指令的地址場包含的 是操作數所在單元的地址（即指令的操作數有效地是操作數所在單元的地址（即指令的操作數有效地 址的地址），用這種尋址方式，可以擴展可尋址存址的地址），用這種尋址方式，可以擴展可尋址存 儲器的范圍儲器的范圍 4. 4. 變址或基址尋址：在變址寄存器或通用寄存器中，變址或基址尋址：在變址寄存器或通用寄存器中， 預先放置一基地址，將此與指令操作數地址場的內預先放置一基地址，將此與指令

52、操作數地址場的內 容（偏移量）代數相加得到指令操作數的有效地容（偏移量）代數相加得到指令操作數的有效地 址址 5. 5. 組合尋址：上面所提到的某些尋址方式可組合起組合尋址：上面所提到的某些尋址方式可組合起 來形成新的尋址方式，例如，相對變址尋址等來形成新的尋址方式，例如，相對變址尋址等 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 36 與尋址方法有關的指令的結構與尋址方法有關的指令的結構 操操作作碼碼O O C C 操操作作數數 類類型型 尋尋址址 方方式式 操操作作數數地地址址場場 0123456789101112131415 圖圖2 2. .3 3 與與P

53、PL LC C的的尋尋址址方方式式有有關關的的指指令令結結構構 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 37 PLCPLC中的中的堆棧堆棧 在中央存儲器中，還有一種特殊的應用區，稱為在中央存儲器中，還有一種特殊的應用區，稱為 “堆棧堆棧”“堆棧堆棧”是中央存儲器中的一個特殊是中央存儲器中的一個特殊 區域，用來存放程序執行過程中的結果或者在子區域，用來存放程序執行過程中的結果或者在子 程序調用過程中用來保護程序調用過程中用來保護“現場現場”信息，以便子信息，以便子 程序結束時能正確地返回在程序結束時能正確地返回在PLC中使用的中使用的“堆堆 棧棧”主要有兩種形式

54、：一種稱后進先出堆棧主要有兩種形式：一種稱后進先出堆棧 （LIFOlast in first out）, ,另一種稱先進先出堆另一種稱先進先出堆 棧棧 （FIFOFirst in first out）圖）圖2.42.4表示了這兩種表示了這兩種 “堆棧堆棧”在進行棧操作時的數據位置在進行棧操作時的數據位置 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 38 PLCPLC中的堆棧結構中的堆棧結構 b a c x 占有空間占有空間 自由空間自由空間 壓棧前壓棧前 壓棧指令壓棧指令 （push指令）（push指令） 出棧指令出棧指令 （pop指令）（pop指令） b a c

55、 出棧后出棧后 b a c 壓棧后壓棧后 x . . . . . . . . . A) LIFO 堆棧操作堆棧操作 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 39 PLCPLC中的堆棧結構中的堆棧結構 b a c x 占有空間占有空間 自由空間自由空間 壓棧前壓棧前 壓棧指令壓棧指令 （push指令）（push指令） 出棧指令出棧指令 （pop指令）（pop指令） b a 出棧后出棧后 b a c 壓棧后壓棧后 x . . . . . . . . . x B) FIFO 堆棧操作堆棧操作 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理

56、40 PLC I/OPLC I/O擴展結構擴展結構 1. 1. 整體形非總線結構整體形非總線結構: :8080年代，年代，PLCPLC的結構的結構 多為組件式，由多為組件式，由CPUCPU，I/OI/O及備用模塊等組合而及備用模塊等組合而 成現在的小型，微型成現在的小型，微型PLCPLC結構則趨向于將結構則趨向于將CPUCPU， 存儲器與存儲器與I/OI/O做成一體形結構，整體做成平板做成一體形結構，整體做成平板 薄形，以追求低價格和便于安裝這種結構的薄形，以追求低價格和便于安裝這種結構的 PLCPLC往往采用非總線結構，追求低價格和小型往往采用非總線結構，追求低價格和小型 化，其安裝方法也與

57、過去不同，大多安裝到配化，其安裝方法也與過去不同，大多安裝到配 電盤或機械之中，有的不用外殼，作成插件，電盤或機械之中，有的不用外殼，作成插件， 以降低售價以降低售價 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 41 PLC I/OPLC I/O擴展結構擴展結構 2. 2. 總線形結構大，中型以及一部分小型總線形結構大，中型以及一部分小型PLCPLC 通常采用總線形方式，可視用戶要求進行組合通常采用總線形方式，可視用戶要求進行組合 以滿足不同要求，見圖以滿足不同要求，見圖2.52.5這種總線結構有多這種總線結構有多 種形式，有采用微機總線，例如種形式，有采用微機總

58、線，例如VMEVME總線，總線，PCPC 總線，或開發商的專用總線，例如總線，或開發商的專用總線，例如SiemensSiemens公公 司的司的S5S5總線等，總線等，PLCPLC的的I/OI/O總線擴展可以有多種總線擴展可以有多種 結構方式，主要采用：結構方式，主要采用： 并行本地總線并行本地總線 串行遠程通信連接串行遠程通信連接 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 42 并行本地總線的并行本地總線的PLCPLC結構結構 電源電源 PS 307 CPU IM 360360 CP 通信通信 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM

59、 功能功能 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 電源電源 PS 307 IM 361361 SM I/OI/O 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 電源電源 PS 307 IM 361361 SM I/OI/O 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 FM 功能功能 摸板摸板 SM I/O

60、I/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 SM I/OI/O 摸板摸板 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 43 串型遠程通信結構的串型遠程通信結構的PLCPLC 2021-6-25 PLC技術培訓班第技術培訓班第1講基本原理講基本原理 44 PLC PLC 的的I/OI/O模板模板 中央處理器和中央存儲器通過總線與輸入輸出（中央處理器和中央存儲器通過總線與輸入輸出（I/OI/O） 交換信息交換信息PLCPLC以輸入輸出接口從被控過程采集信息和以輸入輸出接口從被控過程采集信息和 用來控制被控過程因此用來控制被控過程因此I/OI/O在在PLCPLC中起