可編程序控制器的組成及原理第1頁/共22頁2023/3/2321968年GM(美國通用汽車)為改造控制設備招標的技術要求編程方便，可現場修改程序；維修方便，采用插件式結構；可靠性高于繼電器控制系統；體積小于繼電器控制柜；數據可直接送入管理計算機；成本可與繼電器控制系統競爭；輸入可為市電；輸出可為市電，輸出電流要求在2A以上，可直接驅動電磁閥、接觸器等；系統擴展時，原系統變更最小；用戶存儲器容量大于4KB1969年DEC研制出第一臺PLC----PDP-14招標技術要求了解PLCPLC的誕生

第2頁/共22頁2023/3/233定義:了解PLC國際電工委員會(IEC)于1987年對可編程序控制器作了如下定義：“可編程序控制器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、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程序控制器及其有關設備，都應按易于與工業控制系統聯成一個整體、易于擴充功能的原則設計”。新型工業自動控制裝置自動化技術計算機技術通信技術微處理器繼電器控制和計算機控制早期的可編程序控制器在功能上只能進行邏輯控制，因而稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC。隨著技術的進步，其控制功能不斷增強，現在的可編程序控制還可進行算術運算、模擬量控制，因此美國電氣制造協會(NEMA)于1980年將它正式命名為可編程序控制器(ProgrammableController)簡稱為PC。但是近年來PC又成為個人計算機(PersonalComputer)的簡稱，為了加以區別，現在把可編程序控制器又稱為PLC。

第3頁/共22頁2023/3/234·1969年，美國研制出世界第一臺PDP-14·1971年，日本研制出第一臺DCS-8·1973年，德國研制出第一臺PLC·1974年，中國研制出第一臺PLC----始于60年代末美國首先研制和使用可編程序控制器以后，世界各國特別是日本和聯邦德國也相繼開發了各自的PLC（70年代中期出現了微處理器并被應用到可編程序控制器后，PLC的功能日趨完善，特別是它的小型化、高可靠性和低價格，使它在現代工業控制中嶄露頭角）。----展于到80年代初PLC的應用已在工業控制領域中占主導地位。PLC控制技術已在世界范圍內廣為流行，國際市場競爭相當激烈，產品更新很快，換代周期約為3～5年。----成于90年代后工業控制領域幾乎全被PLC占領。國外專家預言，PLC技術將在工業自動化的三大支柱(PLC、機器人和CAD／CAM)中躍居首位。

發展:

(現狀，方向（小型化、大型化、機電一體化、通訊和網絡標準化））我國：80年代初才開始使用PLC，目前從國外引進的PLC中使用較為普遍的有日本歐姆龍(OMRON)公司C系列、三菱公司FX系列、美國GE公司的GE系列和德國西門子公司S系列等。同時，國內也在消化和引進PLC技術的基礎上，研制產品。目前國內使用的PLC主要還是靠進口和合資企業生產，但逐步實現國產化是必然趨勢。PLC的著名品牌：美國A－B公司（Allen－Bradley）德國西門子公司（Siemens）美國GE－Fanuc公司美國的莫迪康（Modicon）法國的TE電器公司日本歐姆公司（OMRON）日本三菱電機株式會社（MITSUBISHI）日本富士電機株式會社（FujiElectric）日本東芝公司（TOSHIBA）PLC的國內狀況：遼寧無線電二廠引進德國西門子技術生產PLC；無錫電器和日本光洋合資生產的PLC;中美合資的廈門A—B公司生產的PLC；上海香島機電公司引進技術生產的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。----方便靈活和小型化:工業上大多數的單機自動控制只需要監測控制參數和有限的動作，不需要使用大型、強功能的PLC。為了滿足這一需要，PLC生產廠家幾乎都開發了結構簡單、使用方便靈活的小型機，這是80年代以來發展最快的一類產品，小型機幾乎占了PLC市場的l／4。就應用范圍和數量而言，小型機的應用還遠未達到飽和，今后還會有更大的應用市場。----大容量和強功能化：大容量PLC輸入輸出點數在2048點以上，甚至有的達到5000～10000點。這類產品可以滿足鋼鐵工業、化學工業等大型企業的生產過程自動控制的需要。這類產品大部分采用有高速運算能力的片位式微處理器或強功能的16位、32位微處理器，而且常常采用多CPU結構，用不同的CPU分別處理不同的控制任務以提高整機處理速度和增加各種功能。大型PLC一般具有較強的科學計算、數據處理能力和數據通訊及聯網能力，有很高的運行速度，并且有大量不同功能的智能模塊供選用，能方便地與計算機及別的控制器連成控制、管理網絡。它所配用的用戶存儲器容量都在16K以上，有的已達到幾百K。在總體上，PLC功能正在向通用計算機靠近。----機電一體化:可編程序控制器在機械行業得到了廣泛應用，開發大量機電技術相結合的產品和設備，是PLC發展的重要方向。機電一體化技術是機械、電子、信息技術的融合，它的產品通常由機械本體、微電子裝置、傳感器、執行機構等組成。機械本體和微電子裝置是機電一體化的基本構成要素。為了適應機電一體化產品的需要，PLC應該增強功能，增大存儲量和加快處理速度，并且進一步縮小體積，加強堅固性和密封性，進一步提高可靠性及易維護性。----通訊和網絡標準化：隨著生產技術的發展，必然會使PLC從單機自動化向全廠生產自動化過渡。這就要求各個PLC之間以及PLC與計算機或其他控制設備之間能迅速、準確、及時地互通信息，以便能步調一致地進行控制和管理。80年代初，美國通用汽車公司倡議采用制造自動化通訊的協議標準(MAP)。MAP作為一種高效能、低價格的通訊標準，在生產自動化、管理自動化中已確立了自己的地位。通訊和網絡標準化將會進一步發展。----軟件國際標準化:

IEC61131-3(北美及歐洲約50%客戶要求)了解PLC第4頁/共22頁2023/3/235分類:

(按容量和功能來分，大致可分為小型、中型和大型三類)----小型機:（<=250點）小型PLC的功能一般以開關量控制為主，它們的輸入／輸出點數適合于接觸器、繼電器控制的場合，還能直接驅動電磁閥等執行元件。這類裝置具有上百個內部輔助繼電器，它是內存中的一個單元，可以起到記憶中間狀態的作用，并且還具有計時、計數、寄存器等功能。這類PLC的特點是價格低廉、體積小巧，適合于控制單臺設備，開發機電一體化產品。這類小型機有日本三菱公司的FX2N/F—40，歐姆龍公司的C—60P，富士公司的NB2—90，美國德州儀器公司的TI—100，通用電氣公司的GE—I，(也有小型機帶模擬量控制，如西門子公司S5—100U，S7—200)。------中型機:（256～2048點）中型PLC不僅具有開關量和模擬量兩者的控制功能，還具有數字計算的能力。為了將溫度、壓力、流量等模擬量轉換成數字量，一般都有8位或12位的A／D轉換器，而且在PLC內也具有多路D／A轉換器。中型機的指令也比小型機豐富，在已固化程序內，一般還具有比例、積分、微分調節，整數／浮點運算，二進制／BCD轉換等功能模塊供用戶使用。中型機適用于有溫度控制和開關動作要求復雜的機械以及連續生產過程控制場合。了解PLC-----大型機:（>=2048點）

大型PLC已經與工業控制計算機相近，它具有計算、控制和調節的功能，還具有網絡結構和通訊聯網能力。這類機型的控制點數一般都在1000以上，內存容量超過640K，監視系統采用CRT顯示，能夠表示過程的動態流程、各種記錄曲線，PID調節參數選擇圖，配備多種智能板，構成一臺多功能系統。這種系統還可以和其他型號的控制器互連，和上位機相連，組成一個集中分散的生產過程和產品質量控制系統。大型機適用于設備自動化控制、過程自動化控制和過程監控系統。第5頁/共22頁2023/3/236-----整體式結構

一般小型機都采用整體式結構。它的中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口和電源都裝在一個金屬或塑料機殼中，結構非常緊湊。機箱的上、下兩側分別安裝輸入、輸出接線端子及電源進線，并有相應的發光二極管顯示輸入／輸出狀態。面板上留有編程器插座、EPROM插座、擴展單元的接口插座等。基本單元和擴展單元之間用扁平電纜連接。整體式PLC一般還配備許多專用的特殊功能單元，如位置控制單元、數據輸入單元等，使PLC的功能得到擴展。分類:

(按硬件結構來分，大致可分為整體式、插件式和疊裝式三類)-----

插件式結構:

大中型PLC，為了擴展方便，大多采用插件式結構，部分小型機也采用此結構。這種PLC由框架和模塊組成，框架上有電源和開關，對整個系統供電。模塊插在模塊插座上，而后者焊在框架中的總線連接板上。PLC的電源可能是單獨的模塊，也可能做在CPU模塊中。如果一個框架容納不下所選用的模塊，可利用擴展插座連接多個框架，各框架之間用I／O擴展電纜相連。框架上有地址開關以便系統識別。S7-400模塊式PLC了解PLC-----

疊裝式結構:這種結構形式吸收了整體式和插件式PLC的優點。它的基本單元、擴展單元的模塊寬、高相等，但長度不同。它們不采用基板，僅用扁平電纜連接。緊密拼裝后組成一個整齊的長方體，輸入、輸出點數的配置也相當靈活。采用這種結構形式的有三菱公司的FX2系列等。第6頁/共22頁2023/3/237PLC的應用領域:開關量的邏輯控制；位置控制；過程控制；數據處理；通信聯網；了解PLC運動控制及安全控制第7頁/共22頁2023/3/238PLC的基本原理第8頁/共22頁2023/3/239PLC的結構示意圖PLC的基本原理第9頁/共22頁2023/3/23101．中央處理單元(CPU)------整個PLC的核心PLC的基本原理

通用CPU:如8位（8080/8085/6800/Z80/51…）,16/32位,及奔騰CPU（S7-400）;單片CPU:

三菱FX2系列采用16位8098MCU位片式CPU:

4位一片，相連可組成任意長度MCU2．存儲器(RAM,ROM,EPROM)

存儲器主要用于存放系統程序、用戶程序以及工作數據。存放系統軟件的存儲器稱為系統程序存儲器；存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器；存放工作數據的存儲器稱為數據存儲器。第10頁/共22頁2023/3/2311PLC的輸出接口電路3．輸入、輸出接口電路輸入、輸出接口電路是PLC與現場I／O設備或其他外設之間的連接部件，它起著PLC和外圍設備之間傳遞信息的作用。輸入接口電路接收從按鈕開關、選擇開關、行程開關等來的開關量輸入信號和由電位器、熱電偶、測速發電機等來的連續變化的模擬量輸入信號，然后送入PLC。輸入接口電路一般由光電耦合電路。PLC的基本原理負載電源：AC250/DC30VDC5---30VAC85---242V負載電流：2A0.5A0.3A響應時間：10ms0.2ms1/10ms(斷-通/通-斷)第11頁/共22頁2023/3/2312PLC的輸入接口電路PLC的基本原理第12頁/共22頁2023/3/2313第13頁/共22頁2023/3/2314第14頁/共22頁2023/3/2315輸入、輸出接線示例第15頁/共22頁2023/3/2316

4．電源單元

PLC的電源單元包括系統的電源及備用電池。系統電源220V允許在額定值的＋10％～－15％的范圍內波動（有些PLC還可為輸入電路和少量的外部電平檢測裝置提供24V直流電源）。備用電池(一般為鋰電池)用于掉電情況下保存程序存儲器、內部保持標志、定時器和計數器并帶電池故障指示。

5．編程單元小型PLC常用簡易編程器，大、中型PLC多用智能CRT編程器。

(1)在線(聯機)編程方式編程器與PLC上的專用插座直接相連，程序可直接通過鍵盤輸入到PLC的用戶程序存儲器中。這種編程方式不但調試程序方便，而且還可監視PLC內部工作狀態。

(2)離線(脫機)編程方式離線編程方式不影響PLC的現行工作。第16頁/共22頁2023/3/2317工作方式:PLC的基本原理第17頁/共22頁2023/3/2318輸入處理又叫輸入采樣。在此階段，順序讀入所有輸入端子的通斷狀態，并將讀入的信息存入內存中所對應的映像寄存器。在此輸入映像寄存器被刷新，接著進入程序執行階段。在程序執行時，輸入映像寄存器與外界隔離，即使輸入信號發生變化，其映像寄存器的內容也不會發生變化，只有在下一個掃描周期的輸入處理階段才能被讀入信息。

程序執行階段根據PLC梯形圖程序掃描原則，按先左后右，先上后下的步序，逐句掃描，執行程序。但遇到程序跳轉指令，則根據跳轉條件是否滿足來決定程序的跳轉地址。

輸出處理也叫輸出刷新，程序執行完畢后，將輸出映像寄存器中的寄存器的狀態，在輸出處理階段轉存到輸出鎖存器，通過隔離電路，驅動功率放大電路，使輸出端子向外界輸出控制信號，驅動外部負載。PLC的基本原理第18頁/共22頁2023/3/2319

PLC采用循環掃描工作