可编程控制器（PLC）基础知识概述

可编程控制器（PLC）基础知识概述



3.1PLC的产生和定义

3.1.1PLC的产生

20世纪60年代末期，美国的汽车制造业竞争激烈，为了适应白热化的市场竞争要求，1968年美国通用汽车公司（GM）公开招标，对汽车流水线控制系统提出具体要求，归纳起来是：

（1）编程方便，可现场修改程序；

（2）维修方便，采用插件式结构；

（3）可靠性高于继电器控制装置；

（4）体积小于继电器控制盘；

（5）数据可直接送入管理计算机；

（6）成本可与继电器控制盘竞争；

（7）输入可以是交流市电（115V）（美国电压标准）

（8）输出为交流115V，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；

（9）扩展时原系统改变小；

（10）用户程序存储器至少能扩展到4KB。

这就是著名的“GM十条”。

1969年美国数字设备公司（DEC）中标后，制造出世界上第一台可编程序控制器（ProgrammableLogicController,简称PLC）。



3.1.2PLC的定义

PLC在飞速发展过程中，很长时间后才有了一个比较明确的定义，1987年，国际电工委员会（IEC）对PLC作出的定义如下：

“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，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，控制各种机械和生产过程。而有关的外围设备，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。”

定义强调了PLC直接应用于工业环境。

定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，即计算机。

定义强调了PLC是用软件方式来实现“可编程”的。



3.2PLC的基本工作原理

PLC工作过程可用图3.1所示的运行框图来表示。整个过程可分为三部分。

























































图3.1PLC工作过程

PLC的工作方式：

第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。

第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理，其次完成与其他外设的通信处理，在次进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时，转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时，还要完成用户程序的执行和输出处理，在转入执行自诊断检查。

第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断，确定PLC自身的动作是否正常，如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通信等是否异常或出错。如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为Stop方式所有的扫描便停止。

概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期。图3.2可以形象的描述PLC的工作方式和过程，在扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作：

读输入——处理通信请求——执行逻辑控制程序——写输出——执行CPU自诊断。

PLC就是这样周而复始的循环这些动作过程，一直到关机。





























图3.2PLC的循环扫描工作过程



3.3PLC的系统组成

一、硬件系统的基本组成

S7-200PLC属于小型PLC，其主机的基本结构是整体式，主机上有一定数量的输入\输出点，一个主机单元就是一个系统，它还可以进行灵活的扩展，如果I\O点不够，则可以增加I\O扩展模块；如果需要其他特殊功能，如特殊通信或定位控制等，则可以增加相应的功能模块。

一个完整的系统组成如图3.3所示：



















图3.3PLC系统组成

1、主机单元

主机单元，又称基本单元或CPU模块。它由CPU、存储器、基本输入\输出点和电源等组成，是PLC的主要部分。实际上它是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。

2、扩展单元

扩展单元也称扩展模块。当主机I\O点数量不足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I\O模块。根据I\O点数的数量不同、性质不同、供电电压不同、I\O扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能使用的I\O点数是由多种因素共同决定的。

3、特殊功能模块

当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。它们是完成某种特殊控制任务的一些装置，如运动控制模块、特殊通信模块。

4、相关设备

相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备，人机操作界面，网络设备等。

软件

软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序，对S7-200PLC来说与其配套的软件主要由编程软件和HMI人机界面的组态编程软件PROTOOL、WINCCFLEXIBLE.

二、I\O扩展模块

S7-200系列的PLC的主机提供一定数量的数字量I\O，在采购PLC时，用户可根据需要选择最合适的主机产品。S7-200PLC的I\O扩展模块有：

（1）输入扩展模块EM22I共有两种产品，即8点DC和8点AC。

（2）输出扩产模块EM222共三种产品，即8点DC和4点DC、8点AC、8点继电器和4点继电器。

（3）输入输出混合扩展模块共有6中产品。其中DC输入\DC输出的由三种，DC输入\继电器输出的有三种，它们对应的输入点数分别为4点、8点、16点。

（4）模拟量输入扩展模块EM231共有3中产品：4路模拟量输入，2路热电阻输入，4路热电偶输入。其中前者是普通的模拟量模块，可以用来连接标准的电流和电压信号；后两项是专门为特定的物理量输入到PLC而设计的模块。

（5）模拟量输出模块EM232只有一种2路模拟量输出的扩展模块产品。

（6）模拟量输入\输出扩展模块EM235只有一种4路AI\1路AO的产品。

三、人机界面HMI

人机界面最大的作用就是架起操作人员和及其之间的一座桥梁，除了能代替和节约大量的I\O点外，还能完成各种各样的参数设定、画面显示、数据处理的任务，从而使得工业控制变得更加舒适和友好，功能也更加强大。和S7-200PLC配套的主要由：文本显示器TD200和TD400、触摸屏TP170A和TP170B、键盘显示器OP170A、OP170B、OP77A、OP77B等。

PLC种类繁多，但其组成结构和工作原理基本相同。用PLC实施控制，按控制功能要求，通过程序按一定算法进行输入\输出变换，并应用于工业现场。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，它主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入\输出接口电路等组成。

PLC的结构框图如图3.4所示：































图3.4结构框图

1、中央处理单元

中央处理单元（CPU）一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片内，CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入\输出接口电路相连接。

CPU的主要任务是控制用户程序和数据的接收和存储；用扫描的方式通过I\O接口接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器；诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等；PLC进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传送、逻辑或算数运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，在经输出部件实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

2、存储器

PLC的存储器包括系统存储器和用户存储器俩部分。

系统存储器用来存放由PLC生产厂家编写的系统程序，并固化在ROM内，用户不能更改。它使PLC具有基本功能，能够完成设计者规定的各项工作。系统程序的内容主要包括三部分：系统管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块与系统调用管理程序。

用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器两部分。用户程序存储器用来存放用户针对具体控制任务用规定的PLC编程语言编写的应用程序。用户程序存储器根据所选用存储器单元类型的不同，可以是RAM、EPROM、EEPROM存储器，其内容可以由用户任意修改或增删。用户数据存储器可以用来存放用户程序中所使用器件的ON\OFF状态和数值、数据等。用户存储器的大小关系到用户程序容量的大小，是反映PLC性能的重要指标之一。

PLC使用的存储器类型有三种：ROM、RAM、EEPROM.

（1）只读存储器（ROM）ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失的，断电后，仍能保存储存的内容。ROM一般用来存放PLC的系统程序，该部分程序和数据由生产厂家直接烧制完成，用户不能修改。

(2)随机存取存储器（RAM）该类存储器用来保存PLC内部元器件的实时数据。RAM是读\写存储器，其中的数据实时改变。RAM的工作速度高，价格便宜。它是易失性的存储器，断电后，存储的信息将会丢失。过去一般用锂电池保存RAM中的用户程序和某些数据。锂电池可用2-5年，需要更换锂电池时，由PLC发出信号通知用户。现在大部分PLC已不用锂电池而改用大电容来完成临时的掉电保护功能，对重要的用户程序和数据则存储到非易失性的EEPROM中，RAM现在只用来存储一些不太重要的数据。

（3）可电擦除可编程的只读存储器（EEPROM）EEPROM是非易失性的，兼有ROM的非易失性和RAM的随机存储的优点。现在EEPROM用来存放用户程序和需要长期保存的重要数据。

3、PLC输入/输出单元

PLC的输入和输出信号类型可以是开关量、模拟量。输入\输出接口单元包括两部分：一部分是与被控设备相连接的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。

输入单元接收来自用户设备的各种控制信号，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的信号。外部接口电路将这些信号转换成CPU能够识别和处理的信号，并存到输入映像寄存器。运行时CPU从输入映像寄存器读取输入信息并结合其它元器件最新的信息，按照用户程序进行计算，将有关输出的最新计算结果放到输出映像寄存器。输出映像寄存器由输出点相对应的触发器组成，输出接口电路将由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、指示灯等被控设备的执行元件。



3.4PLC的主要特点及功能

PLC，即可编程逻辑控制器专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算顺序控制定时计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程1.PLC的特点

1)灵活、通用

在继电器控制系统中，使用的控制装置是大量的继电器，整个系统是PLC是通过在存储器中的程PLC还可用于不同控制对象，通过改变软件则可实现不同PLC具有很大的灵活性和通用性，结构形式多

2)可靠性高、抗干扰能力强

可靠性是工业控制器件的重要指标。因此，要求在各种恶劣工作环(如电磁干扰、灰尘等)下可靠工作，将故障率降至最低。PLC

3)编程简单、使用方便

PLC采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程，容易掌握。PLC大多采用梯形图语言编程方式，它既继承了继电器控制线路PLC的控制速度还是足够快的。此外，PLC的I/O接口可直接与控制现场的用户设备联接。如继电

4)接线简单

PLC只需将输入设备(如按钮、开关等)与输入端子联接，将输出设(如接触器、电磁阀等)与输出端子联接。接线极其简单、工作量极少。

5)功能强

PLC不仅具有条件控制、时、计数、步进等控制功能，而且还能A/D.D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控PLC既可对开关量进行控制，又可对模拟量进行控制。可控

6)体积小、重量轻、易于实现机电一体化2.PLC的主要功能

PLC是应用面很广，发展非常迅速的工业自动化装置，在工厂自动(FA)和计算机集成制造系统(CIMS)内占重要地位。今天的PLC功能，

PLC系统一般由以下基本功能构成多种控制功能

数据采集、存储与处理功

通信联网功能

输入/输出接口调理功能

人机界面功能

编程、调试功能

1)控制功能

逻辑控制PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能，

定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定：接

计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC

2)数据采集、存储与处理功能

数学运算功能包括：

基本算术：加、减、乘、除扩展算术：平方根、三角函数和浮点运算比较：大于、小于和等于数据处理：选择、组织、规格化、移动和先入先出模拟数据处理：PID、积分和滤波。

3)输入/输出接口调理功能

具有A/D.D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节

4)通信、联网功能

现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程

执行CPU自诊断

处理通信请求

执行程序



写输出



读输入