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第4章 PLC概述
第一节 PLC的概念
第二节 PLC的结构和工作原理
可编程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC ）是集自动控制技术、计算机技术和通讯技术与一体的一种新型工业控制装置，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化三大支柱（PLC、ROBOT、CAD/CAM）之一，在工业生产的许多领域得到广泛的使用。
传统的生产机械自动控制装置→继电器控制系统
优点→结构简单、价格低廉、容易操作 。
缺点→体积庞大、生产周期长、接线复杂、故障率高、可靠性及灵活性差 。
应用→比较适用于工作模式固定，控制逻辑简单等工业应用场合。
第一节 PLC的概念
一、PLC的产生和定义
用户迫切需要一种先进的自动控制装置
继电器控制系统
先进自动控制系统
对先进自动控制装置提出设想：
把计算机的功能完善、通用、灵活等优点和继电器控制系统
的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一
种通用控制装置。把计算机的编程方法和程序输入方式加以
简化，采用面向控制过程、面向对象的语言编程。
工业控制单板机（计算机） 继电器控制系统 先进控制装置
可编程序逻辑控制器的产生
美国数字设备公司（DEC）根据这一设想，于1969年研制成功了第一台可编程序控制器。由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。
PLC的定义
经历：可编程逻辑控制器（PLC）→可编程控制器
（PC）
通用叫法：可编程序控制器（Programmable
Controller，PC），是一台专为工业环境应用而设计
制造的计算机。它具有丰富的输入/输出接口，并且
具有较强的驱动能力。但由于PC容易和个人计算机
（Personal Computer）混淆，所以人们还沿用PLC作
为可编程控制器的英文缩写。
国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用了可编程的存储器，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，并通过数字或模拟式输入/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部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
可编程控制器用于对外部设备的控制，外部信号的输入、PLC的运算结果的输出都要通过PLC输入/输出端子来进行接线，输入/输出端子的数目之和被称作PLC的输入/输出点数，简称I/O点数。由I/O点数的多少可将PLC的I/O点数分成小型、中型和大型。
1. 按输入/输出点数分类
小型PLC的I/O点数小于256点，以开关量控制为主，具有体积小、价格低的优点。可用于开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替继电器-接触器控制在单机或小规模生产过程中使用。
二、PLC的分类
中型PLC的I/O点数在256～1024之间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。
大型PLC的I/O点数在1024点以上。用于大规模过程控制，集散式控制和工厂自动化网络。
2.按结构形式分类
整体式结构和模块式结构
整体式结构：将CPU、存储器、输入/输出端子、指示灯等组
成部分集中于一体，安装在印刷电路板上，并连同电源一起
装在一个机壳内，形成一个整体，通常称为主机或基本单元。
如西门子S7-200系列，OMRON的C20P，三菱的F1系列 。
CPU（基本单元） + 扩展模块
PS
(电源模块)
CPU
IM
(接口模块)
SM:
DI
SM:
DO
SM:
AI
SM:
AO
CP:
- 点-到-点
- PROFIBUS
- 工业以太网
标准模块式结构化PLC ：各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的PLC应用系统。如：西门子S7-300、S7-400系列。
PLC的功能
控制功能
逻辑控制
定时控制
计数控制
顺序控制
三、PLC的功能与特点
数据采集、存储与处理功能
数学运算功能
数据处理
模拟数据处理
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。位数和精度可以根据用户要求选择。具有温度测量接口，直接连接各种热电阻或热电偶。
通信、联网功能
PROFIBUS DP
PROFIBUS PA (Ex)
PROFIBUS PA
人机界面功能
编程、调试等
使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。
STEP7
ProTool
MPI cable
有MPI接口的PG 或PC
PLC的特点
编程简单
控制灵活
功能强，可扩展性好，性价比高
可维护性好
可靠性高
体积小、能耗低
PLC与继电器控制系统的区别
继电气控制采用硬接线逻辑，利用继电器机械
触点的串联或并联，及时间继电器等组成控制逻
辑，接线复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦
系统构成，想再改变或增加功能都很困难；另外继
电器触点数目有限，因此灵活性和扩展性很差。
PLC采用软接线控制，其控制逻辑以程序方式存
储在内存中，要改变控制逻辑，只需要改变程序即
可，因此灵活性和扩展性都很好。
1、控制逻辑
2、工作方式
继电器控制系统属于并行工作方式，当电源接通
时，控制线路中各继电器同时都处于受控状态。
PLC控制系统属于串行工作方式，PLC控制逻辑
中，各内部器件都处于周期性循环扫描过程中，各
种逻辑、数值输出的结果都是按照在程序中的前后
顺序计算得出的。
3、可靠性和可维护性
继电器控制逻辑使用大量的机械触点，连线很
多。触点开闭时会受到电弧的损坏，并有机械磨
损，寿命短。可靠性和可维护性差。
PLC采用微电子技术，大量的开关动作由无触点
的半导体电路完成，体积小、寿命长、可靠性高。
PLC还有自检和监督功能，动态地监视控制程序的执
行，为现场调试和维护提供方便。
4、控制速度
继电器控制逻辑依靠触点的机械动作实现控制。
PLC属于无触点控制，即由程序指令控制半导体
电路。速度极快，无抖动。
5、定时控制
继电器控制逻辑利用时间继电器进行时间控制。
定时精度不高，定时范围窄，且易受环境的影响，
调整时间困难。
PLC使用半导体集成电路做定时器，精度很高，且
不受环境的影响，定时时间可由软件控制
6、设计和施工
继电器控制逻辑设计、施工、调试必须依次进
行，周期长，修改困难。PLC在系统设计完成后，现
场施工和控制逻辑的设计可以同时进行，周期短，
调试和修改都很方便。
PLC与单片机控制系统的区别
1、本质区别
单片机控制系统是基于芯片级的系统，而PLC控制
系统是基于板级的或模块级得系统。
2、使用场合
单片机控制系统适合于在家电产品、智能化仪器
仪表、玩具和批量化生产的控制器产品中使用。PLC
控制系统适合在单机电气控制系统、工业控制领域\
的制造业自动化和过程控制中使用。
3、使用过程
设计开发单片机控制系统需要设计硬件系统，画
硬件电路图，制作印刷电路板，焊电路板，硬件调
试，抗干设计，编程，系统联调等。
设计开发PLC控制系统需要设计硬件系统，外围电
气电路设计和连接，硬件工作量不大，软件编程简
单。
第二节 PLC的结构和工作原理
PLC主要由中央处理单元CPU、存储器、基本I/O接口电路、外设接口、编程装置、电源等组成。其中CPU是PLC的核心，I/O部件是连接现场设备与CPU之间的接口电路，编程装置将用户程序送入PLC。
对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内；对于模块式PLC，各功能部件独立封装，称为模块或模板。各模块通过总线连接，安装在机架或导轨上。基本机架与扩展机架之间的距离不宜太长，一般不超过10M。
输入单元
CPU
运算器
控制器
输出单元
电源
存储器
系统程序
用户程序
输
入
信
号
输
出
信
号
外设接口
I/O
扩展接口
编程器
打印机
监视器
上位机
I/O
扩展接口
PLC的工作原理
PLC是一种工业计算机，其工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，CPU采用分时操作方式来处理各项任务，即每一时刻只能处理一件事情，程序的执行是按照顺序依次执行。这种分时操作过程称为PLC对程序的扫描。扫描一次所用的时间称为扫描周期。PLC的扫描工作过程大致可以分为三个阶段：即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
PLC的扫描过程
PLC对输入/输出的处理原则
输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一刷新期间的接通和断开状态。
程序执行结果取决于用户所编程序和输入/输出映像寄存器的内容及其他各元件映像寄存器的内容。
输出映像寄存器的数据取决于输出指令的执行结果。
输出锁存器中的数据，由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。
输出端子的接通和断开状态，由输出锁存器决定。
第三节 PLC的编程语言
IEC61131-3为PLC制定了5种PLC的标准编程语言，其中有三种图形语言即梯形图（LAD－LAdder Diagram）、功能块图（FBD － Function Block Diagram）、顺序功能图（SFC － Sequential Function Chart）；两种文本语言，即指令表(IL-Instruction List)和结构化文本 (ST-Strutured Text)。
本章结束！

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