电气与PLC控制技术
5.1概论
惠州学院
曾德灿
第5章 可编程控制概述

课程回顾

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电气与PLC控制技术
PLC概念
Programmable Logic Controller(PLC)
Programmable Controller(PC)
可编程控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上，逐步发
展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融
为一体的新型工业自动控制装置。
PLC 可编程控制器
美国电气制造商协会（NEMA）

1.PLC是数字运算操作的电
子装置。
2.工业环境下应用。
3.易于扩展功能。

电气与PLC控制技术
5.1.2 可编程序控制器的特点
编程方法简单易学
功能完善、适应性强
系统的设计、安装、调试工作量少、维修方便
可靠性高、抗干扰能力强
体积小、重量轻、功耗低、性价比高

电气与PLC控制技术
应用行业

电气与PLC控制技术
可编程控制器的应用领域
PLC的应用通常可分为五种类型：
开关量的逻辑控制
模拟量与过程控制
运动控制
数据处理
通信和联网

电气与PLC控制技术
DEC
研制
通用
招标
IEC
标准化
起源与发展
1968年，美国最大
的汽车制造商通用
汽车公司GM，为了
适应汽车型号不断
更新的需要，提出
了十条技术指标在
社会上公开招标，
制造一种新型的工
业控制装置。
1969年美国数字
设备公司（DEC）
根据招标的要求，
研制出世界上第一
台可编程序控制器，
并在GM公司汽车
生产线上首次应用
成功。
1982、1985、
1987年国际电工
委员会
（Internation
al Electrical
Committee）
颁布的PLC标准
草案。

电气与PLC控制技术
发展趋势及对工业的影响
1、发展趋势
 （1）在系统构成规模上，向大、小两个方向发展
 （2）开发各种智能模块，不断增加过程控制能力
 （3）通信网络功能不断增强
 （4）编程语言与编程工具向标准化和高级化发展
 （5）发展冗错技术
2、对工业的影响

电气与PLC控制技术
5.3 可编程控制器的硬件组成
硬件系统是由输入部分、逻辑部分和输出部分组成。

电气与PLC控制技术
1. 中央处理单元CPU
计算和控制中心。它的性能（位数和主频）决定
了PLC的运算速度和信息处理量的大小。

电气与PLC控制技术
2. 存储器
系统程序存储区：存放系统软件，固化在ROM或EPROM
等只读存储器中。
用户程序存储区：存放用户
程序
变量（数据）存储区：存
放内部变量或数据
通常采用低功耗的
CMOS-RAM存储器加
备用电池，可读写

电气与PLC控制技术
是CPU连接工业现场设备的桥梁。
CPU：
标准电平
弱电
数字量
外部设备：
开关量、模拟量
不同电压等级的交流、直流量
高速、低速信号
远程、本地信号
输入/输出接口
PC厂家为用户提供各种类型的I/O接口电路。
3.输入/输出模块

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 多种输出方式：
 晶体管
 晶闸管
 继电器

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4、智能接口模块
 PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭
环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。
5、电源
 PLC配有开关式稳压电源的电源模块，用来将外部供电
电源转换成供PLC内部CPU、存储器和I/O接口等电路
工作所需的直流电源。

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6、编程器
 简易编程器
 带有显示屏的编程器
 计算机编程
7、其他部件
 EPROM写入器、外存储器、人/机接口装置等。

5-2 可编程控制器概述II

电气与PLC控制技术
可以编程控制器的结构

电气与PLC控制技术
 按结构形式分
 单元式PLC 将电源、CPU、RAM/ROM、I/O接口等部件都集中装
在一个机箱内，具有结构紧凑、体积小、价格低等特点。
5.2.2可编程控制器的分类

缺点：点数固定，经常I/O不能满足需要
优点：结构紧凑、体积小、成本低、安装方便
扩展单元：
（不含CPU和电源）
品种繁多、配置灵活
一般用于规模小，点数固定，不需要扩展的场合。

电气与PLC控制技术
 模块式PLC 将PLC各组成部分分别作成若干个单独的模块，
如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的含在CPU模块中）以
及各种功能模块。

除了各种模块外，还有一块带有插槽的母板。一
般用于规模大，点数多场合。
缺点：体积较大
优点：结构灵活、安装、扩展、维修方便

电气与PLC控制技术
 叠装式PLC 还有一些PLC将单元式和模块式的特点结合
起来。
 同一系列外形一致，CPU和I/O可独立，不用母板

按规模及功能分类

电气与PLC控制技术
 按I/O点数
 超小型PLC I/O点数小于64点
 小型PLC I/O点数为256点以下的为小型PLC
 中型PLC I/O点数为256点以上、2048点以下的为中型PLC
 大型PLC I/O点数为2048以上的为大型PLC
 超大型PLC I/O点数超过4000点

可编程控制器的性能指标
 1、编程语言及指令功能
 2、I/O总点数
 3、用户程序存储容量
 4、扫描速度
 5、内部寄存器的配置与容量
 6、其他功能

可编程控制器的软件

电气与PLC控制技术
可编程控制器的软件
系统程序
运行管理
生成用户元件
系统内部自检
管理程序
编译程序
标准程序模块、系统调用
应用程序
自动化系统控制程序
数据表格
软件系统

系统程序包括系统管理程序，用户指令解释程序和供系统调用
的专用标准程序块等。
系统管理程序用于运行管理、存储空间分配管理和系统的自检，
控制整个系统的运行；
用户编译程序是把应用程序（梯形图）的输入翻译成机器能够识
别的机器语言；
标准程序模块是由许多独立的程序块组成，各自能完成不同的功
能。
系统程序由PLC生产厂家提供，并固化在EPROM中，用户不能
直接读写。
可编程序控制器的系统软件

5.2 可编程序控制器的应用软件
1、应用软件
是用户为达到某种控制目的，采用PLC厂家提供的
编程语言自主编制的程序。
使用PLC实现某种控制目的，用存储在计算机中的
程序实现控制功能，就是人们所指的存储逻辑。
应用程序是一定控制功能的表述。同一台PLC用于
不同的控制目的时就需要编制不同的应用软件。
用户软件存入PLC后如需改变控制目的可多次改写。
2、继电接触器与PLC控制方案的比较

例1 用继电接触器实现电动机启／停控制
QS
FR
FU
KM
M
3~
工作原理:
合刀开关QS
按SB1→KM线圈得电
按SB2→KM线圈失电
M
3~
M
3 ~
→KM辅助触头闭合自
锁→KM主触头闭合
→M运转
→KM辅助触头解除自
锁→KM主触头断开
→M停转
KM
SB1
KM
SB2
FR
主电路
控制电路

QS
FR
FU
KM
M
3~
M
3~
M
3 ~
KM
FR
X0
X1
COM
Y0
COM1
Y0
X0
Y0
~ 220 V
SB1
SB2
PLC
X1
例2 用PLC实现电动机启／停控制
主电路
控制电路
用户程序

例3 用继电接触器实现电动机 正／反转控制
U V W
QS
FR
FU
M
3 ~
~ ~
KM1
KM2
KM2
SB1
SB3
FR
SB2
KM1
KM2
KM1
KM2
KM1

QS
FR
FU
M
3 ~
KM2
按SB1→KM1得电 →KM1常开触头闭合→M运转
误按SB2→KM2得电
若去掉互锁 —合QS，
→KM2常开触头闭合→
U V W
则电源U、W相间短路
M
3 ~
→ 熔断器
FU烧毁！
KM1
互锁设计
KM
2
SB1
SB3
KR
SB2
KM1
KM2
KM
1
KM2
KM1
加互锁
防止短路
KM1
KM2

采用电气和机械双重互锁的电动机正／反转控制电路
利用复合按钮
SB1、SB2，实
现机械互锁
正转反转
直接转换
KM1和 KM2的
电气互锁必
不可少！
Qs
KR
FU
M
3 ~
KM1
KM2
KM2
SB1
SB3
FR
SB2
KM1
KM2
KM1
KM2
KM1
U V W

例4 用PLC实现电动机 正、反转控制
PLC内部
用户程序
Y0
X0
Y0
X2
Y1
X1
Y1
X2
X1
X0 Y0
Y1
QS
FR
FU
M
3 ~
KM1 KM2
U V W
KM1
FR
X0
X1
COM
Y0
COM1
SB1
SB2
PLC
SB3 X2
KM2
KM1
Y1
KM2
~ 220 V

电气与PLC控制技术
用户程序
用户程序的编程语言
顺序功能流程图（SFC）
梯形图（LD或LAD）
功能块图（FBD）
指令表（IL或STL，语句表）
高级语言
用户在PLC提供的编程环境下编制的完成控制功能的程序。

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（1）梯形图（LAD）编程
符号对照

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典型的梯形图示意图

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（2）指令表（STL）编程
指令表编程举例
a）梯形图 b）指令表

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（3）顺序功能图编程

可编程控制器的应用软件
 （4）功能块图（Function block diagram）功能块图是一种类
似于数字逻辑电路的编程语言，熟悉数字电路的人比较容易掌握。
 该编程语言用类似与门、或门的方框来表示逻辑运算关系，方框
的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入端、输出
端的小圆点表示“非”运算，信号自左向右流动。就像电路图一
样，它们被“导线”连接在一起，如下图所示。
Sw1
OR
AND
Test1
Test2
%IX3
SR
S1 Q1
R
Reset
Start

可编程控制器的应用软件
 （5）结构文本（Structured text）随着PLC技术的飞速发展，
如果许多高级功能还使用梯形图来表示，会很不方便。为了增强
PLC的数学运算、数据处理、图表显示、报表打印等功能，方便
用户的使用，许多大中型PLC都配备了PASCAL、BASIC、C等高级
编程语言。这种编程方式叫结构文本。与梯形图相比，结构文本
有两个很大的优点，其一是能实现复杂的数学运算，其二是非常
简洁和紧凑，用结构文本编制极其复杂的数学运算程序可能只占
一页纸。结构文本用来编制逻辑运算程序也很容易。

电气与PLC控制技术
可编程控制器的工作原理
PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后便成
为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统
工作任务管理及用户程序的执行都是用循环扫描
方式来完成。
扫描工作方式
PLC的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作
方式，每一次扫描所用的时间称为扫描周期。扫描从
0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无间
断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增的方向顺序
逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直
到程序结束，每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，
然后再从头开始扫描，并周而复始的重复。

电气与PLC控制技术
可编程序控制器的工作过程
3）输出刷新阶段
1）输入采样阶段 2）程序执行阶段

电气与PLC控制技术
PLC系统正常时要完成以下任务：
 （1）计算机内部各工作单元的调度、监控；
 （2）计算机与外部设备间的通讯；
 （3）用户程序所要完成的工作。
PLC执行扫描用户程序的过程分为：
 输入采样阶段
 程序执行阶段
 输出刷新阶段

电气与PLC控制技术
扫描周期的计算
扫描周期
T =自检时间+读入一点时间×输入点数+程序步
数×运算速度+输出一点时间×输出点数。
【例5-1】
解：扫描40点I/O所需要的时间为：T1＝0.03ms/8点×40点＝
0.15ms
扫描1000步用户程序所需要的时间为：T2＝0.74μs/步×1000
步＝0.74ms
自诊断所需要的时间为：T3＝0.96ms
PLC运行时不接外设，通信时间为：T4＝0
扫描周期T＝T1＋T2＋T3＋T4＝1.85ms

电气与PLC控制技术
PLC的I/O响应时间
PLC的I/O响应时间又称I/O滞后时间，是指
PLC外部输入信号发生变化的时刻至它控制的有
关外部输出信号发生变化的时刻止之间地间隔。
它主要由因扫描工作方式产生的滞后时间、输入
电路的滤波和输出模块的滞后时间三部分组成。
PLC总的响应时间一般只有数十毫秒。

PLC与继电接触器系统工作原理差别
1.继电接触器所有的触点动作是和它的线圈通电
或断电同时发生的。
2.PLC由于 分时扫描执行，触动作点和线圈工
作 并不同时发生。
3.串行VS并行

电气与PLC控制技术
习题
5-1 PLC具有什么特点？为什么PLC具有高可靠
性？
5-2 PLC硬件由哪几部分构成？各有什么特点？
5-3 PLC的应用领域由哪些？
5-4 简述PLC的扫描工作过程？
5-5 PLC是如何分类的？
5-6简述PLC的发展趋势。
5-7什么叫PLC的扫描周期？其长短与什么有关？
5-8 PLC为什么会产生输出响应滞后现象？如何
提高I/O响应速度？