PLC电子教案.docx
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PLC电子教案
课时教案
单位：
授课教师：
课程
PLC系统设计与调试
第周第课时年月日
课题
模块一初识PLC
任务一从传统电气控制到PLC
授课班级
教学目标
知识
目标
1.了解PLC定义、产生、发展和应用
2.PLC控制系统和传统电气控制的异同
能力
目标
1.培养学生发现新事物、观察新事物并学习新事物的能力
2.明确课程内容和学习目标
3.了解PLC在工业控制中的地位和作用
素质
目标
1.树立安全生产，严谨求实的工程意识。
2.培养学生良好的职业道德行为习惯。
重点
PLC定义、PLC在工业控制中的作用
（做好第一次课的入门演示动画，培养同学们学习积极性）
难点
PLC控制和传统电气控制的异同
授课
方法
综合法（演示、讲练穿插、巡回指导）
课型
新授课
教具
实验
PLC实验箱、计算机、投影等
教学内容及过程
【本课程在专业培养课程体系中的地位】
【导入新课】
工业控制器
一、与PLC的初次会面
PLC是可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）的缩写，是作为传统继电-接触器的替代产品出现的。
国际电工委员会（IEC）在其颁布的可编程控制器标准草案中给PLC做了如下定义：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下的应用而设计。
它采用可编程的存储器，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命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产过程。
可编程控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则设计。
”PLC将传统的继电器控制技术和现代的计算机信息处理技术的优点有机结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备之一，成为现代工业生产自动化三大支柱（PLC、CAD/CAM、机器人）之一。
二、从传统电气控制到PLC
电气控制，是一个内容十分广泛的概念，电路的通断、电动阀门的开关、电动机的启动与调速等，都属于电气控制的范畴。
传统的继电接触器控制系统具有结构简单、价格低廉、容易操作、技术难度较小等优点，被长期广泛地使用在工业控制的各种领域中。
下面分别用继电器控制元件和PLC设计了一个卷扬机的正反转控制电路。
通过对控制原理的分析，认识什么是PLC？
图1-3为卷扬机正反转仿真图。
仿真动作见课件。
图1-3卷扬机正反转运行控制仿真图
主电路图控制电路图
图1-4卷扬机正反转继电器控制系统图
这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，因此，运行的可靠性较低。
主电路图PLC控制电路图
图1-5卷扬机正反转PLC控制系统图
图1-5是PLC控制原理图。
两种控制原理图中的主电路是一样的，控制电路不相同，PLC控制电路所有按钮和触点输入以及接触器线圈均接到了PLC上，从接线方面来看要简单的多，其控制功能是由PLC内部的程序决定，通过更换程序可以更改相应的控制功能，从这一点上看要比继电器控制电路方便的多。
例如：
要求电机停止30s后自动反向运行。
对于继电器构成的控制回路则需要添加时间继电器，重新设计原理图并接线；而PLC控制回路可以不变接线，只需要修改PLC内部程序即实现新的控制功能。
电动机的传统控制方法和PLC控制方法的比较：
（1）PLC控制系统结构紧凑
（2）PLC内部大部分采用“软”逻辑
（3）PLC控制功能改变极其方便
（4）PLC控制系统制造周期短
此外，由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，因此，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。
三、追寻PLC的发展史
20世纪60年代末期，美国的汽车制造工业竞争异常激烈。
为了适应生产工艺不断更新的需要，降低成本，缩短新产品的开发周期，美国通用汽车公司（GM公司）在1968年提出了招标开发研制新型顺序逻辑控制装置的十条要求，它就是有名的十条招标指标。
主要内容如下：
（1）编程简单，可在现场修改和调试程序。
（2）维护方便，各部件最好是插件式的装置。
（3）可靠性高于继电器控制柜。
（4）体积小于继电器控制柜。
（5）可将数据直接送入管理计算机。
（6）在成本上可与继电器控制柜竞争。
（7）输入可以是交流115V（注：
美国电网电压为110V）。
（8）输出为交流115V、2A以上，能直接驱动电磁阀。
（9）具有灵活的扩展能力，在扩展时原系统只需做很少的变更。
（10）用户程序存储容量至少能扩展到4KB（根据当时的汽车装配过程的要求提出的）。
1969年，美国数字设备公司（DEC公司）根据十项招标的要求，研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14。
用它代替传统的继电器控制系统，在美国通用汽车公司的自动装配线上试用，获得了成功。
PLC的出现引起了世界各国的普遍重视，日本和西欧国家通过引进技术也分别于1971年和1973年研制出自己的可编程控制器。
从此以后PLC装置遍及世界各发达国家的工业现场。
我国对此项技术的研究始于1974年，3年后进入工业应用阶段。
正是由于PLC具有多种功能，并集三电（电控装置、电仪装置、电气传动控制装置）于一体，使得PLC在工厂中备受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。
综述：
作为传统继电器的替代产品出现的
集计算机技术、自动控制技术和通信技术为一体的产物
新型的通用的工业自动化装置
现代工业生产自动化三大支柱（PLC、CAD/CAM、机器人）之一。
作业：
（1）第一台PLC产生的时间是（）。
A.1967年B.1968年C.1969年D.1970年
（2）PLC控制系统能取代继电-接触器控制系统的（）部分。
A.整体B.主电路C.接触器D.控制电路
（3）可编程控制器的定义是什么？
（4）PLC是如何分类的？
PPT
演示讲解
巡回指导
练习巩固
讨论交流
讲练穿插
课时教案
单位：
授课教师：
课程
PLC系统设计与调试
第周第课时年月日
课题
模块一初识PLC
任务二了解PLC的主要特点及应用
任务三了解PLC的性能及选型
授课班级
教学目标
知识目标
了解PLC在工业控制中的应用及优点，掌握PLC的性能指标和选型原则。
能力目标
通过对实验装置的认识和了解，掌握PLC的应用领域、选型原则。
素质目标
培养学生安全实操的良好行为习惯
培养学生良好的道德行为习惯，加强礼仪礼貌教育。
重点
PLC性能指标、选型原则
难点
PLC选型
授课
方法
演示、讲解、实物
课型
新授课
教具
实验
PLC实验箱、计算机、投影等
教学内容及过程
【组织教学】
【复习】
1、PLC的定义概念是什么？
【导入新课】
一、PLC的主要特点
PLC的设计是站在用户立场，以用户需要为出发点，以直接应用于各种工业环境为目标，同时又不断采用先进技术求发展。
可编程控制器经过近四十年的发展，已日臻完善。
其主要特点为：
（1）可靠性高、抗干扰能力强
（2）编程简单易学
（3）使用维护方便
a．硬件配置方便。
b．安装方便。
c．使用方便。
d．维护方便。
（4）体积小、重量轻、功耗低。
（5）设计施工周期短。
二、PLC的应用领域
PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石化、电力、机械制造、汽车制造、环保及娱乐等各行各业。
其应用大致可分为以下几种类型：
（1）用于逻辑开关和顺序控制
这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如：
机床电气、电机控制等；亦可取代顺序控制，如：
高炉上料、电梯控制等。
（2）机械位移控制
位移控制是指PLC使用专用的位移控制模块来控制驱动步进电机或伺服电机，实现对机械构件的运动控制。
世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械手、数控机床、机器人、电梯等场合。
（3）数据处理
现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。
这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。
数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
（4）用于模拟量的控制
PLC具有D/A、A/D转换及算术运算功能，可实现模拟量控制。
现在大型的PLC都配有PID（比例、积分、微分）子程序或PID模块，可实现单回路、多回路的调节控制。
（5）用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。
新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便，可以实现对整个生产过程的信息控制和管理。
任务三了解PLC的性能及选型
我们在一个控制系统里使用PLC，PLC种类很多，功能不同，如何根据我们的控制要求选用我们需要的PLC呢？
一、PLC的性能指标
虽然各PLC生产厂家产品的型号、规格和性能各不相同，通常可以按照以下七种性能指标来进行综合描述。
（1）I/O点数
输入/输出点数是指PLC输入信号和输出信号的数量，也就是输入、输出端子数总和。
（2）存储容量
存储容量是指PLC中用户程序存储器的容量，也就是用户RAM的存储容量。
注意：
“内存容量”实际是指用户程序容量，它不包括系统程序存储器的容量。
程序容量与最大I/O点数大体成正比。
（3）扫描速度
扫描速度一般指执行一步指令的时间，单位为us/步。
有时也以执行1000步指令的时间计，其单位为ms/千步。
PLC用户手册一般给出执行各条指令所用的时间，可以通过比较各种PLC执行相同的操作所用的时间，来衡量扫描速度的快慢。
（4）编程语言与指令系统
PLC的编程语言一般有梯形图、助记符、SFC（SequentialFunctionChart）以及高级语言等。
（5）内部寄存器
PLC内部有许多辅助寄存器给用户提供特殊功能，以简化整个系统设计。
内存寄存器的种类多少、容量大小和配置情况是衡量PLC硬件功能的一个主要指标。
（6）功能模块
常用的功能模块主要有：
A/D和D/A转换模块、高速计数模块、位置控制模块、速度控制模块、轴定位模块、温度控制模块、远程通信模块、高级语言编辑模块以及各种物理量转换模块等。
（7）可扩展能力
PLC的可扩展能力主要包括I/O点数的扩展、存储容量的扩展、联网功能的扩展和各种功能模块的扩展等。
在选择PLC时，经常需要考虑到PLC的可扩展性。
二、PLC的分类
可编程控制器产品的种类很多，一般可以从它的结构形式、输入／输出点数及功能进行分类。
（1）按结构形式分类
有整体式和模块式两种结构形式。
整体式PLC：
又称单元式或箱体式，特点是结构紧凑、体积小、重量轻、价格低。
图1-6整体式PLC外观图
模块式PLC：
将各部分以单独的模块分开，形成独立单元，使用时可将这些单元模块分别插入机架底板的插座上。
特点是组装灵活，便于扩展，维修方便，可根据要求配置不同模块以构成不同的控制系统。
一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。
主基板模块式PLC
图1-7模块式PLC外观图
（2）按输入输出点数和内存容量分类
分为微型机、小型机、中型机、大型机、超大型机等类型。
I／O点数小于32为微型PLC；
I／O点数在32～128为微小型PLC；
I／O点数在128～256为小型PLC；
I／O点数在256～1024为中型PLC；
I／O点数大于1024为大型PLC；
I／O点数在4000以上为超大型PLC。
以上划分不包括模拟量I／0点数，且划分界限不是固定不变的。
不同的厂家也有自己的分类方法。
三、PLC的选型
（1）PLC的类型的选择
从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
（2）输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。
例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。
对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。
输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
（3）电源的选择
一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。
重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。
为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
（4）存储器的选择
按256个I/O点至少选8K存储器选择。
需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
（5）经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。
考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，最终选出较满意的产品。
输入输出点数对价格有直接影响。
每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。
当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。
复习
巩固
演示讲解
巡回指导
边学边练
课时教案
单位：
授课教师：
课程
PLC系统设计与调试
第周第课时年月日
课题
模块一初识PLC
任务四PLC的内部结构及工作原理
授课班级
教学目标
知识目标
了解PLC内部结构（重点输入输出的内部接线构造）；掌握PLC循环扫描工作原理，了解PLC的性能指标。
能力目标
通过对实验装置的认识和了解，掌握PLC的组成、使用、以及PLC接口基本常识。
掌握实训装置接线原则、方法
素质目标
培养学生安全实操的良好行为习惯
培养学生良好的道德行为习惯，加强礼仪礼貌教育。
重点
PLC外部端子接线、PLC工作原理
难点
PLC内部结构、工作原理
授课
方法
演示、讲解、实物
课型
新授课
教具
实验
PLC实验箱、计算机、投影等
教学内容及过程
【组织教学】
【复习】
1、PLC的定义概念是什么？
【导入新课】
一、PLC的内部结构
PLC采用了典型的计算机结构
图1-8PLC的硬件系统结构
1．中央处理器CPU（CentralProcessingUnit）
CPU是整个PLC的核心，是一个控制指挥的中心。
2．存储器（Memory）
PLC的存储器由系统存储器和用户存储器组成。
系统存储器用来存放系统管理程序，用户不能修改。
用户存储器包括用户程序存储器和数据存储器，用来存放用户编制的梯形图程序或用户数据，常用高效的锂电池作后备电池。
PLC产品样本或使用手册中所列存储器的形式及容量是指用户存储器。
当PLC提供的用户程序存储器容量不够用，可用扩充存储器卡盒。
3．输入/输出接口电路
（a）直流输入的接口电路（b）继电器输出型接口电路
（c）晶体管输出型接口电路（d）晶闸管输出型接口电路
图1-9常用的PLC接口电路
①输入接口电路
采用光电耦合电路与现场输入信号相连是为了增强抗干扰能力，防止现场的强电干扰信号进入PLC。
光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般是由发光二极管和光电三极管组成。
光耦合器的抗干扰性能：
由于输入和输出端是靠光信号耦合的，在电气上是完全隔离的，因此输出端的信号不会反馈到输入端，也不会产生地线干扰或其他串扰。
②输出接口电路
抗干扰：
采用光电耦合电路。
功率驱动：
有继电器、晶体管和晶闸管（可控硅）三种输出方式。
继电器输出型为有触点输出方式，适用于低速、大功率交直流负载，负载电流大于2A，这种方式存在继电器触点的电气寿命和机械寿命问题。
晶体管输出型为无触点输出方式，适用于高速、小功率直流负载，负载电流约0.5A。
晶闸管输出型为无触点输出方式，适用于高速、大功率交流负载。
负载电流约为1A。
4．电源
PLC配有开关电源，供内部电路使用。
与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。
对电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。
许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。
5．其它接口电路
通信接口电路扩展接口电路。
二、S7-200PLC外部端子接线
1．输入接线
2．输出接线
三、PLC工作原理
1．PLC的工作方式
PLC采用循环扫描工作方式，即按照“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作。
整个工作过程可分为自诊断、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理五个阶段.
图1-10PLC循环扫描示意图
（1）自诊断每次扫描用户程序之前，都先执行故障自诊断程序。
自诊断内容包括I/O部分、存储器、CPU等，并且通过CPU设置定时器来监视每次扫描是否超过规定的时间，发现异常停机，显示出错。
若自诊断正常，继续向下扫描。
（2）通信服务PLC检查是否有与编程器、计算机等的通信要求，若有则进行相应处理。
（3）输入处理（又称输入刷新）PLC在输入刷新阶段，首先按顺序从输入锁存器中读入所有输入端子的状态或数据，并将其存入内存中为其专门开辟的暂存区——输入状态映像区中，这一过程称为输入采样或输入刷新。
随后关闭输入端口，进入程序执行阶段。
在程序执行阶段，即使输入端状态有变化，输入状态映像区中的内容也不会改变。
变化了的输入信号的状态只能在下一个扫描周期的输入刷新阶段被读入。
（4）程序执行PLC在程序执行阶段，按用户程序顺序执行每条指令，从输入状态映像区中读取输入信号的状态，经过相应的运算处理后，将结果写入输出状态映像区。
程序执行时CPU并不直接处理外部输入输出接口中的信号。
（5）输出处理（又称输出刷新）同输入状态映像区一样，PLC内存中也有一块专门的区域称为输出状态映像区，当程序所有指令执行完毕，输出状态映像区中所有输出继电器的状态在CPU的控制下被一次集中送至输出锁存器中，并通过一定输出方式输出，推动外部相应执行元件工作，这就是PLC的输出刷新阶段。
可以看出，PLC在一个扫描周期内，对输入状态的扫描只是在输入采样阶段进行，对输出赋的值也只有在输出刷新阶段才能被送出，而在程序执行阶段输入输出被封锁。
这种方式称作“集中采样、集中输出”。
2．扫描周期
扫描周期即完成一次扫描所需时间。
由PLC的工作过程可知，一个完整的循环扫描周期T应为：
T=（读入一点时间×输入点数）+（运算速度×程序步数）+（输出一点时间×输出点数）+监视服务时间
扫描周期的长短主要取决于三个因素：
一是CPU执行指令的速度；二是每条指令占用的时间；三是执行指令条数的多少，即用户程序的长短。
扫描周期越长，系统的响应速度越慢。
优点：
抗干扰缺点：
输出滞后
总之，采用循环扫描的工作方式，是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点，在学习时应充分注意。
通过循环扫描工作方式，有效地实现输入信号的延时滤波作用，提高了PLC的抗干扰能力，同时要求输入信号的接通时间至少要保持一个扫描周期以上的时间。
阅读吧
如何下载PLC的资料与软件？
目前，国际上生产可编程控制器的厂家大多具有专业网站，可提供相关技术支持与讨论，并可从网站中下载一些免费资料或软件。
西门子PLC的相关资料可在其下载中心网站下载；西门子工业业务领域的网站是。
三菱电机公司的PLC资料可在其工控网站下载。
三菱电机自动化（上海）有限公司的网址是：
。
中国工业自动化网：
、中国工控网等专题网站也可下载PLC相关资料，同时提供了同行交流的平台。
四、知识测评
（1）在PLC中程序指令是按“步”存放的，如果程序为8000步，则需要存储单元（）K。
A.8B.16C.4D.2
（2）一般情况下在对PLC进行分类时，I／O点数为（）点时，可以看做为大型PLC。
A.128点B.256点C.512点D.1024点
（3）对以下四个控制选项进行比较，选择PLC控制会更经济更有优势的是（）。
A.4台电动机B.6台电动机C.10台电动机D.10台以上电动机
2.简答PLC与继电-接触器控制比较有哪些优点？
复习
巩固
演示讲解
巡回指导
边学边练
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