PLC基础理论知识培训资料学员版.docx
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PLC基础理论知识培训资料学员版
可编程控制器的基础知识介绍
第一课时：
讲解PLC的背景，特点，应用及工作原理
1．PLC的背景
20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种生产机械，这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统。
由于它结构简单、容易掌握、价格便宜，在一定范围内能满足控制要求，因而使用面甚广。
在工业控制领域中占主导地位。
但是继电接触器控制系统有明显的缺点：
设备体积大，可靠性差，动作速度慢，功能少，难于实现较复杂的控制。
特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统，连线复杂，当生产工序或对象需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，所以通用性和灵活性较差。
20世纪60年代，由于小型计算机的出现和大规模生产及多机群控的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求，但由于价格高，输入输出电路不匹配和编程技术复杂等原因。
一直没能得到推广应用。
20世纪60年代末，美国的汽车制造业激烈竞争，各个厂家生产的汽车型号也不断更新，它必然要求生产线的控制系统也随之改变，以及对整个控制系统重新配置。
为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚，适应市场的竞争要求，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，就是著名的“GM十条”。
这些要求实际上提出了将继电接触器控制的简单易懂、使用方便、价格低廉的优点，与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来。
将继电接触器的硬连线逻辑转变成计算机的软件逻辑变成的设想。
1969年美国数据设备公司（DEC）根据上述要求，研制开发出世界上第一台可编程控制器，并在GM公司汽车生产线上首次应用成功。
当时人门把它称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC。
它主要用来取代继电接触器逻辑控制，系统功能仅限于执行继电器逻辑，计时，计数等。
随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期出现了微处理器和微计算机，人们把微机技术应用到PLC中，使它能够更多的发挥计算机的功能。
不仅用逻辑编程取代硬连线逻辑，还增加了运算，数据传送和处理等功能，使它真正成为一种电子计算机工业控制设备。
国外工业界在1980年正式命名其为可编程控制器（Programmable Controller）简称PC。
但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC 。
2．PLC的定义
PLC一直在飞速的发展中，因此到现在为止，还未能够对其下一个十分确切的定义。
国际电工委员会（IEC）曾与1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿，该草案对PLC的定义是：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。
它采用可编程序的存储器，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输出，控制各种类型机械的生产过程。
”
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学，调试与查错也都很方便。
用户在购到所需的PLC后，只需按说明书的提示，做少量的接线和简易的用户程序的编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同。
3．PLC的特点和种类
㈠PLC的特点：
①抗干扰能力强，可靠性高
工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化。
PLC专门为工业环境下应用而设计的，因此人们在设计PLC的时候就从硬件和软件上都采取了抗干扰的措施，提高了其可靠性。
A、硬件措施：
B、软件措施：
②控制系统结构简单，通用性强使用方便。
③编程方便，易于使用。
④功能完善
⑤设计、施工、调试的周期短
⑥体积小，维护操作方便
㈡PLC的种类：
目前，世界上有200多个厂家生产可编程控制器产品，比较著名的厂家有：
美国的AB、通用（GE）、莫迪康（MODICON）、日本的三菱（MITSBISHI）、欧姆龙（OMRON）、富士电机（FUJI）、松下电工、德国西门子（SIEMENS）、法国的TE、施耐德（SCHNEIDER）、韩国的三星（SUMSUNG）、LG等
4．PLC的应用领域
由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降，使得PLC的成本下降。
并且PLC的功能大大增强，它也能够解决复杂的计算和通信问题。
使得PLC的应用越来越广泛。
目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、装卸、造纸、纺织、环保、和娱乐等行业。
PLC成为现代工业控制的三大支柱（PLC、机器人和CAD/CAM）之一。
1、顺序控制（开关量的逻辑控制）
2、模拟量控制
3、过程控制
4、定时和记数控制
5、数据处理
6、通信和连网
5．PLC的分类
1、按照I/O点数容量分类
⑴小型机
一般以开关量为主，我们公司大多使用的都是小型机。
输入输出总点数在256点一下，用户程序存储器容量在4K字左右。
典型的小型机有西门子公司的S7-200、OMRON公司的CPM2A系列、三菱公司的FX系列和AB公司的SLC500系列等整体式PLC产品。
⑵中型机
中型机的输入输出总点数在256~2048点之间，用户程序存储器容量达到8K字左右。
典型的中型机有西门子公司的S7-300系列、欧姆龙公司的C200H系列、AB公司的SLC500系列等模块式PLC产品。
⑶大型机
大型机的输入输出总点数在2048点以上，用户程序存储器容量达到16K字左右。
典型的大型机有西门子公司的S7-400、欧姆龙公司的CVM1和CS1系列、AB公司的SLC5/05等系列产品。
2.按结构形式分
⑴整体式结构例如：
西门子的S7200系列
⑵模块式结构例如：
西门子的S7-300和S7-400系列
6．PLC的基本组成
PLC的类型繁多，功能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由CPU、输入/输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成。
PLC的硬件系统结构如下图所示：
1、中央处理器CPU
中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般有控制器、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按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊，按部就班的进行工作，用户程序和数据事先存于寄存器中，当PLC处于运行状态时，CPU按循环扫描方式执行用户程序。
它用以运行用户程序、监控输入/输出接口状态、做出逻辑判断和进行数据处理，即读取输入变量、完成用户指令规定的各种操作，将结果送到输出端，并响应外部设备（如电脑、打印机等）的请求以及进行各种内部判断等。
PLC的内部存储器有两类，一类是系统程序存储器，主要存放系统管理和监控程序及对用户程序作编译处理的程序，系统程序已由厂家固定，用户不能更改；另一类是用户程序及数据存储器，主要存放用户编制的应用程序及各种暂存数据和中间结果。
CPU的主要任务有控制用户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过I/O部件接收现场信号的状态和数据，并存入输入映像寄存器或数据寄存器中，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，从积存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、逻辑或算术运算等；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，再经输出部件实现输出控制，制表打印或数据通信等功能。
CPU的具体作用如下：
⑴接收、存储用户程序；
⑵以扫描的方式接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。
⑶执行监控程序和用户程序，完成数据和信息的逻辑处理，产生相应的内容控制信号，完成用户指令规定的各种操作；
⑷响应外部设备（如编程器、打印机等）的请求；
2、存储器
可编程控制器配有两种存储器，即系统存储器（EPROM）和用户存储器（RAM）。
系统存储器用来存储系统管理程序，用户不能够访问和修改这部分的内容。
用户存储器用来存放编制的应用程序和工作数据状态。
存放工作数据状态的用户存储器部分也称为数据存储区，它包括输入输出数据映像区，定时器/计数器预置数和当前值的数据区，存放中间结果的缓冲区。
3、输入/输出（I/O）接口电路
I/O接口是PLC与输入/输出设备连接的部件。
输入接口接受输入设备（如按钮、传感器、触点、行程开关等）的控制信号。
输出接口是将主机经处理后的结果通过功放电路去驱动输出设备（如接触器、电磁阀、指示灯等）。
I/O接口一般采用光电耦合电路，以减少电磁干扰，从而提高了可靠性。
I/O点数即输入/输出端子数是PLC的一项主要技术指标，通常小型机有几十个点，中型机有几百个点，大型机将超过千点。
⑴开关量输入模块
开关量的输入设备是各种开关、按钮、传感器等。
其信号可能是交流电压（110V—220V），直流电压（12V—24V）等。
为防止各种干扰信号和高电压信号进入PLC，影响其可靠性或造成设备损坏，现场输入接口电路一般有光电耦合电路进行隔离。
光电耦合电路的关键器件是光耦合器，一般有发光二极管和光电三极管组成。
输入电路中一般都设有RC滤波电路，以防止由于输入触点抖动或外部干涉脉冲引起的错误输入信号。
滤波电路延迟时间的典型值为10—20ms（信号上升沿）和20—50ms（信号下降沿），输入电流约为10mA。
如
⑵开关量输出模块
输出模块的作用是将CPU执行用户程序所输出的TTL电平的控制信号转化为生产现场所需的，能够驱动特定设备的信号，以驱动执行机构的动作。
通常开关量输出模块有三种形式，即，继电器输出、晶体管输出、双向晶闸管输出。
A、
继电器输出：
B、晶体管输出（射极输出）：
C、双向可控硅（双向晶闸管）输出电路：
4、电源
电源是指为CPU、存储器、I/O接口等内部电子电路工作所配置的直流开关稳压电源，通常也为输入设备提供直流电源。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。
5、编程器
编程是PLC利用外部设备，用户可用以输入、检查、修改、调试程序或监示PLC的工作情况。
⑴简易编程器
⑵图形编程器
⑶通用计算机编程
6、外部设备接口
7.PLC的工作原理
一. 扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
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。
概括而言，PLC是按照集中输入、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为一个扫描周期或工作周期。
（一） 输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
既PLC把所有外部输入电路的接通/断开状态读入输入映像寄存器。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映像区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
即：
输入采样阶段CPU扫描所有输入端子，并将输入量顺序存入输入映像寄存器，此时输入映像寄存器被刷新，此后，关闭输入通道，接着转入程序执行阶段，在程序执行和输出处理阶段无论外部输入信号如何变化，输入映像寄存器的内容不变，直到下一个扫描周期采样阶段，才重新写入输入映像寄存器。
（二） 用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映像区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映像区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映像区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
即：
在这个阶段CPU对用户程序从左到右，从上到下。
逐句执行程序指令，从输入映像寄存器、元件映像寄存器（内部继电器、记时器、计数器的状态和数据）中，将元件的状态数据读出。
按程序要求进行逻辑运算和算术运算，并将每条结果写入元件映像寄存器，随程序不断刷新。
（三） 输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
说明：
同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。
另外，也可以看到：
采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。
当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。
一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
即：
CPU对所有用户执行完毕，将内部元件寄存器中所有输出继电器状态（构成输出状态表）在输出处理阶段依次转到输出锁存器中，经隔离，驱动，功率放大电路送到输出端子，而驱动外部负载。
二. PLC的I/O响应时间
一个扫描周期的典型值为：
1---100ms。
输入/输出的滞后时间又成为系统的响应时间，是指PLC的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之间的间隔。
它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间三部分。
输入模块的RC滤波电路用来滤除由输入端引起的干扰噪声，消除因外接输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10ms左右。
输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向可控硅型输出电路在负载接通时的滞后时间约为1ms，负载由导通到断开时的最大滞后时间为10ms；晶体管型输出电路的滞后时间一般在1ms左右。
由扫描工作方式引起的滞后时间最长可达到两个多扫描周期。
可编程序控制器总的响应延迟时间一般只有几十ms，对于一般的系统是无关紧要的。
要求输入-输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的可编程序控制器或采取其他措施。
从微观上来考察，由于PLC特定的扫描方式，程序在执行过程中所用的输入信号是本周期内采样阶段的输入信号。
若在程序执行过程中，输入信号发生变化，其输出不能即时做出反映，只能等到下一个扫描周期开始时采样该变化了的输入信号。
另外，程序执行过程中产生的输出不是立即去驱动负载，而是将处理的结果存放在输出映像寄存器中，等程序全部执行结束，才能将输出映像寄存器的内容通过锁存器输出到端子上。
因此，PLC的输入/输出滞后现象。
但对一般工业设备来说，其输入为一般的开关量，其输入信号的变化周期（秒级以上）大于程序扫描周期（毫微秒级），因此从宏观上来考察，输入的信号一旦变化，就能立即进入输入映像寄存器。
也就是说，PLC的输入/输出滞后现象对一般工业设备来说是完全允许的。
但对某些设备，如需要输出对输入做快反应，这时可采用快速响应模块、高速计数模块以及中断处理等措施来尽量减少滞后时间。
第二课时：
讲解PLC的软元件及基本指令
1.PLC的软元件
软元件是PLC内部的具有一定功能的器件，这些器件实际上是有电子线路和寄存器及存储单元等组成。
例如：
输入继电器是由输入电路和输入映像寄存器构成，输出继电器是由输出电路和输出映像寄存器构成，定时器和计数器也是由特定功能的寄存器组成。
它们都有继电器的特性，但是没有机械的触点。
为了把这些元器件和传统的继电器区分开来，我们把它们称为软元件或软继电器。
（1）西门子S7-200的软元件
A、输入继电器（I）
B、输出继电器（Q）
C、通用辅助继电器（M）
D、特殊继电器（SM）
SM0.0该位总是打开。
SM0.1首次扫描周期时该位打开，一种用途是调用初始化子程序。
SM0.2如果保留性数据丢失，该位为一次扫描周期打开。
该位可用作错误内存位或激活特殊启动顺序的机制。
SM0.3从电源开启条件进入RUN（运行）模式时，该位为一次扫描周期打开。
该位可用于在启动操作之前提供机器预热时间。
SM0.4该位提供时钟脉冲，该脉冲在1分钟的周期时间内OFF（关闭）30秒，ON（打开）30秒。
该位提供便于使用的延迟或1分钟时钟脉冲。
SM0.5该位提供时钟脉冲，该脉冲在1秒钟的周期时间内OFF（关闭）0.5秒，ON（打开）0.5秒。
该位提供便于使用的延迟或1秒钟时钟脉冲。
SM0.6该位是扫描周期时钟，为一次扫描打开，然后为下一次扫描关闭。
该位可用作扫描计数器输入。
SM0.7该位表示“模式”开关的当前位置（关闭=“终止”位置，打开=“运行”位置）。
开关位于RUN（运行）位置时，您可以使用该位启用自由口模式，可使用转换至“终止”位置的方法重新启用带PC／编程设备的正常通讯。
SM1.0当操作结果为零时，某些指令的执行打开该位。
SM1.1当溢出结果或检测到非法数字数值时，某些指令的执行打开该位。
SM1.2数学操作产生负结果时，该位打开。
SM1.3尝试除以零时，该位打开。
SM1.4“增加至表格”指令尝试过度填充表格时，该位打开。
SM1.5LIFO或FIFO指令尝试从空表读取时，该位打开。
SM1.6尝试将非BCD数值转换为二进制数值时，该位打开。
SM1.7当ASCII数值无法转换成有效的十六进制数值时，该位打开。
E、变量存储器（V）
F、局部变量存储器（L）
G、顺序控制继电器（S）
H、定时器（T）
a.定时器的种类
b分辨率与定时时间的计算
c定时器的编号
d定时器指令使用说明
1）接通延时定时器TON（On-DelayTimer）
2）记忆接通延时定时器TONR（RetentiveOn-DelayTimer）
3）断开延时定时器TOF（Off-DelayTimer）
I、计数器（C）
计数器是用来累计输入脉冲的个数，经常用来对产品进行计数或进行特定功能的编程。
使用时要提前输入它的设定值（计数的个数）。
当输入触发条件满足时，计数器开始累计它的输入端脉冲电位上升沿（正跳变）的次数；当计数器计数达到预定的设定值时，其常开触点闭合，常开触点断开。
a计数器的种类
S7–200系列PLC的计数器有3种：
增计数器CTU、增减计数器CTUD和减计数器CTD。
b编号
计数器的编号用计数器名称和数字（0~255）级成，即C***，如C6。
c计数器指令使用说明
1）增计数器CTU（CountUp）
2）增减计数器CTUD（CountUp/Down）
3）减计数器CTD（CountDown）
J、模拟量输入映像寄存器（AI）、模拟量输出映像寄存器（AQ）
K、高速计数器（HC）
L、累加器（AC）
（2）三菱软元件
A、输入继电器（X）
FX系列可编程序控制器的输入继电器和输出继电器的元件号用八进制数表示。
八进制数只有0-7这8个数字符号，遵循“逢8进1”的运算规则。
B、输出继电器（Y）
输出继电器是可编程序控制器向外部负载发送信号的窗口。
C、辅助继电器（M）
辅助继电器是用软件实现的,它们不能接收外部的输入信号,也不能直接驱动外部负载,相当于继电器控制系统中的中间继电器.
a、通用辅助继电器M0~M499
b、断电保护辅助继电器M500~M3071
c、特殊辅助继电器
D、状态（S）
E、定时器（T）
F、计数器（C）
a、内部计数器
b、高速计数器
F、数据寄存器
（三）欧姆龙
常用的是CP1H－X－XAX为标准型
XA为内藏模拟量输入输出功能
A、存储区的功能
内部继电器区IR，特殊继电器区SR，暂存继电器区TR，保持继电器区HR，辅助继电器区AR，链接继电器区LR，定时器/计数器区TIM/CNT，数据存储区DM。
a、IR区CPM1A、CPM2A/2AE、CPM2C，通常反映输入/输出触点的状态，输入点从IR00000位开始，输出点从IR01000位开始，未分配给输入/输出的通道可被用于工作位。
（工作位：
在程序中任意使用，但它们仅能用于内部的程序而不能直接用于外部I/O）
b、SR区SR区与IR区属同一数据区，它们主要区别在于IR提供用户使用，而SR由系统使用。
SR主要用于有动作标志各种功能的设定值/当前值。
一些未被赋予特殊用途的SR区可用作工作位。
c、TR区在复杂的梯形图回路中不能用助记符描述的时候，它用来对回路的分支点的ON/OFF的位进行暂存，仅在助记符编程时使用。
用梯形图编程时，在内部能自动处理，TR没必要使用。
d、HR区断电时，它们能够保持断电前的ON/OFF状态。
e、AR区主要用来存储PC的工作状态信息，如：
异常标志、交速计数、脉冲输出状态标志、扫描周期存入使用等。
f、LR区CPM*与CQM1，CQM1H之间或者与C200HX/HG/HE之间1：
1PC连接时，可用LR与对方交换数据，不进行PC链接时可用于工作位。
g、TIM/CNT区用指令TIM、TIM（15）、TIM（-）、CNT和CNTR（12）来控制定时器计数器，号不能重复。
h、DM区DM以字单位存取，断电时数据保存。
CPM2A/2AE、CPM2C、DM0000~DM1999DM2022~DM2047可以读/写
其它DM字被分配给特殊功能DM2000~DM2021记录错误信息
DM6600~DM6655字为PLC的系统设置区
i、I/O分配
20点CPU输入12点IR00000~IR00011输出8点IR01000~IR01007
10点输入6点IR00000~IR00005输出4点IR01000~IR01003
30点输入18点IR00000~IR00011IR00100~IR00105
输出12点IR01000~IR01007IR01100~IR01103
40点输入24点IR00000~IR00011IR00100~IR00111
输出16点IR01000~IR01007IR01100~IR01107
60点输入36点IR00000~IR00011IR00100~IR00111IR00200~IR0
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