PLC讲义.docx
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PLC讲义
学习情境1电机控制系统编程与实现
工作任务描述：
以电机PLC控制系统编程与实现工作任务为载体，通过实施启动停止控制、正反转控制、自动往返可逆运行控制、降压启动控制、顺序控制等五项由简单到复杂的具体工作任务。
引导讲授与本5项工作任务相关联的PLC的编程软件、基本逻辑指令、功能指令等，加强PLC硬件控制系统的设计、安装能力及控制程序的设计、调试能力。
子项目一三相笼型异步电动机的启动停止控制系统编程与实现
一、项目训练目的：
1、使学生对PLC的发展史有初步的了解。
2、使学生掌握PLC的分类、特点及PLC的应用与展望。
3、使学生体会到PLC控制系统与继电接触器控制系统的区别、优点与缺点。
4、使初步掌握S7—200PLC编程软件STEP7MicroWIN_V40的基本使用方法，能够建立工程项目并保存。
同时熟悉软件的使用环境。
二、教学建议：
1、先进行项目训练（具体操作见项目训练要求）。
2、“PLC的发展历史；PLC的分类、特点；PLC的应用与展望”等内容要求学生自己查找资料上交认识报告。
3、讲解PLC控制与继电接触器控制的公有优缺点等
项目训练指导：
三相笼型异步电动机的启动停止控制系统调试实验
一、实验目的：
1、了解PLC软硬件结构及系统组成
2、掌握PLC外围直流控制及负载线路的接法及上位计算机与PLC通信参数的设置。
二、实验设备
序号
名称
型号与规格
数量
备注
1
可编程控制器实训装置
THPFSM-1/2
1
2
实验导线
3号
若干
3
PC/PPI通讯电缆
1
西门子
4
计算机
1
自备
三、PLC外形图
四、控制要求
1、认知西门子S7-200系列PLC的硬件结构，详细记录其各硬件部件的结构及作用；
2、打开编程软件，编译基本的与、或、非程序段，并下载至PLC中；
3、能正确完成PLC端子与开关、指示灯接线端子之间的连接操作；
4、拨动K0、K1，指示灯能正确显示；
五、功能指令使用及程序流程图
1、常用位逻辑指令使用
标准触点
常开触点指令（LD、A和O）与常闭触点（LDN、AN、ON）从存储器或过程映像寄存器中得到参考值。
当该位为1时，常开触点闭合；当该位为0时，常闭触点为1；
输出
输出指令（=）将新值写入输出点的过程映像寄存器。
当输出指令执行时，S7-200将输出过程映像寄存器中的位接通或断开。
2、与逻辑：
如上所示：
I0.0、I0.1状态均为1时，Q0.0有输出；当I0.0、I0.1两者有任何一个状态为0，Q0.0输出立即为0。
3、或逻辑：
如上所示：
I0.0、I0.1状态有任意一个为1时，Q0.1即有输出；当I0.0、I0.1状态均为0，Q0.1输出为0。
4、非逻辑：
如上所示：
I0.0、I0.1状态均为0时，Q0.2有输出；当I0.0、I0.1两者有任何一个状态为1，Q0.2输出立即为0。
程序流程图
六、端口分配及接线图
1、I/O端口分配功能表
序号
PLC地址（PLC端子）
电气符号
（面板端子）
功能说明
1
I0.0
K0
常开触点01
2
I0.1
K1
常开触点02
3
Q0.0
L0
“与”逻辑输出指示
4
Q0.1
L1
“或”逻辑输出指示
5
Q0.2
L2
“非”逻辑输出指示
6
主机1M、面板V+接电源+24V
电源正端
7
主机1L、2L、3L、面板COM接电源GND
电源地端
2、控制接线图
七、操作步骤
1、按下图连接上位计算机与PLC；
2、按“控制接线图”连接PLC外围电路；打开软件，点击，在弹出的对话框中选择“PC/PPI通信方式”，点击 ，设置PC/PPI属性；
3、点击，在弹出的对话框中，双击，搜寻PLC，寻找到PLC后，选择该PLC；至此，PLC与上位计算机通信参数设置完成；
4、编译实训程序，确认无误后，点击，将程序下载至PLC中，下载完毕后，将PLC模式选择开关拨至RUN状态。
5、将K0、K1均拨至OFF状态，观察记录L0指示灯点亮状态；
6、将K0拨至ON状态，将K1拨至OFF状态，观察记录L1指示灯点亮状态；
7、将K0、K1均拨至ON状态，观察记录L2指示灯点亮状态；
八、实验总结
详细描述S7-200PLC的硬件结构
总结出上位计算机与S7-200PLC通信参数的设置方法
九、学生自行练习项目：
实验内容：
三相笼型异步电动机的启动停止控制系统调试实验
1、三相笼型异步电动机的启动停止控制电气原理图
2、例子程序：
3、I/O图
4、实验步骤同前
课后作业：
要求学生自己查找资料写一遍关于PLC的简要介绍，字数不少2000字。
要求包括以下内容：
1、PLC发展简史。
2、PLC的分类、特点及PLC的应用与展望。
3、PLC控制系统与继电接触器控制系统的区别、优点与缺点。
4、当前在主要的PLC的生产厂家及其主要产品。
学生自学内容：
一、GM十条（即美国通用公司十条）
GM十条内容如下：
①编程简单，可在现场修改和调试程序；
②维护方便，采用插入式模块结构；
③可靠性高于继电器控制系统；
④体积小于继电器控制装置；
⑤数据可直接送入管理计算机；
⑥成本可与继电器控制系统竞争；
⑦可直接用115V交流电压输入；
⑧输出量为115V、2A以上，能直接驱动电磁阀、接触器等；
⑨通用性强，易于扩展；
⑩用户程序存储器容量至少4kB。
二、PLC的发展史
1、PLC的产生
1）继－接控制回顾
由学生回答继电器（接触器）的结构、原理、画出三相异步电机启－停的主电路图、控制电路图
由学生归纳出继－接控制的不足，从而引出“PLC的产生”
2）PLC的产生
68年美国通用汽车公司（GM）招标要求：
“即著名的通用十条”
核心思想：
·用程序代替硬接线
·输入/输出电平可与外部装置直接相联
·结构易于扩展
PLC的雏形。
69年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功
PLC的诞生：
·1969年，美国研制出世界第一台PDP-14
·1971年，日本研制出第一台DCS-8
·1973年，德国研制出第一台PLC
·1974年，中国研制出第一台PLC
2、PLC的特点、现状与发展
（1）特点
体积小；可靠性高；柔性好，可在线更改程序；对环境条件无要求；价格低廉……具备招标要求的所有功能
（2）现状
80%以上的行业，80%以上的设备均可使用PLC
（3）发展
发展史：
第一代：
1969年~1972年，代表产品有
·美国DEC公司的PDP-14/L
·日本立石电机公司的SCY-022
·日本北辰电机公司的HOSC-20
第二代：
1973年~1975年，代表产品有
·美国GE公司的LOGISTROT
·德国SIEMENS公司的SIMATICS3、S4系列
·日本富士电机公司的SC系列
第三代：
1976~1983年，代表产品有
·美国GOULD公司的M84、484、584、684、884
·德国SIEMENS公司的SIMATICS5系列
·日本三菱公司的MELPLAC-50、550
第四代：
1983年~现在，代表产品有
·美国GOULD公司的A5900
·德国西门子公司的S7系列
发展方向：
·产品规模向两极分化
·处理模拟量
·追求高可靠性
·通讯接口和智能模块
·系统操作站配高分辨率的监视器
·追求软、硬件标准化
三、PLC的分类
1．按结构形式分类
根据PLC的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类。
（1）整体式PLC整体式PLC是将电源、CPU、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、价格低的特点。
小型PLC一般采用这种整体式结构。
整体式PLC由不同I/O点数的基本单元（又称主机）和扩展单元组成。
基本单元内有CPU、I/O接口、与I/O扩展单元相连的扩展口，以及与编程器或EPROM写入器相连的接口等。
扩展单元内只有I/O和电源等，没有CPU。
基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。
整体式PLC一般还可配备特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使其功能得以扩展。
（2）模块式PLC模块式PLC是将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。
模块式PLC由框架或基板和各种模块组成。
模块装在框架或基板的插座上。
这种模块式PLC的特点是配置灵活，可根据需要选配不同规模的系统，而且装配方便，便于扩展和维修。
大、中型PLC一般采用模块式结构。
还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。
叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。
这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。
2、按功能分类
根据PLC所具有的功能不同，可将PLC分为低档、中档、高档三类。
（1）低档PLC具有逻辑运算、定时、计数、移位以及自诊断、监控等基本功能，还可有少量模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、通信等功能。
主要用于逻辑控制、顺序控制或少量模拟量控制的单机控制系统。
（2）中档PLC除具有低档PLC的功能外，还具有较强的模拟量输入／输出、算术运算、数据传送和比较、数制转换、远程I/O、子程序、通信联网等功能。
有些还可增设中断控制、PID控制等功能，适用于复杂控制系统。
（3）高档PLC除具有中档机的功能外，还增加了带符号算术运算、矩阵运算、位逻辑运算、平方根运算及其它特殊功能函数的运算、制表及表格传送功能等。
高档PLC机具有更强的通信联网功能，可用于大规模过程控制或构成分布式网络控制系统，实现工厂自动化。
3、按I/O点数分类
根据PLC的I/O点数的多少，可将PLC分为小型、中型和大型三类。
（1）.小型PLC——I/O点数<256点；单CPU、8位或16位处理器、用户存储器容量4K字以下。
如：
GE-I型美国通用电气（GE）公司
TI100美国德洲仪器公司
F、F1、F2日本三菱电气公司
C20C40日本立石公司（欧姆龙）
S7-200德国西门子公司
EX20EX40日本东芝公司
SR-20/21中外合资无锡华光电子工业有限公司
（2）.中型PLC——I/O点数256～2048点；双CPU，用户存储器容量2～8K
如：
S7-300德国西门子公司
SR-400中外合资无锡华光电子工业有限公司
SU-5、SU-6德国西门子公司
C-500日本立石公司
GE-ⅢGE公司
（3）.大型PLC——I/O点数>2048点；多CPU，16位、32位处理器，用户存储器容量8～16K
如：
S7-400德国西门子公司
GE-ⅣGE公司
C-2000立石公司
K3三菱公司等
我国市场上流行的有如下几家PLC产品：
施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进莫迪康公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；
罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、MicroLogix、ControlLogix等产品；
西门子公司的产品，目前有SIMATICS7-400/300/200系列产品；
GE公司的产品；日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品。
PLC的市场的潜力是巨大的，不仅在我国，即使在工业发达的日本也有调查表明，PLC配套的机电一体化产品的比例占42%，采用继电器、接触器控制尚有24%。
所以说，需要应用PLC的场合还很多，在我国就更是如此了。
四、PLC的特点
1、可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
2、配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。
可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3、易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。
它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。
梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。
为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4、系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
5、体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
五、PLC控制与继电器控制的区别
传统的继电接触器控制系统，是由输入设备（按钮、开关等）、控制线路（由各类继电器、接触器、导线连接而成，执行某种逻辑功能的线路）和输出设备（接触器线圈、指示灯等）三部分组成。
这是一种由物理器件连接而成的控制系统。
PLC的梯形图虽与继电接触器控制电路相类似，但其控制元器件和工作方式是不一样的，主要区别有以下几个方面。
（1）元器件不同
继电接触器控制电路是由各种硬件低压电器组成，而PLC梯形图中输入继电器、输出继电器、辅助继电器、定时器、计数器等软继电器是由软件来实现的，不是真实的硬件继电器。
（2）工作方式不同
继电接触器控制电路工作时，电路中硬件继电器都处于受控状态，凡符合条件吸合的硬件继电器都同时处于吸合状态，受各种约束条件不应吸合的硬件继电器都同时出在断开状态。
PLC梯形图中软件继电器都处于周期性循环扫描工作状态，受同一条件制约的各个软继电器的动作顺序取决于程序扫描顺。
（3）元件触点数量的不同
硬件继电器的触电数量有限，一般只有4-8对，PLC梯形图中软件继电器的触点数量在编程时可无限制使用，可常开又可常闭。
（4）控制电路实施方式不同
继电接触器控制电路是通过各种硬件继电器之间接线来实施，控制功能固定，当要修改控制功能时，必修重新接线。
PLC控制电路由软件编程来实施，可以灵活变化和在线修改。
最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。
随着PLC技术的进步，它的应用领域不断扩大。
六、PLC的主要应用场合
如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制与管理。
PLC已日益成为工业控制装置家族中一个重要的角色。
。
1、用于开关量控制
PLC控制开关量的能力是很强的。
所控制的入出点数，少的十几点、几十点，多的可到几百、几千，甚至几万点。
由于它能联网，点数几乎不受限制，不管多少点都能控制。
所控制的逻辑问题可以是多种多样的：
组合的、时序的；即时的、延时的；不需计数的，需要计数的；固定顺序的，随机工作的；等等，都可进行。
PLC的硬件结构是可变的，软件程序是可编的，用于控制时，非常灵活。
必要时，可编写多套，或多组程序，依需要调用。
它很适应于工业现场多工况、多状态变换的需要。
用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。
目前，PLC首用的目标，也是别的控制器无法与其比拟的，就是它能方便并可靠地用于开关量的控制。
2、用于模拟量控制
模拟量，如电流、电压、温度、压力等等，它的大小是连续变化的。
工业生产，特别是连续型生产过程，常要对这些物理量进行控制。
作为一种工业控制电子装置，PLC若不能对这些量进行控制，那是一大不足。
为此，各PLC厂家都在这方面进行大量的开发。
目前，不仅大型、中型机可以进行模拟量控制，就是小型机，也能进行这样的控制。
PLC进行模拟量控制，要配置有模拟量与数字量相互转换的A／D、D／A单元。
它也是I/O单元，不过是特殊的I/O单元。
A/D单元是把外电路的模拟量，转换成数字量，然后送入PLC。
D/A单元，是把PLC的数字量转换成模拟量，再送给外电路。
作为一种特殊的I/O单元，它仍具有I/O电路抗干扰、内外电路隔离，与输入输出继电器（或内部继电器，它也是PLC工作内存的一个区。
可读写）交换信息等等特点。
这里的A/D中的A，多为电流，或电压，也有为温度。
D/A中的A，多为电压，或电流。
电压、电流变化范围多为0～5V，0～10V，4～20mA。
有的还可处理正负值的。
这里的D，小型机多为8位二进制数，中、大型多为12位二进制数。
A/D、D/A有单路，也有多路。
多路占的输入输出继电器多。
有了A/D、D/A单元，余下的处理都是数字量，这对有信息处理能力的PLC并不难。
中、大型PLC处理能力更强，不仅可进行数字的加、减、乘、除，还可开方，插值，还可进行浮点运算。
有的还有PID指令，可对偏差制量进行比例、微分、积分运算，进而产生相应的输出。
计算机能算的它几乎都能算。
这样，用PLC实现模拟量控制是完全可能的。
控制的单位值可小到212分之一的测量程值，多数也是足够的。
PLC进行模拟量控制，还有A/D、D/A组合在一起的单元，并可用PID或模糊控制算法实现控制，可得到很高的控制质量。
用PLC进行模拟量控制的好处是，在进行模拟量控制的同时，开关量也可控制。
这个优点是别的控制器所不具备的，或控制的实现不如PLC方便。
当然，若纯为模拟量的系统，用PLC可能在性能价格比上不如用调节器。
这也是应当看到的。
3、用于数字量控制
实际的物理量，除了开关量、模拟量，还有数字量。
如机床部件的位移，常以数字量表示。
数字量的控制，有效的办法是NC，即数字控制技术。
这是50年代诞生于美国的基于计算机的控制技术。
当今已很普及，并也很完善。
目前，先进国家的金属切削机床，数控化的比率已超过40％～80％，有的甚至更高。
PLC也是基于计算机的技术，并日益完善。
故它也完全可以用于数字量控制。
PLC可接收计数脉冲，频率可高达几k到几十k赫兹。
可用多种方式接收这脉冲，还可多路接收。
有的PLC还有脉冲输出功能，脉冲频率也可达几十k。
有了这两种功能，加上PLC有数据处理及运算能力，若再配备相应的传感器（如旋转编码器）或脉冲伺服装置（如环形分配器、功放、步进电机），则完全可以依NC的原理实现种种控制。
高、中档的PLC，还开发有NC单元，或运动单元，可实现点位控制。
运动单元还可实现曲线插补，可控制曲线运动。
所以，若PLC配置了这种单元，则完全可以用NC的办法，进行数字量的控制。
新开发的运动单元，甚至还发行了NC技术的编程语言，为更好地用PLC进行数字控制提供了方便。
4、用于数据采集
随着PLC技术的发展，其数据存储区越来越大。
如OMRON公司的PLC，前期产品C60P的DM区仅64个字，而后来的C60H达到1000个字；到了CQMI可多达6000个字。
这样庞大的数据存储区，可以存储大量数据。
数据采集可以用计数器，累计记录采集到的脉冲数，并定时地转存到DM区中去。
数据采集也可用A/D单元，当模拟量转换成数字量后，再定时地转存到DM区中去。
PLC还可配置上小型打印机，定期把DM区的数据打出来。
PLC也可与计算机通讯，由计算机把DM区的数据读出，并由计算机再对这些数据作处理。
这时，PLC即成为计算机的数据终端。
电业部门曾这么使用PLC，用以实时记录用户用电情况，以实现不同用电时间、不同计价的收费办法，鼓励用户在用电低谷时多用电，达到合理用电与节约用电的目的。
5、用于进行监控
PLC自检信号很多，内部器件也很多，多数使用者未充分发挥其作用。
其实，完全可利用它进行PLC自身工作的监控，或对控制对象进行监控。
这里介绍一种用PLC定时器作看门狗，对控制对象工作情况进行监控的思路。
如用PLC控制某运动部件动作，看施加控制后动作进行了没有，可用看门狗办法实现监控。
具体作法是在施加控制的同时，令看门狗定时器计时。
如在规定的时间内动作完成，即定时器未超过警戒值的情况下，已收到动作完成信号，则说明控制对象工作正常，无需报警。
若超时，说明不正常，可作相应处理。
如果控制对象的各重要控制环节，都用这样一些看门狗"看"着，那系统的工作将了如指掌，出现了问题，卡在什么环节上也很好查找。
还有其它一些监控工作可做。
对一个复杂的控制系统，特别是自动控制系统，监控以至进一步能自诊断是非常必要的。
它可减少系统的故障，出了故障也好查找，可提高累计平均无故障运行时间，降低故障修复时间，提高系统的可靠性。
6用于联网、通讯
PLC联网、通讯能力很强，不断有新的联网的结构推出。
PLC可与个人计算机相连接进行通讯，可用计算机参与编程及对PLC进行控制的管理，使PLC用起来更方便。
为了充分发挥计算机的作用，可实行一台计算机控制与管理多台PLC，多的可达32台。
也可一台PLC与两台或更多的计算机通讯，交换信息，以实现多地对PLC控制系统的监控。
PLC与PLC也可通讯。
可一对一PLC通讯。
可几个PLC通讯。
可多到几十、几百。
PLC与智能仪表、智能执行装置（如变频器），也可联网通讯，交换数据，相互操作。
可联接成远程控制系统，系统范围面可大到10公里或更大。
可组成局部网，不仅PLC，而且高档计算机、各种智能装置也都可进网。
可用总线网，也可用环形网。
网还可套网。
网与网还可桥接。
联网可把成千上万的PLC、计算机、智能装置组织在一个网中。
网间的结点可直接或间接地通讯、交换信息。
联网、通讯，正适应了当今计算机集成制造系统（CIMS）及智能化工厂发展的需要。
它可使工业控制从点（Point）、到线（（Line）再到面（Aero），使设备级的控制、生产线的控制、工厂管理层的控制连成一个整体，进而可创造更高的效益。
这个无限美好的前景，已越来越清楚地展现在我们这一代人的面前。
以上几点应用是着重从质上讲的。
从量上讲，PLC有大、有小。
所以，它的控制范围也可大、可小。
小的只控制一个设备，甚至一个部件，一个站
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