可编程控制器教案.docx
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可编程控制器教案
教学容
注意点
配时
绪论
1、PLC的产生
20世纪60年代末，在可编程控制器出现以前，继电器控制在工业领域占主导地位，由此构成的控制系统都是按预先设定好的时间或条件顺序地工作，若要改变控制顺序就要改变控制系统的硬件接线，通用性和灵活性较差。
当时，
计算机技术也开始应用于工业控制领域，但由于价格高、编程难度大以及难于
适用恶劣工业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。
20世纪60年代末，美国汽车制造工业竞争十分激烈。
为了适应生产工艺不断的更新，要求寻找一种比继电器控制更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器，尽可能减少控制系统的设计制造时间和成本，以满足市场
竞争需求。
1968年美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）从用户角
度提出了新一代控制器应具备的十大条件，立即引起了开发热潮。
主要容是：
（1）编程方便，可现场修改程序；
（2）维修方便，米用插件式结构；
（3）可靠性咼于继电器控制系统；
（4）体积小于继电器控制盘；
（5）数据可直接送入计算机管理；
（6）成本可与继电器控制盘竞争；
（7）输入可为市电；
（8）输出可为市电，容量要求在2A以上，可直接驱动接触器、电磁阀等；
（9）扩展系统时，原系统变更少；
（10）用户存储器大于4KB。
这些条件实际上是将继电器控制的优点与计算机控制的优点结合起来，并
将继电器控制的硬件接线逻辑转变为计算机的软件逻辑的设想。
1969年，美
国数字设备公司（DEC）成功研制出了世界上第一台可编程控制器PDP-14,
用于通用汽车公司生产线，取得了满意的效果。
2、PLC的发展
PLC的出现引起了世界各国的普遍重视。
日本日立公司从美国引进了PLC
技术，于1971年试制成功了日本第一台PLC；1973年德国西门子公司独立研制成功了欧洲第一台PLC；我国从1974年开始研制PLC,1977年开始工业应用。
从PLC产生到现在，经历了四次换代。
其过程如下：
第一代PLC（1969-1972）:
米用1位机开发，用磁芯存储器存储，只具有单一逻辑控制功能，机种单一，没有形成系列化。
第二代PLC（1973-1975）:
米用8位微处理器及半导体存储器，增加了数字运算、传送、比较等功能，能实现模拟量的控制，开始具备自诊断功能，初步形成系列化。
第三代PLC（1976-1983）:
米用高性能8位微处理器及位片式微处理器，处理速度有所提咼，向多功能及联网通信发展，增加了多种特殊功能，如浮点运算、三角函数运算、表处理、脉宽调制输出等，自诊断功能及容错技术发展迅速。
第四代PLC（1983年至今）：
采用16位、32位微处理器及高性能位片式微
PLC的产
生
PLC的发
展
10
10
处理器，使第四代PLC产品成为具有逻辑控制功能、过程控制功能、运动控制功能、数据处理功能、联网通讯功能的真正名符其实的多功能控制器。
教学容
注意点
配时
3、PLC的应用
（1）开关量逻辑控制
应用于注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线及电梯控制等。
（2）闭环过程控制
应用于塑料挤压成型机、加热炉、热处理炉、锅炉等设备，以及轻工、化工、机械、冶金、电力、建材等行业。
（3）运动控制
应用于金属切削机床、金属成形机械、装配机械、电梯等场合。
（4）数据处理
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。
（5）通信及联网
PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。
4、PLC的分类
（1）按控制规模分类
PLC按控制规模（即I/O点数）可分为小型机、中型机和大型机3类。
I/O点总数在256点以下的为小型机。
适合用于单机控制或小型系统的控制。
I/O点总数在256点-1024点之间的为中型PLC。
适用于中型或大型控制系统的控制。
I/O点总数在1024点以上的为大型PLC。
不仅可以用于对设备进行直接控制，可以对多个下一级的PLC进行监控，还可以完成现代化工厂的全面管理和控制任务。
（2）按结构分类
PLC按结构分，可以分为整体式和模块式两大类。
整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器和I/O系统都集成在一个单元，该单元叫做基本单元。
一个基本单元就是一台完整的PLC。
整体式结构的特点
是结构紧凑、体积小、重量轻，容易装配在设备的部，适合于设备的单机控制。
其缺点是主机I/O点数固定，使用不够灵活，维修也不够方便。
模块式结构的PLC是把PLC系统的各个组成部分按功能分成若干个模块特点是CPU、输入和
输出均为独立的模块。
模块尺寸统一、安装整齐、I/O点选型自由，并且安装
调试、扩展和维修方便。
模块式PLC的缺点是结构较复杂，价格较高。
（3）按功能分类
PLC按功能分，可以分为低档机、中档机和高档机3类。
（4）按产地分类
按产地分，可分为日系、欧美、韩台、大陆等。
其中日系具有代表性的为三菱、欧姆龙、松下、光洋等；欧美系列具有代表性的为西门子、A-B、通
用电气、仪表等；韩台系列具有代表性的为LG、台达等；大陆系列具有代表
性的为合利时、中控等；
PLC的应用
PLC的分类
15
20
PLC的特
占
八、、
10
PLC定义
5、PLC的特点
PLC把计算机控制技术和继电器控制技术融合在一起，兼具有计算机的功
能完备、灵活性强、通用性好以及继电器控制系统的简单易懂、维修方便的特点，主要体现在以下几个方面。
（1）可靠性高，抗干扰能力强
（2）配套齐全，功能完善，适用性强
（3）系统的安装简单，维护方便，容易改造
（4）编程简单易学
（5）系统设计与调试周期短
（6）体积小，重量轻，能耗低
模块一从传统的电气控制到PLC
、PLC定义
1985年，国际电工委员会（IEC）专门为可编程控制器下了严格的定义：
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采
PLC控制
与继电器控制的比
用可以编制程序的存储器，用来在其部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制
10
各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控
制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
二、PLC控制与继电器控制的比较（复习继电器控制系统、讲解下图，总结区别）
FU2
Q0.0
I0.0
I0.1
L1L2L3
Q0.0
***强调***
常开触点
常闭触点
线圈
教学容
注意点
配时
（1）器件组成不同
继：
器件多、体积大，故障率高；
PLC:
器件少、体积小，结构紧凑
继：
硬触点、硬线（硬件控制，动作慢，弧光放电严重）
PLC:
软触点、软线（软件控制，动作快）
（2）工作方式不冋
继：
并行
PLC:
串行
（3）实施控制的方式不冋
继：
由硬接线完成功能
PLC:
通过程序完成功能
继：
拆线、接线，更换元件，麻烦功能改变时
PLC:
修改程序，方便
（4）系统开发周期（设计、施工与调试）
继：
长
PLC:
短
（5）触点数量
继：
有限
PLC梯形图：
无限对
（6）PLC自检与监控功能比继强
（7）PLC适用围广
（8）PLC可靠性高
器件组成
工作方式
10
教学容
注意点
配时
基本结构
三、PLC的基本结构
PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置等组成，如图所示。
PLC的特殊功能模块用来实现某些特殊功能。
I
编程装置1、
CPU模块：
大脑和心脏。
PLC控制的中枢，其性能决定了PLC的性能。
（1）微处理器：
采集输入执行程序刷新输出
组成2
20
（2）存储器：
（ROM、RAM、EPROM、EPROM）存程序和数据
2、I/O模块：
眼、耳、手、脚。
联系外部现场设备和CPU模块的桥梁
（1）输入模块：
接收和采集输入信号
1）开关量输入：
按钮、选择开关、拨码开关、限位开关、接近开关等
2）模拟量输入：
电位器、测速发电机和各种变送器分为
（2）输岀模块：
控制输岀
1）开关量输出：
接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字量显示报警装置
2）模拟量输出：
调节阀、变频器
***^注^意***
（1）输入接口采用光电耦合器将PLC与现场设备隔离起来，提高抗干扰性能。
（1）直流输入型两类
（2）交流输入型
（2）输出接口有3种类型：
（1）继电器输出：
有触点输出方式，可通断开关频率较低的直流负载或交流负载
3种
（2）晶闸管输出：
无触点输出方式，可通断开关频率较高的交流负载
⑶晶体管输出型：
无触点输出方式，带直流负载
3、编程器：
对用户程序进行编制、编辑、调试和监视。
（1）PLC专用编程器（手持式、台式）分为
（2）基于计算机的PLC编程器：
编程软件
4、电源：
AC220V或DC24V
5、通讯接口：
用于PLC与编程器、计算机、变频器、触摸屏及其他智能设备
之间的连接。
PLC的软
15
四、PLC的软件
PLC软件系统和硬件系统共同构成了可编程控制系统。
1、软件构成
（1）系统程序：
由厂家编写，用于时序管理、存储空间分配、系统自检和用户程序翻译等分为
（2）用户程序：
实现一定控制功能的程序
2、编程语言
PLC与个人计算机相比，PLC硬件，软件是封闭的，各PLC设备无法兼容，1994年5月IEC公布了PLC标准IEC61131，有5部分组成：
通用信息、设备与测试要求、编程语言、用户指南和通信。
IEC61131-3是世界上第一个，也
是至今为止唯一的工业控制系统的编程语言标准。
详细的说明了句法、语义和
下述5种编程语言。
（1）顺序功能图（SFC）
25
位于其他编程语言之上的图形语言，用来编制顺序控制的程序。
提供了一
种组织程序的图形方法。
1）编写时，工艺过程被划分为若干个顺序出现的步，每步中包括控制输出的动作，从一步到另一步的转换由转换条件来控制，特别适合于生产制造过程。
2）在顺序控制功能图中，可使用其他的语言嵌套编程。
3）代表平台西门子S7-300（S7-Gragh）可实现将顺序功能图转成
PLC能识别的语言。
（2）梯形图（LAD）
源自于继电器电气原理图。
1）使用最多的PLC语言
2）属图形编程语言、直观易懂，不适合大型程序控制
3）适合于熟悉继电器控制系统的电气人员
4）组成：
由触点、线圈和用方框表示的功能块组成
组成兀素
含义
代表器件
触点
输入条件
开关、按钮、部条件
线圈
输出结果
控制外部器件/部输出
功能块
附加指令
定时器、计数器和数学运算指令等
5）梯形图中的概念
10
能流：
假想的电流（注：
将能流的概念引入PLC中）
网络：
由触点和线圈构成的独立电路
（3）语句表/助记符（STL）
是一种类似于微机汇编语言的文本编程语言，由多条语句组成一个程序段，可读性差，但是最基本的编程语言。
由操作码（告知PLC应做什么）和操作数（操作码操作的对象）组成。
（4）功能块图（FED）
用类似于“与门”“或门”的框图表示逻辑运算关系，方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入输出端的小圆圈表示“非”运算，方框用导
线连在一起，信号自左向右。
教学容
注意点
配时
LD10.0OQ0.0
QO.O
（）
AN
I0.1
QO.O
I0.0
10.1
卄
Q0.0
I0.0
QO.O
c）功能块图
a）梯形图
（5）结构化文本（ST）
b）语句表
结构化文
本
高级编程语言。
与梯形图相比，它能实现复杂的数学运算，编写的程序非常简洁和紧凑。
教学容
注意点
配时
35
20
五、PLC的工作原理
1、工作方式工作方式
继电器控制系统：
并行。
若这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有
的触点无论在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。
PLC控制系统：
串行。
顺序逻辑扫描用户程序的方式。
2、扫描过程扫描过程
PLC投入运行后，工作过程一般分为输入采样、执行程序、处理通讯请求、
CPU自诊断和输出刷新五个阶段。
完成上述五个阶段称为一个扫描周期。
典型
值1-100ms。
1）输入采用阶段
以扫描方式依次读入状态和数据存入输入映像寄存器。
采样后，转入下几个阶段，在下几个阶段将不读取输入，即使输入有变化，输入映像寄存器容也不变，因此，要求输入信号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。
2）执行用户程序阶段
PLC用户程序由若干条指令组成。
该阶段，PLC总是从第一条指令开始，
逐条顺序的执行用户程序。
3）处理通讯请求阶段
处理从通讯口和智能模块接收到的信息。
4）CPU自诊断阶段
自诊断测试包括定期检查CPU模块的操作和扩展模块状态是否正常，将
监控定时器复位等。
5）输出刷新阶段
CPU按输出映像寄存器刷新输出锁存器，再经输出电路驱动相应外设。
I/O响应时间：
由输入延迟、输出延迟和程序执行三部分决定。
原因：
PLC采用扫描工作方式，且对输入、输出信号只在每个扫描周期的固定时间集中输入和输出，所以会产生输出信号相对输入信号滞后的现象。
扫描周
期越长，滞后现象越严重。
教学容
注意点
配时
3、工作原理
1）读输入：
S7-200将物理输入点上的状态复制到输入过程映像寄存器。
2）执行程序：
S7-200执行程序指令并将数据存在变量存储器中。
3）处理通讯请求及执行CPU自诊断：
执行通讯任务，检查硬件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。
4）写输出：
将输出映像寄存器中存储的数据复制到物理输出点。
六、PLC的性能及选型
1、性能指标
1）I/O点数
2）存储器容量
3）指令的种类和数量
4）扫描速度
5）部寄存器的种类和数量
6）通讯能力
7）智能模块
8）扩展能力
2、选型
1）PLC的类型
2）输入输出模块的选择
3）电源的选择
4）存储器的选择
5）经济性的考虑
工作原理
性能指标
20
15
20
PLC的硬
件
1）CPU
221
222
224
6入/4出
8入/6出
14入/10出
出
1、5种型号CPU及I/O点数编址
224XP226
14入/10出24入/16
模块二认识S7-200系列PLC
一、S7-200系列PLC的硬件
2AI/1AQ
**以224XP为例**编址：
I0.0Q0.0
I0.1Q0.1
I1.5Q1.1
AIWOAQWO
AIW2
扩展能力
CPU
221
222
224
224XP
226
模块数
无
2
7
7
7
数字I/O点
无
78
168
168
248
模拟I/O点
无
10
35
38
35
2）扩展能力
20
2、S7-200PLC外部结构及各部件作用
1）
输入接线端子
2）输出接线端子
3）
CPU状态指示
SF：
系统故障
STOP:
停止状态
RUN:
运行状态
4）
输入状态指示
5）输出状态指示
6）
扩展接口
7）通讯接口
8）
模拟电位器
24VDC85-265VAC
->L
r
1_—
JML+DC
①N
L1AC
a）直流供电b）交流供电
3、给PLC供电
有直流供电和交流供电两种方式。
给PLC供
电
10
输入输出接线
4、输入输出接线
输入为直流双向光电耦合输入。
输出有继电器和直流两种类型。
例：
CPU224DC/DC/DC:
直流24V输入/提供直流24V直流/直流输出
CPU224AC/DC/继电器：
交流输入电源/提供直流24V给外元件/继电器输出
1M0.00.1…
c）交流输出接线
a）输入接线
5、扩展模块
b）直流输出接线
扩展模块
25
（1）输入输出扩展模块
1）数字量I/O扩展模块
EM2218入EM2228出EM2238入/8出16入/16出
32入/32出
2）模拟量I/O扩展模块
EM2313AI/4AI
EM2322AOEM2353AI/1AO
3）地址分配/扩展
a、编址规则
1同类型I/O点的模块进行顺序编址。
2其他类型模块的有无及所处位置不影响本类型模块编号。
3对数字量模块，CPU以字节为单元分配地址。
本模块高位实际位数未满
8位的未用位不能分配给I/O链的后续模块。
（4
④存储一个模拟量需要2个字节，CPU分配给模拟量模块的地址以两点
15
个字节）方式递增。
b、例题：
给下列模块分配地址
I0.1Q0.1I2.1Q2.1
AIW6AQW6
I3.1
AIW14
Q3.1
I0.2Q0.2I2.2Q2.2
AIW8
I3.2
AIW16
Q3.2
I2.3Q2.3
AIW10
I3.3
AIW18
Q3.3
CPU224
4输入
4AI
4输入
4AI
4输出
XP
4输出
2AO
1AO
主机
模块0
模块4
I0.0Q0.0I2.0Q2.0
AIW4AQW4
I3.0AIW12
模块1模块2模块3
AQW8Q3.0
I1.5Q1.1
AIW0AQW0
AIW2
（2）通讯扩展模块
1）调制解调器
EM241
PROFIBUS从站模块
EM277
通讯扩展模块
3）AS接口模块
CP243-2
4）以太网模块CP243-15）工厂模块CP243-1IT
（3）通讯扩展模块
1）定位模块
2）温度检测模块
作业：
如何给PLC进行供电?
教学容
注意点
配时
任务二S7-200系列PLC的存结构与寻址方法
PLC存分为：
10
程序存储区：
存程序
数据存储区：
存放I/O状态及中间运行结果。
是用户实现各种控制任务所必须掌握的内部资源。
PLC运行时需要处理的数据类型和功能往往是不冋的，这些不冋类型的数据
被存放在不冋的存储空间，从而形成不冋的数据区。
S7-200的数据区分为：
数字量输入/输出映像区、模拟量输入/输出映像区、
变量存储器区、位存储器区、特殊存储器区、定时器存储器区、计数器存储器
区、高速计数器区和累加器区。
一、S7-200的数据区
S7-200
10
1、数字量输入/输出映像区
的数据区
1）输入继电器1
①为保存当前输入端信号状态开辟的一个存储区，用1表示；
②当控制信号接通时，输入继电器线圈得电，对应的映像寄存器位为“1”，部
常开触点闭合，常闭触点断开；
③寻址方式：
位、字节、字或双字。
*用位表示：
I0.0---I15.7共128点。
例：
11.0表明这个输入点是第1个字节的第0位。
*用字节表示：
IB0---IB15共16个字节。
例：
IB1表明这个输入字节是第1个字节，共8位，第0位是地位，第7位
是咼位。
用字表示：
IW0---IW14共8个字节。
一个字包含两个连续的字节，低位字节是高8位，高位字节是低8位。
例：
IW0中的IB0是高8位，IB1是低8位。
教学容
注意点
配时
*用双字表示:
IDO、ID4、ID8、ID12共4个双字。
ID0中的IB0是高8位~IB3是低8位。
10
lIj
SB1
Sb
I00
Q00
I0.1
1M
2M
L+
1L
〜220V
O1
ZH
KM
I0.0
I0.1
Q0.0
（）
4卜
Q0.0
**先讲SB2用常开的情况，再讲用常闭的情况2）输出继电器Q
1为保存当前输出信号状态开辟的一个存储区，用Q表示；
2通过程序可使其线圈通电，对应的常开触点闭合，常闭触点断开;
3寻址方式：
位、字节、字或双字。
位：
Q0.0〜Q15.7共128个点
字节：
QB0~QB15共16个字节
字：
QW0~QW14共8个字
双字：
QD0~QD12共4个双字
注：
实际没有使用的输入端/输出端的映像区的存储单元可做中间继电器
10
使用。
2、模拟量输入/输出映像区
模拟量输
入/输出
映像区
1）AI区
为模拟量输入信号开辟的一个存储区，数据类型：
字（16bit），AIWO、
AIW2〜AIW30共16路AI。
注：
模拟量输入值为只读数据。
2）AQ区
为模拟量输出信号开辟的一个存储区，数据类型：
字（16bit），AQW0、
AQW2〜AQW30共16路AQ。
注：
该区数据只写。
教学容
注意点
配时
3、变量存储区（V区）
为保存过程变量和数据而建立的一个存储区，用V表示。
寻址方式：
位、子节、子和双子
位：
V0.0~V5119.7共40960个点
字节：
VB0~VB5119共5120个字节
字：
VW0~VW5118共2560个字
双字：
VD0~VD5116共1280个双字
注：
该区数据可以是输入，也可以是输出。
4、位存储器区（M区）中间继电器
为保存标志位数据而建立的一个存储区，用M表示。
寻址方式：
位、字节、字和双字
位：
M0.0~M31.7共256个点
字节：
MB0~MB31共32个字节
字：
MW0~MW30共16个字
双字：
MD0~MD28共8个双字
5、顺序控制继电器区（S区）
根据顺序控制的特点和要求设计的，是S7-200CPU为顺序控制继电器的
数据而建立的一个存储区，用S表示。
在顺序控制过程中用于组织步进过程的控制。
寻址方式：
位、字节、字和双字
位：
S0.0~S31.7共256个点
字节：
SB0~SB31共32个字节
字：
SW0~SW30共16个字
双字：
SD0~SD28共8个双字
6、局部变量存储器区（L区）
S7-200有64个字节的局部变量存储器。
**与变量存储器的区别：
变量存储区
位存储器区
10
10
升级会员 