PLC软硬件组成及工作原理

PLC 的产生和发展
在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电
器控制占主导地位的。对生产工艺多变的系统适应性差，一 旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件 结构。
20世纪60年代，美国的汽车生产技术相对成熟，汽车制 造业竞争激烈，导致汽车产品不断更新，生产线也随之频繁
改变。而当时的自动控制装置是继电接触器控制系统，要改 变工艺十分困难，这不仅阻碍了产品更新换代周期，而且可 靠性不高。
开关量输出单元
晶闸管输出单元 继电器输出单元
输入、输出接口：采用光电隔离，实现了PLC的内部电路与外部电路的电气 隔离，减小了电磁干扰。 输入接口作用：将按钮、行程开关或传感器等产生的信号，转换成数字信号 送入主机。 输出接口作用：将主机向外输出的信号转换成可以驱动外部执行电路的信号， 以便控制接触器线圈等电器通断电；另外输出电路也使计算机与外部强 电隔离。 输出接口电路按照 PLC 的类型不同一般分为继电器输出型、晶体管输出型和 晶闸管输出型 3 类以满足各种用户的需要。其中继电器输出型为有触点的输出 方式，可用于直流或低频交流负载；晶体管输出型和晶闸管输出型都是无触点 输出方式，前者适用于高速、小功率直流负载，后者适用于高速、大功率交流 负载。
光电耦合
交流输入电路
输入点
外部开关
S R1 → → LED +5V
～
C COM
R2
A R3
滤波
内 部 电 路
输入点的 状态显示
光电耦合
（2）输出接口电路：
以继电器形式为例：
继电器输出
Q
内 部 K
COM + 交流电源或 直流电源
内 部
PLC
电
路
电
路
晶体管输出电路 输出点的 状态显示 内 部 电 路
算），数据传递、排序和查表、位操作等功能；可以完成数据的采集、分析
和处理，可以与存储器中存储的参考数据相比较，也可以传送给其它智能装 置或传送给打印机打印制表 5．联网通信 PLC的通讯包括PLC与PLC之间、PLC与上位计算机之间和其它 的智能设备之间的通讯
PLC 的生产厂家
当今世界上 PLC 生产厂家按地域可分为 三大流派：美国、欧洲和日本。
美国是 PLC 生产大国，有 100 多家 PLC 厂商，著名的有 A-B 公司、通用电气（ GE ）公司、莫迪康（ MODICON ）公司、 德州仪器（ TI ）公司、西屋电气公司等。
欧洲著名的 PLC 生产厂商有德国的西门子（ SIEMENS ）公 司、 AEG 公司，法国的 TE 公司等。 日本有许多 PLC 制造商，如：三菱、欧姆龙、松下、富士、 日立、东芝等。
（1）输入接口电路：采用光电耦合器，防止强电干扰。 输入端子
3.3k
发光二极管 PLC
内 部
In
1000PF
电 470 路
24V – +
+ –
直流电源
COM
发光二极管
光电三极管
直流输入电路 外部开关
S R1
输入点
+5V T
C R2 → →
A COM R3
LED
滤波
内 部 电 路
公共端 输入点的 状态显示
PLC的基本分类
整体式
小型机常采用整体式 中、大型机常采用组合式
组合式
整体式 PLC的基本组成框图
主机
输 入 设 备
编程器 盒式磁带机 打印机 EPROM写入器 上位计算机 PLC 可编程终端PT … 输 入 单 元 电 源
CPU
输 出 单 元
输 出 设 备
外 设 接 口
存 储 器
系统程序 用户程序 存储器 存储器
1968年美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的 新型控制器的十项指标（GM十条）： 1） 编程简单、现场可 修改程序； 2）维护方便、采用插 件式结构； 3）可靠性高于继电器 控制系统； 4）体积小于继电器控 制系统； 5）数据可以直接送入 计算机； 6）成本可与继电器系 统竞争； 7）输入可为市电； 8）输出可为市电，能 直接驱动电磁阀、交 流接触器等； 9）通用性强、易于扩 展； 10）用户存储器大于 4K。
PLC的产生和发展
PLC的发展经历了五个重要时期 ： （1）从产生到20世纪70年代初期。CPU由中小规模数字集成 电路组成，存储器为磁芯存储器，控制功能比较简单。 （2）20世纪70年代末期。采用CPU微处理器，存储器采用半 导体存储器，体积减小，数据处理能力有很大提高。 （3）20世纪70年代末到80年代中期。PLC开始采用8位和16 位微处理器，使数据处理能力和速度大大提高。 （4）20世纪80年代中期到90年代中期。超大规模集成电路促 使PLC完全计算机化，CPU已经开始采用32位微处理器。
PLC 的定义 可编程序逻辑控制器简称为 PLC （ Programmable Logical Controller ），也常称为可编程序控制器即 PC(Programmable Controller) ，它是微机技术与继电接触 器常规控制概念相结合的产物，即采用了微型计算机的基本 结构和工作原理，融合了继电接触器控制的概念构成的一种 新型电控器，它专为在工业环境下应用而设计，它采用可编 程序的存储器，用来存储执行逻辑运算、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、模拟式的输 入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
（5）20世纪90年代中期至今。PLC使用16位和32位微处理器， 出现了智能化模块，可以实现对各种复杂系统的控制。
PLC的产生和发展
PLC经过30多年的发展，现已形成了完整的产品系列，其功能与昔日的 初级产品不可同日而语，强大的软、硬件功能已接近或达到计算机功能。 PLC自问世以来，经过几十年的发展，PLC的功能越来越强大，应用范 围也越来越广泛，其足迹已遍及国民经济的各个领域，但PLC的主要应用领
I/O 扩 展 口
I/O扩展 单元 特殊功 能单元
组合式 PLC的基本组成框图
系统总线
通信单元
智能I/O单元
输出单元 …
输入单元 …
CPU 单元
编程器
PLC或 上位计算机
控制系统现场过程
CPU输入并存储用户程序、显示输入内容和地址； ★ 检查、校验用户程序，发现错误即报警； ★ 执行用户程序、驱动外部输出设备动作；
PLC 的分类
1. 按结构形式分类, 可分为整体式和模块式两类。 ( 1 ) 整体式 PLC ： 将电源、 CPU 、存储器及 I/O 等各个 功能集成在一个机壳内。其特点是结构紧凑、体积小、价格 低，小型 PLC 多采用这种结构，如三菱 FX 系列的 PLC 。 整体式 PLC 一般配有许多专用的特殊功能模块，如模拟量 I/O 模块、通信模块等。 ( 2 ) 模块式 PLC ： 将电源模块、 CPU 模块、 I/O 模块作 为单独的模块安装在同一底板或框架上的 PLC 是模块式 PLC 。其特点是配置灵活、装配维护方便，大、中型 PLC 多 采用这种结构，例如西门子 S7-300 系列的 PLC 。
+5V
光电耦合
输出点
T1 → →
LED R1
负载
R2 T2 D R3
FU
COM
公共端
晶闸管输出电路 输出点的 状态显示
我国的 PLC 生产厂家规模一般不大，主要有无锡华光电子工业 有限公司、上海香岛机电制造有限公司、杭州机床电器厂、天 津中环自动化仪表公司等。
◇ PLC的硬件组成
PLC 生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但其基本构成是一样的， 都采用计算机结构，如下图所示，都以微处理器为核心，通过硬件和软件 的共同作用来实现其功能。 PLC 主要有六部分组成： CPU( 中央处理器 ) 、 存储器、输入 / 输出（ I/O ）接口电路、电源、外设接口、输入 / 输出 （ I/O ）扩展接口。
PLC 的分类 2. 按 I/O 点数和存储容量分类
◆ 小型
PLC ： I/O 点数在 256 点以下，存储 器容量 2K ；
◆ 中型
PLC ： I/O 点数在 256 ～ 2048 点之间， 存储器容量 2K ～ 8K;
◆ 大型
PLC ： I/O 点数在 2048 点以上，存储器 容量 8K 以上。
PLC 的特点
1 ． 通用性强： 由于采用了微型计算机的基本结构和工作原理，而且接口电路考虑 了工业控制的要求，输出接口能力强，因而对不同的控制对象，可以采用相同的硬件， 只需编制不同的软件，就可实现不同的控制。 2 ． 接线简单： 只要将用于控制的接线、限位开关和光电开关等接入控制器的输入 端，将被控制的电磁铁、电磁阀、接触器和继电器等功率输出元件的线圈接至控制器 的输出端，就完成了全部的接线任务。 3 ． 编程容易： 一般使用与继电接触器控制电路原理图相似的梯形图或用面向工业 控制的简单指令形式编程。因而编程语言形象直观，容易掌握，具有一定的电工和工 艺知识的人员可在短时间学会并应用自如。 4 ． 抗干扰能力强、可靠性高： PLC 的输入输出采取了隔离措施，并应用大规模集 成电路，故它能适应各种恶劣的环境，能直接安装在机器设备上运行。 5 ． 容量大，体积小，重量轻，功耗少，成本低，维修方便： 例如一台具有 128 个 输入输出点的小型 PLC ，其尺寸为 216 × 127 × 110mm 3 ，重约 2.3Kg ，空载功耗为 1.2W ，它可以完成相当于 400 ～ 800 个继电器组成的系统的控制功能，而其成本仅相 当于相同功能继电器系统的（ 10 ～ 20 ）％； PLC 一般采用模块结构，又具有自诊断 功能，判断故障迅速方便，维修时只需更换插入式模块，因而维修十分方便。
广西交通运输学校
GUANGXI TRANSPORT SCHOOL
概述
PLC的硬件组成