工控安全-PLC简介
字数 2421 2025-08-18 11:38:36

PLC（可编程逻辑控制器）全面教学文档

一、PLC概述

1.1 PLC定义

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统。国际电工委员会(IEC)定义：

  • 采用可编程序的存储器
  • 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作
  • 通过数字/模拟输入输出控制机械或生产过程
  • 易于与工业控制系统集成并扩展功能

1.2 PLC发展历程

  • 1968年：美国通用汽车(GM)提出取代继电气控制装置的需求
  • 1969年：美国数字公司研制出第一代可编程控制器(PC)
  • 个人计算机(PC)兴起后：改名为PLC(Programmable Logic Controller)以示区分
  • 80-90年代中期：PLC快速发展期(年增长率30-40%)，功能大幅提升

1.3 PLC特点

  • 通用性强、使用方便
  • 适应面广、可靠性高
  • 抗干扰能力强、编程简单
  • 在工业自动化顺序控制中具有不可替代的地位

二、PLC硬件结构

2.1 整体结构分类

类型 组成元素 特点
固定式PLC CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源 不可拆卸的整体结构
模块式PLC CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板/机架 可按规则组合配置

2.2 核心组件详解

2.2.1 CPU模块

  • 功能：PLC的"神经中枢"
    • 接收存储用户程序和数据
    • 扫描采集输入状态/数据
    • 诊断电源和内部电路状态
    • 读取并执行用户程序指令
  • 构成：
    • 运算器：数字/逻辑运算
    • 控制器：读取、解释和执行指令
    • 寄存器：存储运算中间结果
    • 外围芯片和总线接口
  • 关键参数：
    • CPU速度
    • 内存容量
    • I/O数量支持能力

2.2.2 I/O模块

  • 功能：PLC与外部设备的接口
  • 分类：
    • 开关量(Digital I/O)：
      • 输入(DI)/输出(DO)
      • 电压等级：220VAC、110VAC、24VDC
      • 隔离方式：继电器隔离、晶体管隔离
    • 模拟量(Analog I/O)：
      • 输入(AI)/输出(AO)
      • 信号类型：电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)
      • 精度：12bit、14bit、16bit等
    • 特殊I/O：热电阻、热电偶、脉冲等专用模块

2.2.3 电源模块

  • 功能：
    • 为PLC各模块集成电路供电
    • 部分型号为输入电路提供24V工作电源
  • 输入类型：
    • 交流电源：220VAC或110VAC
    • 直流电源：24VAC常见

2.2.4 底板/机架

  • 功能：
    • 电气连接：实现模块间通信
    • 机械连接：构成整体结构
  • 限制因素：最大槽数决定可扩展性

2.3 辅助设备

  1. 编程设备：
    • 手持编程器(早期)
    • 计算机+编程软件(主流)
  2. 人机界面(HMI)：
    • 指示灯/按钮(简单)
    • 液晶屏/触摸屏(主流)
    • 计算机+组态软件
  3. 输入输出设备：
    • EPROM/EEPROM写入器
    • 条码阅读器
    • 电位器(模拟量输入)
    • 打印机等

三、PLC工作原理

3.1 基本工作模式

"顺序扫描，不断循环"方式：

  1. 从第一条指令开始顺序执行
  2. 执行至程序结束
  3. 返回第一条指令开始新一轮扫描

3.2 扫描周期三阶段

3.2.1 输入采样阶段

  • 扫描读取所有输入端子状态
  • 刷新输入状态寄存器
  • 完成后关闭输入端口

3.2.2 程序执行阶段

  • 按指令顺序扫描执行
  • 运算处理结果写入输出状态寄存器
  • 输出状态随程序执行动态变化

3.2.3 输出刷新阶段

  • 所有指令执行完毕后
  • 输出状态寄存器内容送至输出锁存器
  • 通过继电器/晶体管/晶闸管驱动输出设备

四、PLC通信与网络

4.1 通信能力

  • PLC与PLC间通信
  • PLC与上位机通信
  • PLC与其他智能设备通信

4.2 通信接口

  • RS-232(基本)
  • 厂家专用通信协议接口
  • 现场总线接口

4.3 网络选择原则

  1. 开放性：便于设备集成和扩展
  2. 性能匹配：根据传输需求选择网络形式
  3. 综合考虑：成本、兼容性、环境适用性

五、PLC发展趋势

5.1 高性能方向

  • 高集成、高性能、高速度
  • 大容量发展
  • 多CPU结构
  • 高级控制功能：模糊控制、自适应、参数自整定

5.2 普及化方向

  • 微型PLC优势：
    • 价格便宜
    • 体积小、重量轻
    • 能耗低
    • 外部接线简单
  • 适合单机自动化

5.3 模块化与智能化

  • 模块化结构便于维护
  • 智能I/O模块类型：
    • 模拟量I/O
    • 高速计数输入
    • 运动控制
    • 温度传感器输入
    • PID控制
    • 通信模块等

5.4 软件化发展

  • "软PLC"优势：
    • 基于PC运行
    • 强大数学运算和数据处理
    • 良好人机交互
    • 成本优势
  • 代表产品：亚控KingPLC等

5.5 通信网络化

  • 工业设备智能化和网络化
  • 通信方式：
    • 双绞线、同轴电缆、光纤
    • Modem和互联网远程通信
  • 典型系统架构：
    • 上位计算机+PLC
    • 组态软件应用(如WinCC、组态王、力控等)

六、PLC应用领域

  • 汽车工业(23%)
  • 粮食加工(16.4%)
  • 化学/制药(14.6%)
  • 金属/矿山(11.5%)
  • 纸浆/造纸(11.3%)

七、PLC编程基础

(注：原文未详细描述编程部分，此处为补充内容)

7.1 编程语言

  • 梯形图(LD)
  • 指令表(IL)
  • 功能块图(FBD)
  • 顺序功能图(SFC)
  • 结构化文本(ST)

7.2 编程步骤

  1. 系统配置与硬件组态
  2. 创建变量表
  3. 编写用户程序
  4. 程序调试与模拟
  5. 下载到PLC
  6. 在线监控与维护

八、PLC选型要点

  1. I/O点数需求(当前及未来扩展)
  2. 特殊功能需求(如PID、运动控制等)
  3. 通信网络需求
  4. 编程软件易用性
  5. 品牌与服务支持
  6. 成本预算

九、安全注意事项

  1. 电气安全：正确接地和隔离
  2. 环境防护：温度、湿度、振动等
  3. 电磁兼容：抗干扰措施
  4. 程序安全：备份和密码保护
  5. 维护安全：断电操作

十、学习资源与社区

  • 厂商文档和培训
  • 行业论坛和社区
  • 专业书籍和在线课程
  • 实际项目实践
PLC（可编程逻辑控制器）全面教学文档 一、PLC概述 1.1 PLC定义 PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）是一种专为工业环境设计的数字运算操作电子系统。国际电工委员会(IEC)定义： 采用可编程序的存储器 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作 通过数字/模拟输入输出控制机械或生产过程 易于与工业控制系统集成并扩展功能 1.2 PLC发展历程 1968年 ：美国通用汽车(GM)提出取代继电气控制装置的需求 1969年 ：美国数字公司研制出第一代可编程控制器(PC) 个人计算机(PC)兴起后 ：改名为PLC(Programmable Logic Controller)以示区分 80-90年代中期 ：PLC快速发展期(年增长率30-40%)，功能大幅提升 1.3 PLC特点 通用性强、使用方便 适应面广、可靠性高 抗干扰能力强、编程简单 在工业自动化顺序控制中具有不可替代的地位 二、PLC硬件结构 2.1 整体结构分类 | 类型 | 组成元素 | 特点 | |------|---------|------| | 固定式PLC | CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源 | 不可拆卸的整体结构 | | 模块式PLC | CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板/机架 | 可按规则组合配置 | 2.2 核心组件详解 2.2.1 CPU模块 功能 ：PLC的"神经中枢" 接收存储用户程序和数据 扫描采集输入状态/数据 诊断电源和内部电路状态 读取并执行用户程序指令 构成 ： 运算器：数字/逻辑运算 控制器：读取、解释和执行指令 寄存器：存储运算中间结果 外围芯片和总线接口 关键参数 ： CPU速度 内存容量 I/O数量支持能力 2.2.2 I/O模块 功能 ：PLC与外部设备的接口 分类 ： 开关量(Digital I/O) ： 输入(DI)/输出(DO) 电压等级：220VAC、110VAC、24VDC 隔离方式：继电器隔离、晶体管隔离 模拟量(Analog I/O) ： 输入(AI)/输出(AO) 信号类型：电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V) 精度：12bit、14bit、16bit等 特殊I/O ：热电阻、热电偶、脉冲等专用模块 2.2.3 电源模块 功能 ： 为PLC各模块集成电路供电 部分型号为输入电路提供24V工作电源 输入类型 ： 交流电源：220VAC或110VAC 直流电源：24VAC常见 2.2.4 底板/机架 功能 ： 电气连接：实现模块间通信 机械连接：构成整体结构 限制因素 ：最大槽数决定可扩展性 2.3 辅助设备 编程设备 ： 手持编程器(早期) 计算机+编程软件(主流) 人机界面(HMI) ： 指示灯/按钮(简单) 液晶屏/触摸屏(主流) 计算机+组态软件 输入输出设备 ： EPROM/EEPROM写入器 条码阅读器 电位器(模拟量输入) 打印机等 三、PLC工作原理 3.1 基本工作模式 "顺序扫描，不断循环"方式： 从第一条指令开始顺序执行 执行至程序结束 返回第一条指令开始新一轮扫描 3.2 扫描周期三阶段 3.2.1 输入采样阶段 扫描读取所有输入端子状态 刷新输入状态寄存器 完成后关闭输入端口 3.2.2 程序执行阶段 按指令顺序扫描执行 运算处理结果写入输出状态寄存器 输出状态随程序执行动态变化 3.2.3 输出刷新阶段 所有指令执行完毕后 输出状态寄存器内容送至输出锁存器 通过继电器/晶体管/晶闸管驱动输出设备 四、PLC通信与网络 4.1 通信能力 PLC与PLC间通信 PLC与上位机通信 PLC与其他智能设备通信 4.2 通信接口 RS-232(基本) 厂家专用通信协议接口 现场总线接口 4.3 网络选择原则 开放性：便于设备集成和扩展 性能匹配：根据传输需求选择网络形式 综合考虑：成本、兼容性、环境适用性 五、PLC发展趋势 5.1 高性能方向 高集成、高性能、高速度 大容量发展 多CPU结构 高级控制功能：模糊控制、自适应、参数自整定 5.2 普及化方向 微型PLC优势： 价格便宜 体积小、重量轻 能耗低 外部接线简单 适合单机自动化 5.3 模块化与智能化 模块化结构便于维护 智能I/O模块类型： 模拟量I/O 高速计数输入 运动控制 温度传感器输入 PID控制 通信模块等 5.4 软件化发展 "软PLC"优势： 基于PC运行 强大数学运算和数据处理 良好人机交互 成本优势 代表产品：亚控KingPLC等 5.5 通信网络化 工业设备智能化和网络化 通信方式： 双绞线、同轴电缆、光纤 Modem和互联网远程通信 典型系统架构： 上位计算机+PLC 组态软件应用(如WinCC、组态王、力控等) 六、PLC应用领域 汽车工业(23%) 粮食加工(16.4%) 化学/制药(14.6%) 金属/矿山(11.5%) 纸浆/造纸(11.3%) 七、PLC编程基础 (注：原文未详细描述编程部分，此处为补充内容) 7.1 编程语言 梯形图(LD) 指令表(IL) 功能块图(FBD) 顺序功能图(SFC) 结构化文本(ST) 7.2 编程步骤 系统配置与硬件组态 创建变量表 编写用户程序 程序调试与模拟 下载到PLC 在线监控与维护 八、PLC选型要点 I/O点数需求(当前及未来扩展) 特殊功能需求(如PID、运动控制等) 通信网络需求 编程软件易用性 品牌与服务支持 成本预算 九、安全注意事项 电气安全：正确接地和隔离 环境防护：温度、湿度、振动等 电磁兼容：抗干扰措施 程序安全：备份和密码保护 维护安全：断电操作 十、学习资源与社区 厂商文档和培训 行业论坛和社区 专业书籍和在线课程 实际项目实践