电气百科：PLC可编程逻辑控制器的知识大全之一

可编程逻辑控制器是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。个人计算机发展起来后，为了方便和反映可编程控制器的功能特点，可编程逻辑控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。

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一、PLC的基本工作原理

PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式

1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。

2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。

3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。

4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。

5．扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。

6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。

二、PLC的选型

据了解， 选择适当型号的PLC 机是设计中至关重要的一步。目前，国内外 PLC 生产厂家生产的 PLC 品种已达数百个，其性能各有特点，价格也不尽相同。所以，在设计时，首先要根据机型统一的原则来考虑，尽可能考虑采用与本企业正在使用的同系列的 PLC 机，以便于学习、掌握、维护的方便性，备品配件的通用性，且可减少编程的投资。在此基础上还要充分考虑下面因素，以便选择最佳型号的 PLC 机：

1 、 I ／Ｏ设备的数量和性质

在选择PLC 时，首先应对系统要求的输入、输出有详细的了解，即输入量有多少，输出量有多少，哪些是开关 ( 或数字 ) 量，哪些是模拟量，对于数字型输出量还应了解负载的性质，以选择合适的输出形式 ( 继电器型、晶体管型、双向可控硅型 ) 。在确定了 PLC 机的控制规模后，还要考虑一定的余量，以适应工艺流程的变动及系统功能的扩充，一般可按 10 ～ 15 ％的余量来考虑。另外，还要考虑 PLC 的结构，从Ｉ／Ｏ点数的搭配上加以分析，决定选择整体式还是模块式的 PLC 。

据了解， 在确定了PLC 的输入量和输出量的点数及性质后，就可以进一步确定各种Ｉ／Ｏ模板的型号和数量。开关量Ｉ／Ｏ模板的规格标准有 4 、 8 、 16 、 32 、 64 点，点数多的模板，每点平均价格相对较低。对开关量Ｉ／Ｏ模板的外部接线方式可分为隔离式和汇点式，隔离式的每点平均价格较高。如果信号之间不需要隔离，应选用汇点式的Ｉ／Ｏ模板。在整体式 PLC 机中，各个Ｉ／Ｏ端子也有隔离式和汇点式之分，以满足不同电压等级的输入／输出器件的需要。

2 、 PLC 的功能

要根据该系统的控制过程和控制规律，确定PLC 机应具有的功能。各个系列不同规格的 PLC 机所具有的功能并不完全相同。如有些小型 PLC 只有开关量的逻辑控制功能，而不具备数据处理和模拟量处理功能。当某个系统还要求进行位置控制、温度控制、 PID 控制等闭环控制时，应考虑采用模板式 PLC ，并选择相应的特殊功能的Ｉ／Ｏ模块，否则这些算法都用 PLC 的梯形图设计，一方面编程困难，另一方面也占用了大量的程序空间。

另外，还应考虑PLC 的运算速度，特别是当使用模拟量控制和高速计数器等功能时，应弄清 PLC 机的最高工作频率是否满足要求。

3 、用户程序存储器的容量

据了解， 合理确定PLC 的用户程序存储器的容量，是 PLC 应用设计及选型中不可缺少的环节。一般说来，用户程序存储器的内存容量与内存利用率、开关量Ｉ／Ｏ总数、模拟量Ｉ／Ｏ点数及设计者的编程水平有关。

简单的估算公式：

内存字数＝( 开关量Ｉ／Ｏ总点数＋模拟量Ｉ／Ｏ点数 X 16) X 10

式中：每个模拟量通道( 或Ｉ／Ｏ点 ) 相当 16 个开关量Ｉ／Ｏ点。在此基础上，可考虑留有 20 ～ 25 ％的裕量。对于工艺比较复杂的系统，应适当增加存储器的容量，否则，当控制较复杂、数据处理量大时，可能出现存储器容量不够的问题。

三、PLC的七个基本特点

1．编程方法简单易学

梯形图是使用得最多的PLC的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制数字量控制系统的用户程序。

2．功能强，性能价格比高

一台PLC内有成千上万个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3．硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动大多数电磁阀和中小型交流接触器。

硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。

4．可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PLC用软件代替中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。

PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。

5．系统的设计、安装、调试工作量少

PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，用这种方法设计程序的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。

可以用仿真软件PLCSIM来模拟S7-300/400的CPU模块的功能，用它来调试用户程序。在现场调试过程中，一般通过修改程序就可以解决发现的问题，系统的调试时间比继电器系统少得多。

6．维修工作量小，维修方便

PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据信号模块上的发光二极管或编程软件提供的信息，方便快速地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。

7．体积小，能耗低

复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/2～1/10。

PLC控制系统与继电器控制系统相比，配线用量少，安装接线工时短，加上开关柜体积的缩小，因此可以节省大量的费用。

四、PLC控制柜的相关知识

在如今工业生产中，只要涉及控制的地方，都离不开PLC，PLC柜的布置与设计，是制作PLC柜的基础与关键。

1、柜型的选择 适用于装PLC的柜型，通常选用固定柜，且门板为整门的柜型，如KB柜、九折柜和十六折柜等，不宜选GGD柜、固定分割柜、抽屉柜。因为PLC柜内元件基本上为整板安装，如果采用了柜门分割的柜型，不便于安装和调试。对于GGD柜如果必须选用时，需做一下非标设计，将仪表门、前门和下通风门合并成一个整门，且柜体框架上取消前后横梁，以便于安装和维护。

2、柜体通风系统设计 柜体通风方案，采用前门下进风上出风的形式，后门不加进出风孔。进、出风口分别装1个通风过滤器来防尘，外形尺寸320mm×320mm，进出风面积约008平米。由于PLC柜内的元件发出的热量较少，采用自然对流的方式即可，如果要加快风速，可在门板上半部的出口过滤器上，加装1个轴流风机，向外排风，柜体的顶盖没有通风孔，装无孔顶盖。

3、行线槽规格的选择 行线槽的规格有很多，常用的行线槽宽度为25mm、40mm、60mm、80mm、100mm，高度为40mm、60mm、80mm、100mm，颜色首选灰色。 选择行线槽的原则通常是根据经过此线槽的线的体积之和（含绝缘层）为线槽容量的80%左右，来选择线槽的规格，余下的空间便于线的散热。计算时可以用截面的关系，即线的截面之和（含绝缘层）为线槽截面的80%左右。 通常大于6平方的线缆，不宜用行线槽来管理线束，但有时为了柜内布置整齐美观，对于特殊的线缆，如网线、元器件的预制电缆等，也放进了行线槽，在装配设计时要特殊考虑，根据线径以及弯曲半径来选择线槽，将电缆整齐的放进线槽内。

4、元器件布置的原则 柜内元器件布置，一般是从上到下，从左向右。便于操作与维护，经常操作或维护的元器件应安装在较容易触及到的位置，从高度上讲，尽量安装在离地面400mm至1800mm的高度范围内。如果元器件较多，可考虑将不常操作的元器件（如直流电源）安装在柜体高度2000mm左右的位置上，底部元件安装位置不能低于离地面200mm，否则现场无法接线。布置时避免线在线槽内反复绕，注意节约成本。

4.1稳压电源布置 稳压电源不需要经常维护，且是发热器件，布置在柜内最上部，便于散热。接线少，线槽选用40mm宽即可，线槽深度要整柜考虑，与走线量最大的线槽统一（线槽深度选择下同）。稳压电源边缘与线槽之间的净距是30mm左右。

4.2PLC及各单元布置 与CPU单元相邻的单元，最好是特殊单元和输入单元等干扰产生少的单元。外部电路的电磁接触器及继电器类，其线圈及接点即干扰发生源，因此应与PLC分开配置。（大致在100mm以上） 此外模块是PLC系统的主要部件，需经常进行调试维护，应安装在方便操作的位置。安装模块时自左向右排布，便于扩展。信号线较多，通常选用80mm宽的线槽，机架上端与线槽的净距在30mm左右，机架下端与线槽的净距在80mm左右。

4.3断路器的布置 安装高度以方便操作为宜，周围不要有妨碍操作的器件。通常选用60mm宽的线槽，断路器的上下边缘与线槽的净距在40mm左右。安装时自左侧开始排布，便于扩展。

4.4继电器、端子排的布置 继电器和端子排一般布置在柜前下部或柜后，端子排优先采用纵向排列，内部线和外部线的线槽要尽量分开，如图2所示。考虑到接线习惯（左手持线，右手拿工具），一般端子左侧的线槽留给客户，便于外部线接入，右侧的线槽用于内部线管理。如果空间紧张，也可以两列端子共用一个内部槽或共用一个外部槽，尽量不要内外部共用一个线槽（有串线情况除外），否则不便管理。线槽的宽度根据继电器和端子的数量合理选择，对于外部线，由于现场的进线一般含有备用 芯、屏蔽层等，线径较粗，外部走线槽要选的尽量大

4.5交换机和光纤盒的布置 交换机和光纤盒一般布置在柜体下部，预留的走线空间，应充分考虑网线和光纤的打弯半径，尽量大些，方便现场网线和光纤的接入。

4.6柜内照明 柜内顶部装照明灯，由门控开关控制。单面布置的装1套，前后双面布置的装2套。开门时灯亮，关门时灯灭。

4.7接地系统

4.7.1接地母排 在PLC系统内，所有装有PLC设备的控制柜，均应设置PE保护接地母排和TE防干扰接地母排。PE保护接地母排用于连接机架、电源等设备的PE接地点，与柜体直接连接。TE防干扰接地母排与柜体绝缘安装，用于外部信号电缆的屏蔽接地。

4.7.2柜体接地 安装元器件的安装板等结构件与柜体框架要可靠固定，所用连接件要垫上爪型弹垫，从安装板底部用黄绿导线引至PE排上。柜体旋转部件的接地，应使用铜编织带连接到柜体框架上。

4.7.3机架的接地 机架上有专门用于连接PE的接地螺栓，将机架连接到PE母排上。连接PE母排导线的最小截面为2mm2。

5、柜内布置及结构设计 根据以上布置原则，结合原理图和分柜清单，绘制柜内布置图。无论是柜体、元器件还是线槽等辅料，都必须采用最大外形尺寸，按照1∶1的比例进行绘制。布置图绘制完成后，根据元器件的位置及安装方式，进行安装板的结构设计，安装板的材质通常选用敷铝锌板，厚度在2.0mm～3.0mm。

6、结语 电气控制柜在设计的过程中，必须结合实际使用需求，在进行电气控制柜设计时，技术操作必须严格规范，为了让电气实现自动控制，提高电气控制柜的制造和设计具有重要意义。

五、PLC应用概况

开关量的开环控制

开关量的开环控制是PLC的最基本控制功能。PLC的指令系统具有强大的逻辑运算能力，很容易实现定时、计数、顺序(步进)等各种逻辑控制方式。大部分PLC就是用来取代传统的继电接触器控制系统。

模拟量闭环控制

对于模拟量的闭环控制系统，除了要有开关量的输入输出外，还要有模拟量的输入输出点，以便采样输入和调节输出实现对温度、流量、压力、位移、速度等参数的连续调节与控制。目前的PLC不但大型、中型机具有这种功能外，还有些小型机也具有这种功能。

数字量的智能控制

控制系统具有旋转编码器和脉冲伺服装置(如步进电动机)时，可利用PLC实现接收和输出高速脉冲的功能，实现数字量控制，较为先进的PLC还专门开发了数字控制模块，可实现曲线插补功能，近来又推出了新型运动单元模块，还能提供数字量控制技术的编程语言，使PLC实现数字量控制更加简单。

数据采集与监控

由于PLC主要用于现场控制，所以采集现场数据是十分必要的功能，在此基础上将PLC与上位计算机或触摸屏相连接，既可以观察这些数据的当前值，又能及时进行统计分析，有的PLC具有数据记录单元，可以用一般个人电脑的存储卡插入到该单元中保存采集到的数据。PLC的另一个特点是自检信号多．利用这个特点，PLC控制系统可以实现白诊断式监控，减少系统的故障，提高系统的可靠性。

六、老电工谈维修电工如何学习PLC

我们是维修电工不是电气工程师，找准了自己的位置，明确了方向。电气工程师不会去现场进行PLC接线，但是维修电工不仅要现场给PLC接线，而且还要掌握如何修改程序，我们就知道自己应该掌握哪些知识，应该从怎么学习PLC，我谈谈自己的看法。

第一，作为维修电工我们要从硬件开始学习，必须掌握PLC的I/O输入输出点,PLC的每个部位起什么作用的。在日常维修工作中，PLC外部最容易出现问题就是I/O点的损坏，需要更换到PLC的备用输入输出点。外部接线更改完成后，还需要更改PLC内部的程序的I/O点的的定义，我还需要掌握软件方面的知识。

第二点，作为维修电工我们要从软件开始时学习，学习各种PLC编程软件里的上载和下载在哪里操作。在维修的工作中，PLC的I/O输入点外部更改后，内部的程序也需要修改，这个时候我们就需要把PLC的内部程序上载了，然后修改程序。修改完了，在下载到PLC的里。（每个品牌的PLC上传和下载都不一样，如果大家有兴趣可以留言，我们以后再分享如何进行PLC的上传和下载）。

第三点，作为维修电工我们要从PLC的硬件构造也要掌握，对我们以后维修工作中，PLC出现问题，需要简单的维修PLC有帮助。

1）中央处理器（CPU） 一般由控制器、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。 与一般的计算机一样，CPU是整个PLC的控制中枢，它按PLC中系统程序赋予的功能指挥PLC有条不紊的进行工作。CPU主要完成下述工作： （1）接收、存储用户通过编程器等输入设备输入的程序和数据。 （2）用扫描的方式通过I/O部件接收现场信号的状态或数据，并存入输入映像寄存器或数据存储器中。 （3）诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等。 （4） PLC进入运行状态后，执行用户程序，完成各种数据的处理、传输和存储相应的内部控制信号，以完成用户指令规定的各种操作。 （5）响应各种外围设备(如编程器、打印机等）的请求。 PLC采用的CPU随机型不同而不同， 目前，小型PLC为单CPU系统，中型及大型则采用双CPU甚至多CPU系统。目前，PLC通常采用的微处理器有三种：通用微处理器、单片微处理器（即单片机）、位片式微处理器。

第四，作为维修电工我们要从PLC的编程语言也要掌握：

1、梯形图语言（LD）与电气操作原理图相对应，具有直观性和对应性；电气设计人员易于掌握，目前在小型PLC上应用广泛！

2、指令表语言（IL）指令表编程语言是与汇编语言类似的一种助记符编程语言，和汇编语言一样由操作码和操作数组成。在无计算机的情况下，适合采用PLC手持编程器对用户程序进行编制。目前基本上没什么人使用，但是我们也应该了解！

3、功能模块图语言（FBD）功能模块图语言是与数字逻辑电路类似的一种PLC编程语言。 这是一种较新的编程方法，用方框图的形式来表示操作功能，类似于数字逻辑门电路的编程语言。有数字电路基础的人很容易掌握，由于功能模块图能够清楚表达功能关系，使编程调试时间大大减少。目前，这种语言是发展趋势，国际电工协会正在实施发展这种新式的编程标准，而且某些PLC制造厂家，已经在中型及大型PLC开始支持这种语言了！

4、顺序功能流程图语言（SFC），顺序功能流程图语言是为了满足结构化和标准化而设计的编程语言。对于负责的控制系统，内部联锁、互锁极其复杂的情况下，采用流程图语言可以很直观地看到设备的动作顺序。比较容易读懂程序，不同的人员都比较容易理解其他人编写的程序，因为程序按照设备的动作顺序进行编写，规律性较强，不需要复杂的互锁电路，更容易设计和维护系统。目前这种编程语言最适合从事工艺设计的工程技术人员，因此，它是一种效果显著、深受欢迎、前途光明的编程语言。

5、结构化文本语言（ST）结构化文本语言是用结构化的描述文本来描述程序的一种编程语言。它是类似于高级语言的一种编程语言。在大中型的PLC系统中，常采用结构化文本来描述控制系统中各个变量的关系。主要用于其他编程语言较难实现的用户程序编制。这五种编程语言，我们必须应该要掌握就是梯形图，也是最容易掌握的编程语言。 从事维修工作十几年，我也是从一名普通的电工开始的，一步一步的走过来，这些都是我们这些年的总结出来的学习方法。当然大家如果想看什么其他的内容请写留言，我们会酌情考虑推出大家喜欢看的技术文章。有机会请不要干维修电工，维修电工一个需要不断学习的工作行业，干到老学到的。

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