《PLC控制系统》课件

控制系统PLC可编程逻辑控制器（）是现代工业自动化的核心技术，广泛应用于制造PLC业、楼宇自动化、交通控制等领域本课程将系统介绍的基本原理、硬件PLC构成、编程方法和实际应用通过本课程的学习，学员将掌握系统的设计、编程、调试和维护技能，为PLC从事工业自动化工作奠定坚实基础课程内容涵盖理论知识与实践应用，注重培养解决实际工程问题的能力控制系统发展背景PLC1年代1960继电器控制时代，接线复杂，维护困难，灵活性差2年1968美国通用汽车公司提出概念，取代继电器控制系统PLC3年代1970-1980技术快速发展，功能不断完善，成本逐步降低PLC4年代至今1990与计算机技术融合，网络化、智能化程度不断提高PLC工业自动化的发展历程经历了从机械控制到电气控制，再到数字化控制的转变的出现彻底改变了工业控制领域，为现代制造业的智能化发展奠定了重要基PLC础基本概念PLC定义核心特点应用目标可编程逻辑控制器可编程、实时控制、高可靠性、抗实现生产过程的自动化控制，提高（干扰能力强，适应恶劣工业环境生产效率，降低人工成本和误差率Programmable Logic），是专为工业环境设Controller计的数字化电子设备采用可编程的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等指令，并通过数字或模拟输入输出模块控制PLC/各类机械或生产过程其设计初衷是替代传统的继电器控制系统，具有更强的功能性和灵活性分类与类型PLC按结构分类按点数分类I/O模块式、模块、电源模块可独立配置，扩展性强，小型点数少于点，主要用于单机或小型设备控制PLC CPU I/O PLC I/O128适用于大型复杂系统维护方便，故障定位准确一体化所有功能集成在一个机箱内，结构紧凑，成本较中型点数点，适用于生产线或车间级控制PLC PLC I/O128-512低，适用于中小型控制系统大型点数大于点，用于大型工厂或复杂系统的集中PLCI/O512控制主要厂商及主流机型PLC西门子（）三菱（）Siemens Mitsubishi系列紧凑型，集成系列经济型，性价比S7-1200PLC FXPLC度高，编程简单，适用于中小型高，在中国市场占有率较高Q应用系列高性能模系列高端模块化，功能强S7-1500PLC块化，处理速度快，通信能大，可靠性优异PLC力强欧姆龙（）Omron系列紧凑型一体化，内置多种通信端口系列模块化CP1H PLCCJ2M，扩展灵活，适用于复杂控制应用PLC各厂商的产品都有其特色和优势，选择时需要考虑技术支持、价格、兼容PLC性等因素国外品牌技术成熟，国产品牌近年来发展迅速，在某些应用领域已具备竞争优势系统组成PLC中央处理器输入输出模块电源模块/（）（）CPU I/O为各模块提供稳定PLC执行用户程序，处理数与外部设备连接的接的直流电源，通常具有据运算，控制系统运口，包括开关量和模拟过载保护功能行，是的核心部件量输入输出模块PLC编程设备用于编写、下载和调试程序的工具，可以PLC是专用编程器或通用计算机工作原理PLC输入扫描程序执行读取所有输入端口的状态，将数据存入按顺序执行用户程序，进行逻辑运算和输入映像寄存器数据处理通信服务输出刷新处理与编程设备、上位机或其他设备的将运算结果写入输出映像寄存器，更新通信任务输出端口状态采用循环扫描工作方式，扫描周期通常为几毫秒到几十毫秒这种工作方式保证了系统的实时性和可靠性，是区别于通用计算PLC PLC机的重要特征硬件构成详解PLC核心功能CPU包括微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器、数据存储器负责程序解释执行、数据运算处理、系统管理控制存储器系统系统存储器存放操作系统，用户存储器存放应用程序数据存储器包括输入映像区、输出映像区、内部继电器区通信接口串行通信口用于连接编程设备，以太网口支持网络通信现场总线接口连接智能设备，扩展通信口增强连接能力输入输出接口详述PLC/开关量接口模拟量接口I/O I/O数字输入（）接收开关、按钮、传感器等设备的开关信号，模拟输入（）接收温度、压力、流量等连续变化的模拟信DI AI电压等级通常为、或号，信号范围如、等24VDC110VAC220VAC4-20mA0-10V数字输出（）控制接触器、电磁阀、指示灯等设备，输出模拟输出（）输出连续变化的控制信号，用于控制变频DO AO形式有继电器型、晶体管型和晶闸管型器、调节阀等设备的运行参数电源与外围设备连接PLC电源系统设计选择合适容量的开关电源，考虑负载功率和扩展余量设置电源滤波和浪涌保护，确保供电质量稳定可靠接线规范要求使用标准端子排，信号线与动力线分开布线强弱电隔离，使用屏蔽电缆减少干扰，接线端子标识清晰安全防护措施设置急停开关和安全继电器，建立可靠的接地系统安装熔断器和断路器保护，制定安全操作规程系统组网与通信PLC以太网通信串口通信基于协议的工业以太网，传输速度接口，适用于短距离点对点TCP/IP RS232/RS485快，支持远程监控和数据交换通信或简单的多点通信网络无线通信现场总线、蓝牙等无线技术，适用于移动设备或、、等专用工业总WiFi ProfibusCANbus Modbus布线困难的场合线，连接智能设备和传感器的主要技术参数PLC

0.1ms响应速度高速PLC的扫描周期可达

0.1毫秒，满足快速控制需求1MB存储容量现代PLC用户程序存储容量通常在几百KB到几MB之间4096点数I/O大型PLC系统最大可扩展到4096个或更多输入输出点85%可靠性指标工业级PLC的平均无故障时间MTBF超过10万小时PLC的技术参数直接影响系统的控制精度和可靠性在选型时需要根据具体应用需求，综合考虑响应速度、存储容量、扩展能力等关键指标，确保系统能够满足长期稳定运行的要求与传统继电器控制的区别PLC传统继电器控制控制系统PLC硬件接线采用大量继电器、接触器等硬件元件，接线复杂，故软件编程控制逻辑通过软件实现，接线简化，故障率低，维护障率高，维护困难方便功能固定控制逻辑由硬件接线决定，修改困难，扩展性差，不灵活多变程序可随时修改，适应工艺变化，扩展功能方便，通适应生产工艺变化用性强体积庞大控制柜体积大，占用空间多，元器件数量多，成本相结构紧凑集成度高，体积小，功能强大，长期使用成本低对较高应用领域举例PLC在现代工业中应用极其广泛，从传统制造业的生产线控制，到现代楼宇的智能化管理，从交通信号控制到环保设备监控，都发PLC PLC挥着重要作用其高可靠性、强抗干扰能力和灵活的编程特性，使其成为工业自动化的首选控制设备编程语言概述PLC梯形图（）LD最常用的编程语言，类似电气原理图，易于理解和掌握适合逻辑控制和顺序控制编程指令表（）IL类似汇编语言的低级编程语言，执行效率高，适合经验丰富的程序员使用功能块图（）FBD图形化编程语言，通过功能块连接实现控制逻辑，适合复杂算法和数据处理结构化文本（）ST高级编程语言，类似语言，适合复杂运算和算法实现Pascal梯形图编程基础基本触点输出线圈定时器符号常开触点、常闭触表示输出信号，根实现延时控制功点是梯形图的基本据左侧逻辑条件的能，包括通电延元素，对应输入信真假来控制输出的时、断电延时等不号的逻辑状态通断状态同类型的定时器计数器符号实现计数控制功能，可以进行加计数、减计数或加减计数操作梯形图编程遵循从左到右、从上到下的扫描顺序，每一行称为一个网络程序执行时按照能流的概念进行逻辑运算，当左侧条件满足时，右侧输出动作梯形图与电气原理图对照继电器触点转换线圈输出转换逻辑关系转换常开触点对应梯形图中的常开接点符号继电器线圈对应梯形图中的输出线圈串联连接对应逻辑与运算常闭触点对应梯形图中的常闭接点符号接触器线圈转换为对应的输出地址并联连接对应逻辑或运算从传统电气原理图转换为梯形图程序时，需要保持原有的控制逻辑不变，同时充分利用的软件优势，简化硬件接线，提高系统可靠性PLC顺序控制与常用指令启动控制电机启动按钮与自锁回路定时控制延时启动与定时停止停止保护急停按钮与安全联锁顺序控制是应用中最基本的控制方式，通过合理的程序设计，可以实现复杂的自动化控制流程常用指令包括基本逻辑指令、定PLC时器指令、计数器指令等，这些指令的组合使用能够满足大多数工业控制需求定时器与计数器应用PLC定时器应用计数器应用通电延时定时器（）输入信号接通后开始计时，到达设定加计数器（）每次输入脉冲使计数值加，达到设定值时TON CTU1时间后输出接通，常用于延时启动控制输出接通，常用于产品计数断电延时定时器（）输入信号断开后开始计时，到达设定减计数器（）每次输入脉冲使计数值减，减到零时输出TOF CTD1时间后输出断开，常用于延时停止控制接通，常用于库存管理脉冲定时器（）输入信号接通后输出固定宽度的脉冲，常加减计数器（）可进行双向计数，灵活性强，适用于往TP CTUD用于脉冲控制应用复运动控制顺序控制案例分析按钮输入检测启动按钮、停止按钮状态采集自锁回路设计电机运行状态自保持功能输出控制执行接触器线圈驱动电机运转电动机起停控制是最基础的应用实例通过启动按钮给出启动信号，控制接触器吸合，电机开始运转同时建立自锁回路保持PLC PLC运行状态，当按下停止按钮或出现故障时，立即切断输出，电机停止运转这种控制方式安全可靠，广泛应用于各种工业设备中常见指令详解PLC逻辑或指令（）OR逻辑与指令（）AND任一条件满足时输出为真，对应并联电路多个条件同时满足时输出为真，对应串联电路逻辑非指令（）NOT输入信号取反输出，常闭触点的软件实现数值运算指令移位指令（）SHL/SHR加减乘除运算，比较指令，数据转换等数学处理功能数据左移或右移操作，用于数据处理和流水线控制程序结构与子程序调用主程序结构包含系统初始化、主要控制逻辑和子程序调用按照控制流程组织程序结构，便于理解和维护子程序设计将重复使用的功能模块化为子程序提高程序复用性，减少代码冗余，便于调试调用机制通过调用指令激活子程序执行支持参数传递，实现数据交换和功能定制结构化编程是现代程序设计的基本要求，通过合理的程序结构划分，可以大大PLC提高程序的可读性、可维护性和可扩展性可扩展性与模块扩展扩展需求分析根据系统规模和控制要求确定点数，计算模拟量通道数量，评估通信I/O接口需求，制定扩展方案模块配置选择选择合适的扩展机架，配置数字量和模拟量模块，添加专用功能模块如高速计数、位置控制等系统集成调试安装扩展模块并进行地址配置，测试各模块功能正常性，验证系统整体性能指标模拟量控制PLC转换模块转换模块A/D D/A信号采集将现场的连续模拟信号转换为数字量，支持电压信号信号输出将内部数字量转换为模拟信号，用于控制变频PLC（）、电流信号（）等标准信号器、调节阀等执行器0-10V4-20mA精度指标转换精度通常为位或位，分辨率影响控制精度，应用实例温度控制中，根据温度偏差计算输出值，通过1216PID需根据工艺要求选择合适规格模块控制加热器功率，实现精确温控D/A传感器与执行元件简介传感器负责将物理量转换为电信号，为提供现场状态信息常用传感器包括压力传感器、温度传感器、流量计、位置传感器等PLC执行元件接受的控制信号，执行具体的控制动作，如电磁阀控制气缸动作，变频器调节电机转速，加热器控制温度等PLC系统选型流程PLC需求分析确定控制规模、点数、响应速度要求、通信需求、环境条件等关键I/O参数方案比较对比不同厂商产品的技术参数、价格、服务支持，评估系统扩展性和兼容性验证测试进行样机测试或仿真验证，确认所选能够满足实际应用要求PLC最终确认综合考虑技术、经济、服务等因素，确定最终的选型方案PLC控制柜设计要点PLC布局设计散热系统抗干扰设计合理安排、电源、设计通风散热方案，必强弱电分离布线，使用PLC接触器等设备位置，确要时安装风扇或空调，屏蔽电缆，设置滤波保维护空间充足，散热保证设备运行温度在规器，建立良好的接地系良好定范围内统安全防护设置急停开关、门锁开关、故障指示灯，确保操作人员和设备安全接线与安装规范PLC端子连接使用标准端子排，接线牢固可靠屏蔽处理模拟信号使用屏蔽线，单端接地接地系统建立完善的保护接地和工作接地标识标签所有线缆和端子清晰标识编号规范的接线安装是系统可靠运行的基础严格按照标准进行施工，不仅能保证系统性能，还能大大减少后期维护工作量，提高系统的整体可PLC靠性典型开关量输入回路按钮开关回路启动、停止按钮通过串联电阻限流接入数字输入端PLC采用供电，提供稳定的开关信号24VDC传感器接入接近开关、光电开关等传感器信号处理注意传感器类型匹配和信号电平兼容性限位开关应用机械限位开关提供位置反馈信号确保动作可靠性和机械寿命要求典型输出回路设计继电器输出回路晶体管输出回路指示与报警输出通过中间继电器驱动大功率负载，实直接驱动直流负载，响应速度快，适控制指示灯、蜂鸣器等信号设备，提现电气隔离适用于交直流负载，响合高频开关控制需要注意负载电流供系统状态显示和故障报警功能应速度较慢但可靠性高和电压限制模拟量采集与输出实例温度测量运算PID热电偶或传感器采集温度信号，经内部执行算法，根据设定值与实RTD PLCPID信号调理后送入模拟输入模块际值的偏差计算控制输出PLC执行控制信号输出固态继电器或调功器接收控制信号，调通过模拟输出模块产生信号，控4-20mA节加热器功率实现温度控制制执行器动作与上位机通讯PLC人机界面系统集成HMI SCADA触摸屏连接通过串口或以太网与通信，实现参数设置、状数据采集系统通过网络从多台采集生产数据，建立PLC SCADAPLC态监控、报警显示等功能中央监控数据库操作界面提供图形化操作界面，操作员可以直观地监控设备状远程控制支持远程监控和控制功能，管理人员可以在办公室监态，设置工艺参数，处理报警信息控车间生产状况远程监控与诊断PLC状态监控诊断程序远程维护实时监控运行状态、状态、通信状PLCI/O远程连接建立技术人员可以远程下载、上传和修改PLC态等关键参数，提前发现潜在故障隐患通过VPN、4G/5G网络或工业网关建立远程序，进行在线调试和故障排除，大大提程通信链路，确保数据传输安全可靠高维护效率网络集成与物联网应用PLC工业以太网接入通过工业交换机构建稳定的现场总线网络支持多种工业协议，实现设备间的无缝通信边缘网关部署部署工业网关设备，实现协议转换和数据预处理提供本地存储和边缘计算能力，增强系统可靠性云平台数据分析将生产数据上传至云平台进行大数据分析实现预测性维护、能耗优化、质量管理等高级功能动作流程图（）应用SFC初始步系统启动状态，等待启动条件满足转换条件定义步与步之间的转换逻辑条件动作步执行具体的控制动作和操作指令分支汇合处理并行流程和条件分支控制是专门用于顺序控制的编程语言，特别适合批处理过程、机械手控制等需要明SFC确工序步骤的应用通过图形化的方式清晰地表达控制流程，便于工艺工程师理解和维护多机协作与联锁控制时序协调握手通信多台设备按预定时序协调动作，确保生设备间通过信号交换确认动作完成状产流程顺畅进行态，建立可靠的协作机制优先级管理安全联锁处理多个控制请求的优先级，确保关键当某设备出现故障时，相关设备自动停操作优先执行止或转入安全状态复杂运动控制与处理步进电机控制伺服系统控制脉冲控制输出脉冲信号驱动步进电机驱动器，实现精确定闭环控制通过编码器反馈实现位置、速度、转矩的精确控制PLC位控制通过脉冲频率控制转速，脉冲数量控制位置发送位置指令，伺服驱动器执行精确定位PLC应用特点成本低，控制简单，适用于中等精度的定位应用无多轴同步支持多轴联动控制，实现复杂轨迹运动，广泛应用于需位置反馈，但可能存在失步问题数控机床、机械手等高精度设备在三相异步电动机控制中的应用PLC直接启动控制适用于小功率电机的点动、自锁、正反转控制星三角降压启动减小启动电流，保护电网和电机设备变频调速控制通过变频器实现电机无级调速运行电动机控制是最常见的应用之一根据电机功率和工艺要求选择合适的启动方式，既要保证设备安全，又要满足生产需求现代PLC控制系统越来越多地采用变频调速技术，实现节能运行和精确控制在工业机床中的应用PLC自动送料系统控制料仓、输送带、机械手等设备实现工件的自动上料和定位夹紧加工过程控制协调主轴、进给轴、冷却系统动作监控加工参数，确保加工质量质量检测集成集成在线检测设备进行尺寸测量根据检测结果自动分拣合格产品在包装生产线上的应用PLC输送控制计量填充控制输送带速度，实现产品有序传输，精确控制填充量，确保产品重量符合标检测产品到位信号准要求标识打印封装成型控制打码机打印生产日期、批次号等产控制封口设备，实现包装袋的热封或胶品信息封处理在楼宇自动化的应用PLC电梯群控系统智能照明控制空调系统管理多台电梯协调调度，优根据时间、光照强度自温度、湿度、空气质量化乘客等待时间，提高动调节照明，实现节能的综合控制，营造舒适运行效率和舒适并重的室内环境安防消防集成门禁、监控、消防报警系统的集中管理和联动控制系统调试流程PLC离线仿真测试在编程软件中进行程序仿真，验证控制逻辑正确性，发现程序中的逻辑错误和语法问题硬件连接检查检查与外部设备的接线正确性，测试输入输出信号，确认地址分PLC配无误在线调试监控将程序下载到，进行在线监控和调试，观察程序执行状态，PLC调整参数设置系统联合调试进行整个系统的联合调试，验证各子系统协调工作，优化系统性能参数常见故障类型PLC硬件故障损坏、模块故障、电源异常、连接器松动等物理损坏问题CPUI/O软件故障程序逻辑错误、参数设置不当、存储器数据丢失、通信协议配置错误环境干扰电磁干扰、温度过高、湿度过大、振动冲击等外部环境因素影响维护不当接线松动、灰尘积累、元器件老化、缺乏定期维护检查维护与系统升级PLC例行维护要点系统升级注意事项清洁保养定期清除灰尘，检查散热通风，保持设备清洁干燥备份保护升级前必须备份原有程序和参数，制定回退方案，确检查接线端子紧固情况，发现松动及时处理保升级失败时能够快速恢复功能检查定期测试输入输出功能，检查通信状态，验证备份电兼容性验证新版本软硬件的兼容性测试，逐步升级策略，避免池电压，确保系统正常运行一次性大幅度变更带来的风险安全与应急处理应急响应制定应急预案和快速响应流程数据保护程序备份和参数数据保存策略供电保障不间断电源和备用电源配置UPS冗余设计关键系统的冗余备份和自动切换安全防护是系统设计的重要环节，必须从硬件配置、软件设计、操作规程等多个层面建立完善的安全保障体系，确保在各种异常情况下都能PLC保护人员和设备安全。