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(1)

PLC原理与应用

（ Theory and Application of PLC）

第一章绪论

(PLC的基本知识)

自动化/建智

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(2)

本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准长沙工控帮教育科技有限公司整理

(3)

可编程控制器简介



Programmable Controller，PC



Programmable Logic Controller



PLC最早是用来取代继电器接触器控制系统，也即用

于开关量的逻辑控制，故称为PLC

 随着微电子技术、计算机技术、网络通讯技术的发 展，PLC已发展成“以微处理器为基础，集3C技术为一体的新型工业控制装置。

Computer Control

Communication

具有逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等功 能的名副其实的“多功能控制 器”。

为与个人计算机区别，沿用

PLC

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(4)

可编程控制器的定义

 一种进行数字运算的电子系统；（本质）

 专为在工业环境下应用而设计的工业控制器；（特点）

 采用可编程的存储器，用来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指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出；（信号的传输、存储）

 控制各种类型的机械设备和生产过程。（用途）

 可编程序控制器及其相关的外部设备都按照易于与工业控制系统集成、易于扩展其功能的原则设计。（标准）

国际电工委员会（IEC）1987年 PLC标准草案第三稿

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(5)

本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准长沙工控帮教育科技有限公司整理

(6)

PLC的产生、演变和发展趋势

 新战略实施的不利因素：继电器控制系统属于硬接线连接式编程系统，缺乏变更程序的灵活性，不能适应汽车换代周期缩短的要求。

 新战略实施的有利因素：小型计算机开始应用于工业生产，但原理复杂，需要专门的编程语言；



1968年，美国通用公司GM首次提出了可编程控制

器的概念，设想将计算机与继电器控制系统的优点相结合，形成通用的工业控制装置：



PLC概念的提出：

市场竞争和生产技术发展的需要，

60年

代后期

GM公司提出了“多品种、小批量、不断更新汽车型

号”的新战略方针。 是否可行呢？

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(7)

 编程简单，可在现场修改程序

 维护方便，采用插件式结构

 可靠性高，能在恶劣的环境下工作

 体积小于继电器控制柜

 具有数据通信功能，可将数据直接送入管理计算机

 价格便宜。成本可与继电器控制柜竞争

 输入可以是交流115V

 输出采用交流115V，2A以上，可直接驱动继电器、

电磁阀

 通用性好，系统易于扩展

 用户程序存储器容量至少能扩展到4K字节

GM关于PLC著名的十点要求：

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(8)

PLC的演变

 1969年美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在GM公司的自动装配线上试用成功。

 20世纪70年代初期、中期，可编程序控制器可以完成顺序控制，有逻辑运算、定时、计数等控制功能。（PLC）

 20世纪70年代未至80年代初，可编程序控制器的处理速度大大提高，不仅可以进行逻辑控制，而且可以对模拟量进行控制。美国电器制造协会（NEMA）将可编程序控制器命名为 PC。

 20世纪80年代以来，以16位和32位微处理器为核心的可编程序控制器得到迅速发展。这时的PLC具有了高速计数、中断技术、PID调节和数据通信等多种控制功能。

 PLC人机接口和网络产品使PLC及其网络成为计算机集成制造系统（CIMS）的重要组成部分。

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(9)

国外 PLC的发展现状

 PLC自问世以来，经过50年的发展，在美、德、日等工业发达国家已成为重要的产业之一。世界总销售额不断上升、生产厂家不断涌现、品种不断翻新。产量产值大幅度上升而价格则不断下降。

目前，世界上有200百多个厂家生产400多个品种的PLC及其网络产品，较有名的有：

美国：AB通用电气、莫迪康公司、罗克韦尔公司德国：西门子公司；

法国：施耐德公司；

日本：三菱、欧姆龙、富士、松下电工；

韩国：三星、LG公司等。

台湾：台达等

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(10)

国内 PLC的发展现状

 我国PLC产品的研制和生产经历了三个阶段：

 70年代，顺序控制器，以仿制美国产品为主，初步认识;

 80年代，引进试用，并发展以一位处理器为主的工业控制器

 90年代后，进入推广应用阶段。

 我国主要生产厂商：

北京的和利时系统工程有限公司；深圳德维森公司；

杭州通灵控制电脑公司、江苏嘉华实业有限公司、

北京机械工业自动化所，上海兰星等；

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(11)

国内 PLC的发展现状

 目前，PLC已经渗透到国民经济的各个部门，国产PLC无论从数量和质量上均难以满足国内需求，大量依赖于进口产品。近年来每年约新投入10万台套PLC产品，年销售额30亿人民币。

 在我国应用的PLC，几乎涵盖了世界所有的品牌，呈现八国联军的态势，但从行业上分，有各自的势力范围。

大中型集控系统采用欧美PLC居多，小型控制系统、机床、设备单体自动化及OEM产品采用日本的PLC居多。欧美 PLC在网络和软件方面具有优势，而日本PLC在灵活性和价位方面占优势；

国产PLC市场份额很小，但面临着无数商机。

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(12)

国内 PLC的发展现状

小型

PLC的市场调查

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(13)

PLC的发展现状

小型PLC的市场调查

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(14)

国内 PLC的发展现状——机遇

 随着工厂自动化程度的不断提高和PLC市场容量基数的不断扩大，近年来PLC在工业发达国家的增长速度放缓。但是，在中国等发展中国家PLC的增长十分迅速。

 我国工业企业的自动化程度普遍较低，PLC产品有很大的应用空间，如机械行业80%以上的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制，而作为中国21世纪新的工业增长点，机械工业增长年均速度达20%。因此PLC在我国的应用潜力巨大。

 中国加入WTO后，正努力成为世界新的制造业基地。制造业的控制主要以离散控制为主，PLC是该领域控制系统的首选。为提高劳动生产率和产品质量，必然会大量采用PLC，PLC的应用前景广阔。

 我国在“十五”规划中已明确提出了“用信息化带动工业化”的发 展计划，大量传统产业的自动化改造将为PLC的应用提供巨大的发展空间。

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(15)

PLC的发展趋势

——

两级分化、系列化、通用化、和高性能化

 两极分化：向超大型和超小型PLC发展。

“小”指向体积更小、速度更快、功能更强、价格更

低的微小型PLC方向发展。其特征由整体结构向小型模块化结构发展，增加配置的灵活性；

例如OMRON(欧姆龙)的SRMI微型PLC，体积只有一叠扑克牌大小，却能支持256个点。不仅完成逻辑控制，

还具有数字运算、模拟量处理及调节、数据通信等功能。

发展微小型PLC的目的是为了占领广大的、分散的、中小型的工业控制场合，微小型PLC也非常适合于机电一体化（如机器人、智能电器等），也是实现家庭自动化的理想控制器。

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(16)

PLC的发展趋势——

“大”指向大存储量、高速、高性能、多I/O点数、多功能方向发展，使其能取代工业控制微机、

集散控制系统的功能。

方法： 1 增强网络通信功能，构成开放性平台 2 发展智能模块满足复杂特殊控制要求 3 提高外部故障诊断与处理功能

4 编程语言与编程工具标准化、高级化

5 实现软、硬件标准化，增加开放性和互操作性 6 与其它工控产品PC、DCS、CNC融合集成。

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(17)

本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准

按照

I/O点数分

按照功能大小分按照结构特点分

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(18)

PLC的分类1（ ^按 ^I/O点数分）



(P77-表3-1)

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(19)

PLC的分类2 （按功能分）

低档机：有开关量控制、少量的模拟量控制、远程

I/O

和通信等功能。

中档机：有开关量控制、较强的的模拟量控制、中断控制、

位置控制、远程

I/O 和较强的通信联网等功能。

高档机：除有中档机的功能外，运算功能更强、特殊功能

模块更多，有监视、记录、打印和极强的自诊断功能，

通信联网功能更强，能进行智能控制、运算控制、大规模过程控制，可很方便地构成综合自动化系统。

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(20)

PLC的分类3 （按结构形式分）

整体式：将电源、CPU、存储器及I/O接口等部件集中在一起，

构成主机。

模块式：将PLC各部分以模块形式分开，各模块结构上互相独立，

可灵活选择和组合，通过总线连接，安装在专用的机架内或导轨上

集成式：又称软PLC,早期将PLC 与工业控制PC有机结合为一体。

目前，将PC作为控制平台，集控制软件、数据处理、

可视化、网络通讯等于一体，构成基于PC的自动控制系统

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(21)

PLC的分类（4）

 整体式 PLC

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(22)

PLC的分类（5）

 模块式 PLC

图3-2

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(23)

PLC的分类（6）

 SIMATIC WinAC（视窗自动化中心）是西门子公司基于PC的自动化解决方案的核心部件，其设计思想是将控制调节、数据处理、人机界面、通讯网络集成在一个普通商用或工业PC上，通过与现场总线 Profibus和ET_200分布式 I/O模块的连接，构成一个集成、开放的全集成自动化系统。

图

3-3 基于PC的自动化系统

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(24)

本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准

 PLC与继电器控制电路的比较

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(25)

PLC的特点（1）

 可靠性高，抗干扰能力强

 硬件抗干扰措施：滤波、屏蔽、接地、光电隔离、电磁兼容，硬件冗余或容错技术

 软件措施：故障诊断、监控报警、程序回卷、断电保护、

差错校验、周期扫描方式

 编程简单，使用方便

采用面向用户的编程方法、梯形图、指令表等语言形象直观简单易懂，编程器操作简单易于使用。

 功能完善，通用性强

 功能齐全：逻辑运算、定时、计数、顺序控制、A/D D/A转换、数值运算、数据处理、网络通信等；

 控制对象：单个设备、生产线、生产过程、分布式控制系统

 通用灵活性：系列化、标准化、通用化、模块化；采用插件式输入输出，功能调整通过改变I/O组件和修改用户程序即可。

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(26)

PLC的特点（2）

 设计、安装容易、维护工作量小

 软、硬件采用模块式、积木式结构，组件商品化；

 软件编程实现控制功能，避免过多的硬接线；

 采用面向用户的工业控制编程语言，具有强制和仿真功能，可在实验室进行编程和模拟调试，然后再到生产现场联机调试，减小设计和投运周期。

 具有完善的故障诊断和显示报警功能，便于快速查找和迅速排除故障；PLC本身性能稳定，故障率低，模块式结构，维护简单快捷。

 体积小，能耗低

 性价比高可靠、方便、经济、通用

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(27)

本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准长沙工控帮教育科技有限公司整理

(28)

PLC的应用

 随着 PLC的性能价格比的不断提高：PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、

化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、

纺织、环保、交通、文娱等各行各业

 主要用途如下：



开关量的逻辑控制



模拟量控制



数字控制



机器人控制



分布式控制系统

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(29)

PLC的标准

 PLC标准化的必要性

PLC产品化、产业化、市场竞争和技术发展的需求，要求 PLC开放性、综合性，采用标准的系统软件、公认的通信标准和标准PC技术。标准化是PLC技术向开放化、分散化、网络化和智能化发展的基础。

 PLC国际标准——IEC61131

 1994年5月，国际电工委员会（IEC）制定了PLC的第一部标准IEC1131；

 1998年后称IEC61131，由总则、设备性能和测试、编程语言、用户手册、通信、模糊控制编程、PLC的应用和实施指导等8部分和2个技术报告组成。

 第三部分（ IEC61131 -3）规定了PLC6种编程语言的名法和语义，其中包括指令表、结构化文本ST、文本化顺序功能图SFC三种文本化语言和梯形图LD、功能块图FBD、和图形化顺序功能图三种图形语言

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(30)

PLC的标准

 开放的应用平台

 将PLC用作前端控制器，加强产品的联网功能，采用基于国际标准或工业标准的通信协议、标准的网络和数据库，发展开放性平台。（见图1.8：S7- PLC的三级总线复合网络）

 PLC数据处理，支持开放数据库（ODBC）链接、OLE 等接口

 采用通用设备、标准系统软件和第三方软件，基于 PC进行软件集成，采用Window NT系统平台。例：

Simatic WinAC可视化中心软件包；Simatic Win CC人机监控软件。

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(31)

 标准化对 PLC技术发展的影响

对用户：通用产品和第三方软件，开放的应用平台，

节省用户软硬件费用，缩短设计、施工、投运周期，

显著减少人力和备件费用。

对厂商：通用产品和第三方软件，产品设计周期缩短、

生产质量提高，开发成本下降；一样集中精力开发特色、个性化产品，满足客户要求。

对工业控制：加快了

PLC的更新换代、技术发展、推动

制造业的管理和生产观念，推动产业蓬勃发展。

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(32)

PLC控制系统与继电器控制系统示例

三相电机正反转PLC控制梯形图

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(33)

 （存储式编程控制系统与连接式编程控制系统

）

系统编程器件触点控制功能的实现工作方式

继电器控制系统

继电器、接触器等硬器件，易磨损，

功耗高

数量有限，

同一触点不可重复使用

硬连接，实现功能简单，设计复杂，功能调整灵活性差，需改变电路接线

并行方式，

通电后，器件同时动作

PLC控制系统

触点、线圈、计数器、定时器等软器件，功耗低，无磨损

无限多，可多次重复使用

软编程，设计简化，控制功能灵活多变，功能调整只需改变编程

串行工作方式，依次扫描执行

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(34)

本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准

 PLC与继电器控制电路的比较

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(35)

思考题

课后作业：

进行市场分析调查，了解国内外

PLC的发展现状、国

际主流

PLC产品的特点和市场份额，了解国产PLC产品

的发展和市场，了解

PLC在工业自动化中的地位。（可

选一个角度，或一种型号产品，或一个行业）

完成时间：两周

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(36)

听课愉快！

长沙工控帮教育科技有限公司整理谢谢！

(37)

电气学院自动化系

第二章 PLC的硬件组成与结构

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(38)

本章内容提纲

PLC的基本结构组成

典型PLC产品介绍

2.1

2.2 2.3 PLC的I/O模块及外设

2.4 PLC的工作原理

如果想去掉该提示,请访问并下载：

http://www.jisupdfeditor.com/

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(39)

PLC的基本组成



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(40)

图2-2

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(41)

整体式PLC的实物图

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(42)

4-3

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(43)

模块式PLC的实物图

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(44)

PLC的基本组成——CPU

CPU是PLC控制系统的运算及控制中心

，其主要完成如下任务：

（1）

接收与存储来自编程器的用户程序和数据。

（2）用

扫描方式接收输入设备的状态（即开关量信

号）和数据（即模拟量信号），并存入映射存储区。

（3）

监控

存储和通信状态、诊断电源、PLC内部电路的工作故障，编程中的语法错误

（4）执行用户程序，

输出控制信号。

（5）与外部设备或计算机通信。

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(45)

不同不同 PLC PLC 的的 CPU CPU ：：

小型小型 PLC PLC 采用采用 8 8 位或单片机；位或单片机；

中型中型 PLC PLC 采用采用 16 16 位或单片机；位或单片机；

大型大型 PLC PLC 多用多用双极性位片机双极性位片机。。

双极性位片机

—— ——

通过并行联结构成任意字长的中央处理单通过并行联结构成任意字长的中央处理单元的大规模集成电路。可包含

元的大规模集成电路。可包含

2位、 2

位、

4位或更多位数的中央处 4

位或更多位数的中央处理单元所需的基本部件。适用于

理单元所需的基本部件。适用于大型计算机的中央处理单元大型计算机的中央处理单元和要求实现高速实时信号处理的各种专用处理器

和要求实现高速实时信号处理的各种专用处理器。采用快速 的双极性晶体管集成电路；而单片机通常采用MOS集成电 路。

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(46)

PLC的基本组成——存储器

PLC内部存储器的种类(存储原理):

PLC存储器的容量：

指存放用户应用程序的存储器容量，中小型一般在

ROM ——随机只读存储器 EPROM——紫外线可擦除 EEPROM——电可擦除

RAM——随机读写存储器，用锂电池供电，断电维持

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(47)

PLC的基本组成——存储器

系统存储器

用户存储器

系统程序存储器

内部工作状态存储器

用户程序存储器

数据存储器

存放PLC运行中的各种数据。如I/O状态、定时值、

计数值、模拟量、各种状态标志的数据。

一般用

RAM

（有后备电池），但用户程序 调试好后可固化在EPROM或E2PROM

中。

CPU的临时存储区，快速访问的少量临时数据，节省时间。

使用

EPROM

，用于存放系统程序和指令

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(48)

PLC的基本组成——I/O接口

工业控制的特殊性要求I/O接口能够实现各种信号的电平和格式转换，多样化，并具有较强的抗干扰能力和可靠性。

用于接收现场的输入信号（如按钮、行程开关、传感器等的输入信号）；输出控制信号，直接或间接地控制或驱动现场生产设备（如信号灯、接触器、电磁阀等）

PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块，以及各种

用途的I/O组件供用户选用，包括输入/输出电平转换；电气隔 离；串/并行转换数据传送；A/D、D/A转换；误码校验；其他 特殊功能模块等。

I/O I/O 接口接口 —— —— 是是 PLC PLC 与生产现场设备直接连接的桥梁。与生产现场设备直接连接的桥梁

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(49)

PLC的基本组成——电源

 内部电源 ——开关式稳压电源，供PLC内部使用。

与普通电源相比，这种电源输入电压范围宽、

稳定性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻；有些机型还可向外提供24VDC的稳压电源，用于对外部传感器供电。

 外部电源 ——可用一般工业电源，或锂电池（备用

电池），使内部电源故障时内部重要数据不致丢失。

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(50)

PLC的基本组成——编程器

编程器是PLC最重要的外部设备。利用编程器可编制用户程序、输入程序、检查程序、修改程序和监视PLC的工作状态。

简易型PLC--- 小型PLC上，只能联机编程，需将

梯形图程序转化为语句表程序才能送入PLC中。

智能型编程器---

又称图形编程器，可直接输入梯形图程序。可联机亦可脱机编程。用于大中型PLC

PC机？

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(51)

本章内容提纲

PLC的基本组成及其原理

典型PLC产品介绍

2.1

2.2 2.3 PLC的I/O模块及外设

2.4 PLC的工作原理

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(52)

PLC PLC 的工作原理的工作原理



 PLC PLC 实质上是一种实质上是一种

工业控制专用

工业控制专用的计算机的计算机



 其结构原理与计算机相似，皆有其结构原理与计算机相似，皆有

软硬件系统

软硬件系统两部分构成两部分构成



 具有比微机更强的具有比微机

更强的与工业过程之间的接口，

与工业过程之间的接口，

更适合于

更适合于控控制要求的编程语言和开发工具包

制要求的编程语言和开发工具包



 控制功能是通过执行反映控制要求的用户程序控制功能是通过执行反映控制要求的

用户程序来实现

来实现



 用户程序通过用户程序通过

编程器

编程器预先写入存储器中，由预先写入存储器中，由 CPU CPU 采用采用

循环

扫描

扫描的工作方式来执行。的工作方式来执行。



 每一扫描周期中采用每一扫描周期中采用

分时操作原理

分时操作原理，一个时刻执行一个，一个时刻执行一个操作，所有操作按顺序进行，采用串行工作方式。

操作，所有操作按顺序进行，采用串行工作方式。

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(53)

PLC PLC 的工作过程的工作过程

初始化操作

周期扫描

各编程元件清零或复位；

检查

I/O连接是否正确；

启动

WDT T0监控系统的检查

检查硬件和用户程序，

CPU

故障灯指示

顺序逐条扫描处理，WDT监 操作人员介入、设备中断、网络通信、与

编程器信号交换

自诊断操作

输入采样

执行用户程序处理外设请求

输出刷新

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(54)

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(55)

循环扫描中

循环扫描中 PLC PLC 的信号处理过程的信号处理过程

Input CPU output

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(56)

几个重要概念

输入采样

——

—— 指指

PLC在程序执行前，所有外部输入信号

PLC 在程序执行前，所有外部输入信号经输入缓冲器读入（存入）到输入映像存储器中的过经输入缓冲器读入（存入）到输入映像存储器中的过程。程。

输出刷新输出刷新——

—— 指

指CPU

CPU 在执行完所有用户程序后（或下次

在执行完所有用户程序后（或下次扫描用户程序前）将

扫描用户程序前）将

输出映像存储器的内容由输出锁存输出映像存储器的内容由输出锁存器送到输出端子去的过程

器送到输出端子去的过程

。

扫描

——

—— 扫描是一个用来描述扫描是一个用来描述

CPU

CPU 如何完成赋予它的各如何完成赋予它的各种任务的形象性术语

种任务的形象性术语。用户程序是由若干条指令组成，。用户程序是由若干条指令组成，

指令在存储器内是按顺序排列的，则

CPU

CPU 采用分时操作采用分时操作原理，从第一条指令开始顺序地逐条执行的过程。

原理，从第一条指令开始顺序地逐条执行的过程。

扫描周期扫描周期——

——

CPU

CPU 从第一条指令开始，扫描完所有指令

从第一条指令开始，扫描完所有指令后又返回第一条指令所需要的时间。

后又返回第一条指令所需要的时间。

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(57)

CPU CPU 的周期扫描机制的周期扫描机制

CPU周而复始的循环扫描执行系统规定的操作称为PLC的周期扫描机制。其工作周期的大小由所完成的具体操作、用 户程序长短及扫描速度有关，典型为1~100ms

.

优点：优点：

方便程序设计，提高方便程序设计，提高

PLC可靠性。 PLC

可靠性。

系统自行管理外围设备，技术人员只需关心用户程序；系统自行管理外围设备，技术人员只需关心用户程序；

对对

I/O信号统一操作，避免了逻辑混乱 I/O

信号统一操作，避免了逻辑混乱

设置设置

WDT监视扫描时间，及时发现故障。 WDT

监视扫描时间，及时发现故障。

缺点：缺点：

（（

1） 1

）

CPU的某些固定窗口服务，使工作周期不可能无限缩短； CPU

的某些固定窗口服务，使工作周期不可能无限缩短；

（（

2）造成 2

）造成

PLC PLC

的的

I/O响应滞后问题。 I/O

响应滞后问题。

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(58)

本节内容要求：

1 1 、概念：、概念：扫描；循环周期扫描；分时操作；扫描；循环周期扫描；分时操作；

输入采样；输出刷新输入采样；输出刷新 2 2 、、 PLC PLC 系统的工作过程系统的工作过程

3 3 、、 PLC PLC 循环周期扫描机制的优缺点？循环周期扫描机制的优缺点？

4 4 、继电器控制系统和、继电器控制系统和 PLC PLC 控制系统工作原理的区控制系统工作原理的区别？别？

5 5 、如何克服、如何克服 PLC PLC 的输入响应滞后问题？的输入响应滞后问题？

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(59)

本章内容提纲

PLC的基本组成及其原理

典型PLC产品介绍

2.1

2.2 2.3 PLC的I/O模块及外设

2.4 PLC的工作原理

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(60)

PLC PLC 的的 I/O I/O 接口接口

数字量I/O模块

模拟量I/O模块

数字量输入模块

数字量输出模块

模拟量输入模块模拟量输出模块

直流、交流、交直流、无源直流、交流、交直流、无源

继电器型（直交）、晶体管（直）、晶闸管（交）

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(61)

PLC PLC 数字量输入模块数字量输入模块

数字输入模块的种类：

直流输入模块

——外接直流 ——

外接直流

12V、 12V

、

24V、 24V

、

48V电源； 48V

电源；



交流输入模块交流输入模块

—— ——

外接交流外接交流

110V 110V

、、

220V 220V

电源；电源；

交直流输入模块

——外接交、直流电源。 ——

外接交、直流电源。



无源输入模块（干接点）无源输入模块（干接点）

—— ——

由由

PLC PLC

内部提供电源，无需外接内部提供电源，无需外接电源电源。。

数字量输入模块

数字量输入模块——接收现场输入电器的开关量输入

—— 接收现场输入电器的开关量输入

信号、光电隔离、并通过电平转换将开关量输入信号

信号、光电隔离、并通过电平转换将开关量输入信号转换成

转换成CPU

CPU 所需信号电平，并存储于

所需信号电平，并存储于输入缓存器输入缓存器

中等

待

待CPU

CPU 采样输入。

采样输入。

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(62)

PLC PLC 数字量输入模块数字量输入模块

注：背板总线接口将处理过的输入信号传送至CPU 光电隔离

LED

限流

图4-8 图4-9

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(63)

PLC PLC 数字量输出模块数字量输出模块

数字量输出模块

——在输出指令作用下，将输出映射存储区的

状态置于输出锁存器中，并经光电隔离、电平转换、或功率放大器输出（或驱动）控制现场的执行机构。

继电器输出（交直流输出模块）

——输出电流大（3～5A），交

直流二用，适应性强，但动作速度慢（10～12ms），工作频率 低。适用于低频大功率交直流负载。

晶体管输出（直流输出模块）

——外接直流电源，动作速度快

（≤2ms），工作频率高（可达20Hz）,但输出电流小（≤1A）。

适用于高频小功率直流负载。

可控硅或固态继电器输出（交流输出模块）

——外接交流电源，

输出电流大，动作速度快，工作频率高。适用于高速大功率交流负载。

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(64)

PLC的I/O接口—— ^{数字量I/O模块}

继电器

图4-10 图4-11

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(65)

图4-12

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(66)

PLC的I/O接口—— ^{模拟量I/O模块}

模拟量输入模块

就是通过A/D转换把外 部模拟量输入信号转换成

CPU所需的数字信号电平。

其参数如下：

（1）模拟电压输入范围 单极性：0～5V； 0～10V 双极性：-5～+5V； -10～

+10V

（2）模拟电流输入范围： 0～10mA；4～20mA

图4-13

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(67)

PLC的I/O接口—— ^{模拟量I/O模块}

模拟量输出模块

通过D/A转换把CPU 输出的数字信号转换成外部控制所需的控制电流或控制电压。

其参数如下：

（1）模拟电压输出范围 单极性：1～5V； 1～

10V；双极性：-10～

+10V

（2）模拟电流输出范围

（典型值）：0～20mA；

4～20mA

^图4-14

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(68)

PLC的I/O接口—— ^{模拟量I/O模块}

图4-15 图4-16

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(69)

PLC的I/O接口——智能模块

智能模块是自带微处理器、存储器和系统程序的功能模块。

其特点是：智能模块的CPU与PLC的CPU并行工作（也可 独立地连续工作），占用PLC的CPU时间很少，有利于提高

PLC的扫描速度和完成特殊功能，并大大减少用户程序的编

程难度和编程量。

常见的智能I/O模块有：PID调节模块、高速计数器模块、

温度传感器模块、通信模块、运动控制模块等，此外，还有快速响应模块、数控模块、计算模块、模糊控制模块、语言处理模块、阀门控制模块和中断控制模块等

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(70)

PLC的I/O接口——智能模块

称重模块：用于称重和测力通讯模块

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(71)

PLC的外部设备—— 人机接口装置（HMI）

人机接口装置（Human Machine Interface）

1、普通型人机接口是由安装在控制台上的按钮、转换开

关、拨码开关、指示灯、LED数码管显示器和声光报警器等 元件组成。

是纯硬件并通过硬接线的方式来实现与控制系统的连接，常 用于小型PLC控制系统；

缺点：占用PLC的I/O点数多，PLC性价低；显示信息量小且性能差；接线复杂且可靠性差、体积大、不便于维护等。

操作人员

PLC控制系统

HMI

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(72)

PLC的外部设备—— 人机接口装置（HMI）

2、可编程终端（PT，Programmable Termination）是一种智 能型人机接口装置，具有以下功能：

●在PT上显示当前的控制状态、过程变量，包括数字量

（开关量）和数值等数据。

●显示报警信息

●通过硬件和可视化图形按键输入数字量（如起动或停止按钮信号）、数值等控制参数。

●使用PT的内置功能对PLC内部进行简单的监控、设置 等。

特点：专为工业现场而设计的，有较高的防护等级，能适应恶劣的工作环境；它体积小，重量轻、安装方便，可嵌入在控制柜的门上或控制台的面板上。

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(73)

常见的可编程终端

文本显示器

一种低档的人机界面产品硬键盘操作。一般只能用于显示中文和英文信息，显示面积较小，一般只能显示

2～4行汉字，每行8～12个

汉字。操作键少，功能键仅限于较少的参数设置，适用 于小型的PLC控制系统，完 成不太复杂的显示与操作。

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(74)

一种中档的人机界面产品，硬键盘操作。有文本操作面板和图形操作面板二大类。操作员面板除具有文本显示器的功能外，

显示面积大，可显示更多的文字和图形；操作键和功能键更多，可完成更多的设置与操作。适用于中小型的PLC控制系统，完成较复杂的显示与操作。

操作员面板

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(75)

高档的人机界面产品，具有显示和软键盘操作功能，能直接在触摸屏上操作。一个触摸屏可支持上千个页面，每个页面支持上千个变量和几十到几百个可自由定义的按键，操作界面设置方便。一般和 中大型PLC连接用于较大 型的、流程较复杂的、显示和设置较多的、且需较

多操作单元的过程控制。触摸屏

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(76)

3、监控计算机系统

通用计算机和监控软件结合而形成的一种人机接口装置。

它除了能实现可编程终端的全部功能外，在显示、对数据库的支持、对网络的支持、对大量数据的记录、统计和报表的打印等功能明显增强。监控计算机系统多用于监控中心内作为整个控制网络的监控站使用。

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(77)

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(78)

电气学院自动化系

第二章 PLC的硬件组成与结构(2)

西门子S7-300PLC的硬件组成及硬件配置

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(79)

本章内容提纲

PLC PLC

的基本组成及其原理的基本组成及其原理

典型典型

PLC产品介绍 PLC

产品介绍

--- ---

西门子西门子

S7 S7 - - 300 300 2.1

2.2 2.3

PLC PLC

的的

I/O I/O

模块及外设模块及外设

西门子产品概况西门子产品概况



S7 S7 - - 200 概况 200

概况



S7 S7 - - 300 概况 300

概况



S7- S7 - 300 300

的硬件组成（模块简介）的硬件组成（模块简介）



S7 S7 - - 300 300

的分布式的分布式

I/O简介 I/O

简介



S7 S7 - - 300PLC 300PLC

的硬件配置（或硬件组态）的硬件配置（或硬件组态）

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(80)

西门子产品概况

西门子西门子

PLC主要有 PLC

主要有

SIMATIC S5 SIMATIC S5

、、

S7 S7

、、

M7 M7

和和

C7 C7

等系列；等系列；



S7系列包括 S7

系列包括

S7- S7 -200 200、

、

S7- S7 -300/400 300/400等型号。

等型号。



S7 S7 - - 200源于美国德州仪器公司的小型 200

源于美国德州仪器公司的小型

PLC； PLC

；

S7 S7 - - 300/400源于 300/400

源于西门子西门子

S5 S5

系列系列

PLC PLC

；两者有多共同之处，但在指令系统、程序；两者有多共同之处，但在指令系统、程序

结构和编程软件等方面有很大差异。



S7 S7 - - 300是一种通用的 300

是一种通用的模块式中小型模块式中小型PLC，最多

PLC

，最多可扩展可扩展32个模

32

个模块块。。

S7 S7 - - 400 400

则适用于中高性能要求的大型则适用于中高性能要求的大型

PLC PLC

，可扩展，可扩展

300 300

个个

模块，两者均可接入

MPI MPI

、工业以太网、现场总线和、工业以太网、现场总线和

Profibus Profibus

等通信网络。

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(81)

S7-300 概况（1）

模块式、无风扇设计，适用于中等性能的控制要求，品种繁模块式、无风扇设计，适用于中等性能的控制要求，品种繁多的功能模块可以很好满足和适应多种领域自动控制任务。

多的功能模块可以很好满足和适应多种领域自动控制任务。

可灵活进行功能扩充，易于实现分布、易于用户掌握。可灵活进行功能扩充，易于实现分布、易于用户掌握。

每个每个

CPU CPU

均有编程通讯接口，使用西门子均有编程通讯接口，使用西门子

MPI MPI

通讯协议，无通讯协议，无需增加任何硬件、软件和编程就可建立一个

需增加任何硬件、软件和编程就可建立一个

MPI MPI

网络，通过网络，通过

Profibus

Profibus - - Dp Dp

接口建立接口建立

DP网络。 DP

网络。

最强的最强的

RAM RAM

容量为容量为

512KB 512KB

，有，有

8192 8192

个存储器位，个存储器位，

512 512

个定个定时器，和时器，和

512个计数器，数字量通道最大为 512

个计数器，数字量通道最大为

65536点，模拟量 65536

点，模拟量通道为通道为

4096个。 4096

个。

具有较高的电磁兼容性、抗震动抗冲击能力、抗低温耐高具有较高的电磁兼容性、抗震动抗冲击能力、抗低温耐高温、耐污染性能。

温、耐污染性能。

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(82)

S7-300 概况（2）



S7 S7 -300/400 - 300/400有

有350多条指令

350

多条指令，其编程软件，其编程软件

STEP7 STEP7

功能强大，功能强大，

通过软件工具来为所有的模块和网络设置参数，支持梯形通过软件工具来为所有的模块和网络设置参数，支持梯形

图、指令表、功能块图等

图、指令表、功能块图等多种编程语言多种编程语言，且可以相互转换，且可以相互转换



CPU CPU

具有具有智能化的诊断功能智能化的诊断功能，监控系统是否正常、记录错，监控系统是否正常、记录错误和特殊事件，有

误和特殊事件，有

WDT WDT

监控中断、过程报警、定时中断等等监控中断、过程报警、定时中断等等功能。功能。



S7 S7 - - 300/400 300/400

将将HMI服务集成到操作系统

HMI

服务集成到操作系统内，大大减少人机内，大大减少人机对话的编程要求。

对话的编程要求。

S7 S7 - - 300/400 300/400

按指定的刷新速度自动将数据按指定的刷新速度自动将数据传送给人机界面。

传送给人机界面。

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(83)

S7-300的硬件组成

S7 S7 - - 300 300 的硬件结构的硬件结构

  电源模块（电源模块（ Power Supply， Power Supply ， PS PS ））

  CPU CPU 模块模块

  接口模块接口模块（（ Interface Module Interface Module ，， IM IM ））

  信号模块信号模块（（ Signal Module， Signal Module ， SM） SM ）

  功能模块功能模块（（ Function Module Function Module ，， FM FM ））

  通信模块通信模块（（ Communication Module Communication Module ，， CM CM ））

  前连接器与其它模块前连接器与其它模块

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(84)

S7-300的硬件结构

图1

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(85)

S7-300的结构组成

S7-300模块结构组态

接口模块

信号模块（I/O）

CPU模块 电源模块

功能模块通讯模块

电源连接器或导线 背板总线和U型连接器

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(86)

S7-300的电源模块（1）

S7-300PLC有多种电源模块可供选择

PS305为户外型电源模块，输入电压为直流DC24/48/72/96/110V，

输出电压为直流DC24V；

PS307普通型电源模块，输入电压为交流AC120/230V，输出电压为 直流DC24V，有三种不同规格的输出电流（2A、5A、10A ），适合 大多数应用场合。

电源模块的作用：为CPU、信号模块、传感器、执行机构供电。

电源模块的选择：

输出功率必须大于其所供电的所有模块消耗功率之和，并且要留有 30%左右的裕量。

当同一电源模块既要为主机单元供电又要为扩展单元供电时，从主 机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小于0.25V。

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(87)

S7-300的电源模块（2）

PS307接线端子及内部原理图

左右

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(88)

S7-300的CPU模块（1）

RUN RUN-P

STOP MRES

微存储器卡

MMC卡插槽

MPI 通讯

接口模式

选择开关

输入输出接口

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(89)

S7-300的CPU模块（2）

SF:系统出错/故障显示（红色）

BF:电池故障（红）

DC5V:CPU和S7300总线的电源指示

（绿色）

FRCE（强制，黄）：至少有一个I/O被强制

RUN（运行，绿）：重启和HOLD分别以2Hz和

0.5Hz闪亮

STOP（停止，黄）：STOP、 HOLD或重启时

亮，存储器复位闪亮

BUSF（总线错误，红色）：PROFIBUS-DP接口 硬件或软件故障时亮。只有此接口的CPU才有 状态和故障LED

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(90)

S7-300的CPU模块（3）

STOP （停机）： CPU通电后自动进入该模式，此模式

下不执行用户程序，可接受全局数据和检查系统

STARTUP（启动）：

通过模式选择开关或编程软件启 动CPU。如果模式开关处于RUN或RUN-P位置，通电时 自动进入启动模式。

RUN（运行）：

执行用户程序，刷新输入输出，处理中断和故障信息

HOLD（保持）：在STARTUP和RUN模式执行程序 时遇到调试用的断点，用户程序的执行被暂停挂起，定时器被冻结

C P U 的运行模式

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(91)

S7-300的CPU模块（4）

RUN-P：CPU执行用户程序，还可通过编程软件读出、改写用户程序，此时不能拔出钥匙开关

RUN位置：执行且可通过编程软件读出用户程序，不能改写，可以取出钥匙开关。

STOP位置：不执行用户程序，通过编程软件可以读出和修改用户程序，钥匙开关可以取出。

MRES：存储器清零复位。该位置数弹触型，

松手后自动回复至STOP位置。作用时，工作存 储器、用户程序和地址区被清除；全部存储器、

定时器、计数器和数据块被删除；CPU初始化硬 件和系统程序参数；MPI的参数被保留；MMC 中的用户程序和系统参数CPU复位后被复制到工 作存储区。

模式选择开关

（钥匙开关）

（普通开关）

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(92)

S7-300的CPU模块（5）

复位存储器LED指示和操作过程：

PLC通电后，将钥匙开关从STOP位置扳到MRES位

置，“STOP”LED熄灭1s，亮1s，再熄灭1s后保持常亮。

放开开关，自动回复至STOP位置。

第二次将其扳到MRES位置， “STOP”LED以2Hz频率

至少闪动3s，指示正在执行复位。最后，“STOP”LED常亮，复位结束，松开模式开关自动回复。

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(93)

S7-300的CPU模块（6）

微存储器卡的使用：

断电保护用户程序和数据，用以扩展CPU的存储器容量，

也可保存CPU的操作程序，便于操作系统升级。

其读写直接在CPU内部进行，不需要专用编程器。

CPU31xC无装载存储器，故使用时必须插入MMC，CPU 和MMC分开订货。

存储卡在取掉或插入时，CPU发出系统复位请求，此时应 将模式选择开关扳到MRES位置，执行复位操作。

注意事项：只有在断电状态或CPU处于STOP状态时，才 能可靠取下MMC，否则数据将会破坏；数据一旦破坏，必须 将其插入CPU中删除或格式化后在使用。

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PLC原理与应用

（ Theory and Application of PLC）

第一章 绪 论

(PLC的基本知识)

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本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准 长沙工控帮教育科技有限公司整理

可编程控制器简介

Programmable Controller，PC

Programmable Logic Controller

PLC最早是用来取代继电器接触器控制系统，也即用

Computer Control

Communication

PLC

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可编程控制器的定义

国际电工委员会（IEC）1987年 PLC标准草案第三稿

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本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准 长沙工控帮教育科技有限公司整理

PLC的产生、演变和发展趋势

1968年，美国通用公司GM首次提出了可编程控制

PLC概念的提出：

60年

GM公司提出了“多品种、小批量、不断更新汽车型

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GM关于PLC著名的十点要求：

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PLC的演变

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国外 PLC的发展现状

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国内 PLC的发展现状

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国内 PLC的发展现状

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国内 PLC的发展现状

PLC的市场调查

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PLC的发展现状

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国内 PLC的发展现状——机遇

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PLC的发展趋势

——

“小”指向体积更小、速度更快、功能更强、价格更

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PLC的发展趋势——

“大”指向大存储量、高速、高性能、多I/O点 数、多功能方向发展，使其能取代工业控制微机、

集散控制系统的功能。

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本章内容提要

 PLC的定义

 PLC的产生、演变、与发展趋势

 PLC的分类

 PLC的特点

 PLC的应用

 PLC的标准

I/O点数分

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PLC的分类1（ 按 I/O点数分 ）

(P77-表3-1)

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PLC的分类2 （ 按功能分）

I/O

I/O 和较强的通信联网等功能。

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PLC的分类3 （ 按结构形式分 ）

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第一章绪论

 PLC的标准长沙工控帮教育科技有限公司整理

 PLC的标准长沙工控帮教育科技有限公司整理

“大”指向大存储量、高速、高性能、多I/O点数、多功能方向发展，使其能取代工业控制微机、

PLC的分类1（ ^按 ^I/O点数分）

PLC的分类2 （按功能分）

PLC的分类3 （按结构形式分）

PLC的分类（6）

 PLC的标准长沙工控帮教育科技有限公司整理

 随着 PLC的性能价格比的不断提高：PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥、石油、

长沙工控帮教育科技有限公司整理谢谢！