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PLC学习前置知识点汇集
- PLC自动化
- 2026-09-13
- 545人已阅读
PLC学习前置知识点汇集
S7-200 SMART（含 G2）**独立软件：STEP 7-MicroWIN SMART**，单独安装，和博途互不替代
**STEP 7-MicroWIN SMART 完全免费，不需要任何授权、不需要密钥，个人、公司商用都可以直接安装使用**
***只有形成回路才有电流***
可以把plc的公共端和输入输出端口看作是用一根随时通断的导线连接！PNP等型传感器或输出端口的信号都是集电极输出
西门子的数字量输入公共端M、M1、M2，输出公共端L、L1、L2。三菱输入S/S,输出COM
***OB在拖拽调用FB时自动生成的DB会自动映射保存FB中的静态变量，为好维护可定义一个全局DB所有模块可访问***
***PLC的输入输出端口需要格外供电，有源输出本身带电，无源输出只是通断***
***继电器输出都只是通断，并不供电，需外部供电。晶体管(接直流-输出区分PNP还是NPN型》又分)与晶闸管(接交流，COM一般接零线，端口通过负载接火线)有源输出带电***
晶体管输出带不动大功率设备时可使用-》中间继电器-》设备
传感器NPN = 漏型（Sink，灌入电流，COM口接+24V，IO口常态0V）；传感器PNP = 源型（Source，流出电流，COM口接0V，IO口常态+24V），是否有电流通过IO作为是否有信号
不管是NPN还是PNP，只要传感器感应到物体（动作了），PLC程序里读到的就是“1”
无论NPN还是PNP传感器说白了就是通断信号,输入端口是外部传感器控制通断，输出端口是PLC控制通断
西门子全系普通晶体管出厂固定为 PNP‑源型输出，硬件不能切换成 NPN（漏型）
通俗解释（200‑SMART / S7‑1200 / S7‑1500）
1. 晶体管输出公共端子 1M 接 0V、1L + 接 DC24V 正极
2. Q 点导通之后，输出端子直接送出 +24V 高电平（标准 PNP 源型）
西门子直流输入是双向光耦，可以自由切换 NPN / PNP，只靠公共端子 1M 接线决定
OB主程序，FB功能块【可用静态变量】，FC函数块，DB存储块
***SCL代码内部写 VAR_TEMP / VAR_INPUT / VAR_OUTPUT / VAR_IN_OUT / VAR_STAT … END_VAR，1200 全部不支持，所有局部变量强制在块上方接口表格定义,Constant是常量都是用加#访问，用拖拽FC、FB到OB实现调用***
临时变量、输入变量、输出变量、常量直接在OB、FB、FC中的接口定义，PLC的变量是为了能方便访问I Q M存储区，DB是静态存储类似硬盘存储
开关电源超载时候尽量保持的最大输出电流，而不是电压
220V 市电本质是**电压源，目标是稳住 220V 不变**，**没有内置限流功能**
锂电池本身是电压源，不会自己限流；限流、过流保护全部来自 BMS 保护板。并且绝大多数普通 BMS ≠ 恒流限流。
理想电压源：输出电压强制不变，电流由外接负载决定
**老手经验**：坏板子十有八九是 "电源 + 电容 + 虚焊"，先扫这三样，能省一半时间
***避免写驱动：采用串口、网口、蓝牙***
***拆机全程录像，便于恢复***
机械部分
PLC部分
电流流过电路，电能 100% 全部转换成热能，没有别的形式能量产出，就是纯电阻电路。 没有磁场储能、没有电场储能、不会产生机械能、不会产生反电动势
元件举例：
- 电炉丝、加热棒、白炽灯（老式钨丝灯）、水泥电阻、滑动变阻器
要获得小电压直流，先交流-》变低压交流-》整流-》滤波-》稳压
输出：
交流市电 → 整流桥之后出来叫**脉动直流（馒头波，含有很大纹波）**。
想要变成平稳稳压直流电，分两大路线：**线性稳压 (LDO)**、**开关稳压 (DC‑DC 降压)**。
## 完整流程总框图
交流电 AC →【整流桥】→ 脉动直流 →【大容量滤波电容】→ 未稳压直流（高压） → **稳压电路** → 纯净稳压直流输出
## 第一步：整流后先做一级滤波（必不可少）
整流桥输出，先并联**电解电容**，先把剧烈起伏的馒头波变成波纹较小的直流。
公式参考：
50Hz 全波整流，纹波频率 100Hz
电容经验：
- 电流 1A → 选 **1000μF‑2200μF**
- 电流 0.5A → 470‑1000μF
⚠️电容耐压必须＞整流之后的峰值电压。
例：AC220V 整流之后峰值≈311V，电容耐压至少选 **400V**。
经过电容滤波之后得到的电压：**空载≈√2× 交流有效值；带载后电压会下跌，随负载、电网波动** → 这就是**未稳压直流电压，还不能直接给芯片 / PLC 供电**。
# 方案一：线性稳压电源（LDO，78XX 系列，最简单）
适合：**压差小，电流不大，低发热，对纹波要求极高**
## 典型电路
整流→滤波电容 → **7805 /7812 /7824** →输出稳压直流
- 7805：输出固定 +5V
- 7812：输出固定 +12V
- 7824：输出固定 +24V
### 硬性条件（最重要）
输入电压必须比输出电压高 **2V‑3V 以上**
例：想要输出 12V，滤波后的直流输入至少≥15V。
### 优缺点
✅优点：电路简单，纹波极小，输出干净，干扰低
❌缺点：**多余电压全部变成热量烧掉，压差大的时候发热严重、效率很低**；不能升压，只能降压。
高压大电流场景绝对不要用线性稳压，散热扛不住。
### 可调线性稳压：LM317
可以通过电阻调节，输出任意稳压电压。
# 方案二：开关电源（DC‑DC 降压模块，工业最常用！）
也就是我们常说的**开关稳压**，PLC、触摸屏、伺服驱动器电源全部是这个原理。
整流滤波后的高压未稳压直流 → **开关降压芯片** →稳压低压直流。
## 两种形态
1. **成品隔离开关电源模块（最省事）**
AC220V 直接输入，直接输出 DC24V /12V /5V。
内部已经集成：整流桥 + 滤波 + 开关稳压全套电路，你外部不用自己搭整流。
例：明纬 LRS‑35‑24，AC85‑264V 进，稳定 DC24V 输出。
2. **非隔离 DC‑DC 降压板**
你已经自己完成整流滤波得到高压直流，再接降压模块，得到稳压低压。
✅优点：效率高 80‑95%，发热很小，允许很大输入压差，适合工业大功率供电。
❌缺点：会产生少量高频开关纹波干扰，需要输出端加小电容滤波。
# 方案三：如果你需要升压稳压
整流滤波后的电压太低，想要更高稳压直流 → **DC‑DC 升压模块（Boost）**
# 两个非常容易踩坑的误区
1. ❌「整流桥 + 大电容 = 稳压电源」**大电容只能平滑波纹，不能稳压！**
负载一变、市电一变，电压就上下浮动，绝对不能直接给 PLC、步进伺服驱动器供电。
2. 线性稳压压差过大，会瞬间发烫烧坏芯片。
比如整流滤波得到 DC30V，想转 DC5V，压差 25V，电流 1A，功耗 25W，7805 直接过热烧毁。**这种场景必须用开关电源**。
## 给你自动化项目的实战选型建议
如果你给 PLC / 触摸屏 / 步进伺服驱动器供电：
👉直接买成品**工业开关电源（AC220V‑DC24V）**，不要自己搭建整流 + 稳压电路，稳定性最高。
如果你是小电路板，自己做低压稳压：整流滤波 + LDO 线性稳压。
# 220V 交流电得到 5V 稳压直流两条正确路线
## 方案 A（最简单、工业首选，推荐）
**成品隔离开关电源模块 AC220V → DC5V**
买回来直接插 220V，输出稳定 5V。
不需要自己搭整流桥、滤波、稳压。
## 方案 B，自己分步搭建（不推荐新手）
220V AC → 工频降压变压器 (220V 转 9‑12V 交流) → 整流桥 → 电解电容滤波（得到约 12V 直流） →7805 →5V 稳压
恒压电源的使命**根本就不是维持功率不变**。
它的控制环路只盯着输出电压，芯片不停调整，让电压死死稳住 24V。
至于流出多少电流，电源完全不去管；电流大小，看负载电阻：`I=U/R`。
电流一变，P=U×I 自然跟着变，功率必然波动。
## 自来水类比再对应一遍
恒压电源 = 水压恒定供水系统
- 水压（电压）保持不变
- 水流大小（电流），由你水龙头开多大（负载电阻）决定
- 水泵最大供水能力（额定功率）只是上限，不会一直输出最大水量
# 一句话总结
普通 220V 转 24V 工业开关电源：
**不过载时恒定 →电压；
电流、实时输出功率，永远不恒定；
铭牌额定功率只是最大上限，不是运行时恒定输出的值。**
# 个非常容易踩的思维误区
❌错误想法：24V 电源接很小电阻，电流会变得无限大
✅真相：电源不会无限输出电流。一旦电流触碰到上限，电源放弃维持 24V，电压下降。电流被钳住，不会无限飙升
直流电机
- U：电源电压
- E：反电动势（机械能对应的电压）
- R：线圈铜线直流电阻
- I：回路电流
单相交流电‑非纯电阻（线圈、变压器、交流电机）
三相交流电机（工业伺服、异步电机，最常用）
非线性负载
西门子 PLC 的晶体管输出（DQ，数字量输出）基本都是 **24 V DC 开关型**，核心参数是**每点电流**，功率 = 24 V × 电流。
## 关键约束（比单点功率更重要）
1. **每组总电流受限**：晶体管输出通常按 "组" 划分，每组（4 点或 8 点共用公共端）总电流一般不超过 **4 A**，8 个点同时满负载会超限。
2. **模块总功耗**：模块自身有功耗上限，所有点加起来的总输出电流不能超过模块额定值（常见 4A / 模块或 8A / 模块）。
3. **只能驱动 DC 负载**：晶体管输出是**纯直流开关**，不能接 AC 220V；需要接交流负载必须选**继电器输出**模块或加中间继电器。
4. **感性负载要加续流二极管**：驱动电磁阀、继电器线圈时，必须反向并联续流二极管，否则关断瞬间的反电动势会击穿晶体管。
## 实际选型建议
- 驱动**小型电磁阀、中间继电器、指示灯** → 晶体管输出直接够用（12 W）。
- 驱动**电机、大功率负载、交流设备** → 晶体管输出点接**中间继电器**或**接触器**，由后者去带大功率负载。
- 需要**高速脉冲输出（PTO/PWM，控制伺服 / 步进）** → 选专用的高速输出点或工艺模块，普通 DQ 点不适合高频开关。
一句话总结：西门子晶体管输出每点标准是 **24V / 0.5A / 12W**，比 Arduino 强 100 倍以上，但仍然是**开关量信号级**，不是功率驱动级，大功率负载必须加继电器 / 接触器扩流。
## 1、核心参数
- **额定电压**：单相 **220V**（有效值）
- **频率**：**50 Hz**（Hz（赫兹）= 每秒变化的次数，一个周期耗时：T=1/f=1/50=0.02秒）
- **相数**：居民用电：**单相交流电**；工业动力：**三相交流电 380V**
三相线电压 380V，相电压 220V。
## 2、详细指标（国标 GB/T 156‑2017）
### 电压允许偏差
1. 220V 单相居民供电：**±10%**
正常范围：**198V ～ 242V**
2. 三相 380V 工业：电压偏差 ±7%
### 波形
- 理想波形：**正弦波**
- 实际电网含有少量谐波
补充：美国 / 日本市电常见 110V‑60Hz，和国内不能直接通用。
## 通俗例子
1. 家里灯泡：电流每秒来回换向 50 次，灯光其实每秒闪烁 100 次（一亮一暗），人眼察觉不到；
2. 电机、冰箱、风扇转速和频率挂钩：国内电机按 50Hz 设计；拿到 60Hz（美日）电网转速会变快。
简单记：**频率越高，电压来回变化越快**。
交流电正弦波是**一直在变化**的：0 → + 峰值 → 0 → ‑峰值 → 0，不停波动。
**220V 不是瞬时的电压，是【有效值】。**
市电正弦波峰值（最高点电压）并不是 220V
也就是说家里插座电压一瞬间最高能冲到 **311V**，最低‑311V。
电压每时每刻都在变，你没法拿一个 “瞬时电压” 当做电器标称电压。
## 有效值是什么（最通俗解释）
**交流电有效值 = 和它产生同等发热效果的直流电压**
举例子：
把交流电和 220V 直流电，分别接到同一个电阻上。
如果相同时间内，电阻发出来热量一模一样，那这个交流电的有效值就是 220V。
**380V 同样也是有效值！**
相电压有效值 = 220V
线电压有效值 = 220×√3≈380V
它的峰值：
正弦波电压时刻都在波动，220V 是等效直流效果的有效值，是一个代表这路交流电 “强度” 的固定标称数值。
以50Hz 电机接到 60Hz 电源
## 纯电阻负载（电炉丝、白炽灯、电热水器）
👉 **几乎不受频率影响**
## 异步交流电机（风扇、洗衣机、空压机、三相电机）⭐影响最大
**电机同步转速公式：**
- n：转速 (r/min)
- f：电源频率
- p：电机磁极对数（固定不变）
举例子：2 极电机 (p=1)
- 50Hz：转速 = (60×50)/1 = **3000 转 / 分钟**
- 60Hz：转速 = (60×60)/1 = **3600 转 / 分钟**
### 后果
1. 50Hz 电机接到 60Hz 电源：**转速直接变快 20%**
- 风扇吹得更猛；水泵流量变大
- 电机发热增加，轴承磨损加剧，寿命缩短，甚至过载烧坏
2. 60Hz 电机接到 50Hz 电源：转速变慢 20%，出力不足
这就是为什么国内 50Hz 电器不能直接插美国 60Hz 插座。
## 电感类设备（变压器、线圈、电抗器）
电感的**感抗（阻碍交流电的阻力）**
L= 线圈电感值（固定）；f= 频率
👉 **频率越高，线圈阻碍电流的能力越大**
举例：一个 50Hz 设计的变压器，接上 60Hz，电压不变：
- 感抗上升 → 空载电流变小，铁芯发热反而减轻
反过来 60Hz 变压器接到 50Hz 电网：
感抗下降 → 励磁电流猛增，铁芯严重过热，很容易烧变压器。
## 电容负载
容抗公式：
👉频率越高 → 电容对电流阻碍越小，电流变大。
## 开关电源（手机充电器、笔记本电源）
现在宽电压适配器：标注 100‑240V 50/60Hz
👉**几乎不受频率影响**
电源内部先把交流电整流变成直流电，之后和输入频率没关系。
# 一句话直观理解表象
频率就是**电压来回摆动的快慢**。
对电阻看不见区别；
对电机最直观：**频率越高，电机转得越快**。
## 定义
- **上拉电阻**：电阻一端 → **VCC (电源正极)**，另一端 → **单片机 / 芯片 IO 引脚**
- **下拉电阻**：电阻一端 → **GND (地，0V)**，另一端 → **单片机 / 芯片 IO 引脚**
通俗：上拉电阻是一端接电源正，下拉电阻是一端接地
## 它到底干什么（最通俗解释）
芯片 IO 有一种状态叫**高阻态（浮空 / 悬空）**
浮空的时候引脚既没有接电源也没有接地，电压飘忽不定，容易受干扰，电平乱跳。
- **上拉电阻：把悬空引脚 “拉向高电平”**
当外部开关断开，没有信号输入时，引脚默认是高电平；
开关按下接地，才变成低电平。
- **下拉电阻：把悬空引脚 “拉向低电平”**
外部开关断开时，引脚默认低电平；
开关接到电源，才变成高电平。
## 举一个最经典按键例子
### 按键 + 上拉电阻
- IO 引脚 <──上拉电阻──5V
- IO 引脚 <──按键──GND
- 按键松开：上拉把引脚拉到 5V（高电平）
- 按键按下：引脚直接接地 → 0V（低电平）
### 按键 + 下拉电阻
- IO 引脚 <──下拉电阻──GND
- IO 引脚 <──按键──5V
- 按键松开：引脚 0V（低电平）
- 按键按下：引脚 5V（高电平）
## 阻值为什么经常选 4.7k‑10k？（经验值）
不能太小，比如 100Ω 上拉：
按键按下的时候，5V 经过 100Ω 直接流到地，**电流很大，耗电发热**
不能太大，比如 1MΩ：
电阻太大，“拉力” 太弱，抗干扰差，电平容易飘。
4.7k~10k 就是平衡功耗与抗干扰的黄金区间。
# 自动化控制：电机 + 传动机构汇总
核心目标：**调速、变扭矩、改变运动形式（旋转↔直线）、改变方向、缓冲、离合、同步、降速增扭**，工业自动化、PLC / 运动控制卡、流水线、穿梭车、龙门、CNC 设备常用。
## 一、旋转→旋转传动（电机输出旋转，负载还是旋转）
1. **齿轮传动**
- 直齿轮：平行轴，大扭矩，精度高；噪音大，无缓冲。减速机内部主力。
- 斜齿轮：平行轴，运转更平稳噪音低，工业减速机主流。
- 锥齿轮（伞齿）：改变 90° 传动方向，两轴相交。
- 蜗轮蜗杆：90° 交错轴，**自带自锁**，减速比大；效率偏低发热大。
> 典型：齿轮减速电机、蜗轮蜗杆减速电机。
2. **同步带传动（齿形带）**
- 靠齿啮合，**无滑差，同步定位**；允许轴间距大，减震降噪。
- 缺点：不能承受超大冲击，长期会磨损跳齿。
> 应用：龙门模组、3D 打印机、流水线、取料机构。
3. **V 带 / 平皮带**
- 摩擦传动，会打滑；过载打滑保护机构，不能做定位。
> 应用：普通输送，不用于精准运动控制。
4. **链传动**
- 滚子链：适合大扭矩、恶劣粉尘环境；有多边形效应，低速可用，高速抖动。
> 应用：输送线、重载移栽机构。
## 二、旋转电机 → 直线运动（自动化最常用）
电机输出旋转，把转动转换成直线位移。
1. **滚珠丝杠**
- 滚珠滚动摩擦，**效率高、定位精度极高、可反向传动**。
- 缺点：不能承受大径向力，长丝杠有挠度；成本高。
> 场景：龙门三轴、CNC、伺服滑台、精密移栽。
2. **梯形丝杠（滑动丝杠）**
- 滑动摩擦，效率低，部分规格自锁；价格便宜。
> 场景：轻载低速升降机构，简易设备。
3. **同步带线性模组**
- 同步带带动滑台做直线；速度快、行程可以做很长；定位精度弱于丝杠。
> 场景：长行程高速移栽、物流分拣。
4. **齿轮齿条**
- 小齿轮随电机旋转，推动齿条直线运动；**行程几乎无限制，重载**。
- 缺点：间隙大，精度中等。
> 场景：大型龙门、穿梭车行走轴、大型机床。
5. **曲柄连杆**
- 旋转转往复直线，行程固定；只适合固定往复运动，不可连续任意位置控制。
> 场景：简易拍打、往复推送机构。
6. **凸轮机构**
- 旋转凸轮轮廓驱动从动件往复；运动轨迹由凸轮轮廓固定，程序不可改轨迹。
> 场景：灌装、包装机械定型动作。
## 三、减速 / 变速部件（电机转速太高扭矩小，配减速）
> 伺服、步进电机输出转速高扭矩小，绝大多数工况需要减速机
1. **行星减速机**：伺服标配，回程间隙小，精度高，同轴输出。
2. **齿轮减速机**：斜齿轮减速，重载，性价比高。
3. **蜗轮蜗杆减速机**：大减速比、自锁，精度一般。
4. **谐波减速机**：超薄中空，极小回程间隙；机器人关节，价格贵。
5. **摆线针轮减速机**：抗冲击重载，耐过载；间隙偏大。
## 四、中间辅助传动部件（不改变运动形式，传递 / 断开动力）
1. **联轴器**：连接电机轴和负载轴；刚性联轴器、弹性梅花联轴器、膜片联轴器；补偿微小对中误差。
2. **离合器**：可以电控结合 / 断开动力；电磁离合器。
3. **制动器（抱闸）**：断电抱死轴，防止重力下坠；升降轴伺服电机几乎必配抱闸。
4. **万向节**：两轴不同心角度偏移下传递旋转。
## 五、选型快速对照表
## 六、工程选型简单经验
1. **需要精准定位**：优先滚珠丝杠、行星减速机 + 同步带；避免链条、普通 V 带。
2. **长行程＞1 米**：优先齿轮齿条、同步带模组，长丝杠挠度抖动严重。
3. **垂直升降机构**：优先抱闸电机，优先考虑自锁机构（蜗轮蜗杆 / 梯形丝杠）防坠落。
4. **重载冲击环境**：链传动、摆线针轮减速机。
5. **高速轻载**：同步带。
# 机械臂关节驱动：舵机 / 伺服 / 谐波 / 减速电机区分
机械臂关节**不只有舵机**，按照玩具教育级、桌面小型、工业机械臂分三类，差别非常大。
## 1. 舵机（RC 舵机，PWM 舵机）
> 就是 Arduino 常用那种普通舵机
- 原理：PWM 50Hz 信号控制角度，内部自带小直流电机 + 齿轮减速 + 电位器反馈。
✅优点：便宜、接线简单、闭环角度反馈，结构集成。
❌缺点：
1. 位置反馈只是**电位器**，精度一般；没有速度、力矩真实反馈；
2. 力矩有限，大负载容易抖、丢步；
3. 旋转范围大多 0‑180°，不能无限连续旋转；
4. 没有编码器对外输出，不能做真实力矩控制。
**适用场景**：
DIY 桌面小机械臂、学生教具、模型机器人，负载几百克级别。
> 工业机械臂**不会用普通 RC 舵机**。
-
## 2. 总线舵机（数字舵机，如 LX‑16A 等）
属于舵机升级版本，串口总线通讯，内置磁编码器，可以读角度、温度、力矩。
- 力矩更大，精度比普通 PWM 舵机高很多。
- 依然是一体化关节，适合 DIY、竞赛机器人；**但依然达不到工业等级**。
## 3. 工业机械臂真正的关节单元（关节模组）
工业 6 轴机械臂每一个关节，内部结构：
**伺服电机 + 谐波减速机 + 双编码器 + 制动器（抱闸） + 力矩传感器（部分）**
1. **电机：无框伺服电机（中空力矩电机）**
无外壳，定子转子分开，直接嵌入关节内部，体积小扭矩大。
2. **谐波减速机（核心部件）**
机械臂关节几乎标配：体积很小、减速比大、回程间隙极小。
> 这就是工业臂关节能做到又薄又有力的关键。替代普通齿轮、行星减速机。
3. **双编码器**
- 电机端编码器：电机转子位置
- 输出端编码器：关节真实输出轴角度（消除减速机间隙误差）
4. **断电抱闸**：断电锁死关节，防止掉臂。
整套封装在一起叫**关节模组**，直接输出转轴，不需要自己搭传动。
## 4. 低成本仿工业机械臂方案（很多国产桌面机械臂）
不用昂贵谐波，用：
**小型伺服电机 + 行星减速机**
成本下降，体积会大一点，回程间隙比谐波大。
## 5. 还有一种：步进 + 减速
步进电机 + 谐波 / 行星减速。
❌缺点：没有闭环，过载丢步；**工业机械臂关节几乎不用步进**，只用于廉价 DIY 臂。
快速对比总结
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