1、自动化装置 北京化工大学自动化系张永德,可编程逻辑控制器PLC/集散控制系统DCS/现场总线控制系统FCS,自动化导论,自动化装置,可编程控制器PLC 集散控制系统DCS 现场总线控制系统FCS -是当代过程控制的三大支柱工具。,PLC,美国数字设备公司（DEC）1969年研制成功了第一台可编程序控制器PDP14，由于当时主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算，故称为可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）。,DCS,美国霍尼威尔公司（HONYWELL）1975年研制成功了第一台集散控制系统TDCS-2000，从此诞生了集中分散式控制系统（Tot
2、al Distributed Controll System，简称DCS）。,FCS,美国罗斯蒙特公司（ROSEMOONT）1991年研制成功了第一台现场总线控制系统DeltaV，现场总线控制系统从此诞生了（Fild Bus Controll System，简称FCS）。,目录,1.可编程逻辑控制器PLC 2.集散控制系统DCS3.现场总线控制系统FCS,1.可编程逻辑控制器PLC,1.1 PLC的产生与发展 1.2 PLC的特点与分类 1.3 PLC的系统构成 1.4 PLC的工作原理 1.5 PLC的编程方式 1.6 PLC的性能指标 1.7 PLC的发展趋势,1.1 PLC的产生与发展,
3、1.1.1 产生 1968年美国通用汽车公司提出了研制新型逻辑顺序控制装置的招标： （1）在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速、方便地对其控制的硬件和设备进行编程及重新进行程序的设计。 （2）所有系统组件必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下进行。,1.1 PLC的产生与发展,（3）系统的维护必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入模块，以便在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行。 （4）装置的体积应小于原有继电器控制柜的体积，它的能耗也应该较小。 （5）必须能与中央数据采集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。,1.1 PLC的产生与发展,（6
4、）输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115V电压信号。（7）输出的驱动信号必须能驱动以交流运行的电动机启动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计可开停和连续操作具有115V、2A以下容量的电磁阀等负载设备。 （8）具有灵活的扩展能力，在扩展时，必须能以系统最小的变动及最短的更换、停顿时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。,1.1 PLC的产生与发展,（9）在购买和安装费用上应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即有高的性能价格比。 （10）用户存储器容量至少在4K以上。 美国数字设备公司中标，1969年研制出第一台PLC，型号是PDP-14,这就是著名
5、10项招标指标,1.1 PLC的产生与发展,1.1.2 发展1969年美国Modicon公司推出084PLC 1970年日本推出DSC-8PLC 1971年西欧推出了PLC 1974年我国推出了PLC从控制功能的角度出发，PLC的发展有5个阶段。,1.1 可编程序控制器产生与发展,1.2 PLC的特点与分类,1.2.1 定义 国际电工委员会（IEC）对PLC的定义： PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PL
6、C及其有关设备、都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”,1.2 PLC的特点与分类,1.2.2 特点 1.2.2.1 可靠性高 （1）和继电器逻辑控制系统比较 活动部件、电子元件、连接线路减少。例如三菱和可编程序控制器平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。 冗余设计、掉电保护、故障诊断、信息保护 易于学习掌握，不容易出现操作失误。 ,1.2 PLC的特点与分类,（2）和计算机控制系统比较 专门为适应工业过程的可靠性措施，硬件可靠、适于恶略环境、编程和操作简单可靠。 硬件设计具有可靠性措施，冗余措施、掉电保护、故障诊断、干扰隔离屏蔽 软件设计具有可靠性措施，软
7、件滤波、软件自诊断、信息保护和恢复、报警和运行信息显示。,1.2 PLC的特点与分类,1.2.2.2 操作性强 （1）操作方便 操作包括程序输入和程序更改，大多数PLC采用编程器来实施，操作方便简单易行。 （2）编程方便 编程语言有梯形图、语句表、顺序功能表图、功能块图，都比较方便易懂易会 （3）维护方便 PLC自诊断可显示故障代码，迅速查找和排除故障。厂商提供专用维修仪器，使维护简单易行。产品设计考量维护的方便性和简易性,1.2 PLC的特点与分类,1.2.2.3 灵活性高 （1）编程的灵活性高 编程语言多，编程方法多样 （2）扩展的灵活性高 容量、功能、应用和控制扩展容易。 （3）操作的灵
8、活性高 设计、编程、安装操作简单容易。,1.2 PLC的特点与分类,1.2.2.4 机电一体化把机械、电气部件有机结合，把仪表、电子和计算机有机结合，成为数控技术、工业机器人、流程控制的主要装置。,1.2 PLC的特点与分类,1.2.3 分类(1) 按控制规模分类PLC可分为小型机、中型机和大型机。 小型机 : 小型机的控制点一般小于256点,适合于单机控制或小型系统的控制。 日本OMRON公司CQM1 德国SIEMENS S7-200,1.2 PLC的特点与分类,中型机: 中型机的控制点一般小于2048点,可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。 日本OMRON
9、公司 C200HG数字量1184点 德国SIEMENS S7-300 数字量1024点，模拟量128路 网络: PROFIBUS/ 工业以太网/MPI,1.2 PLC的特点与分类, 大型机 大型机的控制点一般大于2048点,不仅能完成较复杂的算术运算还能进行复杂的矩阵运算。不仅可用于对设备进行直接控制，还可以对多个下一级的可编程序控制器进行监控。 德国SIEMENS S7-400 存贮器512k I/O点12672,1.2 PLC的特点与分类,（2）按控制性能分类 低档机工作速度比较低，输入输出模块的数量比较少。 中档机具有较强的控制功能和运算能力。工作速度比较快，输入输出模块的数量比较多，输
10、入和输出模块的种类比较多。 高档机具有强大的控制功能和运算能力。工作速度很快，输入输出模块的数量很多，输入输出模块的种类也很全面。在联网中一般做主站使用。,1.2 PLC的特点与分类,（3）按结构去划分 整体式整体式结构的PLC把电源、CPU、存储器、I/O系统都集成在一个单元内，该单元叫做作基本单元。一个基本单元就是一台完整的PLC。控制点数不符合需要时，可再接扩展单元。整体式结构的特点是非常紧凑、体积小、成本低、安装方便。,1.2 PLC的特点与分类, 组合式组合式结构的PLC是把系统的各个组成部分按功能分成若干个模块，如 CPU模块、输入模块、 输出模块、电源模块等 等。其中各模块功能比
11、 较单一，模块的种类却 日趋丰富。,1.2 PLC的特点与分类,分布式特点是CPU自成独立的基本单元（由CPU和一定的I/O点组成），其它I/O模块为扩展单元。在安装时不用基板，仅用电缆进行单元间的联接，各个单元可以一个个地叠装。使系统达到配置灵活、体积小巧。,1.2 PLC的特点与分类,例：SIEMENS S7系列PLC分类 小型机 :中型机:大型机,1.3 PLC的系统构成,1.3 PLC的系统构成,1.3 PLC的系统构成,1.3.1 硬件构成 1.3.1.1中央处理单元 1. 功能 读取I/O设备的数据 读取编程器输入的用户程序和数据 诊断电源和内部电路的运行状况 系统运行后，按扫描方
12、式逐条读取用户程序的指令，解释、运算、传送数据 处理运算结果，实现输出控制、通信、打印和存储数据 对外部设备的请求做出响应。,1.3 PLC的系统构成,2.种类 通用微处理器，Z80A、8085、M6800 单片机，8051、8031 位片式微处理器，AMD2900、TMS9900 3.性能评估指标 工作速度反映了PLC执行用户程序的快慢和扫描周期的长短 指令种类和功能反映了PLC的性能 接口反映了PLC外部连接功能 中断处理反映了PLC的应急处理功能,1.3 PLC的系统构成,1.3.1.2 存贮器单元 1.功能 存贮系统程序、用户程序和数据 2.种类 只读存储器ROM和随机存储器RAM 只
13、读存储器有ROM、PROM（可编程）、EPROM（紫外线）、EEPROM（电可）、FM（闪存） 随机存储器有SRAM（静态）、DRAM（动态） 3.指标 所谓PLC的内存大小，一般是指用户程序存储器的容量 当用户程序很长或存储数据较多时，可以进行存储器扩 展。,1.3 PLC的系统构成,1.3.1.3 电源单元 1. 功能 把外部电源转换成PLC内部需要的电源 2.分类 （1）供给PLC中的TTL芯片和集成运算放大器使用的基本电源(如+5 V和15 V DC电源) （2）供给输出接口使用的高压大电流的功率电源 （3）锂电池及其充电电源,1.3 PLC的系统构成,1.3.1.4 输入输出单元 （
14、1）开关量输入单元 开关量输入单元的主要技术性能包括输入点数、输入信号类型、隔离措施、输入电压、最大漏电流、最大脉冲频率、最大额定电流、输入延迟时间等。,1.3 PLC的系统构成, 直流输入方式,1.3 PLC的系统构成, 交流输入方式,1.3 PLC的系统构成,（2）开关量输出单元 开关量输出单元的主要技术性能包括输出点数、输出负载类型、输出额定电压、最大浪涌电流、输出额定电流、输出延迟时间等。,1.3 PLC的系统构成, 晶体管输出方式,1.3 PLC的系统构成, 晶闸管输出方式,1.3 PLC的系统构成, 继电器输出方式,1.3 PLC的系统构成,(3) 模拟量输入单元模拟量输入单元把模
15、拟信号转换成数字信号。转换速度和分辨率是它的重要指标。,1.3 PLC的系统构成,（4）模拟量输出单元模拟量输出单元把数字信号转换成模拟信号。数字量的位数和转换速度是它的重要指标。,1.3 PLC的系统构成,（5）温度输入单元 温度输入单元的输入信号是标准热电阻信号或标准热电偶信号，这些信号通过信号转换、模数转换、光电耦合等电路，把电阻或热电势转换成PLC的内部数据，还可以进行热电偶冷端温度补偿和热电阻非线性补偿。,1.3 PLC的系统构成,（6）智能输入输出单元 高速计数器 高速计数器可以对CPU 扫描速度无法控制的高速事件进行计数，可设置多种不同操作模式。（单相计数器 ，双向计数器 ，正交
16、计数器 等多种工作模式。）CT001-V1高速计数器有六种工作模式。线性计数方式，循环计数方式，予置方式，门式，锁式，采样方式。输入的控制和8路输出通过I/O单元连接。门式:控制门IN1=ON时计数。锁式：控制门IN1脉冲到计数，控制门IN2脉冲到锁定当前计数值。采样方式：控制门IN1脉冲到计数，采样时间到停止计数。,1.3 PLC的系统构成,PID控制器PID控制器将测量信号和给定信号比较的偏差信号 (e)进行PID运算，运算结果转换成420mADC输出。,1.3 PLC的系统构成,1.3.1.5扩展单元 （1）简单型扩展单元 简单型扩展单元不带CPU，常用于小型PLC扩大输入输出的点数。
17、（2）智能型扩展单元 智能型扩展单元具有CPU，常用于中、大型PLC扩大输入输出的点数。,1.3 PLC的系统构成,1.3.1.6外部设备单元 （1）编程器 编程器是PLC重要的外部设备。利用它将用户程序送入PLC的存储器，还可以用它检查程序，修改程序，监视PLC的工作状态 。 常见的编程的方式有手持式编程器和计算机编程 。,1.3 PLC的系统构成,（2）彩色图形显示器 （3）扫描器 （4）打印机,1.3 PLC的系统构成,1.3.2 软件构成 1.3.2.1系统软件 （1）系统管理程序 （2）用户指令解释程序 （3）系统调用的标准程序模块 1.3.2.2 用户程序 （1）开关量逻辑控制程序
18、 （2）模拟量运算、控制程序,1.3 PLC的系统构成,（3）通信程序 （4）操作站系统应用程序 1.3.2.3 编程语言 （1）梯形图 （2）功能块图 （3）指令表 （4）结构化文本 （5）顺序功能表图 （6）连续功能表图,1.3 PLC的系统构成,1.3.2.4 系统监控软件 （1）文本类监控软件 （2）图形类监控软件 1.3.2.5 人机界面软件 （1）文本类人机界面软件 （2）图形类人机界面软件 1.3.2.6 通信软件 通信软件和通信接口单元一起，实现PLC和外部设备的数据通信。,1.4 PLC的工作原理,1.4.1 工作步骤 1.4.1.1周期扫描 周期扫描是PLC的主要工作方式，
19、PLC上电后，在系统程序的监督下，周而复始地按固定顺序对系统的各种任务进行查询、判断和执行，这是一个不断循环扫描过程，就是周期扫描。周期扫描有4个阶段 （1）公共处理扫描阶段 该阶段的任务是自检、和外部设备交换信息。 （2）输入采样扫描阶段 该阶段的任务是对所有的输入信号进行扫描，将和其连接的外部设备状态写入寄存器,1.4 PLC的工作原理,（3）程序执行扫描阶段 该阶段系统根据用户程序进行扫描，比如梯形图从最上面梯级开始，从左向右进行扫描。 （4）输出刷新扫描阶段 该阶段将所有输出寄存器的状态转换成输出端状态的变化（信号断开和闭合）。,1.4 PLC的工作原理,1.4.1.2 信号处理 （1
20、）集中处理方式 输入信号集中采样扫描，输出信号集中刷新的方式 （2）直接处理方式 需要那个输入信号，就对那个信号直接采样，运算后结果直接输出。 （3）集中输入、直接输出方式 输入信号集中采样扫描，运算后结果直接输出。,PLC的工作过程,1.4 PLC的工作原理, 上电处理PLC上电后，要进行初始化处理。占用的时间为T0 。 共同处理主要任务是复位监视计时器、检查I/O总线、检查扫描周期、检查程序存储器。占用的时间为T1 。 通讯服务当PLC和微机构成通讯网络或由PLC构成网络时，需要有通讯服务过程。该过程占用的时间为T2 。 外设服务当PLC接有外部设备如编程器、打印机等，则需要进行外设服务。
21、该过程占用的时间为T3 。,1.4 PLC的工作原理, 程序执行执行用户程序。从输入映像区读入输入信息，根据用户程序进行运算操作，并向输出映像区送出控制信息。该过程占用的时间为T4。显然T4和PLC的速度、用户程序长短及指令种类有关。 I/O刷新过程输入信号刷新和输出信号刷新。输入信号刷新为输入处理过程，输出信号刷新为输出处理过程。该过程占用时间为T5。显然T5和PLC所带的输入输出模块的种类和点数多少有关。可编程序控制器的扫描周期T和上述各个过程的关系为：T=T1+T2+T3+T4+T5,1.4 PLC的工作原理,1.4.2响应时间 1.4.2.1 定义和来源 （1）定义 从PLC的输入信号
22、发生变化到输出端对输入信号做出反应，需要一段时间，这段时间称为响应时间 （2）来源 响应时间和那些来源有关？ 输入电路的时间常数/输出电路的时间常数/用户程序编排/PLC的周期扫描方式/PLC的输入采样和输出刷新的方式,1.4 PLC的工作原理,1.4.2.2 最短响应时间 =输入延迟时间+1个扫描周期+输出延迟时间,1.4 PLC的工作原理,1.4.2.3 最长响应时间 =输入延迟时间+2个扫描周期+输出延迟时间,1.4 PLC的工作原理,1.4.3 中断处理 1.4.3.1 中断处理的原则 （1）有中断信号请求时，系统中断正在执行的程序，转向处理中断子程序。 （2）有多个中断请求时，按优先
23、级排队处理。 （3）处理完中断子程序，返回到原程序中断点继续执行。 （4）中断子程序只执行一次,1.4 PLC的工作原理,（5）系统可以通过程序设置中断允许和中断禁止。 （6）在执行用户程序或某个任务时，不响应中断 （7）中断信息通过输入单元进入PLC （8）PLC以循环扫描方式工作，正常处理在扫描周期中进行，中断处理要另行设置。,1.4 PLC的工作原理,1.4.3.2 中断处理的方法 （1）外部输入中断 PLC设置部分输入端作为外部输入中断，当外部输入中断端有信号时，立刻停止程序的执行，转向执行中断子程序，任务完成后，返回到原程序的中断点继续执行原程序。,1.4 PLC的工作原理,（2）外
24、部计数器中断 PLC对输入中断点的信号进行高速计数，达到设定值时，产生中断，转向执行中断子程序。这时计数器停止计数，屏蔽其他中断请求。 这类中断有目标值比较中断和区域值比较中断， 前者是当前计数值和目标值比较，决定中断；后者是当前计数值和区域值进行比较，决定中断。,1.4 PLC的工作原理,（3）间隔定时器中断 PLC设置间隔定时器，间隔定时器计时到设定值时，产生中断，转向执行中断子程序。完成中断处理后，返回原程序继续执行。 间隔定时器有单步执行和重复执行2种方式 前者是间隔定时器计时到设定值时就执行一次中断任务；后者是执行中断任务时，间隔定时器被复位，在中断返回时，又开始计数。,1.4 PL
25、C的工作原理,1.4.3.3 中断处理的优先级 （1）当一个程序执行完成时，资源上的供电电源有效，则具有最高优先级的程序开始执行；如果具有最高优先级的多个程序在等待，其中等待时间最长的先执行。 （2）当一个程序执行时，它可以中断同一资源中较低优先级的程序，不能中断同级或者较高级的程序的执行。 （3）没有任务结合的程序具有最低优先级。,1.5 PLC的编程方式,1.5.1 PLC的编程语言 PLC的编程语言有梯形图、指令表、功能块图、结构文本（ST）、顺序功能表图、连续功能表图、C语言等等。 梯形图特点与电气操作图对应，直观简单；与逻辑控制技术一致，易于学习；不同点： （1）采用能流，不是电流，
26、表示状态传递。 （2）沿用继电器线圈和触电，但不是实际而是寄存器的状态。 （3）特别复杂的控制系统，不易描述清楚。 （4）能与功能块图、顺序功能表图相互转换。,1.5 PLC的编程方式,1.5.2 梯形图 1.5.2.1 PLC的梯形图符号,1.5 PLC的编程方式,1.5.2.2 梯形图与继电器的区别,继接控制：并行工作方式,PLC控制：循环扫描的串行方式,1.5 PLC的编程方式,1.5.2.3 PLC常用基本梯形图,（1）启动、保持、停止电路 x1 x2 |-|-|/|-(y1) | | | y1 | |-|- | （2）三相异步电机正反转控制电路 | | x0 x2 x1 y1 |-|
27、-|/|-|/|-|/|-(y0) 正转 | | | y0 | |-|- | | x1 x2 x0 y0 |-|-|/|-|/|-|/|-(y1) 反转 | | | y1 | |-|- |,1.5 PLC的编程方式,1.5.2.3 PLC常用基本梯形图,（3）闪烁电路 x0 T1 |-|-|/|-(To)k20 | | T0 |-|-(T1)k30 | | |-(y0)（4）延时接通/断开电路 x0 |-|-(T0)k90 | | y1 x0 |-|-|/|-(T1)k30 | | t0 t1 |-|-|/|-(y1) | | | y1 | |-|- |,16 PLC的性能指标,1.6.1 输
28、入/输出点数 PLC的I/O点数指外部输入、输出端子数量的总和。它是描述的PLC大小的一个重要的参数。,16 PLC的性能指标,1.6.2 存储容量 PLC的存储器由系统程序、用户程序和数据存储器三部分组成。 PLC存储容量=用户程序存储器容量+数据存储器容量。 表征系统提供的可用资源的多少，是性能指标的重要一项。,16 PLC的性能指标,1.6.3扫描速度 PLC采用循环扫描方式工作，完成1次扫描所需的时间叫做扫描周期。影响扫描速度的主要因素有用户程序的长度和PLC产品的类型。PLC中CPU的类型、机器字长等直接影响PLC运算精度和运行速度。,16 PLC的性能指标,1.6.4指令系统 指令
29、系统是指PLC所有指令的总和。指令越多，软件功能就越强，但掌握应用也相对较复杂。用户应根据实际控制要求选择合适指令功能的PLC。,16 PLC的性能指标,1.6.5 通信功能 通信有PLC之间的通信和PLC与其他设备之间的通信。通信主要涉及通信模块，通信接口，通信协议和通信指令等内容。PLC的组网和通信能力也已成为PLC产品水平的重要衡量指标之一。,1.7 PLC的发展趋势,1.7.1人机界面更加友好 1.7.2网络通讯能力大大加强 1.7.3.开放性和互操作性大大发展 （1）IEC形成了现场总线标准 （2）IEC制订了基于Windows的编程语言标准IEC61131-3，它规定了指令表（IL）、梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）五种编程语言。 （3）OPC基金会推出了OPC（OLE for Process Control）标准，这进一步增强了软硬件的互操作性，通过OPC一致性测试的产品，可以实现方便的和无缝隙数据交换。,1.7 PLC的发展趋势,1.7.4 PLC的功能进一步增强，应用范围越来越广泛。使原来PLC（顺序控制）DCS（过程控制）的模式变成PLCIPC模式。 1.7.5 工业以太网的发展对PLC有重要影响。 1.7.6 小型机功能强化，中、大型机高速度、高功能、大容量,88,
