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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（Total
2、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PLC2.集散控制系统DCS 3.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,1.1.1 产生
3、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）输入开关量可以是已有的标
4、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10项招标指标,1.1 PLC的
5、产生与发展,1.1.2 发展 1969年美国Modicon公司推出084PLC1970年日本推出DSC-8PLC1971年西欧推出了PLC1974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。PLC及其有关设备、都应按易于与工业控制系统
6、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，软件滤波、软件自诊断、信息保护和恢复、报警和运行信息显示
7、。,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
8、.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公司 C200HG 数字量1184点德国SIEMENS S7-300 数
9、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
10、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
11、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
12、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、TMS99003.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
13、）、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（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
14、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
15、。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。（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。,
