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1、自动化技术基础知识点串讲一、计算机控制器1.掌握目前主流的数字处理单元类型，并了解他们各自的主要特征本章介绍了目前主流的数字处理单元，包括 IPC、ARM处理器、PLC 和DSP 处理器、MSP430单片机、8051单片机等嵌入式平台的功能特点、技术参数、选型注意事项和发展趋势等。2. 典型的工业自动化系统的三层网络结构及其图示图 5.9 给出了一个典型的工业自动化系统的三层网络结构，其低层是以DeviceNet 现场总线将设备、PLC 的远程 I/O 点连接在一起的设备层，中间是以ControlNet（或DH、DH485等）将PLC、工控机以及操作员界面连接在一起的控制层网络，而上层的Eth
2、ernet以PC或工作站为主完成管理和信息服务任务。三层网络各司其职，代表了工业控制的典型结构。图5.9 典型工业自动化系统的网络结构3.PLC的定义可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。在1987 年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：一种数字运算操作电子系统，专门为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存
3、储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备，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。4. PLC的特点（1）通用性强，控制程序可变，使用方便。PLC有品种齐全的各种硬件装置，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计和制作硬件装置。当硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需修改程序即可。因此，PLC除应用于单机控制外，在工厂自动化中也被大量采用。（2）功能完善，适应面广。现代PLC已经形成大、中、小各种规模的
4、系列化产品，可用于各种规模的控制场合。除逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能外，还具有数字量和模拟量的输入/输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。加上PLC 通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易，既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程。（3）编程简单，容易掌握。目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。梯形图语言的编程元件的符号和表达方式与继电器控制电路原理图相当接近。它既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。通过阅读PLC的用户手册或短
5、期培训，电气技术人员和技术工很快就能学会用梯形图编制控制程序。（4）减少了控制系统的设计及建造的工作量，维护方便。由于 PLC 采用了软件存储逻辑来取代继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件的接线逻辑，使控制柜的设计安装接线工作量大为减少。同时，PLC的用户程序可以在实验室模拟调试，更减少了现场的调试工作量，使控制系统设计及建造的周期大为缩短。并且由于PLC的低故障率及很强的监视功能和模块化等，使其维修也极为方便。（5）可靠性高，抗干扰能力强。工业生产对控制设备的可靠性要求有： 平均故障间隔时间长； 故障修复时间短。（6）体积小、重量轻、功耗低。PLC是将微电子技术应用于工
6、业设备的产品，其结构紧凑、坚固、体积小、重量轻、功耗低。并且由于PLC的抗干扰能力强，易于装入设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。5. PLC基本组成可编程控制器的结构多种多样，但其组成的一般原理基本相同，都是以微处理器为核心的结构，其功能的实现不仅基于硬件的作用，更要靠软件的支持，实际上可编程控制器就是一种新型的工业控制计算机。1. PLC的硬件结构（见图5.11）（1）微处理器（CPU） 控制器的核心。（2）存储器（RAM、ROM）。（3）输入/输出部件（I/O部件） 连接现场设备与CPU之间的接口电路。（4）电源部件 为PLC内部电路提供能源。整体结构的 PLC，四部分装在同一机壳
7、内；模块式结构的 PLC 各部件独立封装，称为模块，通过机架和总线连接而成；I/O 的能力可按用户的需要进行扩展和组合（扩展机）；另外，还必须有编程器将用户程序写进规定的存储器内。图5.11 PLC硬件结构2. PLC的软件结构在可编程控制器中，PLC的软件分为两大部分：（1）系统监控程序，它用于控制可编程控制器本身的运行，主要由管理程序、用户指令解释程序和标准程序模块组成，系统调用。（2）用户程序。它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。6.PLC工作原理PLC的基本工作模式（见图5.12）有：（1）运行模式。它分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理5个阶段。
8、（2）停止模式。当处于停止工作模式时，PLC只进行内部处理和通信服务等内容。图5.12 PLC基本工作模式PLC的工作过程（见图5.13）如下：（1）内部处理阶段。在此阶段，PLC检查CPU模块的硬件是否正常，复位监视定时器，以及完成一些其他的内部工作。（2）通信服务阶段。在此阶段，PLC与一些智能模块通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容等，当PLC处于停状态时，只进行内容处理和通信操作等内容。（3）输入处理阶段。输入处理也叫输入采样。在此阶段顺序读取所有输入端子的通断状态，并将所读取的信息存到输入映像寄存器中，此时，输入映像寄存器被刷新。图5.13 PLC工作过程（4）程序执行阶
9、段。按先上后下、先左后右的顺序，对梯形图程序进行逐句扫描，并根据采样到输入映像寄存器中的结果进行逻辑运算，运算结果再存入有关的映像寄存器中。但遇到程序跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。（5）输出刷新阶段。程序处理完毕后，将所有输出映像寄存器中各点的状态，转存到输出锁存器中，再通过输出端驱动外部负载。7. PLC的多种程序设计语言在PLC中有多种程序设计语言，如梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。梯形图语言和布尔助记符语言是基本程序设计语言，它通常由一系列指令组成，用这些指令可以完成大多数简单的控制功能。例如，代替继电器、计数器、计
10、时器完成顺序控制和逻辑控制等。通过扩展或增强指令集，它们也能执行其他的基本操作。梯形图语言有以下特点：（1）每个梯形图由多个梯级组成。（2）梯形图中左右两边的竖线表示假想的逻辑电源。当某一梯级的逻辑运算结果为“1”时，有假想的电流通过。（3）继电器线圈只能出现一次，而它的常开、常闭触点可以出现无数次。（4）每一梯级的运算结果，立即被后面的梯级所利用。（5）输入继电器受外部信号控制，只出现触点，不出现线圈。功能表图语言和语句描述语言是高级的程序设计语言，它可根据需要去执行更有效的操作。例如，模拟量的控制、数据的操纵、报表的报印和其他基本程序设计语言无法完成的功能。功能模块图语言采用功能模块图的形
11、式，通过软连接的方式完成所要求的控制功能，它不仅在PLC中得到了广泛的应用，在集散控制系统的编程和组态时也常常被采用。8. PLC性能指标PLC 性能指标是指反映 PLC 性能高低的一些相关的技术指标，主要包括工作速度、控制规模、组成模块、内存容量、指令系统、支持软件、可靠控制和经济指标8个方面。1. 工作速度工作速度是指PLC的CPU执行指令的速度及对亟须处理的输入信号的响应速度，常以执行一条基本指令的时间来衡量。工作速度关系到PLC对输入信号的响应速度，是PLC对系统控制是否及时的前提。控制不及时，就不可能准确与可靠，特别是对一些需要作快速响应的系统，这就是把工作速度作为PLC第一指标的原
12、因。2. 控制规模控制规模代表PLC对输入、输出点数及多路模拟控制的能力。与速度，内存区的大小，输入、输出点数和PLC指令系统有关。3. 组成模块一般来说，规模大、档次高的PLC模块的种类和规格较多，反映其特点的性能指标也高，但模块的功能较单一。相反，规模小、档次低的PLC模块种类和规格较少，指标也低，但功能则多样化些，以至于集成为箱体。组成PLC的模块是PLC的硬件基础，只有弄清所选用的PLC都具有哪些模块及特点，才能正确选用模块，去组成一台完整的PLC，以满足控制系统对PLC的要求。常见的PLC模块有：（1）CPU模块。它是PLC的硬件核心，PLC的主要性能，如速度、规模都由它的性能来体现
13、。（2）电源模块。它为PLC运行提供内部工作电源，而且有的还可为输入信号提供电源。（3）I/O模块。它集成了PLC的I/O电路，分为开关量输入（DI）、开关量输出（DO）、模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）等模块，按I/O点数确定模块规格及数量。（4）内存模块。它主要存储用户程序，有的还为系统提供附加的工作内存。在结构上内存模块都是附加于CPU模块之中的。（5）底板、机架模块。它为PLC各模块的安装提供基板，并为模块间的联系提供总线。若干底板间的联系有的用接口模块，有的用总线接口。不同厂家或同一厂家但不同类型的PLC都不大相同。箱体式的小型PLC的主箱体就是把上述几种模块集成在一个箱体内，
14、并依据可能提供I/O点数的多少，划分为不同的规格。（6）通信模块。它接入PLC后，可使PLC与计算机或PLC与PLC之间进行通信，有的还可实现与其他控制部件如变频器、温控器通信，组成局部网络。通信模块代表PLC的组网能力，代表着当今PLC性能的重要方面。4. 内存容量PLC内存有用户及系统两大部分。用户内存主要用来存储用户程序，个别的还将其中的一部分划为系统所用。系统内存是与CPU配置在一起的。CPU既要具备访问这些内存的能力，还应提供相应的存储介质。内存器件种类越多，数量越多，越便于PLC进行各种逻辑量及模拟控制。它也是代表PLC性能的重要指标。PLC内部器件有I/O继电器、内部继电器、定时
15、器、计数器、数据存储区等。5. 指令系统PLC的指令有基本逻辑指令、数据处理指令、数据运算指令、流程控制指令、状态监控指令等。除了指令，为进行通信，PLC还有相应的协议与通信指令或命令，这些也反映了PLC的性能。6. 支持软件为了便于编制PLC程序，多数PLC厂家都开发相关计算机的支持软件。7. 可靠控制为使PLC能可靠工作，在硬件与软件两个方面PLC厂家都采取了很多措施，对一些特殊可靠性要求的PLC，还有相应的特殊措施，如热备、冗余等。8. 经济指标以上七条都是PLC的技术性能方面，其实使用PLC还需考虑其经济指标。对经济指标还需作综合分析，即分析使用PLC能否带来效益，还有使用哪个厂家的PLC效益更好。9.DSP芯片及其特点DSP芯片也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法。1. DSP芯片的特点根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线对
