第一章 可編程序控制器概述

2023/2/6第一章可編程控制器概述1PLC控制技術(shù)

沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院主講：宗學(xué)軍Email：syuct_auto@126.comPS：est13012023/2/6第一章可編程控制器概述2可編程序控制器(ProgrammableLogicalController——PLC)－當(dāng)代工業(yè)自動化支柱之一2023/2/6第一章可編程控制器概述32023/2/6第一章可編程控制器概述42023/2/6第一章可編程控制器概述52023/2/6第一章可編程控制器概述62023/2/6第一章可編程控制器概述72023/2/6第一章可編程控制器概述82023/2/6第一章可編程控制器概述92023/2/6第一章可編程控制器概述102023/2/6第一章可編程控制器概述112023/2/6第一章可編程控制器概述12簡單速度控制(簡易的同步操作)M工作臺截刀CLR輸出功能OFFMY0Y2脈沖串輸出正轉(zhuǎn)

/反轉(zhuǎn)信號PLSV50000Y0Y2可改變速度脈沖指令M8140伺服放大器伺服放大器2023/2/6第一章可編程控制器概述13綜合自動化系統(tǒng)組成ERP企業(yè)資源計劃系統(tǒng)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)PCS生產(chǎn)控制系統(tǒng)故障診斷

現(xiàn)場控制系統(tǒng)（DCS,PLC,FCS）綜合集成軟件平臺關(guān)系數(shù)據(jù)庫實時監(jiān)控軟件平臺實時數(shù)據(jù)庫銷售管理工藝計算特定先控軟件模糊控制過程動態(tài)檢測軟測量計劃排產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度質(zhì)量監(jiān)控成本管理數(shù)據(jù)校正實時優(yōu)化人力資源財務(wù)管理庫存管理企業(yè)信息集成設(shè)計建模軟件預(yù)測函數(shù)控制設(shè)備管理工業(yè)電視監(jiān)測2023/2/6第一章可編程控制器概述14

*計算機(jī)控制系統(tǒng)概述計算機(jī)控制系統(tǒng)組成計算機(jī)控制系統(tǒng)分類

計算機(jī)控制裝置種類

2023/2/6第一章可編程控制器概述15概述

計算機(jī)控制技術(shù)及工程應(yīng)用--是把計算機(jī)技術(shù)與自動化控制系統(tǒng)融為一體的一門綜合性學(xué)科，是以計算機(jī)為核心部件的過程控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。從計算機(jī)應(yīng)用的角度出發(fā)，自動化控制工程是其重要的一個應(yīng)用領(lǐng)域；而從自動化控制工程來看，計算機(jī)技術(shù)又是一個主要的實現(xiàn)手段。下圖為一個制藥車間的自動化生產(chǎn)流程。

2023/2/6第一章可編程控制器概述16控制系統(tǒng)概念計算機(jī)控制系統(tǒng)是由常規(guī)儀表控制系統(tǒng)演變而來的;常規(guī)儀表組成的自動控制系統(tǒng)根據(jù)不同的控制要求，一般分成閉環(huán)控制(圖1-1a所示)與開環(huán)控制(圖1-1b所示)兩種結(jié)構(gòu)形式;計算機(jī)控制系統(tǒng)原理組成—用控制計算機(jī)代替圖1-1的控制器，如圖1-2所示；2023/2/6第一章可編程控制器概述17（1）閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)--閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測量變送器對被控對象進(jìn)行檢測，把被控量如溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換成電信號再反饋到控制器中，控制器將此測量值與給定值進(jìn)行比較形成偏差輸入，并按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行器工作，執(zhí)行器產(chǎn)生的操縱變量使被控對象的被控量跟蹤趨近給定值，從而實現(xiàn)自動控制穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。這種信號傳遞形成了閉合回路，所以稱此為按偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。euqy控制器執(zhí)行器被控對象測量變送器偏差給定值控制作用操縱變量被控量測量值r+_zf干擾圖1-1(a)閉環(huán)控制系統(tǒng)2023/2/6第一章可編程控制器概述18（2）開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)--不同于閉環(huán)系統(tǒng)，它不需要被控對象的測量反饋信號，控制器直接根據(jù)給定值驅(qū)動執(zhí)行器去控制被控對象，所以這種信號的傳遞是單方向的。環(huán)控制系統(tǒng)不能自動消除被控量與給定值之間的偏差，其控制性能不如閉環(huán)系統(tǒng)。

uqy控制器執(zhí)行器被控對象給定值控制作用操縱變量被控量r(b)開環(huán)控制系統(tǒng)2023/2/6第一章可編程控制器概述19（3）計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)原理組成

計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理組成--是把圖1-1中的控制器用控制計算機(jī)即微型計算機(jī)及A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口與D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口代替，由于計算機(jī)采用的是數(shù)字信號傳遞，而一次儀表多采用模擬信號傳遞，因此需要有A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量作為其輸入信號，以及D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量作為其輸出信號。

圖1-2計算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

2023/2/6第一章可編程控制器概述20（4）計算機(jī)控制系統(tǒng)的監(jiān)控過程步驟a.實時數(shù)據(jù)采集--對來自測量變送器的被控量的瞬時值進(jìn)行采集和輸入；b.實時數(shù)據(jù)處理--對采集到的被控量進(jìn)行分析、比較和處理，按一定的控制規(guī)律運算，進(jìn)行控制決策；

c.實時輸出控制--根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行器發(fā)出控制信號，完成監(jiān)控任務(wù)；

2023/2/6第一章可編程控制器概述21控制系統(tǒng)分類

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)(SCC）分散控制系統(tǒng)（DCS）現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）2023/2/6第一章可編程控制器概述22數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DataAcquisitionSystem)--是計算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制最早、也是最基本的一種類型，如圖1-5所示。生產(chǎn)過程中被控對象的大量參數(shù)經(jīng)測量變送儀表發(fā)送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入計算機(jī)，由計算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并按操作要求進(jìn)行屏幕顯示、制表打印和越限報警。

2023/2/6第一章可編程控制器概述23操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)

操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)--是基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一種開環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1-6所示。計算機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)以及工藝要求進(jìn)行最優(yōu)化計算，計算出的最優(yōu)操作條件，并不直接輸出控制被控對象，而是顯示或打印出來，操作人員據(jù)此去改變各個控制器的給定值或操作執(zhí)行器，以達(dá)到操作指導(dǎo)的作用。它相當(dāng)于模擬儀表控制系統(tǒng)的手動與半自動工作狀態(tài)。OGC系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活和安全。缺點是要由人工操作，速度受到限制，不能同時控制多個回路。

2023/2/6第一章可編程控制器概述24操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)(OGC)2023/2/6第一章可編程控制器概述25直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）

DDC系統(tǒng)--是用一臺計算機(jī)不僅完成對多個被控參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，而且能按一定的控制規(guī)律進(jìn)行實時決策，并通過過程輸出通道發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，為了操作方便，DDC系統(tǒng)還配置一個包括給定、顯示、報警等功能的操作控制臺。DDC系統(tǒng)中的一臺計算機(jī)不僅完全取代了多個模擬調(diào)節(jié)器，而且在各個回路的控制方案上，不改變硬件只通過改變程序就能有效地實現(xiàn)各種各樣的復(fù)雜控制。2023/2/6第一章可編程控制器概述26計算機(jī)生產(chǎn)過程顯示打印機(jī)報警操作臺）ID，D/A（入輸程過）ODA/D（出輸程過圖1-7直接數(shù)字控制系統(tǒng)，直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）2023/2/6第一章可編程控制器概述27監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)（SCC）

監(jiān)督計算機(jī)控制系統(tǒng)即SCC--是OGC系統(tǒng)與常規(guī)儀表控制系統(tǒng)或與DDC系統(tǒng)綜合而成的兩級系統(tǒng)，如圖1-8所示。顯然，這屬于計算機(jī)在線最優(yōu)控制的一種形式。當(dāng)上位機(jī)出現(xiàn)故障時，可由下位機(jī)獨立完成控制。下位機(jī)直接參與生產(chǎn)過程控制，要求其實時性好，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)；而上位機(jī)承擔(dān)高級控制與管理任務(wù)，應(yīng)配置數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，存儲容量大的高檔計算機(jī)。2023/2/6第一章可編程控制器概述282023/2/6第一章可編程控制器概述29分散控制系統(tǒng)（DCS）

分散控制系統(tǒng)--是以微處理器為基礎(chǔ)，借助于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理和分散控制的先進(jìn)計算機(jī)控制系統(tǒng)。由于早期開發(fā)的分散控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上具有分散式系統(tǒng)的特征，因此國外將該類系統(tǒng)取名為分散控制系統(tǒng)，國內(nèi)也有人將其稱為集散型控制系統(tǒng)，或者是分布式控制系統(tǒng)。分散控制系統(tǒng)簡稱為DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分級管理、分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計原則。2023/2/6第一章可編程控制器概述30操作站控制站（器）…………IPC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、PLC、專用控制器……管理層計算機(jī)……操作站控制站（器）…………IPC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、PLC、專用控制器……2023/2/6第一章可編程控制器概述31操作站控制站（器）…………IPC、數(shù)字調(diào)節(jié)器、PLC、專用控制器……功能：監(jiān)控（工藝流程顯示、表格顯示、趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、報警信息的記錄、手自動切換/手動操作、參數(shù)設(shè)置、其它功能）操作員站：一般操作功能（往往不包括系統(tǒng)中重要參數(shù)的設(shè)置）工程師站：全部功能·可以通過硬件區(qū)分（設(shè)置不同的計算機(jī)系統(tǒng)、設(shè)置不同的鍵盤等等）·通過操作人員所擁有的密碼區(qū)分，硬件系統(tǒng)完全相同★★功能：信號的采集、運算（決策）、控制信號的輸出、報警處理、網(wǎng)絡(luò)通信（與其它控制站或者與操作站）……系統(tǒng)的設(shè)計硬件設(shè)計和實現(xiàn)★軟件設(shè)計和實現(xiàn)2023/2/6第一章可編程控制器概述32DCS工程實例一：2023/2/6第一章可編程控制器概述332023/2/6第一章可編程控制器概述34DCS工程實例二：2023/2/6第一章可編程控制器概述352023/2/6第一章可編程控制器概述362023/2/6第一章可編程控制器概述372023/2/6第一章可編程控制器概述382023/2/6第一章可編程控制器概述392023/2/6第一章可編程控制器概述402023/2/6第一章可編程控制器概述41現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)即FCS--是新一代分布式控制結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)改進(jìn)了DCS成本高和由于各廠商的產(chǎn)品通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一而造成的不能互聯(lián)等弱點，采用集管理控制功能于一身的工作站與現(xiàn)場總線智能儀表的二層結(jié)構(gòu)模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型現(xiàn)場儀表中去，形成一個徹底的分散控制模式。每個現(xiàn)場儀表(例如變送器、執(zhí)行器)都作為一個智能節(jié)點，都帶CPU單元，可分別獨立完成測量、校正、調(diào)節(jié)、診斷等功能，靠網(wǎng)絡(luò)協(xié)議把它們連接在一起統(tǒng)籌工作。2023/2/6第一章可編程控制器概述42控制裝置種類

可編程控制器可編程調(diào)節(jié)器總線式工控機(jī)單片微型計算機(jī)其他控制裝置2023/2/6第一章可編程控制器概述43第1章可編程控制器概述可編程序控制器的歷史可編程序控制器的特點與應(yīng)用領(lǐng)域可編程序控制器的發(fā)展趨勢可編程序控制器的分類PLC的性能指標(biāo)PLC的主要功能2023/2/6第一章可編程控制器概述44可編程序控制器簡稱ProgrammableController—PCPersonalComputer—PCProgrammableLogicController—PLC2023/2/6第一章可編程控制器概述45產(chǎn)生繼電器控制

用弱電信號控制強(qiáng)電信號。故障查找與排除非常困難、改造工期長、費用高。GM首先提出【可編程序控制器】設(shè)想編程簡單，可在現(xiàn)場修改程序；維護(hù)方便，采用插件式結(jié)構(gòu)；可靠性高于繼電器控制柜；體積小于繼電器控制柜；成本可與繼電器控制柜競爭；可將數(shù)據(jù)直接送入計算機(jī)；可直接使用115V交流輸入電壓；輸出采用115V交流電壓，能直接驅(qū)動電磁閥、交流接觸器等負(fù)載；通用性強(qiáng)，擴(kuò)展方便；能存儲程序，存儲器容量可以擴(kuò)展到4KB.

1969年DEC研制出世界上第一臺可編程序控制器可編程控制器的歷史2023/2/6第一章可編程控制器概述46繼電器控制2023/2/6第一章可編程控制器概述47

可編程控制器的使用

可編程控制器：代替可靠性低、功能不靈活、響應(yīng)速度慢的繼電器控制電路。可編程控制器的發(fā)展方向：高速、大容量、多功能的大型可編程控制器；低成本的微型可編程控制器。2023/2/6第一章可編程控制器概述48可編程序控制器的歷史（續(xù)）發(fā)展性能提高：4位機(jī)→8位機(jī)→16位機(jī)→32位機(jī)；邏輯運算計時，計數(shù)等順序控制，均屬開關(guān)量控制+；

支持圖形編程；數(shù)據(jù)處理；各種功能控制模塊；聯(lián)網(wǎng)通信功能。主要生產(chǎn)商大中型：A-B、GE、Siemens

中小型：OMRON,Mitsubushi2023/2/6第一章可編程控制器概述49可編程序控制器的歷史（續(xù)）定義1985年1月，國際電工委員會（IEC）定義：

可編程序控制器是：一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。2023/2/6第一章可編程控制器概述50可編程序控制器的特點可編程序控制器的特點與應(yīng)用領(lǐng)域無觸電免配線，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)通用性強(qiáng)，控制程序可變，使用方便硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)編程簡單，容易掌握系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少維修工作量小，維護(hù)方便體積小，能耗低.2023/2/6第一章可編程控制器概述51可編程序控制器的應(yīng)用領(lǐng)域可編程序控制器的特點與應(yīng)用領(lǐng)域開關(guān)量邏輯控制自動生產(chǎn)線、機(jī)床電氣控制、沖壓機(jī)械、鑄造機(jī)械、運輸帶、包裝機(jī)、飛剪等控制運動控制金屬切削機(jī)床、金屬成形機(jī)械、裝配機(jī)器人、電梯等。閉環(huán)過程控制溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。數(shù)據(jù)處理數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作。通信聯(lián)網(wǎng)PLC與遠(yuǎn)程I/O、PLC之間、PL與其它智能控制器之間。2023/2/6第一章可編程控制器概述52按控制規(guī)模（1）微型機(jī)：幾十點（2）小型機(jī)：500點以下（3）中型機(jī)：500~1000點（4）大型機(jī)：1000點以上（5）超大型機(jī)：10000點按結(jié)構(gòu)（1）整體式：（2）模塊式：可編程序控制器的分類2023/2/6第一章可編程控制器概述53整體式2023/2/6第一章可編程控制器概述54模塊式2023/2/6第一章可編程控制器概述55可編程序控制器的發(fā)展趨勢可編程邏輯控制器

早期邏輯控制為主ProgrammableLogicalController——PLC可編程序控制器

(可編程控制器)ProgrammableController——PC本義

現(xiàn)代PLC絕不意味著只有邏輯控制的功能，它是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機(jī)技術(shù)，自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置；具有體積小，功能強(qiáng)，程序設(shè)計簡單，靈活通用，維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點，特別是它的高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力，使PLC廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。2023/2/6第一章可編程控制器概述56高性能、高速度、大容量發(fā)展可編程序控制器的發(fā)展趨勢多CPU結(jié)構(gòu)高性能、高穩(wěn)定性(32、64位機(jī))增加智能控制功能支持組態(tài)設(shè)計大力發(fā)展微型PLC,不斷增強(qiáng)微型PLC的功能掌上PLC高性能支持多種編程方式2023/2/6第一章可編程控制器概述57PLC編程語言標(biāo)準(zhǔn)化可編程序控制器的發(fā)展趨勢IEC1131-3(IEC1994年5月公布)順序功能圖（SFC）梯形圖功能塊圖指令表結(jié)構(gòu)文本2023/2/6第一章可編程控制器概述58PLC與其它工業(yè)控制器產(chǎn)品相互融合可編程序控制器的發(fā)展趨勢與個人計算機(jī)PC集散控制系統(tǒng)DCS計算機(jī)數(shù)控CNC2023/2/6第一章可編程控制器概述59可編程序控制器的發(fā)展趨勢大力開發(fā)智能I/O模塊模擬量I/O、高速計數(shù)輸入、中斷輸入、機(jī)械運動控制、熱電偶輸入、條形碼閱讀器、多路BCD輸入/輸出、模糊控制器、PID回路控制、通信模塊2023/2/6第一章可編程控制器概述60PLC與現(xiàn)場總線相結(jié)合可編程序控制器的發(fā)展趨勢基金會現(xiàn)場總線（FoundationFieldbus）ProfiBus(過程現(xiàn)場總線)LonWorks（局域操作網(wǎng)絡(luò)）CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）HART（可尋址遠(yuǎn)程變送器數(shù)據(jù)通路協(xié)議）協(xié)議2023/2/6第一章可編程控制器概述61傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)2023/2/6第一章可編程控制器概述62基于現(xiàn)場總線的現(xiàn)場級與車間級自動化系統(tǒng)2023/2/6第一章可編程控制器概述63增強(qiáng)通信聯(lián)網(wǎng)能力2023/2/6第一章可編程控制器概述64五、PLC的主要功能開關(guān)量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機(jī)群控及自動化流水線。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。2023/2/6第一章可編程控制器概述65模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。五、PLC的主要功能2023/2/6第一章可編程控制器概述66運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機(jī)構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模塊連接位和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在一般使