自動化基礎知識

1自動化基礎知識

劉艷艷

第一頁，共一百二十一頁。2主要內(nèi)容1、自動控制2、計算機3、計算機網(wǎng)絡4、可編程控制器（plc)第二頁，共一百二十一頁。一、什么是自動化1、自動化定義

自動化是指在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過程。研究內(nèi)容：自動化是一門涉及學科較多﹑應用廣泛的綜合性科學技術(shù)。數(shù)學、物理學、力學、電子學、生物學等是該學科的重要基礎它的研究內(nèi)容主要有自動控制和信息處理兩個方面﹐包括理論﹑方法﹑硬件和軟件等。第三頁，共一百二十一頁。2、什么是工業(yè)自動化技術(shù)工業(yè)自動化技術(shù)是指綜合運用控制理論、電子裝備、儀器儀表、計算機和相關(guān)工藝技術(shù)，對工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，達到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、節(jié)省能耗、降低消耗、減少污染、確保安全等目的的一種綜合性技術(shù)。第四頁，共一百二十一頁。53、自動控制概念

所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（統(tǒng)稱被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行。自動控制系統(tǒng)：

實現(xiàn)上述控制目的，由相互制約的各部分按一定規(guī)律組成的具有特定功能的整體。第五頁，共一百二十一頁。

4、自動控制技術(shù)的內(nèi)容自動控制技術(shù)包含了自動控制系統(tǒng)中所有元器件的構(gòu)造原理和性能，以及控制對象或被控過程的特性等方面的知識；自動控制系統(tǒng)的分析與綜合；控制用計算機(能作數(shù)字運算和邏輯運算的控制機)的構(gòu)造原理和實現(xiàn)方法。第六頁，共一百二十一頁。5、自動控制技術(shù)的原理和方法自動控制技術(shù)是自動化單元技術(shù)和集成技術(shù)及其在各類控制系統(tǒng)中的應用。它以自動控制理論為基礎，以電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡與通信技術(shù)為主要工具，面向工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制及各行業(yè)、各部門的自動化。它具有“控(制)管(理)結(jié)合，強(電)弱(電)并重，軟(件)硬(件)兼施”等鮮明的特點，第七頁，共一百二十一頁。二、自動化系統(tǒng)分類1、從應用角度分a、過程自動化

石油煉制和化工等工業(yè)中流體或粉體的化學處理自動化。一般采用由檢測儀表﹑調(diào)節(jié)器和計算器等組成的過程控制系統(tǒng)﹐對加熱爐﹑蒸餾塔等設備或整個工廠進行最優(yōu)控制。第八頁，共一百二十一頁。b、機械制造自動化

這是機械化﹑電氣化與自動控制相結(jié)合的結(jié)果﹐處理的對象是離散工件。c、管理自動化

工廠或事業(yè)單位的人﹑財﹑物﹑生產(chǎn)﹑辦公等業(yè)務管理自動化﹐是以信息處理為核心的綜合性技術(shù)﹐涉及電子計算器﹑通信﹑系統(tǒng)與控制等學科。d、其它：實驗室自動化、家庭自動化、商業(yè)自動化第九頁，共一百二十一頁。2、按測控形式分a、SCADA（SupervisorControlAndDataAcquisition）系統(tǒng)

監(jiān)測控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它可以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對工業(yè)現(xiàn)場進行本地或遠程的自動控制，對工藝流程進行全面、實時的監(jiān)視，并為生產(chǎn)、調(diào)度和管理提供必要的數(shù)據(jù)。

SCADA系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、本地和遠程控制、多種通訊介質(zhì)聯(lián)接、易于重新配置及本地和遠程診斷。第十頁，共一百二十一頁。b、DCS（DistributedControlSystem）系統(tǒng)

DCS是一種分布式控制系統(tǒng)，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。

DCS是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。DCS通常采用若干個控制器（過程站）對一個生產(chǎn)過程中的眾多控制點進行控制，各控制器間通過網(wǎng)絡連接并可進行數(shù)據(jù)交換。操作采用計算機操作站，通過網(wǎng)絡與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達操作指令。第十一頁，共一百二十一頁。

DCS系統(tǒng)的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、綜合協(xié)調(diào)的原則，將測控系統(tǒng)分為分散過程控制級、集中操作監(jiān)控級和綜合信息管理級，構(gòu)成一分級分布式控制系統(tǒng)。

因此，DCS的主要特點歸結(jié)為一句話就是：分散控制集中管理。第十二頁，共一百二十一頁。c、直接數(shù)字控制（DDC）系統(tǒng)d、監(jiān)督計算機控制（簡稱SCC）系統(tǒng)e、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（簡稱FCS）系統(tǒng)第十三頁，共一百二十一頁。三、自動化系統(tǒng)構(gòu)成1、SCADA系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)主要應用于水利、石油、供電等行業(yè)中，用于地理環(huán)境惡劣無人值守的環(huán)境下進行遠程控制。它的主要結(jié)構(gòu)包括遠程控制單元RTU（RemoteTerminalUnit）、通訊網(wǎng)絡及中心站。第十四頁，共一百二十一頁。1)遠程終端RTU

RTU主要作用是進行數(shù)據(jù)采集及本地控制，進行本地控制時作為系統(tǒng)中一個獨立的工作站，這時RTU可以獨立的完成連鎖控制、前饋控制、反饋控制、PID(比例、微分、積分）控制等工業(yè)上常用的控制調(diào)節(jié)功能；進行數(shù)據(jù)采集時作為一個遠程數(shù)據(jù)通訊單元，完成或響應本站與中心站或其它站的通訊和遙控任務。第十五頁，共一百二十一頁。2)系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡

主要用于RTU與中心站通訊及與其它RTU通訊。通訊鏈路種類有無線、有線、微波、光纖。RTU可支持的通訊方式有中心站觸發(fā)的通訊方式和RTU觸發(fā)的通訊方式。第十六頁，共一百二十一頁。中心站觸發(fā)的通訊方式包括：

?

輪詢方式由系統(tǒng)設置一個時間周期，每隔一個時間段系統(tǒng)進行一次查詢，接收中心站所需要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

?廣播方式由中心站向所有RTU或某分組內(nèi)的RTU下發(fā)命令。

?控制命令下發(fā)方式如下發(fā)開、關(guān)控制命令，修改報警及控制權(quán)限。

RTU觸發(fā)的通訊方式：RTU可以在程序中根據(jù)現(xiàn)場情況設置條件，以便在非常情況下向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)。第十七頁，共一百二十一頁。PPT內(nèi)容概述1。自動化基礎知識

劉艷艷。自動控制技術(shù)是自動化單元技術(shù)和集成技術(shù)及其在各類控制系統(tǒng)中的應用?？刂破魉鹱饔孟喈斢诖竽X在上面例子中的作用，主要是用來決定應該怎樣做。通常傳感器由感應組件和轉(zhuǎn)換組件組成。轉(zhuǎn)換組件(TransductionElement)則將感應組件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號。一般測量信號轉(zhuǎn)換為電量類型(根據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后接入控制器的種類劃分）：。0~20mA，4~20mA。軟硬件在功能上具有等效性，軟硬件能提供同樣的邏輯運算能力。人工智能，利用計算機模擬人類智力活動,以替代人類部分腦力勞動。高速網(wǎng)、低速網(wǎng)。小型PLC：大多采用8位通用微處理器和單片微處理器。中型PLC：大多采用16位通用微處理器或單片微處理器。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。名詞解釋——軟繼電器。光電隔離將現(xiàn)場信號與輸出邏輯電路、背板電路隔離。謝謝大家第十八頁，共一百二十一頁。3）中心站

它可包含多個工作站和支持網(wǎng)絡功能的設備，以完成不同的工作。它通過中心站軟件管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，每個工作站通過組態(tài)畫面監(jiān)測現(xiàn)場站點，下發(fā)控制命令進行控制，并完成工況圖、統(tǒng)計曲線、報表等功能。

第十九頁，共一百二十一頁。2、DCS系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。1）過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。2）操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。3）管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），它是DCS更高層次的應用。第二十頁，共一百二十一頁。DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第二十一頁，共一百二十一頁。四、自動控制系統(tǒng)工作原理1、系統(tǒng)工作原理簡易實驗1）現(xiàn)在作一個游戲，讓張三和李四分別去拿放在一張桌子上的杯子，張三把自己的雙眼蒙上，而李四卻不用蒙上雙眼。看看他們誰能順利地拿到杯子？2）人打算拿桌子上的杯子時，首先要看一下杯子的位置與自己手的距離有多少，然后人的大腦會指揮自己的手做出動作，向減少這個距離的方向移動，同時不斷的觀察兩者之間的距離還有多少，直到人的手碰到了杯子，大腦就命令手停止運動，杯子也就拿到了。這個過程可以用下邊的圖來表示。

由于沒有了眼睛所以圖中的反饋就無法形成人這個“機器”也就工作不正常了第二十二頁，共一百二十一頁。自動控制系統(tǒng)工作的關(guān)鍵就在于反饋系統(tǒng)的存在，正是有了反饋的存在，才使自動化成為可能。反饋：反饋控制是這樣一種控制過程，它能夠在存在擾動的情況下，力圖減小系統(tǒng)的輸出量與參考輸入量（也稱參據(jù)量）（或者任意變化的希望的狀態(tài)）之間的偏差，而且其工作正是基于這一偏差基礎之上的。反饋控制系統(tǒng)是一種能對輸出量與參考輸入量進行比較，并力圖保持兩者之間的既定關(guān)系的系統(tǒng)，它利用輸出量與輸入量的偏差來進行控制。第二十三頁，共一百二十一頁。1、自動化系統(tǒng)組成：檢測比較裝置所起作用相當于人眼在上面例子中的作用，主要是獲得反饋，并且計算我們要達到的目的與現(xiàn)在的實際情況之間的差值

控制器所起作用相當于大腦在上面例子中的作用，主要是用來決定應該怎樣做

執(zhí)行機構(gòu)主要所起作用相當于人手在上面例子中的作用，完成控制器下達的決定

控制量也就是所要達到的目的，相當于手和杯子之間的距離?？刂屏渴俏覀冏詣踊瘷C器所要達到的最終目的第二十四頁，共一百二十一頁。2、自動化各構(gòu)成部分的作用及實現(xiàn)1）檢測（測量）裝置

檢測（測量）裝置主要是傳感器。傳感器是一種能把物理量﹑化學量﹑生物量等轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。輸出的電信號有不同形式，如電壓﹑電流﹑頻率﹑脈沖等，能滿足信息傳輸﹑處理﹑記錄﹑顯示﹑控制的要求。第二十五頁，共一百二十一頁。通常傳感器由感應組件和轉(zhuǎn)換組件組成。感應組件(SensingElement)能直接感受被測量的的量;

轉(zhuǎn)換組件(TransductionElement)則將感應組件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號。第二十六頁，共一百二十一頁。與人類五大感覺器官相比對應的傳感器眼睛（視覺）光傳感器﹑影像傳感器等耳朵（聽覺）壓力傳感器﹑電容麥克風等皮膚（觸覺）力學傳感器﹑溫度傳感器﹑濕度傳感器等﹔舌頭（味覺）等離子傳感器﹑化學傳感器等﹔鼻子（嗅覺）半導體氣體傳感器﹑燃燒式氣體傳感器等除了以上和五感相比擬的傳感器外還有紅外線傳感器、接近傳感器速度和加速度傳感器、磁性傳感器等第二十七頁，共一百二十一頁。一般測量信號轉(zhuǎn)換為電量類型(根據(jù)采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后接入控制器的種類劃分）：被測量轉(zhuǎn)換量舉例圖例模擬量（連續(xù)、不間斷的量）0~5V，1~5V；0~20mA，4~20mA；電阻壓力、液位，流量，溫度脈沖量2~36V方波；油、氣、水流量，開關(guān)量0~24V開關(guān)信號水位（點），閥位第二十八頁，共一百二十一頁。2）控制器

控制器（一般是RTU、PLC等設備）的主要作用是進行信號采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、運算、處理、發(fā)送及本地控制。第二十九頁，共一百二十一頁。由傳感器測量的現(xiàn)場被測量被轉(zhuǎn)換為與其成比例的標準電信號后輸入到控制器，控制器將接收到的電流信號按相同的比例反算回被測量的現(xiàn)場實際值，同時將該數(shù)據(jù)應用到其他相關(guān)的計算、控制過程并按需要將數(shù)據(jù)傳送至其他位置（如監(jiān)控機）。第三十頁，共一百二十一頁。3）執(zhí)行機構(gòu)（執(zhí)行器）

執(zhí)行機構(gòu)是按控制器輸出的指令驅(qū)動現(xiàn)場設備運行狀態(tài)發(fā)生變化，從而達到控制被控設備的目的的裝置。

執(zhí)行機構(gòu)一般有電動執(zhí)行機構(gòu)和氣動執(zhí)行機構(gòu)。電動執(zhí)行機構(gòu)是以電為動力源的儀表，氣動執(zhí)行機構(gòu)是以壓縮空氣為動力源的儀表。第三十一頁，共一百二十一頁。自動控制技術(shù)的應用煉鋼、化工、石油、電力、造紙、紡織、食品等工業(yè)航空、航海、汽車、鐵路運輸和國防工業(yè)。圖書資料的管理、實驗室技術(shù)。導彈、人造地球衛(wèi)星、原子能、空氣動力等領(lǐng)域。第三十二頁，共一百二十一頁。

自動化技術(shù)廣泛用于工業(yè)﹑農(nóng)業(yè)﹑軍事﹑科學研究﹑交通運輸﹑商業(yè)﹑醫(yī)療﹑服務和家庭等方面

采用自動化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動﹑部分腦力勞動以及惡劣﹑危險的工作環(huán)境中解放出來﹐而且能擴展人的器官功能﹐極大地提高勞動生產(chǎn)率﹐增強人類認識世界和改造世界的能力。因此﹐自動化是工業(yè)﹑農(nóng)業(yè)﹑國防和科學技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標志。第三十三頁，共一百二十一頁。34

計算機概念系統(tǒng)用途分類發(fā)展第三十四頁，共一百二十一頁。35概念

（ElectronicDigitalComputer

）計算機是一種能夠按照程序運行，自動、高速處理海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)代化智能電子設備。計算機由硬件和軟件組成計算機是完成信息處理的工具

計算機通過預先編好的存儲程序來自動完成數(shù)據(jù)的加工處理計算機的經(jīng)濟效益和社會效益是非常明顯它人類生產(chǎn)實踐和科學技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物第三十五頁，共一百二十一頁。36硬件系統(tǒng)（Hardware）組成計算機的任何機械的、電子的、磁性的部件整個計算機的物質(zhì)基礎基本功能：運行由預先設計好的指令編制的各種程序計算機的主機(由運算器、控制器和存儲器組成)、顯示器、打印機、通訊設備等系統(tǒng)組成第三十六頁，共一百二十一頁。37軟件系統(tǒng)（Software）計算機軟件是指為了更好地發(fā)揮計算機硬件的效能和方便用戶使用計算機而設計的各種程序和數(shù)據(jù)的總和。系統(tǒng)軟件（SystemSoftware）用于管理機器各種資源的程序及協(xié)調(diào)各裝置工作的程序和為用戶編制程序服務的程序如操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等應用軟件（ApplicationSoftware）與用戶具體用途關(guān)系密切,應用針對性強的軟件單項業(yè)務處理系統(tǒng),如學籍管理和師資管理、文件檔案管理、財會統(tǒng)計報表管理等功能較強的系統(tǒng),如庫存管理系統(tǒng),綜合情報檢索系統(tǒng),會計信息系統(tǒng)等系統(tǒng)第三十七頁，共一百二十一頁。38硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的關(guān)系軟硬件之間的界面不是固定不變的軟硬件在功能上具有等效性，軟硬件能提供同樣的邏輯運算能力硬件實現(xiàn)成本高,但速度快軟件實現(xiàn)成本低,但速度慢

系統(tǒng)第三十八頁，共一百二十一頁。39數(shù)值計算科學計算，應用計算機處理科學研究和工程技術(shù)中所遇到的數(shù)學計算如衛(wèi)星運行軌跡,水壩應力,氣象預報,油田布局,潮汐規(guī)律等等信息處理

信息處理是對原始數(shù)據(jù)進行收集、整理、分類、選擇、存儲、制表、檢索、輸出等的加工過程如自動閱卷、圖書檢索、財務管理、生產(chǎn)管理、醫(yī)療診斷、編輯排版、情報分析等等實時控制

及時搜集檢測數(shù)據(jù),按最佳值對事物進程的調(diào)節(jié)控制如工業(yè)生產(chǎn)的自動控制用途第三十九頁，共一百二十一頁。40輔助設計

利用計算機的制圖功能,實現(xiàn)各種工程的設計工作如橋梁設計、船舶設計、飛機設計、集成電路設計、計算機設計、服裝設計等等智能模擬

人工智能，利用計算機模擬人類智力活動,以替代人類部分腦力勞動具有一定“學習、推理和聯(lián)想”能力的機器人用途第四十頁，共一百二十一頁。41按功能和用途通用計算機解決諸如科學計算、數(shù)據(jù)處理、自動控制、輔助設計等多方面問題功能多,用途廣,結(jié)構(gòu)復雜,因而價格也偏高

專用計算機解決專門問題而設計的計算機,如用于彈道控制、地震監(jiān)測等方面的計算機功能專一,結(jié)構(gòu)簡單,價格較低

按計算機硬、軟件的配套規(guī)模及功能大小等綜合指標巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機因存儲容量、運算速度的不同而用途各異分類第四十一頁，共一百二十一頁。42

第一代1946-1958第二代1958-1965第三代1965-1971第四代1971-代表機型ENIAC(1946.2)IBM-701(1953.4)IBM-650(1954.11)IBM-7090(1959.11)IBM-7094(1962.9)IBM(中型機)IBM-370(大機型)PDP-11(小型機)ILL-IACIV(巨型機)PEPE(巨型機)INTEL-3000(微型機)硬件電子管晶體管中小型規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路磁鼓磁芯磁芯,半導體存儲器半導體存儲器軟件符號語言匯編語言批處理操作系統(tǒng)FORTRAN、COBOL、ALGOL60等程序語言分時操作系統(tǒng)會話式語言(如BASIC)計算機網(wǎng)絡軟件軟件系統(tǒng)工程化、理論化;可擴充語言,數(shù)據(jù)庫運算速度(定點加法)每秒數(shù)千次每秒數(shù)萬-數(shù)十萬次每秒數(shù)十萬-數(shù)百萬次每秒數(shù)百萬-數(shù)億次應用領(lǐng)域科學計算科學計算數(shù)據(jù)處理實時控制系統(tǒng)模擬系統(tǒng)設計智能模擬巨型機用于尖端科學和軍事,微型機進入日常工作和生活發(fā)展第四十二頁，共一百二十一頁。43計算機網(wǎng)絡概念功能分類協(xié)議和模型第四十三頁，共一百二十一頁。44概念

定義：把分布在不同地點且具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)通過通信設備和線路連接起來，在功能完善的軟件和協(xié)議的管理下實現(xiàn)網(wǎng)絡中資源共享的系統(tǒng)。地理位置上分布的計算機的集合用傳輸介質(zhì)互聯(lián)起來遵守共同的協(xié)議相互通信使用戶隨時隨地能共享信息資源和交換信息第四十四頁，共一百二十一頁。由定義可知：(1)計算機網(wǎng)絡是“通信技術(shù)”與“計算機技術(shù)”的結(jié)合產(chǎn)物(2)以數(shù)據(jù)交換為基礎，以共享資源為目的

主機

終端

終端主機

終端

主機主機通信設備通信線路通信子網(wǎng)資源子網(wǎng)第四十五頁，共一百二十一頁。46功能信息交換計算機網(wǎng)絡最基本的功能完成計算機網(wǎng)絡中各個節(jié)點之間的系統(tǒng)通信傳送電子郵件、發(fā)布新聞消息、進行電子購物、電子貿(mào)易、遠程電子教育等資源共享

資源是指構(gòu)成系統(tǒng)的所有要素,包括軟、硬件資源增強了網(wǎng)絡上計算機的處理能力,提高了計算機軟硬件的利用率分布式處理

一項復雜的任務可以劃分成許多部分第四十六頁，共一百二十一頁。47分類按地理范圍分類局域網(wǎng)（LAN）、城域網(wǎng)（MAN）、廣域網(wǎng)（WAN）按傳輸速率分類高速網(wǎng)、低速網(wǎng)按傳輸介質(zhì)分類有線網(wǎng)、無線網(wǎng)按拓撲結(jié)構(gòu)分類總線拓撲結(jié)構(gòu)、星型拓撲結(jié)構(gòu)、環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)、樹型拓撲結(jié)構(gòu)第四十七頁，共一百二十一頁。48拓撲結(jié)構(gòu)圖總線拓撲結(jié)構(gòu)星型拓撲結(jié)構(gòu)總線節(jié)點第四十八頁，共一百二十一頁。49拓撲結(jié)構(gòu)圖環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)樹型拓撲結(jié)構(gòu)第四十九頁，共一百二十一頁。50協(xié)議和模型網(wǎng)絡協(xié)議在計算機網(wǎng)絡中要做到有條不紊的交換數(shù)據(jù)，各計算機之間就必須遵守事先約定好的規(guī)則，這些規(guī)則、約定在計算機網(wǎng)絡中稱為網(wǎng)絡協(xié)議。計算機網(wǎng)絡中一系列的通信規(guī)則第五十頁，共一百二十一頁。計算機網(wǎng)絡協(xié)議通常采用高度民主結(jié)構(gòu)化的分層設計方法，將網(wǎng)絡劃分為一組功能分明、相對獨立和易于操作的層次，依靠各層次之間的功能組合提供網(wǎng)絡的通信服務。如數(shù)據(jù)的格式是怎樣的,以什么樣的控制信號聯(lián)絡,具體傳送方式是什么,發(fā)送方怎樣保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性,接收方如何應答等等常見的網(wǎng)絡協(xié)議有IPX/SPX,TCP/IP等目前Internet使用的標準協(xié)議是TCP/IP模型，包括網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層。第五十一頁，共一百二十一頁。52協(xié)議和模型網(wǎng)絡互聯(lián)模型開放系統(tǒng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)模型（OSI）不是一個實際的物理模型,而是一個將網(wǎng)絡協(xié)議規(guī)范化了的邏輯參考模型OSI七層模型應用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)第五十二頁，共一百二十一頁。53協(xié)議和模型通信子網(wǎng)和資源子網(wǎng)通信子網(wǎng)的范疇：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層資源子網(wǎng)的范疇：會話層、表示層和應用層傳輸層起著承上啟下的作用第五十三頁，共一百二十一頁。54

可編程控制器(plc)第五十四頁，共一百二十一頁。55

PLC基礎知識

一、PLC的產(chǎn)生與歷史二、可編程控制器的定義三、PLC的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢四、PLC的特點五、PLC的基本功能六、PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較第五十五頁，共一百二十一頁。56一、PLC的產(chǎn)生與歷史世界上第一臺PLC1969年由美國數(shù)字設備公司（DEC）根據(jù)美國通用汽車公司（GE）的要求研制成功。

背景：

1968年美國通用汽車公司（GE），為了適應汽車型號的不斷更新，生產(chǎn)工藝不斷變化的需要，實現(xiàn)小批量、多品種生產(chǎn)，希望能有一種新型工業(yè)控制器，它能做到盡可能減少重新設計和更換電器控制系統(tǒng)及接線，以降低成本，縮短周期。

第五十六頁，共一百二十一頁。57設計思想：吸取繼電器和計算機兩者的優(yōu)點☆繼電器控制系統(tǒng)體積大、可靠性低、接線復雜、不易更改、查找和排除故障困難，對生產(chǎn)工藝變化的適應性差，但簡單易懂、價格便宜；

☆計算機功能強大、靈活（可編程）、通用性好，但編程困難；

☆采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用.（梯形圖）第五十七頁，共一百二十一頁。58◆70年代初期：僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能，只是用來取代傳統(tǒng)的繼電器控制,通常稱為可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）◆70年代中期：微處理器技術(shù)應用到PLC中，使PLC不僅具有邏輯控制功能，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等功能◆80年代以后：隨著大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路等微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，16位和32位微處理器應用于PLC中，使PLC得到迅速發(fā)展。PLC不僅控制功能增強，同時可靠性提高，功耗、體積減小，成本降低，編程和故障檢測更加靈活方便，而且具有通信和聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理和圖象顯示等功能。第五十八頁，共一百二十一頁。59近年來PLC發(fā)展

PLC集三電（電控、電儀、電傳）為一體、性能價格比高、高可靠性的特點，已成為自動化工程的核心設備。

PLC成為具備計算機功能的一種通用工業(yè)控制裝置，其使用量高居首位。

PLC成為現(xiàn)代工業(yè)自動化的三大技術(shù)支柱（PLC、機器人、CAD/CAM）之一。第五十九頁，共一百二十一頁。60二、可編程控制器的定義定義：

國際電工委員會（IEC）于1987年頒布了可編程控制器標準草案第三稿。在草案中對可編程控制器定義如下：

“可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。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)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計”。第六十頁，共一百二十一頁。61三、PLC的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1969年美國數(shù)據(jù)設備公司（DEC）研制了第一臺PLC，從此PLC發(fā)展迅猛。

我國改革開放后，美國AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德國西門子等廠家的產(chǎn)品不斷進入我國，并在各行各業(yè)的工控系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。第六十一頁，共一百二十一頁。PLC三大流派歐洲：德國的西門子(SIEMENS)、AEG及法國的TI公司美國：A-B（Allen-Bradly）(其產(chǎn)品約占美國PLC市場50％的份額。)、GE（GeneralElectric）、莫迪康(MODICON)公司、德州儀器(T1)公司、歌德(Gould)公司、西屋公司日本：三菱電機（MitsubishiElectric）、歐姆龍（OMRON）FUJI（日本主要發(fā)展中小型PLC，在世界小型PLC市場上，日本產(chǎn)品約占有70％的份額。在中國，OMRON產(chǎn)品的銷量居首位）目前國內(nèi)市場還有韓國、臺灣等PLC產(chǎn)品；現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了系列化的國產(chǎn)PLC，其價格相對低廉，性價比較高。第六十二頁，共一百二十一頁。西門子PLC外形圖S7-200系列PLCS7-300系列PLCS7-400系列PLC第六十三頁，共一百二十一頁。歐姆龍PLC外形圖C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLC第六十四頁，共一百二十一頁。

PLC的國內(nèi)外狀況1974年我國開始仿制美國的第二代PLC產(chǎn)品，但因元器件質(zhì)量和技術(shù)問題等原因未能推廣。直到1977年，我國才研制出第一臺具有實用價值的PLC，并開始批量生產(chǎn)和應用于工業(yè)過程的控制。主要廠家有：北京和利時，科迪納，張前蘇。洛陽易達，無錫信捷，南京嘉華，蘭州全志，廣州科賽恩，中山智達，恒日等。第六十五頁，共一百二十一頁。第六十六頁，共一百二十一頁。

PLC的發(fā)展趨勢（1）向高速度、大存儲容量方向發(fā)展（CPU處理速度nS級；內(nèi)存2M字節(jié)）（2）向多品種方向發(fā)展和提高可靠性（超大型和超小型)

（3）產(chǎn)品更加規(guī)范化、標準化（硬件、軟件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、與現(xiàn)場總線兼容的I／0（5）加強聯(lián)網(wǎng)和通信的能力（6）控制的開放和模塊化的體系結(jié)構(gòu)OMAC（openModularArchitectureforControl）第六十七頁，共一百二十一頁。

四、PLC的特點

可靠性高，抗干擾能力強功能強，適應面廣通用性強，使用方便

編程方法簡單，容易掌握

安裝簡單、調(diào)試和維修方便。第六十八頁，共一百二十一頁。

五、PLC的基本功能1邏輯控制功能2定時控制功能3計數(shù)控制功能4步進控制功能5數(shù)據(jù)處理功能6回路控制功能7通訊聯(lián)網(wǎng)功能8監(jiān)控功能9停電記憶功能10故障診斷功能第六十九頁，共一百二十一頁。

1邏輯控制功能

邏輯控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的應用領(lǐng)域，可取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)邏輯控制和順序控制。在單機控制、多機群控和自動生產(chǎn)線控制方面都有很多成功的應用實例。例如：機床電氣控制、起重機、皮帶運輸機和包裝機械的控制、注塑機控制、電梯控制、飲料灌裝生產(chǎn)線、家用電器(電視機、冰箱、洗衣機等)自動裝配線控制、汽車、化工、造紙、軋鋼自動生產(chǎn)線控制等。第七十頁，共一百二十一頁。

2定時控制功能定時控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有許多可供用戶使用的定時器，功能類似于繼電器線路中的時間繼電器。定時器的設定值(定時時間)可以在編程時設定，也可以在運動過程中根據(jù)需要進行修改，使用方便靈活。同時PLC還提供了高精度的時鐘脈沖，用于準確實時控制。第七十一頁，共一百二十一頁。

3計數(shù)控制功能計數(shù)控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC為用戶提供許多計數(shù)器，計數(shù)器計數(shù)到某一數(shù)值時，產(chǎn)生一個狀態(tài)信號(計數(shù)值到)，利用該狀態(tài)信號實現(xiàn)對某個操作的計數(shù)控制。計數(shù)器的設定值可以在編程時設定，也可以在運行過程中根據(jù)需要進行修改。第七十二頁，共一百二十一頁。4

數(shù)據(jù)處理功能PLC大部分都具有數(shù)據(jù)處理功能，可以實現(xiàn)算術(shù)運算、數(shù)據(jù)比較、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)移位、數(shù)制轉(zhuǎn)換譯碼編碼等操作。中、大型PLC數(shù)據(jù)處理功能更加齊全，可完成開方、PID運算、浮點運算等操作，還可以和CRT、打印機相聯(lián)，實現(xiàn)程序、數(shù)據(jù)的顯示和打印。第七十三頁，共一百二十一頁。5

監(jiān)控功能PLC設置了較強的監(jiān)控功能。利用編程器或監(jiān)視器，操作人員可以對PLC有關(guān)部分的運行狀態(tài)進行監(jiān)視。利用編程器，可以調(diào)整定時器、計數(shù)器的設定值和當前值，并可以根據(jù)需要改變PLC內(nèi)部邏輯信號的狀態(tài)及數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，為調(diào)整和維護提供了極大的方便。第七十四頁，共一百二十一頁。

6

停電記憶功能PLC內(nèi)部的部分存儲器所使用的RAM設置了停電保持器件（備用電池等），以保證斷電后這部分存儲器中的信息能夠長期保存。利用某些記憶指令，可以對工作狀態(tài)進行記憶，以保持PLC斷電后的數(shù)據(jù)內(nèi)容不變。PLC電源恢復后，可以在原工作基礎上繼續(xù)工作。第七十五頁，共一百二十一頁。7

故障診斷功能PLC可以對系統(tǒng)構(gòu)成、某些硬件狀態(tài)、指令的合法性等進行自診斷，發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出報警并顯示錯誤類型，如屬嚴重錯誤則自動中止運行。PLC的故障自診斷功能，大大提高了PLC控制系統(tǒng)的安全和可維護性。第七十六頁，共一百二十一頁。六、PLC與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的比較

PLC與繼電器控制系統(tǒng)比較繼電器控制采用硬接線方式裝配而成，只能完成既定的功能。PLC控制只要改變程序并改動少量的接線端子，就可適應生產(chǎn)工藝的改變。從適應性、可靠性及設計、安裝、維護等各方面進行比較。傳統(tǒng)的繼電器控制大多數(shù)將被PLC所取代。

與工業(yè)計算機比較工業(yè)控制機控制要求開發(fā)人員具有較高的計算機專業(yè)知識和微機軟件編程的能力。PLC采用了采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”進行編程，使不熟悉計算機的人也能很快掌握使用，便于推廣應用。PLC是專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計的，具有更高的可靠性。在模型復雜、計算量大且較難、實時性要求較高的環(huán)境中，工業(yè)控制機則更能發(fā)揮其專長。第七十七頁，共一百二十一頁。

PLC基本原理1PLC內(nèi)部硬件框圖及各部分作用2PLC工作過程特點及主要性能指標3PLC分類第七十八頁，共一百二十一頁。

1PLC內(nèi)部硬件框圖及各部分作用1.1PLC的組成可編程控制器（PLC）主要由中央處理單元(CPU)、存儲器(RAM、ROM)、輸入輸出單元(I/O)、電源和編程器、人機界面等幾組成

第七十九頁，共一百二十一頁。PLC的基本組成與一般的微機系統(tǒng)類似：是一種以微處理器為核心的、用于控制的特殊計算機PLC的基本組成包括硬件與軟件兩部分PLC的硬件：中央處理器（CPU）、存儲器、輸入接口、輸出接口、通信接口、電源等PLC的軟件：系統(tǒng)程序和用戶程序第八十頁，共一百二十一頁。

1.2PLC內(nèi)部主要部件功能1.PLC中的CPU作用及分類CPU的作用：按系統(tǒng)程序賦予的功能，指揮PLC有條不紊地進行工作。歸納起來主要有以下五個方面：1）接收并存儲編程器或其它外設輸入的用戶程序或數(shù)據(jù)2）診斷電源、PLC內(nèi)部電路故障和編程中的語法錯誤等3）接收并存儲從輸入單元（接口）得到現(xiàn)場輸入狀態(tài)或數(shù)據(jù)第八十一頁，共一百二十一頁。4）逐條讀取并執(zhí)行存儲器中的用戶程序，將運算結(jié)果存入存儲器

5）根據(jù)運算結(jié)果，更新有關(guān)標志位和輸出內(nèi)容，通過輸出接口實現(xiàn)控制、制表打印或數(shù)據(jù)通訊等功能第八十二頁，共一百二十一頁。PLC中常采用的CPU有三類：1)通用微處理器（如Z80、8086、80286等）2)單片微處理器（如8031、8096等）3)位片式微處理器(如AMD29W等)小型PLC：大多采用8位通用微處理器和單片微處理器；中型PLC：大多采用16位通用微處理器或單片微處理器；

大型PLC：大多采用高速位片式微處理器（32位）；

小型PLC為單CPU系統(tǒng)；中、大型PLC則大多為雙CPU或多CPU系統(tǒng)；對于雙CPU系統(tǒng)，一個為字處理器，一般采用8位、16位或32位處理器；另一個為位處理器，采用由各廠家設計制造的專用芯片。第八十三頁，共一百二十一頁。2.系統(tǒng)程序存貯器存儲器的作用：PLC中，存儲器主要用于系統(tǒng)程序、用戶程序、數(shù)據(jù)存儲器的類型：①可讀/寫操作的隨機存儲器RAM②只讀存儲器ROM、PROM、EPROM、E2PROM第八十四頁，共一百二十一頁。

輸入/輸出接口（I/O模塊）輸入/輸出接口通常也稱I/O單元或I/O模塊，是PLC與工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場之間的連接通道。PLC輸入接口-----用戶設備需輸入PLC的各種控制信號，如限位開關(guān)、操作按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及其它一些傳感器輸出的開關(guān)量或模擬量(要通過模數(shù)變換進入機內(nèi))等，通過輸入接口電路將這些信號轉(zhuǎn)換成中央處理單元能夠接收和處理的信號，用這些數(shù)據(jù)作為PLC對被控制對象進行控制的依據(jù)。PLC輸出接口-----將中央處理單元送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，用來驅(qū)動電磁閥、接觸器、電機等被控設備的執(zhí)行元件。第八十五頁，共一百二十一頁。I/O接口的作用：電平轉(zhuǎn)換功能：由于外部輸入設備和輸出設備所需的信號電平是多種多樣的，而PLC內(nèi)部CPU的處理的信號是標準電平信號。光電隔離和濾波功能，以提高PLC的抗干擾能力，通常還有狀態(tài)指示，工作狀況直觀，便于維護。I/O接口的類型：開關(guān)量輸入/輸出接口模擬量輸入/輸出接口第八十六頁，共一百二十一頁。輸入/輸出（I/O）點數(shù)：PLC的I/O點數(shù)是指PLC的I/O接口所能接受的輸入信號個數(shù)和輸出信號個數(shù)的總和。I/O點數(shù)是選擇PLC的重要依據(jù)之一。當I/O點數(shù)不夠時，可通過PLC的I/O擴展接口對系統(tǒng)進行擴展。第八十七頁，共一百二十一頁。PLC中的電源及作用PLC配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，以提供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，PLC電源的穩(wěn)定性好、抗干擾能力強。因此，對于電網(wǎng)提供的電源穩(wěn)定度要求不高，一般允許電源電壓在其額定值±15%的范圍內(nèi)波動。許多PLC還向外提供直流24V穩(wěn)壓電源，用于對外部傳感器供電。第八十八頁，共一百二十一頁?！鬚LC配有各種通信接口與外部設備連接

與打印機連接，可將過程信息、系統(tǒng)參數(shù)等輸出打印與監(jiān)視器連接，可將控制過程圖像顯示出來與PLC連接，組成多機系統(tǒng)或連成網(wǎng)絡，實現(xiàn)更大規(guī)?？刂婆c計算機連接，組成多級分布式控制系統(tǒng)，控制與管理相結(jié)合與人機界面（觸摸屏）連接與智能接口模塊連接。智能接口模塊是一獨立的計算機系統(tǒng)，它有自己的CPU、系統(tǒng)程序、存儲器以及與PLC系統(tǒng)總線相連的接口。PLC的智能接口模塊種類很多，如：高速計數(shù)模塊、閉環(huán)控制模塊、運動控制模塊、中斷控制模塊等。與編程器連接第八十九頁，共一百二十一頁。

PLC編程器及作用編程器的作用：編程器可以編輯、調(diào)試、輸入用戶程序，是PLC開發(fā)應用、檢測運行、檢查維護不可缺少的器件，用于編程對系統(tǒng)作一些設定、監(jiān)控PLC及PLC所控制的系統(tǒng)的工作狀態(tài)。第九十頁，共一百二十一頁。編程器是PLC最常用的外設，也是PLC中唯一不需要通過功能模塊而直接與總線相聯(lián)接的外設。它通過主機上的編程器接口直接與主機相連。編程器上有一個方式選擇開關(guān)，用于控制PLC主機的工作方式。第九十一頁，共一百二十一頁。掌上電腦編程器可編程終端第九十二頁，共一百二十一頁。高檔可編程終端第九十三頁，共一百二十一頁。其它功能模塊模擬量輸入模塊（即A/D模塊）模擬量→數(shù)字量模擬量輸出模塊（即D/A模塊）數(shù)字量→模擬量動態(tài)輸入/輸出模塊自帶動態(tài)掃描功能溫度傳感器模塊溫度→模擬量→數(shù)字量高速計數(shù)模塊高頻脈沖信號遠程I/O模塊擴展I/O點的距離通訊模塊與其它PLC、微機、互連網(wǎng)通訊第九十四頁，共一百二十一頁。

PLC的軟件系統(tǒng)1系統(tǒng)程序；2用戶程序；3編程語言系統(tǒng)程序:

系統(tǒng)程序，完成系統(tǒng)診斷、命令解釋、功能子程序調(diào)用、管理、邏輯運算、通信及各種參數(shù)設定等功能。系統(tǒng)程序是由PLC的制造廠家編寫的，在PLC使用過程中不會變動，它和PLC的硬件組成有關(guān)，它關(guān)系到PLC的性能。系統(tǒng)程序由制造廠家直接固化在只讀存儲器ROM、PROM或EPROM中，用戶不能訪問和修改。第九十五頁，共一百二十一頁。用戶程序:用戶程序是用戶根據(jù)控制對象生產(chǎn)工藝及控制的要求而編制的應用程序。它是根據(jù)PLC控制對象的要求而定的。為便于讀出、檢查和修改，用戶程序一般存于CMOS靜態(tài)RAM中，用鋰電池作為后備電源，以保證掉電時不會丟失信息。為防止干擾對RAM中程序的破壞，當用戶程序經(jīng)過運行正常，不需要改變，可將其固化在EPROM中?，F(xiàn)在有許多PLC直接采用EEPROM作為用戶存儲器。第九十六頁，共一百二十一頁。PLC的編程語言在PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的同時，PLC的編程語言也越來越豐富，功能也不斷提高。程序的表達方式基本有四種：梯形圖、指令表、邏輯功能圖和高級語言。梯形圖是當前使用最廣泛的一種編程方法。除了梯形圖語言外，為了適應各種控制要求，出現(xiàn)了面向順序控制的步進編程語言、面向過程控制的流程圖語言、與計算機兼容的高級語言（BASIC、C語言等）等。多種編程語言的并存、互補與發(fā)展是PLC進步的一種趨勢。第九十七頁，共一百二十一頁。

梯形圖編程語言梯形圖（Ladderdiagram）編程語言是一種圖形語言,類似于繼電器控制線路圖的一種編程語言，它面向控制過程，直觀易懂，是PLC編程語言中應用最多的一種語言。

物理繼電器PLC繼電器常開常閉觸點線圈兩種梯形圖的繼電器符號圖對照第九十八頁，共一百二十一頁。名詞解釋——軟繼電器

PLC的繼電器不是物理的電器，它是PC內(nèi)部的寄存器位，因為它具有與物理繼電器相似的功能，常稱之為“軟繼電器”。常閉觸點線圈常開觸點說明：

PLC每一個繼電器都對應著內(nèi)部的一個寄存器位，該位為“1”態(tài)時，相當于繼電器接通；為“0”態(tài)時，則相當于繼電器斷開。第九十九頁，共一百二十一頁。

可編程序控制器分類1.按結(jié)構(gòu)形式分類整體式PLC：整體式是將PLC的CPU、存儲器、I/O單元、電源等安裝在同一機體內(nèi)，構(gòu)成主機，另外還有I/O擴展單元配合主機使用，用以擴展I/O點數(shù)。整體式PLC的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低、安裝方便，但輸入輸出點數(shù)固定，靈活性較低，小型PLC多采用這種結(jié)構(gòu)第一百頁，共一百二十一頁。組合式PLC：組合式PLC是由一些標準模塊單元組成，采用總線結(jié)構(gòu)，不同功能的模塊（如CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊、電源模塊等）通過總線連接起來。組合式PLC的特點是可以根據(jù)功能需要靈活配置，構(gòu)成具有不同功能和不同控制規(guī)模的PLC，多用于大型和中型PLC。第一百零一頁，共一百二十一頁。組合式PLC第一百零二頁，共一百二十一頁。電源模塊底板CPU模塊IO模塊模塊式第一百零三頁，共一百二十一頁。模塊式結(jié)構(gòu)PLC的結(jié)構(gòu)第一百零四頁，共一百二十一頁。3）疊裝式PLC

還有一些PLC將整體式和模塊式的特點結(jié)合起來。疊裝式PLC其CPU、電源、I/O接口等也是各自獨立的模塊，但它們之間是靠電纜進行聯(lián)接，并且各模塊可以一層層地疊裝。這樣，不但系統(tǒng)可以靈活配置，還可做得體積小巧。

第一百零五頁，共一百二十一頁。2.按控制規(guī)模分類輸入輸出的總路數(shù)，又稱為I/O點數(shù)，是表征PLC控制規(guī)模的重要參數(shù)。因此，按控制規(guī)模對PLC分類時，可分為：1.小型PLC：I/O點數(shù)較少，在256點以下的PLC。2.中型PLC：I/O點數(shù)較多，在