第05章 计算机控制装置

1、5.1 计算机控制概述计算机控制概述 调节器被控对象测量变送装置+SP执行器4 42020mAmA4 42020mAmA控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 42020mAmA4 42020mAmAD/AA/D数字信号数字信号例如例如 420mA 信号经信号经12位位A/D转换以后的结果为转换以后的结果为040954 mA输入输入0000 0000 000020mA输入输入1111 1111 111112mA输入输入？典型单回路控制系统方块图典型单回路控制系统方块图工作过程工作过程控制器被控对象测量变送装置+SP执行器4 42020mAmA4 42020mAmAD/AA/D工作过程：工作过

2、程：数据采集：数据采集：实时检测来自于测量变送装置的被控变量瞬时值； 控制决策：控制决策：根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，决定控制行为，产生控制信号；如PID运算 控制输出：控制输出：根据控制决策实时地向执行机构发出控制信号，完成控制任务。 过程输入输出设备外部设备主机系统CPURAMROMCRT通讯接口人机接口打印机其它系统总线模拟量输入（AI）模拟量输出（AO）开关量输入（DI）开关量输入（DO）测量变送器执行器电气开关电气开关被控生产对象常规计算机系统常规计算机系统I/O系统系统（模块或卡件）（模块或卡件）现场仪表现场仪表被控被控对象对象硬件组成硬件组成系统软件系统软

3、件支持软件支持软件应用软件应用软件系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是系统软件包括操作系统、引导程序、调度执行程序等，它是支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。支持软件及各种应用软件的最基础的运行平台。如：如：WindowsWindows操作系统、操作系统、UnixUnix操作系统等都属于系统软件。操作系统等都属于系统软件。 它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。它运行在系统软件的平台上，是用于开发应用软件的软件。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。例如：汇编语言、高级语言、通信网络软件、组态软件等。对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支

4、持软件，对于设计人员来说，需要了解并学会使用相应的支持软件，能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支能够根据系统要求编制开发所需要应用软件。不同系统的支持软件会有所不同持软件会有所不同 应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理应用软件是系统设计人员针对特定要求而编制的控制和管理程序。程序。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。不同控制设备的应用软件所具备的功能是不同的。软件组成软件组成1. 1. 可靠性可靠性2. 2. 可维护性可维护性3. 3. 实时性实时性4. 4. 性能价格比性能价格比 可靠性可靠性 定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

5、定义：产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。它通常用它通常用概率概率来表示来表示 (1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度单个零件、设备的可靠度单个零件、设备的可靠度在规定的环境温度、湿度、振动和在规定的环境温度、湿度、振动和使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发使用方法及维护措施等条件下，在规定的工作期限内，设备无故障地发挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。挥规定功能（应具备的技术指标）的概率。例如：在例如：在100100只晶体管中有只晶体管中有9595只在上述规定条件下使用未出现故障，只在上述规定条件下使用未出现故障， 则其可靠度则其可靠度R R

6、0.950.95 样本越高，所得可靠度的准确性就越高样本越高，所得可靠度的准确性就越高(1)(1)可靠性指标可靠性指标可靠度可靠度系统的可靠度系统的可靠度除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，除了与构成系统的子系统或元器件的可靠度有关，还与系统的构成方式有关：还与系统的构成方式有关：串联连接串联连接和和并联连接并联连接是两种典型的连接方式。是两种典型的连接方式。 R1RnR1Rnn个串连子系统n个并联子系统a. 串连系统 b. 并联系统如果分析的是如果分析的是断路失效断路失效，则：，则：串联系统串联系统中只要有一个子系统失效，系统就会失效中只要有一个子系统失效，系统就会失效并联系统并联系

7、统中全部子系统发生故障，系统才出现故障中全部子系统发生故障，系统才出现故障nRRRR21串)1 ()1 ()1 (121nRRRR并R1=R2=0.9， R并0.99R1=R2=0.99，R并0.9999( (1)1)可靠性指标可靠性指标平均无故障工作时间平均无故障工作时间MTBFMTBF( (* *) )(mean time between failures)(mean time between failures)MTBFMTBF指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间指设备在相邻两次故障的间隔内正常工作的平均时间 平均故障修复时间平均故障修复时间MTTRMTTR(mean time

8、to repair )(mean time to repair ) ntMTBFnii1MTTRMTTR指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间指设备出现故障以后经过维修恢复并重新投入运行所需要的平均时间 ntMTTRnii1(2)(2)提高可靠性的主要措施提高可靠性的主要措施 可维护性可维护性 实时实时性性 计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和计算机控制系统的实时性是指被控信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变输出都要在一定的时间内完成，并能根据生产工况的变化进行及时的处理，亦即系统对被控信号的变化具有足化进行及时的处理，亦即系统对

9、被控信号的变化具有足够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。够快的响应速度，不丢失信息，不延误操作。 性能价格比性能价格比 1. 直接数字量控制直接数字量控制（Direct Digital ControlDDC）2. 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统3. 集散控制系统集散控制系统（Distributed Control SystemDCS）4. 现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control SystemFCS） 直接数字量控制直接数字量控制用一台计算机取代一组模拟调节用一台计算机取代一组模拟调节器，构成闭环控制回路，用数字器，构成闭环控制回路，用数字控制技术简单地

10、取代模拟控制技控制技术简单地取代模拟控制技术。术。过程控制计算机SPAI、DIAO、DO 检测仪表 执行器 被控过程（对象） 计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的计算灵活，精度高，它不仅能实现典型的PIDPID控制规律，还可控制规律，还可以分时处理多个控制回路。此外，此以分时处理多个控制回路。此外，此DDCDDC也很快发展到也很快发展到PIDPID以以外的多种复杂控制。外的多种复杂控制。当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速当时的计算机系统的价格昂贵，计算机运算速度不能满足快速过程实时控制的需求。过程实时控制的需求。 集中型计算机控制系统集中型计算机控制系统由于当时的计算机系统

11、的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计由于当时的计算机系统的体积庞大，价格非常昂贵，为了使计算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制算机控制能与常规仪表控制相竞争，企图用一台计算机来控制尽可能多的控制回路。尽可能多的控制回路。CRT、键盘过程控制计算机AIDIAODO 被控过程（对象）被控变量操作变量输入子系统输出子系统集中型计算机控制系统原理图优越性：优越性： 从表面上看从表面上看信息集中，集中型计算机控制可以实信息集中，集中型计算机控制可以实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现先进控制、联锁控制等各种更复杂控制功能；便于实现优化控制和优化生产。现优化控制和优化生产。

12、问问 题：题：由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利由于当时计算机总体性能低，运算速度慢，容量小，利用一台计算机控制成很多个回路用一台计算机控制成很多个回路容易出现负荷过载容易出现负荷过载，而，而且控制的集中也直接导致且控制的集中也直接导致危险的集中危险的集中，高度的集中使系，高度的集中使系统变得十分统变得十分“脆弱脆弱”。在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的在当时，集中型计算机控制系统不仅没有给工业生产带来明显的好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结好处，反而可能严重影响正常生产，因此这种危险集中的系统结构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。

13、构很难为生产过程所接受，曾一度陷入困境。 集散控制系统集散控制系统(1)(1)不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分不能采取控制回路高度集中的设计思想，需要把控制功能分散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；散到若干个控制站实现，以提高系统的可靠性；(2)(2)考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运考虑到整个生产过程的整体性，各个控制系统（回路）的运行应当服从工业生产管理的总体目标。行应当服从工业生产管理的总体目标。根本特征根本特征: :和和DCSDCS的功能层次的功能层次通常分为：通常分为：各级从各级从“上级上级”获取指获取指示，从示，从“下级下级”获取信息，产

14、生对获取信息，产生对“下级下级”的控制。的控制。 直接控制直接控制经营经营管理管理生产管理生产管理过程管理过程管理连续过程连续过程 间歇过程间歇过程 离散过程离散过程经营管理级居于工厂自动化系统的最经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，负责全厂广泛的工程、经济高一层，负责全厂广泛的工程、经济、商务、人事以及其它的工作。如：、商务、人事以及其它的工作。如：市场分析、销售和生产计划市场分析、销售和生产计划过程管理级主要功能包括回路过程管理级主要功能包括回路组态、优化控制、性能监视、组态、优化控制、性能监视、故障监测、记录、报警故障监测、记录、报警生产管理主要完成生产规划，生产监生产管理主要完成生

15、产规划，生产监视，根据用户订单、库存、能耗约束视，根据用户订单、库存、能耗约束、能耗需求等指标进行生产调度。在、能耗需求等指标进行生产调度。在许多许多DCSDCS中，这级就充当最高管理层中，这级就充当最高管理层。直接控制级主要功能包括现场数据采直接控制级主要功能包括现场数据采集、过程监视、故障诊断，控制输出集、过程监视、故障诊断，控制输出、安全性能和冗余性能的实施、安全性能和冗余性能的实施 DCS的发展过程的发展过程划分划分起始时间起始时间主要特征主要特征119751975年年Honeywell公司推出了世界上第一套公司推出了世界上第一套DCS系系统统TDC-2000，技术特征是，技术特征是集

16、散集散。 280年代初年代初技术特征是引入局域网技术特征是引入局域网LANLAN 380年代末期年代末期90年代初年代初技术特征是技术特征是管控一体化管控一体化 490年代中期年代中期主要强调系统的开放性，特别是通信机制的主要强调系统的开放性，特别是通信机制的开放性开放性和标准化和标准化。 总结：早期总结：早期DCS的重点在于控制，的重点在于控制，DCS以以“分散分散”作为关键字，但现代作为关键字，但现代发展更着重于系统信息综合管理，今后发展更着重于系统信息综合管理，今后“综合综合”又将成为其关键又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自字，向实现控制体系、运行体系

17、、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通动化方向发展，通过由网络（局域网和广域网）或者串、并行通信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、信实现设备互连和资源网络化共享，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。形成一个具有柔性的高度自动化的管控一体化系统。 现场总线控制系统现场总线控制系统传统计算机控制系统的结构示意图传统计算机控制系统的结构示意图朴素意义上的朴素意义上的 FCSFCS结构示意图结

18、构示意图 是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支是连接智能现场装置和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。结构的通信网络。 支持双向、多节点、总线式的全数字通讯支持双向、多节点、总线式的全数字通讯双向数据通信能力避免了反复进行双向数据通信能力避免了反复进行A/DA/D、D/AD/A的转换的转换 把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化把控制任务下移到现场设备，以实现测量控制一体化 已成为全世界范围自动化技术发展的热点已成为全世界范围自动化技术发展的热点涉及整个自动化和仪表的工业涉及整个自动化和仪表的工业“革命革命” ” 随着局域网、随着局域网、Intern

19、etInternet、ITIT技术迅速发展，计算机技术迅速发展，计算机控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发控制系统向集成化、网络化、智能化、信息化发展成为一种趋势展成为一种趋势 系统结构系统结构向网络化、网络扁平化方向发展向网络化、网络扁平化方向发展 系统功能系统功能向综合化方向发展向综合化方向发展 系统设备系统设备向多样化方向发展向多样化方向发展 模拟调节器：模拟调节器： 信号本身是连续的，信号在时间域内也是连续的信号本身是连续的，信号在时间域内也是连续的各部分功能由不同的硬件独立完成各部分功能由不同的硬件独立完成数字控制器、计算机控制装置：数字控制器、计算机控制装置：信号本身是离散的

20、，信号在时间域内也是离散的信号本身是离散的，信号在时间域内也是离散的各部分功能由一个各部分功能由一个CPUCPU分时、周期性地计算完成分时、周期性地计算完成由此可见，由于数字控制器和计算机控制装置的由此可见，由于数字控制器和计算机控制装置的PIDPID控制算法也不能控制算法也不能是连续的，需要对是连续的，需要对PIDPID进行离散化的处理。进行离散化的处理。模拟模拟PIDPID调节规律的表达式调节规律的表达式 01( )( ) ( )( )tPdide tu tKe te t dtTTdt0e1e2e3e4e5e在计算机控制系统中，为了便于计算机实现，必须把在计算机控制系统中，为了便于计算机实

21、现，必须把PID控制规律的模拟表达式变换成差分控制规律的模拟表达式变换成差分方程。当采样周期相当短时，积分可以用方程。当采样周期相当短时，积分可以用“求和求和” 来近似、微分可以用来近似、微分可以用“后向差分后向差分”来代来代替替: sstnTT， 为采样周期把上式代入模拟把上式代入模拟PID表达式，即可实现离散化。共由两种离散化表达式，即可实现离散化。共由两种离散化PID表示形式表示形式 Ts( ) ( )( )( )( )()se te nr ny ne ne nT 相当于的简写( )( )(1) sde te ne ndtT00( ) ( )ntsie t dtTe i01( )( )

22、( )( )tPdide tu tKe te t dtTTdt00( )( )( )( )( )( )(1)( )( )ssntsitnTe te nr ny nde te ne ndtTe t dtTe i)1()()()()(0neneTTieTTneKnusdniisp上式的计算结果即等于执行机构的位置，如阀门的开度，因此称为位置式上式的计算结果即等于执行机构的位置，如阀门的开度，因此称为位置式PID控制算法控制算法但要生成一个但要生成一个, ,需要保存需要保存个偏差信息个偏差信息随着随着 的增大，计算量也随之增大的增大，计算量也随之增大而且一旦发生故障，阀位可能发生急剧的变化而且一旦发

23、生故障，阀位可能发生急剧的变化 第第 n n 次的计算结果：次的计算结果：)1()()()()(0neneTTieTTneKnusdniisp第第n n1 1次的计算结果：次的计算结果：10(1) (1)( ) (1)(2)nsdpiisTTu nKe ne ie ne nTT二者相减：二者相减：) 1()()(nununu100 ( )(1)( )( ) ( )(1) (1)(2)nnsddpiiissTTTKe ne ne ie ie ne ne ne nTTT( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)( )( )(1)sdpisTTu nKe ne ne ne ne ne nTT

24、u nu nu n ( ) ( )(1)( ) ( )2 (1)(2)( )( )(1)sdpisTTu nKe ne ne ne ne ne nTTu nu nu n 增量式增量式PIDPID控制算法：控制算法：增量式增量式PID控制算法的特点：控制算法的特点： 增量型算法不需要做累加计算，控制量的增量增量型算法不需要做累加计算，控制量的增量u(n)u(n)仅与最近几次偏差值仅与最近几次偏差值e(n)e(n)、e(n-1)e(n-1)、e(n-2)e(n-2)有关。有关。 增量型算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中只输出阀门开度的变化量，增量型算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中

25、只输出阀门开度的变化量，误动作和必要的限制输出，不会对系统产生严重的影响。误动作和必要的限制输出，不会对系统产生严重的影响。 采用增量型采用增量型PIDPID控制算法便于实现手、自动的无扰动切换。控制算法便于实现手、自动的无扰动切换。 工业现场最常用工业现场最常用 测量误差是模拟输入信号在信号测量和传输过程中，由引入的干扰和随机噪声引起的测量误差是模拟输入信号在信号测量和传输过程中，由引入的干扰和随机噪声引起的它们可能来自测量仪表本身、传感器、外界干扰等它们可能来自测量仪表本身、传感器、外界干扰等测量误差有二大类：一类是测量误差有二大类：一类是，典型代表为，典型代表为50Hz50Hz的工频干扰

26、；另一类是的工频干扰；另一类是，这类干扰是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则的变化而，这类干扰是指在相同条件下测量同一量时，其大小和符号作无规则的变化而无法预测，但在多次测量中它是符合统计规律的。无法预测，但在多次测量中它是符合统计规律的。 可以采用可以采用方法，也可以采用方法，也可以采用方法来抑制和滤除有效信号中的干扰成分方法来抑制和滤除有效信号中的干扰成分但是为了提高工业控制系统的可靠性，正确地采用数字滤波技术与硬件抗干扰措施构成但是为了提高工业控制系统的可靠性，正确地采用数字滤波技术与硬件抗干扰措施构成的双道抗干扰防线，将大大提高工业控制系统的可靠性。的双道抗干扰防线，将大

27、大提高工业控制系统的可靠性。 所谓所谓，就是按统计规律通过一定的计算或判断程序，来减少干扰在有效信号中，就是按统计规律通过一定的计算或判断程序，来减少干扰在有效信号中的比重，其实质是一种程序滤波。的比重，其实质是一种程序滤波。 中位值滤波的原理是对被测信号连续采样中位值滤波的原理是对被测信号连续采样n n次（次（n n一般取大于一般取大于3 3的奇数）的奇数）然后将采样结果从大到小排列然后将采样结果从大到小排列取其中间值作为本次采样的有效数据取其中间值作为本次采样的有效数据这种滤波方法十分简单，主要用以克服偶然因素引起的干扰这种滤波方法十分简单，主要用以克服偶然因素引起的干扰对于温度、液位等缓

28、慢变化的参数，其滤波效果较好对于温度、液位等缓慢变化的参数，其滤波效果较好但不适用于流量、压力等快速变化的参数。但不适用于流量、压力等快速变化的参数。 算术平均滤波的原理是根据输入的算术平均滤波的原理是根据输入的n n的采样数据的采样数据x xi i（i=1i=1n n），寻找一），寻找一个个 ，使，使 与与n n个样本的偏差的平方和最小：个样本的偏差的平方和最小： yy1minniiEyx11niiyxn滤波结果的平滑滤波程度取决于每次滤波的样本数滤波结果的平滑滤波程度取决于每次滤波的样本数n n当当n n较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外界信号的变化对测量计算结果较大时，平滑度高，但灵敏度

29、低，即外界信号的变化对测量计算结果y y的影响小的影响小当当n n较小时，平滑度较低，但灵敏度高较小时，平滑度较低，但灵敏度高如如: : 对一般流量测量，对一般流量测量，n(8n(816)16)； 对压力等测量，对压力等测量，n n可取可取4 4。 11niiyxn1niiiyc x12121nnccccccsTsxsyf11)()()()() 1()(nxnyTnynyTsf( )( )(1)fsfsfsTTy nx ny nTTTT( )(1) ( )(1)y nx ny n操作站操作站控制站（器）控制站（器）IPCIPC、数字调节器、数字调节器、PLCPLC、专用控制器、专用控制器管理层

30、计算机管理层计算机操作站操作站控制站（器）控制站（器）IPCIPC、数字调节器、数字调节器、PLCPLC、专用控制器、专用控制器操作站操作站控制站（器）控制站（器）IPCIPC、数字调节器、数字调节器、PLCPLC、专用控制器、专用控制器功能：监控（ 工艺流程显示、表格显示、趋势显示、历史数据查询、报警信息的记录、手自动切换/手动操作、参数设置、其它功能）操作员站：一般操作功能（往往不包括系统中重要参数的设置）工程师站：全部功能可以通过硬件区分（设置不同的计算机系统、设置不同的键盘等等）通过操作人员所拥有 的密码区分，硬件系统完全相同功能：信号的采集、运算（决策）、控制信号的输出、报警处理、网

31、络通信（与其它控制站或者与操作站） 早期早期 逻辑控制为主逻辑控制为主 Programmable Logical Controller Programmable Controller 本义本义 6060年代末期，美国的汽车工业的迅速发展年代末期，美国的汽车工业的迅速发展在在PLCPLC问世以前，问世以前，在顺序控制领域中占有主导地位，但由在顺序控制领域中占有主导地位，但由继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差：继电器构成的控制系统对生产工艺多变化的系统适应性极差： 需要使用大量的继电器需要使用大量的继电器 继电器间通过硬接线相连接继电器间通过硬接线相连接 一旦工艺发生或控制要求变

32、化，需要改变控制柜内继电器系一旦工艺发生或控制要求变化，需要改变控制柜内继电器系 统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统统的硬件结构，甚至需要重新设计新系统 开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统早期的早期的PLCPLC虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序虽然采用了计算机的设计思想，但实际上它只能完成顺序控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能控制，仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能在经历了在经历了3030年的发展，现代年的发展，现代PLCPLC产品已经成为了名符其实的多功能产品已经成为了名符其实的多功能控制器，如逻辑控制、

33、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得控制器，如逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理等功能都得到了很大的加强和完善。到了很大的加强和完善。与此同时，与此同时，PLCPLC的网络通信功能也得到飞速发展，的网络通信功能也得到飞速发展，PLCPLC及及PLCPLC网络成网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。 可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强 功能完善，通用灵活功能完善，通用灵活 编程简单、使用方便编程简单、使用方便 此外，此外，PLCPLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量轻、易于还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、重量

34、轻、易于实现机电一体化等特点，使得实现机电一体化等特点，使得PLCPLC在设计、结构上具有其它许多控制器在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性。所无法相比的优越性。 按地域范围按地域范围 按按I/O点数点数 按结构按结构 一体化一体化模块化模块化通 信 接 口I/O 接 口ROMRAM电池CPU上位机电源AODOAIDI执行器测量仪表其它外设总线连接器电源模块CPU模块通信模块I/O模块DIN导轨模块DIN导轨在我国占有较大市场份额、较有影响的公司和在我国占有较大市场份额、较有影响的公司和PLCPLC有：有：2.OMRON公司公司 80年代初，主要有年代初，主要有C系列系列PLC，

35、如，如C2000、C1000、C500、C20 随后出现随后出现C系列系列P型机，如型机，如C20P，普通型号尾部加字母，普通型号尾部加字母“P” 80年代后期推出年代后期推出H型机，如型机，如C20H、C2000H，尾部加字母，尾部加字母“H” 还有还有SP系列超小型系列超小型PLC，如，如SP20/SP16/SP10，点数小，点数小/价格低价格低/速度极快速度极快/体积小体积小 90年代初期，推出大型机年代初期，推出大型机CV系列和小型机系列和小型机CQM1，前者性能比大型，前者性能比大型H机更高，后者为无机更高，后者为无底板、模块式结构，执行速度比中型机底板、模块式结构，执行速度比中型机

36、C200H还快还快 90年代后期，中型机年代后期，中型机C200H发展到发展到C200HS(96年年)、C200H(97年年)，后者组网能力更强，后者组网能力更强 97年推出来年推出来P型机的升级产品，即型机的升级产品，即CPM1A，体积小、通信功能加强，体积小、通信功能加强 99年推出功能比年推出功能比机更完美的机更完美的CS1系列系列PLC（代表来当今（代表来当今PLC发展动向）发展动向） 与此同时，还有与此同时，还有CPM2A、CPM2C、CPM2AE等小型机等小型机 总之，有总之，有CPM1A，P型机，型机，H型机，型机，CQM1、CV、CV型机，型机，型等型等 大、中、小、微均有，特

37、别在中、小、微方面更具特长大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长 在中国及世界市场，都占有相当的份额。在中国及世界市场，都占有相当的份额。 美国美国GE公司、日本公司、日本FANAC合资的合资的GEFANAC美国美国Modicon 公司公司(被施奈德兼并被施奈德兼并)美国美国AB（AlienBradley）日本三菱公司日本三菱公司日本日立公司日本日立公司日本东芝公司日本东芝公司日本松下公司日本松下公司日本富士公司等都生产日本富士公司等都生产PLC，并有一定的地位。，并有一定的地位。国内国内PLC厂家规模多不大。例如厂家规模多不大。例如无锡华光电子工业有限公司生产的无锡华光电子工业有限

38、公司生产的SR系系列列PLC、和利时公司于和利时公司于2004年推出完全自主生产的小型一体化年推出完全自主生产的小型一体化PLCHOLLiAS-LEC等等等等，一般国产，一般国产PLC在价格上很有优势。相信会在世界在价格上很有优势。相信会在世界PLC之林中一定有其位置的。之林中一定有其位置的。向大型网络化、综合化方向发展向大型网络化、综合化方向发展 向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展向体积小、速度快、功能强、价格低的小型化方向发展 编程器、编程器、 PLC、IPC、OP系统总线CPU主机RAMEPROME2PROM通信接口外设接口PIO接口PLC、IPC、OP编程器、打印机变送器

39、、执行器等现场仪表电源模块CPU模块通信接口模块I/O模块I/O模块智能I/O模块系统总线电源线中央处理单元中央处理单元CPU 存储器存储器 I/O接口接口 智能模块智能模块 接口和扩展接口模块接口和扩展接口模块 电源模块电源模块 编程工具编程工具 基本功能基本功能 通过输入装置读入通过输入装置读入的信号和状态，用户程序根据输的信号和状态，用户程序根据输入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制入信号、状态进行处理，处理结果通过输出装置去控制外设。外设。 外设包括：外设包括：I/O模块、模块、OP、编程器、编程器例如：例如： 早期的早期的TI545串口串口(19.2kbps、38.4kb

40、ps)台湾的台湾的FAMA串口、串口、EtherNetSIEMENS S7 CPU31xMPI(187.5kbps)SIEMENS S7 CPU31x2MPI(187.5kbps) Profibus-DP(12Mbps)其它功能其它功能 网络功能网络功能*PLC常用的存储器主要有常用的存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等几种，等几种，多数都直接集成在多数都直接集成在CPU单元内部。单元内部。 用于存放：用于存放：、和和CRT、键盘过程控制计算机A/DDID/ADO 被控过程（对象）被控变量操作变量I/O模块的主要类型包括模块的主要类型包括：模拟量输入模块模拟量输入模块（AI

41、） 模拟量输出模块模拟量输出模块（AO） 开关量输入模块开关量输入模块（DI） 开关量输出模块开关量输出模块（DO） A/DA/D作用作用：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号：将现场仪表输出的（标准）模拟量信号010mA、420mA、15VDC等等转化为计算机可以处理的数字信号转化为计算机可以处理的数字信号变送器：变送器： 温度变送器温度变送器 压力变送器压力变送器 流量变送器流量变送器 液位变送器液位变送器 成分分析仪成分分析仪传感器：传感器： Pt100 Cu50 热电偶热电偶 现场仪表模拟信号现场仪表模拟信号420mA010mA15VDCmV、模数转换模数转换(A/D、AI)端口端口(地

42、址地址)数 字 信数 字 信号号0409501023CPU数 字 信数 字 信号号0409501023工程化转换工程化转换工程量工程量0100?kPa软件实现软件实现检测仪表检测仪表硬件滤波硬件滤波如：如：RC滤波滤波软件滤波软件滤波如：中值滤波如：中值滤波 软件软件RC滤波滤波 A/D接口变化一个接口变化一个LSB（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量（二进制最低有效位）时输入模拟量的最小变化量 例：例：12位位A/D转换器，输入范围转换器，输入范围010VDC，分辨力，分辨力10/2122.44mV （）实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差实际转换特性曲线与理想转换特性曲

43、线之间的最大偏差 包括偏移误差（包括偏移误差（0输入非输入非0输出）、非线性误差等。输出）、非线性误差等。 线性误差通常以线性误差通常以LSB的分数表示：如的分数表示：如 等等从启动转换到转换结束完成一次从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间转换所需要的时间 模块包含的模块包含的A/D单极性、双极性、信号范围、信号制单极性、双极性、信号范围、信号制 型号通道数 分辨率 转换时间 输入信号范围 PCL816 8(差) 16(单) 16位8.5s 010V、05V、02.5V、01.25V（单）10V、5V、2.5V、1.25V（差） PCL818 8(差) 16(单) 12位8s 0

44、10V、05V、02V、01V（单） 10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差） SM331 7KF010AB084（ ）12位20ms 80mV/10M、250mV、500mV、1V、 2.5V、5V、15V、10V、10 mA /25、 3.2 mA、20mA、020mA、420mA、E、 N、J、K型热电偶、Pt100等 SM331 7KB010AB021（ ）12位20ms 现有一块现有一块2通道的通道的A/D输入转换卡输入转换卡 2台台DDZIII型二线制变送器型二线制变送器 每台变送器对应一个每台变送器对应一个A/D输入通道。输入通道。 A/D卡通道1通道224VDC电源变送器一

45、变送器二D/AD/A作用作用：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号：将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号420mA等等 如：如： 12位数字量（位数字量（04095） 420mA 2047 对应的转换结果：对应的转换结果： 12mA调节阀调节阀变频器变频器执行器控制信号执行器控制信号420mA010mA15VDC010VDC数模转换数模转换(D/A、AO)端口端口(地址地址)数 字 信数 字 信号号0409501023CPU工程量工程量0100软件实现软件实现数 字 信数 字 信号号0409501023工程化反变换工程化反变换二进制变化一个二进制变化一个LS

46、B（最低有效位）时（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量输出模拟量的最小变化量 （）实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差 包括偏移误差（包括偏移误差（0输入非输入非0输出）、非线性误差等。输出）、非线性误差等。 线性误差通常以线性误差通常以LSB的分数表示：如的分数表示：如 等等当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内当输入数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内 （ 0.5x LSB）所经历的时间）所经历的时间 模块包含的模块包含的D/A 电流、电压及输出范围电流、电压及输出范围 型号型号通道数通

47、道数 分辨率分辨率 建立时间建立时间 非线性误差非线性误差输出信号范围输出信号范围 PCL726 612位位70 s 0.5LSB 010V、05V（单）（单） 10V、 5V（差）（差） PCL727 1212位位40 s 1LSB SM3325HD010AB0 412位单位单11位双位双0.8ms 电压：电压： 0.5电流：电流： 0.6 15V、 10V、010V、 20mA、020mA、420mA SM3325HB010AB0212位单位单11位双位双0.8ms 接口接口数据数据总线总线D/A输出信号输出信号1输出信号输出信号nD/A单通路单通路DA输出形式：输出形式： 微处理器和通路

48、之间通过独立的接口缓冲器传送信息微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息 随着大规模集成电路技术的发展，该缺点正在逐步得到克服。随着大规模集成电路技术的发展，该缺点正在逐步得到克服。计计算算机机D/AV/I15V电压输出电压输出420mA电流电流计计算算机机D/A不要求！不要求！DIDI作用作用：将现场过程来的数字量信号（：将现场过程来的数字量信号（“1”/“0”）转换成）转换成PLC内部的内部的Vi直流电压直流电压Vi无源触点无源触点数字量信号类型数字量信号类型：、等等3种类型种类型转换过程转换过程： V+()DI输输入入总线总线信号信号1V+()信号信号2继电器等继电器等DODO作用

49、作用：将：将PLC（CPU）内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平）内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平 驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯、小型电机等各种负载设备驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯、小型电机等各种负载设备。 输出信号类型输出信号类型：晶体管输出晶体管输出（直流直流） 晶闸管输出（晶闸管输出（交流交流） 继电器输出（继电器输出（无源接点无源接点）转换过程转换过程： 现场信号现场信号 电平和格式的转换电平和格式的转换 光电隔离光电隔离 输出缓冲区（映像区）输出缓冲区（映像区） V+()DO输输出出总线总线信号信号1V+()信号信号2继电器等继电器等智能模块智能模块 接口

50、模块接口模块 ：根据应用对象的不同，可选用不同型号和数量的：根据应用对象的不同，可选用不同型号和数量的I/O模块，并把这模块，并把这些模块安装在一个或多个机架上些模块安装在一个或多个机架上：把中央机架和扩展机架连接起来构成一个完整的把中央机架和扩展机架连接起来构成一个完整的PLC系统。系统。ET200MIM153-1ET200MIM361IM360CPUI/O模块模块CR中央机架中央机架ER扩展机架扩展机架本地连接接口模块：连接本地机架本地连接接口模块：连接本地机架扩展连接接口模块：连接扩展机架（分布式扩展连接接口模块：连接扩展机架（分布式I/O站点）站点）分布式分布式I/O站点站点分布式分布

51、式I/O站点站点I/O模块模块PROFIBUS-DP总线总线 电源模块电源模块 ：PLC一般配有开关式稳压电源（一般配有开关式稳压电源（24VDC）供内部电路使用。）供内部电路使用。与普通电源相比：开关电源的输入电压范围宽、稳定性好、体积小，重量与普通电源相比：开关电源的输入电压范围宽、稳定性好、体积小，重量轻，效率高，抗干扰能力强。轻，效率高，抗干扰能力强。编程工具编程工具 ：编制和调试应用程序、设置系统环境、在线监视或修改运编制和调试应用程序、设置系统环境、在线监视或修改运行状态和参数。主要有：行状态和参数。主要有：和和由由PLC生产厂家提供，只能适用于特定生产厂家提供，只能适用于特定PL

52、C的软件编程装置。的软件编程装置。 专用编程器一般有专用编程器一般有 和和 二种二种 一般只能编辑语句表指令程序，不能直接编辑梯形图程序，多用于小型一般只能编辑语句表指令程序，不能直接编辑梯形图程序，多用于小型PLC的编程的编程或者用于或者用于PLC控制系统的现场调试和维修控制系统的现场调试和维修 。本质上是一台便携式专用计算机系统，可以编制多种指令程序，功能强。本质上是一台便携式专用计算机系统，可以编制多种指令程序，功能强。世界上各主要世界上各主要PLC生产厂家都提供了在个人计算机上运行生产厂家都提供了在个人计算机上运行的，借助于相应的通信接口装置，用户可以在个人计算机的，借助于相应的通信接

53、口装置，用户可以在个人计算机上通过专用编程软件进行程序编辑、调试等各种功能，而上通过专用编程软件进行程序编辑、调试等各种功能，而且专用编程软件一般可适用于一系列的且专用编程软件一般可适用于一系列的PLC系统，专用编系统，专用编程软件是多数用户首选的编程装置。程软件是多数用户首选的编程装置。M13M23M13M23KM1SB1KM1KTKM2SB2KT10SKM1SB1SB2KM1KT10SKTKM2PLC(CPM1A)SB200001SB100000COM24VDCKM1KM2COM220VAC0100002000SB200001SB100000COM24VDCKM1KM2COM220VAC0

54、100002000输入继电器线圈输出触点内部继电器触点000000000101000TIM00TIM000100001001内部输出继电器线圈PLC控制程序（梯形图）接收操作指令(启动、停止按钮等)，或被控对象的各种状态信息(由行程开关、接近开关等提供)。PLC的每一个输入点对应一个内部输入继电器，当输入点与输入COM端接通时，输入继电器线圈通电，它的常开触点闭合、常闭触点断开这一部分是用户编制的控制程序，通常用梯形图的形式表示。控制程序放在PLC的用户程序存储器中。系统运行时，PLC依次读取用户程序存储器中的程序语句，对它们的内容进行解释并加以执行，有需要输出的结果则送到PLC的输出端子，以

55、控制外部负载的工作。根据程序执行的结果直接驱动负载。在PLC内部有多个输出继电器，每个输出继电器对应输出端的一个硬触点，当程序执行的结果使输出继电器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制负载的动作。是从继电器控制电路的原理图演变而来的。PLCPLC内部的继电器内部的继电器 并不是实际的硬继电器，每个继电器是PLC内部存储单元的一位，因此称为“软继电器软继电器”。梯形图是由这些“软继电器”组成的控制线路，但它们并不是真正的物理连接，而是逻辑关系上的连接，称为“软接线软接线”。当存储单元的某位状态为1时，相当于某个继电器线圈得电； 当状态为0时，相当于该继电器线圈断电。软继电器的常开触点、常闭触点

56、可以在程序中使用无数多次。PLC为用户提供的继电器一般有：输入继电器、输出继电器、辅助继电器、特殊功能继电器、移位寄存器、定时器、计数器等。其中，输入、输出继电器一般与外部输入、输出设备相连接，而其它继电器与外部设备没有直接联系。CPU从首条指令开始顺序逐条地执行，到用从首条指令开始顺序逐条地执行，到用户程序结束，然后开始新一轮扫描户程序结束，然后开始新一轮扫描： ：PLC扫描周期与扫描周期与PLC的硬件特性和用户程序的硬件特性和用户程序长短有关，典型值一般为几十长短有关，典型值一般为几十ms 复位监视定时器元件状态的清零或复位、检查I/O单元的连接等上电初始化检查存储器、硬件单元正确？Y执行

57、用户程序数据I/O操作置位故障标志、显示故障指示灯性质？N报警错误外设端口服务 故障原因：硬件故障（损坏）、软件故障（死循环）故障原因：硬件故障（损坏）、软件故障（死循环）输入端子现场输入信号输入调理电路输入缓冲器输入映像存储器扫描用户程序A I 0.0A I 0.1输出映像存储器输出缓冲器输出调理电路输出端子受控输出装置输入信号采样输入信号采样扫描用户程序扫描用户程序输出信号更新输出信号更新CSB1SB2SB3C（A）电气控制梯形图电源线（Ladder Diagram，LAD）是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种图形编程语言，沿用了继电是在继电控制系统电气原理图基础上开发出来的一种

58、图形编程语言，沿用了继电器、接点、串并联等术语和类似的图形符号，是多数器、接点、串并联等术语和类似的图形符号，是多数PLC的第一用户语言。的第一用户语言。PLC梯形图的编程元素主要有：梯形图的编程元素主要有： 、 、 等，等， 分别表示分别表示: 常开触点、常闭触点、继电器线圈等常开触点、常闭触点、继电器线圈等 PLC梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列，左起起始母线，右至结束母线。梯形图按从左到右、自上而下的顺序排列，左起起始母线，右至结束母线。 CSB1SB2SB3C（A）电气控制梯形图）电气控制梯形图电源线电源线I0.0Q0.0Q0.0I0.1I0.2并联并联串联串联（B）PLC梯形图梯

59、形图起始母线起始母线结束母线结束母线语句表是一种类似于汇编语言的助语句表是一种类似于汇编语言的助记符编程语言记符编程语言 CSB1SB2SB3C（A）电气控制梯形图）电气控制梯形图电源线电源线I0.0Q0.0Q0.0I0.1I0.2并联并联串联串联（B）PLC梯形图梯形图起始母线起始母线结束母线结束母线A(OI0.0OQ0.0)ANI0.1ANI0.2=Q0.00000000005010000100310点IO6入，4出00000000011010000100720点IO12入，8出000000001100100001050100001007011000110330点IO18入，12出0020

60、000211012000120720点扩展IO12入，8出0030000311013000130700400004110140001407000000001100100001110100001007011000110740点IO24入，16出002000021101200012070030000311013000130700400004110140001407返回返回S7-300 PLC的硬件构成的硬件构成 ：总线连接总线连接器器电源模块电源模块CPU模块模块通信模块通信模块I/O模块模块DIN导轨导轨模块模块DIN导轨导轨SIMATIC S7-300有多种性能级别的有多种性能级别的CPU：C