自动化仪表装置-自动化仪表装置-自动化仪表装置-7PLC-1课件

管理层网络远程节点Web服务器现场控制层操作站OS控制管理层工程师站ES网络冗余7、可编程序控制器监控：流程、报表、趋势、查询、报警、A/M、组态设置……；操作员站：一般操作功能(往往不包括重要参数的设置)；工程师站：全部功能。【通过硬件区分，通过权限区分】信号采集运算（决策）控制输出报警处理网络通信…………学习要点：

了解内部基本工作原理

了解系统与现场仪表的信号连接

了解系统内部的功能实现（程序开发）

初步了解系统的集成管理层网络远程节点Web服务器现场控制层操作站控制管理层工程7.1可编程序控制器概述可编程逻辑控制器

早期

功能简单、以逻辑控制为主

ProgrammableLogicalController——可编程序控制器

(可编程控制器)ProgrammableController——PC本义

PLC功能强大，已成为工业过程不可或缺的一类控制器7.1可编程序控制器概述可编程逻辑控制器早期功能简单、以7.1.1PLC的产生原动力——60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展在PLC问世以前，继电器控制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工艺变化的适应性极差初衷——开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统美国DEC于1969年根据通用公司的要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用。在经历了几十年的发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。继电器？固态继电器？光电耦合器？7.1.1PLC的产生原动力——60年代末期，美国的汽车工7.1.2PLC的特点上述特点使PLC系统在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性，使PLC广泛应用于各种工业领域。可靠性高、适应恶劣工业环境的能力功能完善(控制功能、网络功能)，通用灵活编程简单、使用维护方便PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、易于实现机电一体化等特点7.1.2PLC的特点上述特点使PLC系统在设计、结构7.1.3PLC的分类按地域范围美国流派欧洲流派日本流派

欧美流派（亚洲流派，包括台湾、韩国、大陆等，技术上更接近）按结构一体化模块化其它外设单元通信接口输入

接口CPU存储器输出

接口电源检测仪表执行器电源模块CPU模块通信模块I/O模块DIN导轨模块DIN导轨7.1.3PLC的分类按地域范围美国流派欧美流派（亚洲流7.1.3PLC的分类按点数>1024点

大型PLC256-1024点

中型PLC<256点

小型PLC

微型PLC

嵌入式PLC

软PLC(PC_BasedPLC)

大型PLC：欧美系占据绝对优势，模块化中型PLC：欧美系占据优势，日系也占据一定市场份额，模块化小型PLC：日系占据优势，欧美系也占据一定市场，如SIEMENSS7-200，这也是国产PLC争夺的领地，一体化，或小型模块化嵌入式PLC：基于嵌入式PLC芯片组，通过设计相应的PLC外围电路和嵌入式驱动程序，开发满足特定通信协议的PLC内核，实现一个具有特定功能的PLC系统软PLC：基于IPC等硬件平台，全部用软件来实现传统PLC的功能，预期的功能更强大。不过性能强大的优势并不一定产生切实的市场吸引力——对绝大部分用户而言，PLC的性能以及进步已经足够满足需求，没有足够的动力切换到另外一个产品领域。目前还是概念火热，市场慢热7.1.3PLC的分类按点数>1024点 大型PLC大主要的PLC生产厂商：SIEMENS、OMRON、Mitsubishi、Rockwell、ABB、Fuji、Schneider、GE-Fanuc、Emerson、Panasonic……Delta（台达）、Hollysys（和利时）台湾永宏、无锡信捷、厦门海为、合信自动化……SIEMENS公司

80年代S5系列PLC（更早还有S3系列PLC）

90年代S7系列PLC，主要有

S7－200系列：小型PLC S7－300系列：中型PLC S7－400系列：大型PLC√二者的编程语言、使用方式基本相同主要的PLC生产厂商：SIEMENS公司√二者的编程语言OMRON公司

80年代初 主要有C系列PLC，如C2000、C500、C20……

随后出现C系列P型机，如C20P……[普通型号尾部加“P”]80年代后 H型机，如C20H、C2000H……，尾部加字母“H” SP系列超小型PLC，如SP20……，点少/价低/速度极快

90年代初 推出大型机CV系列和小型机CQM1，前者性能比大型H机更高， 后者为无底板、模块式结构，速度比中型机C200H还快

97年 推出P型机升级产品，即CPM1A，体积小、通信功能加强

99年 推出功能更完美的CS1系列PLC2005年

推出战略性小型机CP1H（之前几乎没有更新换代产品）……OMRON公司7.1.4PLC的应用场合据统计（摘自中国计量测控网2010-2011年PLC市场行情综述报告），项目型终端用户选择使用PLC的主要控制目的主要包括：过程控制、机械控制、运动控制、批次控制、故障诊断等。冶金行业是应用PLC最多的项目型市场，以大、中型PLC为主汽车行业主要对各生产线的工位进行控制，对PLC的应用数量多，但控制点数一般不高电力行业本身自动化水平很高，对PLC的应用规模基数很大，大中型PLC系统的应用比较广泛化工行业也是一个持续而稳定的市场PLC作为典型控制产品，在纺织机械、塑料机械、印刷机械、食品机械、包装机械、起重机械、机床和化工机械等诸多领域被广泛应用。7.1.4PLC的应用场合据统计（摘自中国计量测控网201PLC的应用场合——嘉兴市贯径港水厂该水厂一期和二期工程日供水能力达30万吨，应用计算机控制系统（PLC系统）实现了从取水、水处理（生物预处理、沉淀、氧化接触、过滤等）、供水等生产过程的自动化控制PLC的应用场合——嘉兴市贯径港水厂该水厂一期和二期工程日供7.2PLC基本工作原理PLC的产品很多，不同型号、不同厂家的PLC在结构特征上各不相同，但绝大多数PLC的工作原理都基本相同。既然最初PLC的产生是为了取代继电器控制，以下就以一个继电器控制电路为实例，来认识“PLC控制的原理”。7.2PLC基本工作原理PLC的产品很M13~M23~KM1KM2Q要求：有一个启动按钮(无自锁)，有一个停止按钮(无自锁)，按动启动按钮，电机M1运转，过10s，电机M2运转按动停止按钮，电机M1、M2同时停止。设计：继电器控制回路。小按钮控制接触器(Contactor，常开触点/常闭触点联动，多触点（多相）联动，控制大容量、大电流设备，如电机等)自锁按钮容易因按钮故障（过流、接地等）导致接触器断不开M1M2KM1KM2Q要求：有一个启动按钮(无自锁)，有一个M13~M23~KM1KM2Q要求：有一个无自锁启动按钮、一个无自锁停止按钮，按动启动按钮，电机M1运转，过10s钟电机M2运转，按动停止按钮，电机M1、M2同时停止。设计：继电器控制回路。KM1B1KM1KTKM2B2KT10SM1M2KM1KM2Q要求：有一个无自锁启动按钮、一个无自锁B1B2

220VAC24VDC24VDC220VAC380VAC……小按钮通过接触器/小型继电器，控制大容量、大电流设备B1B2

220VAC24VDC小按钮通过接触器KM1B1B2KM1KT10SKTKM2PLC(S7－300)B2I0.1B1I0.0COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC接线原理图KM1B1B2KM1KT10SKTKM2B2I0.1B1I0KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC控制等效电路图输入继电器线圈输出触点内部继电器触点内部输出继电器线圈PLC控制程序（梯形图）输入部分输出部分控制部分B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()PLC内部没有物理线圈和物理触点，都是虚拟的！！KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC控制等KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1输入继电器线圈输出触点B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()KM1B1B2KM1KT10SKTKM2PLC(S7－300)B2I0.1B1I0.0COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC控制程序和继电器控制图很相似！！KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1输入继电器线SIEMENSOMRONKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()I:0.00I:0.01Q:100.00Q:100.00Q:100.01Q:100.00T1TIM1#100B2I:0.01B1I:0.00COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ:100.0Q:100.1有什么区别？不同PLC的控制程序也很相似！！SIEMENSOMRONKM1KM2～COM220VACQ0PLC控制等效电路图输入部分输出部分控制部分接收操作指令(启动、停止按钮等)，PLC的每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。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。PLC控制等效电路图输入部分输出部分控制部分接收操作指令(启7.2.1PLC基本组成一体化PLC组成的原理框图系统总线CPURAMEPROME2PROM通信接口外设接口IO接口PLC、IPC、OP……编程器、打印机……变送器、执行器等现场仪表PLC控制系统7.2.1PLC基本组成一体化PLC组成的原理框图系统总线电源模块CPU模块通信接口模块I/O模块I/O模块智能I/O模块……系统总线电源线模块化PLC结构示意图编程器、

PLC、IPC、OP……电源CPU通信接口模块I/OI/O智能I/O……系统总线电源中央处理单元CPU

存储器I/O接口模拟量输入模块模拟量输出模块开关量输入模块开关量输出模块

智能模块接口和扩展接口模块电源模块编程工具专用编程器专用编程软件中央处理单元CPU存储器I/O接口模拟量输入模块7.2.1.1中央处理单元CPU——PLC的核心基本性能——

？？？？

速度网络功能：串口(RS232、RS485等)、EtherNet、(标准)总线存储器容量IO的扩展能力TI系列——串口(19.2kbps、38.4kbps)FAMA——串口、EtherNetS7300PLC——MPI(187.5kbps)/Profibus-DP(≤12Mbps)/EtherNetCPU性能应与系统规模相匹配。网络功能……存储器容量：几十KB～几MB（典型值）7.2.1.1中央处理单元CPU——PLC的核心基本性能7.2.1.2存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等【多数直接集成】

用于存放：系统程序、用户程序和工作数据系统程序：指PLC的操作系统，用户不能直接访问或修改，一般存储在只读存储器ROM、PROM或EPROM。用户程序：指用户根据系统功能编制的应用程序，在正式投运之前多存放于RAM中；调试完毕，可将其转存于EPROM或E2PROM中。工作数据：指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值……，这部分数据一般存放在RAM之中。

PLC存储器的配置形式基本相同，但存储器容量随PLC规模有较大差别

7.2.1.2存储器主要有PROM、EPROM、E2PRO7.2.1.3I/O接口I/O模块的主要类型包括：模拟量输入模块（AI） 模拟量输出模块（AO） 开关量输入模块（DI） 开关量输出模块（DO）外设过程控制计算机AI/DI输入子系统}{被控过程（对象）被控变量操作变量…………AO/DO输出子系统7.2.1.3I/O接口I/O模块的主要类型包括：模拟量输模拟量输入模块(A/D、AI)将现场仪表输出的(标准)模拟量信号转化为计算机可以处理的数字信号.变送器：

温度压力流量液位成份传感器：热电阻热电偶

……模拟信号4～20mA0～10mA1～5VDCmV、Ω……模数转换(AI)端口(地址)数字信号0～40950～1023……存储器数字信号0～40950～1023……工程化转换工程量0～100℃0～400KPa……软件实现检测仪表硬件滤波如：RC滤波软件滤波，如：中值滤波、软件RC滤波，……模拟量输入模块(A/D、AI)将现场仪表输出的(标准)模拟量多路转换器输入信号1……输入信号2输入信号n前置放大采用保持内外补偿A/D组成：一般由多路转换、前置放大器、采样保持器、ADC等组成ADC光电隔离数据驱动锁存数据总线控制总线A/D转换通常有：控制单元逐次比较型、双积分型、VF型、∑-Δ转换多路输入信号1……输入信号2输入信号n前置放大A/D组成：一A/D的主要指标：A/D转换器的四种类型（芯片级）：逐次比较型双积分型U/F型Σ-Δ(调制)型快但抗干扰性能较差，分辨率（位数）不高，μs稳定性好，精度高，抗干扰能力强，转换速度不高，几十ms抗干扰能力强，信号易于远传，转换速度不高(不低于前者)精度高（16～24位），噪声抑制能力更强，相对较馒（ms级，比双积分型略快），已成为一种流行的技术利用反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声，积分器即为环路滤波器分辨率（分辨力、量化误差、转换精度）转换速率线性度温度的影响……A/D的主要指标：A/D转换器的四种类型（芯片级）：逐次比逐次比较型逐次比较型逐次比较型A/D转换原理Step1：≥

＜

Step2：≥

＜

Step3：≥

＜

依此类推……

有多少位比较多少次，速度可想而知逐次比较型A/D转换原理Step1：≥＜

Step2：≥示例：0～4VDC输入，4位逐次比较型A／D转换器，输入2.6VDC，求转换结果。Ui

>UcUc=2VUi

<

UcUc=2VUi

>UcUc=2.5VUi<

Uc2V10010V4V3V2.5V2.75V2.5~2.75V本质类似猜数字游戏，例如要猜0-1023之中的一个数，只要猜10次肯定有结果

示例：0～4VDC输入，4位逐次比较型A／D转换器，输入2ADC0809—8位逐次比较、8路AI输入A/D转换；输入电压0～＋5V

每通道约100μsEOC：转换结束标志，0—转换中，1—转换结束OE：输出允许，高电平时可以从三态门取数据芯片内部电路芯片管脚参考ADC0809—8位逐次比较、8路AI输入A/D转换；输入电AD574A—12/8位逐次比较、1路AI输入A/D转换(只能1路)

输入电压0～10V，±5V，0～20V，±10V转换时间约25μs参考AD574A—12/8位逐次比较、1路AI输入A/D转换(只高电平：输出12位低电平：输出8位片选，低电平有效转换位数控制，高电平8位，低电平12位芯片允许，高电平有效（需和CS同时有效）读、转控制，高电平“读”，低电平启动“转”参考高电平：输出12位片选，低电平有效转换位数控制，高电平8位，双积分型双积分型双积分型A/D转换器原理

双积分型A/D转换器原理

双积分型A/D转换器原理

T′

T

0

双积分型A/D转换器原理

T′

T

0

参考MC14433— 3½位、双积分式A/D转换器，相当于二进制11位

模拟量输入量程：1.999V和199.9mV两档

转换速度1~10次，与5G14433可互换（国产）ICL7135—4½位—1.9999V—相当于二进制14位VR—基准电压，当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际应用电路中，根据需要，VR值可在200mV~2.000V之间选取。Vx—被测电压的输入端R1/C1，C1—外接积分元件端DS4、DS3、DS2、DS1—多路选通脉冲输出端。DS1、2、3和4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号Q3、Q2、Q1、Q0—当某一位DS信号有效(高电平)时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出(BCD码)，可以直接连接LED当DS1=1时，除了千位0、1之外，其它还包含过/欠量程等含义万用表上常用参考MC14433— 3½位、双积分式A/D转换器，相当于V/F型V/F型V/F型转换器V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性、电路简单、外围元件性能要求不高，转换速度不低于一般的双积分型A/D器件，价格低，因此V/F转换技术广泛用于非快速、既要求数据长距离传输又要求精确度较高的场合。（1）电源电压：＋15V（2）输入电压范围：0～10V（3）输出频率：10Hz～11KHz（4）非线性失真：±0.03%LM331V/F型转换器V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，输入信号滤波CL、RL

充放电用于内部R-S触发器置位如此反复循环构成自激振荡Ct、Rt

充放电用于内部R-S触发器复位RS

用于基准调节输出频率与Vin对应可以通过计数方式解决如1s内有多少个脉冲+5V参考输入信号滤波CL、RL充放电用于内部R-S触发器置位如此反一般模式隔离模式（干扰比较大）串行传输模式（图为RS-422驱动和接收器）光纤传输模式无线传输模式一般模式隔离模式（干扰比较大）串行传输模式（图为RS-422∑-Δ转换∑-Δ转换★★∑-Δ型转换器★★输入信号X1与反馈信号X5反相求和，得到误差信号X2并进入积分器积分，输出的信号X3输入至比较器进行量化，得到由0和1组成的数字序列X4．由反馈理论可知，X4对应于X1平均值。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。Σ-Δ调制器包含:1个差分放大器——Δ1个积分器——Σ1个量化比较器1个1bitDAC（可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。★★∑-Δ型转换器★★输入信号X1与反馈信号X5反(1)初始时刻：

1

0001000

1

011101101011000101101(1)初始时刻：

1

0001000

1101010101010101010···0001000100010001···1110111011101110···101010101010101010···000100010转换器的分辨率主要取决于内部“电子器件”量化误差的限制，所以容易实现高分辨率。基于∑－△原理的转换芯片很多，如AD7715是16位模数转换器，AD7714是24位模数转换器与逐次比较型和双积分比较，∑－△转换，精度高（16～24位），对环境噪声的抑制能力更强（实际上是实现了噪声的整形），转换速度几至几十ms，一般用于低频信号的高精度模数转换，对于工业过程控制中温度、压力等信号，转换速率已经足够了。这类芯片在数字仪表中常用。转换器的分辨率主要取决于内部“电子器件”量化误差的限制，所以A/D模块的主要性能指标分辨力、分辨率转换时间(从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间)信号的隔离输入信号类型（单极性、双极性、信号范围、信号制）目前，多为万能输入模块，一般允许输入各种类型电信号A/D模块的主要性能指标分辨力、分辨率转换时间(从启动转换到输入信号类型型号通道数分辨率转换时间输入信号范围PCL－8168(差)16(单)16位8.5s0~10V、0~5V、0~2.5V、0~1.25V（单）10V、5V、2.5V、1.25V（差）PCL－8188(差)16(单)12位8s0~10V、0~5V、0~2V、0~1V（单）10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差）SM3317KF01－0AB084()12位20ms80mV/10M、250mV、500mV、1V、2.5V、5V、1~5V、10V、10mA、3.2mA、20mA、0~20mA、4~20mA、E、N、J、K型热电偶、Pt100等······SM3317KB01－0AB021()）12位20ms输入信号类型型号通道数分辨率转换时间输入信号范围PC最常见的现场问题（5月6日作业）现有一块多通道的A/D输入转换卡，一台24VDC电源，多台III型二线制变送器（集中供电），每台变送器对应一个A/D输入通道。A/D卡通道1通道2＋＋－－24VDC电源＋－变送器一＋－变送器二＋－①

若A/D接口允许4～20mA标准电流输入，如何连接？②

若A/D接口允许0～5VDC标准电压输入，如何连接？③

回路中须加接显示仪表，如何连接？④

若实际负载超过变送器的额定负载能力，应如何处理？⑤

若A/D接口各输入通道的“－”端共地，连接时应注意什么？⑥

若变送器输出“－”端现场接地，连接时应注意什么？最常见的现场问题（5月6日作业）现有一块多通道的A/D输入转（2）模拟量输出模块（D/A、AO）将计算机内部数字信号转化为现场仪表可接收的4~20mA等标准信号调节阀变频器……执行器控制信号4～20mA0～10mA1～5VDC0～10VDC……数模转换(D/A)端口(地址)数字信号0～40950～1023……存储器工程量0～100％……软件实现工程化反变换数字信号0～40950～1023……（2）模拟量输出模块（D/A、AO）将计算机内部数字信号转化D/A模块的主要性能指标分辨力――二进制变化一个LSB（最低有效位）时D/A输出模拟量的最小变化量（通常分辨率以输入二进制数地位数来表示：10位、12位D/A转换器）建立时间――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（0.5xLSB）所经历的时间输出信号类型――电流、电压及输出范围D/A模块的主要性能指标分辨力――二进制变化一个LSB（最低信号输出类型型号通道数分辨率建立时间非线性误差输出信号范围PCL－726612位＜70s0.5LSB0~10V、0~5V（单）10V、5V（差）PCL－7271212位＜40s1LSBSM3325HD01－0AB0412位单11位双＜0.8ms电压：0.5％电流：0.6％1~5V、10V、0～10V、20mA、0~20mA、4~20mASM3325HB01－0AB0212位单11位双＜0.8ms信号输出类型型号通道数分辨率建立时间非线性误差输出信号思考题无扰动切换是什么含义？计算机控制是否有手自动跟踪？计算机D/A请分析下图电路的原理，这部分电路是否具备手动跟踪自动的功能？

思考题无扰动切换是什么含义？计D/A请分析下图电路的原理，这模出信号的连接（5月6日作业）若D/A输出卡输出为1～3VDC电压，而负载要求为4～20mA电流，请结合DDZ-III型调节器输出电路设计一个V/I转换电路。

计算机D/AV/I1~3V电压输出4~20mA电流模出信号的连接（5月6日作业）若D/A输出卡输出为1～3V(3)开关量输入模块(DI)将现场过程来的（“1”/“0”）转换成计算机内部的二进制标准电平Vi直流电压Vi无源触点数字量信号类型：直流电压*、交流电压*、无源接点3种类型转换过程：

现场信号电平和格式的转换光电隔离和滤波输入缓冲区(3)开关量输入模块(DI)将现场过程来的（“1”/“0”）直流电压输入DI+KR2R1CRDWD+5V滤波数据锁存器数据总线TC和R2构成了输入滤波电路，滤除高频干扰KR2R1CRD+5V滤波数据锁存器数据总线T电容C为隔直电流，对交流信号相当于短路交流电压输入DI直流电压输入DI+KR2R1CRDWD+5V滤数数据TC和R输入信号类型：现场仪表的输出类型有NPN和PNP之分需要注意的现场问题NPN集电极开路输出型（漏型）PNP电流输出型（源型）NPN:

24V+与输出信号构成高低电平

PNP:

输出信号与0V构成高低电平+24V++24V+24V－NPN是漏型，动作时，输出端输出0v；不动作时，没有电压

PNP是源型，动作时，输出端输出电源；不动作时，没有电压欧美PLC一般多为P型，日本等亚洲版产品一般采用N型型输入信号类型：现场仪表的输出类型有NPN和PNP之分需要注意如何利用一块24V直流开关量输入模块，接收多种不同类型的开关量输入信号（12VAC、5VDC、15VAC……）

最常见的现场问题如何利用一块24V直流开关量输入模块，接收多种不同类型的开关(4)开关量输出模块(DO)将CPU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。输出信号类型： 晶体管输出（直流）

晶闸管输出（交流）

继电器输出（无源接点）转换过程：

现场信号电平和格式的转换光电隔离输出缓冲区(映像区)(4)开关量输出模块(DO)将CPU内部信号电平转换成过程所晶体管输出DO数据锁存器D1数据总线负载TD2D3T1R1R2R324VDCD1是输出指示二极管，D2是负载续流二极管，D3是保护二极管⒈输出为“1”时，D1点亮，T导通，T1饱和导通，负载电源接通；⒉输出为“0”时，D1指示灯灭，T、T1均截止，负载电源断开晶体管输出DO数D1数据总线负载TD2D3T1R1R2R32晶闸管输出DO数据锁存器数据总线DTR1R2C负载ACD1输出指示二极管，R2C阻容吸收电路，T双向光控晶闸管(可控硅)1.输出为“1”时，D1点亮，T导通，外接负载交流电源可以双向导通；2.输出为“0”时，D1指示灯灭，T截止，负载电源断开。晶闸管输出DO数数据总线DTR1R2C负载ACD1输出指示二继电器输出DO数据锁存器数据总线D1R1J负载ACDC继电器输出DO数数据总线D1R1J负载ACDC三者简单比较:输出类型速度安全性寿命晶体管输出晶闸管输出继电器输出最快快最慢————机械隔离，好长比较长相对较短继电器输出安全和灵活，但晶体管输出加上外接继电器更常用。三者简单比较:输出类型速度安全性寿命晶体管输出晶闸管输出继电需要注意的现场问题(晶体管输出－－两种输出类型）内部电路LLCOMOUT内部电路LLCOMOUTNPNPNP成组，通常8点为一组输出需要注意的现场问题(晶体管输出－－两种输出类型）内部LLCO若模块是PNP的，仪表是NPN的，怎么办？最常见的现场问题（5月6日作业）+24V－NPN仪表PNP端口如何在同一块开关量输出模块上产生多种不同类型的开关量输出信号（直流电压、交流电压、无源触点）。DO输出总线Ch0Chn若模块是PNP的，仪表是NPN的，怎么办？最常见的现场问题（NextSectionNextSection管理层网络远程节点Web服务器现场控制层操作站OS控制管理层工程师站ES网络冗余7、可编程序控制器监控：流程、报表、趋势、查询、报警、A/M、组态设置……；操作员站：一般操作功能(往往不包括重要参数的设置)；工程师站：全部功能。【通过硬件区分，通过权限区分】信号采集运算（决策）控制输出报警处理网络通信…………学习要点：

了解内部基本工作原理

了解系统与现场仪表的信号连接

了解系统内部的功能实现（程序开发）

初步了解系统的集成管理层网络远程节点Web服务器现场控制层操作站控制管理层工程7.1可编程序控制器概述可编程逻辑控制器

早期

功能简单、以逻辑控制为主

ProgrammableLogicalController——可编程序控制器

(可编程控制器)ProgrammableController——PC本义

PLC功能强大，已成为工业过程不可或缺的一类控制器7.1可编程序控制器概述可编程逻辑控制器早期功能简单、以7.1.1PLC的产生原动力——60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展在PLC问世以前，继电器控制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工艺变化的适应性极差初衷——开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统美国DEC于1969年根据通用公司的要求，研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在的汽车生产线上获得成功应用。在经历了几十年的发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。继电器？固态继电器？光电耦合器？7.1.1PLC的产生原动力——60年代末期，美国的汽车工7.1.2PLC的特点上述特点使PLC系统在设计、结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性，使PLC广泛应用于各种工业领域。可靠性高、适应恶劣工业环境的能力功能完善(控制功能、网络功能)，通用灵活编程简单、使用维护方便PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、易于实现机电一体化等特点7.1.2PLC的特点上述特点使PLC系统在设计、结构7.1.3PLC的分类按地域范围美国流派欧洲流派日本流派

欧美流派（亚洲流派，包括台湾、韩国、大陆等，技术上更接近）按结构一体化模块化其它外设单元通信接口输入

接口CPU存储器输出

接口电源检测仪表执行器电源模块CPU模块通信模块I/O模块DIN导轨模块DIN导轨7.1.3PLC的分类按地域范围美国流派欧美流派（亚洲流7.1.3PLC的分类按点数>1024点

大型PLC256-1024点

中型PLC<256点

小型PLC

微型PLC

嵌入式PLC

软PLC(PC_BasedPLC)

大型PLC：欧美系占据绝对优势，模块化中型PLC：欧美系占据优势，日系也占据一定市场份额，模块化小型PLC：日系占据优势，欧美系也占据一定市场，如SIEMENSS7-200，这也是国产PLC争夺的领地，一体化，或小型模块化嵌入式PLC：基于嵌入式PLC芯片组，通过设计相应的PLC外围电路和嵌入式驱动程序，开发满足特定通信协议的PLC内核，实现一个具有特定功能的PLC系统软PLC：基于IPC等硬件平台，全部用软件来实现传统PLC的功能，预期的功能更强大。不过性能强大的优势并不一定产生切实的市场吸引力——对绝大部分用户而言，PLC的性能以及进步已经足够满足需求，没有足够的动力切换到另外一个产品领域。目前还是概念火热，市场慢热7.1.3PLC的分类按点数>1024点 大型PLC大主要的PLC生产厂商：SIEMENS、OMRON、Mitsubishi、Rockwell、ABB、Fuji、Schneider、GE-Fanuc、Emerson、Panasonic……Delta（台达）、Hollysys（和利时）台湾永宏、无锡信捷、厦门海为、合信自动化……SIEMENS公司

80年代S5系列PLC（更早还有S3系列PLC）

90年代S7系列PLC，主要有

S7－200系列：小型PLC S7－300系列：中型PLC S7－400系列：大型PLC√二者的编程语言、使用方式基本相同主要的PLC生产厂商：SIEMENS公司√二者的编程语言OMRON公司

80年代初 主要有C系列PLC，如C2000、C500、C20……

随后出现C系列P型机，如C20P……[普通型号尾部加“P”]80年代后 H型机，如C20H、C2000H……，尾部加字母“H” SP系列超小型PLC，如SP20……，点少/价低/速度极快

90年代初 推出大型机CV系列和小型机CQM1，前者性能比大型H机更高， 后者为无底板、模块式结构，速度比中型机C200H还快

97年 推出P型机升级产品，即CPM1A，体积小、通信功能加强

99年 推出功能更完美的CS1系列PLC2005年

推出战略性小型机CP1H（之前几乎没有更新换代产品）……OMRON公司7.1.4PLC的应用场合据统计（摘自中国计量测控网2010-2011年PLC市场行情综述报告），项目型终端用户选择使用PLC的主要控制目的主要包括：过程控制、机械控制、运动控制、批次控制、故障诊断等。冶金行业是应用PLC最多的项目型市场，以大、中型PLC为主汽车行业主要对各生产线的工位进行控制，对PLC的应用数量多，但控制点数一般不高电力行业本身自动化水平很高，对PLC的应用规模基数很大，大中型PLC系统的应用比较广泛化工行业也是一个持续而稳定的市场PLC作为典型控制产品，在纺织机械、塑料机械、印刷机械、食品机械、包装机械、起重机械、机床和化工机械等诸多领域被广泛应用。7.1.4PLC的应用场合据统计（摘自中国计量测控网201PLC的应用场合——嘉兴市贯径港水厂该水厂一期和二期工程日供水能力达30万吨，应用计算机控制系统（PLC系统）实现了从取水、水处理（生物预处理、沉淀、氧化接触、过滤等）、供水等生产过程的自动化控制PLC的应用场合——嘉兴市贯径港水厂该水厂一期和二期工程日供7.2PLC基本工作原理PLC的产品很多，不同型号、不同厂家的PLC在结构特征上各不相同，但绝大多数PLC的工作原理都基本相同。既然最初PLC的产生是为了取代继电器控制，以下就以一个继电器控制电路为实例，来认识“PLC控制的原理”。7.2PLC基本工作原理PLC的产品很M13~M23~KM1KM2Q要求：有一个启动按钮(无自锁)，有一个停止按钮(无自锁)，按动启动按钮，电机M1运转，过10s，电机M2运转按动停止按钮，电机M1、M2同时停止。设计：继电器控制回路。小按钮控制接触器(Contactor，常开触点/常闭触点联动，多触点（多相）联动，控制大容量、大电流设备，如电机等)自锁按钮容易因按钮故障（过流、接地等）导致接触器断不开M1M2KM1KM2Q要求：有一个启动按钮(无自锁)，有一个M13~M23~KM1KM2Q要求：有一个无自锁启动按钮、一个无自锁停止按钮，按动启动按钮，电机M1运转，过10s钟电机M2运转，按动停止按钮，电机M1、M2同时停止。设计：继电器控制回路。KM1B1KM1KTKM2B2KT10SM1M2KM1KM2Q要求：有一个无自锁启动按钮、一个无自锁B1B2

220VAC24VDC24VDC220VAC380VAC……小按钮通过接触器/小型继电器，控制大容量、大电流设备B1B2

220VAC24VDC小按钮通过接触器KM1B1B2KM1KT10SKTKM2PLC(S7－300)B2I0.1B1I0.0COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC接线原理图KM1B1B2KM1KT10SKTKM2B2I0.1B1I0KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC控制等效电路图输入继电器线圈输出触点内部继电器触点内部输出继电器线圈PLC控制程序（梯形图）输入部分输出部分控制部分B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()PLC内部没有物理线圈和物理触点，都是虚拟的！！KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC控制等KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1输入继电器线圈输出触点B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()KM1B1B2KM1KT10SKTKM2PLC(S7－300)B2I0.1B1I0.0COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1PLC控制程序和继电器控制图很相似！！KM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1输入继电器线SIEMENSOMRONKM1KM2～COM220VACQ0.0Q0.1B2I0.1B1I0.0COM24VDCI0.0I0.1Q0.0Q0.0Q0.1()(SS)T1S5T#10S(R)T1Q0.0Q0.0T1()I:0.00I:0.01Q:100.00Q:100.00Q:100.01Q:100.00T1TIM1#100B2I:0.01B1I:0.00COM24VDCKM1KM2～COM220VACQ:100.0Q:100.1有什么区别？不同PLC的控制程序也很相似！！SIEMENSOMRONKM1KM2～COM220VACQ0PLC控制等效电路图输入部分输出部分控制部分接收操作指令(启动、停止按钮等)，PLC的每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。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。PLC控制等效电路图输入部分输出部分控制部分接收操作指令(启7.2.1PLC基本组成一体化PLC组成的原理框图系统总线CPURAMEPROME2PROM通信接口外设接口IO接口PLC、IPC、OP……编程器、打印机……变送器、执行器等现场仪表PLC控制系统7.2.1PLC基本组成一体化PLC组成的原理框图系统总线电源模块CPU模块通信接口模块I/O模块I/O模块智能I/O模块……系统总线电源线模块化PLC结构示意图编程器、

PLC、IPC、OP……电源CPU通信接口模块I/OI/O智能I/O……系统总线电源中央处理单元CPU

存储器I/O接口模拟量输入模块模拟量输出模块开关量输入模块开关量输出模块

智能模块接口和扩展接口模块电源模块编程工具专用编程器专用编程软件中央处理单元CPU存储器I/O接口模拟量输入模块7.2.1.1中央处理单元CPU——PLC的核心基本性能——

？？？？

速度网络功能：串口(RS232、RS485等)、EtherNet、(标准)总线存储器容量IO的扩展能力TI系列——串口(19.2kbps、38.4kbps)FAMA——串口、EtherNetS7300PLC——MPI(187.5kbps)/Profibus-DP(≤12Mbps)/EtherNetCPU性能应与系统规模相匹配。网络功能……存储器容量：几十KB～几MB（典型值）7.2.1.1中央处理单元CPU——PLC的核心基本性能7.2.1.2存储器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等【多数直接集成】

用于存放：系统程序、用户程序和工作数据系统程序：指PLC的操作系统，用户不能直接访问或修改，一般存储在只读存储器ROM、PROM或EPROM。用户程序：指用户根据系统功能编制的应用程序，在正式投运之前多存放于RAM中；调试完毕，可将其转存于EPROM或E2PROM中。工作数据：指PLC在工作过程中经常变化、需要经常存取的数据，如：参数测量结果、运算结果、设定值……，这部分数据一般存放在RAM之中。

PLC存储器的配置形式基本相同，但存储器容量随PLC规模有较大差别

7.2.1.2存储器主要有PROM、EPROM、E2PRO7.2.1.3I/O接口I/O模块的主要类型包括：模拟量输入模块（AI） 模拟量输出模块（AO） 开关量输入模块（DI） 开关量输出模块（DO）外设过程控制计算机AI/DI输入子系统}{被控过程（对象）被控变量操作变量…………AO/DO输出子系统7.2.1.3I/O接口I/O模块的主要类型包括：模拟量输模拟量输入模块(A/D、AI)将现场仪表输出的(标准)模拟量信号转化为计算机可以处理的数字信号.变送器：

温度压力流量液位成份传感器：热电阻热电偶

……模拟信号4～20mA0～10mA1～5VDCmV、Ω……模数转换(AI)端口(地址)数字信号0～40950～1023……存储器数字信号0～40950～1023……工程化转换工程量0～100℃0～400KPa……软件实现检测仪表硬件滤波如：RC滤波软件滤波，如：中值滤波、软件RC滤波，……模拟量输入模块(A/D、AI)将现场仪表输出的(标准)模拟量多路转换器输入信号1……输入信号2输入信号n前置放大采用保持内外补偿A/D组成：一般由多路转换、前置放大器、采样保持器、ADC等组成ADC光电隔离数据驱动锁存数据总线控制总线A/D转换通常有：控制单元逐次比较型、双积分型、VF型、∑-Δ转换多路输入信号1……输入信号2输入信号n前置放大A/D组成：一A/D的主要指标：A/D转换器的四种类型（芯片级）：逐次比较型双积分型U/F型Σ-Δ(调制)型快但抗干扰性能较差，分辨率（位数）不高，μs稳定性好，精度高，抗干扰能力强，转换速度不高，几十ms抗干扰能力强，信号易于远传，转换速度不高(不低于前者)精度高（16～24位），噪声抑制能力更强，相对较馒（ms级，比双积分型略快），已成为一种流行的技术利用反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声，积分器即为环路滤波器分辨率（分辨力、量化误差、转换精度）转换速率线性度温度的影响……A/D的主要指标：A/D转换器的四种类型（芯片级）：逐次比逐次比较型逐次比较型逐次比较型A/D转换原理Step1：≥

＜

Step2：≥

＜

Step3：≥

＜

依此类推……

有多少位比较多少次，速度可想而知逐次比较型A/D转换原理Step1：≥＜

Step2：≥示例：0～4VDC输入，4位逐次比较型A／D转换器，输入2.6VDC，求转换结果。Ui

>UcUc=2VUi

<

UcUc=2VUi

>UcUc=2.5VUi<

Uc2V10010V4V3V2.5V2.75V2.5~2.75V本质类似猜数字游戏，例如要猜0-1023之中的一个数，只要猜10次肯定有结果

示例：0～4VDC输入，4位逐次比较型A／D转换器，输入2ADC0809—8位逐次比较、8路AI输入A/D转换；输入电压0～＋5V

每通道约100μsEOC：转换结束标志，0—转换中，1—转换结束OE：输出允许，高电平时可以从三态门取数据芯片内部电路芯片管脚参考ADC0809—8位逐次比较、8路AI输入A/D转换；输入电AD574A—12/8位逐次比较、1路AI输入A/D转换(只能1路)

输入电压0～10V，±5V，0～20V，±10V转换时间约25μs参考AD574A—12/8位逐次比较、1路AI输入A/D转换(只高电平：输出12位低电平：输出8位片选，低电平有效转换位数控制，高电平8位，低电平12位芯片允许，高电平有效（需和CS同时有效）读、转控制，高电平“读”，低电平启动“转”参考高电平：输出12位片选，低电平有效转换位数控制，高电平8位，双积分型双积分型双积分型A/D转换器原理

双积分型A/D转换器原理

双积分型A/D转换器原理

T′

T

0

双积分型A/D转换器原理

T′

T

0

参考MC14433— 3½位、双积分式A/D转换器，相当于二进制11位

模拟量输入量程：1.999V和199.9mV两档

转换速度1~10次，与5G14433可互换（国产）ICL7135—4½位—1.9999V—相当于二进制14位VR—基准电压，当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际应用电路中，根据需要，VR值可在200mV~2.000V之间选取。Vx—被测电压的输入端R1/C1，C1—外接积分元件端DS4、DS3、DS2、DS1—多路选通脉冲输出端。DS1、2、3和4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号Q3、Q2、Q1、Q0—当某一位DS信号有效(高电平)时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出(BCD码)，可以直接连接LED当DS1=1时，除了千位0、1之外，其它还包含过/欠量程等含义万用表上常用参考MC14433— 3½位、双积分式A/D转换器，相当于V/F型V/F型V/F型转换器V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性、电路简单、外围元件性能要求不高，转换速度不低于一般的双积分型A/D器件，价格低，因此V/F转换技术广泛用于非快速、既要求数据长距离传输又要求精确度较高的场合。（1）电源电压：＋15V（2）输入电压范围：0～10V（3）输出频率：10Hz～11KHz（4）非线性失真：±0.03%LM331V/F型转换器V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，输入信号滤波CL、RL

充放电用于内部R-S触发器置位如此反复循环构成自激振荡Ct、Rt

充放电用于内部R-S触发器复位RS

用于基准调节输出频率与Vin对应可以通过计数方式解决如1s内有多少个脉冲+5V参考输入信号滤波CL、RL充放电用于内部R-S触发器置位如此反一般模式隔离模式（干扰比较大）串行传输模式（图为RS-422驱动和接收器）光纤传输模式无线传输模式一般模式隔离模式（干扰比较大）串行传输模式（图为RS-422∑-Δ转换∑-Δ转换★★∑-Δ型转换器★★输入信号X1与反馈信号X5反相求和，得到误差信号X2并进入积分器积分，输出的信号X3输入至比较器进行量化，得到由0和1组成的数字序列X4．由反馈理论可知，X4对应于X1平均值。反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。Σ-Δ调制器包含:1个差分放大器——Δ1个积分器——Σ1个量化比较器1个1bitDAC（可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。★★∑-Δ型转换器★★输入信号X1与反馈信号X5反(1)初始时刻：

1

0001000

1

011101101011000101101(1)初始时刻：

1

0001000

1101010101010101010···0001000100010001···1110111011101110···101010101010101010···000100010转换器的分辨率主要取决于内部“电子器件”量化误差的限制，所以容易实现高分辨率。基于∑－△原理的转换芯片很多，如AD7715是16位模数转换器，AD7714是24位模数转换器与逐次比较型和双积分比较，∑－△转换，精度高（16～24位），对环境噪声的抑制能力更强（实际上是实现了噪声的整形），转换速度几至几十ms，一般用于低频信号的高精度模数转换，对于工业过程控制中温度、压力等信号，转换速率已经足够了。这类芯片在数字仪表中常用。转换器的分辨率主要取决于内部“电子器件”量化误差的限制，所以A/D模块的主要性能指标分辨力、分辨率转换时间(从启动转换到转换结束完成一次A/D转换所需要的时间)信号的隔离输入信号类型（单极性、双极性、信号范围、信号制）目前，多为万能输入模块，一般允许输入各种类型电信号A/D模块的主要性能指标分辨力、分辨率转换时间(从启动转换到输入信号类型型号通道数分辨率转换时间输入信号范围PCL－8168(差)16(单)16位8.5s0~10V、0~5V、0~2.5V、0~1.25V（单）10V、5V、2.5V、1.25V（差）PCL－8188(差)16(单)12位8s0~10V、0~5V、0~2V、0~1V（单）10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差）SM3317KF01－0AB084()12位20ms80mV/10M、250mV、500mV、1V、2.5V、5V、1~5V、10V、10mA、3.2mA、20mA、0~20mA、4~20mA、E、N、J、K型热电偶、Pt100等······SM3317KB01－0AB021()）12位20ms输入信号类型型号通道数分辨率转换时间输入信号范围PC最常见的现场问题（5月6日作业）现有一块多通道的A/D输入转换卡，一台24VDC电源，多台III型二线制变送器（集中供电），每台变送器对应一个A/D输入通道。A/D卡通道1通道2＋＋－－24VDC电源＋－变送器一＋－变送器二＋－①

若A/D接口允许4～20mA标准电流输入，如何连接？②

若A/D接口允许0～5VDC标准电压输入，如何连接？③

回路中须加接显示仪表，如何连接？④

若实际负载超过变送器的额定负载能力，应如何处理？⑤

若A/D接口各输入通道的“－”端共地，连接时应注意什么？⑥

若变送器输出“－”端现场接地，连接时应注意什么？最常见的现场问题（5月6日作业）现有一块多通道的A/D输入转（2）模拟量输出模块（D/A、AO）将计算机内部数字信号转化为现场仪表可接收的4~20mA等标准信号调节阀变频器……执行器控制信号4～20mA0～10mA1～5VDC0～10VDC……数模转换(D/A)端口(地址)数字信号0～40950～1023……存储器工程量0～100％……软件实现工程化反变换数字信号0～40950～1023……（2）模拟量输出模块（D/A、AO）将计