第一章 可编程序控制器概述

2023/2/6第一章可编程控制器概述1PLC控制技术

沈阳化工大学信息工程学院主讲：宗学军Email：syuct_auto@126.comPS：est13012023/2/6第一章可编程控制器概述2可编程序控制器(ProgrammableLogicalController——PLC)－当代工业自动化支柱之一2023/2/6第一章可编程控制器概述32023/2/6第一章可编程控制器概述42023/2/6第一章可编程控制器概述52023/2/6第一章可编程控制器概述62023/2/6第一章可编程控制器概述72023/2/6第一章可编程控制器概述82023/2/6第一章可编程控制器概述92023/2/6第一章可编程控制器概述102023/2/6第一章可编程控制器概述112023/2/6第一章可编程控制器概述12简单速度控制(简易的同步操作)M工作台截刀CLR輸出功能OFFMY0Y2脈沖串輸出正转

/反转信号PLSV50000Y0Y2可改变速度脉冲指令M8140伺服放大器伺服放大器2023/2/6第一章可编程控制器概述13综合自动化系统组成ERP企业资源计划系统MES制造执行系统PCS生产控制系统故障诊断

现场控制系统（DCS,PLC,FCS）综合集成软件平台关系数据库实时监控软件平台实时数据库销售管理工艺计算特定先控软件模糊控制过程动态检测软测量计划排产优化调度质量监控成本管理数据校正实时优化人力资源财务管理库存管理企业信息集成设计建模软件预测函数控制设备管理工业电视监测2023/2/6第一章可编程控制器概述14

*计算机控制系统概述计算机控制系统组成计算机控制系统分类

计算机控制装置种类

2023/2/6第一章可编程控制器概述15概述

计算机控制技术及工程应用--是把计算机技术与自动化控制系统融为一体的一门综合性学科，是以计算机为核心部件的过程控制系统和运动控制系统。从计算机应用的角度出发，自动化控制工程是其重要的一个应用领域；而从自动化控制工程来看，计算机技术又是一个主要的实现手段。下图为一个制药车间的自动化生产流程。

2023/2/6第一章可编程控制器概述16控制系统概念计算机控制系统是由常规仪表控制系统演变而来的;常规仪表组成的自动控制系统根据不同的控制要求，一般分成闭环控制(图1-1a所示)与开环控制(图1-1b所示)两种结构形式;计算机控制系统原理组成—用控制计算机代替图1-1的控制器，如图1-2所示；2023/2/6第一章可编程控制器概述17（1）闭环控制系统

闭环控制系统--闭环控制系统中，测量变送器对被控对象进行检测，把被控量如温度、压力等物理量转换成电信号再反馈到控制器中，控制器将此测量值与给定值进行比较形成偏差输入，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，执行器产生的操纵变量使被控对象的被控量跟踪趋近给定值，从而实现自动控制稳定生产的目的。这种信号传递形成了闭合回路，所以称此为按偏差进行控制的闭环反馈控制系统。euqy控制器执行器被控对象测量变送器偏差给定值控制作用操纵变量被控量测量值r+_zf干扰图1-1(a)闭环控制系统2023/2/6第一章可编程控制器概述18（2）开环控制系统

开环控制系统--不同于闭环系统，它不需要被控对象的测量反馈信号，控制器直接根据给定值驱动执行器去控制被控对象，所以这种信号的传递是单方向的。环控制系统不能自动消除被控量与给定值之间的偏差，其控制性能不如闭环系统。

uqy控制器执行器被控对象给定值控制作用操纵变量被控量r(b)开环控制系统2023/2/6第一章可编程控制器概述19（3）计算机闭环控制系统原理组成

计算机闭环控制系统的原理组成--是把图1-1中的控制器用控制计算机即微型计算机及A/D（模/数）转换接口与D/A（数/模）转换接口代替，由于计算机采用的是数字信号传递，而一次仪表多采用模拟信号传递，因此需要有A/D转换器将模拟量转换为数字量作为其输入信号，以及D/A转换器将数字量转换为模拟量作为其输出信号。

图1-2计算机控制系统原理图

2023/2/6第一章可编程控制器概述20（4）计算机控制系统的监控过程步骤a.实时数据采集--对来自测量变送器的被控量的瞬时值进行采集和输入；b.实时数据处理--对采集到的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策；

c.实时输出控制--根据控制决策，适时地对执行器发出控制信号，完成监控任务；

2023/2/6第一章可编程控制器概述21控制系统分类

数据采集系统（DAS）操作指导控制系统(OGC)直接数字控制系统（DDC）监督计算机控制系统(SCC）分散控制系统（DCS）现场总线控制系统（FCS）2023/2/6第一章可编程控制器概述22数据采集系统（DAS）

数据采集系统(DataAcquisitionSystem)--是计算机应用于生产过程控制最早、也是最基本的一种类型，如图1-5所示。生产过程中被控对象的大量参数经测量变送仪表发送和A/D通道或DI通道巡回采集后送入计算机，由计算机对这些数据进行分析和处理，并按操作要求进行屏幕显示、制表打印和越限报警。

2023/2/6第一章可编程控制器概述23操作指导控制系统(OGC)

操作指导控制系统--是基于数据采集系统的一种开环结构，如图1-6所示。计算机根据采集到的数据以及工艺要求进行最优化计算，计算出的最优操作条件，并不直接输出控制被控对象，而是显示或打印出来，操作人员据此去改变各个控制器的给定值或操作执行器，以达到操作指导的作用。它相当于模拟仪表控制系统的手动与半自动工作状态。OGC系统的优点是结构简单，控制灵活和安全。缺点是要由人工操作，速度受到限制，不能同时控制多个回路。

2023/2/6第一章可编程控制器概述24操作指导控制系统(OGC)2023/2/6第一章可编程控制器概述25直接数字控制系统（DDC）

DDC系统--是用一台计算机不仅完成对多个被控参数的数据采集，而且能按一定的控制规律进行实时决策，并通过过程输出通道发出控制信号，实现对生产过程的闭环控制，为了操作方便，DDC系统还配置一个包括给定、显示、报警等功能的操作控制台。DDC系统中的一台计算机不仅完全取代了多个模拟调节器，而且在各个回路的控制方案上，不改变硬件只通过改变程序就能有效地实现各种各样的复杂控制。2023/2/6第一章可编程控制器概述26计算机生产过程显示打印机报警操作台）ID，D/A（入输程过）ODA/D（出输程过图1-7直接数字控制系统，直接数字控制系统（DDC）2023/2/6第一章可编程控制器概述27监督计算机控制系统（SCC）

监督计算机控制系统即SCC--是OGC系统与常规仪表控制系统或与DDC系统综合而成的两级系统，如图1-8所示。显然，这属于计算机在线最优控制的一种形式。当上位机出现故障时，可由下位机独立完成控制。下位机直接参与生产过程控制，要求其实时性好，可靠性高和抗干扰能力强；而上位机承担高级控制与管理任务，应配置数据处理能力强，存储容量大的高档计算机。2023/2/6第一章可编程控制器概述282023/2/6第一章可编程控制器概述29分散控制系统（DCS）

分散控制系统--是以微处理器为基础，借助于计算机网络对生产过程进行集中管理和分散控制的先进计算机控制系统。由于早期开发的分散控制系统在体系结构上具有分散式系统的特征，因此国外将该类系统取名为分散控制系统，国内也有人将其称为集散型控制系统，或者是分布式控制系统。分散控制系统简称为DCS。DCS采用分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调的设计原则。2023/2/6第一章可编程控制器概述30操作站控制站（器）…………IPC、数字调节器、PLC、专用控制器……管理层计算机……操作站控制站（器）…………IPC、数字调节器、PLC、专用控制器……2023/2/6第一章可编程控制器概述31操作站控制站（器）…………IPC、数字调节器、PLC、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、网络通信（与其它控制站或者与操作站）……系统的设计硬件设计和实现★软件设计和实现2023/2/6第一章可编程控制器概述32DCS工程实例一：2023/2/6第一章可编程控制器概述332023/2/6第一章可编程控制器概述34DCS工程实例二：2023/2/6第一章可编程控制器概述352023/2/6第一章可编程控制器概述362023/2/6第一章可编程控制器概述372023/2/6第一章可编程控制器概述382023/2/6第一章可编程控制器概述392023/2/6第一章可编程控制器概述402023/2/6第一章可编程控制器概述41现场总线控制系统（FCS）

现场总线控制系统即FCS--是新一代分布式控制结构。该系统改进了DCS成本高和由于各厂商的产品通信标准不统一而造成的不能互联等弱点，采用集管理控制功能于一身的工作站与现场总线智能仪表的二层结构模式，把原DCS控制站的功能分散到智能型现场仪表中去，形成一个彻底的分散控制模式。每个现场仪表(例如变送器、执行器)都作为一个智能节点，都带CPU单元，可分别独立完成测量、校正、调节、诊断等功能，靠网络协议把它们连接在一起统筹工作。2023/2/6第一章可编程控制器概述42控制装置种类

可编程控制器可编程调节器总线式工控机单片微型计算机其他控制装置2023/2/6第一章可编程控制器概述43第1章可编程控制器概述可编程序控制器的历史可编程序控制器的特点与应用领域可编程序控制器的发展趋势可编程序控制器的分类PLC的性能指标PLC的主要功能2023/2/6第一章可编程控制器概述44可编程序控制器简称ProgrammableController—PCPersonalComputer—PCProgrammableLogicController—PLC2023/2/6第一章可编程控制器概述45产生继电器控制

用弱电信号控制强电信号。故障查找与排除非常困难、改造工期长、费用高。GM首先提出【可编程序控制器】设想编程简单，可在现场修改程序；维护方便，采用插件式结构；可靠性高于继电器控制柜；体积小于继电器控制柜；成本可与继电器控制柜竞争；可将数据直接送入计算机；可直接使用115V交流输入电压；输出采用115V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载；通用性强，扩展方便；能存储程序，存储器容量可以扩展到4KB.

1969年DEC研制出世界上第一台可编程序控制器可编程控制器的历史2023/2/6第一章可编程控制器概述46继电器控制2023/2/6第一章可编程控制器概述47

可编程控制器的使用

可编程控制器：代替可靠性低、功能不灵活、响应速度慢的继电器控制电路。可编程控制器的发展方向：高速、大容量、多功能的大型可编程控制器；低成本的微型可编程控制器。2023/2/6第一章可编程控制器概述48可编程序控制器的历史（续）发展性能提高：4位机→8位机→16位机→32位机；逻辑运算计时，计数等顺序控制，均属开关量控制+；

支持图形编程；数据处理；各种功能控制模块；联网通信功能。主要生产商大中型：A-B、GE、Siemens

中小型：OMRON,Mitsubushi2023/2/6第一章可编程控制器概述49可编程序控制器的历史（续）定义1985年1月，国际电工委员会（IEC）定义：

可编程序控制器是：一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，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设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。2023/2/6第一章可编程控制器概述50可编程序控制器的特点可编程序控制器的特点与应用领域无触电免配线，可靠性高，抗干扰能力强通用性强，控制程序可变，使用方便硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强编程简单，容易掌握系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维护方便体积小，能耗低.2023/2/6第一章可编程控制器概述51可编程序控制器的应用领域可编程序控制器的特点与应用领域开关量逻辑控制自动生产线、机床电气控制、冲压机械、铸造机械、运输带、包装机、飞剪等控制运动控制金属切削机床、金属成形机械、装配机器人、电梯等。闭环过程控制温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。数据处理数学运算、数据传输、转换、排序、查表、位操作。通信联网PLC与远程I/O、PLC之间、PL与其它智能控制器之间。2023/2/6第一章可编程控制器概述52按控制规模（1）微型机：几十点（2）小型机：500点以下（3）中型机：500~1000点（4）大型机：1000点以上（5）超大型机：10000点按结构（1）整体式：（2）模块式：可编程序控制器的分类2023/2/6第一章可编程控制器概述53整体式2023/2/6第一章可编程控制器概述54模块式2023/2/6第一章可编程控制器概述55可编程序控制器的发展趋势可编程逻辑控制器

早期逻辑控制为主ProgrammableLogicalController——PLC可编程序控制器

(可编程控制器)ProgrammableController——PC本义

现代PLC绝不意味着只有逻辑控制的功能，它是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等一系列的优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，使PLC广泛应用于各种工业领域。2023/2/6第一章可编程控制器概述56高性能、高速度、大容量发展可编程序控制器的发展趋势多CPU结构高性能、高稳定性(32、64位机)增加智能控制功能支持组态设计大力发展微型PLC,不断增强微型PLC的功能掌上PLC高性能支持多种编程方式2023/2/6第一章可编程控制器概述57PLC编程语言标准化可编程序控制器的发展趋势IEC1131-3(IEC1994年5月公布)顺序功能图（SFC）梯形图功能块图指令表结构文本2023/2/6第一章可编程控制器概述58PLC与其它工业控制器产品相互融合可编程序控制器的发展趋势与个人计算机PC集散控制系统DCS计算机数控CNC2023/2/6第一章可编程控制器概述59可编程序控制器的发展趋势大力开发智能I/O模块模拟量I/O、高速计数输入、中断输入、机械运动控制、热电偶输入、条形码阅读器、多路BCD输入/输出、模糊控制器、PID回路控制、通信模块2023/2/6第一章可编程控制器概述60PLC与现场总线相结合可编程序控制器的发展趋势基金会现场总线（FoundationFieldbus）ProfiBus(过程现场总线)LonWorks（局域操作网络）CAN（控制器局域网络）HART（可寻址远程变送器数据通路协议）协议2023/2/6第一章可编程控制器概述61传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统2023/2/6第一章可编程控制器概述62基于现场总线的现场级与车间级自动化系统2023/2/6第一章可编程控制器概述63增强通信联网能力2023/2/6第一章可编程控制器概述64五、PLC的主要功能开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2023/2/6第一章可编程控制器概述65模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。五、PLC的主要功能2023/2/6第一章可编程控制器概述66运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般使