现代控制技术及其应用

现代控制技术及其应用第一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用可编程序控制器（PLC）是应用最广的工业控制装置，是自动控制系统的关键设备。这次讲座，我们以问答的形式，向大家介绍现代PLC控制技术及其应用的概况。1、PC与PLC分别是什么英语单词的缩写？在控制领域，习惯上将个人计算机（PersonalComputer）简称为PC，将ProgrammableController（可编程序控制器）或ProgrammableLogicController（可编程序逻辑控制器）简称为PLC。2、什么是PLC？PLC自从1969年诞生后，一直在飞速发展中，很长时间后才有了一个比较明确的定义。1987年，国际电工委员会（IEC）对PLC作出的定义如下：第二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种机械和生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”定义强调了PLC直接应用于工业环境。定义强调了PLC是“数字运算操作的电子系统”，即计算机。定义强调了PLC是用软件方式来实现“可编程”的。第三页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第四页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第五页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第六页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用3、PLC可以用于哪些场合？PLC广泛用于采矿、轻工、化工、机械、冶金、电力、医疗电子、建材等所有的工业部门，现在已经扩展到商业、农业、民用、娱乐、交通、智能建筑等领域。例如：各种自动生产线、金属切削机床、金属成型机械、装配机械、机器人、矿井提升机和电梯、起重机械、混凝土搅拌站、恒压供水、自动信号灯、自动售货机、医疗电子器械、塑料挤压成形机、热处理炉、加热炉、锅炉、舞台灯光等等。4、PLC由哪几部分组成？它们分别有什么作用？（1）CPU模块

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片、单片机、DSP等）和存储器组成。在PLC控制系统中（图1-1），CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。第七页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用（2）输入模块输入（Input）模块和输出（Output）模块简称I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。开关量输入模块用来接收和采集从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来采集各种变送器和热电偶、热电阻提供的连续变化的模拟量输入信号。第八页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用（3）输出模块

PLC通过开关量输出模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器，PLC控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置。模拟量输出模块用来将PLC内的数字转换为成比例的电流或电压。CPU模块的工作电压一般是5V，而PLC的输入/输出信号的电压一般较高，例如直流24V和交流220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在I/O模块中，用光电耦合器、光控晶闸管、小型继电器等器件来隔离外部输入电路和负载，I/O模块除了传递信号之外，还有电平转换与隔离的作用。第九页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用（4）编程器与编程软件编程器用来生成、编辑和检查用户程序，并用来监视用户程序的执行情况。手持编程器不能直接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。现在的发展趋势是用编程软件取代手持编程器，使用编程软件可以在计算机屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表程序，有的可以使用其他编程语言，并且可以实现不同编程语言之间的转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上载到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，还可以实现远程编程。第十页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用5、PLC的工作原理及特点？（1）PLC的工作原理PLC在运行（RUN）模式时，反复不停地重复执行图1-2所示的5个阶段的任务。在停止（STOP）模式时，只执行上面两个阶段的任务。在内部处理阶段，PLC完成硬件自检和将监控定时器（WatchdogTimer）复位等内部工作。在通信服务阶段，PLC处理与计算机、编程器以及别的智能装置的通信。PLC这种循环执行任务的工作方式称为循环扫描工作方式。第十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用在PLC的存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别称为输入映像寄存器和输出映像寄存器（图1-3）。PLC梯形图中其他编程元件也有对应的映像存储区，它们统称为元件映像寄存器。第十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用在输入处理阶段，PLC一次性集中地读入所有外部输入电路的接通/断开状态，并用二进制数的形式将它们存入输入映像寄存器。PLC的用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中顺序排列。在没有跳转指令时，CPU从第一条指令开始，逐条顺序地执行用户程序，直到用户程序结束。执行指令时，从元件映像寄存器中将有关编程元件的0、1状态读出来，并根据指令的要求执行相应的逻辑运算，最后的运算结果写入到线圈或输出类指令对应的元件映像寄存器中。在输出处理阶段，CPU一次性集中地将输出映像寄存器的0、1状态传送到输出模块。PLC这种输入、输出方式称为批量输入与批量输出。第十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用（2）PLC的特点①高可靠性。工业现场的电磁干扰，电源波动，机械振动，温度和湿度的变化等，都可以使一般的通用微机不能正常工作，而PLC则不然。②结构简单，应用灵活。PLC采用模块化积木式结构。③编程方便，易于使用。初学者不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电工和工艺知识的人员都可在短时间内学会。④功能完善。PLC具有逻辑运算、算术运算、特殊函数运算；具有PID闭环回路控制、中断控制、矩阵运算等常用控制；具有高速计数、电子凸轮（步进）控制、伺服电机定位、多轴运动插补控制等扩展控制；还具有组成多种工业网络等功能。第十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用6、PLC与工业控制计算机各有什么特点？控制用的个人计算机（PC）称为工业控制计算机，简称为工控机（IPC）。工控机是在个人计算机的基础上发展起来的，采用总线式结构，硬件的兼容性较强。IPC有各种各样的输入/输出卡供用户选用，有很强的高速浮点数运算、图象处理、通信和人机交互等功能，容易实现管理控制网络的一体化。在环境良好的控制室和要求不高的情况下，可以用市售的普通PC代替工控机。目前已有多家厂商推出了在PC上运行的可以实现PLC功能的软件包，将人机接口、软逻辑控制和Internet功能集成到一起，实现了所谓的“软PLC”功能。第十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用从发展的历史看，PLC是由继电器逻辑控制发展而来的，所以它在开关量处理、顺序控制等方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于开关量顺序控制。虽然功能不断增强，但是主要的应用领域还是以顺序控制为主的开关量逻辑控制。PLC的体积小巧紧凑，硬件和操作系统的可靠性总体上比工控机高。工控机来源于个人计算机，主要用于过程控制，或作控制系统中的上位机和人机接口。在高端应用方面，很难区分PLC和工业PC之间的差异，因为两者均采用同样的微处理器和内存芯片。PLC与PC控制相比，具有以下优点：（1）对低端应用，PLC具有极大的性能价格比优势。工控机的价格较高，将它用于小型开关量控制系统以第十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用取代继电器控制，无论是在体积和价格上都很难接受，可靠性也远不如PLC。（2）PLC的可靠性无可比拟，故障停机时间最少。基于WindowsNT/2000/XP操作系统的IPC控制系统，在实时任务处理、长期稳定运行、抗病毒和恶意攻击等方面还存在较多的问题。IPC控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同。（3）PLC是专为工厂现场应用环境设计的，结构上采取整体密封或插件组合型，对印刷电路板、电源、机架、插座的制造和安装，均采取了严密的措施。工控机的外部I/O接线一般都采用多芯扁平电缆和插头、插座从印刷电路板上引出，不如PLC的接线端子那样方便可靠。第十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用（4）PLC使用专门为工业控制设计的各种编程语言，这些语言简单易学。工控机如果用VB、VC等语言来编程，需要花更多的学习时间，编程的效率也没有PLC高。如果使用Windows操作系统，其稳定性远不如PLC，时间控制的精度也较差。工控机可以用组态软件来编程，但是每套软件只能用于一个控制系统，需要的软件费用较高。（5）与PC机发展太快相比，PLC产品可以长期供货，并提供长期的技术支持。（6）PLC有庞大的有经验的设计人员、维护人员和技术支持系统。为了发挥工控机和PLC各自的优点，可以用工控机作上位机和系统的人机接口，用PLC作直接控制现场设备的下位机，它们之间通过通信交换信息。第十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用7、单片机与PLC相比有什么特点？单片机将CPU、并行输入/输出接口、定时器/计数器、存储器和通信接口集成在一个芯片中，最便宜的8位单片机芯片售价仅为几元钱，其功能强、响应速度快、性能价格比极高。但是除了单片机芯片外，单片机用于控制还需要附加的芯片和电路元件，需要设计硬件电路图和印刷电路板。单片机一般用汇编语言或C语言编程，编程时需要了解单片机内部的硬件结构。将单片机用于工业控制，对开发人员的硬件设计水平和软件设计水平的要求都很高。此外，用单片机设计测控产品需要采用大量的硬件、软件方面的抗干扰措施，才能保证长期稳定可靠的运行。有的专业公司开发的单片机产品的可靠性都很难达到PLC的水平。第十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用由于上述原因，使用单片机的专用测控装置都由专业厂家来开发，现在很少有最终用户自己开发单件或小批量的单片机测控装置。8、PLC控制与继电器控制有什么区别？PLC与继电器均可以用于开关量逻辑控制。PLC的梯形图与继电器电路图都是用线圈和触点来表示逻辑关系，多数厂家甚至将梯形图中的编程元件称为继电器，例如输入继电器、输出继电器等。继电器控制系统的控制功能是用硬件继电器（或称物理继电器）和硬件接线实现的，PLC的控制功能主要是用软件（即程序）实现的。PLC采用了计算机技术，具有顺序控制、定时、计数、运动控制、数据处理、闭环控制和通信联网等功能，比继电器控制系统的功能强大得多。第二十页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用继电器系统的可靠性差，诊断与排除复杂的继电器系统的故障非常困难。梯形图程序中的输出继电器等是一种“软继电器”，它们的功能是用软件实现的，因此没有硬件继电器那样的触点易于接触不良的缺点。PLC的可靠性高，故障率极低，并且很容易诊断和排除故障。继电器的控制功能被固定在线路中，其功能单一，不易修改，灵活性差。PLC的控制方式灵活，有很强的柔性，仅需修改梯形图就可以改变控制功能。至今还没有一套通用的容易掌握的继电器电路设计方法，设计复杂的继电器电路既困难又费时，设计出的电路也很难阅读和理解。PLC有大量用软件实现的辅助继电器、定时器和计数器等编程元件供梯形图的设计者使用。用先进的顺序控制设计法（顺序功能图）第二十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用来设计梯形图，比设计相同功能的继电器电路图花费的时间要少得多。继电器系统要在硬件安装、接线全部完成后才能进行调试，发现问题后修改电路花的时间也很多。PLC控制系统的开关柜制作、现场施工和梯形图设计可以同时进行，梯形图可以在实验室模拟调试，发现问题后修改起来非常方便。9、什么是DCS？它与PLC有什么关系？分布式控制系统（DistributedControlSystem）简称为DCS，在我国习惯上称之为集散控制系统，主要用于石油、化工、电力、冶金等流程工业的过程控制。它是用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的控制系统，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口第二十二页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用技术相互发展、互相渗透而产生的，它吸收了分散的仪表控制和集中式计算机控制的优点，是在它们的基础上发展起来的一门技术。集散控制系统由集中管理部分、分散控制监控部分和通信部分组成。集中管理部分分为工程师站、操作员站和管理计算机。工程师站主要用于编程组态和维护，操作员站用来监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制监控部分按功能可以分为控制站、监测站或现场控制站。通信部分主要由数据通道和各个站的通信模块组成，它连接系统的各个分布部分，完成数据、指令及其他信息的传递，一般具有自诊断功能和冗余功能，可以实现高可靠性的数据通信。集散控制系统用组态软件来生成满足用户要求的应用程序。第二十三页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用集散控制系统是由回路仪表系统发展而来，它在回路调节、模拟量控制方面具有一定的优势，发展初期主要侧重于回路调节功能。随着PLC的数值运算、PID闭环调节功能和通信功能的发展，PLC本身也可以构成网络系统，组成分级控制，实现集散控制系统的功能。集散控制系统也加强了开关量顺序控制功能，使用梯形图语言。因此PLC与集散控制系统在发展过程中互相渗透、互为补充。就自动化控制系统的发展趋势来看，全分布式计算机控制系统必然会得到迅速的发展，它将综合PLC和集散控制系统各自的优势，并把二者有机地结合起来，形成一种新型的全分布式计算机控制系统。第二十四页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用西门子公司的SIMATICPCS是在PLC的基础上开发的新型集散控制系统，该系统集电气控制、过程控制和系统管理于一身，把批量控制、连续控制、高速逻辑控制、高级运算以及管理集成于一体。组成网络时，该公司的PLC可以作系统中的下位机。ROCKWELL公司推出的ControlLogix和ProcessLogix本身是PLC，又可以通过ControlNet网组成大规模的功能强大的DCS系统。总的来说，基于DCS的控制系统比基于PLC的控制系统价格要高。以过程控制为主的系统，特别是在化工行业，DCS还是具有很大的优越性。但也应该看到一个趋势，即PLC在过程控制中的功能越来越强大，两种技术常常融合在一起，并没有严格的区分。第二十五页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用10、什么是现场总线？它与PLC有什么关系？IEC（国际电工委员会）对现场总线（Fieldbus）的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线”。因此，现场总线（Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0~10mA或4~20mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表，它不需要框架、机柜，可以直接安装在现场导轨槽上。现场总线I/O的接线极为简单，只需一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。使用现场总线第二十六页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约三分之二左右，现场总线I/O与PLC可以组成廉价的DCS系统。现场总线控制系统将DCS的控制站功能分散给现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能。使用现场总线后，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备进行参数调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点。PLC与现场总线相结合，可以组成价格便宜、功能强大的分布式控制系统。PLC与现场总线是密不可分的，有的现场总线就是由主要的PLC生产厂商开发出来的，例如西门子的PROFIBUS和AS-I，Rockwell自动化公司的ControlNet第二十七页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用和DeviceNet等。主流厂商的PLC都可以接入各种主要的现场总线网络。11、网络控制有什么特点？网络控制系统（或称集散控制系统）用于较大型的生产线或整个工厂的自动化控制。一般是一台PLC控制一台设备，通过数据通信总线，上位计算机对系统进行集中管理，PLC与PLC之间也可以互相通信。网络控制一方面可以使整个生产线、整个车间甚至全厂形成一个统一的整体，有利于生产管理和工艺的优化，提高全厂的管理水平和经济效益。另一方面可以使危险分散，某些设备出现故障时，可以尽量减少受影响的范围，不会造成整个系统瘫痪。这种系统在维护、调试、扩大系统规模等方面都比较灵活。第二十八页，共三十五页，编辑于2023年，星期日第二十九页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用12、多级网络控制系统有什么特点？大型自动化控制系统一般采用三级网络结构（俗称金字塔结构）。最高层（工厂管理级）为工业以太网，第二层（车间监控级）一般是PLC厂家提供的通信网络或现场总线，例如西门子的Profibus、Rockwell的ControlNet、三菱的CC-Link和欧姆龙的ControllerLink等。底层（现场设备层）是现场总线，例如Profibus、DeviceNet和AS-I（执行器传感器接口）等。（1）现场设备层的主要功能是连接现场设备，例如分布式I/O、传感器、驱动器、执行机构和开关设备等，实现对现场设备的控制和设备间的连锁。主站（PLC、PC或其他控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备的生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。第三十页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用（2）车间监控层用来完成车间主生产设备之间的连接，例如车间内各条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级设备监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有生产统计、生产调度等车间级生产管理功能。车间级设备监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。这一级数据的传输速度不是最重要的，但是应能传输较大容量的信息。（3）工厂管理层一般采用符合IEC802.3的TCP/IP通信协议标准的以太网。以太网在个人计算机网络（例如办公自动化）中早已得到了广泛的使用，这主要得益于它的技术成熟和硬件便宜。以太网的传输速率不断提高，已完全可以满足控制系统对通信的实时性的第三十一页，共三十五页，编辑于2023年，星期日现代PLC控制技术及其应用要求。在没有任何标准化组织支持的情况下，以太网在工业自动化和过程控制中的使用迅速增长，现在的大型控制系统几乎毫无例外地用以太网作最上层的网络，各主要厂商的PLC都可以和以太网直接连接，通过转换器，可以将带串行通信接口的设备接入以太网。以太网在工业控制中日益广泛的使用，使控制系统的网络与计算机网络的主流