《lc第章开篇》PPT课件.ppt

1,CONTROL TECHNOLOGYOF MODEN INDUSTRIAL,2,第一章 概 述,1.1 可编程序控制器的由来 1.2 可编程序控制器的定义、分类及特点 1.3 可编程序控制器的功能和应用 1.4 可编程序控制器与其他工业控制系统的比较 1.5 可编程序控制器的发展趋势 思考与练习题,3,1.1 可编程序控制器的由来,在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中是以继电器为代表的低压电器控制占主导地位的。 这种由继电器构成的控制系统有着明显的缺点： 体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差， 一旦生产任务和工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，这造成了时间和资金的严重浪费。,4,1968年，美国通用汽车公司(GM公司)为了在每次汽车改型或改变工艺流程时不改动原有继电器柜内的接线，以便降低生产成本，缩短新产品的开发周期，而提出了研制新型逻辑顺序控制装置，并提出了该装置的研制指标要求，即10项招标技术指标。其主要内容如下：,(1) 在使用者的工厂里，能以最短的中断服务时间，迅速方便地对其控制的硬件和设备进行编程，并重新进行程序设计。 (2) 所有系统单元必须能在工厂内无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。,5,(3) 系统的维修必须简单易行。在系统中应设计有状 态指示器和插入式模块，以便在最短的停车时间内使维修和故障诊断变得简单易行。 (4) 装置的体积应小于原有继电器控制柜的体积，它的能耗也应比较少。 (5) 必须能与中央数据收集处理系统进行通信，以便监视系统的运行状态和运行情况。 (6) 输入开关量可以是已有的标准控制系统的按钮和限位开关的交流115 V电压信号。,6,(7) 输出的驱动信号必须能驱动以交流运行的电动机启动器和电磁阀线圈，每个输出量将设计为可开停和连续操纵具有115 V、2 A以下容量的电磁阀等负载设备。 (8) 具有灵活的扩展能力。在扩展时必须能以系统最小的变动及最短的更换和停机时间，使原有装置从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。 (9) 在购买和安装费用上，应有与原有继电器控制和固态逻辑控制系统的竞争力，即具有较高的性能价格比。,7,(10) 用户存储器容量至少在4 KB以上(根据当时的汽车装配过程的要求提出)。 从上述10项指标可以看出，它实际上就是当今可编程序控制器最基本的功能。将它们归纳一下，其核心为以下四点： (1) 用计算机代替继电器控制盘。 (2) 用程序代替硬件接线。 (3) 输入/输出电平可与外部装置直接连接。 (4) 结构易于扩展。,8,可编程序控制器的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关。这些高新技术的发展推动了可编程序控制器的发展，而可编程序控制器的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。从控制功能来分，可编程序控制器的发展经历了下列四个阶段： 第一阶段，从第一台可编程序控制器问世到20世纪70年代中期，是可编程序控制器的初创阶段。 这一阶段的产品主要用于逻辑运算和定时、计数，它的CPU由中小规模的数字集成电路组成，它的控制功能比较简单。这一阶段的典型产品有MODICON公司的084、ALLEN-BRADLEY(AB)公司的PDQII、DEC的PDP-14、日立公司的SCY-022等。,可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段,9,第二阶段，从20世纪70年代中期到末期，是可编程序控制器的扩展阶段。这一阶段产品的主要控制功能得到了较大的发展。它的发展主要来自两方面， 一是从可编程序控制器发展而来的控制器，它的主要功能是逻辑运算，同时扩展了其他运算功能； 二是从模拟仪表发展而来的控制器，其主要功能是模拟运算，同时扩展了逻辑运算功能。 这一阶段的产品有MODICON公司的184、284、384，西门子公司的SYMATIC S3系列，富士电机公司的SC系列等。,可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段,10,第三阶段，从20世纪70年代末期到80年代中期，是PLC通信功能的实现阶段。 与计算机通信的发展相联系，PLC也在通信方面有了很大的发展，初步形成了分布式的通信网络体系，但是，由于制造企业各自为政，通信系统自成系统，因此，各产品互相通信是较困难的。 在该阶段，由于生产过程控制的需要，对PLC的需求大大增加，产品的功能也得到了发展，数学运算的功能得到了较大的扩充，产品的可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SYMATIC S6系列、富士电机公司的MI-CREX和德州仪器公司的TI530等。,可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段,11,第四阶段，从20世纪80年代中期开始，是PLC的开放阶段。由于开放系统的提出，使PLC也得到了较大的发展。 主要表现为通信系统的开放，使各制造企业的产品可以互相通信，通信协议的标准化使用户得到了好处。在这一阶段，产品的规模增大，功能不断完善，大中型产品多数有CRT屏幕的显示功能，产品的扩展也因通信功能的改善而变得方便， 此外，还采用了标准的软件系统，增加了高级编程语言等。这一阶段的产品有西门子公司的SYMATIC S5和S7系列、AB公司的PLC-5等。,可编程序控制器(PLC)发展的几个阶段,12,PLC 的主要生产厂家：德国的西门子(Siemens)公司，美国Rockwell公司所属的AB 公司，GE-Fanuc 公司，法国的施耐德(Schneider)公司，日本的三菱和欧姆龙(OMRON)公司。 1974年我国开始仿制美国的第二代PLC产品，但因元器件质量和技术问题等原因未能推广。 直到1977年，我国才研制出第一台具有实用价值的PLC，并开始批量生产和应用于工业过程的控制。 由于使用单片1位处理器，因此，应用的规模较小，主要的控制方式是开关量控制。,我国PLC的发展first stop,13,随着我国改革开放政策的贯彻和落实，从1982年开始，先后有天津、厦门、无锡、大连、上海、北京等地的仪表厂、无线电厂和研究所等单位与美国、德国、日本等PLC的制造企业进行了合资或引进技术、生产流水线等，使我国PLC的应用有了较大的发展。 一些大中型的工程项目采用PLC以后，取得了明显的经济效益，也反过来促进了PLC的发展。这一阶段的主要特点是以产品的引进、技术的消化、应用的普及为目标。应用的产品以 8位处理器为主，应用的规模在1000点以下。,14,PLC发展的特征表现在下列几方面： (1) 功能的发展。PLC从简单的逻辑运算功能，发展到数据传送、数据比较、数据运算，直到通信功能，功能的不断发展使PLC能适应各种工业生产过程控制的要求，从而在工业生产过程控制领域中成为主流产品之一。 功能的发展与PLC在硬件上的更新发展有关，PLC从1位处理器发展到8位，直到16位、32位，存储容量也有相应的扩展，适应了过程控制的需求。 通信功能的自成封闭到系统的开放是产品走向世界的基础。从PLC的发展可以看到，国产PLC要占领市场，必须不断发展，适应工业生产过程控制的需求，正如前述的PLC 10项招标技术指标中所要求的能适应发展的需求。,PLC发展的特征,15,(2) 适应控制要求 PLC的发展适应了工业生产过程控制的要求。在初创期，产品的目标是按10项招标技术指标开发的。随着控制要求的提高，对控制的精度和功能的要求也有了提高，采用简单的逻辑运算已不能满足过程控制的要求，从而开发了运算功能较强的数字运算等功能。 随着对运算速度的要求提高，对处理器的运算速度和存储器容量也提出了更高的要求，推动了计算机技术的发展，同时又得益于计算机技术的发展，使PLC上了一个台阶。它的发展是高新科学技术发展的产物，同时，也推动了其他科学技术的发展。,16,(3) 适应工业环境的要求 计算机是一种通用的数字电子设备。 为了适应工业生产的要求，尤其是恶劣工业环境的要求，对通用的计算机必须进行更可靠的设计。美国电气制造商协会(National Electric Manufacturer Association, NEMA)提出了对设备环境的一些标准，即NEMA标准。 PLC与通用计算机的一个重要的区别就是PLC能应用在恶劣的工业环境中。也正是由于它的环境适应性强，使得它在工业中得到了广泛的应用。,17,1.2 可编程序控制器的定义、分类及特点,1.2.1 可编程序控制器的定义 由于PLC在不断发展，因此，对它进行确切的定义是比较困难的。美国电气制造商协会(NEMA)经过四年的调查工作，于1980年正式将可编程序控制器命名为PC(Programmable Controller)，并给PC作了如下定义： PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体来存储指令，用以执行诸如逻辑、顺序、定时、计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模件来控制各种机械或工作程序。一部数字电子计算机若是用来执行PC的功能，亦被视同为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。,18,1982年，国际电工委员会(International Electrical Committee，IEC) 对PLC作了如下的定义： PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的进行数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体和易于扩展其功能的原则而设计。 上述的定义表明，PLC是一种能直接应用于工业环境的数字电子装置，是以微处理器为基础，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术，用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程的一种简单易懂、操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制装置。,19,1. 按硬件的结构类型分类 可编程序控制器发展很快，目前，全世界有几百家工厂正在生产几千种不同型号的PLC。 为了便于在工业现场安装，便于扩展，方便接线，其结构与普通计算机有很大区别。通常从组成结构形式上将这些PLC分为两类： 一类是一体化整体式PLC， 另一类是结构化模块式PLC。,1.2.2 可编程序控制器的分类,20,1) 整体式结构 从结构上看，早期的可编程序控制器是把CPU、RAM、ROM、I/O接口及与编程器或EPROM写入器相连的接口、输入/输出端子、电源、指示灯等都装配在一起的整体装置。一个箱体就是一个完整的PLC。 它的特点是结构紧凑，体积小，成本低，安装方便， 缺点是输入/输出点数是固定的，不一定能适合具体的控制现场的需要。这类产品有OMRON公司的C20P、C40P、C60P，三菱公司的Fl系列，东芝公司的EX20/40系列等。,21,2) 模块式结构 模块式结构又叫积木式。 这种结构形式的特点是把PLC的每个工作单元都制成独立的模块，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块、通信模块等。 另外，机器上有一块带有插槽的母板，实质上就是计算机总线。把这些模块按控制系统需要选取后，都插到母板上，就构成了一个完整的PLC。 这种结构的PLC的特点是系统构成非常灵活，安装、扩展、维修都很方便，缺点是体积比较大。常见产品有OMRON公司的C200H、C1000H、C2000H，西门子公司的S5-115U、S7-300、S7-400系列等。,22,2. 按应用规模及功能分类 为了适应不同工业生产过程的应用要求，可编程序控制器能够处理的输入/输出信号数是不一样的。 一般将一路信号叫做一个点，将输入点数和输出点数的总和称为机器的点。按照点数的多少，可将PLC分为超小(微)、小、中、大、超大等五种类型。 (1) 超小型PLC：I/O点数小于64点，内存容量为256 B1 KB。 (2) 小型PLC：I/O点数为65128点，内存容量为13.6 KB。 小型及超小型PLC在结构上一般是一体化整体式的，主要用于中等容量的开关量控制，具有逻辑运算、定时、计数、顺序控制、通信等功能。,23,(3) 中型PLC：I/O点数范围为129512点，内存容量为3.613 KB。 中型PLC除具有小型、超小型PLC的功能外，还增加了数据处理能力，适用于小规模的综合控制系统。 (4) 大型PLC：I/O点数范围为513896点，内存容量为13 KB以上。 (5) 超大型PLC：I/O点数为896点以上，内存容量为13 KB以上。 上述划分方式并不十分严格，也不是一成不变的。随着PLC的不断发展，划分标准已有过多次的修改。,24,可编程序控制器还可以按功能分为低档机、中档机和高档机。 低档机以逻辑运算为主，具有定时、计数、移位等功能。 中档机一般有整数及浮点运算、数制转换、PID调节、中断控制及联网功能，可用于复杂的逻辑运算及闭环控制场合。 高档机具有更强的数字处理能力，可进行矩阵运算、函数运算，完成数据管理工作，有更强的通信能力，可以和其他计算机构成分布式生产过程综合控制管理系统。 可编程序控制器的按功能划分及按点数规模划分是有一定联系的。 一般来说，大型机、超大型机都是高档机。机型和机器的结构形式及内部存储器的容量一般也有一定的联系，大型机一般都是模块式机，都有很大的内存容量。,25,1.2.3 可编程序控制器的特点 PLC能如此迅速发展的原因，除了工业自动化的客观需要外，还有许多独特的优点。它较好地解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济等问题。其主要特点： 1. 编程方法简单易学 梯形图是可编程序控制器使用最多的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似。 梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，可编程序控制器在执行梯形图程序时，应先用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。,26,2. 功能强，性能价格比高 一台小型可编程序控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。 与相同功能的继电器系统相比，它具有很高的性能价格比。 可编程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制与集中管理。,27,3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。,28,3. 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 可编程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程序控制器有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。硬件配置确定后，可以通过修改用户程序，方便快速地适应工艺条件的变化。,29,4. 可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。 由于触点接触不良，容易出现故障。可编程序控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。 可编程序控制器采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，平均无故障时间达到数万小时以上，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场。 可编程序控制器已被公认为是最可靠的工业控制设备之一。,30,5. 系统的设计、安装、调试工作量少 可编程序控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。 可编程序控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比继电器系统电路图的设计时间要少得多。 可编程序控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过可编程序控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。 完成了系统的安装和接线后，在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统要少得多。,31,6. 维修工作量小，维修方便 可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。 可编程序控制器或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明产生故障的原因，用更换模块的方法迅速地排除故障。,32,7. 体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用可编程序控制器后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型可编程序控制器的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。 可编程序控制器的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。,33,1.3 可编程序控制器的功能和应用,1 . 开关逻辑和顺序控制 这是PLC应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。 2. 模拟控制 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、流量、液位等，这些都属于模拟量。,34,3. 定时控制 PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与计数器。对于定时器，其定时间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对频率较高的信号进行计数，则可以选择高速计数器。 4. 数据处理 新型PLC都具有数据处理的能力，它不仅能进行算术运算、数据传送，而且还能进行数据比较、数据转换、数据显示打印等功能，有些PLC还可以进行浮点运算和函数运算。,35,5. 信号联锁系统 信号联锁是安全生产所必需的。在信号联锁系统中，采用高可靠性的PLC是安全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算等，可采用冗余的PLC实现。 6. 通信联网 把PLC作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，可完成数据的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此PLC是实现工厂自动化的理想工业控制器。,36,1.4 可编程序控制器与其他工业控制系统的比较,1. PLC与继电器控制系统的比较 传统的继电器控制系统被PLC所取代已是必然趋势。 继电器控制柜是针对一定的生产机械、固定的生产工艺设计的，采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的逻辑控制、定时、计数等功能，一旦生产工艺过程改变，则控制柜必须重新设计、重新配线。 PLC只要改变程序并改动少量的接线端子，就可适应生产工艺的改变。从适应性、可靠性、方便性及设计、安装、维护等各方面进行比较，PLC都有显著的优势。 因此在用微电子技术改造传统产业的过程中，传统的继电器控制系统大多数将被PLC所取代。,37,2. PLC与工业控制计算机的比较 工业控制计算机是通用微型计算机适应工业生产控制要求发展起来的一种控制设备。硬件结构方面总线标准化程度高、兼容性强，并且软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速、实时性强、模型复杂、计算工作量大的工业对象的控制占有优势。 使用工业控制机控制生产工艺过程，要求开发人员具有较高的计算机专业知识和微机软件编程的能力。 PLC最初是针对工业顺序控制应用发展而来的，硬件结构专用性强，通用性差，很多优秀的微机软件也不能直接使用，必须经过二次开发。但是，PLC采用了工厂技术人员熟悉的梯形图语言编程，易学易懂，便于推广应用。,38,3. PLC与集散控制系统的比较 集散控制系统又称分散控制系统（ DCS ），它是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它的主要应用场合是连续量的模拟控制，而PLC的主要应用场合是开关量的逻辑控制。因此，它们在设计思想上是有一定区别的。 PLC是按扫描方式工作的，而集散控制系统是按用户的程序指令工作的。因此，PLC对每个采样点的采样速度是相同的；而在集散控制系统中，可根据被检测对象的特性采用不同的采样速度，例如，对流量点的采样周期是1 s，对温度点的采样周期是20 s等。,39,1.5 可编程序控制器的发展趋势,在短短的20多年中，PLC得到了如此飞速的发展，并在各行各业得到了广泛的应用，这些事实说明，PLC具有强大的生命力。PLC将在工业控制领域发挥越来越大的作用，并将成为工业控制领域的主要控制设备。 PLC将向两个方面发展： 一方面向着大型化的方向发展， 另一方面则向着小型化的方向发展。,40,PLC向大型化方向发展，主要表现： (1) 与DCS相互渗透，出现你中有我、我中有你的情况。应用的规模从几十点扩展到成百上千点，功能也从单一的逻辑运算扩展到几乎能满足所有的用户需求。 (2) 向CIMS发展，成为它们的一个分支。 (3) 向大型化方向发展的另一标志是产品硬件性能的发展。PLC产品的处理器已从早期的1位，向8位、16位，甚至向32位、64位发展。 (4) 软件功能的发展是PLC向大型化方向发展的重要标志。近期推出的PLC已采用Windows 98/2000或Windows NT作为编程和操作的平台。根据国外的估计，PLC目前的年销售量已超过2亿台。,41,PLC向小型化方向发展，主要表现： (1) 在设备级采用PLC。对一些工业过程的设备控制，采取化整为零的控制策略，采用配套的PLC，并配备了专用的控制柜、操作台和监视器等。例如，对锅炉设备而言，它有进水阀、蒸汽阀、燃料阀和空气阀。 (2) 向高性能的整体型发展。推出高速的定时/计数器模块、步进电动机控制模块、伺服电动机控制模块、温度控制模块、通信接口模块等。 (3) 向小型化发展。在提高系统可靠性的基础上，产品的体积越来越小，功能越来越强。,42,1968年 美国通用汽车公司提出的替代继电器控制系统的新型控制器的十项指标：,1） 编程简单、现场可 修改程序； 2）维护方便、采用插 件式结构； 3）可靠性高于继电器 控制系统； 4）体积小于继电器控 制系统； 5）数据可以直接送入 计算机；,6）成本可与继电器系 统竞争； 7）输入可为市电； 8）输出可为市电，能 直接驱动电磁阀、交 流接触器等； 9）通用性强、易于扩 展； 10）用户存储器大于 4K。,43,思考与练习题,1. 简述可编程序控制器的定义。 2. 可编程序控制器有哪些主要特点? 3. 与一般的计算机控制系统相比，可编程序控制器有哪些优点? 4. 简述继电器控制与接触器控制的区别? 5. 与继电器控制系统相比，可编程序控制器有哪些优点? 6. 可编程序控制器可以用在哪些领域?,