自动化基础知识

关于自动化基础知识一、什么是自动化1、自动化定义

自动化是指在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程。研究内容：自动化是一门涉及学科较多﹑应用广泛的综合性科学技术。数学、物理学、力学、电子学、生物学等是该学科的重要基础它的研究内容主要有自动控制和信息处理两个方面﹐包括理论﹑方法﹑硬件和软件等。第2页,共119页，2024年2月25日，星期天2、什么是工业自动化技术工业自动化技术是指综合运用控制理论、电子装备、仪器仪表、计算机和相关工艺技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、节省能耗、降低消耗、减少污染、确保安全等目的的一种综合性技术。第3页,共119页，2024年2月25日，星期天43、自动控制概念

所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。自动控制系统：

实现上述控制目的，由相互制约的各部分按一定规律组成的具有特定功能的整体。第4页,共119页，2024年2月25日，星期天

4、自动控制技术的内容自动控制技术包含了自动控制系统中所有元器件的构造原理和性能，以及控制对象或被控过程的特性等方面的知识；自动控制系统的分析与综合；控制用计算机(能作数字运算和逻辑运算的控制机)的构造原理和实现方法。第5页,共119页，2024年2月25日，星期天5、自动控制技术的原理和方法自动控制技术是自动化单元技术和集成技术及其在各类控制系统中的应用。它以自动控制理论为基础，以电子技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术、网络与通信技术为主要工具，面向工业生产过程自动控制及各行业、各部门的自动化。它具有“控(制)管(理)结合，强(电)弱(电)并重，软(件)硬(件)兼施”等鲜明的特点，第6页,共119页，2024年2月25日，星期天二、自动化系统分类1、从应用角度分a、过程自动化

石油炼制和化工等工业中流体或粉体的化学处理自动化。一般采用由检测仪表﹑调节器和计算器等组成的过程控制系统﹐对加热炉﹑蒸馏塔等设备或整个工厂进行最优控制。第7页,共119页，2024年2月25日，星期天b、机械制造自动化

这是机械化﹑电气化与自动控制相结合的结果﹐处理的对象是离散工件。c、管理自动化

工厂或事业单位的人﹑财﹑物﹑生产﹑办公等业务管理自动化﹐是以信息处理为核心的综合性技术﹐涉及电子计算器﹑通信﹑系统与控制等学科。d、其它：实验室自动化、家庭自动化、商业自动化第8页,共119页，2024年2月25日，星期天2、按测控形式分a、SCADA（SupervisorControlAndDataAcquisition）系统

监测控制和数据采集系统。它可以实时采集现场数据，对工业现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面、实时的监视，并为生产、调度和管理提供必要的数据。

SCADA系统的主要功能包括数据采集、本地和远程控制、多种通讯介质联接、易于重新配置及本地和远程诊断。第9页,共119页，2024年2月25日，星期天b、DCS（DistributedControlSystem）系统

DCS是一种分布式控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。第10页,共119页，2024年2月25日，星期天

DCS系统的基本思想是：利用分散控制、集中操作、分而自制、综合协调的原则，将测控系统分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级，构成一分级分布式控制系统。

因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。第11页,共119页，2024年2月25日，星期天c、直接数字控制（DDC）系统d、监督计算机控制（简称SCC）系统e、现场总线控制系统（简称FCS）系统第12页,共119页，2024年2月25日，星期天三、自动化系统构成1、SCADA系统SCADA系统主要应用于水利、石油、供电等行业中，用于地理环境恶劣无人值守的环境下进行远程控制。它的主要结构包括远程控制单元RTU（RemoteTerminalUnit）、通讯网络及中心站。第13页,共119页，2024年2月25日，星期天1)远程终端RTU

RTU主要作用是进行数据采集及本地控制，进行本地控制时作为系统中一个独立的工作站，这时RTU可以独立的完成连锁控制、前馈控制、反馈控制、PID(比例、微分、积分）控制等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集时作为一个远程数据通讯单元，完成或响应本站与中心站或其它站的通讯和遥控任务。第14页,共119页，2024年2月25日，星期天2)系统的通讯网络

主要用于RTU与中心站通讯及与其它RTU通讯。通讯链路种类有无线、有线、微波、光纤。RTU可支持的通讯方式有中心站触发的通讯方式和RTU触发的通讯方式。第15页,共119页，2024年2月25日，星期天中心站触发的通讯方式包括：

•

轮询方式由系统设置一个时间周期，每隔一个时间段系统进行一次查询，接收中心站所需要的现场数据。

•广播方式由中心站向所有RTU或某分组内的RTU下发命令。

•控制命令下发方式如下发开、关控制命令，修改报警及控制权限。

RTU触发的通讯方式：RTU可以在程序中根据现场情况设置条件，以便在非常情况下向中心站发送数据。第16页,共119页，2024年2月25日，星期天3）中心站

它可包含多个工作站和支持网络功能的设备，以完成不同的工作。它通过中心站软件管理系统数据库，每个工作站通过组态画面监测现场站点，下发控制命令进行控制，并完成工况图、统计曲线、报表等功能。

第17页,共119页，2024年2月25日，星期天2、DCS系统从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。1）过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。2）操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。3）管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），它是DCS更高层次的应用。第18页,共119页，2024年2月25日，星期天DCS系统结构图第19页,共119页，2024年2月25日，星期天四、自动控制系统工作原理1、系统工作原理简易实验1）现在作一个游戏，让张三和李四分别去拿放在一张桌子上的杯子，张三把自己的双眼蒙上，而李四却不用蒙上双眼。看看他们谁能顺利地拿到杯子？2）人打算拿桌子上的杯子时，首先要看一下杯子的位置与自己手的距离有多少，然后人的大脑会指挥自己的手做出动作，向减少这个距离的方向移动，同时不断的观察两者之间的距离还有多少，直到人的手碰到了杯子，大脑就命令手停止运动，杯子也就拿到了。这个过程可以用下边的图来表示。

由于没有了眼睛所以图中的反馈就无法形成人这个“机器”也就工作不正常了第20页,共119页，2024年2月25日，星期天自动控制系统工作的关键就在于反馈系统的存在，正是有了反馈的存在，才使自动化成为可能。反馈：反馈控制是这样一种控制过程，它能够在存在扰动的情况下，力图减小系统的输出量与参考输入量（也称参据量）（或者任意变化的希望的状态）之间的偏差，而且其工作正是基于这一偏差基础之上的。反馈控制系统是一种能对输出量与参考输入量进行比较，并力图保持两者之间的既定关系的系统，它利用输出量与输入量的偏差来进行控制。第21页,共119页，2024年2月25日，星期天1、自动化系统组成：检测比较装置所起作用相当于人眼在上面例子中的作用，主要是获得反馈，并且计算我们要达到的目的与现在的实际情况之间的差值

控制器所起作用相当于大脑在上面例子中的作用，主要是用来决定应该怎样做

执行机构主要所起作用相当于人手在上面例子中的作用，完成控制器下达的决定

控制量也就是所要达到的目的，相当于手和杯子之间的距离。控制量是我们自动化机器所要达到的最终目的第22页,共119页，2024年2月25日，星期天2、自动化各构成部分的作用及实现1）检测（测量）装置

检测（测量）装置主要是传感器。传感器是一种能把物理量﹑化学量﹑生物量等转变成便于利用的电信号的器件。输出的电信号有不同形式，如电压﹑电流﹑频率﹑脉冲等，能满足信息传输﹑处理﹑记录﹑显示﹑控制的要求。第23页,共119页，2024年2月25日，星期天通常传感器由感应组件和转换组件组成。感应组件(SensingElement)能直接感受被测量的的量;

转换组件(TransductionElement)则将感应组件输出量转换为适于传输和测量的电信号。第24页,共119页，2024年2月25日，星期天与人类五大感觉器官相比对应的传感器眼睛（视觉）光传感器﹑影像传感器等耳朵（听觉）压力传感器﹑电容麦克风等皮肤（触觉）力学传感器﹑温度传感器﹑湿度传感器等﹔舌头（味觉）等离子传感器﹑化学传感器等﹔鼻子（嗅觉）半导体气体传感器﹑燃烧式气体传感器等除了以上和五感相比拟的传感器外还有红外线传感器、接近传感器速度和加速度传感器、磁性传感器等第25页,共119页，2024年2月25日，星期天一般测量信号转换为电量类型(根据采集数据转换后接入控制器的种类划分）：被测量转换量举例图例模拟量（连续、不间断的量）0~5V，1~5V；0~20mA，4~20mA；电阻压力、液位，流量，温度脉冲量2~36V方波；油、气、水流量，开关量0~24V开关信号水位（点），阀位第26页,共119页，2024年2月25日，星期天2）控制器

控制器（一般是RTU、PLC等设备）的主要作用是进行信号采集、数据转换、运算、处理、发送及本地控制。第27页,共119页，2024年2月25日，星期天由传感器测量的现场被测量被转换为与其成比例的标准电信号后输入到控制器，控制器将接收到的电流信号按相同的比例反算回被测量的现场实际值，同时将该数据应用到其他相关的计算、控制过程并按需要将数据传送至其他位置（如监控机）。第28页,共119页，2024年2月25日，星期天3）执行机构（执行器）

执行机构是按控制器输出的指令驱动现场设备运行状态发生变化，从而达到控制被控设备的目的的装置。

执行机构一般有电动执行机构和气动执行机构。电动执行机构是以电为动力源的仪表，气动执行机构是以压缩空气为动力源的仪表。第29页,共119页，2024年2月25日，星期天自动控制技术的应用炼钢、化工、石油、电力、造纸、纺织、食品等工业航空、航海、汽车、铁路运输和国防工业。图书资料的管理、实验室技术。导弹、人造地球卫星、原子能、空气动力等领域。第30页,共119页，2024年2月25日，星期天

自动化技术广泛用于工业﹑农业﹑军事﹑科学研究﹑交通运输﹑商业﹑医疗﹑服务和家庭等方面

采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动﹑部分脑力劳动以及恶劣﹑危险的工作环境中解放出来﹐而且能扩展人的器官功能﹐极大地提高劳动生产率﹐增强人类认识世界和改造世界的能力。因此﹐自动化是工业﹑农业﹑国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。第31页,共119页，2024年2月25日，星期天32

计算机概念系统用途分类发展第32页,共119页，2024年2月25日，星期天33概念

（ElectronicDigitalComputer

）计算机是一种能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备。计算机由硬件和软件组成计算机是完成信息处理的工具

计算机通过预先编好的存储程序来自动完成数据的加工处理计算机的经济效益和社会效益是非常明显它人类生产实践和科学技术发展的必然产物第33页,共119页，2024年2月25日，星期天34硬件系统（Hardware）组成计算机的任何机械的、电子的、磁性的部件整个计算机的物质基础基本功能：运行由预先设计好的指令编制的各种程序计算机的主机(由运算器、控制器和存储器组成)、显示器、打印机、通讯设备等系统组成第34页,共119页，2024年2月25日，星期天35软件系统（Software）计算机软件是指为了更好地发挥计算机硬件的效能和方便用户使用计算机而设计的各种程序和数据的总和。系统软件（SystemSoftware）用于管理机器各种资源的程序及协调各装置工作的程序和为用户编制程序服务的程序如操作系统、编译系统、诊断系统、数据库管理系统等应用软件（ApplicationSoftware）与用户具体用途关系密切,应用针对性强的软件单项业务处理系统,如学籍管理和师资管理、文件档案管理、财会统计报表管理等功能较强的系统,如库存管理系统,综合情报检索系统,会计信息系统等系统第35页,共119页，2024年2月25日，星期天36硬件系统与软件系统的关系软硬件之间的界面不是固定不变的软硬件在功能上具有等效性，软硬件能提供同样的逻辑运算能力硬件实现成本高,但速度快软件实现成本低,但速度慢

系统第36页,共119页，2024年2月25日，星期天37数值计算科学计算，应用计算机处理科学研究和工程技术中所遇到的数学计算如卫星运行轨迹,水坝应力,气象预报,油田布局,潮汐规律等等信息处理

信息处理是对原始数据进行收集、整理、分类、选择、存储、制表、检索、输出等的加工过程如自动阅卷、图书检索、财务管理、生产管理、医疗诊断、编辑排版、情报分析等等实时控制

及时搜集检测数据,按最佳值对事物进程的调节控制如工业生产的自动控制用途第37页,共119页，2024年2月25日，星期天38辅助设计

利用计算机的制图功能,实现各种工程的设计工作如桥梁设计、船舶设计、飞机设计、集成电路设计、计算机设计、服装设计等等智能模拟

人工智能，利用计算机模拟人类智力活动,以替代人类部分脑力劳动具有一定“学习、推理和联想”能力的机器人用途第38页,共119页，2024年2月25日，星期天39按功能和用途通用计算机解决诸如科学计算、数据处理、自动控制、辅助设计等多方面问题功能多,用途广,结构复杂,因而价格也偏高

专用计算机解决专门问题而设计的计算机,如用于弹道控制、地震监测等方面的计算机功能专一,结构简单,价格较低

按计算机硬、软件的配套规模及功能大小等综合指标巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机因存储容量、运算速度的不同而用途各异分类第39页,共119页，2024年2月25日，星期天40

第一代1946-1958第二代1958-1965第三代1965-1971第四代1971-代表机型ENIAC(1946.2)IBM-701(1953.4)IBM-650(1954.11)IBM-7090(1959.11)IBM-7094(1962.9)IBM(中型机)IBM-370(大机型)PDP-11(小型机)ILL-IACIV(巨型机)PEPE(巨型机)INTEL-3000(微型机)硬件电子管晶体管中小型规模集成电路大规模集成电路磁鼓磁芯磁芯,半导体存储器半导体存储器软件符号语言汇编语言批处理操作系统FORTRAN、COBOL、ALGOL60等程序语言分时操作系统会话式语言(如BASIC)计算机网络软件软件系统工程化、理论化;可扩充语言,数据库运算速度(定点加法)每秒数千次每秒数万-数十万次每秒数十万-数百万次每秒数百万-数亿次应用领域科学计算科学计算数据处理实时控制系统模拟系统设计智能模拟巨型机用于尖端科学和军事,微型机进入日常工作和生活发展第40页,共119页，2024年2月25日，星期天41计算机网络概念功能分类协议和模型第41页,共119页，2024年2月25日，星期天42概念

定义：把分布在不同地点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的软件和协议的管理下实现网络中资源共享的系统。地理位置上分布的计算机的集合用传输介质互联起来遵守共同的协议相互通信使用户随时随地能共享信息资源和交换信息第42页,共119页，2024年2月25日，星期天由定义可知：(1)计算机网络是“通信技术”与“计算机技术”的结合产物(2)以数据交换为基础，以共享资源为目的

主机

终端

终端主机

终端

主机主机通信设备通信线路通信子网资源子网第43页,共119页，2024年2月25日，星期天44功能信息交换计算机网络最基本的功能完成计算机网络中各个节点之间的系统通信传送电子邮件、发布新闻消息、进行电子购物、电子贸易、远程电子教育等资源共享

资源是指构成系统的所有要素,包括软、硬件资源增强了网络上计算机的处理能力,提高了计算机软硬件的利用率分布式处理

一项复杂的任务可以划分成许多部分第44页,共119页，2024年2月25日，星期天45分类按地理范围分类局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）按传输速率分类高速网、低速网按传输介质分类有线网、无线网按拓扑结构分类总线拓扑结构、星型拓扑结构、环型拓扑结构、树型拓扑结构第45页,共119页，2024年2月25日，星期天46拓扑结构图总线拓扑结构星型拓扑结构总线节点第46页,共119页，2024年2月25日，星期天47拓扑结构图环型拓扑结构树型拓扑结构第47页,共119页，2024年2月25日，星期天48协议和模型网络协议在计算机网络中要做到有条不紊的交换数据，各计算机之间就必须遵守事先约定好的规则，这些规则、约定在计算机网络中称为网络协议。计算机网络中一系列的通信规则第48页,共119页，2024年2月25日，星期天计算机网络协议通常采用高度民主结构化的分层设计方法，将网络划分为一组功能分明、相对独立和易于操作的层次，依靠各层次之间的功能组合提供网络的通信服务。如数据的格式是怎样的,以什么样的控制信号联络,具体传送方式是什么,发送方怎样保证数据的完整性、正确性,接收方如何应答等等常见的网络协议有IPX/SPX,TCP/IP等目前Internet使用的标准协议是TCP/IP模型，包括网络接口层、网络层、传输层和应用层。第49页,共119页，2024年2月25日，星期天50协议和模型网络互联模型开放系统互联结构模型（OSI）不是一个实际的物理模型,而是一个将网络协议规范化了的逻辑参考模型OSI七层模型应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层通信子网和资源子网第50页,共119页，2024年2月25日，星期天51协议和模型通信子网和资源子网通信子网的范畴：物理层、数据链路层和网络层资源子网的范畴：会话层、表示层和应用层传输层起着承上启下的作用第51页,共119页，2024年2月25日，星期天52

可编程控制器(plc)第52页,共119页，2024年2月25日，星期天53

PLC基础知识

一、PLC的产生与历史二、可编程控制器的定义三、PLC的现状及发展趋势四、PLC的特点五、PLC的基本功能六、PLC与其他工业控制系统的比较第53页,共119页，2024年2月25日，星期天54一、PLC的产生与历史世界上第一台PLC1969年由美国数字设备公司（DEC）根据美国通用汽车公司（GE）的要求研制成功。

背景：

1968年美国通用汽车公司（GE），为了适应汽车型号的不断更新，生产工艺不断变化的需要，实现小批量、多品种生产，希望能有一种新型工业控制器，它能做到尽可能减少重新设计和更换电器控制系统及接线，以降低成本，缩短周期。

第54页,共119页，2024年2月25日，星期天55设计思想：吸取继电器和计算机两者的优点☆继电器控制系统体积大、可靠性低、接线复杂、不易更改、查找和排除故障困难，对生产工艺变化的适应性差，但简单易懂、价格便宜；

☆计算机功能强大、灵活（可编程）、通用性好，但编程困难；

☆采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用.（梯形图）第55页,共119页，2024年2月25日，星期天56◆70年代初期：仅有逻辑运算、定时、计数等顺序控制功能，只是用来取代传统的继电器控制,通常称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController）◆70年代中期：微处理器技术应用到PLC中，使PLC不仅具有逻辑控制功能，还增加了算术运算、数据传送和数据处理等功能◆80年代以后：随着大规模、超大规模集成电路等微电子技术的迅速发展，16位和32位微处理器应用于PLC中，使PLC得到迅速发展。PLC不仅控制功能增强，同时可靠性提高，功耗、体积减小，成本降低，编程和故障检测更加灵活方便，而且具有通信和联网、数据处理和图象显示等功能。第56页,共119页，2024年2月25日，星期天57近年来PLC发展

PLC集三电（电控、电仪、电传）为一体、性能价格比高、高可靠性的特点，已成为自动化工程的核心设备。

PLC成为具备计算机功能的一种通用工业控制装置，其使用量高居首位。

PLC成为现代工业自动化的三大技术支柱（PLC、机器人、CAD/CAM）之一。第57页,共119页，2024年2月25日，星期天58二、可编程控制器的定义定义：

国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：

“可编程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，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，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”。第58页,共119页，2024年2月25日，星期天59三、PLC的现状及发展趋势

1969年美国数据设备公司（DEC）研制了第一台PLC，从此PLC发展迅猛。

我国改革开放后，美国AB、GE、MODICON、TI，日本OMRON、三菱、富士，德国西门子等厂家的产品不断进入我国，并在各行各业的工控系统中占据重要地位。第59页,共119页，2024年2月25日，星期天PLC三大流派欧洲：德国的西门子(SIEMENS)、AEG及法国的TI公司美国：A-B（Allen-Bradly）(其产品约占美国PLC市场50％的份额。)、GE（GeneralElectric）、莫迪康(MODICON)公司、德州仪器(T1)公司、歌德(Gould)公司、西屋公司日本：三菱电机（MitsubishiElectric）、欧姆龙（OMRON）FUJI（日本主要发展中小型PLC，在世界小型PLC市场上，日本产品约占有70％的份额。在中国，OMRON产品的销量居首位）目前国内市场还有韩国、台湾等PLC产品；现在市场上出现了系列化的国产PLC，其价格相对低廉，性价比较高。第60页,共119页，2024年2月25日，星期天西门子PLC外形图S7-200系列PLCS7-300系列PLCS7-400系列PLC第61页,共119页，2024年2月25日，星期天欧姆龙PLC外形图C200H系列PLCCPM1A、CPM2A系列PLC第62页,共119页，2024年2月25日，星期天

PLC的国内外状况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。主要厂家有：北京和利时，科迪纳，张前苏。洛阳易达，无锡信捷，南京嘉华，兰州全志，广州科赛恩，中山智达，恒日等。第63页,共119页，2024年2月25日，星期天第64页,共119页，2024年2月25日，星期天

PLC的发展趋势（1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度nS级；内存2M字节）（2）向多品种方向发展和提高可靠性（超大型和超小型)

（3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）（4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I／0（5）加强联网和通信的能力（6）控制的开放和模块化的体系结构OMAC（openModularArchitectureforControl）第65页,共119页，2024年2月25日，星期天

四、PLC的特点

可靠性高，抗干扰能力强功能强，适应面广通用性强，使用方便

编程方法简单，容易掌握

安装简单、调试和维修方便。第66页,共119页，2024年2月25日，星期天

五、PLC的基本功能1逻辑控制功能2定时控制功能3计数控制功能4步进控制功能5数据处理功能6回路控制功能7通讯联网功能8监控功能9停电记忆功能10故障诊断功能第67页,共119页，2024年2月25日，星期天

1逻辑控制功能

逻辑控制功能是PLC最基本功能之一,是PLC最基本的应用领域，可取代传统的继电器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。在单机控制、多机群控和自动生产线控制方面都有很多成功的应用实例。例如：机床电气控制、起重机、皮带运输机和包装机械的控制、注塑机控制、电梯控制、饮料灌装生产线、家用电器(电视机、冰箱、洗衣机等)自动装配线控制、汽车、化工、造纸、轧钢自动生产线控制等。第68页,共119页，2024年2月25日，星期天

2定时控制功能定时控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC中有许多可供用户使用的定时器，功能类似于继电器线路中的时间继电器。定时器的设定值(定时时间)可以在编程时设定，也可以在运动过程中根据需要进行修改，使用方便灵活。同时PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确实时控制。第69页,共119页，2024年2月25日，星期天

3计数控制功能计数控制功能是PLC的最基本功能之一。PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时，产生一个状态信号(计数值到)，利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中根据需要进行修改。第70页,共119页，2024年2月25日，星期天4

数据处理功能PLC大部分都具有数据处理功能，可以实现算术运算、数据比较、数据传送、数据移位、数制转换译码编码等操作。中、大型PLC数据处理功能更加齐全，可完成开方、PID运算、浮点运算等操作，还可以和CRT、打印机相联，实现程序、数据的显示和打印。第71页,共119页，2024年2月25日，星期天5

监控功能PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可以对PLC有关部分的运行状态进行监视。利用编程器，可以调整定时器、计数器的设定值和当前值，并可以根据需要改变PLC内部逻辑信号的状态及数据区的数据内容，为调整和维护提供了极大的方便。第72页,共119页，2024年2月25日，星期天

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停电记忆功能PLC内部的部分存储器所使用的RAM设置了停电保持器件（备用电池等），以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期保存。利用某些记忆指令，可以对工作状态进行记忆，以保持PLC断电后的数据内容不变。PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。第73页,共119页，2024年2月25日，星期天7

故障诊断功能PLC可以对系统构成、某些硬件状态、指令的合法性等进行自诊断，发现异常情况，发出报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行。PLC的故障自诊断功能，大大提高了PLC控制系统的安全和可维护性。第74页,共119页，2024年2月25日，星期天六、PLC与其他工业控制系统的比较

PLC与继电器控制系统比较继电器控制采用硬接线方式装配而成，只能完成既定的功能。PLC控制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、可靠性及设计、安装、维护等各方面进行比较。传统的继电器控制大多数将被PLC所取代。

与工业计算机比较工业控制机控制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采用了采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”进行编程，使不熟悉计算机的人也能很快掌握使用，便于推广应用。PLC是专为工业现场应用而设计的，具有更高的可靠性。在模型复杂、计算量大且较难、实时性要求较高的环境中，工业控制机则更能发挥其专长。第75页,共119页，2024年2月25日，星期天

PLC基本原理1PLC内部硬件框图及各部分作用2PLC工作过程特点及主要性能指标3PLC分类第76页,共119页，2024年2月25日，星期天

1PLC内部硬件框图及各部分作用1.1PLC的组成可编程控制器（PLC）主要由中央处理单元(CPU)、存储器(RAM、ROM)、输入输出单元(I/O)、电源和编程器、人机界面等几组成

第77页,共119页，2024年2月25日，星期天PLC的基本组成与一般的微机系统类似：是一种以微处理器为核心的、用于控制的特殊计算机PLC的基本组成包括硬件与软件两部分PLC的硬件：中央处理器（CPU）、存储器、输入接口、输出接口、通信接口、电源等PLC的软件：系统程序和用户程序第78页,共119页，2024年2月25日，星期天

1.2PLC内部主要部件功能1.PLC中的CPU作用及分类CPU的作用：按系统程序赋予的功能，指挥PLC有条不紊地进行工作。归纳起来主要有以下五个方面：1）接收并存储编程器或其它外设输入的用户程序或数据2）诊断电源、PLC内部电路故障和编程中的语法错误等3）接收并存储从输入单元（接口）得到现场输入状态或数据第79页,共119页，2024年2月25日，星期天4）逐条读取并执行存储器中的用户程序，将运算结果存入存储器

5）根据运算结果，更新有关标志位和输出内容，通过输出接口实现控制、制表打印或数据通讯等功能第80页,共119页，2024年2月25日，星期天PLC中常采用的CPU有三类：1)通用微处理器（如Z80、8086、80286等）2)单片微处理器（如8031、8096等）3)位片式微处理器(如AMD29W等)小型PLC：大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC：大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；

大型PLC：大多采用高速位片式微处理器（32位）；

小型PLC为单CPU系统；中、大型PLC则大多为双CPU或多CPU系统；对于双CPU系统，一个为字处理器，一般采用8位、16位或32位处理器；另一个为位处理器，采用由各厂家设计制造的专用芯片。第81页,共119页，2024年2月25日，星期天2.系统程序存贮器存储器的作用：PLC中，存储器主要用于系统程序、用户程序、数据存储器的类型：①可读/写操作的随机存储器RAM②只读存储器ROM、PROM、EPROM、E2PROM第82页,共119页，2024年2月25日，星期天

输入/输出接口（I/O模块）输入/输出接口通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。PLC输入接口-----用户设备需输入PLC的各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关、行程开关以及其它一些传感器输出的开关量或模拟量(要通过模数变换进入机内)等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理单元能够接收和处理的信号，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据。PLC输出接口-----将中央处理单元送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，用来驱动电磁阀、接触器、电机等被控设备的执行元件。第83页,共119页，2024年2月25日，星期天I/O接口的作用：电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力，通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。I/O接口的类型：开关量输入/输出接口模拟量输入/输出接口第84页,共119页，2024年2月25日，星期天输入/输出（I/O）点数：PLC的I/O点数是指PLC的I/O接口所能接受的输入信号个数和输出信号个数的总和。I/O点数是选择PLC的重要依据之一。当I/O点数不够时，可通过PLC的I/O扩展接口对系统进行扩展。第85页,共119页，2024年2月25日，星期天PLC中的电源及作用PLC配有开关式稳压电源，以提供内部电路使用。与普通电源相比，PLC电源的稳定性好、抗干扰能力强。因此，对于电网提供的电源稳定度要求不高，一般允许电源电压在其额定值±15%的范围内波动。许多PLC还向外提供直流24V稳压电源，用于对外部传感器供电。第86页,共119页，2024年2月25日，星期天◆PLC配有各种通信接口与外部设备连接

与打印机连接，可将过程信息、系统参数等输出打印与监视器连接，可将控制过程图像显示出来与PLC连接，组成多机系统或连成网络，实现更大规模控制与计算机连接，组成多级分布式控制系统，控制与管理相结合与人机界面（触摸屏）连接与智能接口模块连接。智能接口模块是一独立的计算机系统，它有自己的CPU、系统程序、存储器以及与PLC系统总线相连的接口。PLC的智能接口模块种类很多，如：高速计数模块、闭环控制模块、运动控制模块、中断控制模块等。与编程器连接第87页,共119页，2024年2月25日，星期天

PLC编程器及作用编程器的作用：编程器可以编辑、调试、输入用户程序，是PLC开发应用、检测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状态。第88页,共119页，2024年2月25日，星期天编程器是PLC最常用的外设，也是PLC中唯一不需要通过功能模块而直接与总线相联接的外设。它通过主机上的编程器接口直接与主机相连。编程器上有一个方式选择开关，用于控制PLC主机的工作方式。第89页,共119页，2024年2月25日，星期天掌上电脑编程器可编程终端第90页,共119页，2024年2月25日，星期天高档可编程终端第91页,共119页，2024年2月25日，星期天其它功能模块模拟量输入模块（即A/D模块）模拟量→数字量模拟量输出模块（即D/A模块）数字量→模拟量动态输入/输出模块自带动态扫描功能温度传感器模块温度→模拟量→数字量高速计数模块高频脉冲信号远程I/O模块扩展I/O点的距离通讯模块与其它PLC、微机、互连网通讯第92页,共119页，2024年2月25日，星期天

PLC的软件系统1系统程序；2用户程序；3编程语言系统程序:

系统程序，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用、管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，在PLC使用过程中不会变动，它和PLC的硬件组成有关，它关系到PLC的性能。系统程序由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。第93页,共119页，2024年2月25日，星期天用户程序:用户程序是用户根据控制对象生产工艺及控制的要求而编制的应用程序。它是根据PLC控制对象的要求而定的。为便于读出、检查和修改，用户程序一般存于CMOS静态RAM中，用锂电池作为后备电源，以保证掉电时不会丢失信息。为防止干扰对RAM中程序的破坏，当用户程序经过运行正常，不需要改变，可将其固化在EPROM中。现在有许多PLC直接采用EEPROM作为用户存储器。第94页,共119页，2024年2月25日，星期天PLC的编程语言在PLC系统结构不断发展的同时，PLC的编程语言也越来越丰富，功能也不断提高。程序的表达方式基本有四种：梯形图、指令表、逻辑功能图和高级语言。梯形图是当前使用最广泛的一种编程方法。除了梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容的高级语言（BASIC、C语言等）等。多种编程语言的并存、互补与发展是PLC进步的一种趋势。第95页,共119页，2024年2月25日，星期天

梯形图编程语言梯形图（Ladderdiagram）编程语言是一种图形语言,类似于继电器控制线路图的一种编程语言，它面向控制过程，直观易懂，是PLC编程语言中应用最多的一种语言。

物理继电器PLC继电器常开常闭触点线圈两种梯形图的继电器符号图对照第96页,共119页，2024年2月25日，星期天名词解释——软继电器

PLC的继电器不是物理的电器，它是PC内部的寄存器位，因为它具有与物理继电器相似的功能，常称之为“软继电器”。常闭触点线圈常开触点说明：

PLC每一个继电器都对应着内部的一个寄存器位，该位为“1”态时，相当于继电器接通；为“0”态时，则相当于继电器断开。第97页,共119页，2024年2月25日，星期天

可编程序控制器分类1.按结构形式分类整体式PLC：整体式是将PLC的CPU、存储器、I/O单元、电源等安装在同一机体内，构成主机，另外还有I/O扩展单元配合主机使用，用以扩展I/O点数。整体式PLC的特点是结构紧凑、体积小、成本低、安装方便，但输入输出点数固定，灵活性较低，小型PLC多采用这种结构第98页,共119页，2024年2月25日，星期天组合式PLC：组合式PLC是由一些标准模块单元组成，采用总线结构，不同功能的模块（如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块等）通过总线连接起来。组合式PLC的特点是可以根据功能需要灵活配置，构成具有不同功能和不同控制规模的PLC，多用于大型和中型PLC。第99页,共119页，2024年2月25日，星期天组合式PLC第100页,共119页，2024年2月25日，星期天电源模块底板CPU模块IO模块模块式第101页,共119页，2024年2月25日，星期天模块式结构PLC的结构第102页,共119页，2024年2月25日，星期天3）叠装式PLC

还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来。叠装式PLC其CPU、电源、I/O接口等也是各自独立的模块，但它们之间是靠电缆进行联接，并且各模块可以一层层地叠装。这样，不但系统可以灵活配置，还可做得体积小巧。

第103页,共119页，2024年2月25日，星期天2.按控制规模分类输入输出的总路数，又称为I/O点数，是表征PLC控制规模的重要参数。因此，按控制规模对PLC分类时，可分为：1.小型PLC：I/O点数较少，在256点以下的PLC。2.中型PLC：I/O点数较多，在256点以上、2048点以下的PLC。3.大型PLC：I/O点数较多，在2048点以上的PLC。但大中小型PLC的划分并无严格的界限，PLC的I/O点数可以依据需要灵活配置。第104页,共119页，2024年