仪表与装置 第07章-1.ppt

1 2 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 3 7 可编程序控制器 4 7 1可编程序控制器概述 可编程逻辑控制器 早期 逻辑控制为主 ProgrammableLogicalController PLC 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 5 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生产工艺多变化的系统适应性极差 需要使用大量的继电器 继电器间通过硬接线相连接 一旦工艺发生或控制要求变化 需要改变控制柜内继电器系统的硬件结构 甚至需要重新设计新系统 初衷 开发新的可编程序的控制设备取代继电器控制系统 美国数字设备公司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 6 7 7 1 2PLC的特点 可靠性高 抗干扰能力强 功能完善 通用灵活 编程简单 使用方便 此外 PLC还具有接线简单 系统设计周期短 体积小 重量轻 易于实现机电一体化等特点 使得PLC在设计 结构上具有其它许多控制器所无法相比的优越性 8 7 1 3PLC的分类 9 按厂家分类 在我国占有较大市场份额 较有影响的公司和PLC有 1 SIEMENS公司80年代S5系列PLC 主要有 更早还有S3系列PLC S5 90U 95U 微型PLC 整体式S5 100U 小型PLC 模块式 提供3种型号的CPU S5 115U 中型PLC 模块式 提供5种型号的CPU S5 115H 中型PLC 是由S5 115U组成的双冗余系统 高可靠性S5 135U S5 155U 大型PLC 控制点数可达6000多点S5 155H 大型PLC 是由S5 155U组成的双冗余系统 高可靠性90年代S7系列PLC 主要有S7 200系列 小型PLC 模块式S7 300系列 中型PLC 事实上 这类PLC也可以构成规模很大的系统 S7 400系列 大型PLC 10 2 OMRON公司80年代初 主要有C系列PLC 如C2000 C1000 C500 C20 随后出现C系列P型机 如C20P 普通型号尾部加字母 P 80年代后期推出H型机 如C20H C2000H 尾部加字母 H 还有SP系列超小型PLC 如SP20 SP16 SP10 点数小 价格低 速度极快 体积小90年代初期 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 执行速度比中型机C200H还快90年代后期 中型机C200H发展到C200HS 96年 C200H 97年 后者组网能力更强97年推出来P型机的升级产品 即CPM1A 体积小 通信功能加强99年推出功能比 机更完美的CS1系列PLC 代表来当今PLC发展动向 与此同时 还有CPM2A CPM2C CPM2AE等小型机总之 有CPM1A P型机 H型机 CQM1 CV CV型机 型等大 中 小 微均有 特别在中 小 微方面更具特长在中国及世界市场 都占有相当的份额 11 美国GE公司 日本FANAC合资的GE FANAC美国Modicon公司 被施奈德兼并 美国AB Alien Bradley 日本三菱公司日本日立公司日本东芝公司日本松下公司日本富士公司等都生产PLC 并有一定的地位 国内PLC厂家规模多不大 最有影响的算是无锡的华光 它也生产多种型号与规格的PLC 如SU SG等 发展也很快 在价格上很有优势 相信会在世界PLC之林中一定有其位置的 12 7 1 4PLC的发展趋势 长期以来PLC走的是专有化的道路 这使其获得成功的同时也带来了许多制约因素 目前绝大多数PLC不属于开放系统 寻求开放型的硬件或软件平台成了当今PLC的主要发展目标 就PLC系统而言 现代PLC主要有以下二种发展趋势 向大型网络化 综合化方向发展 向体积小 速度快 功能强 价格低的小型化方向发展 13 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 1 2 6PLC的基本组成 14 PLC控制的基本概念 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 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 15 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 16 PLC CPM1A PLC接线原理图 17 PLC控制等效电路图 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 18 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 启动 停止按钮等 或被控对象的各种状态信息 由行程开关 接近开关等提供 PLC的每一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 控制程序放在PLC的用户程序存储器中 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 19 PLC控制等效电路图 梯形图是从继电器控制电路的原理图演变而来的 PLC内部的继电器并不是实际的硬继电器 每个继电器是PLC内部存储单元的一位 因此称为 软继电器 梯形图是由这些 软继电器 组成的控制线路 但它们并不是真正的物理连接 而是逻辑关系上的连接 称为 软接线 当存储单元的某位状态为1时 相当于某个继电器线圈得电 当状态为0时 相当于该继电器线圈断电 软继电器的常开触点 常闭触点可以在程序中使用无数多次 PLC为用户提供的继电器一般有 输入继电器 输出继电器 辅助继电器 特殊功能继电器 移位寄存器 定时器 计数器等 其中 输入 输出继电器一般与外部输入 输出设备相连接 而其它继电器与外部设备没有直接联系 20 7 2 1PLC基本组成 中央处理单元CPU 存储器 I O接口 智能模块 接口和扩展接口模块 电源模块 编程工具 21 7 2 1 1中央处理单元CPU PLC的核心 基本功能 通过输入装置读入外设的信号和状态 用户程序根据输入信号 状态进行处理 处理结果通过输出装置去控制外设 外设包括 I O模块 OP 编程器 22 7 2 1 2存储器 PLC常用的存储器主要有PROM EPROM E2PROM RAM等几种 多数都直接集成在CPU单元内部 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 在正式投运之前往往需要经常调试和改动 多存放于RAM中 并配有后备电池以防止电源丢失程序 调试完毕 可以将其转存于EPROM或E2PROM之中 以免用户程序被随意改动 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 23 7 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 24 1 模拟量输入模块 A D AI A D作用 将现场仪表输出的 标准 模拟量信号0 10mA 4 20mA 1 5VDC等转化为计算机可以处理的数字信号 变送器 温度变送器压力变送器流量变送器液位变送器成分分析仪传感器 Pt100Cu50热电偶 检测仪表 25 A D组成 一般是由多路转换开关 前置放大器 采样保持器 ADC AnalogtoDigitalConverter 等组成 A D转换通常有二种方式 逐次比较型 双积分型 26 逐次比较型A D转换器 转换速率 一般小于1MHz s级 Step1 产生一个比较电压VC VC Vr 21 0 5VrVC与Vi相比较 a 若Vi VC 则输出最高位置 1 VC保持不变进入下一次比较 b 若Vi VC 则最高位置 0 则从VC中减去Vr 21进入下一次比较 比较过程 设 Vr为参考电压 内部固定 VC比较电压Vi输入电压 Step2 比较电压加上Vr 22VC VC 0 25 Vr VC与Vi进行第2次比较 a 若Vi VC 则输出次高位为1 VC保持不变进入下一次比较 b 若Vi VC 则次高位为0 则从VC中减去Vr 22进入下一次比较 依此类推 逐次比较型A D转换器的比较次数等于A D转换器分辨率的位数 27 开关树的权开关状态及转换示例 示例 4位0 4VDC输入逐次比较型A D转换器输入2 6VDC 求转换结果 参考电压4V1 产生比较电压Vc 0 5 Vr 2V Vi Vc 最高位置 1 Vc不变进入下一次比较2 产生比较电压Vc Vc Vc 0 25 Vr 3V ViVc 第3位置 1 Vc不变进入下一次比较4 产生比较电压Vc Vc Vc 0 0625 Vr 2 75V Vi Vc 第4位置 0 转换完成转换结果 1010 28 双积分型A D转换器 双积分型A D转换器 中等转换速率且分辨率较高 抗干扰性强 ms级 Step1 Vi加入积分器 积分器从0V开始积分一固定时间T 积分器输出VT Vi T K Step3 得出Vi的转换结果 T Vi T Vr Step2 断开输入电压 负参考电压Vr加入积分器 开始反向积分 由高精密计数器记录记录积分器输出从VT降回到0V所需要的时间T K Vr T K Vi T 0 29 转换技术 调制器包含1个差分放大器 1个积分器 1个比较器以及1个由1bitDAC 1个简单的开关 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 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 积分器用来对误差电压求和 对于输入信号表现为一个低通滤波器 而对于量化噪声则表现为高通滤波 这样 大部分量化噪声就被推向更高的频段 如果对噪声成形后的 调制器输出进行数字滤波 将有可能移走比简单过采样中更多的噪声 30 AD7715是以 原理工作的16位模数转换器采用单一5V AD7715 5 或3V AD7715 3 电源供电可用最少数量的口线与单片机或微处理器相接适用于单通道低速小信号采样的应用场合 该芯片在智能仪表中常用 31 A D转换的性能指标 分辨力 A D接口变化一个LSB 二进制最低有效位 时输入模拟量的最小变化量例 12位A D转换器 输入范围0 10VDC 分辨力 10 212 2 44mV 通常分辨率以输入二进制数的位数来表示 10位 12位分辨率 线性误差 实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括偏移误差 0输入非0输出 非线性误差等 线性误差通常以LSB的分数表示 如 1 2LSB 1LSB等 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 模块包含的A D通道数 输入信号类型 单极性 双极性 信号范围 信号制 32 输入信号类型 33 A D接口连接模式 34 思考题 1 现有一块2通道的A D输入转换卡一台24VDC电源2台DDZ III型二线制变送器变送器采用24VDC电源集中供电每台变送器对应一个A D输入通道 若A D接口允许4 20mA标准电流输入 请将以下设备连接起来 若A D接口允许0 5VDC标准电压输入 该如何连接 回路中须加接显示仪表 该如何连接 分析变送器的负载 若实际负载超过变送器的额定负载能力 应如何处理 若A D接口各输入通道的 端共地 端连接在一起 连接时应注意什么 若变送器输出 端现场接地 连接时应注意什么 35 2 模拟量输出模块 D A AO D A作用 将计算机内部的数字信号转化为现场仪表可以接收的标准信号4 20mA等如 12位数字量 0 4095 4 20mA2047对应的转换结果 12mA 调节阀变频器 36 D A基本组成 37 D A转换的性能指标 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 线性误差 实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差包括偏移误差 0输入非0输出 非线性误差等 线性误差通常以LSB的分数表示 如 1 2LSB 1LSB等 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 模块包含的D A通道数输出信号类型 电流 电压及输出范围 38 信号输出类型 39 D A接口连接模式 模拟量输出通道的连接模式 主要取决于输出保持器的构成方式 输出保持器的作用 在新的控制信号来到之前 使本次控制信号维持不变 输出保持器一般有数字保持方案和模拟保持方案两种 40 单通路D A转换器输出形式 数字保持 单通路D A输出形式 微处理器和通路之间通过独立的接口缓冲器传送信息优点 转换速度快 工作可靠 即使某一路D A转换器有故障 也不会影响其它通路的工作 缺点 使用了较多的D A转换器 随着大规模集成电路技术的发展 该缺点正在逐步得到克服 41 多通路D A转换器输出形式 模拟保持 多通路D A转换器输出形式 必须在CPU控制下分时工作 即依次把D A转换器转换成的模拟电压 或电流 通过多路模拟开关传送给输出保持器 优点 节省了数 模转换器 缺点 只适用于通路数量多且速度要求不高的场合 它还要用多路开关要求输出采样保持器的保持时间和采样周期较大其可靠性相对较低 42 思考题 2 现有一D A输出卡 若D A输出卡为1 5VDC电压输出 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 请分析这部分电路的原理 这部分电路是否具备手动跟踪自动的功能 如何实现计算机自动跟踪手动 43 3 开关量输入模块 DI DI作用 将现场过程来的数字量信号 1 0 转换成PLC内部的TTL标准电平的二进制信号 数字量信号类型 直流电压 交流电压 无源接点等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 映像区 44 直流电压输入DI 当开关K闭合以后 输入现场信号 1 外部电压经R1 R2分压 稳压二极管DW形成稳定的输入电压 输入指示二极管D1和光电耦合器T的发光二极管点亮 并驱动光电三极管导通 把现场开关量信号转换为CPU需要的TTL标准信号 电容C和R2构成了输入滤波电路 可以滤除输入信号的高频干扰 45 交流电压输入DI 电容C为隔直电流 对交流信号相当于短路 D1是二个反向并联连接的发光二极管 实现输入信号指示 光电耦合器T的发光二极管也是通过二个发光二极管反向并联连接而成 所以该输入单元可以接收交流输