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1、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,7.1 概述,7.2 PLC的基本工作原理,7.3 S7-300 PLC及指令系统,7.4 可编程控制器的应用,4,

2、7.1 概述,可编程逻辑控制器,早期,逻辑控制为主,Programmable Logical Controller 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。,5,7.1.1 PLC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

3、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,6,7,7.1.2 PLC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.

4、3 PLC的分类,9,7.1.4 PLC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,10,7.2 PLC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。,7.2.1 PLC的基本组成,11,7.2.1 PLC基本组成,中央处理单元CPU,存储器,I/O接口,智能

5、模块,接口和扩展接口模块,电源模块,编程工具,12,7.2.1.1 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,13,7.2.1.2 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

6、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,14,7.2.1.3 I/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）,15,（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

7、10mA、420mA、15VDC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： Pt100 Cu50 热电偶 ,检测仪表,16,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（Analog to Digital Converter）等组成,A/D转换通常有二种方式： 逐次比较型 双积分型,17,逐次比较型A/D转换器,转换速率：一般小于 1 MHz（s级）,Step1：产生一个比较电压VC， VC = Vr / 21 = 0.5Vr VC与Vi相比较： (a) 若Vi = VC，则 输出最高位置“1”，VC保持

8、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 / 22 VC= VC +0.25Vr ， 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,18,开关树的权开关状态及转换示例,示例：4位04VDC输入逐次比较型AD 转换器 输入2.6

9、VDC，求转换结果。 参考电压4V 1）产生比较电压Vc（0.5Vr=2 V） ViVc，最高位置“1”，Vc不变进入下一次比较 2）产生比较电压Vc（ Vc Vc0.25Vr3V) 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 Vc0.0625Vr2.75V) ViVc，第4位置“0”，转换完成 转换结果：1010,19,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 TK,Step3：得出Vi的转换结果：T（ViT）/ V

10、r,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 ： KVrT + KViT = 0,20,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010VDC，分辨力10/2122.44mV （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

11、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,21,输入信号类型,22,A/D接口连接模式,23,思考题,现有一块2通道的A/D输入转换卡 一台24VDC电源 2台DDZIII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420mA标准电流输入，请将以下设备连接起来。 若A/D接口允许05VDC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

12、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？,24,思考题(1，5),A/D输入的共模电压高,A/D输入共地,RE,25,思考题(2),A/D 通道,24VDC电源,变送器一,RL,A/D 通道,24VDC电源,变送器一,420mA 250 15VDC,仪表输入信号为电流信号：仪表地输入端有一输入电阻（阻抗），如250等 仪表输入信号为电压信号：输入阻抗很大，一般可以认为是开路。,Io,Vi,RE,26,思考题(3，4),显示仪表也是一个负载！ 电流输入的浮地显示仪表可以加接的位置,思考题(4), 确保 RL + RL1R其它 变

13、送器的额定负载能力 若个负载具有电压输入的能力，先将电流转化成电压信号，通过电压并联分配。,RE,27,思考题(6),A/D 通道,24VDC电源,变送器一,RL,隔 离 器,现场接地仪表：多为四线制仪表（电源线、信号线独立） 常见的仪表是电磁流量计,RE,28,（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420mA等 如： 12位数字量（04095） 420mA 2047 对应的转换结果： 12mA,调节阀 变频器 ,29,D/A基本组成：,30,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

14、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 （0.5x LSB）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,31,信号输出类型,32,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

15、字保持方案和模拟保持方案两种。,33,单通路DA转换器输出形式 (数字保持),单通路DA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DA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DA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。,34,多通路DA转换器输出形式 (模拟保持),多通路DA转换器输出形式： 必须在CPU控制下分时工作，即依次把DA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

16、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。,35,思考题,现有一D/A输出卡 若D/A输出卡为15VDC电压输出，而负载要求为420mA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？,36,思考题1,RE,VT = 0 VF = (Vi + Vo)/2 VT = VF Vo = Vi Io = (0( Vi) / Rh = Vi / Rh,将15VDC电压输出，转化为420mA电流： Rh = 250 ,37,思考题2、3,RE,手自动切换：K1切换开关 手动操作按

17、钮：“增”、“减”按钮 自动：若Vi Vo，Vo =Vf， Vo1 0 Vo ,38,(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）,39,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

18、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,40,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入信号,41,思考题,如何利用一块开关量输入模块，接收多种不同类型的开关量输入信号 （24VDC、5VDC、15VAC）,42,(4) 开关量输出模块（DO）,DO作用：将PLC（CPU）内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平 驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯、小型电机等各种负载设备。,输出信号类型：晶体管输出（直流） 晶闸管输出（交流） 继电器输出（无源接点）,