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控制系统,集散控制系统(DCS)的基本知识集散控制系统DCS及其应用可编程控制器（PLC）,与继电器线路比较PLC有何优势,集散控制系统(DCS)简介,DCS，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。,首先，DCS的骨架系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内,完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数,量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。,其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。,系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随,时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。DCS自1975年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十多年中，DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，DCS正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。,作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控 制这一部分的自动化，而工业自动化系,统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即total solution 的层次。只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。,进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。,集散控制系统DCS及其应用,描述：图1 计算机控制系统 如图：,描述：图2 直接数字控制DDC,1 引言 在工业生产中有各种各样的控制问题，其解决程度直接关系到经济效益和管理水平。在发达国家由于综合自动化水平高，设备工艺先进，普遍采用了计算机控制与管理，生产与管理效益极高，产品质量好，成本低，可靠性高等，生产过程中人为影响因素几乎没有。在我国由于经济发展水平及历史的原因，尽管近来发展很快，但综合自动化程度还是较低，普遍停留在单机自动化水平，操作,者与管理层之间的通信甚至还停留在用电话联系的水平，管理时效性差，管理层难于全面了解控制现场情况，因此大量的有用信息沉淀、流失，形成一个个“自动化孤岛”或“信息孤岛”，要发挥信息在工业自动化中的指导作用，其解决方案之一就是推广集散控制系统的应用。,2 计算机控制系统 生产过程自动化控制 主要有开关控制和调节控制，当前大多以计算机控制系统，也就是数字控制系统来实现，如图1所示，系统中包含有时间上离散、幅度上量化的数字信号e(k)和u(k)。计算机控制系统的特点是被控对象大部分为模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此两者之间必须执行A/D和D/A转换，以实现这两,种信号之间的相互转换。如果忽略幅值上的量化效应，数字信号即为离散信号，因此，计算机控制系统若不考虑量化问题即为采样控制系统，如果将连续的控制对象连同保持器一起进行离散化，那么采样控制系统即简化为离散控制系统。,计算机控制系统又分为集中式监控系统与分布式控制系统。前者计算机可能并不直接参与控制，对被控对象不会产生直接的影响，主要任务是对大量被控参数和设备的状态进行巡回采样，数据记录、数据统计和整理、数据越限报警以及对大量数据进行积累和分析，属计算机监视系统，现场控制是通过人工来完成;如果计算机直接参与控制过程，称为计算机直接数字,控制系统(DDC,Direct Digital Control)，是计算机的过程输入通过控制算法得到控制输出后，以计算机取代模拟调节器，直接通过接口控制执行机构，从而实施对现场被控过程的控制，使被调量保持在给定值，主要用于较小的回路控制，DDC系统由被控对象(生产过程)、检测仪表、执行装置和数字控制调节器组成，优点是因为计算机运算能力强，很容易实现串级控制、前馈控制等比较复杂的控制规律，其框图如图2所示。,计算机集中监控系统由一台中央计算机来承担，使得系统配置、反应速度及系统可靠性等方面都受到很大限制，一般只适用于中小规模的自动化系统。如果设备量大，地域分布广，需要进行监控的数量多，应根据每种设备的不同特点，分别采用不同规律相对独立地控制，并且这种监视(管理)与控制之间应该保持密切的联系，以达到最优的效果，问题的解决方案就是采用集散式计算机控制系统。,描述：图3 DCS的基本构成构图,描述：图4 DCS系统组成框图,3 集散式控制系统DCS(DistributedControl System)集散式控制系统亦称为分布式控制系统。前已述及，计算机控制系统按结构划分，可以分为集中控制和分布式控制，集中控制指由单一的计算机完成控制系统的所有功能和对全部被控对象实施控制的一种系统结构，其优点是系统的整体性和协调性好，但对计算机的可靠性和安全性要求甚高;而分布式控制系统DCS则以多台计算机分别承担不同的控制功能和处理范围，,不仅其处理能力大大提高，而且将危及系统安全的因素降低。传统意义上的DCS系统的最基本构构图式如图3所示。,图中:C1，C2，Cn为控制，f1，f2，fn为反馈信息。对DCS系统而言，各控制单元之间没有直接信息联系，各控制单元有自己的性能指标，控制策略和算法，且其性能指标和控制算法等由决策单元按一定优化准则调节给出。如果图3中去掉决策单元，就成了分散控制系统(Decentralized Control System)，它并不具备DCS的上述特性。,在工程中，DCS系统除完成控制功能，还要实现监视、管理等其它功能，其系统组成框图如图4所示。由图4可见，DCS系统实际上是一种分级递阶结构。各控制器完成过程现场的控制任务，根据控制对象特性，可以分别情况，采用顺序控制，程序控制，模拟量控制等等，其控制策略与控制算法要随被控对象与要求而定。数据采集器用于,收集控制信息和被控过程的各种状态信息，数据采集任务不但可由控制器完成，也可由一般仪表和逻辑箱完成。控制器和数据采集器在控制现场对信号进行预处理后经高速数据通道送到上级计算机和CRT操作站，CRT操作站是显示操作装置，监控级(计算机)通过协调各控制器的工作，实现控制过程的动态最优化。管理级(计算机)具有管理,功能，又兼具对监控级实现监控功能，它具有丰富的信息资源，能够对被控对 象进行监控，制定计划，进行成本核算，对设备和人员进行管理等，以实现被控过程的静态最优化和综合自动化。,描述：图5 DCS结构,4.分布式控制系统有以下主要特点:,(1)采用分级递阶式控制 以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的模拟控制，并且能实现复杂算法控制和程序控制。在基本控制器内可采用固化的应用软件，在控制现场对输入输出数据进行数据处理，减少了信息的传输，大大减少了上级计算机的数据处理量，降低了对上级计算机的要求，使系统程序应用较为简单。,(2)采用物理上的分散结构，实现了分散控制 在现场就地安装控制器，不仅节省了输入输出电缆的长度，同时减少了传输信号的干扰。在功能上各控制器各自为政，各自独立完成各自的功能，使系统故障分散，从而使系统可靠性大为提高。,(3)具有计算机的通讯系统，可实现综合控制高速数据通道的通信系统，实现了各控制器、监控计算机和管理计算机的综合控制，通过高速数据通道，能把各自为政的控制器与监控计算机联系起来，进行协调控制。利用监控计算机的运算能力，能完成高级复杂的控制算法，以实现整体的最优化。利用管理计算机丰富的软硬件资源和信息资源，实现计划、管理、决策的最优化，从而实现整个系统控制的最优化。,(4)可设置多功能的CRT操作站以实现集中监控与操作 CRT是人-机接口，要CRT操作站可以存取和显示多种画面，用以全面监控全部控制过程变量以及其它参数，并可直接远程操作各控制器，从而实现了集中监视和集中操作。,DCS的基本骨架是计算机网络，然后是连接在网络上的三类节点面向被控过程现场的现场I/O控制站、面向操作人员的操作站和面向DCS监督管理人员的工程师站，见图5所示。,由于DCS的网络需要满足被控过程的实时性要求和分散性原则，因此DCS的网络结构是环形和总线型，在这两种结构的网络中，各个节点是平等的，任意二个节点之间的通信可以直接通过网络进行，而不需要其他节点的介入，但另一方面，它需要共用传输介质，实现传输介质共享，一种主要解决方法是以令牌来限定每个节点用网络的时间，另一种方法则是CSMA/CD方式，即载波侦听与碰撞检测技术，但它主要用于更高层的管理。,现场控制站是完成对过程现场I/O处理的直接数字控制器(DDC)，它对现场发生的过程量作数字采集和存贮，并通过网络向上传送，同时本身也完成局部的闭环控制与顺序控制。操作员站主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否出现有异常情况等的报警显示，并可作历史趋势、系统状态等多种显示，,通过操作员键盘执行，同时操作员也可对过程进行调节和控制，操作员站的主要设备是彩色CRT显示器、键盘、鼠标器或轨迹球。工程师站用于对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护。,DCS系统采用大系统分级递阶控制的思想，将产生过程作水平分解而将功能作垂直分解，生产过程的控制采用全分散的结构，而生产过程的信息则全部集中并存储于数据库中，利用通信网络向上传递，这种控制分散、信息集中的结构使系统的危险分散，提高了可靠性，因此被称之为集散控制系统。,技术的发展促使DCS系统向集成化、开放化、智能化方向发展。实现开放式的通信系统，与管理信息紧密结合，向上能与MAP/TOP或Ethernet接口，向下支持现场总线，使得过程控制中的智能设备和仪表能够实现高可靠的实时全数字通信，将成为新一代的DCS。,4 DCS的工程实现 由DCS的结构可知其工程实现是不困难的，国外早有现成产品，国内一些大型企业如电厂等几乎都是进口的成套系统，可靠性高，但投资大。一般可以自己设计，现场控制级可以采用工控机保证高可靠性，管理决策级采用高档PC机，应用软件可根据工程需要自己编程。特别是一些复杂控制对象，其控制算法是没有现成控制模块可以调用的，应在正确策略选取的基,础上，自己设计控制算法。从作者已完成的多个工程项目看，采用DCS系统克服“孤岛”现象后，每个“自动化孤岛”在决策级统一指挥下协调地工作，系统的管理(监视)功能大大增强，现场控制级处于优化状态，生产效率高，故障少，产品质量稳定，操作管理人员也相应减少了，经济效益显著提高。如某钢铁企业有12个自动化水泵站，由于地域分散，泵站间距离有的相距,1km以上，各泵站各自为政，形如“孤岛”，计划调度十分不便，本来水资源供应十分充足，但由于是分散控制，造成有的现场严重缺水。经改造后采用DCS控制方案，很好地解决了水资源的集中调度与管理问题，不仅充分满足了该企业的工作及生活用水，而且还解决了周边地区居民用水问题，经济效益和社会效益大大提高，管理水平也上了一个新台阶，受到用户欢迎。,5 结束语从图3可见，各控制单元之间没有直接通信联系，它们之间是通过决策单元交换信息取得联系的，事实上DCS 只是做到了半分布，测控层并没有实现彻底分布，控制依赖于控制站，DCS是半数字化系统。如采用现场总线，则可构成现场总线控制系统(FCS)，它是一种全数字、半双工串行双向通讯系统，作为一种局域网，用于连接现场智能仪表，其信号传输采用全数字化，即智能式分布控制系统。智能式,分布控制系统在国外已有现成产品，如Lonworks等，但因价格太贵，要普遍大规模推广应用还有不少困难。因此，推广应用DCS系统，克服“孤岛”现象，是有现实工程价值和经济意义的。,可编程控制器（PLC）,PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的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、计时、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该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”,2.PLC的特点2.1可靠性高，抗干扰能力强高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电5a8路技术，采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点,已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低,此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。,2.2配套齐全，功能完善，适用性强PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合.除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。,2.3易学易用，深受工程技术人员欢迎PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事打开了方便之门。,2.4系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序432改变生产过程成为可能。这很适合多品种,小批量的生产场合。,2.5体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。,3.PLC的应用领域目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。,3.1开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。,3.2模拟量控制在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。,3.3运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控1b06世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合.,3.4过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块,目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热炉控制等场合有非常广泛的应用。,3.5数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。,3.6通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接接口,通信非常方便。,4.PLC的国内外状况世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能.20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工,程技术人员使用控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。,更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。,20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。,我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用.程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规,模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期,随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。,5.PLC未来展望21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产,品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。,PLC基础知识,1.PLC的发展历程,在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出制取装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于这就是第一代可编程序控制器，,称Programmable Controller(PC）。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC)。,上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力.能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处的DCS系统。,PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是的地位，在可预见的将来，是无法取代的。,2.PLC的构成,从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定置。,3.CPU的构成,CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信有关的控制电路。,CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工取指令、解释指令及执行指令。,但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规率。,4.I/O模块,PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号;输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI);输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。,开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14b等。除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或制。,5.电源模块,PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。,6.底板或机架,大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械模块间的连接，使各模块构成一个整体。,7.PLC系统的其它设备,编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行充当编程器。也就是我们系统的上位机。,人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。,8.PLC的通信联网,依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算,机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过PI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。,PLC控制系统的设计基本原则,1 最大限度的满足被控对象的控制要求。2 在满足控制要求的前提下，力求使控制系统简单、经济、使用和维护方便。3 保证控制系统安全可靠。4 考虑到生产的发展和工艺的改进在选择PLC容量时应适当留有余量。,PLC软件系统及常用编程语言,1 PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。系统程序包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。系统软件由PLC厂家提供并已固化在EPROM中，不能直接存取和干预。用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。,STEP7是用于SIMATIC可制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序在线监视。,2 PLC提供的编程语言 2.1 标准语言梯形图语言也是我们最常用的一种语言，它有以下特点：2.1.1 它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线。2.1.2 梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内计数器等的状态。,2.1.3 梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。2.1.4 内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。2.1.5 PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出户程序中可以当做条件使用。,2.2 语句表语言，类似于汇编语言。2.3 逻辑功能图语言，沿用半导体逻辑框图来表达，一般一个运算框表示一个功能左边画输入、右边画输出。,STEP7程序的使用,1 创建一个项目结构，项目就象一个文件夹，所有数据都以分层的结构存在于其中，任何时候你都可以使用。在创之后，所有其他任务都在这个项目下执行。2 组态一个站，组态一个站就是指定你要使用的可编程控制器，例如S7300、S7400等。,3 组态硬件，组态硬件就是在组态表中指定你的控制方案所要使用的模板以及在用户程序中以什么样的地址来访板，地址一般不用修改由程序自动生成。模板的特性也可以用参数进行赋值。,4 组态网络和通讯连接，通讯的基础是预先组态网络，也就是要创建一个满足你的控制方案的子网，设置网络特 网络连接特性以及任何联网的站所需要的连接。网络地址也是程序自动生成如果没有更改经验一定不要修改。,5 定义符号，可以在符号表中定义局部或共享符号，在你的用户程序中用这些更具描述性的符号名替代绝对地址命名一般用字母编写不超过8个字节，最好不要使用很长的汉字进行描述，否则对程序的执行有很大的影响。,6 创建程序，用梯形图编程语言创建一个与模板相连结或与模板无关的程序并存储。创建程序是我们控制工程的之一，一般可以采用线形编程（基于一个块内，OB1）、分布编程（编写功能块FB,OB1组织调用）、结构化编程（编块）。我们最常采用的是结构化编程和分布编程配合使用，很少采用线形编程。,7 下载程序到可编程控制器，完成所有的组态、参数赋值和编程任务之后，可以下载整个用户程序到可编程控制载程序时可编程控制器必须在允许下载的工作模式下（STOP或RUN-P）,RUN-P模式表示，这个程序将一次下载一个块写一个旧的CPU程序就可能出现冲突，所以一般在下载前将CPU切换到STOP模式。,WINCC程序的使用,1 简介，WINCC是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。具有控制自动化过程的强大 基于个人计算机的操作监视系统，它很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面精确的满足生产实际要求。WINCC本RC版（具有组态和开发环境）、RT版（只有运行环境），我们一般使用的是RC版。,2 WINCC简单使用步骤2.1 变量管理，首先确定通讯方式安装驱动程序，然后定义内部变量和外部变量，外部变量是受你买的WINCC软件 的最大授权64K字节，内部变量没有限制。2.2 画面生成，进入图形编辑器，图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以使用包含样式库中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。,2.3 报警记录设置，报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消消息显示以及报表。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器中的对象库中的报警控件。,2.5 报表组态，报表组态是通过报表编辑器来实现的。是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据定时器或档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表的形式。,2.6 全局脚本的应用，全局脚本就是C语言函数和动作的通称，根据不同的类型脚本被用于给对象组态动作并通过言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始这些动作的执行。,2.7 用户管理器设置，用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每建立一个用户WINCC功能的访问权利并独立的分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。,2.8 交叉表索引，交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处，例如变量、画面和函数等。使用“链接”功能可以称而不会导致组态不一致。,与继电器线路比较PLC有何优势,1.功能强，性能价格比高 一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器相比，具有很高的性能价格比。可篇程序控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。,2.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。用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同的功能、不规模的系统。楞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。PLC有很强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。,3.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，PLC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，接线可减少互继电器控制系统的1/10-1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。PLC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，PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。,4、系统的设计、安装、调试工作量少 PLC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。PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计方法。这种编程方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。PLC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PLC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少得多。,5.编程方法简单 梯形图是使用得最多的可编程序控制器的编程语言，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一种高级语言，可编程序控制器在执行梯形图的程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。,6、维修工作量少，维修方便 PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的住处迅速的查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。,7.体积小，能耗低 对于复杂的控制系统，使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的体积相当于几个继电器大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的确1/2-1/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线要少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，可以减少大量费用。学得辛苦，做得舒服。,DCS 与PLC的区别,1.DCS是一种“分