1、12 早期早期 邏輯控制為主邏輯控制為主 Programmable Logical Controller Programmable Controller 本義本義 36060年代末期，美國的汽車工業的迅速發展年代末期，美國的汽車工業的迅速發展在在PLCPLC問世以前，問世以前，在順序控制領域中占有主導地位，但由在順序控制領域中占有主導地位，但由繼電器構成的控制系統對生產工藝多變化的系統適應性極差：繼電器構成的控制系統對生產工藝多變化的系統適應性極差： 需要使用大量的繼電器需要使用大量的繼電器 繼電器間通過硬接線相連接繼電器間通過硬接線相連接 一旦工藝發生或控制要求變化，需要改變控制柜內繼電器系

2、一旦工藝發生或控制要求變化，需要改變控制柜內繼電器系 統的硬件結構，甚至需要重新設計新系統統的硬件結構，甚至需要重新設計新系統 開發新的可編程序的控制設備取代繼電器控制系統開發新的可編程序的控制設備取代繼電器控制系統4早期的早期的PLCPLC雖然采用了計算機的設計思想，但實際上它只能完成順序雖然采用了計算機的設計思想，但實際上它只能完成順序控制，僅有邏輯運算、定時、計數等順序控制功能控制，僅有邏輯運算、定時、計數等順序控制功能在經歷了在經歷了3030年的發展，現代年的發展，現代PLCPLC產品已經成為了名符其實的多功能產品已經成為了名符其實的多功能控制器，如邏輯控制、過程控制、運動控制、數據處

3、理等功能都得控制器，如邏輯控制、過程控制、運動控制、數據處理等功能都得到了很大的加強和完善。到了很大的加強和完善。與此同時，與此同時，PLCPLC的網絡通信功能也得到飛速發展，的網絡通信功能也得到飛速發展，PLCPLC及及PLCPLC網絡成網絡成為了工廠企業中不可或缺的一類工業控制裝置。為了工廠企業中不可或缺的一類工業控制裝置。 5可靠性高、抗干擾能力強可靠性高、抗干擾能力強 功能完善，通用靈活功能完善，通用靈活 編程簡單、使用方便編程簡單、使用方便 此外，此外，PLCPLC還具有接線簡單、系統設計周期短、還具有接線簡單、系統設計周期短、體積小、重量輕、易于實現機電一體化等特點，體積小、重量輕

4、、易于實現機電一體化等特點，使得使得PLCPLC在設計、結構上具有其它許多控制器在設計、結構上具有其它許多控制器所無法相比的優越性。所無法相比的優越性。 6按地域范圍按地域范圍 按按I/O點數點數 按結構按結構 一體化一體化模塊化模塊化通 信 接 口I/O 接 口ROMRAM電池CPU上位機電源AODOAIDI執行器測量儀表其它外設總線連接器電源模塊CPU模塊通信模塊I/O模塊DIN導軌模塊DIN導軌7在我國占有較大市場份額、較有影響的公司和在我國占有較大市場份額、較有影響的公司和PLCPLC有：有：82.OMRON公司公司 80年代初，主要有年代初，主要有C系列系列PLC，如，如C2000、

5、C1000、C500、C20 隨后出現隨后出現C系列系列P型機，如型機，如C20P，普通型號尾部加字母，普通型號尾部加字母“P” 80年代后期推出年代后期推出H型機，如型機，如C20H、C2000H，尾部加字母，尾部加字母“H” 還有還有SP系列超小型系列超小型PLC，如，如SP20/SP16/SP10，點數小，點數小/價格低價格低/速度極快速度極快/體積小體積小 90年代初期，推出大型機年代初期，推出大型機CV系列和小型機系列和小型機CQM1，前者性能比大型，前者性能比大型H機更高，后者為無機更高，后者為無底板、模塊式結構，執行速度比中型機底板、模塊式結構，執行速度比中型機C200H還快還快

6、 90年代后期，中型機年代后期，中型機C200H發展到發展到C200HS(96年年)、C200H(97年年)，后者組網能力更強，后者組網能力更強 97年推出來年推出來P型機的升級產品，即型機的升級產品，即CPM1A，體積小、通信功能加強，體積小、通信功能加強 99年推出功能比年推出功能比機更完美的機更完美的CS1系列系列PLC（代表來當今（代表來當今PLC發展動向）發展動向） 與此同時，還有與此同時，還有CPM2A、CPM2C、CPM2AE等小型機等小型機 總之，有總之，有CPM1A，P型機，型機，H型機，型機，CQM1、CV、CV型機，型機，型等型等 大、中、小、微均有，特別在中、小、微方面

7、更具特長大、中、小、微均有，特別在中、小、微方面更具特長 在中國及世界市場，都占有相當的份額。在中國及世界市場，都占有相當的份額。 9美國美國GE公司、日本公司、日本FANAC合資的合資的GEFANAC美國美國Modicon 公司公司(被施奈德兼并被施奈德兼并)美國美國AB（AlienBradley）日本三菱公司日本三菱公司日本日立公司日本日立公司日本東芝公司日本東芝公司日本松下公司日本松下公司日本富士公司等都生產日本富士公司等都生產PLC，并有一定的地位。，并有一定的地位。國內國內PLC廠家規模多不大。最有影響的算是無錫的華光。它也生產多種廠家規模多不大。最有影響的算是無錫的華光。它也生產多

8、種型號與規格的型號與規格的PLC，如，如SU、SG等，發展也很快，在價格上很有優勢。等，發展也很快，在價格上很有優勢。相信會在世界相信會在世界PLC之林中一定有其位置的。之林中一定有其位置的。10向大型網絡化、綜合化方向發展向大型網絡化、綜合化方向發展 向體積小、速度快、功能強、價格低的小型化方向發展向體積小、速度快、功能強、價格低的小型化方向發展 11 系統總線CPU主機圖圖7.4 PLC7.4 PLC組成的原理框圖組成的原理框圖RAMEPROME2PROM通信接口外設接口PIO接口PLC、IPC、OP編程器、打印機變送器、執行器等現場儀表電源模塊CPU模塊通信接口模塊I/O模塊I/O模塊智

9、能I/O模塊系統總線電源線圖圖7.5 7.5 模塊化模塊化PLCPLC結構示意圖結構示意圖編程器、編程器、 PLC、IPC、OP12M13M2313M13M23KM1SB1KM1KT10SKTKM2SB214KM1SB1SB2KM1KT10SKTKM2PLC(CPM1A)SB200001SB100000COM24VDCKM1KM2COM220VAC010000200015SB200001SB100000COM24VDCKM1KM2COM220VAC0100002000輸入繼電器線圈輸出觸點內部繼電器觸點000000000101000TIM00TIM000100001001內部輸出繼電器線圈PL

10、C控制程序（梯形圖）16接收操作指令(啟動、停止按鈕等)，或被控對象的各種狀態信息(由行程開關、接近開關等提供)。PLC的每一個輸入點對應一個內部輸入繼電器，當輸入點與輸入COM端接通時，輸入繼電器線圈通電，它的常開觸點閉合、常閉觸點斷開這一部分是用戶編制的控制程序，通常用梯形圖的形式表示。控制程序放在PLC的用戶程序存儲器中。系統運行時，PLC依次讀取用戶程序存儲器中的程序語句，對它們的內容進行解釋并加以執行，有需要輸出的結果則送到PLC的輸出端子，以控制外部負載的工作。根據程序執行的結果直接驅動負載。在PLC內部有多個輸出繼電器，每個輸出繼電器對應輸出端的一個硬觸點，當程序執行的結果使輸出

11、繼電器線圈通電時，對應的硬輸出觸點閉合，控制負載的動作。17是從繼電器控制電路的原理圖演變而來的。PLCPLC內部的繼電器內部的繼電器 并不是實際的硬繼電器，每個繼電器是PLC內部存儲單元的一位，因此稱為“軟繼電器軟繼電器”。梯形圖是由這些“軟繼電器”組成的控制線路，但它們并不是真正的物理連接，而是邏輯關系上的連接，稱為“軟接線軟接線”。當存儲單元的某位狀態為1時，相當于某個繼電器線圈得電； 當狀態為0時，相當于該繼電器線圈斷電。軟繼電器的常開觸點、常閉觸點可以在程序中使用無數多次。PLC為用戶提供的繼電器一般有：輸入繼電器、輸出繼電器、輔助繼電器、特殊功能繼電器、移位寄存器、定時器、計數器等

12、。其中，輸入、輸出繼電器一般與外部輸入、輸出設備相連接，而其它繼電器與外部設備沒有直接聯系。18中央處理單元中央處理單元CPU 存儲器存儲器 I/O接口接口 模擬量輸入模塊模擬量輸入模塊 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊 開關量輸入模塊開關量輸入模塊 開關量輸出模塊開關量輸出模塊 智能模塊智能模塊 接口和擴展接口模塊接口和擴展接口模塊 電源模塊電源模塊 編程工具編程工具 專用編程器專用編程器 專用編程軟件專用編程軟件 19基本功能基本功能 通過輸入裝置讀入通過輸入裝置讀入的信號和狀態，用戶程序根據輸的信號和狀態，用戶程序根據輸入信號、狀態進行處理，處理結果通過輸出裝置去控制入信號、狀態進行處理，處

13、理結果通過輸出裝置去控制外設。外設。 外設包括：外設包括：I/O模塊、模塊、OP、編程器、編程器例如：例如： 早期的早期的TI545串口串口(19.2kbps、38.4kbps)臺灣的臺灣的FAMA串口、串口、EtherNetSIEMENS S7 CPU31xMPI(187.5kbps)SIEMENS S7 CPU31x2MPI(187.5kbps) Profibus-DP(12Mbps)其它功能其它功能 網絡功能網絡功能*20PLC常用的存儲器主要有常用的存儲器主要有PROM、EPROM、E2PROM、RAM等幾種，等幾種，多數都直接集成在多數都直接集成在CPU單元內部。單元內部。 用于存放

14、：用于存放：、和和21CRT、鍵盤過程控制計算機A/DDID/ADO 被控過程（對象）被控變量操作變量I/O模塊的主要類型包括模塊的主要類型包括：模擬量輸入模塊模擬量輸入模塊（AI） 模擬量輸出模塊模擬量輸出模塊（AO） 開關量輸入模塊開關量輸入模塊（DI） 開關量輸出模塊開關量輸出模塊（DO） 22A/DA/D作用作用：將現場儀表輸出的（標準）模擬量信號：將現場儀表輸出的（標準）模擬量信號010mA、420mA、15VDC等等轉化為計算機可以處理的數字信號轉化為計算機可以處理的數字信號變送器：變送器： 溫度變送器溫度變送器 壓力變送器壓力變送器 流量變送器流量變送器 液位變送器液位變送器 成

15、分分析儀成分分析儀傳感器：傳感器： Pt100 Cu50 熱電偶熱電偶 現場儀表模擬信號現場儀表模擬信號420mA010mA15VDCmV、模數轉換模數轉換(A/D、AI)端口端口(地址地址)數 字 信數 字 信號號0409501023CPU數 字 信數 字 信號號0409501023工程化轉換工程化轉換工程量工程量0100?kPa軟件實現軟件實現檢測儀表檢測儀表硬件濾波硬件濾波如：如：RC濾波濾波軟件濾波軟件濾波如：中值濾波如：中值濾波 軟件軟件RC濾波濾波 23A/DA/D組成組成：一般是由：一般是由多路轉換開關多路轉換開關、前置放大器前置放大器、采樣保持器采樣保持器、ADC（Analog

16、 to Digital Converter）等組成等組成 前置放大前置放大采樣保持采樣保持內、外內、外補償補償多路多路轉換轉換ADC光電光電隔離隔離數據數據驅動驅動鎖存鎖存數據數據總線總線控制單元控制單元控制控制總線總線輸入信號輸入信號1輸入信號輸入信號nA/DA/D轉換通常有二種方式：轉換通常有二種方式： 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型 24轉換速率：一般小于轉換速率：一般小于 1 MHz（s級）級） Step1：產生一個比較電壓：產生一個比較電壓VC， VC與與Vi相比較：相比較： (a) 若若Vi = VC，則，則 輸出最高位置輸出最高位置“1”，VC保持不變進入下一次比較保持不

17、變進入下一次比較 (b) 若若Vi = VC，則輸出次高位為，則輸出次高位為1，VC保持不變進入下一次比較，保持不變進入下一次比較， (b)若若Vi Vc，最高位置“1”，Vc不變進入下一次比較2）產生比較電壓Vc（ Vc Vc0.25Vr3V) ViVc，第3位置“1”，Vc不變進入下一次比較4）產生比較電壓Vc （ Vc Vc0.0625Vr2.75V) ViVc，第4位置“0”，轉換完成轉換結果：101026雙積分型雙積分型A/DA/D轉換器轉換器：中等轉換速率且分辨率較高，抗干擾性強中等轉換速率且分辨率較高，抗干擾性強(ms級級)Step1：，積分器從0V開始積分一固定時間T， 積分器

18、輸出VT Vi TK Step3：得出Vi的轉換結果： Step2：斷開輸入電壓，開始反向積分，由高精密計數器記錄記錄積分器輸出從 VT 降回到0V所需要的時間T ： TTVT輸入電壓Vi參考電壓VR基本工作原理基本工作原理： 設：積分器模型是 VtKVi t 27-調制器包含調制器包含1個差分放大器、個差分放大器、1個積分器、個積分器、1個比較器以及個比較器以及1個由個由1bit DAC（1個簡單的開關，可以將差分放大器的反相輸入接到正或負參考電個簡單的開關，可以將差分放大器的反相輸入接到正或負參考電壓）構成的反饋環。壓）構成的反饋環。反饋反饋DAC的作用是使積分器的平均輸出電壓接近于比較器

19、的參考電平。的作用是使積分器的平均輸出電壓接近于比較器的參考電平。調制器輸出中調制器輸出中“1”的密度將正比于輸入信號，如果輸入電壓上升，比較的密度將正比于輸入信號，如果輸入電壓上升，比較器必須產生更多數量的器必須產生更多數量的“1”，反之亦然。，反之亦然。28AD7715是以是以原理工作的原理工作的16位模數轉位模數轉換器換器可用最少數量的口線與單片機或微處理器可用最少數量的口線與單片機或微處理器相接相接適用于單通道低速小信號采樣的應用場合。適用于單通道低速小信號采樣的應用場合。與逐次比較型與逐次比較型A AD D和雙積分和雙積分A AD D比較，比較，噪聲性能甚至優于普通雙，噪聲性能甚至優

20、于普通雙積分積分A AD D，是工業控制或過程控制的理想，是工業控制或過程控制的理想選擇。選擇。AD7715AD7715轉換速度相對較饅，一般用轉換速度相對較饅，一般用于低頻信號的高精度模數轉換，但對于工于低頻信號的高精度模數轉換，但對于工業過程控制中溫度、壓力等信號，業過程控制中溫度、壓力等信號，AD7715AD7715的轉換速率已經足夠了。的轉換速率已經足夠了。 該芯片在智能儀表中常用該芯片在智能儀表中常用29A/D接口變化一個接口變化一個LSB（二進制最低有效位）時輸入模擬量的最小變化量（二進制最低有效位）時輸入模擬量的最小變化量 例：例：12位位A/D轉換器，輸入范圍轉換器，輸入范圍0

21、10VDC，分辨力，分辨力10/2122.44mV （）實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差 包括偏移誤差（包括偏移誤差（0輸入非輸入非0輸出）、非線性誤差等。輸出）、非線性誤差等。 線性誤差通常以線性誤差通常以LSB的分數表示：如的分數表示：如 等等從啟動轉換到轉換結束完成一次從啟動轉換到轉換結束完成一次A/D轉換所需要的時間轉換所需要的時間 模塊包含的模塊包含的A/D單極性、雙極性、信號范圍、信號制單極性、雙極性、信號范圍、信號制 30型號通道數 分辨率 轉換時間 輸入信號范圍 PCL816 8(差) 16(單) 16位8.5s

22、010V、05V、02.5V、01.25V（單）10V、5V、2.5V、1.25V（差） PCL818 8(差) 16(單) 12位8s 010V、05V、02V、01V（單） 10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差） SM331 7KF010AB084（ ）12位20ms 80mV/10M、250mV、500mV、1V、 2.5V、5V、15V、10V、10 mA /25、 3.2 mA、20mA、020mA、420mA、E、 N、J、K型熱電偶、Pt100等 SM331 7KB010AB021（ ）12位20ms 31放大濾波補償多路轉換輸入信號1輸入信號nA/D接口通道通道轉換結果8

23、、10、12、13、16位等造價稍低、采樣周期長、可靠性稍低信號調理通道輸入信號輸入信號32現有一塊現有一塊2通道的通道的A/D輸入轉換卡輸入轉換卡 2臺臺DDZIII型二線制變送器型二線制變送器 每臺變送器對應一個每臺變送器對應一個A/D輸入通道。輸入通道。 A/D卡通道1通道224VDC電源變送器一變送器二33D/AD/A作用作用：將計算機內部的數字信號轉化為現場儀表可以接收的標準信號：將計算機內部的數字信號轉化為現場儀表可以接收的標準信號420mA等等 如：如： 12位數字量（位數字量（04095） 420mA 2047 對應的轉換結果：對應的轉換結果： 12mA調節閥調節閥變頻器變頻器

24、執行器控制信號執行器控制信號420mA010mA15VDC010VDC數模轉換數模轉換(D/A、AO)端口端口(地址地址)數 字 信數 字 信號號0409501023CPU工程量工程量0100軟件實現軟件實現數 字 信數 字 信號號0409501023工程化反變換工程化反變換34D/AD/A基本組成基本組成：多路多路轉換轉換DAC光電光電隔離隔離數據數據寄存器寄存器數據數據總線總線控制單元控制單元控制控制總線總線輸出信號輸出信號1輸出信號輸出信號n35二進制變化一個二進制變化一個LSB（最低有效位）時（最低有效位）時D/A輸出模擬量的最小變化量輸出模擬量的最小變化量 （）實際轉換特性曲線與理想

25、轉換特性曲線之間的最大偏差實際轉換特性曲線與理想轉換特性曲線之間的最大偏差 包括偏移誤差（包括偏移誤差（0輸入非輸入非0輸出）、非線性誤差等。輸出）、非線性誤差等。 線性誤差通常以線性誤差通常以LSB的分數表示：如的分數表示：如 等等當輸入數字量變化時，輸出的模擬信號穩定在相應的數值范圍之內當輸入數字量變化時，輸出的模擬信號穩定在相應的數值范圍之內 （ 0.5x LSB）所經歷的時間）所經歷的時間 模塊包含的模塊包含的D/A 電流、電壓及輸出范圍電流、電壓及輸出范圍 36型號型號通道數通道數 分辨率分辨率 建立時間建立時間 非線性誤差非線性誤差輸出信號范圍輸出信號范圍 PCL726 612位位

26、70 s 0.5LSB 010V、05V（單）（單） 10V、 5V（差）（差） PCL727 1212位位40 s 1LSB SM3325HD010AB0 412位單位單11位雙位雙0.8ms 電壓：電壓： 0.5電流：電流： 0.6 15V、 10V、010V、 20mA、020mA、420mA SM3325HB010AB0212位單位單11位雙位雙0.8ms 3738接口接口數據數據總線總線D/A輸出信號輸出信號1輸出信號輸出信號nD/A單通路單通路DA輸出形式：輸出形式： 微處理器和通路之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息微處理器和通路之間通過獨立的接口緩沖器傳送信息 隨著大規模集成電路技術的發展，該缺點正在逐步得到克服。隨著大規模集成電路技術的發展，該缺點正在逐步得到克服。39多通路多通路DA轉換器輸出形式：轉換器輸出形式：必須在必須在CPU控制下分時工作，即依次把控制下分時工作，即依次把DA轉換器轉換成的模擬電壓（或電流），轉換器轉換成的模擬電壓（或電流），通過多路模擬開關傳送給輸出保持器。通過多路模擬開關傳送給輸出保持器