1、,自动化装置第四章,自动化装置课程内容结构,第一章总论,第二章模拟式和数字式仪表,第五章 集散控制系统,第二部分 单元组合式仪表及执行器,第四章可编程逻辑控制器,第三章执行器,第六章 现场总线控制系统,第三部分 主流自动化装置,第四部分 不断发展中的自动化装置,第三章内容回顾,一、执行器概述二、电动调节阀三、气动调节阀,一、PLC概述二、SIMATIC S7-300 PLC及指令系统三、基于PLC的发酵过程控制系统设计,可编程逻辑控制器,可编程逻辑控制器,可编程逻辑控制器,早期,逻辑控制为主,Programmable Logical Controller PLC,可编程逻辑控制器,原动力60年
2、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。,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。,在经历了几十年的发展，PLC及PLC网络成为了工厂企业中不可或缺的一类工业控制装置。,PLC的产生,可编程逻辑控制器,PLC的特点,上述特点使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，使PLC广泛应用于各种工业领域。,可靠性高、适应恶劣工业环境的能力功
3、能完善(控制功能、网络功能)，通用灵活 编程简单、使用维护方便 PLC还具有接线简单、系统设计周期短、体积小、易于实现机电一体化等特点,可编程逻辑控制器,PLC的分类,可编程逻辑控制器,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：,SIEMENS公司 80年代S5系列PLC（更早还有S3系列PLC）90年代S7系列PLC，主要有 S7200系列：小型PLC S7300系列：中型PLC S7400系列：大型PLC,可编程逻辑控制器,按厂家分类,OMRON公司 80年代初主要有C系列PLC，如C2000、C500、C20 随后出现C系列P型机，如C20P普通型号尾部加“P”80年
4、代后H型机，如C20H、C2000H，尾部加字母“H”SP系列超小型PLC，如SP20，点少/价低/速度极快 90年代初推出大型机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，速度比中型机C200H还快 97年推出P型机升级产品，即CPM1A，体积小、通信功能加强 99年推出功能更完美的CS1系列PLC 总之，大、中、小、微均有，特别在中、小、微方面更具特长。,可编程逻辑控制器,按厂家分类,美国GE公司、日本FANAC合资的GEFANAC美国Modicon 公司(被施奈德兼并)美国AB（AlienBradley）（罗克韦尔自动化的全球战略品牌）日本三菱公司日本日立
5、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。例如和利时公司于2004年推出完全自主生产的小型一体化PLCHOLLiAS-LEC，目前拥有LK系列大型PLC和LM系列小型PLC。一般国产PLC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。,可编程逻辑控制器,PLC的基本组成,可编程逻辑控制器,PLC的基本组成,可编程逻辑控制器,PLC的基本工作原理,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。,可编程逻辑控制器,PLC的基本工作原理,既然最初PLC的产生是为了取代继电器控
6、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。,可编程逻辑控制器,PLC的基本工作原理,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。,可编程逻辑控制器,PLC的基本工作原理,PLC接线原理图,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
7、分,输出部分,控制部分,可编程逻辑控制器,PLC的基本工作原理：PLC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)，PLC的每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。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
8、器线圈通电时，对应的硬输出触点闭合，控制负载的动作。,可编程逻辑控制器,PLC的基本工作原理 PLC循环扫描 的工作过程,一、系统组成 二、系统配置三、指令系统简介四、程序结构五、S7 PLC的网络通信,可编程逻辑控制器,可编程逻辑控制器,一、系统组成,S7-300 PLC的硬件构成：CPU模块 接口模块（IM）I/O模块（SM）功能模块（FM）电源模块（PS）导轨（RACK）等,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（1）、CPU单元,SIMATIC S7-300有多种性能级别的CPU：各种CPU均封装在一个紧凑的塑料壳体内。CPU上集成有MPI多点接口，MPI接口可以使PLC与其它PLC、OS、
9、PG、OP等建立通信联系，用MPI接口可建立由多个站点组成的简单网络。CPU31x 2集成了Profibus-DP接口，适用于大范围分布式自动化结构。4.通过模块扩展，可以实现EtherNet通信。5.执行速率、存储器容量、可扩展I/O点数等都随着CPU序号的递增而增加。,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（1）、CPU单元,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),模拟量值的表示方法,SM331的输入测量范围很宽，可直接输入电压、电流、电阻、mV等信号。,单极性电压、电流输入的数字化表示：,双极性是什么意思？,L PIW 400/从端口地址400读入十进制转换结果T
10、#Dec_in/存入临时变量Dec_inCALL SCALE/直接调用系统提供的转换函数，以下是输入输出参数 IN:=#Dec_in/入口参数：十进制转换结果 HI_LIM:=2.000000e+002/入口参数：工程量上限200，单位kPa LO_LIM:=0.000000e+000/入口参数：工程量下限0 BIPOLAR:=FALSE/入口参数：TRUE为双极性，FALSE为单极性 RET_VAL:=#ret/出口参数：返回值 OUT:=#In_result/出口参数：工程量转换结果,420mA15VDC010mA020mA,数字量027648-2764827648,工程量，如：0200k
11、Pa,变送器：把（0200kPa）转换为（420mA）模 块：把（420mA）转换为（0，27648）程 序：把（-27648，27648）或（0，27648）转换为（0200kPa）的值，供程序调用,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),SM331模块的硬件设置,2种规格型号：8通道、2通道,模拟量模块装有量程块，调整量程块的方位可改变模块内部的硬件结构。每两个相邻输入通道共用一个量程块，构成一个通道组。量程块是一个正方体的短接块，在上方有“A”，“B”，“C”，“D”四个标记。不同的量程块位置，适用于不同的测量方法和测量范围。,可编程逻辑控制器,一、系统组成
12、,（2）、模拟量输入模块(SM331),SM331量程块设置对应关系：,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),SM331模块的软件设置,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),SM331模块的信号连接,电压信号,电流信号,毫伏信号,电阻信号,输入信号类型：,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),电压信号连接,模块配置成电压输入(B),可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),电流信号连接,两线制仪表与四线制仪表？,模块配置成四线制电流输入(C)，只接收420mA电流,四线制
13、仪表,四线制输入,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),电流信号连接,两线制仪表与四线制仪表？,模块配置成四线制电流输入(C)，只接收420mA电流,二线制仪表,四线制输入,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),电流信号连接,模块配置成二线制电流输入(D)，带配电接收420mA电流,二线制仪表,二线制输入,内部原理示意,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟量输入模块(SM331),毫伏信号连接,一般什么仪表输出mV信号？该仪表在使用时需要注意什么？,补偿导线,外部补偿,内部补偿,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（2）、模拟
14、量输入模块(SM331),电阻信号连接,一般什么仪表输出信号？该仪表在使用时需要注意什么？,四线制连接方式,三线制连接方式,二线制连接方式,P,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（3）、模拟量输出模块(SM332),模拟量值的表示方法,SM332模块可以输出电压和电流两种类型的信号。,CALL UNSCALE/直接调用系统提供的转换函数，以下是输入输出参数 IN:=#Out/入口参数：阀位值0100浮点数 HI_LIM:=1.000000e+002/入口参数：阀位上限100 LO_LIM:=0.000000e+000/入口参数：阀位下限0 BIPOLAR:=FALSE/入口参数：TRUE为双极性
15、输出，FALSE单极性输出 RET_VAL:=#Err/出口参数：返回值 OUT:=#Out_result/出口参数：十进制转换结果存入临时变量 L#Out_result T PQW 416/十进制转换结果输出到过程输出缓冲区，如416,程 序：把（0100）转换为（027648）模 块：把（027648）转换为（420mA）执行器：把（420mA）转换为相应的阀位,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（3）、模拟量输出模块(SM332),SM332模块的软件设置（不需要硬件设置）,SM332有212、412、812位等AO模块，其特性、参数、工作原理完全相同。,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（
16、3）、模拟量输出模块(SM332),SM332模块的信号连接,电压信号,输出信号类型：,每通道有4个端子,电流信号,电压输出,RL,RL,电压输出（4线）电压输出（2线）,可编程逻辑控制器,一、系统组成,（3）、模拟量输出模块(SM332),SM332模块的信号连接,电压信号,输出信号类型：,电流信号,电流输出,RL,Io,一、系统组成,（4）、开关量输入模块(SM321)主要有直流信号输入和交流信号输入二大类。,一、系统组成,（5）、开关量输出模块(SM322)SM322模块有晶体管、可控硅和继电器3种输出类型。,一、系统组成,（5）、开关量输出模块(SM322)晶体管、可控硅和继电器3种输
17、出类型：,可编程逻辑控制器,二、系统配置,根据自动化系统的实际规模和要求，配置PLC硬件系统。,S7系列PLC采用的是模块化的结构形式，根据系统规模用户可选择不同型号和不同数量的模块，并把这些模块安装在一个或多个机架上。除了CPU模块、电源模块、通信接口模块之外，它规定每一个机架最多可以安装8个I/O信号模块。一个PLC系统的最大配置能力（包括I/O点数、机架数等）与CPU的型号相关。,可编程逻辑控制器,二、系统配置,常用的模块：CPU：312、313、314、315-2DP、316-2电源：PS-307（2A、5A、10A）、SITOP（5A、10A、20A、40A）接口模块（连接机架）：I
18、M365（CR，最多1）/IM365（ER，最多1）IM360（CR，最多1）/IM361（ER，最多3）IM153（ER，最多127，DP总线）AI：SM331（I、V、mV、；2通道、8通道）SM331 RTD（；2通道、8通道）AO：SM332（I、V；2通道、4通道，8通道）DI：SM321（8/16/32通道）DO：SM322（8/16/32通道）,可编程逻辑控制器,二、系统配置,示列：某系统需要,输入：46路420mA信号输入：4路PT100信号输出：32路420mA信号,要求配置S7 PLC的I/O模块并选择合适的CPU单元。,每路420mA占1个A/D通道 需46个A/D通道,
19、需7块8通道SM331,每路420mA占1个D/A通道 需32个D/A通道,需4块8通道SM332,电阻信号可以配置RTD模块 需4个RTD通道,需1块8通道SM331 RTD,IO模块配置一,冗余10个通道,冗余4个RTD通道,过多的冗余是浪费，但适当的冗余还是必要的,总计12块SM模块，需要2个机架,可编程逻辑控制器,二、系统配置,每路420mA占1个A/D通道 需46个A/D通道,每路420mA占1个D/A通道 需32个D/A通道,需4块8通道SM332,每路电阻信号占2个A/D通道 需8个A/D通道,需7块8通道SM331,IO模块配置二,冗余2个A/D通道,总计11块SM模块，需要2
20、个机架,CPU配置,该系统需要12个SM模块，必须安装到2个机架，如果单纯从I/O配置的角度分析（暂不考虑内存、速度需求），根据CPU选型表的性能参数，该系统可以选用CPU314或CPU314以上的型号均可。,可编程逻辑控制器,二、系统配置,有三种选择：,接口模块,电源模块,模块供电，外部仪表供电（确定合适的电源模块的功率）。尽管理论上可以集中供电，即两个机架用同一个电源，但实际系统建议每个机架分别配置电源模块。2块,第一种：IM365/IM365，最经济。第二种：IM360/IM361，有一定扩展 能力，可以扩到4个机架。第三章：IM153，CPU上需要有DP口（或者通过模块扩展DP口），有
21、 很大的扩展能力，可方便地和其他系统组网。,可编程逻辑控制器,二、系统配置,其它附设,导轨：安装各种模块（几个机架至少几块）与上位机通信的接口卡：板卡式MPI网卡CP5611 编程电缆（外置，USB或者串口连接）内存卡：新CPU必须，有不同容量，如64KB、128KB、512KB、2MB、4MB总线连接器：DP总线连接、上下位机采用网卡连接时需要，每点1个通信电缆（屏蔽双绞线）：DP总线连接、上下位机采用网卡连接时需要下位机开发软件：STEP7 5.x（很贵的啊）上位机组态软件：WINCC（和系统点数有关系，可以自主开发）,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,PLC模块的安装
22、是有顺序要求的，每个机架从左到右分为11个逻辑槽号电源模块安装在最左边的1#槽，2#槽安装CPU模块，3#槽安装通信接口模块，411#槽可自由分配I/O信号模块、功能模块或扩展通信模块。需要注意的是，槽号是相对的，机架上并不存在物理上的槽位限制。,电源1,CPU2,IO4,IO5,IO6,IO7,IO8,IO9,电源1,接口3,IO4,IO5,IO6,IO7,IO8,IO9,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,机架的连接：方式一,如果：机架数量=2 and 机架之间的距离1米,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,机架的连接：方式二,如果：机架数量4 and
23、机架之间的距离10米,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,机架的连接：方式三,CR：安装在控制室,连接到DP接口,IM153,Profibus-DP总线,如果：机架数量4 or 机架之间的距离10米要求：CPU上集成DP口或在CR上扩展DP口（ProfibusDP）,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,机架的连接：总结,硬件配置部分【一个机架】8个SM/FM模块 电源 CPU SM/FMSM/FMSM/FM【两个机架，间距 10米/1米】8个SM/FM模块 电源 CPU IM360/365 SM/FMSM/FMSM/FM 8个SM/FM模块 电源 IM361
24、/365 SM/FMSM/FMSM/FM,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,机架的连接：总结,【34个机架，间距 10米】8个SM/FM模块 电源 CPU IM360 SM/FMSM/FMSM/FM,电源 电源 电源,IM361 SM/FMSM/FMSM/FMIM361 SM/FMSM/FMSM/FMIM361 SM/FMSM/FMSM/FM,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(1)、硬件结构配置,机架的连接：总结,【多个机架，间距“不限”】,电源 电源 电源 电源,IM153 SM/FMSM/FMSM/FMIM153 SM/FMSM/FMSM/FMIM153 SM/FMSM
25、/FMSM/FMIM153 SM/FMSM/FMSM/FM,电源 CPU,SM/FMSM/FMSM/FM,Profibus DP总线,PLC系统开发的基本流程,根据工艺要求，确定I/O参数数量,1.进入Step 72-1.硬件配置2-2.地址配置：网络地址 IO端口地址3.软件编程(针对工艺要求),可编程逻辑控制器,二、系统配置,(2)、IO地址配置,系统的I/O模块分为：模拟量和数字量二种类型，每个模块包含若干个通道。模块上任何通道均配置独立的地址应用程序则根据地址实现对它们的操作。,每个通道的地址占用一位(bit)数字量模块最大为 32 通道模块地址最多占 4 字节,数字量I/O模块,每个
26、模拟量地址为一个字地址(2byte)模拟量模块最大为 8 通道模块地址最多占 16 字节,模拟量I/O模块,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(2)、IO地址配置,I/O地址的生成,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(2)、IO地址配置,I/O地址的配置注意事项：,配置IO模块地址时，可以是系统提供缺省地址(初学者推荐使用)，也可以是手工自主配置(部分CPU不支持该功能）；不同CPU的最大IO寻址能力是不同的，如CPU3152DP可达2KB；输入、输出的地址是不同的，即CPU3152DP最大输入地址2KB，最大输出地址也是2KB，实际可寻址4KB；0127字节留给开关量模块使用。,可编程逻辑控制器
27、,二、系统配置,(2)、IO地址配置,例子,某8通道SM331模块，配置地址为256271,第07通道的地址分别为：256、258、260、262、264、266、268、270读取第0个通道的模拟量转换结果：L PIW256读取第7个通道的模拟量转换结果：L PIW270,L PIW256就是把十进制转换结果，读入到累加器。如420mA输入信号的转换结果式027648 用scale函数可以在PLC内部把027648还原到与变送器量程对应的工程量。,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(2)、IO地址配置,例子,某8通道SM332模块，配置地址为272287,把一个输出送到第0个输出通道：T PQ
28、W272把一个输出送到第7个输出通道：T PQW286,输出过程：（1）控制策略运算结果，一般为0100的阀位（2）调用unscale函数把0100转换为027648（十进制数）（3）T PQW272/274,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(2)、IO地址配置,例子,某32通道SM321模块，配置地址为03,读入第0个通道的二进制值：A I 0.0读入第7个通道的二进制值：A I 0.7读入第8个通道的二进制值：A I 1.0读入第22个通道的二进制值：,某16通道SM322模块，配置地址为45,输出一个二进制值到第0通道：Q 4.0输出一个二进制值到第7通道：Q 4.7输出一个二进制值到第
29、12通道：,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(3)、内部寄存器,S7 CPU的寄存器有（7个）：,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(4)、存储区,CPU能访问的存储区：P、Q、I、M、T、C、DB块、L堆栈,主要关心哪些存储区能够按“位”访问，哪些不能。,可编程逻辑控制器,二、系统配置,(4)、存储区,外设I/O与存储区的映像,外设IO模块与存储区有二种映射关系：外设输入输出存储区（PI、PQ）输入输出映像区（I、Q）,外设输入输出存储区：包括外设输入（PI）和外设输出（PQ）不能逐位访问，其它都可以,输入输出映像表：包括输入过程映像表（I）和输出过程映像表（Q）输入映像表为128Byte，是
30、对PI首128Byte的映像 输出映像表为128Byte，是对PQ的首128Byte的映像这两段地址一般作为开关量输入、输出模块的IO地址能够逐位方式访问，其它也可以。,输入映像示例,开关量输入模块缺省地址,模拟量输入模块地址,输出映像示例,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,SIMATIC S7系列PLC用户程序的开发软件包：STEP 7 S7系列PLC的编程语言：LAD（梯形图）、STL（语句表）*、SCL（标准控制语言）、C for S7（C语言）等，用户可以选择一种语言编程，也可混合使用几种语 言编程。常用的编程语言：LAD（梯形图）、STL（语句表）*,适用于模拟量的解算,可编程逻辑
31、控制器,三、指令系统简介,(1)、STL指令及其结构,语句指令：操作码 操作数,A I 0.1/对输入继电器 I 0.1 进行与操作,L MW10/将字MW10装入累加器1,定义要执行的功能,执行该操作所需要的信息,有些语句指令不带操作数，它们操作的对象是唯一的。NOT/对逻辑操作结果（RLO）取反。,三、指令系统简介,(1)、STL指令及其结构,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(1)、STL指令及其结构,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(1)、STL指令及其结构,存储区及其操作数表示方法,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(2)、寻址方式,操 作 数指令的操作或运算对象寻址方式指令
32、得到操作数的方式。寻址方式立即寻址 存储器直接寻址 存储器间接寻址 寄存器间接寻址,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(2)、寻址方式,寻址方式一：立即寻址,SET/把RLO（Result of Logic Operation）置“1”L 27/把整数27装入累加器1 L C#0100/把 BCD码常数0100装入累加器1,立即寻址：对常数或常量的寻址方式，操作数本身包含在指令中。,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(2)、寻址方式,寻址方式一：立即寻址,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(2)、寻址方式,寻址方式二：直接寻址,直接寻址：在指令中直接给出操作数的存储单元地址。,A I0.
33、0/对输入位I0.0进行“与”逻辑操作 S L20.0/把本地数据位L20.0置1=M115.4/将RLO的内容传给位存储区中的位M115.4 L DB1.DBD12/把数据块DB1双字DBD12中的内容传送给累加器1,可编程逻辑控制器,三、指令系统简介,(2)、寻址方式,寻址方式三：存储器间接寻址（用的不是很多）,存储器间接寻址：标识参数由一个存储器给出，存储器的内容对应该标识参数的值(该值又称为地址指针)。该寻址方式能动态改变操作数存储器的地址，常用于程序循环。,A IMD 2/对由MD 2指出的输入位进行“与”逻辑操作，如：MD 2值为/20000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 0110表示I 10.6L IBDBD 4/将由双字DBD 4指出的输入字节装入累加器1，如DBD 4值为/20000 0000 0000 0000 0000 0000 0101
