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1、分布式控制系统宋 宇,第三章 DCS控制算法,工业生产中大量应用顺序控制，均已可编程控制器PLC作为核心。顺序控制：按照一定的逻辑关系，对各生产阶段进行信息处理与控制。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介PLC:可编程序控制器Programmable Logic Controller可编程序控制器的历史 60年代 继电接触控制系统 优点：简单 易懂 价格便宜缺点：硬设备多 接线复杂 改变设计困难。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介 定义：国际电工委员会（IEC）于 1982年11月和 1985年1月对可编程序控制器作了如下的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系
2、统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介PLC的历史1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM），为了适应汽车型号不断更新的需要，提出了十条技术指标在社会上公开招标，制造一种新型的工业控制装置以后，日本、德国、法国等国相继研制了各自的PLC。70年代中期，PLC进入了实用化阶段。70年代末和 80年
3、代初，PLC进入了成熟阶段。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介美国PLC发展得最快：1984年有48家，生产150多种PLC；1987年有63家，生产243种PLC；1996年有70余家，生产近300种PLC。著名厂家有AB（AllenBradley）艾伦一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GEFANUC公司，TI（Texas Instrument）德州仪器公司，WESTHOUSE Electric西屋电气公司，IPM（International Parallel Machines）国际并行机器公司等。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介 欧洲PLC的厂家有60余家
4、:西门子（Siemens）于1973年研制出第一台PLC。金钟默勒 AEG，法国的施耐德瑞士的Selectron公司等。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介1971年，日本从美国引进PLC技术，由日立公司研制成功日本第一台PLC。日本生产PLC的厂家有40余家：三菱电机(MITSUBISHI)欧姆龙(OMRON)富士电机（Fuji Electric）东芝（TOSHIBA）,光洋（KOYO),松下电工（MEW）和泉（IDEC）,夏普(SHARP）安川等公司。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介我国在 70年代末和 80年代初开始引进PLC。我国早期独立研制PLC的单位有：北京
5、机械工业自动化研究所，上海工业自动化仪表研究所，大连组合机床研究所，成都机床电器研究所，中科院北京计算机所及自动化所，长春一汽，上海起重电器厂，上海香岛机电公司，上海自力电子设备厂等单位。以上诸单位都没有形成规模化生产。,第三章 DCS控制算法,3.12 PLC简介辽宁无线电二厂引进德国西门子技术生产PLC；无锡电器和日本光洋合资生产的 PLC;中美合资的厦门 AB公司生产的PLC；上海香岛机电公司引进技术生产的PLC;上海OMRON公司;西安Siemens公司等。,第三章 DCS控制算法,PLC的发展趋势1）向高速度、大存储容量方向发展（CPU处理速度nS级；内存2M字节）2）向多品种方向发
6、展和提高可靠性（超大型和超小型）3）产品更加规范化、标准化（硬件、软件兼容的PLC）4）分散型、智能型、与现场总线兼容的I05）加强联网和通信的能力6）控制的开放和模块化的体系结构,第三章 DCS控制算法,4.PLC著名品牌中国PLC市场排行榜上的世界十大厂家：美国 AB公司（AllenBradley）德国西门子公司（Siemens）美国GEFanuc公司美国的莫迪康（Modicon）和法国的TE电器公司日本欧姆公司（OMRON）日本三菱电机株式会社（MITSUBISHI）日本富士电机株式会社（Fuji Electric）日本东芝公司（TOSHIBA）日本的光洋电子（KOYO）日本松下电工株式
7、会社（MEW）,第三章 DCS控制算法,PLC著名品牌根据美国 Automation Research Co（ARC）的商情调查，在1994年PLC市场上，最大的5家PLC制造商是（80%）:SIEMENS，AllenBradly，（Rockwell)AEG Schneider，三菱电机,OMRON,第三章 DCS控制算法,PLC的分类（1）按 IO点数分类IO点数小于 32为微型PLC；IO点数在32128为微小型PLC；IO点数在128256为小型PLC；IO点九在2561024为中型PLC；IO点数大于1024为大型PLC；IO点数在4000以上为超大型PLC。以上划分不包括模拟量I0点
8、数，且划分界限不是固定不变的。,第三章 DCS控制算法,按结构形式分类整体式PLC：又称单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、CPU、I0部件都集中装在一个机箱内。一般小型PLC采用这种结构。模块式PLC：将PLC各部分分成若干个单独的模块，如 CPU模块、I0模块、电源模块和各种功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。一般大、中型PLC采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。有的PLC将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。,第三章 DCS控制算法,PLC的优点 可靠性高(平均无故障时间3-5万小时）编程简单通用性强体积小、结构紧凑、安装、维护方便,第三章 DC
9、S控制算法,PLC的缺点主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的：如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。编程语言虽多数是梯形图，但组态、寻址、语言结构均不一致，因此各公司的 PLC互不兼容。,第三章 DCS控制算法,PLC的应用领域PLC在工业自动化中起着举足轻重的作用，在国内外已广泛应 用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。经验表明，80 以上的工业控制可以使用PLC来完成。在日本，凡8个以上中间继电器组成的控制系统都已采用PLC来取代。,第三章 DCS控制算法,PLC系统组成组成：CPU模块、输入模块、输出
10、模块、编 程装置。,第三章 DCS控制算法,CPU模块1）CPU芯片 作用：在可编程序控制器控制系统中，CPU模块相当于人的大脑，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出。2）存储器：作用：存放系统程序，用户程序和数据。系统程序：决定PLC的基本智能，由厂家设计，并存入ROM、EEPROM。用户不能修改。用户程序：根据要求，用PLC的编程语言，编制的程序，用户用编程器写入RAM或EEPROM。,第三章 DCS控制算法,I0模块 作用：是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。1）输入模块作用：接收和采集输入信号。输入电路：设有RC滤波电路和光电耦合器。2）输出模块作用
11、：控制输出设备，执行装置。输出电路：晶体管和场效应管、双向晶闸管，小型继电器。,第三章 DCS控制算法,其他模块：运动控制模块伺服单元步进单元闭环控制模块高速计数单元通讯单元点对点通信模块（RS-232C）现场总线通信模块PROFIBUS(FMS/PA/DP)、DeviceNet、DeviceCONTROL电源可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、12V、24V等直流电源。,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,PLC交流输入,第三章 DCS控制算法,PLC直流输入,第三章 DCS控制算法,PLC继电器输出,第三章 DCS控制算法,
12、PLC晶体管输出,第三章 DCS控制算法,编程装置作用：编程装置用来生成用户程序，并对它进行编辑、检查和修改。1）手持式编程器：不能直接输人和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器。2）编程软件编程：在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。,第三章 DCS控制算法,（1）简易型编程器 背卧式 手持式 它们的编程语言有图形语言和代码两种，工作状态有编程、监控、运行三种。（2）台式编程器专用智能编程器 显示器采用 CRT、液晶显示器和等离子显示器 功能（工作方式）包括：离线、在线编程 在线、组态软件监控IPC机（PC机）
13、+系统软件编程器 有编程和监控功能,第三章 DCS控制算法,PLC的工作方式工作状态：STOP：创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并可下栽到PLC。RUN:执行用户程序实现控制功能。扫描工作方式。,第三章 DCS控制算法,常用控制电器控制电器继电器接触器主令电器配电电器电气原理图的绘制,第三章 DCS控制算法,一、继电器,第三章 DCS控制算法,1、电压或电流控制继电器线圈的控制信号为电压。线圈的控制信号为电流。2、时间继电器线圈接通后触点延迟导通。（延时导通）线圈断电后触点延迟释放。（延时释放）,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,2接触器（1）结构 触头 电磁系统 灭弧
14、装置 支架、外壳和接线柱,第三章 DCS控制算法,（2）工作原理：当励磁线圈通电后，线圈电流产生磁场，使静铁芯产生电磁吸力吸引街铁，接头带动触头动作（常闭触头断开，常开触头闭合、两者是联动的）。当励磁线圈断电时，电磁吸力消失，街铁在释放弹簧的作用下释放，使触头复原到初始状态（常开触头断开，常闭触头闭合）,第三章 DCS控制算法,（3）种类交流接触器：线圈主触头接通和切换的主电路均为交流电。直流接触器：线圈主触头接通和切换的主电路均为直流电。真空接触器：触头在真空泡中。（4）技术参数,第三章 DCS控制算法,3、继电器与接触器的区别在于：接触器的主要任务是控制主电路的通断；而继电器则要实现对各种
15、信号的检测，通过比较确定其动作值。继电器触点通常接在小容量的控制电路中。,第三章 DCS控制算法,主令电器主令电器用来闭合或断开控制电路，以发布命令或用作程序控制，主要有按钮、位置开关、主令控制器等。按钮按钮在低压控制电路中用于手动发出控制信号。通常按钮是由按钮帽、复位弹簧、桥式触头和外壳等组成。按用途的和结构的不同可以分为启动按钮（常开）、停止按钮（常闭）和复合按钮等。,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,位置开关（行程开关）位置开关是利用运动部件的行程位置实现控制的电器元件，也称为行程开关。常应用于自动返回的生产机械中。其原理与按钮相似，它们的区别在于位置开关不是靠手动而是利用
16、运动部件的碰压使触头工作。,第三章 DCS控制算法,绘制电气原理图应遵循以下原则：1电气控制线路根据电路通过的电流大小可分为主电路和控制电路。主电路包括从电源到执行器的电路，是强电流通过的部分，用粗线条画在原理图的左边。控制电路是通过弱电流的电路，一般有按钮、电气元件的线圈、接触器的辅助触头、继电器的触点等组成，用细线条画在原理图的右边。2电气原理图中，所有电气元件的图形、文字符号必须采用国家规定的统一标准。,第三章 DCS控制算法,3采用电气元件展开图的画法。同一电气元件的各部件可以不画在一起，但需用同一文字符号标出。若有多个同一种类的电气元件，可以在文字符号后加上数字信号的下标，如KM1、
17、KM2等。4所有按钮、触头均按没有外力作用和没有通电时的原始状态（初始状态）画出。5两线交叉联接时的电器联接点需用黑点标出。,第三章 DCS控制算法,笼形电机正反转控制线路图的电器原理图,第三章 DCS控制算法,笼形电机正反转控制PLC线路图,第三章 DCS控制算法,笼形电机正反转控制PLC程序,第三章 DCS控制算法,PLC工作方式PLC采用循环扫描的工作方式，这个过程可分为内部处理、通信服务、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段，整个过程扫描一次所需要的时间称为扫描周期。,第三章 DCS控制算法,PLC工作方式,第三章 DCS控制算法,PLC扫描过程,T,第三章 DCS控制算法,二、系统响
18、应时间 影响系统响应时间的大小的原因：输入延迟（滤波、机械滞后、传输滞后）输出延迟（机械滞后、传输滞后）PLC循环扫描、数据I/O操作时间出现的时机PLC对输入采样、输出刷新的特殊处理、用户程序的设计 系统响应的时间=输入延迟时间+PLC工作时间+输出延迟时间,第三章 DCS控制算法,输入采样阶段在输入采样阶段，PLC 以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O 映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O 映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于
19、一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。,第三章 DCS控制算法,用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC 总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该输出线圈在I/O 映象区中对应位的状态。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O 映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O 映象区的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯
20、形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。,第三章 DCS控制算法,输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC 就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照I/O 映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。PLC 的扫描周期包括自诊断、通讯等，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。,第三章 DCS控制算法,PLC 的I/O 响应时间为了增强PLC 的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC 的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术
21、。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC 采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC 得I/O 响应比一般微型计算机构成的工业控制系统慢的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O 响应时间指从PLC 的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。其最短的I/O 响应时间与最长的I/O 响应时间.,第三章 DCS控制算法,PLC 编程可编程控制器的程序有系统程序和用户程序两种用户程序是用户根据控制要求，利用 PLC 厂家提供的程序编制语言编写的应用程序。梯形图：是在继电控制系统电气原理图基础上开发出
22、来的一种图形语言。它继承了继电器触点、线圈、串联、并联等术语和符号，根据控制要求联接而成的表示 PLC输入和输出之间逻辑关系的图形。,第三章 DCS控制算法,梯形图组成：由触点、线圈和用方框表示的功能块。（图3-3）特点：1）沿用继电器这一名称，但不是真实继电器，而是软件中编程元件。2）假想的“能流”(POWER Flow)，从左向右流动。3）逻辑解算，从左至右，从上至下。4）线圈放在最右边，触点可无限次使用。,第三章 DCS控制算法,梯形图,第三章 DCS控制算法,梯形图说明,第三章 DCS控制算法,基本方法 1)了解和熟悉被控设备的工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系
23、统的工作原理。2)确定可编程序控制器的输入信号和输出负载，对应的梯形图中的输入位和输出位的地址，画出可编程序控制器的外部接线图。3)确定与继电器电路图的中间继电器、时间继电器对应的梯形图中的存储器位(M)和定时器(T)的地址。4)根据上述对应关系画出梯形图。,第三章 DCS控制算法,梯形图的基本画法：在左右两条逻辑电源线之间，按系统逻辑要求从左到右排列接点和线圈；计算机可只画左边逻辑可以是一个或多个接点的串并联，然后接到输出线圈(定时器、锁存器、移位寄存器等)所有接点必须在输出线圈左边；输出线圈不能不经过任何接点直接接在两个逻辑电源线之间。,第三章 DCS控制算法,PLC梯形图语言的编程原则(
24、1)PLC编程元件的触点在编制程序时使用次数是无限的。每个继电器的线圈在梯形图中只能出现一次,它的触点可以使用无数次。即：梯形图中的继电器继电器、接点、线圈不是物理的，是PLC存储器中的位(1=ON；0=OFF)；故编程时常开/常闭接点可无限次引用，线圈输出只能是一次；(2)梯形图的每一逻辑行皆起始于左母线，终止于右母线。线圈总是处于最右边，且不能直接与左边母线相连。,第三章 DCS控制算法,PLC梯形图语言的编程原则梯形图中流过的不是物理电流而是“概念电流”，只能从左向右流；用户程序的运算是根据PLC的输入/输出映象寄存器中的内容，逻辑运算结果可以立即被后面的程序使用；PLC的内部继电器不能
25、做控制用，只能存放逻辑控制的中间状态；输出线圈不能直接驱动现场的执行元件，通过I/O模块上的功率器件来驱动。,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,电源模块CPU模块IO模块ADDA模块计数器模块PWM模块运动控制模块各种总线通信模块计算机模块网络通信模块,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,Q系列的IO地址分配,电源,CPU,QX,QX,QX,QY,QY,X00至X0F,X10至X1F,X20至X2F,Y30至Y3F
26、,Y40至Y4F,16点I,16点I,16点I,16点O,16点O,第三章 DCS控制算法,I模块：QX40 DC24V正公共端型,0,1,com,E,F,24V,GND,GND,GND,GND,第三章 DCS控制算法,O模块：QY10 继电器输出模块,0,1,com,E,F,24VDC、220VAC,GND,第三章 DCS控制算法,FX2N,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,第三章 DCS控制算法,三菱PLC,第三章 DCS控制算法,三菱PLC内部结构,第三章 DCS控制算法,输入与输出1、物理
27、输入：外部输入给PLC的真实信号；输入映像寄存器：外部有输入时，对应的映像寄存器值就为1，否则为零。因而PLC程序只需扫描输入映像寄存器的值就可知道真实的输入状态；2、物理输出：PLC的真实输出；输出映像寄存器：某一映像寄存器值为1时，对应的输出端就接通，否则断开。因而PLC程序只需改变输出映像寄存器的值（1或0）就可改变物理输出端状态（通或断）；,第三章 DCS控制算法,PLC的输入与输出的映像,第三章 DCS控制算法,PLC的程序扫描过程,第三章 DCS控制算法,三菱PLC常用继电器自锁电路,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,PLC选型,第三章 DCS控制算法,三菱PLC的编
28、程软件GX Developer,第三章 DCS控制算法,工具栏,第三章 DCS控制算法,工具栏,第三章 DCS控制算法,工具栏,第三章 DCS控制算法,工具栏,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,梯形图编程（自锁程序）,第三章 DCS控制算法,第三章 DCS控制算法,第三章
29、DCS控制算法,上升沿、下降沿捕获指令,第三章 DCS控制算法,上升沿、下降沿捕获指令举例功能：X0接按键，Y0接1个小灯要求：按键按下，灯亮；再次按下，灯灭；程序：,第三章 DCS控制算法,上升沿、下降沿捕获举例,第三章 DCS控制算法,上升沿、下降沿捕获举例,第三章 DCS控制算法,上升沿、下降沿捕获举例按键再次按下,第三章 DCS控制算法,上升沿、下降沿捕获举例,第三章 DCS控制算法,置位与复位,第三章 DCS控制算法,置位与复位举例：控制小灯的亮和灭；X0接灯亮按键；X1接灯灭按键；Y0接小灯,第三章 DCS控制算法,区域复位指令举例,第三章 DCS控制算法,取反指令举例,第三章 D
30、CS控制算法,中间继电器MPLC内存中虚拟的继电器，0、1两种状态；M不是输入或输出的映像，作为程序中的中间变量使用。举例：,第三章 DCS控制算法,中间继电器M当用组态软件直接操作PLC时，PLC没有真实的物理输入，这是需要用到M；组态软件可以直接通过和PLC的串行通讯来操作（读和写）M；例如：,第三章 DCS控制算法,时间继电器T定时单位可更改：低速定时器：定时间隔设定范围：1-1000ms，默认值为100ms；高速定时器：定时间隔设定范围：0.1-100ms，默认值为10ms；,第三章 DCS控制算法,举例：Y0接1个小灯；要求小灯1秒闪烁1次；控制方式为组态软件控制（人机交互屏代替真实
31、的按键仪表）,M0,M1,第三章 DCS控制算法,编程注意事项,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例
32、：,第三章 DCS控制算法,三菱PLC控制系统设计举例：,第三章 DCS控制算法,作业（25分）利用三菱Q系列PLC，及QX40（16点24VDC 输入模块）、QY10（16点继电器输出模块）作为主控系统，设计：汽车车库自动门系统：,要求：电气设计方案图、PLC程序(手画出即可)、工作原理,第三章 DCS控制算法,前提：1、系统电源220VAC；2、所有器件为24V（包括PLC、超声传感器供电及输出、光电开关输出、限位开关输出，执行电机为24V直流电机）请参考：PPT中的三菱Q系列地址分配、IO接线方法。电源系统参考下图：,第三章 DCS控制算法,Q系列的IO地址分配,电源,CPU,QX,QX,QX,QY,QY,X00至X0F,X10至X1F,X20至X2F,Y30至Y3F,Y40至Y4F,16点I,16点I,16点I,16点O,16点O,第三章 DCS控制算法,I模块：QX40 DC24V正公共端型,0,1,com,E,F,24V,GND,GND,GND,GND,第三章 DCS控制算法,O模块：QY10 继电器输出模块,0,1,com,E,F,24VDC、220VAC,GND,
