第七章 可编程控制器

一. 可编程控制器概述 二. OMRON PLC 三. SIEMENS PLC 四. PLC控制系统设计

一、PLC概述 PLC的产生 PLC的特点 PLC的分类 PLC的基本工作原理 PLC的基本组成

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1.PLC的产生 普通继电器 时间继电器 热继电器 接 触 器 固态继电器 光电耦合器 接 触 器 固态继电器 光电耦合器 1 2 3 4 5 由继电器构成的控制系统对工艺变化的适应性极差

Programmable Logical Controller ——PLC 原动力——60年代末期，美国的汽车工业的迅速发展 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年研制出了世界上第一台可编程序控制器PDP-14，并在通用公司的汽车生产线上获得成功应用。 功能简单、以逻辑控制为主 早期 可编程逻辑控制器 Programmable Logical Controller ——PLC 可编程序控制器 (可编程控制器 ) Programmable Controller ——PC 本义 功能强大，已成为工业过程不可或缺的一类控制器

2. PLC的特点和分类 地域 结构 规模 厂家 PLC广泛应用于各种工业领域 可靠性高、耐恶劣工作环境的能力强 设计、开发简单、功能强大(控制功能、网络功能)，通用灵活 结构紧凑（大中小微均有）、易于实现机电一体化 使用维护方便、成本低 …… PLC广泛应用于各种工业领域 地域 欧美流派 亚洲流派 结构 一体化 （小型、微型PLC） 模块化 （大中型PLC） 规模 大型 （欧美优势） 中型 小型 微型 （日系优势） 厂家 SIEMENS OMRON ABB Schneider ……

模块化PLC 一体化PLC PLC的主要用于控制：机械控制、运动控制、批次控制、过程控制等，据统计： 其它外设单元 电源模块 CPU模块 通信模块 I/O模块 DIN导轨 模块 通信接口 输入 接 口 CPU 存储器 输出 接 口 电源 检 测 仪 表 执 行 器 模块化PLC 一体化PLC PLC的主要用于控制：机械控制、运动控制、批次控制、过程控制等，据统计： 冶金行业是应用PLC最多的项目型市场，以大、中型PLC为主 汽车行业主要对生产线工位进行控制，PLC应用数量众多，控制点数一般不很高 电力行业对PLC的应用规模基数很大，大中型PLC系统的应用较广泛 流程工业有一定的份额（化工行业还是DCS居多） 在纺织机械、塑料机械、印刷机械、食品机械、包装机械、起重机械、机床等领域，PLC的应用占主导

3. PLC基本工作原理 B1 B2 L G KM1 KM1 10S KT KM1 KM2 KT 继电器控制梯形图 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。 要求：设计一个电机控制系统，各有一个无自锁的启动按钮和停止按钮 按动启动按钮，电机M1运转，过10s，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。 KM1 KM2 Q M1 M2 KM1 B1 B2 L G KM1 10S KT KM1 KT KM2 继电器控制梯形图

PLC控制程序和继电器控制逻辑是不是很相似？！ PLC内部没有物理线圈和物理触点，都是虚拟的！！ KM1 B1 KT KM2 B2 10S 内部继电 器触点 内部输出 继电器线圈 KM1 KM2 ～ COM 220VAC Q0.0 Q0.1 B2 I0.1 B1 I0.0 COM 24VDC I0.0 I0.1 Q0.0 Q0.1 ( ) (SS) T1 S5T#10S ( R ) 输入继电器线圈 输出 触点 PLC控制程序和继电器控制逻辑是不是很相似？！ B2 I0.1 B1 I0.0 COM 24VDC KM1 KM2 COM 220VAC Q0.0 Q0.1 PLC PLC控制程序（梯形图） 分析决策 输入部分 控制部分 输出部分 按钮信号 接入到PLC 控制信号 从PLC输出 PLC内部没有物理线圈和物理触点，都是虚拟的！！

有何区别？ ～ SIEMENS OMRON ～ 不同PLC的控制程序是不是也很相似？！ 24VDC 220VAC COM I0.0 Q0.0 KM1 KM2 ～ COM 220VAC Q0.0 Q0.1 B2 I0.1 B1 I0.0 24VDC ( ) (SS) T1 S5T#10S ( R ) SIEMENS 有何区别？ I: 0.00 I: 0.01 Q: 100.00 Q: 100.01 T1 TIM 1 #100 B2 I:0.01 B1 I:0.00 COM 24VDC KM1 KM2 ～ 220VAC Q:100.0 Q:100.1 OMRON 不同PLC的控制程序是不是也很相似？！

一、PLC概述 4.PLC的基本组成

4.PLC的基本组成 一体化PLC …… 模块化PLC 系统总线 CPU RAM ROM 通信接口 外设接口 IO接口 PLC、IPC、OP…… 一体化PLC 编程器、打印机…… 变送器、执行器等 编程器、 PLC、IPC、OP… 系统总线(背板) 电源 模块 CPU 模块 通信 接口 模块 I/O 模块 I/O 模块 智能I/O 模块 …… 模块化PLC 电源线(外接)

电源模块 CPU模块 (扩展)存储器 I/O接口模块 智能模块 机架扩展模块 通信接口扩展模块 编程工具 辅助部件 给所有模块供电，设计时需留有一定的余量（30%左右为宜） 电源模块 CPU性能应与控制系统要求相匹配，主要关注：处理速度、RAM容量、I/O容量、网络功能 CPU模块 大小适宜 (扩展)存储器 连接现场仪表，通常情况下I/O模块的数量是最多的，常用的接口模块有：AI、AO、DI、DO I/O接口模块 有自己的CPU，在主CPU协调下完成特定功能，如高速计数、步进电机控制等等 智能模块 PLC模块需要安装到多个机架上 机架扩展模块 通信接口不够用时 通信接口扩展模块 专用编程器，专用编程软件* 编程工具 通信接头、通信电缆、安装导轨（或机笼） 辅助部件

① 模拟量输入模块(A/D、AI) 模数转换 端口 如果有干扰怎么办？ 将现场仪表输出的模拟量信号转化为计算机可以处理的数字信号 检测仪表 温度 压力 流量 液位 成份 速度 加速度 位移 方向 …… 模拟信号 4～20mA 0～10mA 1～5VDC mV、Ω …… 数字信号 0～4095 0～1023 …… 内存 从端口地址读取 0～4095 0～1023 …… 模数转换 A/D 端口 地址 工程化转换 工程量 0～100℃ 0～400KPa …… 软件实现 软件滤波 如：中值滤波、软件RC滤波…… 硬件滤波 如：RC滤波 如果有干扰怎么办？ A/D的主要指标：分辨率(转换精度)、输入信号类型、转换速率、线性度、温漂… A/D转换器的几种转换类型 ： 逐次比较型 双积分型 U/F型 Σ-Δ型 快但抗干扰性能较差，分辨率（位数）不高，μs 稳定性好，精度高，抗干扰能力强，转换速度不高，几十ms 抗干扰能力强，信号易于远传，转换速度不高(不低于前者) 精度高（16～24位），噪声抑制能力更强，相对较馒（ms级，比双积分型略快），已成为一种流行的技术

Q：为什么说逐次比较型模数转换器转换速度很快？ 逐次比较型A/D转换器基本原理 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑟𝑒𝑓 2 ≥ 最高位置 1 𝑈 𝑐 保持 Step1： 𝑈 𝑖 𝑈 𝑐 ＜ 最高位置 0 𝑈 𝑐 归零 𝑼 𝒓𝒆𝒇 ：参考值 ∆𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑟𝑒𝑓 2 2 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 + ∆𝑈 𝑐 ≥ 次高位置 1 𝑈 𝑐 保持 𝑼 𝒊 ：测量值（待转换） Step2： 𝑈 𝑖 𝑈 𝑐 ＜ 次高位置 0 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 -∆ 𝑈 𝑐 复原 𝑼 𝒄 ：内部比较值 ∆𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑟𝑒𝑓 2 3 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 + ∆𝑈 𝑐 Step3： ≥ 第三位置 1 𝑈 𝑐 保持 𝑈 𝑖 𝑈 𝑐 ＜ 第三位置 0 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 - ∆𝑈 𝑐 复原 依此类推…… Q：为什么说逐次比较型模数转换器转换速度很快？ 有多少位比较多少次，速度可想而知

Q：为什么说逐次比较型模数转换器抗干扰能力比较差？ 示例：0～4VDC输入，4位逐次比较型A／D 转换器，输入2.6VDC，求转换结果。 𝑈 𝑟𝑒𝑓 =4𝑉 𝑈 𝑖 =2.6𝑉 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑟𝑒𝑓 2 =2V 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 + 𝑈 𝑟𝑒𝑓 4 =2+1=3V 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 + 𝑈 𝑟𝑒𝑓 8 =2+0.5=2.5V 𝑈 𝑐 = 𝑈 𝑐 + 𝑈 𝑟𝑒𝑓 16 =2.5+0.25 =2.75V 0 V 4 V 3V Ui < Uc 2.75V Ui < Uc 2.5~2.75V 2.5V Ui >Uc Uc =2V 2V Ui >Uc Uc =2.5V Uc =2V 1 1 本质类似猜数字游戏，例如要猜0-1023之中的一个数，只要猜10次肯定有结果 Q：为什么说逐次比较型模数转换器抗干扰能力比较差？

AD574A—12/8位逐次比较、1路AI输入A/D转换(只能1路) 输入电压0～10V，±5V，0～20V，±10V 转换时间约25μs 参考

双积分型A/D转换器原理 𝑼 𝒐 𝑻 =𝑲 𝑼 𝒊 𝑻 𝑇 ′ = 𝑇 | 𝑈 𝑟𝑒𝑓 | 𝑈 𝑖 T 输入 𝑼 𝒊 𝑼 𝒐 𝑻 𝑼 𝒐 𝑅 − + 𝐶 𝑈 𝑖𝑛 𝑈 𝑜 𝑈 𝑖 𝑈 𝑟𝑒𝑓 𝑅 − + 𝐶 𝑈 𝑖𝑛 𝑈 𝑜 T′ 输入 𝑼 𝒓𝒆𝒇 − 1 𝑅𝐶𝑆 𝑈 𝑖𝑛 𝑈 𝑜 = ？ S1： 𝑼 𝒊 加入积分器，从0V开始积分一固定时间T，积分器输出： 𝑼 𝒐 𝑻 =𝑲 𝑼 𝒊 𝑻 S2：加入负参考电压 𝑼 𝒓𝒆𝒇 反向积分，记录 𝑼 𝒐 输出 𝑼 𝒐 降回到0V所需要的时间𝑻′： − 𝐴 𝑅𝐶 𝑡 𝑈 0 (𝑡)= ？ 𝑇 ′ = 𝑇 | 𝑈 𝑟𝑒𝑓 | 𝑈 𝑖 |𝐾 𝑈 𝑖 𝑇|=|𝐾 𝑈 𝑟𝑒𝑓 𝑇 ′ | ∝ 𝑈 𝑖 Q：为什么说双积分型模数转换器转换速度更慢？ Q：为什么说双积分型模数转换器抗干扰能力更强？

参考 MC14433— 3 ½位、双积分式A/D转换器，相当于二进制11位 模拟量输入量程：1.999V和199.9mV两档 转换速度1~10次，与5G14433可互换（国产） ICL7135—4 ½位—1.9999V—相当于二进制14位 VR—基准电压，当满量程选为1.999V，VR可取2.000V，而当满量程为199.9mV时，VR取200.0mV，在实际应用电路中，根据需要，VR值可在200mV~2.000V之间选取。 Vx—被测电压的输入端 R1/C1，C1—外接积分元件端 DS4、DS3、DS2、DS1—多路选通脉冲输出端。DS1、2、3和4分别对应千位、百位、十位、个位选通信号 Q3、Q2、Q1、Q0—当某一位DS信号有效(高电平)时，所对应的数据从Q0、Q1、Q2和Q3输出(BCD码)，可以直接连接LED 当DS1=1时，除了千位0、1之外，其它还包含过/欠量程等含义 万用表上常用 参考

V/F型转换器 V/F转换器是把电压信号转变为频率信号的器件，有良好的精度、线性、电路简单、外围元件性 能要求不高，转换速度不低于一般 的双积分型A/D器件，价格低，因此V/F转换技术广泛用于非快速、既要求数据长距离传输又要 求精确度较高的场合。 LM331 （1）电源电压：＋15V （2）输入电压范围：0～10V （3）输出频率：10Hz～11KHz （4）非线性失真： ±0.03%

参考 输出频率与Vin对应 可以通过计数方式解决 如1s内有多少个脉冲 输入信号滤波 CL、RL 充放电用于内部R-S触发器置位 如此反复循环构成自激振荡 Ct、Rt 充放电用于内部R-S触发器复位 RS 用于基准调节 参考

★★ ∑-Δ型转换器 ★★ Σ-Δ调制器包含: 1个差分放大器——Δ 1个积分器——Σ 1个量化比较器 ★★ ∑-Δ型转换器 ★★ Σ-Δ调制器包含: 1个差分放大器——Δ 1个积分器——Σ 1个量化比较器 1个1bit DAC（可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。 输入信号X 1与反馈信号X5反相求和，得到误差信号X2并进入积分器积分，输出的信号X3输入至比 较器进行量化，得到由0和1组成的数字序列X4．由反馈理论可知， X4对应于X1平均值。 反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。 调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的 “1”，反之亦然。

转换器分辨率主要取决于内部量化误差的限制，容易实现高分辨率，如24位。基于∑－△原理的转换芯片很多 0001000100010001··· 101010101010101010··· 1110111011101110··· 转换器分辨率主要取决于内部量化误差的限制，容易实现高分辨率，如24位。基于∑－△原理的转换芯片很多 ∑－△转换，精度高（16～24位），对环境噪声的抑制能力更强（实际上是实现了噪声的整形），转换速度几至几十ms，一般用于低频信号的高精度模数转换， 对于工业过程控制中温度、压力等信号，转换速率已经足够了。这类芯片在数字仪表中常用。

输入信号类型 型号 通道数 分辨率 转换时间 输入信号范围 PCL－816 8(差) 16(单) 16位 8.5s 0~10V、0~5V、0~2.5V、0~1.25V（单） 10V、5V、2.5V、1.25V（差） PCL－818 12位 8s 0~10V、0~5V、0~2V、0~1V（单） 10V、5V、2.5V、1V、0.5V（差） SM331 7KF01－0AB0 8 4() 20ms 80mV/10M、250mV、500mV、1V、 2.5V、5V、1~5V、10V、10 mA 、 3.2 mA、20mA、0~20mA、4~20mA、E、 N、J、K型热电偶、Pt100等······ 7KB01－0AB0 2 1()）

1~5V、10V、0～10V、20mA、0~20mA、4~20mA ② 模拟量输出模块（D/A、AO） 将计算机内部数字信号转化为现场仪表可接收的4~20mA等标准信号 数模转换 (D/A) 端口 数字信号 0～4095 0～1023 …… 控制信号 4～20mA 0～10mA 1～5VDC 0～10VDC …… 内存 工程量 0～100％ …… 送到端口地址 执行器 工程化反变换 0～4095 0～1023 …… 软件实现 分 辨 率――通常分辨率以输入二进制数的位数来表示 ：10位、12位D/A转换器 建立时间――当数字量变化时，输出的模拟信号稳定在相应的数值范围之内所经历的时间 （0.5x LSB） 输出信号类型――电流、电压及输出范围 型号 通道数 分辨率 建立时间 非线性误差 输出信号范围 PCL－726 6 12位 ＜70s 0.5LSB 0~10V、0~5V（单） 10V、5V（差） PCL－727 12 ＜40s 1LSB SM332 5HD01－0AB0 4 12位单、11位双 ＜0.8ms 电压：0.5％ 电流： 0.6％ 1~5V、10V、0～10V、20mA、0~20mA、4~20mA SM332 5HB01－0AB0 2

③ 开关量输入模块(DI) 数字量信号类型：直流电压*、交流电压*、无源接点3种类型 电容C的作用？ 电容C的作用？ 将现场过程来的（“1”/“0”）转换成计算机内部的二进制标准电平 数字量信号类型：直流电压*、交流电压*、无源接点3种类型 Vi 直流电压 Vi 无源触点 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 K R2 R1 C R D +5V 滤 波 数 据 锁 存 器 数据 总线 T + K R2 R1 C R DW D +5V 滤 波 数 据 锁 存 器 数据 总线 T 电容C的作用？ 电容C的作用？

需要注意的现场问题 + DI模块接收开关量现场仪表输出的“0”、“1”信号，但开关量现场仪表的输出信号类型有NPN和PNP之分 NPN是漏型，动作时，输出端输出 0 V；不动作时，没有电压 现场仪表：PNP型，公共端接地 NPN型，公共端接高电平 PNP输出 +24V +24V － +24V + 现场仪表 P型输出 PLC P型输入 现场仪表 N型输出 PLC N型输入 现场仪表的开关量输出类型尽可能与PLC模块输入类型一致

④ 开关量输出模块(DO) 三者简单比较: 将内部信号电平转换成所需的外部信号电平，驱动电磁阀、继电器、接触器、指示灯、小型电机等各种负载 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) 转换过程：现场信号  电平和格式的转换  光电隔离  输出缓冲区(映像区) 数 据 锁 存 器 D1 数据总线 负载 T D2 D3 T1 R1 R2 R3 24VDC 数 据 锁 存 器 D T R1 R2 C 负载 AC 数据 锁存 器 D1 R1 J 负载 AC DC 三者简单比较: 输出类型 速度 安全性 寿命 晶体管输出 晶闸管输出 继电器输出 最快 —— 长 快 —— 比较长 最慢 机械隔离，好 相对较短 继电器输出安全和灵活，但晶体管输出加上外接继电器更常用。

需要注意的现场问题(晶体管输出－－两种输出类型） 内部 电路 L COM OUT 内部 电路 L COM OUT NPN PNP DI、DO模块IO点通常8点为一组输出 Q1：如何在同一块开关量输入模块上接入不同类型的开关量输入信号？如直流电压、交流电压、无源触点 Q2：如何在同一块开关量输出模块上产生多种不同类型的开关量输出信号？

课外作业题 1.简述逐次比较型、双击分型、Σ-Δ型A/D转换的基本原理和特点 2.现有一块多通道的A/D输入转换卡，一台24VDC电源 ，多台III型二线制变送器（集中供电）， 每台变送器对应一个A/D输入通道。 ①    若A/D接口允许4～20mA标准电流输入，如何连接？ ②    若A/D接口允许0～5VDC标准电压输入，如何连接？ ③    回路中须加接显示仪表，如何连接？ ④    若实际负载超过变送器的额定负载能力，应如何处理？ ⑤    若A/D接口各输入通道的“－”端共地，连接时应注意什么？ ⑥    若变送器输出“－”端现场接地，连接时应注意什么？ A/D卡 通道1 通道2 ＋ － 24VDC电源 变送器一 变送器二 3.请结合DDZ-III型调节器输出电路设计一个把1～3VDC转换为4～20mA的V/I转换电路。 +24V 4.某开关信号的检测仪表为NPN型输出，而PLC的开关量输入模块为PNP型，如何实现二者的连接？ － NPN仪表 PNP输入模块