《电气控制基础与可编程控制器应用教程》课件第一章.ppt

1、1.1 电气控制的基本知识1.2 PLC的基本知识与应用1.3 PLC的特点与发展趋势思考题与习题第章概述主要内容：主要内容：(1)了解电气控制的概念和基本知识。(2)了解PLC的概念和基本知识。控制是日常生活中经常接触到的问题，可以说，现代生活离不开控制。有些控制是由人直接实现的，有些是通过简单的电器元件来实现的，有些是通过微处理器及其附件甚至是通过网络来实现的。本章主要研究的是在工业生产过程中遇到的控制问题及其解决方案，实现控制使用的设备和系统，人为干预的方式和策略，以及在实施控制系统的过程中将会遇到的问题和解决这些问题的方法等。电气控制技术是随着计算机科学技术的不断发展和生产工艺的不断改

2、进而飞速发展的。历经多年的发展，取得了很大的进步：在控制方法上，已从最早的手动控制发展到自动控制；在控制功能上，从简单控制发展到复杂控制；在操作方式上，由笨重发展到轻巧；在控制原理上，则由单一的有触点硬接线的继电器接触器控制系统发展到以计算机为核心的“软”控制系统。随着新型电器及电子元件的出现，电气控制技术还将不断得到发展。1.1 电气控制的基本知识电气控制的基本知识1.1.1控制过程的种类和控制系统的组成控制过程的种类和控制系统的组成1.控制过程的种类控制过程的种类按照工业生产过程变量的时间连续性和幅度连续性，工业生产的典型过程可以分为三种，即连续过程(Continuous Process)

3、、离散过程(Discrete Process)和批量过程(Batch Process)。1)连续过程连续过程指的是这样一种工业过程：其产品一般都是流体，如液体、气体等；过程的输入/输出变量为时间连续和幅度连续的量，并且过程一旦建立，只产出一种产品。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。石油炼制、化肥等生产过程都是连续过程。以连续过程为主要特征的生产行业，习惯性地被称为流程工业。2)离散过程与连续过程相对应，离散过程指的是这样一种工业过程：其产品是“固态”的、按件计量的；过程的输入/输出变量为时间离散和幅度离散的量，如产品的数量、开关的状态等。以离散过程为主要特征的生产行业，习惯性

4、地被称为制造业。3)批量过程所谓批量过程，指的是一种间歇性多品种生产过程，即利用同样的生产装置，在不同的时间段，根据不同的配方和生产工艺生产出不同的产品。这类过程的特点是连续过程和离散过程交替进行。配方的切换和生产工艺的改变是离散过程，而在确定了配方和生产工艺后的生产过程又是一个连续过程。一个完整的生产过程，一般都是连续过程和离散过程的混合体，如在啤酒的生产过程中，发酵过程是一个连续过程，但啤酒最后罐装成瓶的过程又是离散过程。在批量过程中，由于涉及设备的启、停控制，因此一般也都包含离散过程。2.控制系统的组成控制系统的组成从广义的方面来说，在一个控制系统中，必不可少的组成部分有三个，即被控对象

5、、控制装置(设备)和参与控制的人。在这三部分中，生产过程是被控对象，要使生产过程效率高，产品质量好，产品灵活性大，采取的措施之一就是采用功能强大的控制装置。控制装置是控制系统的核心。控制装置的性能好坏决定了控制目标是否可以实现。而现实情况是现在还不可能造出一种单一功能的控制装置来适应各行各业的控制要求，目前采用的较好的技术是根据控制装置的不同功能要求，制造独立的完成不同功能的控制模块(单元)，使用通信技术，将各控制模块组成一个有机的整体。人是整个控制系统的灵魂，主要体现在两个方面：一是控制系统的思想是由人赋予的；二是人直接干预控制系统的运行。1.1.2 控制系统的概述和发展过程控制系统的概述和

6、发展过程1.现代电气控制系统的概述现代电气控制系统的概述控制系统是由现场的回路控制部分、集中控制室中的人机界面和连接这两部分的信号电缆三大部分组成的。从基地式仪表发展到单元式组合仪表，从单一的控制装置发展到控制系统，引起这个根本变化的因素是信号传输。也就是说，信号的传输技术造成了功能上的分工与配合，使控制装置演变成了控制系统。信号传输标准的演变：气动单元组合仪表的信号传输标准是20l00 kPa，型电动单元组合仪表的信号传输标准是010 mA，型电动单元组合仪表的信号传输标准是420 mA，而近年来控制系统由模拟技术推进到数字技术后，虽然还没有形成一个统一的标准，但现场总线标准已经受到了广泛的

7、关注。目前，在很多情况下均采用420 mA的电流或者05 V的电压标准。2.控制系统的发展过程控制系统的发展过程控制系统的发展经历了过程控制、离散控制和计算机控制等过程，其中最先得到发展的是用于过程控制的控制装置，它的主要功能是进行回路控制。过程控制装置的主要发展过程经历了机械控制器、基地式仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表、数字式回路调节器、芯片控制的控制单元及分布式控制系统。离散控制装置的主要功能是进行逻辑顺序控制。离散控制装置的主要发展过程经历了继电器逻辑控制器、电子逻辑控制器、可编程逻辑控制器。计算机控制将各个单元的控制功能集中起来，借助计算机强大的运算处理功能来实现各种复杂的控

8、制。其主要发展过程经历了计算机监督控制系统和计算机直接数字控制系统。它是通过传感器、变送器、A/D(D/A)转换器、电子开关(执行器)等与控制对象进行连接的。从上面的发展过程可以看出，无论是过程控制、离散控制还是计算机控制，它们都担当着控制装置的角色。随着通信网络技术的发展，各个功能单元不再只是完成自身的功能，而是与其他单元组成一个整体来完成更强大、更复杂的控制功能。在控制系统的发展过程中，为了满足控制系统对实时性、可靠性方面的要求及系统规模的扩展和性能的提高，在网络技术的支持下，经过多年的探索，诞生了分布式控制系统(DCS)，它较好地解决了各功能单元之间的相互关系问题。可以肯定的是，无论是哪

9、一种类型的控制装置，今后的发展趋势一定是功能越来越强，体积越来越小，并且是自治功能单元，既可独立工作，又可以与其他单元组成功能更强的系统，不同种类的控制装置能相互渗透发展，在一种体系结构下协同工作，完成更复杂的控制功能。需要特别指出的是，PLC只是众多控制装置中的一种，它既可以单独组成系统，也可以与其他装置协同工作。控制系统的结构依赖于控制理论的发展。1.1.3 继电器接触器控制系统继电器接触器控制系统1.继电器接触器控制系统简介继电器接触器控制系统简介进入20世纪以来，随着流水线生产、社会化大生产蓬勃发展，继电器控制系统已被广泛地应用于工业生产的各个领域，创造了一个个成功的控制系统范例，并且

10、对一些典型的逻辑控制关系建立了固定的继电器逻辑控制组合(也称功能单元)。一般的继电器控制系统可以看成由输入电路、继电器控制电路、输出电路和控制对象4个部分组成。其中输入电路是由一些能完整表明控制对象状态的按钮、行程开关、限位开关及各类传感器等组成的，由它们向控制系统提供被控对象的信息。输出电路由接触器、电磁阀等执行元器件构成，用以控制电机、电炉、阀门等，以此来保证被控对象处于安全、合理、有序的运行状态。继电器控制电路是整个控制系统的核心，不同的逻辑控制功能都是由它来完成的。继电器控制系统结构如图1-1所示。图1-1 继电器控制系统结构图2.继电器控制电路图继电器控制电路图为了说明继电器的控制功

11、能是如何实现的，下面简要介绍继电器接触器控制系统电路的基本知识。1)常开按钮常开按钮触点的平常工作状态是断开状态。用手按下时，触点闭合，变为连通状态；手离开按钮时，触点断开，恢复为断开状态。2)常闭按钮常闭按钮触点的平常工作状态是连通状态。用手按下时，触点断开，变为断开状态；手离开按钮时，触点闭合，恢复为连通状态。常开、常闭按钮的原理图及图形符号如图1-2所示。图1-2 常开、常闭按钮的原理图及图形符号(a)原理图；(b)图形符号3)常开触点常开触点的平常工作状态是断开状态。当继电器线圈通电时，触点闭合，为连通状态；当继电器线圈断电时，触点断开，恢复断开状态。4)常闭触点常闭触点的平常工作状态

12、为连通状态。当继电器线圈通电时，触点断开，为断开状态；当继电器线圈断电时，触点闭合，恢复闭合连通状态。5)继电器线圈当控制连接该线圈的所有触点都闭合时，继电器线圈通电，衔铁吸合，使常开触点闭合，常闭触点断开；当线圈失电时，常开触点断开，常闭触点闭合。继电器的原理图及触点和继电器线圈的图形符号如图1-3所示。图1-3 继电器的原理图及触点和继电器线圈的图形符号(a)原理图；(b)图形符号图l-4所示是一个简单的继电器控制电路(启、保、停)图。其工作过程如下：按钮1按下时，通过按钮2使继电器1得电，继电器1的常开触点闭合，通过按钮2维持继电器1继续得电，启动设备工作。需要停车时，按下按钮2，按钮2

13、断开，继电器1失电，设备关机。整个继电器控制系统的核心都是由这样一些基本的控制功能电路组成的。图1-4 继电器控制电路3继电器接触器控制系统的特点继电器接触器控制系统的特点继电器控制电路图就是实际的逻辑连线图，两侧的线代表实际的控制电源线。各个控制单元继电器是否动作是由其接点条件控制的，不受其所处电路图前后位置的影响。同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器在动作(翻转)，控制的结果及逻辑动作顺序也是由其接点条件来控制的。继电器是具有惯性的器件，动作有延迟，而系统的动作顺序充分地考虑了这种延迟。当延迟不满足条件时，利用故障导向安全的原则来锁闭控制电路。继电器也是一种可靠的逻辑器件，继电器之间及与

14、其他电子器件之间的连接是通过导线来完成的，且相互之间的绝缘、隔离性能良好。继电器控制电路实现的控制功能比较简单，只限于逻辑、定时、计数等一些简单的控制。由于这种控制关系往往是针对某一固定的生产工艺设计的，因此当生产过程发生改变时，须重新设计，改变继电器及接线。同时，继电器因其机械动作还具有控制速度低、安装施工工程量大、系统不易扩展、维护工作量大、故障不易查找等缺点。工业自动控制中使用的可编程控制器种类很多。目前，有很多国内外厂家均在生产可编程控制器，不同厂家的产品各有特点，它们虽然有一定的区别，但是作为工业标准控制设备，可编程控制器在结构组成、工作原理和编程方法等许多方面是基本相同的。本节主要

15、介绍可编程控制器的一些基本知识。1.2 PLC的基本知识与应用的基本知识与应用1.2.1 PLC的概念与工作原理的概念与工作原理1.PLC的发展和概念的发展和概念1969年美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台PLC。由于当时的电子技术条件及计算机水平较低，因此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、数据传送及处理等功能，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，可编程控制器采用与继电器电路图类似的梯形图作为主要编

16、程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相组合的产物。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。这个时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上生产可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

17、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，这个时期发展了大型机和超小型机；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，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。早期的可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术的发展，可编程逻辑控制器的功能不断扩展和完善，已远远超出了逻辑控制的范围，具有了PID、A/D、D/A、算术运算、数字量智能控制、监控及通信联网等多方面的功能，现在已

18、变成了实际意义上的一种工业控制计算机。因此，现在人们将可编程逻辑控制器简称为可编程控制器。2.PLC的工作原理的工作原理PLC是一种专为工业环境下设计的计算机，它由CPU、存储器、输入/输出模块、通信模块和各种功能模块组成，在上电工作时，首先进行模块检查和初始化，接着CPU连续执行用户程序、任务的循环序列，这个过程称为扫描。如图1-5所示，CPU的扫描周期包括输入、执行用户程序、处理通信请求、执行CPU自诊断测试及写输出等内容。另外，与计算机相同，当有中断发生时，CPU会将当前程序中断，转而处理中断程序，提高了系统的实时性。图1-5 循环扫描周期1.2.2 PLC的结构和应用的结构和应用1.P

19、LC的结构的结构在结构上，PLC是由CPU、存储器、输入/输出、通信等单元构成的，可以将这些功能单元做在同一块电路板上，形成整体式结构；也可以将这些功能单元分别制作成模块，在使用时根据需要选择需要的模块，形成模块式结构。PCL的网络控制是在分散控制系统的控制思想基础上发展起来的。分散控制系统的控制思想是集中操作、分散控制。然而实际的工业控制过程比较复杂，一个控制过程可能由许多控制任务组成，这些控制任务既有独立性，又与其他任务有联系，而这些相对独立的任务需要构成一个整体。当控制系统达到一定规模时，分散控制系统解决方案的效果并不理想，因此许多PLC厂家开发了自己的网络系统。显然，网络控制系统比分散

20、控制系统更能准确地描述现实控制系统，实现管控一体化的思想。2.PLC的应用领域的应用领域目前，PLC已经广泛地应用在许多工农业生产、交通运输等领域，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大。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。PLC可以代替继电器进行组合逻辑控制、顺序逻辑控制与定时控制。另外，PLC具有数学运算、数据传送、转换、查表、排序和位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。通过使用专用的运动控制模块，可以实现对旋转或者平动运动的位置、速度和加速度的控制。运动控制功能广泛用于各种机械控制，如各种数控机床、机器人和交通控制等场合。

21、PLC可以通过网络与各种计算机、其他PLC及变频器等智能设备通信，组成分布式控制系统。根据对控制系统的不同要求，PLC可以实现开环过程控制和闭环过程控制。在闭环过程控制中，PLC通过模拟量和数字量I/O模块采集数据，经过数据处理和PID(比例积分微分)控制来实现过程控制。必须指出的是，并不是所有的PLC都能用于上述领域，有些小型的PLC只具有上述部分功能，可能完成不了上述一些较复杂的任务，但价格比较便宜。图1-6所示是西门子S7-300系列PLC在自动化立体车库控制系统中的一个典型应用：PLC的CPU选择S7-314C-2DP，带有MPI和PROFIBUS-DP接口。图1-6 PLC在自动化立

22、体车库系统中的应用1.PLC的特点的特点(1)编程方法简单易学。梯形图是使用最多的PLC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，形象直观，易学易用。熟悉继电器电路原理图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用其编制用户程序。梯形图语言实际上是一种面向用户的高级语言，PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它“翻译”成汇编语言后再去执行。1.3 PLC的特点与发展趋势的特点与发展趋势(2)可靠性高，抗干扰能力强。传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，故容易出现故障。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

23、少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/101/100，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是最可靠的工业控制设备之一。(3)故障检测、维修方便，系统更改灵活。PLC的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。当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信息迅速地查明故障发生的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。(4)功能强，性能价格比高。即使一台小型PLC内部也有成百上千个可供用户使用的

24、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系统相比，PLC具有很高的性能价格比。(5)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的用户程序可以在实验室模拟调试，用小开关来模拟输入信号，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，在现场的调试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。(6)硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。PLC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

25、装置供用户选用，用户能灵活、方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLC有较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便、快速地适应工艺条件的变化。(7)体积小，重量轻，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的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将控制柜的体积缩小到原来的1/21/10。PLC的配线比继电器控制系统的配线少得多，故可以省下大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上控制柜体积的缩小，可以节省大量的费

26、用。(8)模块化结构，扩展能力强。根据现场需要可进行不同功能的扩展和组装，一种型号的PLC可用于控制拥有几百个I/O点的控制系统。2.PLC的发展趋势的发展趋势随着PLC的不断发展，PLC总体上朝两个方向发展：在小型化方面，随着电子技术的发展，微型、小型PLC拥有了中型，甚至大型CPU的功能，朝体积更小、速度更快、功能更强、价格更低的方向发展，使PLC的使用范围不断扩大，广泛地应用在商业、家用等领；而大型、中型PLC在使用多CPU、32位长CPU等方面不断发展，朝大型化、网络化、多功能方向发展，不断提高其功能，以便与现代网络连接，组建大型网络化控制系统。1.简述PLC的概念。2.PLC有哪些主要特点?3.与一般的计算机控制系统相比，PLC有哪些优点?4.与继电器控制系统相比，PLC有哪些优点?5.PLC可以用在哪些领域?思考题及习题思考题及习题