自動(dòng)化系統(tǒng)(PLC)原理及組成

1、 原理及其組成2013年10月一、概述二、系統(tǒng)組成三、常用器件四、實(shí)例分析五、結(jié)束語(yǔ) 自動(dòng)化(Automation)，是指機(jī)器或裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)地進(jìn)行操作或運(yùn)行。 自動(dòng)化裝置是指無(wú)需人的參與就可以自動(dòng)進(jìn)行工作，完成特定任務(wù)的機(jī)器。 工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是運(yùn)用控制理論、儀器儀表、計(jì)算機(jī)和其它信息技術(shù)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、控制、優(yōu)化、調(diào)度、管理和決策，以達(dá)到增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、降低消耗、確保安全為目標(biāo)的集成系統(tǒng)。 自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展是伴隨著人類各個(gè)領(lǐng)域的科技發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。人們?cè)趲浊甑纳a(chǎn)過(guò)程中，為了多快好省地生產(chǎn)出自己需要的東西，發(fā)明了很多能夠替代人來(lái)工作的自動(dòng)裝置。

2、古代人在河流上建造可以通過(guò)水的沖擊帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)灌溉、碾米等工作的水車、磨坊。 近代人創(chuàng)造出的許多諸如鐘表、蒸汽機(jī)速度調(diào)節(jié)控制等等的自動(dòng)裝置，到十八世紀(jì)末自動(dòng)裝置的應(yīng)用和研究使得自動(dòng)化技術(shù)初具雛形。 直到上世紀(jì)四十年代末，美國(guó)數(shù)學(xué)家維納與墨西哥生物學(xué)家羅森布盧特合作，提出了自動(dòng)化的理論基礎(chǔ)著作控制論。標(biāo)志著自動(dòng)化技術(shù)的正式誕生。 自動(dòng)化技術(shù)從誕生到現(xiàn)在，已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，逐步走向成熟。自動(dòng)化技術(shù)為生產(chǎn)力的發(fā)展起著巨大的作用，實(shí)現(xiàn)了人們擺脫繁重勞動(dòng)和駕馭復(fù)雜系統(tǒng)的愿望。同時(shí),自動(dòng)化技術(shù)也在應(yīng)用中得到不斷發(fā)展和完善。人們?cè)谧詣?dòng)化技術(shù)應(yīng)用中發(fā)展了各種理論以及設(shè)計(jì)了各種設(shè)備和自動(dòng)化裝置，并在各個(gè)領(lǐng)

3、域大顯身手，如飛機(jī)導(dǎo)航、交通運(yùn)輸、導(dǎo)彈控制、智能樓宇、現(xiàn)代化工廠中到處都有自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、光電技術(shù)、信息技術(shù)以及現(xiàn)代控制方法與理論的發(fā)展，今天的自動(dòng)化技術(shù)正以嶄新的面貌在各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，以現(xiàn)代自動(dòng)控制理論為基礎(chǔ)的現(xiàn)代工業(yè)化系統(tǒng)展現(xiàn)出其無(wú)限美好的發(fā)展前景。 一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜都有下面幾個(gè)主要組成部分：一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)無(wú)論結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜都有下面幾個(gè)主要組成部分：l檢測(cè)器：主要是獲得反饋信息，計(jì)算目標(biāo)值與實(shí)際值之間的差值；檢測(cè)器：主要是獲得反饋信息，計(jì)算目標(biāo)值與實(shí)際值之間的差值；l控制器：相當(dāng)于大腦在分析決策上的作用，適時(shí)地決定系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)施控制器：相

4、當(dāng)于大腦在分析決策上的作用，適時(shí)地決定系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)施怎樣的調(diào)節(jié)控制；怎樣的調(diào)節(jié)控制；l執(zhí)行器：完成控制器下達(dá)的決定；執(zhí)行器：完成控制器下達(dá)的決定；l對(duì)象：對(duì)象： 被控制的客觀實(shí)體。被控制的客觀實(shí)體?？刂破?執(zhí)行器檢測(cè)器過(guò)程對(duì)象反饋信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)控制信號(hào)l自動(dòng)控制是基于反饋的技術(shù)。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、自動(dòng)控制是基于反饋的技術(shù)。反饋理論的要素包括三個(gè)部分：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用兩者之間的偏比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用兩者之間的偏差來(lái)糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。因此，自動(dòng)化技術(shù)的核心思想是反饋，差來(lái)糾正調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。因此，自動(dòng)化技術(shù)的核心思

5、想是反饋，通過(guò)反饋建立起輸入（原因）和輸出（結(jié)果）之間的聯(lián)系。使控制通過(guò)反饋建立起輸入（原因）和輸出（結(jié)果）之間的聯(lián)系。使控制器可以根據(jù)輸入與輸出的實(shí)際情況來(lái)決定控制策略，以便達(dá)到預(yù)定器可以根據(jù)輸入與輸出的實(shí)際情況來(lái)決定控制策略，以便達(dá)到預(yù)定的系統(tǒng)功能。的系統(tǒng)功能。l系統(tǒng)構(gòu)成前向通道和反饋通道兩個(gè)通道，前向通道是任務(wù)執(zhí)行的功系統(tǒng)構(gòu)成前向通道和反饋通道兩個(gè)通道，前向通道是任務(wù)執(zhí)行的功能主體。能主體。X XY YK KF FG GXXY YX = x0,x1,x2,xn Y = y0,y1,y2,yn 主要組成部分及其作用主要組成部分及其作用l控制器系統(tǒng)的大腦控制器系統(tǒng)的大腦 自動(dòng)控制系統(tǒng)中控制器

6、在整個(gè)系統(tǒng)中起著重要的作用，扮演著系統(tǒng)管理和組織核心的角色。系統(tǒng)性能的優(yōu)劣很大程度上取決于控制器的好壞。l執(zhí)行器系統(tǒng)的手腳執(zhí)行器系統(tǒng)的手腳 執(zhí)行器在自動(dòng)控制系統(tǒng)中的作用就是相當(dāng)于人的四肢，它接受調(diào)節(jié)器的控制信號(hào)，改變操縱變量，使生產(chǎn)過(guò)程按預(yù)定要求正常運(yùn)行。在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行器直接控制工藝介質(zhì)，若選型或使用不當(dāng)，往往會(huì)給生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制帶來(lái)困難。因此執(zhí)行器的選擇、使用和安裝調(diào)試是個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳感器被用來(lái)測(cè)量各種物理量，種類有溫度傳感器、流量傳感器、壓力傳感器等等。傳感器要滿足可靠性的要求，從傳感器的輸出信號(hào)中得到被測(cè)量的原始信息，如果傳感器不穩(wěn)定，那么對(duì)同樣的輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)就不一樣，則傳

7、感器會(huì)給出錯(cuò)誤的輸出信號(hào)，也就失去了傳感器應(yīng)有的作用。 PID控制比例、積分、微分 PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡(jiǎn)單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 現(xiàn)代控制最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、 自學(xué)習(xí)控制。 智能控制模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)l順序控制開(kāi)關(guān)邏輯控制順序控制開(kāi)關(guān)邏輯控制 如：繼電器矩陣控制、可編程序控制器 I/O模塊輸入輸出控制。l回路控制連續(xù)調(diào)節(jié)控制回路控制連續(xù)調(diào)節(jié)控制 如： FM 458-1 DP 應(yīng)用模塊專為自由組態(tài)的高性能閉環(huán)控制和技術(shù)應(yīng)用（如運(yùn)動(dòng)控制）而設(shè)計(jì)。

8、現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)大型化、連續(xù)化、高速化、現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)大型化、連續(xù)化、高速化、快節(jié)奏生產(chǎn)的必然產(chǎn)物。快節(jié)奏生產(chǎn)的必然產(chǎn)物。 基礎(chǔ)自動(dòng)化基礎(chǔ)自動(dòng)化L1（控制層）：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)（控制層）：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制系統(tǒng) 過(guò)程自動(dòng)化過(guò)程自動(dòng)化L2（運(yùn)行層）：生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)（運(yùn)行層）：生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng) 工廠自動(dòng)化工廠自動(dòng)化L3（管理層）：（管理層）：MES制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng) 企業(yè)自動(dòng)化企業(yè)自動(dòng)化L4（經(jīng)營(yíng)層）：（經(jīng)營(yíng)層）：ERP企業(yè)資源規(guī)劃企業(yè)資源規(guī)劃 工業(yè)自動(dòng)化最新技術(shù)：工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化最新技術(shù)：工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 組成工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的最基本的

9、單元器件：各類電器：主令器、斷路器、接觸器、繼電器、驅(qū)動(dòng)器等；各類儀表： 傳感器、熱工儀表、專用儀表等；各類計(jì)算機(jī)：可編程序控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)等。l通用控制器通用控制器可編程控制器可編程控制器PLC PLC是將邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，是將邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作，以指令的形式存貯于可編程的存儲(chǔ)器中，并經(jīng)過(guò)數(shù)字式或模擬式以指令的形式存貯于可編程的存儲(chǔ)器中，并經(jīng)過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出部件，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和過(guò)程進(jìn)行控制的數(shù)字運(yùn)算操作電的輸入輸出部件，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和過(guò)程進(jìn)行控制的數(shù)字運(yùn)算操作電子裝置。子裝置。 PLC是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論發(fā)展而來(lái)的，

10、它既不同于是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論發(fā)展而來(lái)的，它既不同于普通的計(jì)算機(jī)，又不同于一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，作為一種特殊普通的計(jì)算機(jī)，又不同于一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，作為一種特殊形式的計(jì)算機(jī)控制裝置，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件組成，軟件結(jié)構(gòu)以形式的計(jì)算機(jī)控制裝置，它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件組成，軟件結(jié)構(gòu)以及及I/O通道，用戶界面諸多方面都有其特殊性。通道，用戶界面諸多方面都有其特殊性。l專用控制器專用控制器 溫度調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器等。溫度調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器等。 l電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)裝置l伺服閥伺服閥l電磁閥電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的

11、方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥不但能夠應(yīng)用在氣動(dòng)質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥不但能夠應(yīng)用在氣動(dòng)系統(tǒng)中，在油壓的系統(tǒng)、水壓的系統(tǒng)中也能夠得到相同或者類似的系統(tǒng)中，在油壓的系統(tǒng)、水壓的系統(tǒng)中也能夠得到相同或者類似的應(yīng)用應(yīng)用.l步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛廣泛 應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。 電磁換向閥 電磁閥 步進(jìn)電機(jī)壓力儀表、溫度儀表、電壓電流檢測(cè)儀表、各類傳感器、各種特殊儀表。壓力儀表、溫度儀表、電壓電流檢測(cè)儀表、各類傳感器、各種特殊儀表。電磁傳感器 溫度傳感器 超聲波傳感器

12、 壓力傳感器 光纖傳感器 顯示儀表 編碼器 l交換器、集線器交換器、集線器HUB、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。 l典型工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：典型工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：L1+L2 機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng) + 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) + 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?生產(chǎn)過(guò)程控制生產(chǎn)過(guò)程控制l集成的三電一體化系統(tǒng)：集成的三電一體化系統(tǒng)： 電氣設(shè)備、電子儀表、電子計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備、電子儀表、電子計(jì)算機(jī) + 聯(lián)網(wǎng)通信聯(lián)網(wǎng)通信l1、電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 設(shè)備運(yùn)行控制、電機(jī)調(diào)速控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、流體介質(zhì)控制。包括：設(shè)備運(yùn)行控制、電機(jī)調(diào)速控制、機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制、流體介質(zhì)控制。包括： 可回饋交可回饋交/直整流逆變

13、器直整流逆變器+公共直流母線公共直流母線+可回饋逆變器（可回饋逆變器（TDC控制）、控制）、ACS800系列驅(qū)動(dòng)控制器系列驅(qū)動(dòng)控制器 、電機(jī)控制中心、電機(jī)控制中心MCC等。等。l2、儀表檢測(cè)系統(tǒng)、儀表檢測(cè)系統(tǒng) 過(guò)程參數(shù)傳感器、信號(hào)變換、采集、處理、傳輸。包括：過(guò)程參數(shù)傳感器、信號(hào)變換、采集、處理、傳輸。包括： 板形儀、板形儀、X射線測(cè)厚儀、激光測(cè)速儀、張力計(jì)、輥縫位置傳感器、軋輥壓力傳射線測(cè)厚儀、激光測(cè)速儀、張力計(jì)、輥縫位置傳感器、軋輥壓力傳感器、線性絕對(duì)值編碼器，旋轉(zhuǎn)多圈絕對(duì)值編碼器，接近開(kāi)關(guān)，溫度傳感器，感器、線性絕對(duì)值編碼器，旋轉(zhuǎn)多圈絕對(duì)值編碼器，接近開(kāi)關(guān)，溫度傳感器，壓力傳感器等。壓力

14、傳感器等。 l3、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 控制模型、實(shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、狀況分析、決策指令、系統(tǒng)管理、生產(chǎn)管理?？刂颇Ｐ汀?shí)時(shí)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、狀況分析、決策指令、系統(tǒng)管理、生產(chǎn)管理。包括：包括： 硬件配置：硬件配置：L1基礎(chǔ)控制器基礎(chǔ)控制器 AC800 PEC，L2服務(wù)器服務(wù)器/工作站工作站/工程師站、工程師站、PDA遠(yuǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集機(jī)程數(shù)據(jù)采集機(jī)(IBA FOB-2i采集卡采集卡)； 軟件配置：軟件配置：Windons XP, Windows Server2003、Control IT基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)軟件、上基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)軟件、上位組態(tài)軟件自動(dòng)化擴(kuò)展系統(tǒng)位組態(tài)軟件自動(dòng)化擴(kuò)展系統(tǒng)800XA、IBA-PDA軟件包、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等軟件包、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等 。l4、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) 總線拓?fù)?、系統(tǒng)集成、通信協(xié)議、信息交換。包括：總線拓?fù)?、系統(tǒng)集成、通信協(xié)議、信息交換。包括： 工業(yè)以太網(wǎng)工業(yè)以太網(wǎng)+DP網(wǎng)、以太網(wǎng)交換器等。網(wǎng)、以太網(wǎng)交換器等。我們?cè)O(shè)備上用的溫度變送器、壓力變送器、油位變送器、轉(zhuǎn)速變送器等模擬量?jī)x表及無(wú)油流開(kāi)關(guān)、振動(dòng)開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量?jī)x表就是傳感器，同時(shí)是我們的自動(dòng)化組成系統(tǒng)的測(cè)量部分我們?cè)O(shè)備上用的傳感器一般都帶有現(xiàn)場(chǎng)顯示，輸出420mA信號(hào)，收PLC接收，通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換成溫度，與事先設(shè)置好的報(bào)警及連鎖值比較，確定后續(xù)動(dòng)作比較部分也就是整個(gè)系統(tǒng)的