第5章 开关量输出、输入分解
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电气控制与PLC应用-第5、8章习题与思考题参考解答
第5章S7-200 PLC的指令系统习题与思考题1.S7-200指令参数所用的基本数据类型有哪些？答：S7-200 PLC的指令参数所用的基本数据类型有1位布尔型(BOOL)、8位无符号字节型(BYTE)、8位有符号字节型(SIMATIC模式仅限用于SHRB指令)、16位无符号整数(WORD)、16位有符号整数(INT)、32位无符号双字整数(DWORD)、32位有符号双字整数(DINT)、32位实数型(REAL)。
实数型(REAL)是按照ANSI/IEEE 754-1985标准(单精度)的表示格式规定。
2~255字节的字符串型（STRING）2.立即I/O指令有何特点？它应用于什么场合？答：立即指令允许对输入和输出点进行快速和直接存取。
当用立即指令读取输入点的状态时，相应的输入映像寄存器中的值并未发生更新；用立即指令访问输出点时，访问的同时，相应的输出映像寄存器的内容也被刷新。
由于立即操作指令针对的是I/O端口的数字输入和数字输出信号，所以它们的位操作数地址只能是物理输入端口地址Ix.x和物理输出端口地址Qx.x。
3.逻辑堆栈指令有哪些？各用于什么场合？答：复杂逻辑指令，西门子称为逻辑堆栈指令。
主要用来描述对触点进行的复杂连接，并可以实现对逻辑堆栈复杂的操作。
复杂逻辑指令包括：ALD、OLD、LPS、LRD、LPP和LDS。
这些指令中除LDS外，其余指令都无操作数。
这些指令都是位逻辑指令。
栈装载与指令ALD用于将并联子网络串联起来。
栈装载或指令OLD用于将串联子网络并联起来。
逻辑推入栈指令LPS，在梯形图中的分支结构中，用于生成一条新的母线，左侧为主控逻辑块时，第一个完整的从逻辑行从此处开始。
逻辑读栈指令LRD，在梯形图中的分支结构中，当左侧为主控逻辑块时，该指令用于开始第二个和后边更多的从逻辑块。
逻辑栈弹出指令LPP，在梯形图中的分支结构中，用于恢复LPS指令生成的新母线。
装入堆栈指令LDS，复制堆栈中的第n级值，并将该值置于栈顶。
第五章SAMA图
• 除氧器有定压和滑压两种运行方式，相应 的压力控制系统也有两种形式： • 1.定压运行除氧器压力控制系统 • P>P0,μ↓ • P<P0,μ↑ • 2.滑压运行除氧器压力控制系统
P P0 △ K∫ μ
• 为减小定压运行时抽汽压力损失，提高机 组的运行效率，目前大型机组除氧器均采 用滑压运行方式。该方式是将除氧器加热 蒸汽阀开足，除氧器压力接近抽汽压力 （只差管路压力损失），这样除氧器压力 就随负荷变化而变化，负荷大时，压力高； 负荷小时，压力低。一般情况下，不对压 力进行调节，压力只靠汽轮机抽汽来自然 保持，但是当汽轮机负荷低于一定值时， 要将辅助汽源的蒸汽送入除氧器以维持最 低的允许压力。
• 虽然各公司的SAMA图例有些区别，但SAMA 图的许多符号是通用的。常用的SAMA图例有 四种，分别表示的含意如下： • ⑴○ 表示测量或信号读出功能。一般用来表示 从现场传感器或变送器读出信息。 • ⑵ □ 表示自动信号处理。一般用来表示控制 站（柜）中仪表（或算法模块）的功能。 • ⑶◇表示手动信号处理。一般用来表示在操作 站（器）的功能。 • ⑷ 表示执行机构。一般用来表示安装在现场 的电动、气动和液动等执行器。
• 除氧器压力控制SAMA图如图5-5所示。为 了防止汽轮机跳闸时除氧器压力骤降而使 给水泵汽化，发生汽轮机跳闸时，在跳闸 瞬间除氧器压力设定值跟踪菱形A输出的设 定值X%,此压力设定值恒定，防止了除氧器 压力的骤降。在正常情况下，除氧器压力 设定值由操作员根据当前的运行情况，进 行手动设定，它是通过菱形手操器输出的 改变实现的。除氧器压力的自动控制是以 除氧器内蒸汽空间压力作为被控量，并通 过改变加热蒸汽量作为控制手段，即通过 改变除氧器进汽阀的开度来维持除氧器压 力在规定值的。
第五章 复合控制系统控制系统
TI se −τs Y(s) = D(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TDs + 1)e −τs
(1)
(2)
•微分先行：式(3)、式(4)。
k c (TI s + 1)e −τs Y( s ) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs ( 3)
2、解决办法
•两塔之 间增设缓冲器 (不适宜)。 •采用均 匀控制系统 (上策)。 3、均匀控制的含义 •是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 、均 匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协 调的系统。
4、均匀控制的特点 •表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变 化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。
四、前馈--串级控制系统
1、方法的提出 •为了保证前馈控制 的精度，常希望控制阀 灵敏、线性等； •采用串级控制系统 可满足以上要求。 2、原理与结构图
3、应用举例：
思考题
1、前馈控制有哪几种主要型式？ 2、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 3、为什么一般不单独使用前馈控制方案？
第六章 大滞后补偿控制
§ 6- 1 克服纯 滞后的 几种常 见方案
6.2
6.3
1、预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，但需 控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 2、采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。 3、改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 4、其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
第七章 实现特殊要求 2 3 4 的过程控制系统
一、概述
§7-1 比值控制系统
(1)
(2)
•微分先行：式(3)、式(4)。
k c (TI s + 1)e −τs Y( s ) = R(s) TI sWo−1 (s) + k c (TI s + 1)(TD + 1)e −τs ( 3)
2、解决办法
•两塔之 间增设缓冲器 (不适宜)。 •采用均 匀控制系统 (上策)。 3、均匀控制的含义 •是指两个工艺参数在规定范围内能缓慢地 、均 匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼顾、均匀协 调的系统。
4、均匀控制的特点 •表征前后供求矛盾的两个参数都是变化的，变 化是缓慢的，是在允许范围内波动的。参见下图。
四、前馈--串级控制系统
1、方法的提出 •为了保证前馈控制 的精度，常希望控制阀 灵敏、线性等； •采用串级控制系统 可满足以上要求。 2、原理与结构图
3、应用举例：
思考题
1、前馈控制有哪几种主要型式？ 2、前馈控制与反馈控制各有什么特点？ 3、为什么一般不单独使用前馈控制方案？
第六章 大滞后补偿控制
§ 6- 1 克服纯 滞后的 几种常 见方案
6.2
6.3
1、预估补偿：原理上能消除纯滞后对控制系统的动态影响，但需 控过程的精确模型，工程上往往难以实现。 2、采样控制：成本较低，但干扰加入的时刻对控制效果影响较大。 3、改进型常规控制：具有通用性广等特点，目前较常用。 4、其他：大林算法、卡尔曼预估算法、灰色预测控制等。
第七章 实现特殊要求 2 3 4 的过程控制系统
一、概述
§7-1 比值控制系统
S7-1500PLC项目设计与实践-第5章-1
长度
格式
（位）
日期和时间
64
（年-月-日-小 时：分钟：秒：
毫秒)）
取值范围
最小值：DT#1990-01-0100:00:00.000
最大值：DT#2089-12-3123:59:59.999
输入值示例
DT#2008-10-258:12:34.567， DATE_AND_TIME#2008-1025-08:12:34.567
字符 $L 或 $I
$N
$P 或 $p $R 或 $r $T 或 $t
$$ $'
十六进制 0A
0A 和 0D
0C 0D 09 24 27
含义 换行
断行（断行在字符串 中占用 2 个字符） 分页 回车 (CR) 切换 美元符号 单引号
示例 '$LText', '$0AText'
'$NText', '$0A$0DText'
T#+24d20h31m23s 20s630ms
647ms 16#00000000 到
16#0001EB5E
16#7FFFFFFF
（2）S5时间（S5TIME）类型
长度（位） 16
格式
10 ms 增长的S7 时间（默认值）
十六进制的数字
取值范围
S5T#0MS 到 S5T#2H_46M_30
S_0MS 16#0 到 16#3999
美国信息交换标准代码。
ASCII码由8位二进制数组成，最高位一般用于奇偶校验，其余7 位代表128个字符编码。其中图形字符96个（10个数字、52个字 母、34个其它字符），控制字符32个（回车、换行、空格、设 备控制等）。
第5章 PLC的程序设计及应用
Programmable Controller—PLC
7. 延时接通/断开电路 如图5-18所示，当X001为ON时，定时器T1得电开始计 时，延时10s后，Y001接通并自保。当X001为OFF时，定时器 T2接通并开始计时，经8s延时后，Y001失电断开。
X001 （ T1 X001 （ T2 T2 （ Y001 Y001 ） K100 K80 ） ）
X001 T1 （ T2 T2 （ T1 K20 K20
Programmable Controller—PLC
9. 分频电路 在许多控制场合，需要对控制信号进行分频。图5-20是二 分频电路的梯形图和时序图。在梯形图中用了三个辅助继电 器，分别为M10、M20和M30。
X001 M20 （ M10 ） ）
Programmable Controller—PLC
1. 触点水平不垂直 梯形图中的触点应画在水平线上，不能画在垂直线上，如 图5-1所示。
X003
X001 X002 （ Y001 X005 X003 X004 （ Y002 ） ）
X005
X002 （ Y001 ）
X001 X001 X003 X005 X004 （ Y002 ）
图5-1 触点水平不垂直
Programmable Controller—PLC
2. 线圈右边无触点 梯形图每一行都是从左边的母线开始，线圈接在右边的母 线上，线圈右边不允许再有触点，如图5-2所示。在继电器电 路中的触点可以放在线圈的左边，也可以放在线圈的右边。 在梯形图中，触点提供输入信号，线圈和输出类指令接收逻 辑运算的结果。因为逻辑运算是从左往右进行的，所以输出 类指令应放在电路的最右边。触点如果放在线圈的右边，程 序将会出错。
第五章 自动控制仪表
给定值 比较环节
偏差
测量信号
-
放大器
输出信号
反馈环节
二、DDZ-III型电动控制器 1. DDZ—Ⅲ型仪表的特点 (1).采用标准信号。标准电流信号(4-20mADC)通过转换 电阻250Ω,转换为标准电压信号(1-5VDC)。 ①.电气零点不是从零开始,且不与机械零点重合,可线性 化,且易识别断电、断线等故障。 ②. 改变转换电阻值,控制室仪表可接收1:5的其他电流信号, 如将1-5mA或10-50mA,再转换为电压信号(1-5V)。 ③.实现现场变送器与控制室仪表的两根导线连接。 (2).采用集成电路,可靠性提高,维修量减少。
二、比例控制 (P) 例如:DDZ-Ⅱ型比例控制器,其温度刻度范围为400-800℃, 控制器输出工作范围是0-10mA。当指示指针从600℃移 到700℃时,控制器相应的输出从4mA到9mA,比例度为:
700-600 9-4 ( / ) 100% 50% 800 400 10 0
当H>Ho时,电极接触流 体,J接通,V全关,流体不 再流入贮槽。 电磁阀V 给定值Ho
电磁阀频繁动作而易损坏。
具有中间区的双位控制。
一、双位控制
p pmax 开
3.具有中间区的双位控制 偏差在中间区内,控制机构不动作。 e e e min max 当e>emax时,控制器输出为最大pmax, pmin 关 控制机构打开(或关)； 实际的双位控制特性 当e<emin时,控制器输出为最小pmin, 阀门关闭 控制机构关闭(或开) 。 阀门打开
• 实际的PID控制规律较为复杂。 因PID控制器有δ (KP).TI. TD三个 参数可选择, 适用范围广,在温度和 成分分析控制系统中得到广泛应用。 PID特点:控制速度快,消除余差,有较好的控制性能。 但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的,必须根据 过程特性和工艺要求,选择最为合适的控制规律。
偏差
测量信号
-
放大器
输出信号
反馈环节
二、DDZ-III型电动控制器 1. DDZ—Ⅲ型仪表的特点 (1).采用标准信号。标准电流信号(4-20mADC)通过转换 电阻250Ω,转换为标准电压信号(1-5VDC)。 ①.电气零点不是从零开始,且不与机械零点重合,可线性 化,且易识别断电、断线等故障。 ②. 改变转换电阻值,控制室仪表可接收1:5的其他电流信号, 如将1-5mA或10-50mA,再转换为电压信号(1-5V)。 ③.实现现场变送器与控制室仪表的两根导线连接。 (2).采用集成电路,可靠性提高,维修量减少。
二、比例控制 (P) 例如:DDZ-Ⅱ型比例控制器,其温度刻度范围为400-800℃, 控制器输出工作范围是0-10mA。当指示指针从600℃移 到700℃时,控制器相应的输出从4mA到9mA,比例度为:
700-600 9-4 ( / ) 100% 50% 800 400 10 0
当H>Ho时,电极接触流 体,J接通,V全关,流体不 再流入贮槽。 电磁阀V 给定值Ho
电磁阀频繁动作而易损坏。
具有中间区的双位控制。
一、双位控制
p pmax 开
3.具有中间区的双位控制 偏差在中间区内,控制机构不动作。 e e e min max 当e>emax时,控制器输出为最大pmax, pmin 关 控制机构打开(或关)； 实际的双位控制特性 当e<emin时,控制器输出为最小pmin, 阀门关闭 控制机构关闭(或开) 。 阀门打开
• 实际的PID控制规律较为复杂。 因PID控制器有δ (KP).TI. TD三个 参数可选择, 适用范围广,在温度和 成分分析控制系统中得到广泛应用。 PID特点:控制速度快,消除余差,有较好的控制性能。 但这并不意味着它在任何情况下都是最合适的,必须根据 过程特性和工艺要求,选择最为合适的控制规律。
电气控制与PLC原理及应用(第二版)周亚军章 (5)
2．运动控制 越来越多的生产设备对定位机构提出了位置、速度和轨迹 控制的要求，针对这一需求，PLC产品都有专门的运动控制模 块，可以实现单轴/双轴/多轴的位置、速度控制和轨迹规划， 将运动控制和顺序控制有机地结合起来，从而将PLC的应用领 域拓展到许多精密机械加工、生产制造设备的控制中。
第5章 可编程控制器概述
第5章 可编程控制器概述
(5) 定时与计数功能不同。继电接触器控制系统采用的定 时器体积大、精度低、调整困难，一般不具备计数功能；PLC 则有大量的软定时器和计数器，精度高、范围宽、调整 方便。
(6) 设计与调试方式不同。继电接触器系统设计方法有限， 对于复杂继电接触器系统缺少通用的解决办法，设计完成的线 路硬件元件和连线众多，施工工作量大，调试过程中发现问题 所需修改周期长。
3．闭环过程控制 目前，PLC都具有模拟量输入/输出功能及PID控制功能， 可以对温度、压力、流量等模拟量实现闭环控制。解决方案也 非常灵活，既可以采用软件PID指令实现控制功能，也可以采 用硬件PID模块，后者通过增加硬件成本减轻了软件设计工作 量，实时性好，更适合对象比较复杂的生产设备。
第5章 可编程控制器概述
另外，在数字量I/O点数、模拟量I/O点数及各类模块的数 量上都朝着大容量发展，如西门子S7-400可扩展到32 KB DI/DO。由于控制系统规模上去了，用户程序量必然也会增加， 所以PLC大型化也包含存储容量的增加。
第5章 可编程控制器概述
2．微型化、多功能化趋势 大型化是为了拓展PLC的应用领域，而在PLC的强项——小 型设备的控制上，则需要在降低成本、提高速度、改善结构方 面作出努力。微型化、多功能化可以使控制系统体积减小、成 本下降、结构趋于模块化，配置灵活，易于改造。目前，超小 型PLC的I/O点数少则几个，多则数百个，甚至个别的超小型 PLC可以扩展到上千个。如此规模即便是复杂对象也能胜任。
第5章 可编程控制器概述
第5章 可编程控制器概述
(5) 定时与计数功能不同。继电接触器控制系统采用的定 时器体积大、精度低、调整困难，一般不具备计数功能；PLC 则有大量的软定时器和计数器，精度高、范围宽、调整 方便。
(6) 设计与调试方式不同。继电接触器系统设计方法有限， 对于复杂继电接触器系统缺少通用的解决办法，设计完成的线 路硬件元件和连线众多，施工工作量大，调试过程中发现问题 所需修改周期长。
3．闭环过程控制 目前，PLC都具有模拟量输入/输出功能及PID控制功能， 可以对温度、压力、流量等模拟量实现闭环控制。解决方案也 非常灵活，既可以采用软件PID指令实现控制功能，也可以采 用硬件PID模块，后者通过增加硬件成本减轻了软件设计工作 量，实时性好，更适合对象比较复杂的生产设备。
第5章 可编程控制器概述
另外，在数字量I/O点数、模拟量I/O点数及各类模块的数 量上都朝着大容量发展，如西门子S7-400可扩展到32 KB DI/DO。由于控制系统规模上去了，用户程序量必然也会增加， 所以PLC大型化也包含存储容量的增加。
第5章 可编程控制器概述
2．微型化、多功能化趋势 大型化是为了拓展PLC的应用领域，而在PLC的强项——小 型设备的控制上，则需要在降低成本、提高速度、改善结构方 面作出努力。微型化、多功能化可以使控制系统体积减小、成 本下降、结构趋于模块化，配置灵活，易于改造。目前，超小 型PLC的I/O点数少则几个，多则数百个，甚至个别的超小型 PLC可以扩展到上千个。如此规模即便是复杂对象也能胜任。
第五章-馈线自动化
2023/11/5
第2页
馈线自动化基本功能
数据采集 状态监视 无功控制 与故障处理
控制 操作
事故告警
站内馈线 开关数据 的采集和 监视，由 站内RTU 来完成。
2023/11/5
状态 事故 监视 处理
对正常状态 和事故状态
的监控
对安装在线 路上的无功 补偿电容器 组的自动投 切控制。
故障区域自 动判断、指 示与自动隔 离；故障消 除后迅速恢 复供电功能。
第7页
（二）自动重合器的分类及特点
• （1）按相别分：自动重合器有单相、三相式。 • （2）按安装方式分：可分为杆上、地面上、水下或地下
，可实现串联分闸、并联分闸等多功能自动分闸。 • （3）按灭弧介质分：可分为油重合器、真空重合器和六
氟化硫重合器。 • （4）按控制方式分：可分为液压重合器和电子重合器两
不因而过将这Q时04因闭为锁分Q在0段4分的器闸控都状又 将制应态因依有器，用次故在断待相障于检电下继的测放而次合第时射再分闸五限式得，区(闸y电供直段时，时电到与限所也第网电)不内有四网的再检区区隔重自测段离段合动到供。供重又式电与合失电正分此。去常暂断同电。时停器压Q，0动。，4设因作置处过在于程变闭电锁所状的态故，障因而区
第 五 章 馈线自动化
第一节 概述
• 一、馈线自动化的作用和基本功能 • 馈线自动化的作用： • 正常运行时检测线路状态，如电流、电压、开关状态及进
行相关操作； • 当线路发生故障时，能准确确定故障所在线路，跳开故障
线路开关，使故障线路被隔离，并恢复非故障线路的供电 ； • 通过网络重构实现负荷控制和降低网络损耗。
• （1）x时限：为延时合闸时限，即指从分段器电源侧加电压至
数字量输入输出接口
1.统一编址 这种方式，是从存储器空间划出一部分地址 空间给I/O设备，把I／O接口中的端口当作存储 器单元一样进行访问，不设置专门的I/O指令， 有一部分对存储器使用的指令也可用于端口。 2．独立编址 这种方式是接口中的端口地址单独编址而不 和存储空间合在一起，大型计算机通常采用这种 方式，
统一编址优点： 1、由于对I／O设备的访问是使用访问存储 器的指令，所以指令类型多，功能齐全，这不 仅使访问I/O端口可实现输入／输出操作，而且 还可对端口内容进行算术逻辑运算，移位等等 ； 2、另外，能给端口有较大的编址空间，这 对大型控制系统和数据通信系统是很有意义的 。 这种方式的缺点是端口占用了存储器的地 址空间，使存储器容量减小，另外指令长度比 专门I／O指令要长，因而执行速度较慢。
； I/O端口 ；从端口读数据到AL ；将数据从AL存储器 ； I/O端口 ；从内存取数到AL ；数据从Al送端口
I／O端口地址分配 对于接口设计者来说，搞清楚系统I/O端口 地址分配十分重等。因为要把新的I/O设 备加入到系统中去就要在I/O地址空间中 占一席之地。哪些地址已分配给了别的设 备，哪些是计算机制造商为今后的开发而 保留的，哪些地址是空闲的，了解了这些 信息才能为我所用。下面以IBM－PC系列 为例来分析I/O端口地址分配情况。
第5章 数字量输入/输出接口
5.1 概述
一、接口电路的分类和功能
外设必须通过接口电路与CPU相连接
数据线
数 据 总 线 控 制 总 线 地 址 总 线 控制线 接口电路 状态线 外 部 设 备
5.1.2I/O接口
接口电路的功能： 1）缓冲锁存数据 2）地址译码 3）传递命令 4）码制转换 5）电平转换
中断输入输出方式可以大大提高CPU的 效率，但仍需要CPU通过程序进行传送。每 次中断处理需要保护断点、 保护现场及恢复 现场恢复断点，这些操作都要占用CPU的额 外时间。这对于高速的外部设备在成批地交 换数据时，这种中断传送方式，就显得太慢 ，因而不能满足高速交换数据的要求。DMA 方式能摆脱CPU的直接干预，利用硬件控制 设备DMA控制器(DMAC)，实现外部设备与 内存间的直接数据传送。
PLC第二、三节
第一章 可编程控制器概述
§1-3-2 存储器
系统程序存储器
ROM或EPROM
监控程序和解释程序
用户程序存储器 工作数据存储器
RAM或EPROM或FLASH
RAM或 FLASH
元件映象寄存器 数据表
用户程序 状态 数据
元件映象寄存器：用来存储PLC的开关量输入/输出和定时器、计数器、 辅助继电器等内部继电器的ON/OFF状态。
§1-2 PLC的特点 §1-2-1 PLC的特点
1. 灵活性和通用性强 2. 可靠性高、抗干扰能力强 3. 编程简单，使用方便 4. 接线简单
第一章 可编程控制器概述
PLC可对开关量进行控制，又 可对模拟量进行控制；既可控制 一继台电单器PL机控C控、制制一系系条统统生产线，又可控 制现可系可试行此的实向容一场控统以，系具特现问易个控制。在更统由有点机P题掌PCC机制简实为的于体，电采的握采硬软群，单验方模P积易一用“。用件件L，又系室便拟C小于体半自面方方是多可统进的运、装化导然向面面通条远，行是行重入。体语控过生距又设可调量机集言制程产离可计在试轻械成”过序线控控和实。、设电编程进：制制程验功备路程、行既；复序室耗内，，面控可既杂调进低部因制，
内部继电器的线圈用 常开触点用 常闭触点用
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第一章 可编程控制器概述
§1-3 PLC的基本组成与各部分的作用
PLC的基本分类
整体式 小型机常采用整体式
组合式 中、大型机常采用组合式
第一章 可编程控制器概述
整体式 PLC的基本组成框图
主机
电源
输 入 设 备
输 入 单 元
输
CPU
出 单
5. 功P能C的强接、线功只能需的将扩输展入能设力备强与PC输入端子连接；将输出设备与PC输出端子连 接。接线工具仅为螺丝刀，接线工作极其简单、工作量极少。 6. 系统设计、调试周期短