工业自动化

摘要：可编程控制器（PC）已被誉为70年代的一场工业革命。自从PC问世以来的短短期间内，给工业控制带来的以前做梦都想不到的非凡变化。使用PC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。关键词：工业自动化可编程序控制器PC编码器应用程序可编程序控制器o继电器可编程控制器（PC）已被誉为70年代的一场工业革命。自从PC问世以来的短短期间内，给工业控制带来的以前做梦都想不到的非凡变化。使用PC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比，在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰，但是由于PC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。在PC出现之前，机械控制及工业生产过程控制是用专门设计的工业控制继电器实现的。这些继电器是19世纪初发展起来的机电设备，并经过不断发展形成的。机电继电器是F.B.Morse于1836年为其新设计的电报系统增加站与站之间的距离而发明的。如图1.1所示：图1.1简单电报电路图1.2带继电器的简单电报电路当时，需要一个设备能够感测到微小的电报信号，并将这个信号以增加电流的方式“中转”送到相距24140.16米（15英里）或32186.88米（20英里）远的下一个“中转”站中去，继电器就实现了这个任务。Morse所发明的这种设备成了今天社会中每个角落都在应用的机电设备家族的发展基础。继电器对于人类许多伟大的成就起了决定性的作用，同时也带来一些令人棘手的问题。1967年，加拿大一个变电分所的继电器的误动作竟将东海岸变成一片黑暗。同样，一个简单的继电信号指挥阿波罗-11号开始历史的飞行，将宇航员NeilArmstrong送到月球上，使人类向宇宙进军迈出了第一步。继电器与科学技术保持了同步发展，今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。他们比以往的产品具有更高的可靠性。但是，这也是随之带来的一些问题。如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的，容易损坏。而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声。并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费时间和物力去改制、安装和调试。o可编程控制器的产随着科学技术的进步，尤其是电子技术的发展，研制生产了固态器件，以取代电磁式继电器。使用晶体管和集成电路，使固态器件日益变得更加经济可靠，所以一些公司如GeneralElectric、Westinghouse及Allen-Bradley等开发了固态电路控制系统。这些系统大大地增加了控制系统的可靠性，降低了控制系统的成本。工业上设计的继电器称为控制继电器，汽车制造工业是它的一大用户，它被用来协助汽车生产过程的操作人员，以操作和控制机电设备。为了在设备类型更换期间降低继电器控制系统的成本，通用汽车公司液压传动分部于1986年起草了有关“可编程逻辑控制器”详细的技术规范。该规范反映了自动化工业及其他各类制造业的用户的要求和愿望。如RelianceElectric、Struther-Dunn、Modicon、DigitialEquipmentCorporation、InformationInstruments，均对该规范产生了极大的兴趣。1969年末和1970年初，这些公司与通用汽车公司合作，生产出我们现在称之为可编程控制器的专用计算机。从今天的标准来看，尽管早期的PC产品是简单的，但是他们确能满足“通用汽车公司”技术规范上的基本要求[1]。这些要求主要可以归纳为以下十条：在使用者的工厂里，必须能以最短中断服务时间，迅速而方便地对其控制的硬件或设备进行编程及重新进行程序设计。所有的系统组建必须能够在工厂无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。系统维修必须简单易行。在系统中应设计有状态指示器及插入式模块，以便在最短停车时间使维修和故障诊断工作变得简单易行。由于工厂占用的空间耗费了一定的资金，所以控制硬件占用的空间必须比它所代替的继电器控制系统占用的空间要小。此外，与现在的继电器控制系统相比，PC系统的耗能也应较少。可编程逻辑控制器必须能够与中央数据收集处理系统进行通信，以便监视系统运行的状态和运行情况。系统将能接收来自已有的标准控制系统中的按钮及限位开关的交流信号。逻辑控制器的输出信号必须能驱动以交流运行的电动启动器及电磁阀线圈。每个输出量将设计为可启停和连续操纵具有额定电流的负载设备。控制硬件必须能以系统最小的变动及在最短的更换和停机时间内，从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。在购买及安装费用上，PC系统应与现行使用的继电器和固态逻辑系统相比更具有竞争能力。可编程控制器的存储设备至少可被扩展到4000个存储字节或存储单元的容量。今天生产的PC产品不仅能满足汽车制造行业最初规定的标准，而且远远超出了这些简单要求。PC实质上是一个可代替工业继电器控制系统的更具灵活及可靠性的专用计算机。如图2.1所示，PC是一个能够完成各类控制系统功能的集装成一体的完整的小型控制系统。图2.1可编程控制器功能框图可编程控制器的编程语言PC与商业的微型计算机或计算机系统中的主机的主要区别在于个各自所使用的程序设计语言不同，以及PC设计可用于恶劣的工业环境。PC机有许多方法可用来描述和执行某种控制功能。继电器梯形图法是一个通用的工业标准方法。使用固态电路图及计算机程序设计技术，是一种以符号和命令来表示同样内容的语言，但唯有PC的继电器梯形语言最为直观地描述了继电器梯形框图。计算机被设计成通过接收和执行键入的类似于口语中的单词或语句的指令，而成为程序员的好友。PC的使用者受过专门的培训，利用一套精心设计的符号集，即继电器梯形框图集来传递信息[2]。这套符号成了PC的一种专用高级语言，该语言称之为“继电器梯形逻辑语言”。虽然PC有这样一套完备的语言来描述，但是对于初学者来说仍然是一件比较麻烦的事情。在整体的系统设计的时候应该避免涉及到PC的具体过程。在操作和维护的过程中也应该避免接触到PC的具体过程。可编程控制器的应用由于PC可满足绝大多数应用的需要，所以它受到广泛的欢迎。但是，对于选择能够适应具体用途的PC，所选择设备的正确安装和应用对PC的正确使用，极大程度上取决于控制系统工程师和设计者对PC及外围设备情况的掌握[3]。为了适应广泛的应用领域，PC在其设计上具有很好的灵活性及多样性，使它成为一种“万能钥匙”的控制设备，但是对PC的实际选择、完善及使用，可能给不熟悉PC的人们带来一些困难。确定一个具有最佳经济效益的完整的控制方案，要求设计人员和工程师熟悉掌握许多控制设备类型及硬件设备。第一手的实践经验是宝贵的财富。PC的正确应用，不仅要求最终结果应具有经济效益，而且最终控制系统必须满足用户的需要。应用要求只能对整体系统详细的分析来确定。这往往意味着要对每台机器或生产过程的所有侧面进行详细的分析研究。再者，由于每种PC的应用情况都是不相同的，所以没有简明的、精确的惯例对所有应用场合做出估价。应用要求涉及的一般范围包括如下内容：系统的最大吞吐量、最小的操作员接口、生产过程中能源材料的最有效利用、设备占地面积的要求，维护的简单易行，系统的最大利用率，以及最少的安装和维修时间。为了评价一个系统是否比另一个系统更好地满足具体应用要求，有时必须分析相似的系统。与PC控制系统的应用及经济效果同样重要的是，工厂人员是否能接受这个新系统。这极大程度上取决于它的操作是否简单。如果控制系统设计人员不考虑人的因素而进行一个要人来操作的设备设计。例如，设备缺少足以显示系统运行状态的只是器，结果在安装时使操作员和维护机械工程师感到迷惑，他们连续不断地抱怨能很快使人们确信这些控制系统在设计及运行过程中的确是糟糕透了。在系统设计与安装时，往往忽略对那些将直接接触控制设备的人员的培训工作。这是由于通常认为在实际运行设备时进行人员培训比较容易，所以许多生产厂家及工程部门直到系统安装运行之后，才开始对操作人员及维护人员进行系统培训。在系统安装的过程中，随时让将来最终要维护和操作该设备的人员了解安装过程，这将使他们对新系统有感性的认识。经过是适当的培训，操作人员能更好地理解系统为何按某一特定的方式安装。为应付突然出现的故障及恶劣的运行环境下的维修，就要事前强迫弄清楚“如此这般的原因”，否则会影响对发生的问题做出正确的判断。随着新系统的安装，操作人员就掌握了这些技术。在培训期间，公司一定能培养出椅披技术娴熟的操作人员，而且在系统可运行时，那些将接触新系统的人员已掌握了硬件设备及其操作和维护保养的知识。在PC应用中，最后一个应该考虑的主要问题是系统未来的发展。PC是模块设计，因此完全有扩充的能力来满足未来需要。通常，一般只需要更换或更新一个控制系统即可以了。但是在安装控制系统的过程中，往往需要安装许多同类设备。应用PC总要考虑未来效益、系统扩充以及当前需要。一个已完成的控制系统会由于增加为将来备用的设备，使其造价而成倍增长。应该注意增加设备的可能性。可编程控制器的控制系统在考虑PC的应用时，必然要涉及到总体控制系统设计如何实现的问题。就其性质而论，绝大多数的应用不是连续的就是批量过程。批量和连续生产过程控制系统在布局上可以是“集中式”和“分布式”。集中式控制结构采用单一的大型控制系统或处理机控制多种生产加工过程及操作。中央控制系统中，PC处理着生产过程中每个独立的工序。分布式结构与集中式的区别就在于，它对每个独立的工序由专门指定的控制系统或PC进行处理。控制系统所的另外一个特点就是：关于工厂中各个控制系统之间的相互作用关系。这种关系一点都不简单。许多控制系统可以设计成独立的系统，它们等待产品的到来，然后进行加工处理，并将其传送到下一个加工环节上，继续又等待下一组产品的到来。如果该专用控制系统完全独立，在不执行其所能完成的生产环节时，传统的做法是将这些独立系统从总的控制系统中去掉。在生产加工过程中，依附于前面生产流程中相邻控制系统的控制系统成为同位控制系统，每个控制系统的有效运行均依赖于周围的控制系统。同位系统中可能包含大量的相同控制系统，但是每个控制系统的运行依赖于一个相邻系统或者一个以至多个其他生产控制系统的运行。无论独立控制系统，还是同位控制系统，由一个总的主独立控制系统指挥时，称为层次结构的控制系统。从属的控制系统在没有中央智能装置的情况下都不能工作。在加工制造及监视运行状态的全过程中，中央智能处理器控制着产品的加工制造及其流通。可编程控制器的通用平台一个可编程控制器的简化工作过程如下：PC处理机根据目前输入映像表状态连续执行用户逻辑程序PC处理机根据用户逻辑程序执行结果连续更新输出映像状态其中用户程序就是采用继电器梯形逻辑语言编写的。虽然继电器梯形逻辑语言是一种工业标准，但是它仅仅是帮助程序员设计程序。真正的程序根据PC的不同而大不相同。那么一个通用的可编程控制器平台是十分重要的。该通用平台应该支持大多数PC语言。通过这个通用平台，程序员只需要关心逻辑程序的设计，具体程序的设计由该平台通过已经设计好的逻辑来进行生成。而且该平台不仅仅能通过特殊的逻辑语言编写，还应该有多种语言的接口。例如：C、C++、Java等等。这样就可以这样一个问题[2]：“PC的使用者受过专门的培训，利用一套精心设计的符号集，即继电器梯形框图集来传递信息。”让编写PC处理程序的人员可以选择他们喜欢的编程语言进行编程。这样就使得培训时间大大缩短，节约开发系统的时间。当然该平台除了可以使用DK方式，还应该支持可视化开发，并能集成逻辑调试、测试和发送。这样经过测试后的程序可以在线地发送给PC，让它按照新的方式工作。另外如果选择在该平台做开发工作，对于系统设计阶段