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关于自动控制的普及知识(ZT)
beibeidong | 2008-06-16 14:36:07    阅读:1250   发布文章

SECTION 1:什么是组态

在使用工控软件中,我们经常提到组态一词,组态英文是“Configuration”,其意义究竟是什么呢?简单的讲,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。

    与硬件生产相对照,组态与组装类似。如要组装一台电脑,事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等,我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间,因为它一般要比硬件中的“部件”更多,而且每个 “部件” 都很灵活,因为软部件都有内部属性,通过改变属性可以改变其规格(如大小、性状、颜色等)。

    在组态概念出现之前,要实现某一任务,都是通过编写程序(如使用BASIC,C,FORTRAN等)来实现的。编写程序不但工作量大、周期长,而且容易犯错误,不能保证工期。组态软件的出现,解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作,通过组态几天就可以完成。

    组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态,PLC(可编程控制器)梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有组态的概念,人们只是不这么叫而已。如AutoCAD,PhotoShop,办公软件(PowerPoint)都存在相似的操作,即用软件提供的工具来形成自己的作品,并以数据文件保存作品,而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用工具才能识别。但是不同之处在于,工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。组态工具的解释引擎,要根据这些组态结果实时运行。从表面上看,组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。

    虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供一些灵活性,组态软件也提供了编程手段,一般都是内置编译系统,提供类BASIC语言,有的甚至支持VB。


SECTION 2:PLC控制系统抗干扰技术设计策略
随着工业设备自动化控制技术的发展,可编程控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。本文详细介绍了影响PLC运行的干扰类型及来源,并提出抗干扰设计的实施策略。

    自动化系统所使用的各种类型PLC中,有的是集中安装在控制室,有的是安装在生产现场和各电机设备上,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性,一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力,另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视,多方配合才能完善解决问题,有效地增强系统的抗干扰性能。

    电磁干扰类型及其影响

    影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源。

    干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,可分为持续噪声、偶发噪声等;按噪声干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。

    共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电器供电时,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的,这种干扰叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。
 
    电磁干扰的主要来源

    1.来自空间的辐射干扰。空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的,通常称为辐射干扰,其分布极为复杂。若PLC系统置于其射频场内,就会受到辐射干扰,其影响主要通过两条路径:一是直接对PLC内部的辐射,由电路感应产生干扰;二是对PLC通信网络的辐射,由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关,一般通过设置屏蔽电缆和 PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护

    2.来自系统外引线的干扰。主要通过电源和信号线引入,通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较为严重,主要有下面三类:

    第一类是来自电源的干扰。实践证明,因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多,笔者在某工程调试中遇到过,后更换隔离性能更高的PLC电源问题才得到解决。

    PLC系统的正常供电电源均由电网供电,由于电网覆盖范围广,它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流,尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源,但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实际上,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能的。

    第二类是来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信息之外,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这种往往非常严重。

    由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。

    第三类是来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一,正确的接地既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地反而会引入严重的干扰信号,使PLC系统无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等,接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均,不同接地点间存在地电位差,引起地环路电流,影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地,如果电缆屏蔽层两端A、B都接地,就存在地电位差,有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时,地线电流将更大。

    此外,屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布,影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低,逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮,造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作。

    3.来自PLC系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生,如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容,比较复杂,作为应用部门无法改变,可不必过多考虑,但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。

    抗干扰设计

    为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰,必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施:抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。

    PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程,要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品,且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑,并结合具体情况进行综合设计,才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时,应主要注意以下两个方面。

    1.设备选型。

    在选择设备时,首先要选择有较高抗干扰能力的产品,其包括了电磁兼容性,尤其是抗外部干扰能力,如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统;其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标,如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等;另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。

    在选择国外进口产品要注意,我国是采用220V高内阻电网制式,而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大,零点电位漂移大,地电位变化大,工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上,对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行,这就要在采用国外产品时,按我国的标准(GB/T13926)合理选择。

    2.综合抗干扰设计。主要考虑来自系统外部的几种抑制措施,内容包括:对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰;对外引线进行隔离、滤波,特别是动力电缆应分层布置,以防通过外引线引入传导电磁干扰;正确设计接地点和接地装置,完善接地系统。另外还必须利用软件手段,进一步提高系统的安全可靠性。

    主要抗干扰措施

    1.采用性能优良的电源,抑制电网引入的干扰。

    在PLC控制系统中,电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源,一般都采用隔离性能较好的电源,而对于变送器供电电源以及和 PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源,并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施,但普遍还不够,主要是使用的隔离变压器分布参数大,抑制干扰能力差,经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器,以减少PLC系统的干扰。

    此外,为保证电网馈电不中断,可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电,提高供电的安全可靠性。而且UPS还具有较强的干扰隔离性能,是一种PLC控制系统的理想电源。

    2.正确选择电缆的和实施敷设。

    为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰,笔者在某工程中采用了铜带铠装屏蔽电力电缆,降低了动力线产生的电磁干扰,该工程投产后取得了满意的效果。

    不同类型的信号分别由不同电缆传输,信号电缆应按传输信号种类分层敷设,严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号,避免信号线与动力电缆靠近平行敷设,以减少电磁干扰。

    3.硬件滤波及软件抗干扰措施。

    信号在接入计算机前,在信号线与地间并接电容,以减少共模干扰;在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。

    由于电磁干扰的复杂性,要根本消除干扰影响是不可能的,因此在PLC控制系统的软件设计和组态时,还应在软件方面进行抗干扰处理,进一步提高系统的可靠性。常用的一些提高软件结构可靠性的措施包括:数字滤波和工频整形采样,可有效消除周期性干扰;定时校正参考点电位,并采用动态零点,可防止电位漂移;采用信息冗余技术,设计相应的软件标志位;采用间接跳转,设置软件保护等。

    4.正确选择接地点,完善接地系统。

    接地的目的通常有两个,一为了安全,二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

    系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言,它属高速低电平控制装置,应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响,装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz,所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式,各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大,应采用串联一点接地方式,用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点,然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线,总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω,接地极最好埋在距建筑物10~15m远处,而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。

    信号源接地时,屏蔽层应在信号侧接地;不接地时,应在PLC侧接地;信号线中间有接头时,屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理,一定要避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时,各屏蔽层应相互连接好,并经绝缘处理,选择适当的接地处单点接地。

    本文小结

    PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题,因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素,合理有效地抑制干扰,对有些干扰情况还需做具体分析,采取对症下药的方法,才能够使PLC控制系统正常工作,保证工业设备安全高效运行。


SECTION 3:DCS基本结构与PLC区别

DCS为分散控制系统的英文(TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)简称。指的是控制危险分散、管理和显示集中。60年代末有人研制了作逻辑运算的可编程序控制器(Programmable Logic Controller)。简称PLC。主要应用于汽车制造业。70年代中期以完成模拟量控制的DCS推向市场,代替以PID运算为主的模拟仪表控制。首先提出DCS这样一种思想的是原制造仪表的厂商,当时主要应用于化工行业。后又有计算机行业从事DCS的开发。

 

70年代微机技术还不成熟,计算机技术还不够发达。操作站、控制器、I/O板和网络接口板等都是DCS生产厂家自行开发的,也就是所有部件都是专用的。

70年代初,有人用如PDP/1124这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制。连接到中央控制室的电缆很多。如用小型机既作为控制器、同时把连接小型机的CRT又作为显示设备(即人机界面)。一台小型机需接收几千台变送器或别的传感器来的信号,完成几百个回路的运算。很显然其危险有点集中。和模拟仪表连接的电缆一样多,并且一旦小型机坏了,控制和显示都没有了。数字控制没有达到预期的目的。

后有人提出把控制和显示分开。一台计算机完成控制计算任务,另一台计算机完成显示任务。另外,一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多,其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算,工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对独立性,可以分成若干个独立的工序,再把在计算机控制系统中独立的工序上需要显示和控制的输入、输出的点分配
到数台计算机中去,把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机(控制器)去完成。其中一台机器坏了不影响全局。所谓“狼群代替老虎”的战术,这就是危险分散的意思。把显示、操作、打印等管理功能集中在一起,用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。当时有人把这种系统称为集散系统。

危险究竟要分散到多少算合适呢?这与当时的计算机技术的发展水平有关。70年代中期,彻底分散就是一个控制器完成一个回路的运算。当时由于人们对数字技术不太熟息,习惯于模拟仪表,70年代末、80年代曾经风行回路控制器,把数字控制器做成和原来模拟仪表在外观上几乎完全一样,不改变操作习惯 ,内部把PID运算数字化。一块仪表(一台计算机)完成一个回路的控制任务。其价格较为昂贵,但危险是分散了。然后用通讯网络把各个控制器和以CRT为基础的人机界面连成一个系统。这时网络结构通常都是星形结构。回路的控制器的制作成本太高,价格/性能比不好。后来为了减低成本,就有两回路的、四回路的控制器, 它的价格/性能比稍好一些。对于一个大中型系统来说,DCS的价格/性能比比回路控制器组成的系统要好。有些特殊地方还是要用到一些回路控制器。

如果所要完成的回路太多,如一个控制器采集几千点、完成几百个回路的运算,危险又太集中。在这种情况下,危险必需分散。随着计算机技术的发展,计算机的运算能力、存储容量和可靠性不断提高,一台计算机所完成的任务也可以增加。完成的任务也可集中一点。另外,控制器、网络等冗余技术也得到了发展,控制运算也可集中一些。

从目前的DCS来看,一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算,经现场使用,效果是比较好的。这就产生控制器升级的问题了。有时控制器和检测元件的距离还是比较远,这就促进现场总线的发展。如CAN、LOONWORKS、FF等现场总线,以及HART协议接收板等都用到 DCS系统中。

DCS分为三大部分,带I/O板的控制器、通讯网络和人机界面(HMI)。由I/O板通过端子板直接与生产过程相连,读取传感器来的信号。I/O板有几种不同的类型,每一种I/O板都有相应的端子板。

l 模拟量输入,4-20毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板;4-16个通道不等; 
l 模拟量输出,通常都是4-20毫安的标准信号,一般它的通道比较少,4-8个个通道; 
l 开关量输入;16-32个通道: 
l 开关量输出,开关量输入和输出还分不同电压等级的板,如直流24伏、125伏;交流220伏或115伏等;8-16个通道不等; 
l 脉冲量输入,用于采集速率的信号;4-8通道不等; 
l 快速中断输入; 
l HART协议输入板; 
l 现场总线I/O板;

每一块I/O板都接在I/O总线上。为了信号的安全和完整,信号在进入I/O板以前信号要进行整修,如上下限的检查、温度补偿、滤波,这些工作可以在端子板完成,也可以分开完成,完成信号整修的板现在有人称它们为信号调理板。

I/O总线和控制器相连。80年代的DCS由于控制器的运算能力不强,为了增加I/O点数,把控制器的任务分开,实际上是有三种类型的控制器。即:完成闭环运算的控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器。它们分别有自己的I/O总线,各种DCS的I/O总线各不相同。如果要求快速,最好采用并行总线。一般采用串行总线比较多。尤其是RS485总线较多,模拟量数据采集器和逻辑运算器的I/O点数可以多一些。

闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器可以和人机界面直接连在通讯网络上,在网络上的每一个不同的控制器作为网络上的一个独立结点。每一个结点完成不同的功能。它
们都应有网络接口。有的DCS为了节省网络接口,把所有的过程控制用的设备即闭环控制器、模拟量数据采集器和逻辑运算器预先连在控制总线上,称为过程控制站。这可以增加过程控制站能接收的I/O点数,又能节省接口。然后再通过接口连到网络上,与人机界面相连。随着计算机计术的发展,控制器的运算能力不断增强,如PC机做的一个控制器能力很强,既可接收模拟量运算,也接收开关量逻辑运算。一个控制器成为网络上的一个结点。通过网络与人机界面相连。

控制器是DCS的核心部件,它相当于一台PC机。有的DCS的控制器本身就是PC机。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片,还有两个接口,一个向下接收I/O总线来的信号,另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面相连。ROM用来存贮完成各种运算功能的控制算法(有的DCS称为功能块库)。在库中存功能块,如控制算法PID、带死区PID,积分分离PID,算术运算加、减、乘、除、平方、开方、函数运算一次滤波、正弦、余弦、X -Y函数发生器、超前-滞后;比较先进的算法有史密斯预估,C语言接口、矩阵加、矩阵乘;逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非等。通常用站功能块不仅把模拟量和开关量结合起来,还与人连系起来。功能块越多,用户编写应用程序(即组态)越方便。组态按照工艺要求,把功能块连接起来形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因为E2PROM可以擦写,组态要随工艺改变而改变,所以把组态存在E2PROM中。不同用户有不同组态。组态时,用户从功能块库中选择要的功能块,填上参数,把功能块连接起来。形成控制方案存到E2PROM中。这时控制器在组态方式,投入运行后就成为运行方式

控制器中安装有操作系统,功能块组态软件和通讯软件。

为了系统安全运行,闭环控制器一定是冗余运行的,一用一备,并且是热备。为了使冗余成功,应注意以下几点:两个控制器的硬件、软件版本必需一致;检查发送-接收的芯片是否完好;冗余的芯片是否完好。两个模件的设定是否一样、还要检查有没有带手操站等。

通讯网络把过程站和人机界面连成一个系统。通讯网络有几种不同的结构行式。如总线式、环形和星形(见图)。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。不论是环形还是总线形,一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。通讯网络的速率在10M和100M左右。

人机界面有4种不同形式的结点,它们是操作站、工程师工作站、历史趋势站和动态数据服务器。

u 操作站安装有操作系统、监控软件和控制器的驱动软件。显示系统的标签、动态流程图和报警信息。 
u 工程师工作站给控制器组态(CAD),也可以给操作站组态(作动态流程图)。如果监控软件作图能力很强,作图工作可以由监控软件独立完成。工程师站的另外一个功能是读控制器的组态,用于控制器升级,查找故障。我们称之为逆向工程师站。 
u 历史趋势站用于存储历史数据,一般用磁盘阵列(称为RAID技术)。 
u 动态数据服务器是DCS和MIS系统的接口,也是DCS和Web的隔离设备。

DCS和PLC的设计原理区别较大,PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的,70年代的PLC只有开关量逻辑控制,首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求,并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器,在程序运行过程中,每执行一步该计数器自动加1,程序从起始步(步序号为零)起依次执行到最终步(通常为END指令),然后再返回起始步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC,循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作,这是 DCS所没有的。
这也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数、各过程变量之间的关系都作成功能块(有的DCS系统称为膨化块)。70年代中期的DCS只有模拟量控制。如TDC2000系统,一个控制器一秒钟内能完成8个PID回路的运算。首先应用的是化工行业。DCS和PLC的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上,即使后来两者相互有些渗透,但是还是有区别。80年代以后, PLC除逻辑运算外,也有一些控制回路用的算法,但要完成一些复杂运算还是比较困难,PLC用梯形图编程,模拟量的运算在编程时不太直观,编程比较麻烦。但在解算逻辑方面,表现出快速的优点,在微秒量级,解算1K逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理,16位(也有32位的)为一个模拟量。而DCS把所有输入都当成模拟量,1位就是开关量。解算一个逻辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于PLC解算一个PID运算在几十毫秒,这与DCS的运算时间不相上下。大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。把计算结果送给PLC的控制器。不同型号的DCS,解算PID所需时间不同,但都在几十毫秒的量级。如早期的TDC2000系统,1秒钟内完成8个回路的控制运算。随着芯片技术的发展,解算一个算法的时简在缩短。解算一个算法所需时间与功能块的安排方式和组态方式有关。

在接地电阻方面,对PLC也许要求不高,但对DCS一定要在几欧姆以下(通常在4欧姆以下)。模拟量隔离也是非常重要的。在有爆炸危险的地方,应配置本质安全栅。

相同I/O点数的系统,用PLC比用DCS,其成本要低一些(大约能省40%左右)。PLC没有专用操作站,它用的软件和硬件都是通用的,所以维护成本比DCS要低很多。一个PLC的控制器,可以接收几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。DCS的控制器,只能几百个I/O点(不超过500 个I/O)。如果被控对象主要是设备连锁、回路很少,采用PLC较为合适。如果主要是模拟量控制、并且函数运算很多,最好采用DCS。DCS在控制器、 I/O板、通讯网络等的冗余方面,一些高级运算、行业的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由于采用通用监控软件,在设计企业的管理信息系统方面,要容易一些。

特别要指出的是,DCS的专用操作站,不是天经地义的。它是由历史原因形成的。DCS厂家如再不开放操作站,与工厂的管理信息系统连网,个别DCS就有从市场中消失的危险。

随着新技术的诞生,负面影响也跟着而来。新操作站的开放,病毒和黑客容易侵入到系统。在作设计时,在操作站上设置密码,系统多加隔离和防火墙。把负面影响减到最小。



SECTION 4: 什么是PLC
PLC基础知识简介  
   在自动化控制领域,PLC是一种重要的控制设备。目前,世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品,应用在汽车(23%)、粮食加工(16.4%)、化学/制药(14.6%)、金属/矿山(11.5%)、纸浆/造纸(11.3%)等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC,本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介,以期对各位网友有所帮助。
  
  一、PLC的发展历程
   在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称Programmable Controller(PC)。
   个人计算机(简称PC)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller(PLC),现在,仍常常将PLC简称PC。
  PLC的定义有许多种。国际电工委员会(IEC)对PLC的定义是:可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器,用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
   上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30~40%。在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高, PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
  PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位,在可预见的将来,是无法取代的。
  
  二、PLC的构成
    从结构上分,PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模块可以按照一定规则组合配置。
  
  三、CPU的构成
    CPU是PLC的核心,起神经中枢的作用,每套PLC至少有一个CPU,它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据,用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中,同时,诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令,经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号,去指挥有关的控制电路。
    CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成,CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据,是PLC不可缺少的组成单元。
    在使用者看来,不必要详细分析CPU的内部电路,但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算,在控制器指挥下工作。寄存器参与运算,并存储运算的中间结果,它也是在控制器指挥下工作。
  CPU速度和内存容量是PLC的重要参数,它们决定着PLC的工作速度,IO数量及软件容量等,因此限制着控制规模。
  
  四、I/O模块
    PLC与电气回路的接口,是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路,其输入暂存器反映输入信号状态,输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统,输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI),开关量输出(DO),模拟量输入(AI),模拟量输出(AO)等模块。
    开关量是指只有开和关(或1和0)两种状态的信号,模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下:
    开关量:按电压水平分,有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。
    模拟量:按信号类型分,有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等,按精度分,有12bit,14bit,16bit等。
    除了上述通用IO外,还有特殊IO模块,如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
    按I/O点数确定模块规格及数量,I/O模块可多可少,但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力,即受最大的底板或机架槽数限制。
  
  五、电源模块
    PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时,有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有:交流电源(220VAC或110VAC),直流电源(常用的为24VAC)。
  
  六、底板或机架
    大多数模块式PLC使用底板或机架,其作用是:电气上,实现各模块间的联系,使CPU能访问底板上的所有模块,机械上,实现各模块间的连接,使各模块构成一个整体。
  
  七、PLC系统的其它设备
    1、编程设备:编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件,用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况,但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器,目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。
    2、人机界面:最简单的人机界面是指示灯和按钮,目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛,由计算机(运行组态软件)充当人机界面非常普及。
    3、输入输出设备:用于永久性地存储用户数据,如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器,输入模拟量的电位器,打印机等。
   
  八、PLC的通信联网
    依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出"网络就是控制器"的观点说法。
    PLC具有通信联网的功能,它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。
    PLC的通信,还未实现互操作性,IEC规定了多种现场总线标准,PLC各厂家均有采用。
    对于一个自动化工程(特别是中大规模控制系统)来讲,选择网络非常重要的。首先,网络必须是开放的,以方便不同设备的集成及未来系统规模的扩展;其次,针对不同网络层次的传输性能要求,选择网络的形式,这必须在较深入地了解该网络标准的协议、机制的前提下进行;再次,综合考虑系统成本、设备兼容性、现场环境适用性等具体问题,确定不同层次所使用的网络标准。

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hyj666666  2008-06-17 17:49:29 

好多熟悉的词汇......感慨下......

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