【毕业学位论文】（Word原稿）PCL电梯控制系统PLC可遍程控制器和MCGS组态软件结合-电气自动化

梯控制系统 文摘 随着微电子技术和计算机技术的迅速发展， 可编程控制器）在工业控制领域内得到十分广泛地应用。 一种基于数字计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置，它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入 /输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、记数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。本文介绍了利 用 可编程控制器编写的一个 五 层电梯的控制系统，检验电梯 制系统的运行情况。实践证明， 遍程控制器和 态软件结合有利于 制系统的设计、检测，具有良好的应用价值 。 关键词 电梯控制 ； 组态 控制 ；可编程控制器 电梯是随着高层建筑的兴建而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯；高层住宅需 要有住宅梯；百货大楼和宾馆需要有客梯，自动扶梯 等 。在现代社会，电梯已像汽车、轮船一样，成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计，美国每天乘电梯的人次多于乘载其它交通工具的人数。当今世界，电梯的使用量已成为衡量现代化程度的标志之一。追溯电梯这种升降设备的历史，据说它起源于公元前 236 年的古希腊。当时有个叫阿基米德的人设计出 扬机。 1858 年以蒸汽机为动力的客梯，在美国出现，继而有在英国出现水压梯。 1889 年美国的奥梯斯电梯公司首先使用电动机作为电梯动力，这才出现名副其实的电梯，并使电梯趋于实用化。 1900 年还出现了第一台自动扶梯。 1949 年出现了群控电梯，首批 4 6 台群控电梯在纽约的联合国大厦被使用。 1955 年出现了小型计算机 (真空管 )控制电梯。 1962 年美国出现了速度达 8 米 /秒的超高速电梯。 1963 年一些先进工业国只成了无触点半导体逻辑控制电梯。 1967 年可控硅应用于电梯，使电梯的拖动系统筒化，性能提高。 1971 年集成电路被应用于电梯。第二年又出现了数控电梯。 1976 年微处理机开始用于电梯，使电梯的电气控制进入了一个新的发展时期。 1 电梯简介 梯的基本分类 用途分类 乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯。主用与宾馆，饭店，办公楼，大型商店等客流量大的场合。这类电梯为了提高运送效率，其运行速度比较快，自动化程度比较高。轿厢的尺寸和结构形式多为宽度大于深度，使乘客能畅通地进出。而且安全设施齐全，装潢美观。 载货电梯：为运送货物而设 计的并通常有人伴随的电梯。主要用于两层楼以上的车间和各类仓库等场合。这类电梯装潢不太讲究自动化程度和速度一般比较低。而载重量和轿厢尺寸的变化范围则比较大。 第 2 页 住宅电梯：为提供住宅楼使用设计的电梯，一般采用下集选控制方式允许残疾人的轮椅，童车及家具等乘坐。 杂物电梯：供图书馆，办公楼，饭店等运送图书，文件，食品等物品。但不允许人员进入电梯。此种电梯结构简单，操纵按钮在厅门外侧，无乘人必备的安全装置。 船用电梯： 固定安装在船舶上为乘客和船员或其他人员使用的电梯。船用电梯速度应小于或等于 1M/S。能在船舶摇晃中工作。 汽车用电梯：用于垂直运输各种车辆。这种电梯的轿厢面积比较大结构牢固，梯速不大于 1M/S。有时无轿厢顶，其特点是大轿厢，大载重量。常用与立体停车场及汽车库等场所。 观光电梯：观光电梯是一种供乘客观光用的，轿厢透明的电梯。一般安装在高大建筑物的外壁供乘客观光建筑物的周围外景。 病床电梯：病床电梯是为医院运送 病床而设计的电梯。其特点是轿厢窄而宽，常要求前后贯通开门。 消防梯：火警情况下能适应消防员专用的电梯，非火警情况下可作为一般客梯或货梯使用。消防梯轿厢的有效面积应不小于 2。额定载重量不得低于 630门口宽度不得少于 要求以额定速度从最低一个停站直驶运行到最高一个停站（中间不停层）的运行速度时间不得超过 60s。 建筑施工电梯：建筑施工电梯指建筑施工与维修用的电梯。 扶梯：这类电梯 装于商业大厦，火车站，飞机场。供运送顾客或乘客上下楼用。 自动人行道（自动步梯）：用于档次要求很高的国际机场，火车站。 特速电梯：除上述常用几种电梯外，还有为特殊环境，特殊条件，特殊要求而设计的电梯。如防爆电梯，防腐电梯等。 驱动系统分类 交流电梯，牵引电动机是交流异步电动机的有以下四类： 交流单速电梯：牵引电机为交流单速异步电动机，梯速 V。例如用于杂物梯等。 交流双速电梯：牵引电机为电梯专用的变极对数的交流异步电动机，梯速 V1M/S，提升高度 h50M。 交流调速电梯：牵引电梯为电梯专用的单速或多速交流异步电机，而电动机的驱动控制系统在电梯的起动加速 制动减速（或仅是制动减速）的过程中采用调压调速或涡流制动器调速或变频变压调速的方式，梯速 V2M/S，提升高度 h50M。 交流高速电梯：牵引电机为电梯专用的低转速的交流异步电动机。其驱动控制系统为变频变压加矢量的 统。其梯速 V 2M/S，一般提升高度 h120M。 直流电梯，牵引电动机是电梯专用直流电动机有以下两类： 第 3 页 直流快速电梯：牵引电动机给减速箱后驱动电梯，梯速 V。现在由直流发电机供电给直流电动机的一个直流快速电梯已被淘汰，今后若有直流快速电梯的话。将由晶闸管供电的直流快速电梯。一般提升高度 h50M。 直流高速电梯：牵引电动机为电梯专用的低转速直流电动机。电动机获得供电的方式是支流发电机组供电的，或是晶闸管供电的两种形式，其 梯速 V，一般的提升高度 h120 m。 液压电梯，电梯的升降是依靠液压传动的有以下两类： 柱塞直顶式：液压缸柱塞直接支撑在轿厢底部。通过柱塞的升降而使轿厢升降的液压提。梯速 V1M/S，一般提升高度 h20M。 柱塞侧顶式：（俗称”背包式”）油缸柱塞设置于轿厢两侧，通过柱塞升降使轿厢升降的液压梯，梯速 V般提升高度 h15M。 梯的型号 电梯的型号编制方法： 型号，即采用一组字母和数字，以简单明了的方式，将 电梯的基本规格的主要内容表示出来。我国部颁标准中规定了如下的电梯型号编制法。 图 1 电梯型号识别图 表 1 品种（组）代号表 产品品种 代表汉字 拼音 采用代号 产品品种 代表汉字 拼音 采用代号 乘客电梯 客 杂物电梯 物 载客电梯 货 船用电梯 船 客货（两用）电梯 两 观光电梯 观 病床电梯 病 汽车用电梯 汽 住宅电梯 住 表 2 类别代号表 产品类别 代表汉字 拼音 采用代号 电梯 梯 液压梯 第 4 页 表 3 拖动方式代号表 拖动方式 代表汉字 拼音 采用代号 拖动方式 代表汉字 拼音 采用代号 交流 交 液压 液 直流 直 齿轮齿条 齿 表 4 控制方式代号表 控制方式 代表汉字 采用代号 控制方式 代表汉字 采用代号 手柄开关控制，自动门 手，自 号控制 信号 柄开关控制，手动门 手，手 选控制 集选 钮控制，自动门 按，自 联控制 并联 钮控制，手动门 按，手 群控制 群控 梯的主要参数及规格尺寸 图 2 电梯吊索类型图 （ a） 平绕 1 1 吊索法；（ b） 2 1 吊索法；（ c） 全绕 1 1 吊索法 对重装置； 牵引绳 ； 导向轮 牵引绳； 对重轮； 轿厢 ； 复绕轮； 轿顶轮； （ 1）额定载重量（ ：制造和设计规定，电梯的额定载重量。 （ 2）轿厢尺寸（ ：宽 *深 *高 （ 3）轿厢形式：有单双面开门及其他特殊要求等，以及对轿顶，轿底，轿壁的处理。颜色的选择，对电风扇，电话的要求等等。 （ 4）轿厢形式：有栅栏门，封闭式中分门，封闭式双折门。封闭式双折中分门等。 第 5 页 （ 5）开门宽度 (轿厢门和层门完全开启的净宽度。 （ 6）开门方向：人在轿厢外面对轿厢门向左方向开启为左开门，门向右方向 开启为右开门，两扇门分别向左右开启者为中开门，也称中分门。 （ 7）牵引方式：常用的有平绕 1:1 的吊索法。轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。半绕 2:1 吊索法，轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度的一半。全绕 1:1 吊索法。轿厢的运行速度等于钢丝绳的运行速度。 （ 8）额定速度（ m/s） ：制造和设计规定的电梯运行速度： （ 9）电气控制系统：包括控制方式，拖动系统的形式等。如交流电动机或直流电动机拖动。轿内按钮控制或集选控制等。 （ 10）停层站数（站）：凡在建筑物内各楼层用于出入轿厢的地点均为站。 （ 11）提升高度（ ：由顶层端站楼面至楼顶站楼面之间的垂直距离。 （ 12）顶层高度（ :由顶层端站楼面至机房楼楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离，电梯运行速度越快，顶层高度一般越高。 （ 13）底层深度（ :有底层段站楼面至井道之间的垂直距离。电梯的运行速度越快，底坑一般越深。 （ 14）井道高度 (由井道底面至机房楼板或隔音层楼板下最突出构件之间的垂直距离。 （ 15）井道尺寸 (宽 深 梯控制技术 所谓电梯控制技术是指电梯的传动系统及操纵系统的电气自动控制。作为我国 20 世纪70 年代电梯的 主要标志是交流双速电梯。其调速方法是采用改变电梯牵引电动机的极对数，两种或两种不同级对数的绕组，其中极数少的绕组称为高速绕组，极数多的绕组称为低速绕组。高速绕组用于电梯的起动及稳速运行，低速绕组用于制动及电梯的维修。 20 世纪 80 年代盛行的交流调压调速电梯，其性能优越于交流双速电梯。调压调速方法是改变三相异步电机的定子供电电压实现电动机的调速。由于电梯制动减速性能要求较高，所以采用的制动方法也有所不用。通常多为能耗制动。 在能耗制动中，将电机定子绕组接至直流电源，再加上采用闭环控制方式，从而有效地控制了能耗 制动转距，使制动减速过程快速平稳，且制动精度高。 20 世纪 90 年代，调压调频调速电梯开始占领市场。调压调频调速电梯（简称 梯）的调速方法是调节电机定子绕组供电电压的幅值及频率。在 梯的传动系统中，大量采用了微机控制技术及脉冲宽度调制技术，脉冲宽度调制器（简称 制器）保证了由逆变器输送至三相异步电机定子电压波形为等效正弦波形。调压调频调速电梯传动系统中还广泛的采用了矢量变换技术。使交流电机转速的控制类似直流电机。 梯由于其体积小。重量轻，运行效率高，又节约能源，几乎包括了以往所用 的电梯的优点，再加上极 第 6 页 为完善的调速性能，因此它的应用几乎完全可以和直流电梯相媲美。 大家都知道交流电动机具有结构紧凑，维修简单等特点。单双速交流电动机拖动系统采用开环方式控制，线路简单，价格较低，因此目前仍在电梯上广泛应用。但它的缺点是舒适感较差，所以一般被用于载货电梯上。这种系统控制的电梯速度在 1 米 /秒以下。 交流电动机定子调压调速拖动系统国外已大量应用于电梯。这种系统采用可控硅闭环调速，加上能耗或涡流等制动方式，使得它所控制的电梯能在中低速范围内大量取代直流快速和交流双速电梯。它的舒适感好，平层准确度高 ，而造价却比直流电梯低，结构简单，易于维护，多用于 2 米 /秒以下的电梯。 直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，因此很早就应用于电梯，采用发电机 控制的电梯速度达 4 米 /秒，但是，机组结构体积大，耗电大，维护工作量较大，造价高，因此常用于对对速度，舒适感要求较高的建筑物中。 可控硅直接供电拖动系统在工业上早有应用，但用于电梯上却要解决舒适感问题。 (尤其是低速段 )应此应用较晚，它几乎与微机同时应用，比起电动机 有很多优点。如 :机房占地节省 35%，重量减轻 40%，节能 25%到 35%。世界上最高速度的 10 米 /秒电梯就是采用这种系统，其调速比达 1:1200。 80 年代初， 频变压系统控制的电梯问世。它采用交流电动机驱动，却可以达到直流电动机的水平，目前控制速度已达 6 米 /秒。它的体积小，重量轻，效率高，节省能源等几乎包括了以往电梯的所有优点。是目前最新的电梯拖动系统。 总之，从理论上讲，电梯是垂直运动的运输工具，无需旋转机构来拖动，更新的电梯拖动系统实际上就是直线电机拖动系统。 电梯在垂直运行过程中，有起点站也有终点站。对于三层楼以上的建筑物的电梯 ，起点站和终点站之间还没有停靠站，起点站设在一楼，终点站设在最高六。设在一楼的起点站称为基站，起点站和终点站称为两端站，两端站之间称为中间站。 各站厅外设有召唤箱，箱上设置有供乘用人员召唤电梯用的召唤按钮或触钮，一般电梯在两端站的召唤箱上各设置一只按钮或触钮。中间层站的召唤箱各设置两只按钮或触钮。对于无司机控制的电梯，在各层站的召唤箱上均设置一只按钮或触钮。而电梯的轿厢内部设置有（杂物电梯除外）操纵箱。操纵箱上设置有手柄开关或与层站对应的按钮或触钮，操纵箱上的按钮或触钮城内指令按钮或触钮。外指令按钮或触钮发 出的电信号称为外指令信号，内指令按钮或触钮发出的电信号成为内指令信号。 20 世纪 80 年代中期后，触钮已被微动按钮所取代。 作为电梯基站的厅外召唤箱，除设置一只召唤按钮或触钮外，还设置一只钥匙开关，以便下班关电梯时。司机或管理人员把电梯开到基站后，可以通过专用钥匙扭动该钥匙开关。把电梯的厅门关闭妥当后，自动切断电梯控制电源或动力电源。 第 7 页 用交流调速电梯的特点 能源消耗低 异步电动机的速度与供电频率有关。在启动期间，电动机电流随频率和速度增加而增加，并以最小转速运行，对每种 速度都可获得最佳效率。能节约能量达 45%。因电动机产生的热量相当小，故在机房内不需要专用的通风降温系统，没有额外的能量损耗。 电路负载低，所需紧急供电装置小 在加速阶段，所需起动电流小于 的额定电流。且起动电流峰值时间短。由于起动电流大幅度减小，故功耗和供电缆线直径可减小很多。所需的紧急供电装置的尺寸也比较小。 可靠性高，使用寿命长。 具有先进的半导体变频器把交流换成直流。再把直流逆变成电压幅度和频率可变的交流。由于元器件性能可靠性可 靠，工艺先进，经久耐用。在系统中由电动机转速调节不会增加电机的发热，而且还能减小电机的应力，使电梯运行性能非常可靠，延长使用寿命。 舒适感好 在整个运行过程中。其驱动系统具有良好的调节性能。故乘坐电梯舒适感极好。电梯运行是跟随最佳给定的速度曲线运行的。其特性可适应人体感受，并保证运行噪声小，制动平稳 平层精度高 采用现在传感技术和数字软件控制系统。在整个运行期间准确地给位置信号加上精确地按楼层距离直接停靠的调节系统，在 制系统中其直 接停靠由 ，变频器，曲线卡三个方面组成。曲线卡的输入信号有起动信号，转换信号。输出信号有运行信号，总控信号，转换应答信号等。曲线卡在接受到起动信号时，给变频器一条运行曲线，输出运行信号，电梯开始运行；在受到换速信号时，给变频器调节装置一条减速曲线，当到达停车位置时，曲线卡撤消运行信号，电梯即直接停靠楼层平面，完成一次运行，故使电梯在每个楼层都能准确平层，便于乘客进出不会绊倒。 运行平稳无噪声 在轿厢内，机房内及邻近区域确保噪声小。因为其系统中采用了高时钟频率。始终产生一 个不失真的正弦波供电电流。电动机不会出现转距脉动。因此，消除了振动和噪声。 直流调速方式有 速，相位控制调压调速和斩波控制（ 压调速等不同的电气驱动技术。其调速系统的变流方式与交流的变流方式有所不同。 见表 5 第 8 页 表 5 各种调速方式对比图 调速方式 一次变流 二次变流 三次变流 直流电机 统 机械 机械 流电机相控调速方式 电子 机械 流电机 统 电子 电子 机械 交流电机”交 交”变频系统 电子 电子 流电机”交 频系统 电子 流电机调压系统 电子 述反复一次变流的最后两种调速方式，由于不能达到很宽的调速范围和很好的性能。故只能在有限的场合中适用。其他四种调速方式都可以达到很高的性能。因此在性能电梯中得到广泛的使用。但使用直流电机系统时，不管采用何种方式都必须进行机械变流。显然，这就是直溜电机的致命缺陷，是直流电机最终被交流电机代替的根本原因。 梯的工作原理 当 曳引 机组的 曳引 轮旋转时，依靠嵌在 曳引 轮槽中的钢丝绳与 曳引 槽之间的摩擦力，驱动钢丝绳来升降轿厢， 曳引 钢丝绳一端挂着轿厢，另一端 悬挂对重，产生拉力分别为 差值等于或小于绳槽之间摩擦力时，电梯正常运行，绳槽之间无打滑现象。具体图形见下 图 第 9 页 曳引 钢丝绳与 曳引 轮槽不打滑的条件是： （ 1） 当轿厢满载，并以额定速度下降制动时： 521 （式 1） 式中： 引 钢丝绳轿厢一边的拉力（ N）； 引 钢丝绳对重一边的拉力（ N） ； 曳引 绳在 曳引 轮上的包角，一般 00 150130 ；复绕时 0330 ，计算时用弧度值 自然对数底数 e =f 钢丝绳与 曳引 轮槽间的当量摩擦系数，它的大小与轮槽的形型尺寸及钢丝绳和轮间的摩擦系数 f 有关，常取 f 2s s s （式 2） 式中， ， ， ， 中的， , 的值用角度值代入； 2 ， 2 中的值用弧度值代入。 00 120902 ； 00 1601402 。 式（ 1）中的 )/1)(1 ， )/1(2 上式中： N）； N）； N）； （ 2）当轿厢空载时，以额定速度上升制动时， 21 （式 3） , )/1(1 ， )/1(2 2 编程序控制器 起源与发展 在可编程控制器诞生之前，继电器控制系统已广泛的用于工业生产的各个领域，继电器控制系统通常可以看承由输入电路，控制电路，输出 电路和生产现场这 4 个部分组成的。其中输入电路也是由按钮，行程开关，限位开关，传感器等构成。用已向系统送入控制信号。输出电路部分是由接触器，电磁阀等执行元件构成，用以控制各种被控制对象，如电动机，电炉，阀门等。继电器控制电路部分是控制系统的核心部分。它通过导线将各个分立的继电器，电子元器件连接起来对工业现场实施控制；生产现场是指被控制的对象（如电动机等）或生产过程。 继电器控制系统在传统的工业生产中曾起着不可替代的重要作用，随着生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，继电器控制系统已越来越难以适应，因为继电 器控制电路通常是针对着某一固定的动作顺序或生产工艺而设计的。它的控制功能也仅仅只局限于逻辑控制，定时，计数等这样一些简单的控制，一旦动作顺序或生产工艺发生变化，就必须进行重 第 10 页 新设计，布线，装配，和调试。显然，这样的控制系统完全无法满足日新月异且竞争激烈的市场经济发展的需要。这就迫使人们要放弃原来已占统治地位的继电器控制系统，研制可以替代继电器控制系统的新型的工业控制系统。 出于上述考虑，美国通用汽车公司（ 1968 年提出了公开招标研制新型的工业控制器的设想，第二年，即 1969 年美国数字设备公司（ 就研制出了世界上第一台可编程序控制器。在这一时期，可编程序控制器虽然采用了计算机的设计思想，但实际上只能完成顺序控制，仅有逻辑运算，定时，计数等顺序控制功能。所以人们将可遍程序控制器称之为 ，即可编程序逻辑控制器： 20 世纪 70 年代末 80 年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊，如浮点运算，函数运算，查表等。这样可编程序控制器不仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。因此，美国电气制造协会 将之正式命名为 。值得注意的是，因为个人计算机的简称也是 ，有时为了避免混淆，人们习惯上仍将可编程序控制器简称 管这是早期的名称）。本书采用 称呼。 20 世纪 80 年代后，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器够成的微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上，设计上，性能价格比等 方面有了重大突破。可编程序具有了高速计数，中断技术， 制等功能，同时联网通信功能也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。为了使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化。国际电工委员会（ 定了 标准，并给出了它的定义。 “可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其内部储存执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术运算等才操作，并通过数字式，模拟式的输入与输出，控制各类的机械或生产过程。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联成一个整体，易于扩充功能的原则设计。” 综上所述， 以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。这种装置具有体积小，功能强，程序设计简单，灵活通用，维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，得到了用户的公认和好评。他经过短短的几十年发展后，现在已成为现代工业控制的三大支柱（ 器人和 一，被广泛地应用于机械，冶金，化工交通，电力等领域中。 以 为控制器的 制系统是从 根本上改变了传统的继电器控制系统的工业原理和方式。继电器控制系统是控制功能是通过采用硬件接线的方式来实现的，而 制系统的控制功能是通过存储程序来实现的，不仅可以实现开关量控制，还可以进行模拟量控制，顺序控制。另外，它的定时和计数功能也远比继电器控制系统强很多，一般可以为用户提供几十个甚至上百个定时器，计数器。随着计算机和通信几刷的发展，现代 制系 第 11 页 统已远不是几十年前的哪个样子， 控制从早期的单机控制发展到多机控制，实现了工厂自动化。尽管现在的 制系统已发生了很大的变化，但是从自动控制的 角度来看，制系统与传统的继电器系统在结构上仍有相似之处。现在以集中型的 制系统为例说明集中型 制系统与继电器控制系统在结构上有那些相同和不同之处，这对初学者理解 制系统的工作原理是有帮助的。集中型 制系统的结构。 将 两种系统 相比，就会发现 制系统与继电器控制系统输入，输出部分基本相同，输入电路也是由按钮，开关，传感器所构成：输出电路也好似由接触器，执行器，电磁阀多构成的。不同的是继电器控制系统在控制线路被 的程序代替，这样一旦生产工艺发生变化，就只需要修改程序就可 以了。正是上述原因， 制系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以实现模拟量控制，开环或闭环过程控制，甚至多级分布式控制。随着微电子技术的进一步发展， 成本在降低，传统的继电器控制系统被 制系统代替已是发展的必然趋势。 制系统与其他工业控制系统的比较 制系统与继电器控制系统的比较 表 6 继电器控制系统比较表 比较项目 继电器控制系统 制系统 控制功能的实现 由许多 继电器，采用接线的方式来完成控制功能 各种控制功能是通过编制的程序来实现的 对生产工艺过程变更的适应性 适应性差。需要重新设计，改变继电器和接线 适应性强，只需对程序进行修改 控制速度 低。靠机械动作实现 极快。靠微处理器进行处理 计数及其他特殊功能 一般没有 有 安装，施工 连线多，施工繁 安装容易，施工方便 可靠性 差，触点多，故障多 高，因元器件采用了筛选和老化等可靠性措施 寿命 短 长 可扩展性 困难 容易 维护 工作量大，故障不易查找 有自诊能力，维护工作量小 结论：由于 制系统与继电器控制系统相比具有无法比拟的优点，因此，在今后的控制系统中，传统的继电器控制系统被 制系统所代替是大势所趋。 第 12 页 制系统与计算机系统的比较 20 世纪 60 年代，由于小型计算机的出现，有人曾试图用小型计算机来取代当时占统治地位的继电器控制系统，结果未获成功，代只的却是 出现。通过计算机与 身的工作目的，原理和方式上都存在着较大的差异，其结果比较见下表。 表 7 计算机系统比较表 比较项目 通用计算机系统 制系统 工作目的 科学计算，数据管理等 工业自 动控制 工作环境 对工作环境要求比较高 对环境要求低，可在恶劣的工业现场工作 工作方式 中断处理方式 循环扫描方式 系统软件 需配备功能较强的系统的软件 一般只需要简单的监控程序 采用的特殊措施 掉电保护等一般性措施 采用多种抗干扰措施，自诊断，断电保护，可在线维修 编程语言 汇编语言，高级语言 梯形图，助记符语言， 准化语言 对操纵人员的要求 需专门培训，并具有一定的计算机基础 一般技术人员，稍加培训即可操作使用 对内存的要求 容量大 容量小 价格 价格高 价格较低 其他 若用于控 制，一般需自行设计 机种多，模块种类多，易于集成系统 结论：一般情况下，在工业自动化工程中采用 靠，方便，易于维护。 进入 20 世纪 70 年代，采用微处理器的工业控制计算机出现了。它与 同推动着传统工业的技术改造。经过较长时间是实践，人们又发现， 一般的工业控制计算机相比， 是有着较强的优势，其原因是 为在工业环境下的应用而设计，在 光电耦合隔离和 波器，有效地防止了干扰信号的进入。 内部采用电磁屏蔽，防止辐射干扰。 采用优良的开关电源，防止电源线引入的干扰。 具有良好的自诊断功能可对 内部电路进行检测，一旦出错，立即报警。 对程序及有关数据有电池供电进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态及信息不会丢失。 对采用的器件都进行了严格的筛选和简化，排除了因器件问题而造成的故障。 采用了冗余技术进行一步增强了可靠性。对某些大型 采用了 双 成冗余系统，或三 成表决式系统。 随着构成 元器件性能的提高， 可靠性也在相应的提高。一般 平均无故障时间可达到几万小时以上。某些 生产厂家甚至宣布，今后生产 再 第 13 页 标明可靠性这一指标，因为对 讲这一指标已毫无意义了。经过大量时间人们发现 外部开关，传感器，执行机构引起的，而不是身发生的。 另外， 序设计简单，易学易懂易维护，更适合于工 程技术人员。因此， 为工业控制中的主流。但是必须指出的是：计算机在信息处理方面还是优于 以在一些自动化控制系统中，常常将两者结合起来， 下位机进行现在控制，计算机做上位机信息处理。计算机与 间通过通信线路实现信息的转换和交换。这样相辅相成，构成一个功能较强的完整的控制系统。 制系统与集散型控制系统的比较 由前所述可知， 由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散型控制系统 是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。而 微电技术，计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上，速度上，智能化模块以及联网通信上，都用很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以 重要部件的分布式控制系统。随着 络通信功能不断增强， 计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据告诉公路上（ 挂接在线通用计算机，实现在线组态，编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已具备了集散控制系统的形态 ，加上 价格和可靠性优势，使之可以与传统的集散控制系统相互竞争。 制系统的组成 制系统像一般的计算机控制系统一样，也是由硬件和软件两个部分组成的，硬件是指 身及其外围设备，软件是指管理 系统软件， 应用程序，编程语言和编程支持工具软件。 第 14 页 件的组成 制系统的硬件是由 入 /输出（ I/O）电路及外围设备等组成的。系统规模可根据实际应用的需要而定，可大可小。下面对构成控制系统的主要部分简要介绍。 统 （ 1）主控模块 除了早期生产的整体式 各个不见都在同一机壳内）外，目前市场多数的已采用模块化的结构（ 各个部件独立封装，称之为模块）。在 各个模块均通过系统总线相互连接起来构成一个系统。在这个系统中最核心的模块是主控模块（也称它包括： 储器，通信接口等部分。 控制中枢，它由控制器和运算器组成。其中，控制器是用来统一指挥和控制 作的部件。运算器则是进行逻辑，算术等运算部件。 控制下使整个机器有条不紊的协调工作，以实现对现场各个设备的控制。 具体作用如下： 执行接受，存储用户程序的操作指令。 用以扫描方式来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区。 执行监控程序和用户程序。完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制信号，完成用户指令规定的各种操作。 响应外部设备（如编程器，打印机）的请求。 所采用的 机型的不同而不同，通常有 3 种：通用微处理器（如 8086， 80286，80386 等），单片机芯片，位片式处理器。一般来说，小型 采用 8 位微处理器或单片机作为 列单片机，具有集成度高，运算速度快，可靠性高等优点。如日本欧姆龙公司生产的 用的是 司生产的 片。这是一种增强型 8 位微处理器。对大型 多采用高速位片式微处理器，它具有灵活性强，速度快，效率高的优点。 目前，一些厂家生产的 ，还采用了冗余技术，即采用双 三 作，进一步提高了系统可靠性。采用冗余技术可使 平均无故障工作时间达几十万小时以上。 存储器： 统中的存储器主要用于存放系统程序，用户程序和工作状态数据。 系统程序存储区：采用 片存储器。它是由生产厂家直接存放的，永久存储的程序和指令，称为监控程序。监控程序和 硬件组成与专用部件的特性有关，用户不能随意访问和修改这部分存储器的程序。 存储器区：工作数据是 行过程中经常变化的，需要随机存取的一些数据。这些数据一般不需要长久保存，因此采用随机存储器 据存储区包括输入，输出数据映象区，定时器 /计数器预置和当前数值的数据。 用户程序存储区：用于 存放用户经编程器或计算机输入的应用程序。一般采用 15 页 或 储器，用户可檫写重新编程。用户程序存储器的容量一般就代表 标称容量。通常，小型机小于 8型机小于 50大型机可以在 50上。 通信接口：主控模块通常有一个或一个以上的通信接口（简称通信口），用以与计算机，编程器相连，实现编程，调试，运行，监视等功能。 （ 2）输入 /输出模块 控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过 I/O 模块实现的。生产过程有许多控制变量，如温度 ，压力，液位，速度，电压，开关量，继电器状态等，因此，需要有相应的 I/O 模块作为 工业生产现场的桥梁。且这些模块应具有较好的抗干扰能力。目前，生产厂家已开发出各种型号的模块供用户选择。对于输入 /输出模块有：数字量输入 /输出模块，开关量输入 /输出模块，模拟量输入 /输出模块，交流新号输入 /输出模块，220V 交流输入 /输出模块。还有智能模块，它本身带 储器和监控系统，可独立完成各种运算。智能模块的种类很多，如高速计数模块， 节的模拟量控制模块，阀门控制模块，智能存储模块和智能 I/O 模块。 （ 3）电源模块 该模块将交流电源转换成供 储器所需的直流电源，是整个 统的能源供给中心。它的好坏直接影响到 功能和可靠性。目前，大多数 用高质量的开关式稳压电源，与普通电源相比， 电源工作稳定性好，抗干扰能力也强。有些机器的电源除了供内部电路使用外，还向外提供 24稳压电源，用于外部传感器的需要，这样就避免了因外部电源不合格而引起的外部故障。 I/O 电路 基本功能就是控制，它采集被控对象的各种信号。经过 理后，通过执行装置实现控制。输入电路就是被控对象（需要进行 控制的机器，设备和生产过程）进行检测，采集，转换和输入。另外，安装在控制台上的按钮，开关等也可以向 控制指令。输出电路的功能就是接受 出的控制信号，对被孔对象执行控制任务。 围设备 外围设备很多，但基本功能不外乎对信息和数据的处理。常用的有编程器，可编程终端，打印机，条码读入机等等。编程器 重要外围设备之一，它可以将用户编写的程序送到 用户程序存储器。因此，它的主要任务是输入程序，调试程序和监控程序的执行过程。可编程终端是具有 I/O 功能的 机界面产品。人可以通过 触摸屏幕将信息输入 同样可编程终端也可以将 输入数据和信息显示在屏幕上。 件的组成 制系统的软件主要是系统软件，应用软件，编程语言及编程支持工具软件几个部分组成。 统软件与工作过程 第 16 页 统软件是 作所必须的软件。在系统软件的支持西， 用户程序进行逐条的解释，并加以执行，直到用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新的一轮扫描。这种工作方式就称之为循环扫描。 值得注意的是在继电器控制系统中，一个继电器的线 圈被接通或断开，继电器的所用触点（常开触点和常闭触点）都会立即动作。但在 ，由于采用的是循环扫描的工作方式，所用只有扫描到”线圈”的触点时，才会动作，没有扫描到时，触点就不会动。并且描一次用户程序的时间即扫描周期与拥护程序的长短和扫描速度有关，一般为 1以 机为例来说明 描的工作过程，如上图在没有扫描之 第 17 页 前， 先应保证自身的完好性。接通电源之后，为消除各元件状态的随机性，进行清零或复位处理，检查 I/O 单元连接是否正确，再执行一段程序。使它涉及到各种指令和内存单元，如果执行的时间不超过规定的时间范围，则证明自身完好，否则系统关闭。上述操作完成后，将时间监视定时复位，才允许扫描用户程序。 公共操作公共操作是在每次扫描程序前又一次自检，若发现故障，除了报警显示灯亮之外，还判断故障性质。一般性故障，只报警不停机，等待处理；对于严重故障，则停止运行用户程序，此时 断一切输出。 数据 I/O 数据输入 /输出操作有的称为 I/O 状态刷新。它包括两种操作：一是采样输入信号（即刷新输入状态的内容）；二是送出处理结果（即按输出状态表的内容刷新输出电路）。据 I/O 示意图如下： 输入映象存储器及刷新。由上图所示可知送入 子上的输入信号，经过电隔离，电平转换，滤波处理后，进入缓冲器内 采样。在 存储器有一个专门存放 I/中对应输入端子的数据区，称之为输入映象存储器。当 样时 ，输入信号由缓冲区进入映象区。接着就是数据输入或输出状态刷新。 只有在采样刷新的时刻，输入映象存储器中的内容才与输入信号（不考虑电路固有的惯性和滤波滞后影响）一致，其他时间范围输入信号变化是不会影响映象存储器的内容的。由于 描周期一般只有几十毫秒，所以两次采样时间很短，对一般开关量来说，可以认为没有因间断采样引起的误差。即认为输入信号一旦变化，就能立即进入输入映象的存储器内。 输出映象存储器及输出状态刷新。同样道理， 能直接驱动负载。按用户程序要求及当前输入状态 ，要保持到下次刷新为止。同样，对于变化较慢的控制过程来说，因为两次刷新的时间间隔和输出电路的惯性时间常数一般才几十毫秒，可以认为输出信号是及时的。 第 18 页 执行用户程序这里又包括监视与执行两部分。 监视定时器 视定时器就 通常所说的”看门狗” ，它是用来监视程序执行是否正常。正常时，执行完用户程序多用的时间不会超过 程序复位 执行程序并开始计时：执行完用户程序后立即令 位，表示程 序执行正常。当程序执行过程中因某种干扰使扫描失控或进入死循环，则 发出超时报警信号，使程序重新开始执行。如果是偶然因素造成超时，重新程序不会再遇到”偶然干扰”，系统便转入正常运行；若由于不可恢复的确定性故障，则系统会自动地停止执行用户程序，切断外部负载，发出故障信号，等待处理。 执行用户程序。用户程序是放在用户程序存储器中的，扫描时，按顺序从零步开始，逐步解释和执行，直到执行 令才结束对用户程序的扫描。 应用软件 制系统的应用软件是指为完成 际控制任 务而编制的各种软件。随着 用水平的提高， 用软件也大大丰富起来了。 用软件与一般计算机信息处理软件相比，有很大不同， 用软件有以下几个特点： 应用软件设计必须与生产工艺紧密结合。生产工艺要求不同，控制的功能也就要求不同，即使是相同的生产过程，由于各种设备的工艺参数不一样，控制实现的方式也不一样。所以程序设计人员必须深入现场，严格尊守生产工艺的具体要求来设计应用程序。 应用软件与硬件紧密相关。软件设 计人员不能抛开硬件配置和系统孤立地考虑软件设计。设计必须根据硬件系统，接口的实际情况进行相应的程序设计。 用软件的设计需要计算机，自动控制技术甚至网络通信技术等多种知识。特别是 络的出现， 制系统不再是一个单独的装置。在控制系统中，可能包括有多台不同型号的 算机，外围设备等。因此在进行软件设计时，实现和处理某种控制功能都离不开计算机，自动控制和通信技术。因此，应用程序中不仅有 序，还有计算机程序和通信网络程序等。 编程语言及编程支持工具软件 多种编程语言：梯形图语言，助记符语言，逻辑功能图语言，布尔代数语言和某些高级语言（ C 语言等）。但使用广泛的还是梯形图语言和助记符语言。现在世界上各个 产厂家都研制了自己的 程支持工具软件和监控组态软件。用户可以根据自己的需要利用这些软件来改善软件的开发环境，提高编程效率。 2 4 制系统的发展趋势 初是针对工业顺序控制发展而研制的。经过 30 几年的迅速发展， 不仅能进行开关量控制，而且还能进行模拟量控制，位置控制。特别是 通信网络技术的发展，使得 虎添翼，由单机控制向多机控制，由集中控制向多层次分布式控制系统发展。现在 足迹已遍布了国民经济的各个领域，形成了满足各种需要的 用系统。 第 19 页 今后 制系统将朝什么方向发展呢？在市场经济发达的今天，产品的发展取决于市场的需求。 主要应用领域是自动化。不同的企业对自动化的要求，规模以及投资数额都不相同，存在着不同的层次需求。从我国目前正在开展的以高新技术带动传统产业发展形式来看，我们不仅要大力发展适合于大，中型企业的高水准的 络，而且也要发展合适小型企业该找的性能价格比高的小型 制系统。所以今后 制系统将朝着两个方向发展：一是向小型化，微型化系统方向发展。作为控制系统的关键设备， 朝着体积更小，速度更快，功能更强，价格更低的方向发展。二是向大型化，网络化，多功能的方向发展。