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工业电气控制技术的发展

工业电气控制技术的发展

引言

电气控制技术是随着科学技术的不断发展、生产工艺不断提出新的要求而迅速发展的。从最早的手动控制发展到现在的自动控制,从简单的控制设备到复杂的控制系统从有接触的硬接线继电器控制系统发展到以PLC为核心的无接触软接线可编程序控制系统。

在如今的家用电器中,继电器和接触器控制系统的到了广泛的应用,虽然继电器接触器作为硬接线控制系统会导致线路复杂,体积大,故障率高等缺陷,但是其成本很低,在一些简单控制中有着很大的优势。相比较而言,可编程控制系统(PLC)是控制系统的一个大进步,它是把逻辑量的控制转变成了模拟量的控制,是一种通过程序实现控制的功能。如今的PLC实现了单体设备简单控制到胜任欲动控制过程控制以及集散控制等各种任务的跨越。总而言之,继电器接触器系统和可编程序控制系统在工业生产中必不可少,起到了关键性作用。

1 传统控制系统

传统控制系统为以接触器-继电器为主的电气控制,通过选择接触器、继电器、热继电器等各种电气元件,经过布线、接线与调试,完成传统的硬接线逻辑电路,实现不同的控制要求,如电机起动、正反转、制动等控制功能、机床执行部件的工作循环等。虽然选择社会科技高速发展,但传统控制系统仍在生产实践中得到很大应用,如单相交流电动机的控制,星三角降压启动的压缩机控制,CA6140型卧式车床的电气控制电路等等。

2 PLC控制系统

可编程序控制器简称PLC,是一种以位处理器为核心的、通过数字运算操作的电子系统装置,专为工业现场应用而设计。它采用可编程序的储存器,在存储器内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作的指令,并通过数字式的输入/输出接口,控制各种类型的机械或生产过程。它结构简单,易于编程,性能优越,可靠性高,灵活通用,使用方便。

3 PLC在工业中的应用

3.1 PLC简介

PLC是可编程控制器(Programmable Logic Controller)的英文缩写。上

世纪60年代末,美国通用汽车公司为了汽车工业发展的需要,提出需要这样一种控制设备,即

(1)它的继电控制系统设计周期短,更加容易,接线简单,成本低。

(2)它能把计算机的许多功能和继电控制系统结合起来,但编程又比计算机简单易学,操作方便。

(3)系统通用性强。

1969年美国DEC公司研制出第一台可编程控制器,实现了上述的控制功能,但实际上只能进行逻辑运算,故称为“可编程逻辑控制器”,简称为PLC。

20世纪80年代,由于计算机和微电子技术的迅猛发展,使得PLC功能日益增强,可进行模拟量控制、位置控制盒PID控制等。

现在的PLC功能已远远超出逻辑控制的功能,故称为“可编程控制器”,简称PC,但为了不和个人计算机混淆,故仍习惯用PLC作为可编程控制器的缩写。

目前PLC已广泛应用于各工业领域,成为现代化控制的三大支柱(即PLC、机器人和计算机辅助设计/制造)之一。

3.2 PLC的工作原理

PLC采用的是循环扫描工作方式。在PLC中,用户程序按照先后循序存放在PLC中,工作时CPU从第一条指令开始执行,直到遇到结束符后又返回第一条,如此周而复始,不断循环。

PLC的工作过程可分为五个阶段:自诊断、读入现场信号、执行用户程序、输出结果,这五个阶段称为一个扫描周期。

采用循环扫描的工作方式,是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点。

3.3 可编程控制器的发展趋势

在短短的几十年中,PLC得到了如此飞速的发展,并在各行各业得到了广泛的应用,这些事实说明,PLC具有强大的生命力。PLC将在工业控制领域发挥越来越大的作用,并将成为工业控制领域的主要控制设备。

PLC将向两个方面发展:一方面向着大型化的方向发展,另一方面则向着小型化的方向发展。

3.3.1 PLC向大型化方向发展,主要表现在下列几个方面:

(1)为了在工业过程控制领域中有较大的应用市场,各制造企业纷纷学习

其他企业产品的优点,取长补短,从而使产品的适用范围扩大,应用的规模从几十点扩展到成百上千乃至上万点,功能也从单一的逻辑运算扩展到几乎能满足所有的用户需求。此外,采用通信和开放的策略,使优化、计划、调度等功能也能够在PLC内实现,不同产品通信的实施也使应用的范围趋向多元化。

(2)制造业的发展离不开PLC的发展,因此,对PLC提出了功能、速度、通信、管理等方面的要求,这为PLC向大型化方向发展提供了用武之地。

(3) PLC的应用领域越来越广。PLC的应用早已从机械制造行业的应用向各行各业的应用发展。例如,在食品加工、炼油、化工、冶金、纺织、制浆和造纸、废水处理、制药和电子等行业的应用正如雨后春笋,不断壮大。

3.3.2 PLC向小型化方向发展,主要表现在下列几个方面:

(1)在设备级采用PLC。对一些工业过程的设备控制,采取化整为零的控制策略,采用配套的PLC,并配备了专用的控制柜、操作台和监视器等。例如,对锅炉设备而言,它有进水阀、蒸汽阀、燃料阀和空气阀,以及各种电动机和有关设备,采用配套的PLC可完成启动和熄火等顺序控制和回路控制,并可根据锅炉的规模,实现复杂的三冲量控制和双交叉限幅控制等。此外,可设置报警监视系统,在液位低、熄火或回火、蒸汽压力高或低时发出联锁或报警信号等。由于应用的专一性,使得控制质量大大提高。甚至有些公司还相继推出了能满足简单逻辑顺序控制要求的微可编程序控制单元,如西门子公司的Logo系列产品。

(2)向高性能的整体型发展。为了减小体积、降低成本,PLC的生产企业在向大型化发展的同时,也开发了小型、高性能的整体型系列产品,用于满足工业生产过程不同控制的需求。

(3)向小型化发展。在提高系统可靠性的基础上,产品的体积越来越小,功能越来越强。西门子公司在它传统的大中型PLC领域之外也着力推出小型PLC,如S7-200系列(由最初的21X系列已发展到目前的22X系列)。虽然这一系列属于小型PLC,但其功能已具备了某些中型机的性能要求,特别是网络通信能力在各种小型PLC产品中表现十分突出。

4 继电器的基本介绍

继电器是一种电控制器件。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中,它实际上

是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时,继电器被所控制的输出电路导通或断开。输入量可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)及非电气量(如温度、压力、速度等)两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

5 继电器的作用

继电器是具有隔离功能的自动开关元件,广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中,是最重要的控制元件之一。

继电器一般都有能反映一定输入变量(如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等)的感应机构(输入部分);有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构(输出部分);在继电器的输入部分和输出部分之间,还有对输入量进行耦合隔离,功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构(驱动部分)。

作为控制元件,概括起来,继电器有如下几种作用:

(1)扩大控制范围:例如,多触点继电器控制信号达到某一定值时,可以按触点组的不同形式,同时换接、开断、接通多路电路。

(2)放大:例如,灵敏型继电器、中间继电器等,用一个很微小的控制量,可以控制很大功率的电路。

(3)综合信号:例如,当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时,经过比较综合 达到预定的控制效果。

6 总结

随着科学技术的不断发展、生产工艺的不断进步,特别是计算机技术的应用,新型控制策略的出现,不断改变着电气控制技术的面貌。在控制方法上,从手动控制发展到自动控制;在控制原理上,从简单控制发展到智能化控制;在操作上,从笨重发展到信息化处理;在控制原理上,从单一的有触头硬解线继电器逻辑控制系统发展到以微处理器或微计算机为中心的网络化自动控制系统。现代电气控制技术综合应用了计算机技术、微电子技术、检测技术、自动控制技术、智能技术、通信技术、网络技术等先进的科学技术成果。

参考文献

[1] 邹金慧可编程控制器及其系统重庆,重庆大学出版社,2011

[2] 漆汉宏 PLC 电气控制技术北京,机械工业出版社,2008

[3] 朱英韬工厂电气控制技术北京,工业大学出版社,1991

[4] 廖常初 PLC 编程及应用北京,机械工业出版社,1997