自动控制程序：工业自动化中的关键技术 (自动控制程序中不包括的元件有)

工业自动化是使用各种技术和设备来控制和执行工业过程，以提高效率、精度和安全性的过程。自动控制程序是工业自动化中的一项关键技术，负责监控、分析和调整系统以达到预期的目标。

自动控制程序的组成

自动控制程序由以下主要组件组成：

• 传感器： 检测和测量系统状态的设备，例如温度、压力、流量和位置。
• 控制器： 根据传感器数据分析系统状态并发出必要的控制信号。
• 执行器： 根据控制器的指令执行控制动作，例如打开阀门、启动电机或调整温度。
• 反馈回路： 将系统输出信息反馈到控制器，使控制器能够对系统状态进行持续调整。

自动控制程序的类型

根据控制方式的不同，自动控制程序可以分为以下几种类型：

• 开环控制： 控制器只根据参考信号发出控制信号，而不考虑系统的输出。
• 闭环控制： 控制器根据系统的输出信息对控制信号进行调整，以达到预期的目标。
• 比例积分微分（PID）控制： 一种闭环控制，通过调整控制器的比例、积分和微分增益来优化系统的性能。
• 模糊逻辑控制： 一种基于模糊逻辑而不是精确数学模型的控制技术。
• 自适应控制： 一种可以根据系统参数的变化自动调整控制算法的控制技术。

自动控制程序在工业自动化中的应用

自动控制程序在工业自动化中有着广泛的应用，包括以下方面：

• 过程控制： 控制温度、压力、流量和其他过程变量以达到最佳的生产效率和产品质量。
• 机械的目标，提高效率、精度和安全性。它由传感器、控制器和反馈回路组成，用于过程控制、机械自动化、系统监控和诊断以及优化等广泛的应用中。

1．PLC产生 在60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。 当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。 随着生产的发展，汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需要经常地重新设计和安装，十分费时、费工、费料，甚至阻碍了更新周期的缩短。 为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1969年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： (1)编程方便，现场可修改程序 (2)维修方便，采用模块化结构 (3)可靠性高于继电器控制装置 (4)体积小于继电器控制装置 (5)数据可直接送入管理计算机 (6)成本可与继电器控制装置竞争 (7)输入可以是交流115V (8)输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等 (9)在扩展时，原系统只要很小变更 (10)用户程序存储器容量至少能扩展到4K 1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得了成功。 这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。 到1971年，已经成功地应用于食品、饮料、冶金、造纸等工业。 这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重视。 1971日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台PLC。 1973年，西欧国家也研制出它们的第一台PLC。 我国从1974年开始研制,1977年开始工业应用。 2．PLC概念 PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。 为了使其生产和发展标准化，国际电工委员会(IEC)先后颁布了PLC标准的草案第一稿、第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。 它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 ” 为了避免与个人计算机PC（Personal Computer）相混淆，所以改为PLC（Programmable Logic Controller）即可编程逻辑控制器，但从功能上讲，现在的PLC早已不是原来意义上的“PLC”了。 总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。 它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力。 但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。 3. PLC的分类与特点 1) 可编程序控制器的分类 PLC的分类方法很多，大多是根据外部特性来分类的。 以下三种分类方法用得较为普遍。 ①按照点数、功能不同分类根据输入输出点数、存贮器容量和功能分为小型、中型和大型三类。 小型PLC又称为低档PLC。 它的输入输出点数一般从20点到128点，用户程序存贮器容量小于2K字节，具有逻辑运算、定时、计数、移位等功能，可以用来进行条件控制、定时计数控制，通常用来代替继电器、接触器控制，在单机或小规模生产过程中使用。 中型PLC的I/O点数一般在128～512点之间，用户存贮器容量为2K～8K字节，兼有开关量和模拟量的控制功能。 它除了具备小型PLC的功能外，还具有数字计算、过程参数调节如比例、积分、微分（P、I、D）调节、模拟定标、查表等功能，同时辅助继电器数量增多，定时计数范围扩大，适用于较为复杂的开关量控制如大型注塑机控制、配料及称重等小型连续生产过程控制等场合。 大型PLC又称为高档PLC，I/O点数超过512点，最多可达8192点，进行扩展后还能增加，用户存贮容量在8K字节以上，具有逻辑运算、数字运算、模拟调节、联网通讯、监视、记录、打印、中断控制、智能控制及远程控制等功能，用于大规模过程控制（如钢铁厂、电站）、分布式控制系统和工厂自动化网络。 ②按照结构形状分类 根据PLC各组件的组合结构，可将PLC分为整体式和机架模块式两种。 ③按照使用情况分类从应用情况又可将PLC分为通用型和专用型两类。 通用型PLC可供各工业控制系统选用，通过不同的配置和应用软件的编制可满足不同的需要，是用作标准工业控制装置的PLC，如前面所举的各种型号。 专用型PLC是为某类控制系统专门设计的PLC，如数控机床专用型PLC就有美国AB公司的8200CNC、8400CNC，德国西门子公司的专用型PLC等。 2）PLC的特点 ①可靠性高，抗干扰能力强 ②编程简单，使用方便 ③控制程序可变，具有很好的柔性 ④功能完善 ⑤扩充方便，组合灵活 ⑥减少了控制系统设计及施工的工作量 ⑦体积小、重量轻，是“机电一体化”特有的产品 总之，PLC技术代表了当前电气控制的世界先进水平，PLC与数控技术和工业机器人已成为机械工业自动化的三大支柱。 4．PLC的发展与应用 1）PLC的发展大体上可分为3个阶段： ①形成期（1970―1974年） 在这一期间PLC以准计算的面貌与用户见面。 在软件上采用机器码和汇编语言编写应用程序，在硬件上采用中小规模集成电路构成系统。 其功能仅限于开关逻辑控制，且价格昂贵，只在一些大型生产设备和自动生产线上使用。 ②成熟期（1973―1978年） 在这一时期，一方面随着大规模集成电路的出现，出现了以微处理器为核心的新一代PLC，另一方面采用了梯形图语言，通俗易懂。 由此称为PLC，且技术也日趋完善。 ③大发展时期（1977――至今） 由于PLC技术的发展始终保持两个特点：一是继承继电器控制系统的特点，二是应用了计算机技术。 所以随着PLC应用的扩大，全面促进了PLC的生产和研究，产品的品种也越来越多，需求量也越来越大，而且很受欢迎，PLC也成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。 国家已形成为重要产业。 据不完全统计，世界PLC总销售额1987年为25亿美元，1988年为31亿美元，比前一年增长24％。 1989年为36亿美元，比上一年增长16％。 而且新的生产家不断涌现，产量产值大幅度增加，价格也普遍下降。 目前，世界上约有200家PLC生产厂商，其中，美国的Rockwell、GE，德国的西门子(Siemens)，法国的施耐德(Schneider)，日本的三菱、欧姆龙(Omron)，他们掌控着全世界80%以上的PLC市场份额，他们的系列产品从只有几十个点(I/O总点数)的微型PLC到有上万个点的巨型PLC，应有尽有。 经过多年的发展，国内PLC生产厂家约有三十家，但尚未形成颇具规模的生产能力，国内PLC应用市场仍然以国外产品为主，如：Siemens的S7-200小系列、S7-300中系列、S7-400大系列，三菱的FX小系列、Q中大系列，0mron的CPM小系列、C200H中大系列等。 2）随着国外PLC技术的日益发展，其应用也越来越广泛，其范围通常可分成五大类型 ①顺序控制 ②运动控制 ③过程控制 ④数据处理 ⑤通信 二、可编程序控制器的基本组成 1．PLC的硬件组成 可编程序控制器的组成基本同计算机一样,由电源、中央处理器（CPU）、存贮器、输入/输出接口及外围设备接口等构成。 图4-1是其硬件系统的简化框图。 从图中可以看出PLC内部主要部件有: 1）CPU（CentralProcessUnit） 2）系统程序存储器 它用以存放系统工作程序（监控程序）、模块化应用功能子程序、命令解释功能子程序的调用管理程序，以及对应定义（I/0、内部继电器、计时器、计数器、移位寄存器等存储系统）参数等功能。 3）用户存储器 用以存放用户程序即存放通过编程器输入的用户程序。 PLC的用户存储器通常以字（16位/字）为单位来表示存储容量。 同时，由于前面所说的系统程序直接关系到PLC的性能，不能由用户直接存取。 因而通常PLC产品资料中所指的存储器型式或存储方式及容量，是对用户程序存储器而言。 常用的用户存储方式及容量型式或存储方式有CM0SRAM，EPR0M和EEPR0M。 信息储存常用盒式磁带和磁盘。 4）输入接口电路 5）输出接口电路 输出接口接收主机的输出信息，并进行功率放大和隔离，经过输出接线端子向现场的输出部分输出相应的控制信号。 输出接口电路一般由微电脑输出接口和隔离电路、功率放大电路组成。 可编程序控制器的输出元件有三种形式即继电器输出(M)、晶体管输出(T)和晶闸管输出(SSR)。 6）编程器 编程器是用于用户程序的编制、编辑、调试检查和监视等。 还可以通过其键盘去调用和显示PLC的一些内部状态和系统参数。 它通过通讯端口与CPU联系，完成人机对话连接。 编程器上有供编程用的各种功能键和显示灯以及编程、监控转换开关。 编程器的键盘采用梯形图语言键符式命令语言助记符，也可以采用软件指定的功能键符，通过屏幕对话方式进行编程。 编程器分为简易型和智能型两类。 前者只能连机编程，而后者既可连机编程又可脱机编程。 同时前者输入梯形图的语言键符，后者可以直接输入梯形图。 根据不同档次的PLC产品选配相应的编程器。 7）外部设备 一般PLC都配有盒式录音机、打印机、EPR0M写入器、高分辨率屏幕彩色图形监控系统等外部设备。 8）电源 根据PLC的设计特点，它对电源并无特别要求，可使用一般工业电源。 2．PLC的软件组成 由图4-1可见，PLC实质上是一种工业控制用的专用计算机。 PLC系统也是由硬件系统和软件系统两大部分组成。 其软件主要有以下几个逻辑部件： 1）继电器逻辑 为适应电气控制的需要，PLC为用户提供继电器逻辑，用逻辑与或非等逻辑运算来处理各种继电器的连接。 PLC内部有储单元有“1”和“0”两种状态，对应于“0N”和“0FF”两种状态。 因此PLC中所说的继电器是一种逻辑概念的，而不是真正的继电器，有时称为“软继电器”。 这些“软继电器”与通常的继电器相比有以下特点： ①体积小、功耗低 ②无触点、速度快、寿命长 ③有无数个触点，使用中不必考虑接点的容量 PLC一般为用户提供以下几种继电器（以FX2N系列PLC为例）： 输入继电器（X）：把现场信号输入PLC，同时提供无限多个常开、常闭触点供用户编程使用。 在程序中只有触点没有线圈，信号由外部信号驱动。 编号采用八进制，分别为X000—X007，X010-X017等。 输出继电器（Y）：具备一对物理接点，可以串接在负载回路中，对应物理元件有继电器、晶闸管和晶体管。 外部信号不能直接驱动，只能在程序中用指令驱动。 编号采用八进制，分别为Y000—Y007，Y010-Y017等。 内部继电器（M）：与外界没有直接联系，仅作运算的中间结果使用。 有时也称为辅助继电器或中间继电器。 和输出继电器一样，只能由程序驱动。 每个辅助继电器有无限多对常开、常闭触点，供编程使用。 地址号按十进制分配，通用型辅助继电器有M0-M499共500点，保持型辅助继电器有M500-M1023共524点，特殊型辅助继电器有M8000-M8255共157点。 2)定时器逻辑 PLC一般采用硬件定时中断，软件计数的方法来实现定时逻辑功能，定时器一般包括： 定时条件：控制定时器操作。 定时语句：指定所使用的定时器，给出定时设定值。 定时器的当前值：记录定时时间。 定时继电器：定时器达到设定的值时为“1“（0N）状态，未开始定时或定时未达到设定值时为“0”（0FF）状态。  3)计数器逻辑 PLC为用户提供了若干计数器，它们是由软件来实现的，一般采用递减计数，一个计数器有以下几个内容： 计数器的复位信号R；计数器的计数信号（CP单位脉冲）；计数器设定值的记忆单元计数器当前计数值单元；计数继电器，计数器计数达到设定值时为0N，复位或未到计数设定值时为0FF。 PLC除能进行位运算外，还能进行字运算。 PLC为用户提供了若干个数据寄存器，以存储有效数据。 三、PLC的工作原理 1.可编程序控制系统的等效电路 可编程序控制系统的等效电路可分为三部分即输入部分、内部控制电路和输出部分。 输入部分就是采集输入信号，输出部分就是系统的执行部件，这两部分与继电器控制电路相同，内部控制电路是由编程实现的逻辑电路，用软件编程代替继电器电路的功能。 等效电路简图如图4-4所示。 1) 输入部分 这一部分由外部输入电路、PLC输入接线端子和输入继电器组成。 外部输入信号经PLC输入接线端驱动输入继电器。 一个输入端对应一个等效电路中的输入继电器，它可提供任意个动合和动断接点供PLC内部控制电路编程用。 输入回路的电源可以用PLC电源部件提供的直流100V、48V、24V电压，也可由独立的交流电源220V和100V供电。 图4-4等效电路 2) 内部控制电路 这部分电路是由用户程序形成的即用软件代替硬件电路。 它的作用是按照程序规定的逻辑关系，对输入信号和输出信号的状态进行运算、处理和判断，然后得到相应的输出。 用户程序通常根据梯形图进行编制，梯形图类似于继电控制电气原理图，只是图中元件符号与继电器回路的元件符号不相同。 图4-5给出了几个元件的对应图符。 图4-5几个元件的对应图符继电器控制线路中，继电器的接点可以是瞬时动作，也可以是延时动作。 而PLC电路中的接点是瞬时动作的，延时由定时器实现，即定时器的接点是延时动作，且延时时间远远大于继电器延时的时间范围，延时时间由编程设定。 PLC中还设有计数器，辅助继电器等。 PLC的这些器件提供的逻辑控制功能，由编程选择，只能在PLC内部控制电路中使用。 3) 输出部分 输出部分由与内部控制电路隔离的输出继电器的外部动合触点、输出接线端子和外部电路组成，用来驱动外部负载。 PLC内部控制电路中有许多输出继电器，每个输出继电器除了有为内部控制电路提供编程使用的动合、动断接点外，还为输出电路提供一个动合触点与输出接线端相连。 驱动外部负载的电源由外部电源提供。 在PLC输出端子上，有接输出电源用的公共端（COM）。 2.可编程序控制器的工作方式 由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。 微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。 PLC则是采用循环扫描的工作方式。 对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。 扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令占用的时间；三是程序中指令条数的多少。 一个扫描周期主要可分为3个阶段。 1）输入刷新阶段 在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。 完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。 在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。 2）程序执行阶段 在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐步执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。 当最后一条控制程序执行完毕后，即转入输入刷新阶段。 3）输出刷新阶段 当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路（输出映像寄存器），并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。 由此可见，输入刷新、程序执行和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。 由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。 实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种错误检测（自诊断功能）并与编程工具通讯，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。 综上述，PLC的扫描工作过程如图4-6所示。 图4-6PLC的扫描工作过程 总之，PLC采用扫描的工作方式，是区别于其他设备的最大特点之一，我们在学习和使用PLC当中都应加强注意。