• 可編程序控制器
  • 繼電器

　　可編程控制器（PC）已被譽(yù)為70年代的一場(chǎng)工業(yè)革命。自從PC問世以來的短短期間內(nèi)，給工業(yè)控制帶來的以前做夢(mèng)都想不到的非凡變化。使用PC的工業(yè)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的用繼電器的工業(yè)控制系統(tǒng)相比，在操作、控制、效率和精度等各個(gè)方面都具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。雖然在工業(yè)控制系統(tǒng)中所使用的繼電器控制設(shè)備不會(huì)被完全淘汰，但是由于PC的出現(xiàn)已經(jīng)改變了工業(yè)控制設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想。

　　在PC出現(xiàn)之前，機(jī)械控制及工業(yè)生產(chǎn)過程控制是用專門設(shè)計(jì)的工業(yè)控制繼電器實(shí)現(xiàn)的。這些繼電器是19世紀(jì)初發(fā)展起來的機(jī)電設(shè)備，并經(jīng)過不斷發(fā)展形成的。

　　機(jī)電繼電器是F. B. Morse于1836年為其新設(shè)計(jì)的電報(bào)系統(tǒng)增加站與站之間的距離而發(fā)明的。如圖1.1所示：

圖1.1 簡(jiǎn)單電報(bào)電路

圖1.2 帶繼電器的簡(jiǎn)單電報(bào)電路

　　當(dāng)時(shí)，需要一個(gè)設(shè)備能夠感測(cè)到微小的電報(bào)信號(hào)，并將這個(gè)信號(hào)以增加電流的方式“中轉(zhuǎn)”送到相距24140.16米（15英里）或32186.88米（20英里）遠(yuǎn)的下一個(gè)“中轉(zhuǎn)”站中去，繼電器就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)任務(wù)。Morse所發(fā)明的這種設(shè)備成了今天社會(huì)中每個(gè)角落都在應(yīng)用的機(jī)電設(shè)備家族的發(fā)展基礎(chǔ)。

　　繼電器對(duì)于人類許多偉大的成就起了決定性的作用，同時(shí)也帶來一些令人棘手的問題。1967年，加拿大一個(gè)變電分所的繼電器的誤動(dòng)作竟將東海岸變成一片黑暗。同樣，一個(gè)簡(jiǎn)單的繼電信號(hào)指揮阿波羅-11號(hào)開始?xì)v史的飛行，將宇航員Neil Armstrong送到月球上，使人類向宇宙進(jìn)軍邁出了第一步。繼電器與科學(xué)技術(shù)保持了同步發(fā)展，今天繼電器已應(yīng)用到家庭及工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。他們比以往的產(chǎn)品具有更高的可靠性。但是，這也是隨之帶來的一些問題。如絕大多數(shù)控制繼電器都是長(zhǎng)期磨損和疲勞工作條件下進(jìn)行的，容易損壞。而且繼電器的觸點(diǎn)容易產(chǎn)生電弧，甚至?xí)墼谝黄甬a(chǎn)生誤操作，引起嚴(yán)重的后果。再者，對(duì)一個(gè)具體使用的裝有上百個(gè)繼電器的設(shè)備，其控制箱將是龐大而笨重的。在全負(fù)荷運(yùn)載的情況下，大的繼電器將產(chǎn)生大量的熱及噪聲。并且繼電器控制系統(tǒng)必須是手工接線、安裝，如果有簡(jiǎn)單的改動(dòng)，也需要花費(fèi)時(shí)間和物力去改制、安裝和調(diào)試。

• 可編程控制器的產(chǎn)
　

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是電子技術(shù)的發(fā)展，研制生產(chǎn)了固態(tài)器件，以取代電磁式繼電器。使用晶體管和集成電路，使固態(tài)器件日益變得更加經(jīng)濟(jì)可靠，所以一些公司如General Electric、Westinghouse及Allen-Bradley等開發(fā)了固態(tài)電路控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大大地增加了控制系統(tǒng)的可靠性，降低了控制系統(tǒng)的成本。

　　工業(yè)上設(shè)計(jì)的繼電器稱為控制繼電器，汽車制造工業(yè)是它的一大用戶，它被用來協(xié)助汽車生產(chǎn)過程的操作人員，以操作和控制機(jī)電設(shè)備。為了在設(shè)備類型更換期間降低繼電器控制系統(tǒng)的成本，通用汽車公司液壓傳動(dòng)分部于1986年起草了有關(guān)“可編程邏輯控制器”詳細(xì)的技術(shù)規(guī)范。該規(guī)范反映了自動(dòng)化工業(yè)及其他各類制造業(yè)的用戶的要求和愿望。如Reliance Electric、Struther-Dunn、Modicon、Digitial Equipment Corporation、Inbbbbation Instruments，均對(duì)該規(guī)范產(chǎn)生了極大的興趣。1969年末和1970年初，這些公司與通用汽車公司合作，生產(chǎn)出我們現(xiàn)在稱之為可編程控制器的專用計(jì)算機(jī)。

　　從今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，盡管早期的PC產(chǎn)品是簡(jiǎn)單的，但是他們確能滿足“通用汽車公司”技術(shù)規(guī)范上的基本要求[1]。這些要求主要可以歸納為以下十條：

• 在使用者的工廠里，必須能以最短中斷服務(wù)時(shí)間，迅速而方便地對(duì)其控制的硬件或設(shè)備進(jìn)行編程及重新進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。
• 所有的系統(tǒng)組建必須能夠在工廠無特殊支持的設(shè)備、硬件及環(huán)境條件下運(yùn)行。
• 系統(tǒng)維修必須簡(jiǎn)單易行。在系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)有狀態(tài)指示器及插入式模塊，以便在最短停車時(shí)間使維修和故障診斷工作變得簡(jiǎn)單易行。
• 由于工廠占用的空間耗費(fèi)了一定的資金，所以控制硬件占用的空間必須比它所代替的繼電器控制系統(tǒng)占用的空間要小。此外，與現(xiàn)在的繼電器控制系統(tǒng)相比，PC系統(tǒng)的耗能也應(yīng)較少。
• 可編程邏輯控制器必須能夠與中央數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)進(jìn)行通信，以便監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和運(yùn)行情況。
• 系統(tǒng)將能接收來自已有的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中的按鈕及限位開關(guān)的交流信號(hào)。
• 邏輯控制器的輸出信號(hào)必須能驅(qū)動(dòng)以交流運(yùn)行的電動(dòng)啟動(dòng)器及電磁閥線圈。每個(gè)輸出量將設(shè)計(jì)為可啟停和連續(xù)操縱具有額定電流的負(fù)載設(shè)備。
• 控制硬件必須能以系統(tǒng)最小的變動(dòng)及在最短的更換和停機(jī)時(shí)間內(nèi)，從系統(tǒng)的最小配置擴(kuò)展到系統(tǒng)的最大配置。
• 在購買及安裝費(fèi)用上，PC系統(tǒng)應(yīng)與現(xiàn)行使用的繼電器和固態(tài)邏輯系統(tǒng)相比更具有競(jìng)爭(zhēng)能力。
• 可編程控制器的存儲(chǔ)設(shè)備至少可被擴(kuò)展到4000個(gè)存儲(chǔ)字節(jié)或存儲(chǔ)單元的容量。

　　今天生產(chǎn)的PC產(chǎn)品不僅能滿足汽車制造行業(yè)最初規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了這些簡(jiǎn)單要求。PC實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可代替工業(yè)繼電器控制系統(tǒng)的更具靈活及可靠性的專用計(jì)算機(jī)。如圖2.1所示，PC是一個(gè)能夠完成各類控制系統(tǒng)功能的集裝成一體的完整的小型控制系統(tǒng)。

圖2.1 可編程控制器功能框圖

• 可編程控制器的編程語言

　　PC與商業(yè)的微型計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的主機(jī)的主要區(qū)別在于個(gè)各自所使用的程序設(shè)計(jì)語言不同，以及PC設(shè)計(jì)可用于惡劣的工業(yè)環(huán)境。PC機(jī)有許多方法可用來描述和執(zhí)行某種控制功能。繼電器梯形圖法是一個(gè)通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。使用固態(tài)電路圖及計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)技術(shù)，是一種以符號(hào)和命令來表示同樣內(nèi)容的語言，但唯有PC的繼電器梯形語言最為直觀地描述了繼電器梯形框圖。計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)成通過接收和執(zhí)行鍵入的類似于口語中的單詞或語句的指令，而成為程序員的好友。PC的使用者受過專門的培訓(xùn)，利用一套精心設(shè)計(jì)的符號(hào)集，即繼電器梯形框圖集來傳遞信息[2]。這套符號(hào)成了PC的一種專用高級(jí)語言，該語言稱之為“繼電器梯形邏輯語言”。

　　雖然PC有這樣一套完備的語言來描述，但是對(duì)于初學(xué)者來說仍然是一件比較麻煩的事情。在整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該避免涉及到PC的具體過程。在操作和維護(hù)的過程中也應(yīng)該避免接觸到PC的具體過程。

• 可編程控制器的應(yīng)用

　　由于PC可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需要，所以它受到廣泛的歡迎。但是，對(duì)于選擇能夠適應(yīng)具體用途的PC，所選擇設(shè)備的正確安裝和應(yīng)用對(duì)PC的正確使用，極大程度上取決于控制系統(tǒng)工程師和設(shè)計(jì)者對(duì)PC及外圍設(shè)備情況的掌握[3]。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，PC在其設(shè)計(jì)上具有很好的靈活性及多樣性，使它成為一種“萬能鑰匙”的控制設(shè)備，但是對(duì)PC的實(shí)際選擇、完善及使用，可能給不熟悉PC的人們帶來一些困難。

　　確定一個(gè)具有最佳經(jīng)濟(jì)效益的完整的控制方案，要求設(shè)計(jì)人員和工程師熟悉掌握許多控制設(shè)備類型及硬件設(shè)備。第一手的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是寶貴的財(cái)富。

　　PC的正確應(yīng)用，不僅要求最終結(jié)果應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)效益，而且最終控制系統(tǒng)必須滿足用戶的需要。應(yīng)用要求只能對(duì)整體系統(tǒng)詳細(xì)的分析來確定。這往往意味著要對(duì)每臺(tái)機(jī)器或生產(chǎn)過程的所有側(cè)面進(jìn)行詳細(xì)的分析研究。再者，由于每種PC的應(yīng)用情況都是不相同的，所以沒有簡(jiǎn)明的、精確的慣例對(duì)所有應(yīng)用場(chǎng)合做出估價(jià)。應(yīng)用要求涉及的一般范圍包括如下內(nèi)容：系統(tǒng)的最大吞吐量、最小的操作員接口、生產(chǎn)過程中能源材料的最有效利用、設(shè)備占地面積的要求，維護(hù)的簡(jiǎn)單易行，系統(tǒng)的最大利用率，以及最少的安裝和維修時(shí)間。為了評(píng)價(jià)一個(gè)系統(tǒng)是否比另一個(gè)系統(tǒng)更好地滿足具體應(yīng)用要求，有時(shí)必須分析相似的系統(tǒng)。

　　與PC控制系統(tǒng)的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效果同樣重要的是，工廠人員是否能接受這個(gè)新系統(tǒng)。這極大程度上取決于它的操作是否簡(jiǎn)單。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不考慮人的因素而進(jìn)行一個(gè)要人來操作的設(shè)備設(shè)計(jì)。例如，設(shè)備缺少足以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的只是器，結(jié)果在安裝時(shí)使操作員和維護(hù)機(jī)械工程師感到迷惑，他們連續(xù)不斷地抱怨能很快使人們確信這些控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中的確是糟糕透了。

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝時(shí)，往往忽略對(duì)那些將直接接觸控制設(shè)備的人員的培訓(xùn)工作。這是由于通常認(rèn)為在實(shí)際運(yùn)行設(shè)備時(shí)進(jìn)行人員培訓(xùn)比較容易，所以許多生產(chǎn)廠家及工程部門直到系統(tǒng)安裝運(yùn)行之后，才開始對(duì)操作人員及維護(hù)人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。在系統(tǒng)安裝的過程中，隨時(shí)讓將來最終要維護(hù)和操作該設(shè)備的人員了解安裝過程，這將使他們對(duì)新系統(tǒng)有感性的認(rèn)識(shí)。經(jīng)過是適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，操作人員能更好地理解系統(tǒng)為何按某一特定的方式安裝。為應(yīng)付突然出現(xiàn)的故障及惡劣的運(yùn)行環(huán)境下的維修，就要事前強(qiáng)迫弄清楚“如此這般的原因”，否則會(huì)影響對(duì)發(fā)生的問題做出正確的判斷。隨著新系統(tǒng)的安裝，操作人員就掌握了這些技術(shù)。在培訓(xùn)期間，公司一定能培養(yǎng)出椅披技術(shù)嫻熟的操作人員，而且在系統(tǒng)可運(yùn)行時(shí)，那些將接觸新系統(tǒng)的人員已掌握了硬件設(shè)備及其操作和維護(hù)保養(yǎng)的知識(shí)。

　　在PC應(yīng)用中，最后一個(gè)應(yīng)該考慮的主要問題是系統(tǒng)未來的發(fā)展。PC是模塊設(shè)計(jì)，因此完全有擴(kuò)充的能力來滿足未來需要。通常，一般只需要更換或更新一個(gè)控制系統(tǒng)即可以了。但是在安裝控制系統(tǒng)的過程中，往往需要安裝許多同類設(shè)備。應(yīng)用PC總要考慮未來效益、系統(tǒng)擴(kuò)充以及當(dāng)前需要。一個(gè)已完成的控制系統(tǒng)會(huì)由于增加為將來備用的設(shè)備，使其造價(jià)而成倍增長(zhǎng)。應(yīng)該注意增加設(shè)備的可能性。