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工业自动化
摘要:
可编程控制器(PC)已被誉为70年代的一场工业革命。
自从PC问世以来的短短期间内,给工业控制带来的以前做梦都想不到的非凡变化。
使用PC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比,在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。
虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰,但是由于PC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。
关键词:
工业自动化可编程序控制器PC编码器应用程序
∙可编程序控制器
o继电器
可编程控制器(PC)已被誉为70年代的一场工业革命。
自从PC问世以来的短短期间内,给工业控制带来的以前做梦都想不到的非凡变化。
使用PC的工业控制系统与传统的用继电器的工业控制系统相比,在操作、控制、效率和精度等各个方面都具有无法比拟的优点。
虽然在工业控制系统中所使用的继电器控制设备不会被完全淘汰,但是由于PC的出现已经改变了工业控制设计者的设计思想。
在PC出现之前,机械控制及工业生产过程控制是用专门设计的工业控制继电器实现的。
这些继电器是19世纪初发展起来的机电设备,并经过不断发展形成的。
机电继电器是F.B.Morse于1836年为其新设计的电报系统增加站与站之间的距离而发明的。
如图1.1所示:
图1.1简单电报电路
图1.2带继电器的简单电报电路
当时,需要一个设备能够感测到微小的电报信号,并将这个信号以增加电流的方式“中转”送到相距24140.16米(15英里)或32186.88米(20英里)远的下一个“中转”站中去,继电器就实现了这个任务。
Morse所发明的这种设备成了今天社会中每个角落都在应用的机电设备家族的发展基础。
继电器对于人类许多伟大的成就起了决定性的作用,同时也带来一些令人棘手的问题。
1967年,加拿大一个变电分所的继电器的误动作竟将东海岸变成一片黑暗。
同样,一个简单的继电信号指挥阿波罗-11号开始历史的飞行,将宇航员NeilArmstrong送到月球上,使人类向宇宙进军迈出了第一步。
继电器与科学技术保持了同步发展,今天继电器已应用到家庭及工业控制的各个领域。
他们比以往的产品具有更高的可靠性。
但是,这也是随之带来的一些问题。
如绝大多数控制继电器都是长期磨损和疲劳工作条件下进行的,容易损坏。
而且继电器的触点容易产生电弧,甚至会熔在一起产生误操作,引起严重的后果。
再者,对一个具体使用的装有上百个继电器的设备,其控制箱将是庞大而笨重的。
在全负荷运载的情况下,大的继电器将产生大量的热及噪声。
并且继电器控制系统必须是手工接线、安装,如果有简单的改动,也需要花费时间和物力去改制、安装和调试。
o可编程控制器的产
随着科学技术的进步,尤其是电子技术的发展,研制生产了固态器件,以取代电磁式继电器。
使用晶体管和集成电路,使固态器件日益变得更加经济可靠,所以一些公司如GeneralElectric、Westinghouse及Allen-Bradley等开发了固态电路控制系统。
这些系统大大地增加了控制系统的可靠性,降低了控制系统的成本。
工业上设计的继电器称为控制继电器,汽车制造工业是它的一大用户,它被用来协助汽车生产过程的操作人员,以操作和控制机电设备。
为了在设备类型更换期间降低继电器控制系统的成本,通用汽车公司液压传动分部于1986年起草了有关“可编程逻辑控制器”详细的技术规范。
该规范反映了自动化工业及其他各类制造业的用户的要求和愿望。
如RelianceElectric、Struther-Dunn、Modicon、DigitialEquipmentCorporation、InformationInstruments,均对该规范产生了极大的兴趣。
1969年末和1970年初,这些公司与通用汽车公司合作,生产出我们现在称之为可编程控制器的专用计算机。
从今天的标准来看,尽管早期的PC产品是简单的,但是他们确能满足“通用汽车公司”技术规范上的基本要求[1]。
这些要求主要可以归纳为以下十条:
∙在使用者的工厂里,必须能以最短中断服务时间,迅速而方便地对其控制的硬件或设备进行编程及重新进行程序设计。
∙所有的系统组建必须能够在工厂无特殊支持的设备、硬件及环境条件下运行。
∙系统维修必须简单易行。
在系统中应设计有状态指示器及插入式模块,以便在最短停车时间使维修和故障诊断工作变得简单易行。
∙由于工厂占用的空间耗费了一定的资金,所以控制硬件占用的空间必须比它所代替的继电器控制系统占用的空间要小。
此外,与现在的继电器控制系统相比,PC系统的耗能也应较少。
∙可编程逻辑控制器必须能够与中央数据收集处理系统进行通信,以便监视系统运行的状态和运行情况。
∙系统将能接收来自已有的标准控制系统中的按钮及限位开关的交流信号。
∙逻辑控制器的输出信号必须能驱动以交流运行的电动启动器及电磁阀线圈。
每个输出量将设计为可启停和连续操纵具有额定电流的负载设备。
∙控制硬件必须能以系统最小的变动及在最短的更换和停机时间内,从系统的最小配置扩展到系统的最大配置。
∙在购买及安装费用上,PC系统应与现行使用的继电器和固态逻辑系统相比更具有竞争能力。
∙可编程控制器的存储设备至少可被扩展到4000个存储字节或存储单元的容量。
今天生产的PC产品不仅能满足汽车制造行业最初规定的标准,而且远远超出了这些简单要求。
PC实质上是一个可代替工业继电器控制系统的更具灵活及可靠性的专用计算机。
如图2.1所示,PC是一个能够完成各类控制系统功能的集装成一体的完整的小型控制系统。
图2.1可编程控制器功能框图
∙可编程控制器的编程语言
PC与商业的微型计算机或计算机系统中的主机的主要区别在于个各自所使用的程序设计语言不同,以及PC设计可用于恶劣的工业环境。
PC机有许多方法可用来描述和执行某种控制功能。
继电器梯形图法是一个通用的工业标准方法。
使用固态电路图及计算机程序设计技术,是一种以符号和命令来表示同样内容的语言,但唯有PC的继电器梯形语言最为直观地描述了继电器梯形框图。
计算机被设计成通过接收和执行键入的类似于口语中的单词或语句的指令,而成为程序员的好友。
PC的使用者受过专门的培训,利用一套精心设计的符号集,即继电器梯形框图集来传递信息[2]。
这套符号成了PC的一种专用高级语言,该语言称之为“继电器梯形逻辑语言”。
虽然PC有这样一套完备的语言来描述,但是对于初学者来说仍然是一件比较麻烦的事情。
在整体的系统设计的时候应该避免涉及到PC的具体过程。
在操作和维护的过程中也应该避免接触到PC的具体过程。
∙可编程控制器的应用
由于PC可满足绝大多数应用的需要,所以它受到广泛的欢迎。
但是,对于选择能够适应具体用途的PC,所选择设备的正确安装和应用对PC的正确使用,极大程度上取决于控制系统工程师和设计者对PC及外围设备情况的掌握[3]。
为了适应广泛的应用领域,PC在其设计上具有很好的灵活性及多样性,使它成为一种“万能钥匙”的控制设备,但是对PC的实际选择、完善及使用,可能给不熟悉PC的人们带来一些困难。
确定一个具有最佳经济效益的完整的控制方案,要求设计人员和工程师熟悉掌握许多控制设备类型及硬件设备。
第一手的实践经验是宝贵的财富。
PC的正确应用,不仅要求最终结果应具有经济效益,而且最终控制系统必须满足用户的需要。
应用要求只能对整体系统详细的分析来确定。
这往往意味着要对每台机器或生产过程的所有侧面进行详细的分析研究。
再者,由于每种PC的应用情况都是不相同的,所以没有简明的、精确的惯例对所有应用场合做出估价。
应用要求涉及的一般范围包括如下内容:
系统的最大吞吐量、最小的操作员接口、生产过程中能源材料的最有效利用、设备占地面积的要求,维护的简单易行,系统的最大利用率,以及最少的安装和维修时间。
为了评价一个系统是否比另一个系统更好地满足具体应用要求,有时必须分析相似的系统。
与PC控制系统的应用及经济效果同样重要的是,工厂人员是否能接受这个新系统。
这极大程度上取决于它的操作是否简单。
如果控制系统设计人员不考虑人的因素而进行一个要人来操作的设备设计。
例如,设备缺少足以显示系统运行状态的只是器,结果在安装时使操作员和维护机械工程师感到迷惑,他们连续不断地抱怨能很快使人们确信这些控制系统在设计及运行过程中的确是糟糕透了。
在系统设计与安装时,往往忽略对那些将直接接触控制设备的人员的培训工作。
这是由于通常认为在实际运行设备时进行人员培训比较容易,所以许多生产厂家及工程部门直到系统安装运行之后,才开始对操作人员及维护人员进行系统培训。
在系统安装的过程中,随时让将来最终要维护和操作该设备的人员了解安装过程,这将使他们对新系统有感性的认识。
经过是适当的培训,操作人员能更好地理解系统为何按某一特定的方式安装。
为应付突然出现的故障及恶劣的运行环境下的维修,就要事前强迫弄清楚“如此这般的原因”,否则会影响对发生的问题做出正确的判断。
随着新系统的安装,操作人员就掌握了这些技术。
在培训期间,公司一定能培养出椅披技术娴熟的操作人员,而且在系统可运行时,那些将接触新系统的人员已掌握了硬件设备及其操作和维护保养的知识。
在PC应用中,最后一个应该考虑的主要问题是系统未来的发展。
PC是模块设计,因此完全有扩充的能力来满足未来需要。
通常,一般只需要更换或更新一个控制系统即可以了。
但是在安装控制系统的过程中,往往需要安装许多同类设备。
应用PC总要考虑未来效益、系统扩充以及当前需要。
一个已完成的控制系统会由于增加为将来备用的设备,使其造价而成倍增长。
应该注意增加设备的可能性。
∙可编程控制器的控制系统
在考虑PC的应用时,必然要涉及到总体控制系统设计如何实现的问题。
就其性质而论,绝大多数的应用不是连续的就是批量过程。
批量和连续生产过程控制系统在布局上可以是“集中式”和“分布式”。
集中式控制结构采用单一的大型控制系统或处理机控制多种生产加工过程及操作。
中央控制系统中,PC处理着生产过程中每个独立的工序。
分布式结构与集中式的区别就在于,它对每个独立的工序由专门指定的控制系统或PC进行处理。
控制系统所的另外一个特点就是:
关于工厂中各个控制系统之间的相互作用关系。
这种关系一点都不简单。
许多控制系统可以设计成独立的系统,它们等待产品的到来,然后进行加工处理,并将其传送到下一个加工环节上,继续又等待下一组产品的到来。
如果该专用控制系统完全独立,在不执行其所能完成的生产环节时,传统的做法是将这些独立系统从总的控制系统中去掉。
在生产加工过程中,依附于前面生产流程中相邻控制系统的控制系统成为同位控制系统,每个控制系统的有效运行均依赖于周围的控制系统。
同位系统中可能包含大量的相同控制系统,但是每个控制系统的运行依赖于一个相邻系统或者一个以至多个其他生产控制系统的运行。
无论独立控制系统,还是同位控制系统,由一个总的主独立控制系统指挥时,称为层次结构的控制系统。
从属的控制系统在没有中央智能装置的情况下都不能工作。
在加工制造及监视运行状态的全过程中,中央智能处理器控制着产品的加工制造及其流通。
∙可编程控制器的通用平台
一个可编程控制器的简化工作过程如下:
PC处理机根据目前输入映像表状态连续执行用户逻辑程序
PC处理机根据用户逻辑程序执行结果连续更新输出映像状态
其中用户程序就是采用继电器梯形逻辑语言编写的。
虽然继电器梯形逻辑语言是一种工业标准,但是它仅仅是帮助程序员设计程序。
真正的程序根据PC的不同而大不相同。
那么一个通用的可编程控制器平台是十分重要的。
该通用平台应该支持大多数PC语言。
通过这个通用平台,程序员只需要关心逻辑程序的设计,具体程序的设计由该平台通过已经设计好的逻辑来进行生成。
而且该平台不仅仅能通过特殊的逻辑语言编写,还应该有多种语言的接口。
例如:
C、C++、Java等等。
这样就可以这样一个问题[2]:
“PC的使用者受过专门的培训,利用一套精心设计的符号集,即继电器梯形框图集来传递信息。
”让编写PC处理程序的人员可以选择他们喜欢的编程语言进行编程。
这样就使得培训时间大大缩短,节约开发系统的时间。
当然该平台除了可以使用DK方式,还应该支持可视化开发,并能集成逻辑调试、测试和发送。
这样经过测试后的程序可以在线地发送给PC,让它按照新的方式工作。
另外如果选择在该平台做开发工作,对于系统设计阶段那么所选PC的程序语言就不再是限制。
∙可编程控制器的逻辑集成
对于一个公司来说,培养一批开发人员不容易,保持这样的一个队伍也不是很必要。
因为一般来说系统在很长一段时间内都不会做较大的变动,或者说在PC上实行程序调整。
因此可以由PC专业的人员将各种具体控制程序变成一种逻辑(或者说是一个控制函数)。
那么将这些逻辑都集成到一个函数库中。
其他的开发者就可以使用函数库,做更高层次的开发。
这样做的好处有以下几点:
∙将PC编程与高层次的应用编程彻底隔离。
∙只需要控制函数,就很容易实现各个环节的操作与同步。
∙减少修改系统时所需要做的工作,而且可以快速地建立新应用。
∙函数可以与控制界面直接相联系,有利于可视化设计。
∙函数可以与其他高级应用相联系,实现更多的控制功能和信息联系。
∙可以利用他人的工作成果,减少不必要的重复劳动。
∙可编程控制器的网络集成
在加工制造过程当中,各个可编程控制器往往控制着一个或多个工序的进行。
在一个生产过程中所使用的可编程控制器可能从一个到上百个。
那么每个工序相关的可编程控制器之间的同步就非常重要。
以往可以采用同步控制系统来实现。
现在网络技术迅速发展,利用网络技术现有的成果可以将各种可编程控制器连接到计算机网络中。
这样就可以实现对可编程控制器的集中监视、管理和控制。
在可编程控制器的网络集成过程中,最重要的就是实现网络协议与PC连接协议的转换。
或者说就是需要一个能与各种PC实现连接的网关。
有了网关,每个PC控制器都可以具有一个IP地址,我们可以将现有的控制系统与计算机结合起来。
这样主控制系统的设计可以摆脱以往的模式,采取更加灵活,更加方便的设计与开发模式。
而且主控制系统的移植与更换都是十分方便的。
∙控制系统的可视化设计
在控制系统的设计中所需要考虑的就是工厂人员是否能接受这个新系统。
这极大程度上取决于它的操作是否简单,信息是否直观。
在以上的基础上,控制系统的设计已经变得十分简单。
在可视化平台上,用户可以选择已有的各种直观组件(例如:
信号灯、按钮、游标等等),搭建一个控制面板。
用户可以通过手工绘制控制面板,然后将控制面板输入到可视化平台中。
在完成控制面板的设计后,将可视化平台的逻辑集成组件与可视化控件联系起来。
这样就很容易地完成了整个控制系统的设计。
以后的使用过程中,用户只需要使用计算机的触摸屏就可以监视、管理和控制整个加工过程。
这对于操作人员来说是再方便不过的事情。
而且这种软控制面板可以节约硬件制造的时间和经费。
可视化平台可以根据所生成控制面板自动生成操作手册。
这些手册在操作、保养和维修人员的培训中将发挥巨大的作用。
∙工业自动化系统
如下图所示,就是一个基于PC与网络集成的工业自动化系统:
由于使用网关,使得每个PC都有一个确定的IP地址。
那么就可以通过网络实现对每个PC的直接访问,而无须关心PC的类型以及通讯方式。
不仅仅是内部的控制计算机可以浏览PC的数据,还可以将PC的各种数据或者控制发布到Internet或者Intranet上。
这样在家中,可以通过Internet上网控制和调整;在旅游的时候,可以通过WAP手机上网控制和调整。
通过网络,可以对PC采取更加灵活的控制方式,而且随时随地都可以得到你想要的信息。
如下图所示,是一个PC开发通用平台的示意图:
PC编码器能将梯形语言编译成各种不同类型PC所使用的语言指令。
这样不但屏蔽了由于所使用的PC的差异而给系统设计和开发带来的不方便,而且可以有效地将各种控制逻辑组合成函数库。
在开发过程中,对于喜欢梯形语言的开发人员可以直接使用梯形语言。
但是对于熟悉计算机程序编程的人员可以选择自己熟悉的语言进行开发。
通用平台将在高级语言与梯形语言之间自动完成转换。
通过高级语言的连接,还可以开发在不同操作环境下的各种高层次应用。
编程人员可以在线进行编辑,仿真调试系统将帮助他们寻找程序中的逻辑错误或者优化各种逻辑操作。
然后就可以通过平台的发送功能,将修改后的程序发送到PC网关。
再由网关将程序发送到PC,PC将执行新的控制程序。
当只想对少量的参数做修改的时候,编程人员可以通过PC网关下载PC中现有的程序,然后经过反编译过程形成梯形语言,再转换成高级语言。
在修改完成后,再发还给PC。
如下图所示,是一个PC网关的功能示意图:
PC网关是整个系统中最主要的部分。
它一方面连接着各种PC,另外一个方面计算机网络。
除了统一的PC传送方式管理,另外网关还负责缓冲共享管理、IP地址分配管理、原始数据记录管理、数据库功能管理和网络安全管理。
通过网关的这些功能,将使得整个控制系统设计与开发变得更加容易、灵活。
如下图所示,是可视化开发平台的结构示意图:
对于操作面板的控制主要包括四个方面:
状态、控制、报警和记录。
可视化开发平台将高级控制函数库与通用组件库连接起来,实现将操作人员的动作变成对应的PC动作。
由于整个设计是可视化的,不需要学习任何编程语言。
只要有一般的系统操作知识便可以进行设计。
在设计的过程中,既可以采用现有的通用组件库,也可以采用手工绘制的办法。
将手工绘制的控制面板通过扫描仪输入到可视化设计平台中,在经过反复的修改之后,就可以将控制函数和面板上的图形相结合实现PC控制功能。
当控制面板设计完成之后,可以将数据输出为控制界面。
再由其他的运行程序装载控制界面,这样就可以在不同的操作系统下实现PC控制。
当然该平台还支持自动生成操作手册,这样给培训和保养都带来方便。
∙工业自动化系统开发
在基于PC网关的基础上实现工业自动化系统的设计与开发将是十分容易的。
整个开发过程可以划分为三个部分:
系统布线、PC程序和高级应用开发。
系统布线主要负责系统的物理层部分,保证网关可以连接到PC,保证网关可以连接到其他应用计算机。
PC程序开发主要负责各种可编程控制器的控制逻辑开发。
一般来说,只需要做一些特殊的开发工作。
因为大部分工作在逻辑集成当中就已经完成。
高级应用程序开发主要是采用可视化开发平台设计控制面板。
这种开发不需要任何的编程技巧,只需要对系统控制有一定的了解。
可以直接使用通用的组件来搭建,也可以使用手工绘制的方式来实现。
这三个部分是独立的互不干扰的,可以同步进行。
对于系统将来的扩展,也不需要太多的修改。
只要将新增加的系统连接到网关上,增加适当的应用程序,系统马上就可以投入使用。
如果想增加新的控制和监视系统,也不需要太多的改动。
只需要将应用计算机连接到网关,借用已经编辑好的控制界面。
监视系统马上就可以投入应用。
如果想进行远程监视和控制,也不需要太多的工作。
只需将数据与控制发布到Internet上,在家中也可以看到车间流水线的工作情况。
只有基于PC网关的设计方式才能真正地满足“通用汽车公司”技术规范上的基本要求。
∙工业自动化系统开发的自动化
到此,工作并没有结束。
虽然工业自动化系统的开发工作变得简单了,但是不能仅满足这一点。
在此基础上,可以实现系统开发的自动化。
在开发系统中,将各种系统的模板、应用程序模板、PC程序模板、控制面板模板等等都集中在一起。
当设计人员在开发的时候,只需要少量的参与活动,便可以完成一个庞大系统的设计、调试与仿真工作。
这样可以让设计人员更多的将经历放在原理阶段和概念阶段设计上,创造出更加新颖的控制系统。
∙ILC简单介绍
我们称自己为“世界实验室”,主要归功于我们的组织和我们的业绩。
在ILC,我们并不想组织一个庞大的机构。
但是我们正努力成为工业自动化方面的No.1。
我们已经开发出为计算机集成制造系统而设计的信息控制系统。
我们已经开发出一系列的软件原型;我们已经建立了一个在世界范围内可操作的信息网络,而且我们正在继续独一无二的创造。
我们相信那一天终将会来临:
所有的计算机商用系统将使用ILC的标准。
INTAPHICS无须编程的图形监视器
INTAPANEL无须编程的控制面板
INTASIM设备仿真系统
INTALOG无须编程的数据记录
软件开发
简单到只需要设置数据、勾画出所使用的监视图、数据记录、报警过程和操作面板就可以完成开发。
(GUI用户界面开发支持)
使用现有的工具和库函数,来设计屏幕、菜单和对话框等等(这些部分与用户界面开发相互独立),创建用户界面。
(I/O接口开发支持)
支持所有的类型的I/O接口开发,包括通信功能、屏幕图形打印、扫描输入和从触摸板输入。
开发工业自动化应用软件
通过开发大量的支持IA系统构架应用,ILC在程序设计、文档创建、监视和调试功能各个阶段都积极地发挥着作用。
这些应用都是基于我们自己的“GENIFA”——我们在市场上所出售的一个图形库。
我们可以提供一个统一的图形用户界面,这样能够更快地实现在日本或者海外市场上应用。
更进一步地说,除了这些通常意义上的应用和库,我们加强了软件,在工业自动化系统方面,更高层次的功能和大规模应用的能力。
我们正在进行一个基于数据库的信息控制软件开发工作。
这在将来将变得十分紧迫。
ILC除了在工业自动化方面的出色工作,我们正在各个领域扩展自己的事业。
开发应用软件
我们可以以我们的成就在世界开发行业引以为豪。
我们在各个领域已经开发出为大公司设计的规模化系统,例如:
电子设备行业和汽车行业。
这些应用包括了十到成百上千个步骤。
这些过程包括从独立计算机的离线功能到通讯,和其他一些在线功能。
开发库软件
ILC的座右铭是“使用我们所卖的,卖我们所使用的”。
对于我们来说,没有比我们所积累的开发和销售我们的GEN系列库产品更为重要。
这些产品都使用了我们最新的开发成果。
ILC的FA解决方案
从使用可编程控制器的自动化设备到成熟的设计支持系统开发,都在使用FA计算机,程序和网络控制系统。
ILC已经给出在世界自动化工业方面的一套构架和开发工具。
但是我们所关心的不仅仅是自动化的工作空间——ILC将要带给你的是整个系统的设计也采用自动化。
这样可以提供工作效率降低成本。
开发和构建设备控制系统
从各种可编程控制器到个人电脑控制软件,ILC的活动覆盖了大部分技术和方案,包括过程设计、装配控制面板和安装缆线。
我们提供从设计到布线安装和调试服务,安装或者升级现有的版本,将控制自动化带入到已经实现生产自动化地方。
例如:
∙控制生产流水线的机器人,控制自动传输系统。
∙控制各种类型的自动化设备。
开发在线的FA网络系统
ILC的方案从工程概念开始到真正实施以基于CIM为核心的设备安装,可以说明其重点是在于整个网络的布置。
这个包括了在主计算机和生产设备或者控制设备之间的信息通讯系统;可编程控制器和FA计算机之间的网络构架;FA计算机软件和通讯接口的开发。
因为我们使用从我们实验室的产品,因此为开发和使用都提供了一个一致的环境。
我们可以在段时间内提供一个高质量的系统。
例如:
∙当产品正在生产的时候,可以向控制系统发送指令。
∙系统跟踪设备的正常运行时间和产品的质量,监视和记录系统的整个制造过程。
支持FA系统开发的开发系统
系统自动生成一系列的程序。
在设计阶段,通过仿真来调整整个工作过程。
系统的标准化,自动化和提供支持设计开发的工具是整个系统的关键。
这些都是我们所关心的开发工作。
计算机集成制造的第一个步骤就是将设计和任务
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