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工業(yè)控制系統(tǒng)常用的控制器有哪些

05.10.2022 1255

可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController,PLC)是一種特殊的控制器,是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子系統(tǒng)。

PLC控制系統(tǒng)主要有以下6個(gè)特點(diǎn):

1)通信性和靈活性強(qiáng),應(yīng)用廣泛。

2)可靠性高,抗干擾的能力極強(qiáng)。

3)產(chǎn)品系列化、規(guī)模化,功能完備,性能優(yōu)良。

4)編制程序簡單、容易。

5)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試周期短,擴(kuò)充容易。

6)體積小、重量輕,維護(hù)方便。

近年來,隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,功能更強(qiáng)大、規(guī)模不斷擴(kuò)大而價(jià)格日趨低廉的元器件不斷涌現(xiàn),促使PLC產(chǎn)品亦隨之功能大增但成本下降。目前PLC的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了早期僅用于開關(guān)量控制的局面,現(xiàn)將其應(yīng)用領(lǐng)域簡述如下。

(1)開關(guān)量邏輯控制

這是PLC最廣泛的應(yīng)用。開關(guān)量邏輯控制已逐步取代傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制裝置,被用于單機(jī)或多機(jī)控制系統(tǒng)以及自動生產(chǎn)線上。PLC控制開關(guān)量的能力是很強(qiáng)的,所控制的入、出點(diǎn)數(shù)有時(shí)多達(dá)幾萬點(diǎn)。由于可以聯(lián)網(wǎng),所以點(diǎn)數(shù)幾乎不受限制。所控制的如組合的、時(shí)序的、要考慮延時(shí)的、需要進(jìn)行高速計(jì)數(shù)等的邏輯問題都可以解決。

(2)運(yùn)動控制

目前很多廠商已經(jīng)開發(fā)出大量運(yùn)動控制模塊,且功能是給步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)等提供單軸或多軸的位置控制,并在控制中滿足適當(dāng)?shù)乃俣群图铀俣?,以保證運(yùn)動的平滑水準(zhǔn)。

(3)過程控制

當(dāng)前PLC產(chǎn)品中,還有一大類是針對生產(chǎn)過程參數(shù),如溫度、流量、壓力、速度等的檢測和控制而設(shè)計(jì)的。常用的有模擬量I/O模塊,通過這些模塊不僅可以實(shí)現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換,還可以進(jìn)一步構(gòu)成閉環(huán),實(shí)現(xiàn)PID一類的生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)。而針對PID閉環(huán)調(diào)節(jié),又有專門的模塊,可以更方便地實(shí)施。這些產(chǎn)品往往還引入了智能控制。

(4)數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)代的PLC已具有數(shù)據(jù)傳送、排序、查表搜索、位操作以及邏輯運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、矩陣運(yùn)算等多種數(shù)據(jù)采集、分析、處理功能。目前還有不少公司,將PLC的數(shù)據(jù)處理功能與計(jì)算機(jī)數(shù)值控制(CNC)設(shè)備的功能緊密結(jié)合在一起,開發(fā)了用于CNC的PLC產(chǎn)品。

(5)通信

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)的逐步普及,PLC的網(wǎng)絡(luò)化通信產(chǎn)品也在大量被推出。這些產(chǎn)品解決了PLC之間、PLC與其擴(kuò)展部分之間、PLC與上級計(jì)算機(jī)之間或其他網(wǎng)絡(luò)間的通信問題。

需要注意的是,并非所有PLC都具有上述全部功能,越小型的PLC其功能相應(yīng)也越少。

二、可編程自動化控制器(PAC)


可編程自動化控制器(PAC)的定義為:由一個(gè)輕便的控制引擎支持,且對多種應(yīng)用使用同一種開發(fā)工具。PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)功能的統(tǒng)一集成,而不僅僅是一個(gè)完全無關(guān)的部件拼湊的集成。

PAC定義了幾種特征和性能:

1)多領(lǐng)域的功能,包括邏輯控制、運(yùn)動控制、過程控制和人機(jī)界面。

2)一個(gè)滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的通用開發(fā)平臺。

3)允許OEM(OriginalEquipmentManufacturer,原始設(shè)備制造商)和最終用戶在統(tǒng)一平臺上部署多個(gè)控制應(yīng)用。

4)有利于開放、模塊化控制架構(gòu)來適應(yīng)高度分布性自動化工廠環(huán)境。

5)對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、語言等,使用既定事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)來保證多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。

雖然PAC形式與傳統(tǒng)PLC很相似,但其性能卻比PLC廣泛和全面得多。PAC是一種多功能控制器平臺,它包含多種用戶可按照自己意愿組合搭配和實(shí)施的技術(shù)和產(chǎn)品。與其相反,PLC是一種基于專有架構(gòu)的產(chǎn)品,僅僅具備了制造商認(rèn)為必要的性能。

PAC與PLC根本的不同在于它們的基礎(chǔ)不同。PLC的性能依賴于專用硬件,應(yīng)用程序的執(zhí)行是依靠專用硬件芯片實(shí)現(xiàn)的。硬件的非通用性會導(dǎo)致系統(tǒng)的功能前景和開放性受到限制,由于是專用操作系統(tǒng),其實(shí)時(shí)可靠性與功能都無法與通用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比,這樣導(dǎo)致了PLC整體性能的專用性和封閉性。

PAC的性能基于其輕便控制引擎,標(biāo)準(zhǔn)、通用、開放的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及背板總線。PLC的用戶應(yīng)用程序執(zhí)行是通過硬件實(shí)現(xiàn)的,而PAC設(shè)計(jì)了一個(gè)通用、軟件形式的控制引擎用于應(yīng)用程序的執(zhí)行??刂埔嫖挥趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間,這個(gè)控制引擎與硬件平臺無關(guān),可在不同平臺的PAC系統(tǒng)間移植。因此對于用戶來說,同樣的應(yīng)用程序不需修改即可下載到不同PAC硬件系統(tǒng)中,用戶只需根據(jù)系統(tǒng)功能需求和投資預(yù)算選擇不同性能的PAC平臺。這樣,根據(jù)用戶需求的迅速擴(kuò)展和變化,用戶系統(tǒng)和程序無須變化,即可無縫移植。

PAC具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)提高生產(chǎn)率和操作效率:一個(gè)通用輕便控制引擎和綜合工程開發(fā)平臺允許快速地開發(fā)、實(shí)施和遷移;且由于它的開放性和靈活性,確保了控制、操作、企業(yè)級業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫集成,優(yōu)化了工廠流程。

2)降低操作成本:使用通用、標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò),降低了操作成本,讓工程師們能為一個(gè)體現(xiàn)成本效益、使用現(xiàn)貨供應(yīng)的平臺選擇不同系統(tǒng)部件,而不是專有產(chǎn)品和技術(shù)(只要求用戶在一個(gè)統(tǒng)一平臺和開發(fā)環(huán)境上培訓(xùn),而不是幾種);且為用戶提供了一個(gè)無縫遷移路徑,保護(hù)在I/O和應(yīng)用開發(fā)方面的投資。

3)使用戶對其控制系統(tǒng)擁有更多控制力:使用戶擁有更多靈活性來選擇適合每種特殊應(yīng)用的硬件和編程語言,以他們自己的時(shí)間表來規(guī)劃升級,并且可在任何地方設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)品。

隨著市場的需要,PAC技術(shù)在未來的幾年內(nèi)將朝著以下幾個(gè)方向進(jìn)一步發(fā)展。

(1)設(shè)備規(guī)格的多樣化

為了滿足各種實(shí)際生產(chǎn)狀況的需要,PAC的規(guī)格將會呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢。在具體的生產(chǎn)環(huán)境中,選擇合適的控制系統(tǒng)要求的PAC,有利于降低成本。

(2)支持更多的控制功能

目前,PAC已經(jīng)將邏輯、運(yùn)動、過程控制等高級功能集成到了單一的平臺上。而未來,PAC將進(jìn)一步融合更多的功能,如對于安全性的考慮、批處理等。當(dāng)信息被越來越廣泛地使用時(shí),其安全性將成為需要考慮的第一因素。

(3)商業(yè)系統(tǒng)的集成

為了實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性,自動化設(shè)備供應(yīng)商將在PAC內(nèi)部繼續(xù)創(chuàng)建商業(yè)系統(tǒng)的連接通道而不依賴于其他連接設(shè)備。PAC將內(nèi)嵌制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)的一些屬性,如標(biāo)準(zhǔn)接口的建立,它將有利于更好地解決控制層和管理層之間的連接問題。

(4)簡單的系統(tǒng)維護(hù)

PAC將往更小化、更智能化的方向發(fā)展,但同時(shí)它將擁有更出眾的數(shù)據(jù)處理能力。其軟件可以監(jiān)控機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況,硬件可以完成復(fù)雜的自檢工作。為了提高生產(chǎn)率、增加利潤,企業(yè)就必須及時(shí)有效地傳遞數(shù)據(jù)信息。PAC的這種數(shù)據(jù)處理能力可以滿足用戶在任何時(shí)間通過任何形式(如E-mail、網(wǎng)頁)對數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

(5)延長產(chǎn)品的生命周期

通過采用新技術(shù)來獲得更高生產(chǎn)效率固然十分重要,但是新技術(shù)的使用是否會大幅增加成本和培訓(xùn)費(fèi)也是廠家十分關(guān)注的問題。PAC未來平臺將仍然采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì),其買主可以繼續(xù)使用原來的商業(yè)技術(shù)和以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn),從而有效地降低對成本的投入。

三、遠(yuǎn)程終端單元(RTU)


遠(yuǎn)程終端單元(RemoteTerminalUnit,RTU)是安裝在遠(yuǎn)程現(xiàn)場的電子設(shè)備,用來對遠(yuǎn)程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制,負(fù)責(zé)對現(xiàn)場信號、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測和控制,獲得設(shè)備數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳給SCADA系統(tǒng)的調(diào)度中心。

RTU作為一種遠(yuǎn)程測控單元裝置,可以用各種不同的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn),這取決于被控現(xiàn)場的性質(zhì)、系統(tǒng)的復(fù)雜性、對數(shù)據(jù)通信的要求、實(shí)時(shí)報(bào)警報(bào)告、模擬信號測量精度、狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備的調(diào)節(jié)控制和開關(guān)控制。通常,RTU要具有優(yōu)良的通信能力和更大的存儲容量,適用于更惡劣的溫度和濕度環(huán)境,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的特殊算法,提供更多的計(jì)算功能和控制能力。

RTU具有以下4個(gè)特點(diǎn)

1)通信距離較長。

2)用于各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。

3)模塊結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì),便于擴(kuò)展。

4)在具有遙信、遙測、遙控、遙調(diào)領(lǐng)域的水利、電力調(diào)度、市政調(diào)度等行業(yè)廣泛使用。

在遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)中,RTU是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的關(guān)鍵設(shè)備,承擔(dān)著中心站和測站間信息的上傳下達(dá)工作,它主要有遙信、遙測、遙控和遙調(diào)4個(gè)功能。

遙信功能:要求采用無源接點(diǎn)方式即某一路遙信量的輸入應(yīng)是一對繼電器的觸點(diǎn),或者是閉合,或者是斷開。通過遙信端子板將繼電器觸點(diǎn)的閉合或斷開轉(zhuǎn)換成為低電平或高電平信號送入RTU。遙信功能通常用于測量開關(guān)的位置信號、變壓器內(nèi)部故障綜合信號、保護(hù)裝置的動作信號、通信設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號、調(diào)壓變壓器抽頭位置信號等。

遙測功能:通過采集現(xiàn)場各種傳感器和變送器的信號獲得現(xiàn)場各種物理參數(shù),將采集到的變量存儲、編碼成遙測信息,按通信規(guī)約傳送給監(jiān)控中心。遙測量可以是水情測報(bào)系統(tǒng)中的溫度、壓力、液位、流量,以及變電站參數(shù)監(jiān)控中的電流、電壓、功率等模擬量。

遙控功能:由監(jiān)控中心對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)行遠(yuǎn)程操控,如啟動或關(guān)停某設(shè)備、打開或關(guān)閉某閥門。在遙控過程中,監(jiān)控中心發(fā)往RTU的命令有3種,即遙控選擇命令、遙控執(zhí)行命令和遙控撤銷命令。遙控選擇命令包括兩個(gè)部分,一是選擇的對象,用對象碼指定對哪一個(gè)對象進(jìn)行操作;另一個(gè)是遙控操作的性質(zhì),用操作性質(zhì)碼指示。遙控執(zhí)行命令指示RTU按接收到的選擇命令執(zhí)行指定操作。遙控撤銷命令指示RTU撤銷已下達(dá)的選擇命令。

遙調(diào)功能:監(jiān)控中心對被控站某些設(shè)備的工作狀態(tài)和參數(shù)的調(diào)整。

除了在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程中大量應(yīng)用之外,在測控點(diǎn)特別分散的場合,遠(yuǎn)程終端單元也得到廣泛的應(yīng)用,例如,城市供水自動化控制系統(tǒng),城市廢水處理系統(tǒng),城市煤氣管網(wǎng)綜合調(diào)度系統(tǒng),天然氣、石油行業(yè)自動化系統(tǒng),電力遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)集控系統(tǒng),熱網(wǎng)管道自動化控制,大氣/水質(zhì)等環(huán)保監(jiān)測,水情水文測報(bào)系統(tǒng),燈塔信標(biāo)、江河航運(yùn)、港口、礦山調(diào)度系統(tǒng)等,RTU發(fā)揮著越來越重要的作用。

隨著國內(nèi)工業(yè)企業(yè)SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展,RTU產(chǎn)品在市場中越來越多,但國外RTU產(chǎn)品占有較大的份額。目前這種狀況日益得到改善,國內(nèi)的RTU產(chǎn)品正在不斷發(fā)展和成熟中。

RTU的發(fā)展歷程是與“四遙”工程技術(shù)相聯(lián)系的。所謂“四遙”工程技術(shù)是指遙信、遙測、遙控、遙調(diào)技術(shù),是對人們不易到達(dá)地點(diǎn)的物理變化過程、生產(chǎn)過程等進(jìn)行檢測、調(diào)節(jié)、控制的技術(shù)?!八倪b”系統(tǒng)工程是多學(xué)科、多專業(yè)的高新技術(shù)系統(tǒng)工程,涉及計(jì)算機(jī)、機(jī)械、無線電、自動控制等技術(shù),還涉及傳感器技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、非電量測量技術(shù)、軟件工程、無線電通信技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等高新技術(shù)。因此,RTU的發(fā)展將必然會隨著“四遙”工程技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。

隨著測控技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展;遠(yuǎn)程測控終端向著通用性強(qiáng)、靈活性高、小型化、更加智能化方向發(fā)展;能夠檢測多種類型物理參數(shù),具有更快響應(yīng)速度、更大存儲能力、有線和無線多種通信方式、更強(qiáng)的信息交互能力、更加靈活的組態(tài)配置能力,適應(yīng)各種不同應(yīng)用場合的RTU產(chǎn)品將被開發(fā)出來,給現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、管理、科學(xué)研究等領(lǐng)域帶來更大的便利,對人們的生活方式產(chǎn)生更大的影響。