机电一体化技术

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机电一体化技术(electromechanical integration technology)

目录

什么是机电一体化技术[1]

  机电一体化技术是以大规模集成电路和微电子技术高度发展并向传统机械工业领域迅速渗透,机械、电子技术高度结合的现代工业为基础,将机械技术、电力电子技术、微电子技术信息技术、传感测试技术、接口技术等有机地结合并综合应用的技术

机电一体化技术的理论基础[2]

  系统论信息论控制论无疑是机电一体化技术的理论基础,是机电一体化技术的方法论。

  开展机电一体化技术研究时,无论在工程的构思、规划、设计方面,还是在它的实施或实现方面,都不能只着眼于机械或电子,不能只看到传感器或计算机,而是要用系统的观点,合理解决信息流与控制机制问题,有效地综合各有关技术,才能形成所需要的系统产品

  给定机电一体化系统目的与规格后,机电一体化技术人员利用机电一体化技术进行设计、制造的整个过程称为机电一体化工程。实施机电一体化工程的结果,是新型的机电一体化产品。图1给出了机电一体化工程的构成因素。
Image:机电一体化工程构成因素.jpg

  系统工程系统科学的一个工作领域,而系统科学本身是一门关于“针对目的要求而进行合理的方法学处理”的边缘学科。系统工程的概念不仅包括“系统”,即具有特定功能的、相互之间具有有机联系的众多要素所构成的一个整体,也包括“工程”,即产生一定效能的方法。机电一体化技术是系统工程科学在机械电子工程中的具体应用。具体地讲,就是以机械电子系统或产品为对象,以数学方法和计算机等为工具,对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务,从而达到最优设计、最优控制和最优管理的目标,以便充分发挥人力、物力和财力,通过各种组织管理技术,使局部与整体之间协调配合,实现系统的综合最优化。

  机电一体化系统是一个包括物质流、能量流和信息流的系统,而有效地利用各种信号所携带的丰富信息资源,则有赖于信号处理和信号识别技术。考察所有机电一体化产品,就会看到准确的信息获取、处理、利用在系统中所起的实质性作用。

  将工程控制论应用于机械工程技术而派生的机械控制工程,为机械技术引入了崭新的理论、思想和语言,把机械设计技术由原来静态的、孤立的传统设计思想引向动态的、系统的设计环境,使科学的辩证法在机械技术中得以体现,为机械设计技术提供了丰富的现代设计方法。

机电一体化技术的分类[3]

  随着科学技术的发展,机电一体化产品的概念不再局限在某一具体产品的范围,已扩大到控制系统和被控制系统相结合的产品制造和过程控制的大系统。目前,世界上普遍认为机电一体化有两大分支,即生产过程的机电一体化和机电产品的机电一体化。

  生产过程的机电一体化意味着整个工业体系的机电一体化,如机械制造过程的机电一体化、冶金生产的机电一体化、化工生产的机电一体化、纺织工业的机电一体化等。生产过程的机电一体化根据生产过程的特点(如生产设备和生产工艺是否连续)又可划分为离散制造过程的机电一体化和连续生产过程的机电一体化。前者以机械制造业为代表,后者以化工生产流程为代表。生产过程的机电一体化包含产品设计加工、装配、检验的自动化,生产过程自动化,经营管理自动化等,其中包含多个自动化生产线,其高级形式是计算机集成制造系统(Computer Inte—grated Manufacturing System,CIMS)。其具体包括计算机辅助设计(Computer Aided DesignCAD)、计算机辅助制造(Computer Aided ManufacturingCAM)、计算机辅助工艺过程设计(Com.puter Aided Process Planning,CAPP)、CAD/CAM集成系统、柔性制造系统(Flexible ManufacturingSystem,FMS)及计算机集成制造系统。

  机电产品的机电一体化是机电一体化的核心,是生产过程机电一体化的物质基础。典型的机电一体化产品体现了机电的深度有机结合。近年来新开发的机电一体化产品大多都采用了全新的工作原理,集中了各种高新技术,并把多种功能集成在一起,在市场上具有极强的竞争能力。由于在机电一体化产品中往往要引入仪器仪表技术,所以也有人称为机、电、仪一体化产品。由于液压传动具有功率大、结构紧凑、能大范围无级调速、快速性好、便于自动控制等优点,并且获得了广泛的应用,因此又有机、电、液一体化产品之说。由于用光传递信息无污染,抗干扰能力强,在很多新型机电产品中特别是仪器仪表中的应用越来越广泛,这类产品又称为机、电、光一体化产品。

机电一体化的关键技术[2]

  发展机电一体化技术所面临的共性关键技术包括精密机械技术、传感检测技术、伺服驱动技术、计算机与信息处理技术自动控制技术、接口技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术的应用。

  1.机械技术

  机械技术是机电一体化的基础。随着高新技术引入机械行业,机械技术面临着挑战和变革。在机电一体化产品中,它不再是单一地完成系统间的连接,而是要优化设计系统结构、质量、体积、刚性和寿命等参数对机电一体化系统的综合影响。机械技术的着眼点在于如何与机电一体化的技术相适应,利用其他高、新技术来更新概念,实现结构上、材料上、性能上以及功能上的变更,满足减少质量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能和增加功能的要求。尤其那些关键零部件,如导轨、滚珠丝杠、轴承、传动部件等的材料、精度对机电一体化产品的性能、控制精度影响很大。

  在制造过程的机电一体化系统,经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术,同时采用人工智能专家系统等,形成新一代的机械制造技术。这里原有的机械技术以知识技能的形式存在。如计算机辅助工艺规程编制(CAPP)是目前CAD/CAM系统研究的瓶颈,其关键问题在于如何将各行业、企业、技术人员中的标准、习惯和经验进行表达和陈述,从而实现计算机的自动工艺设计与管理。

  2.传感与检测技术

  传感与检测装置是系统的感受器官,它与信息系统的输入端相连并将检测到的信息输送到信息处理部分。传感与检测是实现自动控制、自动调节的关键环节,它的功能越强,系统的自动化程度就越高。传感与检测的关键元件是传感器。

  机电一体化系统或产品的柔性化、功能化和智能化都与传感器的品种多少、性能好坏密切相关。传感器的发展正进入集成化、智能化阶段。传感器技术本身是一门多学科、知识密集的应用技术。传感原理、传感材料及加工制造装配技术是传感器开发的三个重要方面。

  传感器是将被测量(包括各种物理量、化学量和生物量等)变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息,并能经受各种严酷环境的考验。与计算机技术相比,传感器的发展显得缓慢,难以满足技术发展的要求。不少机电一体化装置不能达到满意的效果或无法实现设计的关键原因在于没有合适的传感器。因此大力开展传感器的研究,对于机电一体化技术的发展具有十分重要的意义。

  3.伺服驱动技术

  伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置或部件,对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。伺服驱动技术主要是指机电一体化产品中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题,它涉及设备执行操作的技术,对所加工产品的质量具有直接的影响。机电一体化产品中的伺服驱动执行元件包括电动、气动、液压等各种类型,其中电动式执行元件居多。驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路,目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。在机电一体化系统中,通常微型计算机通过接口电路与驱动装置相连接,控制执行元件的运动,执行元件通过机械接口与机械传动和执行机构相连,带动工作机械作回转、直线以及其他各种复杂的运动。常见的伺服驱动有电液马达、脉冲油缸、步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。由于变频技术的发展,交流伺服驱动技术取得突破性进展,为机电一体化系统提供了高质量的伺服驱动单元,极大地促进了机电一体化技术的发展。

  4.信息处理技术

  信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策,实现信息处理的工具大都采用计算机,因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术包括计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据技术等。机电一体化系统中主要采用工业控制计算机(包括单片机、可编程序控制器等)进行信息处理。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术。

  在机电一体化系统中,计算机信息处理部分指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、及时,直接影响到系统工作的质量和效率。因此,计算机应用及信息处理技术已成为促进机电一体化技术发展和变革的最活跃的因素。

  5.自动控制技术

  自动控制技术范围很广,机电一体化的系统设计是在基本控制理论指导下,对具体控制装置或控制系统进行设计;对设计后的系统进行仿真,现场调试;最后使研制的系统可靠地投入运行。由于控制对象种类繁多,所以控制技术的内容极其丰富,例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、再现、检索等。

  随着微型机的广泛应用,自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系在一起,成为机电一体化中十分重要的关键技术。

  6.接口技术

  机电一体化系统是机械、电子、信息等性能各异的技术融为一体的综合系统,其构成要素和子系统之间的接口极其重要,主要有电气接口、机械接口、人机接口等。电气接口实现系统间信号联系;机械接口则完成机械与机械部件、机械与电气装置的连接;人机接口提供人与系统间的交互界面。接口技术是机电一体化系统设计的关键环节。

  7.系统总体技术

  系统总体技术是一种从整体目标出发,用系统的观点和全局角度,将总体分解成相互有机联系的若干单元,找出能完成各个功能的技术方案,再把功能和技术方案组成方案组进行分析、评价和优选的综合应用技术。系统总体技术解决的是系统的性能优化问题和组成要素之间的有机联系问题,即使各个组成要素的性能和可靠性很好,如果整个系统不能很好协调,系统也很难保证正常运行。

  在机电一体化产品中,机械、电气和电子是性能、规律截然不同的物理模型,因而存在匹配上的困难;电气、电子又有强电与弱电及模拟与数字之分,必然遇到相互干扰和耦合的问题;系统的复杂性带来的可靠性问题;产品的小型化增加的状态监测与维修困难;多功能化造成诊断技术的多样性等。因此就要考虑产品整个寿命周期的总体综合技术。

  为了开发出具有较强竞争力的机电一体化产品,系统总体设计除考虑优化设计外,还包括可靠性设计、标准化设计、系列化设计以及造型设计等。

  机电一体化技术有着自身的显著特点和技术范畴,为了正确理解和恰当运用机电一体化技术,我们还必须认识机电一体化技术与其他技术之间的区别。

  (1)机电一体化技术与传统机电技术的区别。传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理为基础的各种电器来实现,如继电器、接触器等,在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明,整个装置是刚性的,不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心,在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响,整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。

  (2)机电一体化技术与并行技术的区别。机电一体化技术将机械技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和检测技术在设计和制造阶段就有机结合在一起,十分注意机械和其他部件之间的相互作用。并行技术是将上述各种技术尽量在各自范围内齐头并进,只在不同技术内部进行设计制造,最后通过简单叠加完成整体装置。

  (3)机电一体化技术与自动控制技术的区别。自动控制技术的侧重点是讨论控制原理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。机电一体化技术是将自动控制原理及方法作为重要支撑技术,将自控部件作为重要控制部件。它应用自控原理和方法,对机电一体化装置进行系统分析和性能测算。

  (4)机电一体化技术与计算机应用技术的区别。机电一体化技术只是将计算机作为核心部件应用,目的是提高和改善系统性能。计算机在机电一体化系统中的应用仅仅是计算机应用技术中一部分,它还可以作为办公、管理及图像处理等广泛应用。机电一体化技术研究的是机电一体化系统,而不是计算机应用本身。

机电一体化技术的主要特征[4]

  (1)整体结构最优化

  在传统的机械产品中,为了增加一种功能,或实现某一种控制规律,往往用增加机械机构的办法来实现。例如,为了达到变速的目的,出现了由一系列齿轮组成的变速箱;为了控制机床的走刀轨迹,出现了各种形状的靠模;为了控制柴油发动机的喷油规律,出现了凸轮机构等。随着电子技术的发展,人们逐渐发现,过去笨重的齿轮变速箱可以用轻便的变频调速电子装置来代替;准确的运动规律可以通过计算机的软件来调节。由此看来,可以从机械、电子、硬件、软件等四个方面来实现同一种功能。

  这里所指的“最优”不一定是尖端技术,而是指满足用户的要求。它可以是以高效、节能、节材、安全、可靠、精确、灵活、价廉等许多指标中用户最关心的一个或几个指标为主进行衡量的结果。机电一体化技术的实质是从系统的观点出发,应用机械技术和电子技术进行有机的组合、渗透和综合,以实现系统的最优化。

  (2)系统控制智能化

  系统控制智能化是机电一体化技术与传统的工业自动化最主要的区别之一。电子技术的引入显著地改变了传统机械那种单纯靠操作人员按照规定的工艺顺序或节拍、频繁、紧张、单调、重复的工作状况。可以靠电子控制系统,按照预定的程序一步一步地协调各相关机构的动作及功能关系。目前大多数机电一体化系统都具有自动控制、自动检测、自动信息处理、自动修正、自动诊断、自动记录、自动显示等功能。在正常情况下,整个系统按照人的意图(通过给定指令)进行自动控制,一旦出现故障,就自动采取应急措施,实现自动保护。在某些情况下,单靠人的操纵是难以应付的,特别是在危险、有害、高速、精确的使用条件下,应用机电一体化技术不但是有利的,而且是必要的。

  (3)操作性能柔性化

  计算机软件技术的引入,能使机电一体化系统的各个传动机构的动作通过预先给定的程序,一步一步地由电子系统来协调。在生产对象变更需要改变传动机构的动作规律时,无须改变其硬件机构,只要调整由一系列指令组成的软件,就可以达到预期的目的。这种软件可以由软件工程人员根据控制要求事先编好,使用磁盘或数据通信方式,装入机电一体化系统里的存储器中,进而对系统机构动作实施控制和协调。

机电一体化技术的发展[5]

  一、机电一体化技术发展的三个阶段

  机电一体化技术的发展大体上可分为三个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段,这一阶段称为初期阶段。特别是在二次世界大战期间,战争刺激了机械产品与电子技术的结合,这些机电结合的军用技术,战后转为民用,对战后经济的恢复起到了积极的作用。20世纪70~80年代为第二阶段,可称为蓬勃发展阶段。这一时期,计算机技术、控制技术、通信技术的发展,为机电一体化技术的发展奠定了技术基础。20世纪90年代后期,开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段。由于人工智能技术、神经网络技术及光纤通信技术等领域取得的巨大进步,为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。

  二、机电一体化向光机电一体化发展

  随着科学技术的迅猛发展,特别是光电子技术的蓬勃发展,使机电一体化逐渐向光机电一体化方向发展。

  光电子技术是在20世纪60年代激光技术问世之后,将传统光学技术与现代激光技术、光电转换技术、微电子技术、信息处理技术、计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术,是获取光信息或者借助光来提取其他信息的重要手段。众所周知,21世纪是信息爆炸的世纪,随着高容量和高速度的信息发展,电子学和微电子学遇到其局限性。由于光子的速度比电子速度快得多,光的频率比无线电的频率高得多,使光予比电子具有更高的性能:超大容量(如一根比头发丝还细的光纤用一束激光,理论上可同时传递近100亿路电话和1000万路电视节目,一张光盘可以存储6亿多个汉字)、超高速度、高保密性(激光在光纤中传播几乎不漏光,无信息扩散)、抗干扰性强、更高精度、更高分辨率、信息的可视性、应用领域广等,为提高传输速度和载波密度,信息的载体由电子过渡到光子是发展的必然趋势,它会使信息技术的发展产生突破。目前,信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由光子和电子共同参与来完成。此外,由于激光具有高相干性、高单色性、高方向性和高亮度的特点,能够在万亿分之一秒积聚数百万亿千瓦的功率,温度高达数千万摄氏度。这使它成为一种非常有效的加工方法而被广泛应用于手术、切割、焊接、清洗、打孔、刻槽、标记、三维雕刻、光化学沉积、快速成形、金属塑性成形等。

  由于光电子技术的蓬勃发展和无与伦比的优点,以及光电子技术向机电一体化技术的不断融合,使机电一体化的内涵和外延得到不断地丰富和拓展。国内外许多专家学者已将机电一体化更名为光机电一体化,并且将光机电一体化技术誉为21世纪最具魅力的朝阳产业

  三、机电一体化技术的发展方向

  机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉融合,它的发展和进步有赖于相关技术的发展和进步,其主要发展方向有数字化、智能化、模块化、网络化、微型化、集成化、人格化和绿色化。

  (一)数字化

  微处理器和微控制器的发展奠定了单机数字化的基础,如不断发展的数控机床和机器人;而计算机网络的迅速崛起,为数字化制造铺平了道路,如计算机集成制造。数字化要求机电一体化产品的软件具有高可靠性、可维护性以及自诊断能力,其人机界面对用户更加友好,更易于使用,并且用户能根据需要参与改进。数字化的实现将便于远程操作、诊断和修复。

  (二)智能化

  智能化是21世纪机电一体化技术发展的主要方向。赋予机电一体化产品一定的智能,使它模拟人类智能,具有人的判断推理、逻辑思维、自主决策等能力,以求得到更高的控制目标。随着人工智能技术、神经网络技术及光纤通信技术等领域取得的巨大进步,大量智能化的机电一体化产品不断涌现。现在,“模糊控制”技术已经相当普遍,甚至还出现了“混沌控制”的产品。

  (三)模块化

  由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多,研制和开发具有标准机械接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂和有前途的事情。利用标准单元迅速开发出新的产品,缩短开发周期,扩大生产规模,将给企业带来巨大的经济效益和美好的发展前景。

  机电一体化水平的提高,使纺织机械的分部传动得以实现,这也使模块化设计成为可能。不仅机械部分,就是电气控制部分也采用模块化的设计思想,各功能单元都采用插槽式的结构,不同功能模块的组合,就能满足千变万化的用户需求。模块化的产品设计,是今后技术发展的必然趋势。

  (四)网络化

  20世纪90年代,计算机技术的突出成就就是网络技术。各种网络将全球经济、生产连成一片,企业间的竞争全球化。由于网络的普及和进步,基于网络的各种远程控制和状态监视技术方兴未艾,而远程控制的终端设备就是机电一体化产品。随着网络技术的发展和广泛运用,一些制造企业正向着更高的管理信息系统层次ERP(Enterprise Resource Planning,企业资源计划)迈进。

  (五)微型化

  微型化指的是机电一体化向微型化和微观领域发展的趋势。微型化是精密加工技术发展的必然,也是提高效率的需要。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术,微机电一体化产品的加工采用精细加工技术,即超精密技术,它包括光刻技术和蚀刻技术两类。

  (六)集成化

  集成化既包含各种技术的相互渗透、相互融合,又包含在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化与高效率,应使系统具有更广泛的柔性。如特吕茨勒新型梳棉机就集成了一体化并条机IDF,可节省机台、简化工序、增加柔性、提高效率。

  (七)人格化

  机电一体化产品的最终使用对象是人,如何在机电一体化产品里赋予人的智能、情感和人性显得越来越重要,特别是以人为本的思想已深入人心的今天,机电一体化产品除了完善的性能外,还要求在色彩、造型等方面都与环境相协调,柔和一体,小巧玲珑,使用这些产品,对人来说还是一种艺术享受,如家用机器人的最高境界就是人机一体化。

  (八)绿色化

  机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境。21世纪的主题词是“环境保护”,绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的过程中,要符合特定的环境保护和人类健康的要求,对生态环境无害或危害极小,资源利用率最高。

机电一体化技术的应用[6]

  一、可编程控制器的一般原理及组成

  (一)概述

  可编程控制器的起源可以追溯到20世纪60年代。美国通用汽车(GM)公司为了适应汽车型号不断更新的需要,提出希望有这样一种控制设备:

  (1)它的继电控制系统设计周期短,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,用在GM公司生产线上获得成功。其后日本、德国等相继引入,可编程控制器迅速发展起来。但这一时期它主要用于顺序控制,虽然也采用了计算机的设计思想,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PLC(Progra mmable Logic Controller)。

  进入20世纪80年代,随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展,才使得可编程控制器有突飞猛进的发展。其功能已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围,故称可编程控制器简称PC(Progra tamable Controller)。但由于PC容易和个人计算机(Personal Computer)混淆,故人们仍习惯地用PLC作为可编程控制器的缩写。

  目前PLC功能日益增强,可进行模拟量控制、位置控制。特别是远程通信功能的实现,易于实现柔性加工和制造系统(FMS),使得PLC如虎添翼。无怪乎有人将PLC称为现代工业控制的三大支柱(即:PLC、机器人和CAD/CAM)之一。

  目前PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域,为工业自动化提供了有力的工具,加速了极点一体化的实现。

  二、PLC的基本结构及工作原理

  (一)PLC的基本结构

  PLC生产厂家很多,产品结构也各不相同,但其基本组成部分大致相同。PLC采用了典型的计算机结构,主要包括CPU、RAMROM和输入、输出接口电路等。其内部采用总线结构,进行数据和指令的传输。如果把PLC看作一个系统,该系统由输入变量一PLC一输出变量组成,外部的各种开信号、模拟信号、传感器检测的各种信号据均作为PLC的输入变量,它们经PLC外部输入到内部寄存器中,经PLC内部逻辑运算或其他各种运算、处理后送到输出端子,它们是PLC的输出变量。由这些输出变量对外围设备进行各种控制。这里可以将PLC看作一个中间处理器或变换器,以将输入变量变换为输出变量。

  下面具体介绍各部分作用。

  1.CPU

  CPU是中央处理器(Centre Processing Unit)的英文缩写。它作为整个PLC的核心,起着总指挥的作用,它主要完成以下功能:

  (1)将输入信号送入PLC中存储起来。

  (2)按存放的先后顺序取出用户指令,进行编译。

  (3)完成用户指令规定的各种操作。

  (4)将结果送到输出端。

  (5)响应各种外围设备(如编程器、打印机等)的请求。

  目前PLC中所用的CPU多为单片机,在高档机中现已采用16位甚至32位CPU,功能极强。

  2.存储器

  PLC内部存储器有两类:一类是RAM(即随机存取存储器),可以随时由CPU对它进行读出、写入;另一类是ROM(即只读存储器),CPU只能从中读取而不能写入。RAM主要用来存放各种暂存的数据、中间结果及用户正在调试的程序,ROM主要存放监控程序及用户已经调试好的程序,这些程序都事先烧在ROM芯片中,开机后便可运行其中程序。

  3.输入、输出接口电路

  它起着PLC和外围设备之间传递信息作用。为了保证PLC可靠工作,设计者在PLC的接口电路上采取了不少措施。这些接口电路有以下特点:

  (1)输入采用光电耦合电路,可大大减少电磁干扰

  (2)输出也采用光电隔离并有三种方式,即继电器、晶体管和晶闸管。这使得PLC可以适合各种用户的不同要求。如低速、大功率负载一般采用继电器输出;高速大功率则采用晶闸管输出;高速小功率可以用晶体管输出等等。而且有些输出电路做成模块式,可插拔,更换起来十分方便。

  除了上面介绍的几个主要部分外,PLC上还配有和各种外围设备的接口,均采用插座引出到外壳上,可配接编程器、打印机、录音机以及A/D、D/A、串行通信模块,可以十分方便地用电缆进行连接。

  (二)PLC的工作原理

  PLC虽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扫描方式,有键按下或I/O动作,则转入相应的子程序,无键按下,则继续扫描。PLC则采用循环扫描工作方式。在PLC中,用户程序按先后顺序存放。

  PLC从第一条指令开始执行程序,直至遇到结束符后又返回第一条。如此周而复始不断循环。每一个循环称为一个扫描周期。若输入变量在扫描刷新周期发生变化,则本次扫描周期中输出变量相对应的输入产生了响应。反之,若输入变量刷新之后,输入变量才发生变化,则本次周期的输出不变,即不响应,而要到下一次扫描期问输出才会产生响应。由于PLC采用循环扫描的工作方式,所以它的输出对于输入的响应速度要受到扫描周期的影响。扫描周期的长短主要取决于这几个因素:一是CPU执行指令的速度;二是每条指令占用的时间;三是指令条数的多少,即程序长短。

  对于慢速控制系统,响应速度常常不是主要的,故这种工作方式不但没有坏处反而可以增强系统抗干扰能力。因为干扰常是脉冲式的,短时的,而由于系统响应较慢,常常要几个扫描周期才响应一次,而多次扫描后,瞬间干扰所引起的误动作将会大大减少,故增强了抗干扰能力。

  但对于时间要求交严格、响应速度要求较快的系统,这一问题就须慎重考虑。应对响应时间作出精确的计算,精心编排程序,合理安排指令的顺序,以尽量减少扫描周期造成的响应延时等不良影响。

  总之,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。

  (三)PLC的特点

  PLC的特点可以大致归纳如下:

  (1)抗干扰能力强和可靠性高。PLC的设计者采取了各种措施来提高可靠性,主要有这样几个方面:

  ①输入、输出均采用光电隔离,提高了抗干扰能力。

  ②主机的输入电源和输出电源均可相互独立,减少了电源间干扰。

  ③采用循环扫描工作方式。提高抗干扰能力。

  ④内部采用“监视器”电路,以保证CPU可靠地工作。

  ⑤采用密封防尘抗振的外壳封装及内部结构,可适应恶劣环境。

  由于采取了这些措施,使得PLC有很强的抗干扰能力,实验证明一般可抗1 kV、1μs的窄脉冲干扰。其平均无故障时间(MTBF)一般可达5~10万h。

  (2)采用模块化组合式结构,使系统构成十分灵活,可根据需要任意组合,易于维修,易于实现分散式控制。

  (3)编程语言简单易学,便于普及。PLC采用面向控制过程的编程语言,简单、直观,易学易记,没有微机基础的人也很容易学会,故适于在工矿企业中推广。

  (4)可进行在线修改,柔性好。

  (四)PLC的应用场合

  PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、水泥石油化工电力、机械制造、汽车装卸、造纸、纺织环保娱乐等各行各业。它的应用大致可分为以下几种类型:

  (1)采用开光逻辑控制。这是PLC最基本的应用范围。可用PLC取代传统继电控制,如机床电气、电机控制中心等,也可取代顺序控制,如高炉上料、电梯控制、货物存取、运输、检测等。总之,PLC可用于单机、多机群以及生产线的自动化控制。

  (2)用于机械加工的数字控制。PLC和计算机数控(NCN)装置组合成一体,可以实现数值控制,组成数控机床。

  (3)用于机器人控制,可用一台PLC实现3~6轴的机器人控制。

  (4)用于闭环过程控制。现代大型PLC都配有PID字程序或PID模块,可实现单回路、多回路的调节控制。

  (5)用于组成多极控制系统,实现工厂自动化网络。

  (6)目前在我国铁路客车的自动控制和行车安全检测等得到广泛应用,是我国铁路客车装备和技术的发展方向。

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参考文献

  1. 章回华,苏东主编.第一章 MPS自动生产线实训设备概述 典型生产线原理、安装与调试.北京理工大学出版社,2009.04.
  2. 2.0 2.1 刘龙江主编.第一章 机电一体化概述 机电一体化技术.北京理工大学出版社,2009.02.
  3. 马崇启主编.第一章 机电一体化基础知识 纺织机电一体化.中国纺织出版社,2010.05.
  4. 禹春梅主编.项目一 认识机电一体化技术 机电一体化技术应用.科学出版社,2010.09.
  5. 穆征主编.第一章 纺织设备机电一体化技术概述 纺织设备机电一体化技术.中国纺织出版社,2008.9.
  6. 铁路职工岗位培训教材编审委员会编.第四章 新型(准高速)客车技术 车辆钳工.中国铁道出版社,2011.01.
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