機電一體化技術

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機電一體化技術(electromechanical integration technology)

目錄

什麼是機電一體化技術[1]

  機電一體化技術是以大規模集成電路和微電子技術高度發展並向傳統機械工業領域迅速滲透,機械、電子技術高度結合的現代工業為基礎,將機械技術、電力電子技術、微電子技術信息技術、感測測試技術、介面技術等有機地結合併綜合應用的技術

機電一體化技術的理論基礎[2]

  系統論資訊理論控制論無疑是機電一體化技術的理論基礎,是機電一體化技術的方法論。

  開展機電一體化技術研究時,無論在工程的構思、規劃、設計方面,還是在它的實施或實現方面,都不能只著眼於機械或電子,不能只看到感測器或電腦,而是要用系統的觀點,合理解決信息流與控制機制問題,有效地綜合各有關技術,才能形成所需要的系統產品

  給定機電一體化系統目的與規格後,機電一體化技術人員利用機電一體化技術進行設計、製造的整個過程稱為機電一體化工程。實施機電一體化工程的結果,是新型的機電一體化產品。圖1給出了機電一體化工程的構成因素。
Image:机电一体化工程构成因素.jpg

  系統工程系統科學的一個工作領域,而系統科學本身是一門關於“針對目的要求而進行合理的方法學處理”的邊緣學科。系統工程的概念不僅包括“系統”,即具有特定功能的、相互之間具有有機聯繫的眾多要素所構成的一個整體,也包括“工程”,即產生一定效能的方法。機電一體化技術是系統工程科學在機械電子工程中的具體應用。具體地講,就是以機械電子系統或產品為對象,以數學方法和電腦等為工具,對系統的構成要素、組織結構、信息交換和反饋控制等功能進行分析、設計、製造和服務,從而達到最優設計、最優控制和最優管理的目標,以便充分發揮人力、物力和財力,通過各種組織管理技術,使局部與整體之間協調配合,實現系統的綜合最優化。

  機電一體化系統是一個包括物質流、能量流和信息流的系統,而有效地利用各種信號所攜帶的豐富信息資源,則有賴於信號處理和信號識別技術。考察所有機電一體化產品,就會看到準確的信息獲取、處理、利用在系統中所起的實質性作用。

  將工程式控制制論應用於機械工程技術而派生的機械控制工程,為機械技術引入了嶄新的理論、思想和語言,把機械設計技術由原來靜態的、孤立的傳統設計思想引向動態的、系統的設計環境,使科學的辯證法在機械技術中得以體現,為機械設計技術提供了豐富的現代設計方法。

機電一體化技術的分類[3]

  隨著科學技術的發展,機電一體化產品的概念不再局限在某一具體產品的範圍,已擴大到控制系統和被控制系統相結合的產品製造和過程式控制制的大系統。目前,世界上普遍認為機電一體化有兩大分支,即生產過程的機電一體化和機電產品的機電一體化。

  生產過程的機電一體化意味著整個工業體系的機電一體化,如機械製造過程的機電一體化、冶金生產的機電一體化、化工生產的機電一體化、紡織工業的機電一體化等。生產過程的機電一體化根據生產過程的特點(如生產設備和生產工藝是否連續)又可劃分為離散製造過程的機電一體化和連續生產過程的機電一體化。前者以機械製造業為代表,後者以化工生產流程為代表。生產過程的機電一體化包含產品設計加工、裝配、檢驗的自動化,生產過程自動化,經營管理自動化等,其中包含多個自動化生產線,其高級形式是電腦集成製造系統(Computer Inte—grated Manufacturing System,CIMS)。其具體包括電腦輔助設計(Computer Aided DesignCAD)、電腦輔助製造(Computer Aided ManufacturingCAM)、電腦輔助工藝過程設計(Com.puter Aided Process Planning,CAPP)、CAD/CAM集成系統、柔性製造系統(Flexible ManufacturingSystem,FMS)及電腦集成製造系統。

  機電產品的機電一體化是機電一體化的核心,是生產過程機電一體化的物質基礎。典型的機電一體化產品體現了機電的深度有機結合。近年來新開發的機電一體化產品大多都採用了全新的工作原理,集中了各種高新技術,並把多種功能集成在一起,在市場上具有極強的競爭能力。由於在機電一體化產品中往往要引入儀器儀錶技術,所以也有人稱為機、電、儀一體化產品。由於液壓傳動具有功率大、結構緊湊、能大範圍無級調速、快速性好、便於自動控制等優點,並且獲得了廣泛的應用,因此又有機、電、液一體化產品之說。由於用光傳遞信息無污染,抗干擾能力強,在很多新型機電產品中特別是儀器儀錶中的應用越來越廣泛,這類產品又稱為機、電、光一體化產品。

機電一體化的關鍵技術[2]

  發展機電一體化技術所面臨的共性關鍵技術包括精密機械技術、感測檢測技術、伺服驅動技術、電腦與信息處理技術自動控制技術、介面技術和系統總體技術等。現代的機電一體化產品甚至還包含了光、聲、化學、生物等技術的應用。

  1.機械技術

  機械技術是機電一體化的基礎。隨著高新技術引入機械行業,機械技術面臨著挑戰和變革。在機電一體化產品中,它不再是單一地完成系統間的連接,而是要優化設計系統結構、質量、體積、剛性和壽命等參數對機電一體化系統的綜合影響。機械技術的著眼點在於如何與機電一體化的技術相適應,利用其他高、新技術來更新概念,實現結構上、材料上、性能上以及功能上的變更,滿足減少質量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善性能和增加功能的要求。尤其那些關鍵零部件,如導軌、滾珠絲杠、軸承、傳動部件等的材料、精度對機電一體化產品的性能、控制精度影響很大。

  在製造過程的機電一體化系統,經典的機械理論與工藝應藉助於電腦輔助技術,同時採用人工智慧專家系統等,形成新一代的機械製造技術。這裡原有的機械技術以知識技能的形式存在。如電腦輔助工藝規程編製(CAPP)是目前CAD/CAM系統研究的瓶頸,其關鍵問題在於如何將各行業、企業、技術人員中的標準、習慣和經驗進行表達和陳述,從而實現電腦的自動工藝設計與管理。

  2.感測與檢測技術

  感測與檢測裝置是系統的感受器官,它與信息系統的輸入端相連並將檢測到的信息輸送到信息處理部分。感測與檢測是實現自動控制、自動調節的關鍵環節,它的功能越強,系統的自動化程度就越高。感測與檢測的關鍵元件是感測器。

  機電一體化系統或產品的柔性化、功能化和智能化都與感測器的品種多少、性能好壞密切相關。感測器的發展正進入集成化、智能化階段。感測器技術本身是一門多學科、知識密集的應用技術。感測原理、感測材料及加工製造裝配技術是感測器開發的三個重要方面。

  感測器是將被測量(包括各種物理量、化學量和生物量等)變換成系統可識別的、與被測量有確定對應關係的有用電信號的一種裝置。現代工程技術要求感測器能快速、精確地獲取信息,並能經受各種嚴酷環境的考驗。與電腦技術相比,感測器的發展顯得緩慢,難以滿足技術發展的要求。不少機電一體化裝置不能達到滿意的效果或無法實現設計的關鍵原因在於沒有合適的感測器。因此大力開展感測器的研究,對於機電一體化技術的發展具有十分重要的意義。

  3.伺服驅動技術

  伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置或部件,對系統的動態性能、控制質量和功能具有決定性的影響。伺服驅動技術主要是指機電一體化產品中的執行元件和驅動裝置設計中的技術問題,它涉及設備執行操作的技術,對所加工產品的質量具有直接的影響。機電一體化產品中的伺服驅動執行元件包括電動、氣動、液壓等各種類型,其中電動式執行元件居多。驅動裝置主要是各種電動機的驅動電源電路,目前多由電力電子器件及集成化的功能電路構成。在機電一體化系統中,通常微型電腦通過介面電路與驅動裝置相連接,控制執行元件的運動,執行元件通過機械介面與機械傳動和執行機構相連,帶動工作機械作迴轉、直線以及其他各種複雜的運動。常見的伺服驅動有電液馬達、脈衝油缸、步進電機、直流伺服電機和交流伺服電機等。由於變頻技術的發展,交流伺服驅動技術取得突破性進展,為機電一體化系統提供了高質量的伺服驅動單元,極大地促進了機電一體化技術的發展。

  4.信息處理技術

  信息處理技術包括信息的交換、存取、運算、判斷和決策,實現信息處理的工具大都採用電腦,因此電腦技術與信息處理技術是密切相關的。電腦技術包括電腦的軟體技術和硬體技術、網路與通信技術、數據技術等。機電一體化系統中主要採用工業控制電腦(包括單片機、可編程式控制器等)進行信息處理。人工智慧技術、專家系統技術、神經網路技術等都屬於電腦信息處理技術。

  在機電一體化系統中,電腦信息處理部分指揮整個系統的運行。信息處理是否正確、及時,直接影響到系統工作的質量和效率。因此,電腦應用及信息處理技術已成為促進機電一體化技術發展和變革的最活躍的因素。

  5.自動控制技術

  自動控制技術範圍很廣,機電一體化的系統設計是在基本控制理論指導下,對具體控制裝置或控制系統進行設計;對設計後的系統進行模擬,現場調試;最後使研製的系統可靠地投入運行。由於控制對象種類繁多,所以控制技術的內容極其豐富,例如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、再現、檢索等。

  隨著微型機的廣泛應用,自動控制技術越來越多地與電腦控制技術聯繫在一起,成為機電一體化中十分重要的關鍵技術。

  6.介面技術

  機電一體化系統是機械、電子、信息等性能各異的技術融為一體的綜合系統,其構成要素和子系統之間的介面極其重要,主要有電氣介面、機械介面、人機介面等。電氣介面實現系統間信號聯繫;機械介面則完成機械與機械部件、機械與電氣裝置的連接;人機介面提供人與系統間的交互界面。介面技術是機電一體化系統設計的關鍵環節。

  7.系統總體技術

  系統總體技術是一種從整體目標出發,用系統的觀點和全局角度,將總體分解成相互有機聯繫的若幹單元,找出能完成各個功能的技術方案,再把功能和技術方案組成方案組進行分析、評價和優選的綜合應用技術。系統總體技術解決的是系統的性能優化問題和組成要素之間的有機聯繫問題,即使各個組成要素的性能和可靠性很好,如果整個系統不能很好協調,系統也很難保證正常運行。

  在機電一體化產品中,機械、電氣和電子是性能、規律截然不同的物理模型,因而存在匹配上的困難;電氣、電子又有強電與弱電及模擬與數字之分,必然遇到相互干擾和耦合的問題;系統的複雜性帶來的可靠性問題;產品的小型化增加的狀態監測與維修困難;多功能化造成診斷技術的多樣性等。因此就要考慮產品整個壽命周期的總體綜合技術。

  為了開發出具有較強競爭力的機電一體化產品,系統總體設計除考慮優化設計外,還包括可靠性設計、標準化設計、系列化設計以及造型設計等。

  機電一體化技術有著自身的顯著特點和技術範疇,為了正確理解和恰當運用機電一體化技術,我們還必須認識機電一體化技術與其他技術之間的區別。

  (1)機電一體化技術與傳統機電技術的區別。傳統機電技術的操作控制主要以電磁學原理為基礎的各種電器來實現,如繼電器、接觸器等,在設計中不考慮或很少考慮彼此間的內在聯繫。機械本體和電氣驅動界限分明,整個裝置是剛性的,不涉及軟體和電腦控制。機電一體化技術以電腦為控制中心,在設計過程中強調機械部件和電器部件間的相互作用和影響,整個裝置在電腦控制下具有一定的智能性。

  (2)機電一體化技術與並行技術的區別。機電一體化技術將機械技術、微電子技術、電腦技術、控制技術和檢測技術在設計和製造階段就有機結合在一起,十分註意機械和其他部件之間的相互作用。並行技術是將上述各種技術儘量在各自範圍內齊頭併進,只在不同技術內部進行設計製造,最後通過簡單疊加完成整體裝置。

  (3)機電一體化技術與自動控制技術的區別。自動控制技術的側重點是討論控制原理、控制規律、分析方法和自動系統的構造等。機電一體化技術是將自動控制原理及方法作為重要支撐技術,將自控部件作為重要控制部件。它應用自控原理和方法,對機電一體化裝置進行系統分析和性能測算。

  (4)機電一體化技術與電腦應用技術的區別。機電一體化技術只是將電腦作為核心部件應用,目的是提高和改善系統性能。電腦在機電一體化系統中的應用僅僅是電腦應用技術中一部分,它還可以作為辦公、管理及圖像處理等廣泛應用。機電一體化技術研究的是機電一體化系統,而不是電腦應用本身。

機電一體化技術的主要特征[4]

  (1)整體結構最優化

  在傳統的機械產品中,為了增加一種功能,或實現某一種控制規律,往往用增加機械機構的辦法來實現。例如,為了達到變速的目的,出現了由一系列齒輪組成的變速箱;為了控制機床的走刀軌跡,出現了各種形狀的靠模;為了控制柴油發動機的噴油規律,出現了凸輪機構等。隨著電子技術的發展,人們逐漸發現,過去笨重的齒輪變速箱可以用輕便的變頻調速電子裝置來代替;準確的運動規律可以通過電腦的軟體來調節。由此看來,可以從機械、電子、硬體、軟體等四個方面來實現同一種功能。

  這裡所指的“最優”不一定是尖端技術,而是指滿足用戶的要求。它可以是以高效、節能、節材、安全、可靠、精確、靈活、價廉等許多指標中用戶最關心的一個或幾個指標為主進行衡量的結果。機電一體化技術的實質是從系統的觀點出發,應用機械技術和電子技術進行有機的組合、滲透和綜合,以實現系統的最優化。

  (2)系統控制智能化

  系統控制智能化是機電一體化技術與傳統的工業自動化最主要的區別之一。電子技術的引入顯著地改變了傳統機械那種單純靠操作人員按照規定的工藝順序或節拍、頻繁、緊張、單調、重覆的工作狀況。可以靠電子控制系統,按照預定的程式一步一步地協調各相關機構的動作及功能關係。目前大多數機電一體化系統都具有自動控制、自動檢測、自動信息處理、自動修正、自動診斷、自動記錄、自動顯示等功能。在正常情況下,整個系統按照人的意圖(通過給定指令)進行自動控制,一旦出現故障,就自動採取應急措施,實現自動保護。在某些情況下,單靠人的操縱是難以應付的,特別是在危險、有害、高速、精確的使用條件下,應用機電一體化技術不但是有利的,而且是必要的。

  (3)操作性能柔性化

  電腦軟體技術的引入,能使機電一體化系統的各個傳動機構的動作通過預先給定的程式,一步一步地由電子系統來協調。在生產對象變更需要改變傳動機構的動作規律時,無須改變其硬體機構,只要調整由一系列指令組成的軟體,就可以達到預期的目的。這種軟體可以由軟體工程人員根據控制要求事先編好,使用磁碟或數據通信方式,裝入機電一體化系統里的存儲器中,進而對系統機構動作實施控制和協調。

機電一體化技術的發展[5]

  一、機電一體化技術發展的三個階段

  機電一體化技術的發展大體上可分為三個階段。20世紀60年代以前為第一階段,這一階段稱為初期階段。特別是在二次世界大戰期間,戰爭刺激了機械產品與電子技術的結合,這些機電結合的軍用技術,戰後轉為民用,對戰後經濟的恢復起到了積極的作用。20世紀70~80年代為第二階段,可稱為蓬勃發展階段。這一時期,電腦技術、控制技術、通信技術的發展,為機電一體化技術的發展奠定了技術基礎。20世紀90年代後期,開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段。由於人工智慧技術、神經網路技術及光纖通信技術等領域取得的巨大進步,為機電一體化技術開闢了發展的廣闊天地。

  二、機電一體化向光機電一體化發展

  隨著科學技術的迅猛發展,特別是光電子技術的蓬勃發展,使機電一體化逐漸向光機電一體化方向發展。

  光電子技術是在20世紀60年代激光技術問世之後,將傳統光學技術與現代激光技術、光電轉換技術、微電子技術、信息處理技術、電腦技術緊密結合在一起的一門高新技術,是獲取光信息或者藉助光來提取其他信息的重要手段。眾所周知,21世紀是信息爆炸的世紀,隨著高容量和高速度的信息發展,電子學和微電子學遇到其局限性。由於光子的速度比電子速度快得多,光的頻率比無線電的頻率高得多,使光予比電子具有更高的性能:超大容量(如一根比頭髮絲還細的光纖用一束激光,理論上可同時傳遞近100億路電話和1000萬路電視節目,一張光碟可以存儲6億多個漢字)、超高速度、高保密性(激光在光纖中傳播幾乎不漏光,無信息擴散)、抗干擾性強、更高精度、更高解析度、信息的可視性、應用領域廣等,為提高傳輸速度和載波密度,信息的載體由電子過渡到光子是發展的必然趨勢,它會使信息技術的發展產生突破。目前,信息的探測、傳輸、存儲、顯示、運算和處理已由光子和電子共同參與來完成。此外,由於激光具有高相干性、高單色性、高方向性和高亮度的特點,能夠在萬億分之一秒積聚數百萬億千瓦的功率,溫度高達數千萬攝氏度。這使它成為一種非常有效的加工方法而被廣泛應用於手術、切割、焊接、清洗、打孔、刻槽、標記、三維雕刻、光化學沉積、快速成形、金屬塑性成形等。

  由於光電子技術的蓬勃發展和無與倫比的優點,以及光電子技術向機電一體化技術的不斷融合,使機電一體化的內涵和外延得到不斷地豐富和拓展。國內外許多專家學者已將機電一體化更名為光機電一體化,並且將光機電一體化技術譽為21世紀最具魅力的朝陽產業

  三、機電一體化技術的發展方向

  機電一體化是集機械、電子、光學、控制、電腦、信息等多學科的交叉融合,它的發展和進步有賴於相關技術的發展和進步,其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網路化、微型化、集成化、人格化和綠色化。

  (一)數字化

  微處理器和微控制器的發展奠定了單機數字化的基礎,如不斷發展的數控機床和機器人;而電腦網路的迅速崛起,為數字化製造鋪平了道路,如電腦集成製造。數字化要求機電一體化產品的軟體具有高可靠性、可維護性以及自診斷能力,其人機界面對用戶更加友好,更易於使用,並且用戶能根據需要參與改進。數字化的實現將便於遠程操作、診斷和修複。

  (二)智能化

  智能化是21世紀機電一體化技術發展的主要方向。賦予機電一體化產品一定的智能,使它模擬人類智能,具有人的判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。隨著人工智慧技術、神經網路技術及光纖通信技術等領域取得的巨大進步,大量智能化的機電一體化產品不斷涌現。現在,“模糊控制”技術已經相當普遍,甚至還出現了“混沌控制”的產品。

  (三)模塊化

  由於機電一體化產品種類和生產廠家繁多,研製和開發具有標準機械介面、動力介面、環境介面的機電一體化產品單元是一項十分複雜和有前途的事情。利用標準單元迅速開發出新的產品,縮短開發周期,擴大生產規模,將給企業帶來巨大的經濟效益和美好的發展前景。

  機電一體化水平的提高,使紡織機械的分部傳動得以實現,這也使模塊化設計成為可能。不僅機械部分,就是電氣控制部分也採用模塊化的設計思想,各功能單元都採用插槽式的結構,不同功能模塊的組合,就能滿足千變萬化的用戶需求。模塊化的產品設計,是今後技術發展的必然趨勢。

  (四)網路化

  20世紀90年代,電腦技術的突出成就就是網路技術。各種網路將全球經濟、生產連成一片,企業間的競爭全球化。由於網路的普及和進步,基於網路的各種遠程式控制制和狀態監視技術方興未艾,而遠程式控制制的終端設備就是機電一體化產品。隨著網路技術的發展和廣泛運用,一些製造企業正向著更高的管理信息系統層次ERP(Enterprise Resource Planning,企業資源計劃)邁進。

  (五)微型化

  微型化指的是機電一體化向微型化和微觀領域發展的趨勢。微型化是精密加工技術發展的必然,也是提高效率的需要。微機電一體化發展的瓶頸在於微機械技術,微機電一體化產品的加工採用精細加工技術,即超精密技術,它包括光刻技術和蝕刻技術兩類。

  (六)集成化

  集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合,又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率,應使系統具有更廣泛的柔性。如特呂茨勒新型梳棉機就集成了一體化並條機IDF,可節省機台、簡化工序、增加柔性、提高效率。

  (七)人格化

  機電一體化產品的最終使用對象是人,如何在機電一體化產品里賦予人的智能、情感和人性顯得越來越重要,特別是以人為本的思想已深入人心的今天,機電一體化產品除了完善的性能外,還要求在色彩、造型等方面都與環境相協調,柔和一體,小巧玲瓏,使用這些產品,對人來說還是一種藝術享受,如家用機器人的最高境界就是人機一體化。

  (八)綠色化

  機電一體化產品的綠色化主要是指使用時不污染生態環境。21世紀的主題詞是“環境保護”,綠色化是時代的趨勢。綠色產品在其設計、製造、使用和銷毀的過程中,要符合特定的環境保護和人類健康的要求,對生態環境無害或危害極小,資源利用率最高。

機電一體化技術的應用[6]

  一、可編程式控制制器的一般原理及組成

  (一)概述

  可編程式控制制器的起源可以追溯到20世紀60年代。美國通用汽車(GM)公司為了適應汽車型號不斷更新的需要,提出希望有這樣一種控制設備:

  (1)它的繼電控制系統設計周期短,接線簡單,成本低。

  (2)它能把電腦的許多功能和繼電控制系統結合起來,但編程又比電腦簡單易學、操作方便。

  (3)系統通用性強。

  1969年美國DEC公司研製出第一臺可編程式控制制器,用在GM公司生產線上獲得成功。其後日本、德國等相繼引入,可編程式控制制器迅速發展起來。但這一時期它主要用於順序控制,雖然也採用了電腦的設計思想,但實際上只能進行邏輯運算,故稱為可編程邏輯控制器,簡稱PLC(Progra mmable Logic Controller)。

  進入20世紀80年代,隨著微電子技術和電腦技術的迅猛發展,才使得可編程式控制制器有突飛猛進的發展。其功能已遠遠超出邏輯控制、順序控制的範圍,故稱可編程式控制制器簡稱PC(Progra tamable Controller)。但由於PC容易和個人電腦(Personal Computer)混淆,故人們仍習慣地用PLC作為可編程式控制制器的縮寫。

  目前PLC功能日益增強,可進行模擬量控制、位置控制。特別是遠程通信功能的實現,易於實現柔性加工和製造系統(FMS),使得PLC如虎添翼。無怪乎有人將PLC稱為現代工業控制的三大支柱(即:PLC、機器人和CAD/CAM)之一。

  目前PLC已廣泛應用於冶金、礦業、機械、輕工等領域,為工業自動化提供了有力的工具,加速了極點一體化的實現。

  二、PLC的基本結構及工作原理

  (一)PLC的基本結構

  PLC生產廠家很多,產品結構也各不相同,但其基本組成部分大致相同。PLC採用了典型的電腦結構,主要包括CPU、RAMROM和輸入、輸出介面電路等。其內部採用匯流排結構,進行數據和指令的傳輸。如果把PLC看作一個系統,該系統由輸入變數一PLC一輸出變數組成,外部的各種開信號、模擬信號、感測器檢測的各種信號據均作為PLC的輸入變數,它們經PLC外部輸入到內部寄存器中,經PLC內部邏輯運算或其他各種運算、處理後送到輸出端子,它們是PLC的輸出變數。由這些輸出變數對外圍設備進行各種控制。這裡可以將PLC看作一個中間處理器或變換器,以將輸入變數變換為輸出變數。

  下麵具體介紹各部分作用。

  1.CPU

  CPU是中央處理器(Centre Processing Unit)的英文縮寫。它作為整個PLC的核心,起著總指揮的作用,它主要完成以下功能:

  (1)將輸入信號送入PLC中存儲起來。

  (2)按存放的先後順序取出用戶指令,進行編譯。

  (3)完成用戶指令規定的各種操作。

  (4)將結果送到輸出端。

  (5)響應各種外圍設備(如編程器、印表機等)的請求。

  目前PLC中所用的CPU多為單片機,在高檔機中現已採用16位甚至32位CPU,功能極強。

  2.存儲器

  PLC內部存儲器有兩類:一類是RAM(即隨機存取存儲器),可以隨時由CPU對它進行讀出、寫入;另一類是ROM(即只讀存儲器),CPU只能從中讀取而不能寫入。RAM主要用來存放各種暫存的數據、中間結果及用戶正在調試的程式,ROM主要存放監控程式及用戶已經調試好的程式,這些程式都事先燒在ROM晶元中,開機後便可運行其中程式。

  3.輸入、輸出介面電路

  它起著PLC和外圍設備之間傳遞信息作用。為了保證PLC可靠工作,設計者在PLC的介面電路上採取了不少措施。這些介面電路有以下特點:

  (1)輸入採用光電耦合電路,可大大減少電磁干擾

  (2)輸出也採用光電隔離並有三種方式,即繼電器、晶體管和晶閘管。這使得PLC可以適合各種用戶的不同要求。如低速、大功率負載一般採用繼電器輸出;高速大功率則採用晶閘管輸出;高速小功率可以用晶體管輸出等等。而且有些輸出電路做成模塊式,可插拔,更換起來十分方便。

  除了上面介紹的幾個主要部分外,PLC上還配有和各種外圍設備的介面,均採用插座引出到外殼上,可配接編程器、印表機、錄音機以及A/D、D/A、串列通信模塊,可以十分方便地用電纜進行連接。

  (二)PLC的工作原理

  PLC雖具有微機的許多特點,但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般採用等待命令的工作方式,如常見的鍵盤掃描方式或I/O掃描方式,有鍵按下或I/O動作,則轉入相應的子程式,無鍵按下,則繼續掃描。PLC則採用迴圈掃描工作方式。在PLC中,用戶程式按先後順序存放。

  PLC從第一條指令開始執行程式,直至遇到結束符後又返回第一條。如此周而複始不斷迴圈。每一個迴圈稱為一個掃描周期。若輸入變數在掃描刷新周期發生變化,則本次掃描周期中輸出變數相對應的輸入產生了響應。反之,若輸入變數刷新之後,輸入變數才發生變化,則本次周期的輸出不變,即不響應,而要到下一次掃描期問輸出才會產生響應。由於PLC採用迴圈掃描的工作方式,所以它的輸出對於輸入的響應速度要受到掃描周期的影響。掃描周期的長短主要取決於這幾個因素:一是CPU執行指令的速度;二是每條指令占用的時間;三是指令條數的多少,即程式長短。

  對於慢速控制系統,響應速度常常不是主要的,故這種工作方式不但沒有壞處反而可以增強系統抗干擾能力。因為干擾常是脈衝式的,短時的,而由於系統響應較慢,常常要幾個掃描周期才響應一次,而多次掃描後,瞬間干擾所引起的誤動作將會大大減少,故增強了抗干擾能力。

  但對於時間要求交嚴格、響應速度要求較快的系統,這一問題就須慎重考慮。應對響應時間作出精確的計算,精心編排程式,合理安排指令的順序,以儘量減少掃描周期造成的響應延時等不良影響。

  總之,採用迴圈掃描的工作方式,是PLC區別於微機和其他控制設備的最大特點。

  (三)PLC的特點

  PLC的特點可以大致歸納如下:

  (1)抗干擾能力強和可靠性高。PLC的設計者採取了各種措施來提高可靠性,主要有這樣幾個方面:

  ①輸入、輸出均採用光電隔離,提高了抗干擾能力。

  ②主機的輸入電源和輸出電源均可相互獨立,減少了電源間干擾。

  ③採用迴圈掃描工作方式。提高抗干擾能力。

  ④內部採用“監視器”電路,以保證CPU可靠地工作。

  ⑤採用密封防塵抗振的外殼封裝及內部結構,可適應惡劣環境。

  由於採取了這些措施,使得PLC有很強的抗干擾能力,實驗證明一般可抗1 kV、1μs的窄脈衝干擾。其平均無故障時間(MTBF)一般可達5~10萬h。

  (2)採用模塊化組合式結構,使系統構成十分靈活,可根據需要任意組合,易於維修,易於實現分散式控制。

  (3)編程語言簡單易學,便於普及。PLC採用面向控制過程的編程語言,簡單、直觀,易學易記,沒有微機基礎的人也很容易學會,故適於在工礦企業中推廣。

  (4)可進行線上修改,柔性好。

  (四)PLC的應用場合

  PLC在國內外已廣泛應用於鋼鐵、採礦、水泥石油化工電力、機械製造、汽車裝卸、造紙、紡織環保娛樂等各行各業。它的應用大致可分為以下幾種類型:

  (1)採用開光邏輯控制。這是PLC最基本的應用範圍。可用PLC取代傳統繼電控制,如機床電氣、電機控制中心等,也可取代順序控制,如高爐上料、電梯控制、貨物存取、運輸、檢測等。總之,PLC可用於單機、多機群以及生產線的自動化控制。

  (2)用於機械加工的數字控制。PLC和電腦數控(NCN)裝置組合成一體,可以實現數值控制,組成數控機床。

  (3)用於機器人控制,可用一臺PLC實現3~6軸的機器人控制。

  (4)用於閉環過程式控制制。現代大型PLC都配有PID字程式或PID模塊,可實現單迴路、多迴路的調節控制。

  (5)用於組成多極控制系統,實現工廠自動化網路。

  (6)目前在我國鐵路客車的自動控制和行車安全檢測等得到廣泛應用,是我國鐵路客車裝備和技術的發展方向。

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參考文獻

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