机械控制系统

机械控制系统的组成及其作用

——周江琛2013301390008

摘要：意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

控制系统有几种分类方法

1、按控制原理的不同，自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统：在开环控制系统中，系统输出只受输入的控制，控制精度和抑制干扰的特性都比较差。在开环控制系统中，基于按时序进行逻辑控制的称为顺序控制系统；由顺序控制装置、检测元件、执行机构和被控工业对象所组成。主要应用于机械、化工、物料装卸运输等过程的控制以及机械手和生产自动线。闭环控制系统：闭环控制系统是建立在反馈原理基础之上的，利用输出量同期望值的偏差对系统进行控制，可获得比较好的控制性能。闭环控制系统又称反馈控制系统。

2、按给定信号分类，自动控制系统可分为恒值控制系统、随动控制系统和程序控制系统。恒值控制系统：给定值不变，要求系统输出量以一定的精度接近给定希望值的系统。如生产过程中的温度、压力、流量、液位高度、电动机转速等自动控制系统属于恒值系统。随动控制系统：给定值按未知时间函数变化，要求输出跟随给定值的变化。如跟随卫星的雷达天线系统。程序控制系统：给定值按一定时间函

数变化。如程控机床。

在介绍了控制系统的大致情况后我们再来看看他的发展历程：其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期

的继电器构成了控制系统的前身。以PLC和DCS为代表，从70年****始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年****始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等，将简要介绍各种常见的控制系统，并分析控制系统的演进过程和发展方向。

70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的

工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。

控制站：DCS系统中，控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（PI/O），

包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。关于DCS控制站的系统软件，包括实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而已。第二代DCS控制站开始有面向过程语言和高级语言；第三代DCS控制站的系统软件可以完成离线组态及在线修改控制策略。为了完成控制策略，对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法。DCS操作站：DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组织、系统维护、系统通用（Utility）功能，还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等。实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口等，使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机（PC）及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的。DDE或OPC接口技术，以太网接口与管理网络相连。DCS系统组态、操作组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。有的DCS的采用通用监控图形软件，或以此类软件为核心，进行二次开发。

控制系统[4]

数据通信及网络

因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质（信道）、通信协议、IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广，是否能够成为今后DCS的通讯标准，还有待观察。

PLC的诞生和发展：1968年，通用汽车公司的油压部门确立了第一个可编程控制器的标准，他们的目的是消除既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。到1969年，第一个PLC诞生。当时称为可编程控制器，英文是Programmable Controller，缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些输入/输出模

块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通讯模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其它的项目中去。尽管有PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获

得了很大的提高，但PLC一直保持了其最初设计的原则，那就是简

单至上的原则。今天的PLC：PLC的技术从诞生之日起，就不停地

发展。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计

理念。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等

场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。

控制系统[4]

PLC分类：微型PLC 固定I/O点，砖块式<32点替代继电器，分布式I/O；小型PLC 砖块式，模块式33-128点工业机器开关控制和商业用途；中型PLC 模块式，小机架129-512点复杂机器控制和一些分布式系统，大型PLC 大机架>513点分布式系统，监控系统PC插卡式PLC ISA或PCI总线卡式>129点机器控制，监控

系统PC兼容控制器模块式，大或小机架>129点机器控制，监控

系统

PLC的硬件进展

以下列出了PLC的硬件进展：

·采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间;

干熄焦控制系统[5]

·小型的、低成本的PLC，可以代替四到十个继电器;

·高密度的I/O系统，以低成本提供了节省空间的接口;

·基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和语言模块（如BASIC，PASCALC）等;

·包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成; ·特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等;

·外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。

以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC 从最小的只有10个I/O点的微型PLC，到可以达到8000点的大型PLC，应有尽有。这些产品系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对

于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。PLC的软件进展与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能:

·PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言;

· 小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域; ·高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性;

·梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能;

·诊断和错误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断;

·浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算;

·数据处理指令得到简化和改进, 可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。

尽管PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操作员来说，今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作，甚至更为简单。比如，三菱的重点定位是在微型和小型PLC的市场，而且试图以大规模的销售和广泛的服务网络来达成低廉的成本;而西门子重点在工厂集成能力、广泛的产品范围、和电子商务能力的整合;欧姆龙则在中型以下的PLC市场取得了领先的位

置;罗克韦尔瞄准大型高端市场，并把自己定位于从工厂底层到管理顶层的制造业解决方案提供商;日本光洋集中于微型和小型PLC，但在PC兼容的PLC也有不俗表现;施耐德则专注于为用户提供完整的集成方案，产品建立在中型和大型PLC上;ABB对于过程工业有深入的了解，并提供完整的解决方案。PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络，被集成到计算机集成制造（CIM）系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。新的PLC的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑I/O系统等。软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和控制器的监控的应用中获得使用。

第一种控制系统

?单片机+PC联合作用的控制系统。单片机的成本更低?但更轻便?更能灵活的嵌入硬件切割机内。但单片机的最大缺点是处理能力不够强大,所以很多很复杂的控制程序必须要单片机结合PC来共同完成,也

就是说对于那些负责的运算或者很复杂的切割式样,单独依靠单片机目前还有一定的设计难度。

第二种控制系统

以PC作为处理平台的控制系统。这种控制系统是最容易设计也是最容易实现的,灵活性高,原因是基于PC为处理平台的控制器可以有着丰富和大家都很熟悉的软硬件资源,所以这样的控制平台设计性很强大,运作性能也很强大?如果能充分的利用PC软硬件资源,设计灵活和复杂的控制程序显得轻而易举。但缺点是这种控制系统不能脱离PC独立运行,所以相对来说成本会显得比其他方式更贵点机械控制的未来：工程机械从其诞生之日起，在人类改造自然的过程中发挥了巨大的作用。随着技术的发展，许多新型的工程机械不断涌现出来，使工程机械的应用朝着规模化方向发展。在很多场合，经常是要多种工程机械进行联合作业。因此，如何协调这些设备的运行，提高生产效率，成为工程机械控制系统急需解决的问题。工程机械控制系统初期，由于受技术条件的限制，对这些设备的共同作业，采用的是集中控制模式，即用单独一个控制单元，来控制协调设备的运作。然而，随着工程机械规模化的不断扩大，传统的基于集中控制方式的方案，其导致的控制系统安装、维护的繁琐，运行的可靠性、应用灵活性的降低，维修难度的增大等问题也日益暴露出来。因此，如何提高控制系统的性能、应用的灵活性和方便性，降低系统的应用成本和维护成本，成为工程机械控制系统未来发展的趋势。同时，随着工程机械领域竞争的日趋激烈，如何在控制系统方面使产品更具竞

争力，也是未来工程机械控制系统发展的重要方面。