可编程序控制器的应用和发展
出处：按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册下》第2980页（2967字）
传统的工业自动化，根据被控对象可分为机械自动化和过程自动化。前者是使原料和产品的加工、装配、搬运、检验、包装、入库等机械动作实现自动化，机械动作一般是不连续的，即使从宏观上看是连续的(如高炉的上料、电镀流水线等)生产过程，但实质上只是一些不连续的机械动作的组合。实现这类非连续过程自动化的装置，由传统的继电器控制装置逐步被可编程序控制器所取代。而后者是生产过程的自动化，控制量(如温度、压力、流量、液位等)是连续的。实现过程自动化的装置，由机械或电子式模拟仪表逐步发展为集散型控制系统。集散型控制系统，是利用微型计算机技术、通信技术和图像显示技术，把微处理机、顺序控装置、过程控制的模拟仪表、数据采集装置、过程监控装置有机地结合在一起，以满足不同要求的过程控制。由于可编程序控制器在数字量处理、顺序控制方面的一定优势，集散系统在回路调节、模拟量控制方面的一定优势，且由于PC加强了模拟量控制功能(大多数PC都具有PTD调节功能)，集散系统加强了数字量的顺序控制功能，使两者越来越接近，从而可以集散控制系统为基础，综合PC和集散控制系统的各自优点，构成分布式计算机控制系统。
可编程序控制器一方面向大型化、复杂化、高功能化、分散型、多层分布式全自动网络化继续发展；同时向简易、超小型发展，以适应单机控制和“机电一体化”。其具体内容包括如下方面：
①简易、超小型化、低成本。通常称I／O的总点数为64点以下的为超小型机或称作微型PC。一般采用单片微处理器或单片微型计算机，并将主机、编程器、输入、输出、显示器等组装在一起，多数为整体式，结构紧凑、密封性能好，可用于恶劣环境。各类光控可关断的可控硅器件、MOS双基管以及“逻辑控制—高压”组成一体的SMART POWER器件，为PC的超小型化提供了条件。超小型PC机的扫描时间一般在5～20ms，有的为40ms，用户存储器存储容量一般为300～1000步。为了满足特殊需要，超小型机也配备如高速计数、定位、外定时等单元，有的还配有PID单元以及相应的模拟量输入和输出。
②通讯、网络技术标准化。PC之间、PC与计算机和其它控制设备之间，应能迅速、准确、及时的相互通讯，以便协调、控制和管理。可编程序控制器所采用的有低速网络和高速网络。低速网络采用主从方式通讯，传输速率从几千波特到几兆波特，传输距离为500～2500m。高速网络采用令牌传送方式通讯，传输速率由1M波特到10M波特，传输距离500～1000m，网上结点可达1024个。这两类网络可级连，网上可兼容不同类型的可编程序控制器和计算机，组成局部网络。图8．6－1所示为MAP网络结构，是七层模拟式、宽频带、令牌传送方式的通讯标准。其第一层为物理层，规定了通讯链路的硬件技术规范，如电缆类型(75Ω同轴电缆)和数据传送速率(10M位／s)。第二层是数据链路层，由媒体送取控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层组成。MAC子层规定了网络送取方法，帧出错检验和网络上传送的报文块或帧的组合。LLC则是准备要传送的帧。第三层是网络层，为同一网络的不同设备选择通讯路。第四层是传送层，在通讯设备之向执行实际的通讯管理，以确保正确地传送报文。第五层是会话层，管理不同设备上运行的多路程序之间的连接。第六层是表示层，完成数据的编译。第七层是应用层，为应用程序和文件数据传送提供标准的送、取服务。这七层相互独立，又互相配合，成为一个整体。也可省去3～6层，由1、2、7层组成小MAP。小MAP在需要时也可通过桥(智能中继站)与整个MAP连接。MAP功能芯片有多种，如MC68194CBM等。通过PC与计算机之间的联网，可实现计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助设计(CAD)。
图8．6－1 MAP网络结构
③I／O组件智能化，加大I／O总点数容量。循环扫描工作方式限制了PC的快速响应能力，使其不能可靠地接收持续时间小于扫描周期的信号，也不能在小于扫描周期的时间内作出响应。为此，使I／O组件得到迅速发展。智能I／O组件，是带微处理器的功能组件，是为执行一些专门功能而设计的，一般执行预处理或闭环控制、开环控制的功能，其运行参数往往由PC下装，但工作节拍与PC的扫描周期无关，所以又称为I／O的并行处理组件。智能I／O组件作为PC的组成部分，使PC机能完成许多它本身解决不了的任务，改善了PC的基本运行性能，增加了系统扩充的灵活性和适用范围，促进了PC发展成为分散控制的系统结构。常见的智能I／O组件可分为五大类：1．模拟量I／O组件，可把各种传感器，如温度计、流量计、压力计等的电压或电流模拟信号转换成PC内部能处理的数字信号，也可把pC主机输出的数字式控制信号转换成相应的电压、电流等模拟信号。2．PID和回路控制组件，有专用和通用两种，它们可使PC具有PID控制功能，用PC机下装的PID参数，能对生产过程进行闭环控制。3．通讯组件，其功能是与数据总线连接和交换数据的任务，常见的有RS·232、RS－422等接口。4．机械运动控制组件，用增量编码器或循环码编码器检测机械位置，可使PC机输出信号通过伺服电机、伺服机构，控制机械运动。5．其它I／O智能组件，如高速计数、中断插入、BASIC语言、冗余输出、多路BCDI／O、线路故障检测等。
④更高的运算速度，多CPU和容错系统，大型和超大型PC向大容量和高速化发展，如采用计算速度和能力更大的CPU芯片，多用位式微处理器(如AMD2901、AMD2903等)，或采用高功能16、32位微处理器，时钟频率可达12～16MHZ(如68010、68020、NS16032、IAPX432等)。提高时钟频率，就提高了扫描速度。PC的主要特征之一，是采用扫描工作方式，适用于顺序控制。为了处理模拟信号而进行过程控制，也可设想把扫描工作方式改为中断工作方式，或采用多个CPU，使扫描与中断工作方式在同一PC中并存。但采用几个CPU的PC已很普遍，如智能I／O组件采用辅助CPU以减轻主CPU的负担等。此外，为提高PC的可靠性，应采用多CPU技术的容错系统，如采用双机热备用系统或三重全冗余PC系统。
⑤PC编程语言的标准化和高级化。例如美国生产的PC机，在基本控制方面编程语言已标准化，均采用梯形图编程。但用梯形图编程，对于处理较复杂的运算、通讯和打印报表等功能时，显得效率低、灵活性差，且不能加注释和说明。为此，在原有梯形图语言的基础上，加入了BASIC、PASCAL、C、FORTRAN等高级语言。使用高级语言编程，要完成编辑、编译、和连接三个过程，这均由系统软件自动完成，简化了应用软件生成过程。另外，还提供相当完备的调试手段，如条件限定、结果设置、原因查找等。调试既可离线进行，也可在线进行。