工业自动化控制装置之PLC与计算机控制

工业自动化控制装置最初都是机械控制的，后来发展到电动机械化控制，现在通常是纯电气化控制。电气化控制就是指通过PLC和计算机进行工业自动化控制。一般来讲，工业自动化控制装置可以分为以下几类：电动机械控制、硬接线电气控制、可编程的硬接线电气控制、PLC控制和计算机控制。

1.可编程序逻辑控制器（PLC）

PLC是最常用的工业自动化控制器，是一种用于控制生产机器和工作过程的特殊计算机，其硬件和软件特别适用于工业环境和电气技术人员。PLC使用可编程序的存储器存放指令，并按照指令执行，完成相应的开/关控制、定时、计数、顺序控制、算数运算和数据处理等功能。

PLC是一种集计算机技术、自动控制技术与通信技术为一体的数字运算操作的电子系统。PLC的开发初衷就是专门针对工业环境，逐步实现从单台设备的控制到整个工厂流程自动化的发展要求。随着软、硬件的设计与开发，使编程过程简单化从而使PLC的控制更为灵活，并具有高度的可靠性与抗干扰能力等优点。微电子技术与计算机技术的结合，使PLC的功能变得更加强大，通过可编程控制的实现，为PLC增添了使用上的灵活性。目前PLC的应用范围广泛，在工业自动控制中发挥着不可替代的重要作用，钢铁、化工、石油、机械制造、汽车等领域对PLC的依赖程度也越来越高。

PLC与传统的继电器控制相比具有一系列的优点。继电器控制系统必须有硬接线才能完成特定的功能，当系统控制需求改变时，继电器控制电路的接线也必须做相应的改变或改进，甚至要更换整个控制板。PLC避免了传统继电器电路大量的硬接线，与具有继电器的工业自动化控制系统相比，它的体积更小，价格也有优势。

PLC还具有下述优点：

（1）更高的系统可靠性 一旦程序编写完成并经过调试，就能很容易地下载到PLC中。因为所有的控制逻辑都包含在PLC的存储器中，不会出现逻辑接线错误。用程序取代了过程中完成逻辑控制功能所需的外部接线，尽管仍然需要硬接线连接现场设备，但数量已大大减少。因此，PLC与一些固态元件能提供高可靠性。

（2）更好的系统灵活性 在PLC中编写和修改程序比电路的接线和修改接线容易得多。原始设备生产商只需要简单发布出新的程序，就能实现对程序的升级。终端用户可以在现场修改程序，如果需要，还可以提供例如硬件方面的键盘锁或者软件方面的密码等保护功能。

（3）更低的系统成本 最初设计PLC是为了取代继电器控制逻辑，其节省费用的效果已经非常明显。通常，如果一个控制系统中使用了六个以上的继电器，用PLC代替则费用会更低。

（4）通信能力 PLC能够与其他的控制器或者计算机设备进行通信以完成监控、数据采集、监视设备和过程参数以及下载、上传程序等功能。

（5）更快的系统响应时间 PLC是为高速和实时应用而设计的。PLC的实时控制，指的是现场发生的事件会引起某一操作或输出的执行。每秒处理数千条指令的机器以及识别在传感器前动作时间不足1s的物体，都需要PLC的快速响应能力。

（6）更容易的故障识别 PLC固有的自诊断功能，使用户很容易地找出并改正软件和硬件的故障。为了查找和确定故障，用户可以把控制程序显示在显示屏上，并在它执行时进行实时观察。

控制模式的多样化发展是PLC进步的成果之一，也是PLC功能强大的体现。PLC的功能也有了本质的变化，从最初简单的逻辑控制、顺序控制，逐步进化到复杂的连续控制和过程控制领域，PLC在工业自动化控制中的主要控制模式有以下几种：

（1）顺序控制 随着技术的进步，顺序控制也不再是传统的继电器触点式控制模式了，而是通过PLC触点的状态信息来实现。只需要简单的执行指令，就可以进行有序的控制，这是PLC设计的初衷，是PLC基本功能优势的体现，在顺序控制领域，PLC已经领先于其他技术，在工业领域发挥着不可替代的作用。

（2）过程控制 过程控制是针对模拟量的工作过程，是通过对连续变化的电流、电压、温度、压力等模拟量的当前与历史输入状况的分析，产生用户要求的开关量，使系统工作参数能够按一定要求工作。过程控制的代表类型是开环控制与闭环控制，这种控制手段在冶金、化工、电力控制等方面的应用效果都非常明显。

（3）运动控制 机械的运动特性为PLC的控制提出了新的要求，在控制对象的直线运动或者圆周运动等情况下，PLC可以利用对脉冲量的控制来实现机械的运动控制。脉冲控制的位移量很小，因此，PLC运动控制的精确度也很高。

（4）信息控制 信息控制实现的是数据处理的功能，通过对信息的采集、处理、存储与传输，实现信息控制的目的，并兼具数据分析能力。信息时代的发展要求，赋予了PLC的控制工作新的信息属性，信息控制的实现也标志着PLC信息化功能的转变。(www.xing528.com)

（5）远程控制 利用PLC的通信接口与联网模块的通信功能，可以实现PLC的远程控制。控制方式主要有PLC与PLC控制网的远程互联控制，PLC与智能终端的互联来实现的远程控制，还有PLC与计算机终端、以太网的连接控制方式等。

随着电子技术和计算机技术的不断进步，PLC也经历了突飞猛进的发展，PLC应用领域的扩大和对PLC功能需求的提高，不但使PLC的功能更加完善，也使PLC实际应用中存在的问题得到深入的研究和讨论。通信功能的日益完善为工业生产的远程控制提供了更加可靠的数据传输，从而适合更加复杂的工业生产场合。PLC在工业领域作用的日益重大，不但是今后工业自动化发展的有力支撑，也是工业化生产的主要依托。

2.分散控制系统（DCS）

工业自动化控制系统可以分为单机控制、集中控制和分散控制。

单机控制系统用于控制一个单独的机器，一般不需要与其他的控制器通信。集中控制系统就是用一台中央控制器控制几台设备或几个进程，控制过程中的每一个环节都需要通过中央控制器控制，控制器之间没有状态和信息的交换。分散控制系统DCS（Distributed Control System，DCS，国内一般习惯称为集散控制系统）与集中控制不同，每台设备都是通过专有的控制系统控制。每个专有控制系统都是完全独立的，如果不需要它担当制造功能时，可以直接从控制系统中去除。分散控制由两台或多台计算机之间的通信来完成全部控制任务。DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通信（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便，与常规的集中控制系统相比有如下特点：

（1）高可靠性 由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其他功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

（2）开放性 DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

（3）灵活性 通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系，从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

（4）易于维护 功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某台计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

（5）协调性 各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

（6）控制功能齐全 控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和PLC构成。处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。过程监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓储管理、能源管理等。

从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成。DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。操作级包括操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS）。图1-4是一台主机监控的DCS示意图。

DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS，比如横河YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等，虽说系统内部（过程级）的通信协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同地选择了以太网，采用标准或变形的TCP/IP。这样就提供了方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于Windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便地通信，以实现资源共享。

图1-4 DCS示意图