自动化十八般兵器盘点(下)
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  自动化技术是一门综合性技术,它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系,而其中又以控制理论和计算机技术对自动化技术的影响最大。自动化技术中有很多专用器材,就像学武之人的兵器一样,笔者对自动化兵器作了一个盘点,此前我们已经介绍了上半部分,下面就来看一下自动化十八般武器的下半部分有哪些。

  电磁阀镋

  电磁阀是用电磁控制的工业设备,用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种,不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用,最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制,主要的控制方式由继电器控制。这样,电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制,而控制的精度和灵活性都能够保证。杆状的物体就是通过电控制的阀杆,利用电磁力可以将阀杆打开或者关闭。

  下面以气动系统为例子说明电磁阀在工业控制中的应用。所谓气动系统,就是以气体为介质的控制系统。气动系统中,这种能源的介质通常就是空气。在真正使用的时候,通常把大气中的空气的体积加以压缩,从而提高它的压力。压缩空气主要通过作用于活塞或叶片来作功。

  气动系统中,电磁阀的作用就是在控制系统中按照控制的要求来调整压缩空气的各种状态,气动系统还需要其他元件的配合,其中包括动力元件、执行元件、开关、显示设备及其它辅助设备。动力元件包括各种压缩机,执行元件包括各种气缸。这些都是气动系统中不可缺少的部分。而阀体是控制算法得以实现的重要设备。

  比如单向阀让压缩空气从压缩机进入气罐,当压缩机关闭时,阻止压缩空气反方向流动;安全阀当储气罐内的压力超过允许限度,可将压缩空气排出;方向控制阀通过对气缸两个接口交替地加压和排气,来控制运动的方向;速度调节阀能简便实现执行元件的无级调速。

  电磁阀不但能够应用在气动系统中,在油压的系统、水压的系统中也能够得到相同或者类似的应用,比如低功率不供油小型电磁换向阀,密封件不需供油,排出的气体不会污染环境,可用于食品、医药、电子等行业。

  电磁换向阀

  现在,电磁阀技术与控制技术、计算机技术、电子技术相结合,已经能够进行多种复杂的控制。比如可以把电磁阀应用在智能控制领域,应用在无线控制技术等方面。电磁阀正是因为能够用电磁进行控制,所以它能与现在的各种电子系统很好地接口,这也是它得到广泛应用的一个主要原因。

  电磁阀已经广泛地应用在生产的各个领域中,随着电磁控制技术和制造工艺的提高,电磁阀能够实现更加精巧的控制,为实现不同的气动系统、液压系统发挥它的作用。

  可编程控制器棍

  近年来,随着大规模集成电路的发展,以微处理机为核心组成的可编程控制器得到了迅速的发展,在电动机的运行控制、电磁阀的开闭、产品的计数、温度压力等的设定和控制等方面,可编程控制器正发挥着越来越大的作用。

  图中为A-B公司生产的中型可编程控制器。图的左边部分为主机部分,右边为输入输出模块。

  可编程控制器(ProgrammableLogicalController)简称为PC或PLC,是60年代末发明的工业控制器件。日本电气控制学会曾对可编程控制器作了一个定义:可编程控制器是将逻辑运算,顺序控制,时序和计数以及算术运算等控制程序,用一串指令的形式存放到存储器中,然后根据存储的控制内容,经过模拟,数字等输入输出部件,对生产设备和生产过程进行控制的装置。

  PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的,它既不同于普通的计算机,又不同于一般的计算机控制系统,作为一种特殊形式的计算机控制装置,它在系统结构,硬件组成,软件结构以及I/O通道,用户界面诸多方面都有其特殊性。

  从原理上说,可编程控制器和计算机是一致的,为了和工业控制相适应,PLC采用扫描原理来工作,也就是对整个程序进行一遍又一遍的扫描,直到停机为止。之所以采用这样的工作方式,是因为PLC是由继电器控制发展而来的,而CPU的扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间,只要采用循环扫描的办法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。

  虽然各种PLC的组成各不相同,但是在结构上是基本相同的,一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/O)和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器,外存储器,模拟I/O盘,通信接口,扩展接口等。CPU是PLC的核心,它用于输入各种指令,完成预定的任务,起到了大脑的作用,自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用;存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM,通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中,RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间;输入输出系统(I/O)使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道,这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等,使PLC的应用十分广泛。

  早期的PLC主要用于顺序控制上。所谓顺序控制,就是按照工艺流程的顺序,在控制信号的作用下,使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作。PLC的应用大大促进了流水线技术的发展。

  今天的PLC已经开始用于闭环控制,不仅如此,随着其扩展能力和通信能力的发展,它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。PLC自1969年问世以来,它按照成熟而又有效的继电器控制概念和设计思想,不断利用新科技,新器件,尤其和现在飞速发展的计算机技术相联系,逐步形成一门较为独立的新兴技术和具有特色的各种系列产品,同时也逐步发展成为一类解决自动化问题的有效而且便捷的方式。PLC自身具有的完善的功能,模块化的结构,以及开发容易、操作方便、性能稳定、可靠性高的特点和较高的性价比,使其在工业生产中的应用前景越发看好,而且随着集成电路的发展和网络时代的到来,PLC必将能够有更大的用武之地。

  现在的主要的PLC的厂商都集中在日本和美国等发达国家,国内生产和制造PLC的工艺技术都还落后于这些国家。作为实现工业自动化的不可缺少的部分,大力发展PLC对于我国来讲是很重要的,也有深远的意义。

  工业计算机槊

  计算机在最近的几十年中,极大地改变了我们的生活。在工业中,计算机也得到了相应的应用,这就是工业计算机。所谓工业计算机,简单的来说,就是把计算机应用在工业中,也正是因为应用在了工业中,工业计算机和普通的计算机有了不同的特点。

  工业计算机的用途不用,它主要用于工业控制、测试等方面。一个工业计算机的典型应用是通过标准的串行口(RS232/485等串口)获得外部的数据,通过计算机内部的微处理器的计算,最后通过显示屏或者通过串行口输出,这样,在工业计算机上,我们就实现了一个计算的过程。很明显,这和普通的计算机的娱乐、办公、编程方面的应用是完全不同的。

  另外,工业计算机的组成部件不同。工业计算机工作的场合不同,也必然导致了其构成的部件和通用计算机不同。比如说工业计算机可以没有显示屏,可以拥有多个串行口,其CPU是专用的工业控制的CPU,所用的系统板面积很小。以上的所有这些特点都反映了两种计算机组成上的差别。由于工业控制的恶劣环境,经常需要特种的部件来构成工业控制用的计算机。比如,在一些情况下需要比较宽的工作温度,不少工业计算机能够在零下20度到80度的温度范围内工作;另外一些情况下需要稳定性更好的器件,比如说抗强干扰的器件。这些特点都是和工业计算机的用途密切相关的。也正是因为功能五花八门,不同的工业计算机也有不一样的接口,通用性较普通计算机差。

  工业计算机的软件系统和普通计算机不同。工业计算机的软件系统比较单一,主要实现一个特定的功能,而且由于工业计算机通常采用速度不是非常快的处理器,使得程序的编写要求比较高。工业计算机通常采用仿真环境来开发程序,并采用脱机运行的方式。而普通计算机拥有大量的通用的应用程序,处理器的速度非常快,软件的开发系统也完全在机器上面,无需其他环境的支持。

  工业计算机的接口

  事物都有两方面,工业计算机还是和普通计算机有更多相似的特点。比如它们虽然使用的CPU不同,但是这些CPU还是相同的产品系列,具有相同的内部结构;两种计算机的总线结构基本相同,不少工业计算机是通用计算机的简化版本;并且不少工业计算机拥有和普通计算机相同或者相兼容的接口。

  下面我们以一个数据采集系统为例子来说明如果研发一个工业计算机的实际过程。首先我们调查我们所需要开发的目标,通过这个目标,我们选择一个工业计算机的典型结构,选择工控使用的CPU、外围电路等。然后选择仿真器、调试器,在PC机上开发出主要的控制程序。在程序的开发过程中,需要设计采集信号的程序、分析信号的程序、存储的程序等。最终我们把编制完成的程序刻录入工业计算机上的ROM中,然后去掉外围的仿真器和调试工具,这样一个完整的工业计算机就可以投入使用了。

  现在,工业计算机已经成为工业应用中不可缺少的器件之一,它有计算机的特点,也有工业设备的实用性,会在未来的自动化进程中起到不可替代的作用。

  单片机的应用棒

  单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器,随机存储器,程序存储器,定时器和各种I/O接口,也就是说集成在一块芯片上的计算机。单片机的主要特点是体积比较小,重量轻,再加上良好的抗干扰性和可靠性,单片机已经成为工业控制的不可缺少的器件之一。

  自从1976年问世以来,单片机获得了巨大的发展。现在比较流行的单片机是美国Intel的MCS51/96以及Motorola的MC系列,Zilog的Z8系列,同时还有更多新型的、功能更强的单片机不断出现。

  单片机和普通计算机的区别在于其集成性,这样单片机牺牲了广泛意义上的通用性,主要适用于工业控制或者是集成在产品中。这样单片机性能的发展也不能和普通计算机相提并论,但是对于工业的应用,单片机的速度已经是足够了,而且有其适应工业应用的方面。

  单片机的核心部分是中央处理器(CPU),CPU主要包括运算器和控制器两个部分,运算器中主要包括了累加器,寄存器组,算术逻辑单元,是处理能力的核心。控制器是计算机的指挥核心,包括指令部件、时序部件和微操作控制部件,其功能是完成CPU内外的数据交换。和普通计算机不同的是,单片机采用哈佛型的体系结构,而普通的计算机采用的诺伊曼型的结构,即单片机采用的是数据和程序存储器分离,而通用的计算机则是使用相同的存储空间。单片机的存储分为RAM和ROM两种,其中ROM又包括PROM,EPROM,EEPROM等多种不同的类型,程序通常固化存储在ROM中,丰富的存储类型也使得单片机更加适合工业上不同场合的需要。重要的是,单片机还具有很强的存储扩展能力,有能力满足不同的存储需要。

  单片机内部内置的定时器和I/O接口是不可缺少的一个部分。定时器使用方便,控制方式很灵活,精度完全能够满足一般工业控制的需要。单片机的I/O系统类型丰富,具有很强的输入输出能力,定时器和I/O的特性也是单片机区别于普通计算机的一大特色。

  单片机的开发最早主要是处于汇编级的开发,这样,为单片机开发程序还是比较复杂的应用。虽然单片机的指令系统和普通计算机系统的指令非常类似,但它也有自己特殊的指令。比如MCS系列单片机的位寻址就是一个特有的寻址方式,这也增强了该类型单片机在处理布尔代数时候的能力。除此以外,单片机的指令格式也比较特殊。单片机的主要的开发工作都集中在接口技术,也就是为单片机进行扩展外部功能。单片机的接口技术主要包括了并行接口,串行接口,数模转换器和模数转换器以及接口的扩展技术。通过这些扩展工作,单片机就获得了交互的能力,也使得内部的处理能力得到有效的发挥。单片机发展到今天,出现了不少高级语言的开发工具,这些系统通过仿真,在更高的平台上进行快速的开发,也为单片机的广泛应用铺平了道路。

  单片机的主要目的是为了应用,以下的一些例子就可以看出其广泛的应用。应用于工业的测控是单片机的主要功能之一。单片机有丰富的I/O线,较大部分的这样的单片机都应用在汽车工业,使得汽车在局部的处理中拥有更多的智能。在汽车的局部处理中,单片机加上传感器,再辅以固定的算法,就能够在驾驶员不知不觉的情况下对车况进行调整。另外,随着单片机性能的增强,单片机也同样广泛应用在计算机网络和通信技术中。

  单片机已经无处不在,与我们生活更加相关并渗透入生活的方方面面。单片机的特点是小,也就是其集成的特性,其内部的结构是普通的计算机系统的简化。在增加一些外围电路之后,就能成为一个完整的系统。比如,我们常用的一类电子秤,内部就安装了一块单片机,再加上传感器、显示器和一些附加电路,就形成了一个应用系统。所以单片机的可扩展性是相当好的。又比如K85这样的电脑中频电疗仪,能够从病人身上获取数据,然后根据现有的算法从几种治疗处方中选择,而在每一种处方中还能够根据病人的病情而改变中频和波形及输出电流强度。这样可以看出单片机本身也具有和普通计算机类似的强大的处理,可以增加复杂的算法,获得很强的数据处理能力。单片机也可以应用在电脑缝纫机上,这样单片机可以替代很多机械部分,还能提供很多老式的缝纫机无法实现的图案。所以单片机在工业中的应用,极大地提高了工业设备的智能化,提高了处理能力和处理效率,而且无需占用很大的空间和复杂的设备。

  单片机已经为我们方便生产和生活发挥了巨大的作用,在未来的社会主义工业化的建设中,单片机无疑会发挥更大的作用的。

  继电器控制拐

  继电器是我们生活中常用的一种控制设备,通俗的意义上来说就是开关,在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说,由于为某一个用途设计使用的电子电路,最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互,所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。

  图中所示为安装在标准轨道上的各种继电器。中间的为时间继电器。继电器就像计算机中的基本逻辑电路一样。由它们作为基本单元组成了各种各样的控制电路

  最常见的继电器要数热继电器,通常使用的热继电器适用于交流50Hz、60Hz、额定电压至660V、额定电流至80A的电路中,供交流电动机的过载保护用。它具有差动机构和温度补偿环节,可与特定的交流接触器插接安装。

  热继电器

  时间继电器也是很常用的一种继电器,它的作用是作延时元件,通常它可在交流50Hz、60Hz、电压至380V、直流至220V的控制电路中作延时元件,按预定的时间接通或分断电路。可广泛应用于电力拖动系统,自动程序控制系统及在各种生产工艺过程的自动控制系统中起时间控制作用。

  在控制中常用的中间继电器通常用作继电控制,信号传输和隔离放大等用途。此外还有电流继电器用来限制电流、电压继电器用来控制电压、静态电压继电器、相序电压继电器、相序电压差继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器、接地继电器、电动机保护继电器等等。正是有了这些不同类型的继电器,我们才有可能对不同的物理量作出控制,完成一个完整的控制系统。

  除了传统的继电器之外,继电器的技术还应用在其他的方面,比如说电机智能保护器是根据三相交流电动机的工作原理,分析导致电动机损坏的主要原因研制的,它是一种设计独特,工作可靠的多功能保护器,在故障出现时,能及时切断电源,便于实现电机的检修与维护,该产品具有缺相保护,短路、过载保护功能,适用于各类交流电动机,开关柜,配电箱等电器设备的安全保护和限电控制,是各类电器设备设计安装的优选配套产品。该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的双金属片式热继电器相同。是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子产品。而其真正的原理还是继电器技术。

  一款PLC

  继电器技术发展到现在,已经和计算机技术结合起来,产生了可编程控制器的技术。可编程控制器简称作PLC。它是将微电脑技术直接用于自动控制的先进装置。它具有可靠性高,抗干扰性强,功能齐全,体积小,灵活可扩,软件直接、简单,维护方便,外形美观等优点;以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行。有一个触点接触不良,就会引起故障,维修也相当麻烦,而PLC控制器内部有几百个固态继电器,几十个定时器/计数器,具备停电记忆功能,输入输出采用光电隔离,控制系统故障仅为继电器控制方式的10%。正因为如此,国家有关部门已明文规定从97年起新产电梯不得使用继电器控制电梯,改用PLC微电脑控制电梯。

  可以看出,继电器技术在日常生活中无所不在,而且和电脑的紧密结合更加增强了它的活力,使得继电器为我们的生活更好地服务。

  液压传动控制系统流星

  液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式,它采用液压完成传递能量的过程。因为液压传动控制方式的灵活性和便捷性,液压控制在工业上受到广泛的重视。液压传动是研究以有压流体为能源介质,来实现各种机械和自动控制的学科。液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路,再由若干回路有机组合成为完成一定控制功能的传动系统来完成能量的传递、转换和控制。

  从原理上来说,液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理,就是说,液体各处的压强是一致的,这样,在平衡的系统中,比较小的活塞上面施加的压力比较小,而大的活塞上施加的压力也比较大,这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递,可以得到不同端上的不同的压力,这样就可以达到一个变换的目的。我们所常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。

  液压传动基本原理

  液压传动中所需要的元件主要有动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件等。其中液压动力元件是为液压系统产生动力的部件,主要包括各种液压泵。液压泵依靠容积变化原理来工作,所以一般也称为容积液压泵。齿轮泵是最常见的一种液压泵,它通过两个啮合的齿轮的转动使得液体进行运动。其他的液压泵还有叶片泵、柱塞泵,在选择液压泵的时候主要需要注意的问题包括消耗的能量、效率、降低噪音。

  液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置,主要包括液压缸和液压马达。液压马达是与液压泵做相反的工作的装置,也就是把液压的能量转换称为机械能,从而对外做功。

  液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制,以满足特定的工作要求。正是因为液压控制元器件的灵活性,使得液压控制系统能够完成不同的活动。液压控制元件按照用途可以分成压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。按照操作方式可以分成人力操纵阀、机械操纵法、电动操纵阀等。

  除了上述的元件以外,液压控制系统还需要液压辅助元件。这些元件包括管路和管接头、油箱、过滤器、蓄能器和密封装置。通过以上的各个器件,我们就能够建设出一个液压回路。所谓液压回路就是通过各种液压器件构成的相应的控制回路。根据不同的控制目标,我们能够设计不同的回路,比如压力控制回路、速度控制回路、多缸工作控制回路等。

  根据液压传动的结构及其特点,在液压系统的设计中,首先要进行系统分析,然后拟定系统的原理图,其中这个原理图是用液压机械符号来表示的。之后通过计算选择液压器件,进而再完成系统的设计和调试。这个过程中,原理图的绘制是最关键的。它决定了一个设计系统的优劣。

  液压传动的应用性是很强的,比如装卸堆码机液压系统,它作为一种仓储机械,在现代化的仓库里利用它实现纺织品包、油桶、木桶等货物的装卸机械化工作。也可以应用在万能外圆磨床液压系统等生产实践中。这些系统的特点是功率比较大,生产的效率比较高,平稳性比较好。

  液压作为一个广泛应用的技术,在未来更是有广阔的前景。随着计算机的深入发展,液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机控制的技术等技术结合起来,这样就能够在更多的场合中发挥作用,也可以更加精巧的、更加灵活地完成预期的控制任务。

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