智能控制硬件系统在工业自动化中至关重要。 它们可以实现精确控制、实时监控、降低成本、可靠性和安全性以及数据统计。 不仅可以优化设备管理、提高设施生产效率、节约成本,还可以提高设备的安全性和运维效率,为企业的生产发展带来更多价值。 那么,智能控制硬件系统到底是什么? 今天我给大家介绍一下PLC/PAC、DCS和FCS系统等。

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本文引用自:《智能制造装备基础》。 作者:吴玉厚、陈冠龙、张克、赵德宏、龚亚东、刘春石。 清华大学出版社《智造园》原创,数字企业授权出版。

PLC/PAC系统技术

01 PLC技术

(1)基本概念和结构组成。 PLC通常被称为可编程逻辑控制器,它的出现最早可以追溯到19世纪末。 PLC发展至今,已形成大、中、小型各种规格的系列产品[1]。 除逻辑控制外,大多数PLC还具有完整的数据计算能力,可应用于各种数字控制领域。

PLC的基本结构包括电源、中央处理器、存储器、输入单元、输出单元等。

①电源:用于将交流电转换成PLC内部所需的直流电。

②中央处理单元:中央处理单元(CPU)是PLC的控制中心,是PLC的核心部件。 它的性能决定了PLC的性能。 中央处理器的功能是处理和运行用户程序,进行逻辑和数学运算,并控制整个系统的协调。

③存储器:存储器是具有记忆功能的半导体电路。 它的作用是存储系统程序、用户程序、逻辑变量等信息。

④输入单元:输入单元是PLC与被控设备连接的输入接口。 它是信号进入PLC的桥梁。 其作用是接收主控组件和检测组件的信号。

⑤输出单元:输出单元也是PLC与被控设备之间的连接部件。 其作用是将PLC的输出信号传送给被控设备,即将中央处理器送来的弱电流信号转换成电平信号来驱动被控设备。 设备执行器。 输出有继电器输出、晶体管输出、晶闸管输出三种。

(2)工作原理及应用。 PLC的工作原理包括三个阶段,即输入采样、用户程序执行和系统输出刷新阶段,如图1所示。在输入采样阶段,采用扫描方式读取采样数据,并将数据存储在输入图像寄存器。 完成数据输入过程后,将继续转入用户程序进行下一步的执行输出。 对于程序执行阶段,PLC控制器在扫描和处理用户程序时始终遵循自上而下的原则,同时在规定顺序的指导下完成核算运算。 会计还需要遵循自上而下的原则。 。 当用户程序执行结束后,PLC控制器进入输出刷新阶段。 在此期间,CPU根据I/O映像区中相应的状态和数据刷新所有输出锁存电路,然后通过输出电路驱动相应的外部设备。

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图1 PLC工作原理

PLC技术具有可靠性和抗干扰能力强、通用性强、控制程序可变、功能强、应用广泛、编程简单、上手难度低、减轻控制系统设计和施工的工作强度等优点。 并且尺寸和重量具有明显优势。

PLC技术在电气设备自动化控制系统中的应用有以下几个方面:

①PLC技术在模拟量控制中的应用。 实际工业生产中,存在着温度、流量、压力、液位等不断变化的模拟量,应用PLC技术可以实现模拟量与数字量的相互转换,即A/D和D /A转换,使模拟量可以转换成可以记录和跟踪的数字量,从而可以对模拟量进行控制,PLC也可以对模拟量进行监控。

②PLC技术在开关控制中的应用。 PLC技术在控制系统中不断实践和应用的关键是用编程存储器代替继电器来控制机械设备。

③PLC技术在闭环控制系统中的应用。 将PLC技术应用到电机启动系统的闭环控制中,可以实现系统的自动化甚至智能化控制。 不仅提高了控制效率,也更好地保证了闭环控制系统的稳定性。

02 PAC技术

(一)基本概念。 PAC(可编程自动化控制器)的概念定义为:控制引擎的集中,涵盖PLC用户的各种需求和制造制造商的信息需求。 PAC包括PLC的主要功能和扩展的控制能力,以及基于PC的控制中基于对象的、开放的数据格式和网络连接功能。 从技术角度看,PAC是一种总线型分布式控制系统。 PAC系统总线技术作为工业现场的一种通信方式,具有传输速度快、数据量大、易于扩展、安装和维护等优点[2]。

(2)技术特点。 PAC的技术特点:PAC结合了PC的处理器、存储器和软件,具有PLC的稳定性、鲁棒性和分布式性。 PAC采用开放式结构,采用COTS(货架商业),即选择市场上成熟可用的产品形成PAC平台。 它具有以下优点:

①提高生产力和运行效率。 通用的轻量级控制引擎和综合工程开发平台,实现快速开发、实施和迁移; 由于其开放性和灵活性,确保控制、运营和企业级业务系统的无缝集成,优化工厂流程。

②降低运营成本。 使用通用的标准架构和网络可以降低运营成本,并允许工程师在经济高效的现成平台中选择系统组件,而不是专有产品和技术。

③ 让用户对自己的控制系统有更多的控制权,让用户更灵活地选择适合每个特殊应用的硬件和编程语言,按自己的时间表计划升级,并在任何地方设计和制造产品。

03 PAC与PLC的主要区别

①PAC的性能基于其轻量级控制引擎和标准、通用、开放的实时操作系统、嵌入式硬件系统设计和背板总线。

② PAC采用通用实时操作系统和标准通用的嵌入式硬件系统结构设计,其处理器可采用高性能CPU。

③PAC系统的编程软件为同一平台,包括逻辑控制、运动控制、过程控制和人机界面等功能。

综上所述,在高新技术快速发展的背景下,PLC技术应运而生并得到了广泛应用。 将先进的PLC技术应用到电气工程自动化控制领域,解决了传统技术的许多缺点。 同时,新一代控制系统PAC已应用于我国机械、冶金、化工、水处理、交通等行业的自动化控制,取得了良好的效果。

DCS系统技术

01 基本概念

DCS是Distributed Control System的缩写,也可以直译为集散控制系统或集散计算机控制系统。 它是相对于集中控制系统而言,集计算机、通信、显示、控制技术于一体的计算机控制系统。 其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、配置方便[3]。

DCS控制系统是计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机界面技术相互发展和渗透而产生的。 它既不同于分散式仪表控制系统,也不同于集中式计算机控制系统,而是在吸收两者基础上发展和完善的系统控制技术。

02 结构组成

DCS是Distributed Control System的缩写,也可以直译为集散控制系统或集散计算机控制系统。 它是相对于集中控制系统而言,集计算机、通信、显示、控制技术于一体的计算机控制系统。 其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、配置方便[3]。

DCS的结构是分布式系统。 从整体逻辑结构来看,它是一个分支树结构。 其垂直结构分为三个层次结构:过程控制层、控制管理层和生产管理层。 整个系统由三部分组成,即集中管理部分、分散控制与检测部分以及网络通信部分。 系统结构图如图2所示。

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图2 DCS系统结构图

(1)集中管理部分。 集中管理部分包括工程师站、操作员站和上位机。

①工程师站:负责系统管理、控制配置、系统生成和下载;

②操作员站:人机界面,上位机系统负责生产过程的控制、过程状态显示、报警状态显示、实时数据和历史数据显示及打印等。

③上位机:即管理计算机,实现生产调度管理、优化计算、生产运行管理、分析决策等层面的管理和计算。

(2)分散控制部分。 分散控制部分的功能是:

① 模拟量、数字量、脉冲输入输出及转换处理的现场检测;

②各种控制回路的运行;

③控制运算结果的直接输出。

(3)网络通信部分。 网络通信部分包括局域网和控制网络以及网络之间的接口网关设备,可实现各功能站之间数据和指令的通信传输。

03 特点与应用

DCS控制系统采用标准化、模块化、系列化设计。 它由过程控制层、控制管理层和生产管理层组成。 它是通过通讯网络链接的集中显示操作管理。 控制相对分散,配置和分组灵活。 一种动态方便的多级计算机网络体系结构。

随着DCS性能的提高、功能的增强、价格的下降、产品系列的增加,其市场销量逐年增长。 据统计,我国化工、石化企业最常用的是DCS。 100%的大型乙炔装置和95%的大型合成氨装置都安装了DCS控制系统,特别是所有新建的化工厂,无论规模大小,无一例外。 采用DCS控制系统。

FCS过程控制系统技术

01 基本概念

FCS(现场总线控制系统)是在DCS/PLC基础上发展起来的一项新技术,实现了控制室到现场设备的双向串行数字通信总线连接。 FCS中的“现场”更多的是指现场的设备,而不是具体的位置[4]。

02 技术特点

FCS在工业控制领域的技术特点主要包括以下几个方面:

①增强现场信息整合能力。 FCS技术的应用和大力推广,提高了工业控制领域受控对象的控制和协调能力。 特别是用户可以通过现场总线从被控设备中获取大量极其有价值的数据信息。

②具有开放性、互换性、可操作性等优点。 FCS与DCS的区别之一是其通信协议的开放性,有利于不同系统网络之间的互连,并允许它们相互建立通信机制。 由于现场总线控制系统中的设备都具有相同的标准总线协议,因此现场总线控制的设备具有互换性和可操作性,从而减少了用户的备件,节省了设备维护成本。 。

③具有可靠性高、可维护性好的特点。 如果要保证整个系统能够安全运行,系统必须对现场所有受控设备进行不间断的实时检测和诊断,而这种诊断方式必须是在线模式。 另外,系统在对生产现场设备进行远程操作和监控时,所有现场控制参数均已预设。 如果系统检测到故障,会立即在线修改参数值,充分体现了FCS的可维护性。

FCS技术从一开始就在工业控制领域得到推广,特别是在石化行业应用后。 已逐步在全球各行业广泛应用和推广。 FCS现场总线控制技术广泛应用于相关选矿企业,对企业发展发挥着重要作用。 FCS技术已经在实践中证明,现场总线模式给工业控制领域的控制系统带来了很多好处。 尤其是在环境恶劣的地方,FCS充分发挥其独特的技术特点,如抗干扰能力强、数据传输快速准确等。

参考

[1] 刘敏,等。 智能制造[M]. 北京:清华大学出版社,2019。

[2] PERUZZINI M, PELLICCIARI M. 为老龄工人设计以人为本的自适应制造系统的框架[J]. 高级工程信息学,2017。

[3]朱文海,史国强,林廷玉。 从计算机集成制造到智能制造:循序渐进与突变[M]. 北京:电子工业出版社,2020。

[4] CZERNIAK JN, BRANDL C, MERTENS A. 根据人体工学要求设计机床控制的人机交互概念[J]. IFAC 在线论文,2017 (1)。

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